JP2009538473A - 磁気誘導を使用する工業プロセス装置 - Google Patents

Abstract

プロセスの監視または制御に用いる工業プロセスに連結するためのプロセス装置は、工業プロセスに物理的に連結するように構成される装置ハウジング（１６）を含む。ワイヤーコイル（１００）がハウジングに取り付けられ、磁石（１０４）がワイヤーコイルを通って動くように構成される。磁石の相対運動は、工業プロセスにおける振動（７２）に応答する。このような相対運動はワイヤーコイルに電流を誘起する。ハウジング内の電気回路はワイヤーコイルから電流を受け取る入力を含む。

Description

本発明は工業プロセス制御および監視システムに連結するために使用される種類の工業プロセス装置に関する。

工業環境においては、制御システムは工業および化学プロセスの現況を監視および制御するために使用される。典型的には、制御システムは、工業プロセスにおける主要な場所に分散され、プロセス制御ループにより制御室に置かれる制御回路に連結される、フィールド装置を使用してこれらの機能を実行する。用語「フィールド装置」は、工業プロセスの測定、制御および監視において使用されるすべての装置を含む、分散制御またはプロセス監視システムにおいて機能を実行する任意の装置を指す。

フィールド装置は変換器を含んでいる。変換器は、物理的入力に基づいて出力信号を発生する装置、または入力信号に基づいて物理的出力を発生する装置のいずれかを意味すると理解される。典型的には、変換器は入力を様々な形式を有する出力に変換する。変換器の種類は、様々な分析機器、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、ひずみゲージ、流量発信器、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、表示灯およびその他を含む。他のフィールド装置は制御要素を含み、工業プロセスを制御するために使用される。このようなプロセス装置の例は、バルブコントローラ、バルブ位置コントローラ、ヒータコントローラ、ポンプコントローラ等を含む。

多くのプロセス設備では、プロセス装置は振動を受ける。振動はプロセスの通常運転中に発生する可能性がある。加えて、特定の種類の不具合、例えば、故障しているポンプ、緩んだブラケット等は、プロセス装置に異常な振動を引き起こす。

プロセスの監視または制御に用いる工業プロセスに連結するためのプロセス装置は、工業プロセスに物理的に連結するように構成された装置ハウジングを含む。ワイヤーコイルはハウジングに取り付けられ、磁石はワイヤーコイルを通って動くように構成されている。磁石の相対運動は工業プロセスにおける振動に応答する。このような相対運動はワイヤーコイルに電流を誘起する。ハウジング内の電気回路はワイヤーコイルから電流を受け取るための入力を含む。

図１は、本発明によるプロセス装置１６を含む、工業プロセスコントローラ監視システム１０の簡略図である。以下に詳細に説明されるとおり、プロセス装置１０は、システム１０における振動に応答して運動し、これにより電流を発生する電気コイルと可動磁石とを含む。

プロセス装置１６は、プロセス流体１４を輸送するように構成されたプロセス配管１２に連結される。プロセスインタフェース要素１８は、プロセスに連結するように構成され、プロセス装置１６への入力または出力のために用いられる。例えば、プロセス装置がプロセス制御送信器として構成される場合、インタフェース要素１８は、プロセス変数を検知するように構成される、圧力センサ、流量センサ、温度センサ等といったいくつかの種類のプロセス変数センサから構成することができる。他方では、プロセス装置１６がプロセスコントローラとして構成される場合、インタフェース要素１８は、プロセスを制御するのに使用される例えばバルブ、ヒータ等であることができる。プロセス装置１６は、プロセス制御ループ２２を通して制御室２０といった遠隔に配置される回路に連結される。プロセス制御ループ２２は、２本のワイヤプロセス制御ループとして図示されており、例えば、工業標準に従って作動するように構成されるプロセス制御ループから形成されることができる。工業標準の例としては、４〜２０ｍＡプロトコル、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコル、ＦｉｅｌｄＢｕｓプロトコルおよびその他がある。

図２は本発明の実施形態の１つの例を示す簡略断面図であって、この実施形態では、プロセス装置１６が、フランジ等のようなプロセス連結体５０によってプロセス配管に連結している。フィールド装置１６は、プロセスインタフェース１８に連結するインタフェース回路５２を含む。送信器として構成される場合、インタフェース回路５２は最初の処理を実行し、プロセス変数センサとして作動できる。同様にプロセスコントローラとして構成される場合、インタフェース回路５２はプロセスインタフェース１８を制御するために用いられる。フィールド装置１６は、メモリ６２に格納されたプログラミング命令に従って作動する、マイクロコントローラ６０を含む。マイクロコントローラ６０はＩ／Ｏ回路６４に連結し、Ｉ／Ｏ回路６４自体はプロセス制御ループ２２に連結する。いくつかの構成では、Ｉ／Ｏ回路６４はまたプロセス装置１６のいくつかまたはすべての回路に電力を供給するために使用される、電力出力を提供する。

磁気誘導回路６８はプロセス装置１６の装置ハウジング７０内に取り付けられる。磁気誘導回路６８はハウジング７０に物理的に連結され、これにより工業プロセス１０から発生する振動７２が磁気誘導回路６８により受け取られる。図２の構成では、磁気誘導回路６８は、アナログディジタル変換器７６に電気出力信号７４を提供する。アナログディジタル変換器７６は出力信号７４を受信し、マイクロコントローラ６０にディジタル信号８０を提供する。マイクロコントローラ６０は適切にディジタル信号を処理する。

構成の１つの例では、マイクロコントローラ６０は、振動信号７２の振幅、スペクトル成分および／または固有特性（時間および／または周波数）を監視する。信号７２は、プロセス１０の通常動作を表す公知の信号と比較される。振幅、スペクトル成分および／または固有特性といった公称信号値は、例えばメモリ６２に格納されている。別の例として、出力信号７４の特定レベルまたは閾値は、破壊しているかあるいは故障しているポンプまたはブラケットといったプロセスにおける特定の不具合を示すことができる。同様に、特定の周波数または一連の周波数は、故障しているかまたは故障したインペラ（impeller）といった特定の不具合を示すことができる。また振動情報を利用して、振動に曝されることに起因する、プロセス装置において予測される耐用年数の低減に関連する予測情報を提供することができる。プロセス装置１６の作動中に、振動信号７２が格納された公称値から所定の形で変化する場合、マイクロコントローラ６０は、詳細な調査を必要とする何らかの種類の事象がプロセスにおいて発生していると決定する。例えば、マイクロコントローラ６０は、構成要素の故障、またはオペレータにより調査されなければならない潜在的な故障を示す出力信号を提供する。情報はまた、バルブコントローラ等といった工業プロセスにおける他の構成要素の動作の状況を提供するといった他の目的に利用できる。プロセス連結体５０が緩んでいる場合には、振動信号７２はまた変化するであろう。別の例では、振動信号７２が急激に減少するかまたはさらに完全に消滅した場合、これはプロセス１０が不適切に遮断したか、または望ましくない状態であることを示す信号である可能性がある。

図３は、本発明の構成の別の例を示すプロセス装置１６の別の簡略ブロック図である。図３では、図２に示される要素と同じ要素にはそれらと同じ符号が付されている。図３の構成では、振動信号７２は磁気誘導回路６８により受信される。磁気誘導回路６８からの電流出力信号７４は電力貯蔵回路８２に提供される。電力貯蔵回路８２は電力を貯蔵するための任意の適切な装置であり、例えば、磁気誘導回路６８からのエネルギーを貯蔵するために使用される、コンデンサおよび整流回路、バッテリ等を含む。電力貯蔵回路８２は、プロセス装置１６に電力を供給するために使用される電力出力信号を提供する。このような構成では、Ｉ／Ｏ回路６４は電力出力信号を提供することを必要としない。さらに、いくつかの構成では、プロセス装置１６は無線接続によって作動するように構成され、Ｉ／Ｏ回路６４は無線通信に使用される。電力貯蔵回路８２はプロセス装置１６にすべての電力を提供してもよく、または装置１６に補給電力またはバックアップ電力を提供してもよい。

図４は、磁気誘導回路６８をより詳細に示している簡略電気回路図である。磁気誘導回路６８は管１０２のまわり巻かれたワイヤーコイル１００を含む。好ましくは、ワイヤは比較的細い直径を有して、管１０２のまわりに多数の巻線を可能にする。しかし、コイルワイヤ１００の電気抵抗は、磁気誘導により発生した電流を流すことができるように十分に小さい。スライド可能な永久磁石１０４は管１０２内に保持され、管１０２の両端１０８間で矢印１０６により示される方向に移動する。ファラデーの磁気誘導原理にしたがって、ワイヤーコイル１００を通過する磁石１０４の運動により、ワイヤーコイル１００に電流が発生する。この電流はコイル１００に対する磁石１０４の速度に比例する。磁石１０４は、図２および図３に示される振動信号７２に応答して運動するように構成されている。管１０２の両端１０８にばね部材１１０を配置して、磁石１０４が管１０２内で方向を変えると、磁石１０４の運動におけるエネルギーを保存できるようにしている。ばね部材１１０は、コイルばね、エラストマー部品等といった、任意の適切なものであってもよい。関連する構成では、ばね部材はマグネット１０４に取り付けられてもよいし、前記両端１０８と、マグネット１０４の両方に取り付けられてもよい。電流を発生するのは磁石１０４とコイル１００との間の相対運動であるため、管１０２が振動信号７２に応答して動くように構成されてもよい。

図４はまた、コンデンサ１１８の形状の電力貯蔵回路８２の構成の例を示している。コイル１００からの電流はＡＣ電流である。このような構成では、コイル１００からの電流を整流して、コンデンサ１１８がＤＣ電流によって充電されるようにしなければならない。このような整流はダイオード１２２を含むブリッジ整流器１２０により実行される。コンデンサ１２２は、プロセス装置１６内の電気回路に電力を供給するために使用できる電荷を貯蔵する。このような構成は、例えば図３に示される装置において使用するのに好適である。しかし、磁気誘導回路６８は診断目的に対して使用され、電流が、例えば図２に示されるアナログディジタル変換器７６に提供される場合、信号の整流は必ずしも必要でなく、ブリッジ整流器１２０を削除することができる。ブリッジ整流器１２０の削除により、コイル１００はアナログディジタル変換器７６に直接連結される。抵抗を利用して、電流をアナログディジタル変換器７６に加えるための適切な電圧信号に変換することができる。

一つの磁気誘導回路６８が図示されているが、複数の回路を使用してもよい。さらに複数の磁気誘導回路６８の管１０２を異なる軸に沿って位置合わせすることにより、２軸以上の動きが電流を生成することになる。

１つの構成では、管１０２の方向を調節して、管が最大運動の進路に沿って位置合わせできるようにすることができる。例えば、１つの構成では、プロセス装置１６が最大量の振動エネルギーを受ける方向の軸を特定するように構成された、振動センサ１６０が設けられる。例えば、センサ１６０はその出力を観測して最大振動の軸を特定できるように多数の加速度計から構成されることができる。特定の構成では、相互に９０°で延びる３つの加速度計（すなわち、それぞれＸ、ＹおよびＺ方向に延びる）のすべてを用いて、全方向の振動を特定できる。例えば、センサ１６０は三軸加速度計を構成することができる。このような加速度計からの出力に基づいて、プロセス装置が最大振動を受ける方向の軸を特定できる。装置のマイクロプロセッサ６０（例えば図２および図３参照）は、ある期間にわたって加速度計からの出力を監視できる。振動の累積により選択された期間にわたって特定された最大振動の軸を決定できる。いくつかの構成では、最大振動の軸は、誘導回路をそれに沿って位置合わせすべき最も望ましい軸であることができる。例えば、プロセス装置１６は１つの方向の極端に大きい振動をまれにしか受けないが、別の方向のより小さい振動をより頻繁に受ける場合、誘導回路を、より頻繁に発生する振動（装置が受ける最大振幅でないとしても）に対してもっとも敏感であるように位置合わせすることが好ましい。選択された基準に基づいて、マイクロプロセッサ６０は現地のオペレータに出力を提供できる（例えばセンサ１６０に含まれる、例えばプロセスコントローラ２２を介して、または現地ディスプレイを介して）。出力は、センサ１６０により検知された振動に基づいて誘導回路６８を位置合わせする方法を指示する情報を現地のオペレータに提供できる。出力に基づいて、オペレータは所望とおりに誘導回路６８の方向を調節できる。別の構成では、誘導回路６８は最も好ましい軸に沿って誘導回路自体を自動的に位置合わせするように配置される。例えば、位置合わせは、センサ１６０からの出力に基づいて自動化することもでき、または受け取った振動により誘導回路６８が振動に対して好ましい軸に沿って誘導回路６８自体の向きを変えるような、機械的構成によっても可能である。

本発明は好ましい実施形態に関して説明されているが、当業者であれば、様々な変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく形状および細部になされてもよいことは認識できる。図２および図３の実施形態は個別に図示されているが、磁気誘導回路は、診断ならびに電力発生の両方に対して同時に使用できる。

図５はプロセス装置１６の別の構成の分解組立図であって、この構成には、２つのワイヤプロセス制御ループ２２に連結するための端子１３８を有する端子ボード１３６が含まれている。図５の構成では、端子ボード１３６は、磁気誘導回路６８および任意で電力貯蔵回路８２がボード１３６上に搭載された、任意の構成要素である。ボード１３６は、末端カバー１４０を取り外すことにより装置１６に選択的に追加できる。

コンデンサ１１８は、例えば、ウルトラキャパシタとしても公知のスーパーキャパシタから構成でき、このコンデンサにより、多量のエネルギーを比較的小さい容積内に蓄えることができる。１つの構成では、誘導回路の可動磁石は、最大振動の軸と位置合わせされるように向けられる。例えば、送信器内で三軸加速度計を用いて、最大振動の軸を測定および表示できる。このような構成では、三軸加速度計はプロセス装置１６に一時的に連結される個別の構成要素であってもよく、または回路内、例えばプロセス装置１６の磁気誘導回路６８内に含まれてもよい。三軸加速度計は、通常の動作中に最大振動の軸を示す出力を、設置者に提供できる。これにより、設置者は磁石が最大加速を受けるように、磁気誘導回路を位置合わせすることができる。

工業プロセスを監視または制御するためのプロセス監視または制御システムの簡略図である。 診断を実行するために用いる磁気誘導回路を含むプロセス装置の破断図および簡略ブロック図である。 プロセス装置の電力を発生するのに用いる磁気誘導回路を含むプロセス装置の破断図および簡略ブロック図である。 より詳細な磁気誘導回路を示す電気回路図である。 別の例の構成を示すプロセス装置の分解組立図である。

１６…プロセス装置、１８…プロセスインターフェース、２２…プロセス制御ループ、５２…インターフェース回路、６０…μコントローラ、６８…磁気誘導回路、７２…振動信号、７６…アナログディジタル変換器、１００…ワイヤコイル、１０４…永久磁石、１１０…ばね部材、１１８…コンデンサ。

Claims (30)

1. プロセスの監視または制御に用いる工業プロセスに連結するためのプロセス装置であって、
   前記工業プロセスに物理的に連結するように構成された装置ハウジングと、
   前記ハウジングに取り付けられたワイヤーコイルと、
   前記工業プロセスにおける振動に応答して前記ワイヤーコイルを通って動くように構成され、これにより前記ワイヤーコイルに電流を誘起する磁石と、
   前記ワイヤーコイルから前記電流を受け取るための入力を有する、前記ハウジング内の電気回路と、
   を備えるプロセス装置。
2. 前記電気回路が、前記電流に基づいて工業プロセスの運転を診断するように構成された請求項１の装置。
3. 前記電流をディジタル化しディジタル値を出力するアナログディジタル変換器を含む請求項２の装置。
4. 診断を実行するように構成されたマイクロコントローラを含む請求項２の装置。
5. 前記診断が工業プロセス内の振動の振幅に基づく請求項２の装置。
6. 前記診断が工業プロセス内の振動の周波数に基づく請求項２の装置。
7. 前記診断が工業プロセス内の振動の固有特性に基づく請求項２の装置。
8. 前記電気回路が、前記振動およびメモリに格納されたデータに基づく診断出力を提供する請求項２の装置。
9. プロセス変数を検知するように構成されたプロセスインタフェースを含む請求項１の装置。
10. 前記プロセス装置が前記プロセスを制御するように構成されたプロセスインタフェースを含む請求項１の装置。
11. 前記電気回路が前記コイルからの前記電流を電力として蓄積するように構成された電力貯蔵回路を含む請求項１の装置。
12. 前記電力貯蔵回路がコンデンサからなる請求項１１の装置。
13. 前記コイルからの前記電流を整流するための整流器を含む請求項１１の装置。
14. 前記磁気誘導回路が前記コイルに対する前記磁石の動き方向を反転するように構成されたばね部材を含む請求項１の装置。
15. 前記磁石の方向が調整可能である請求項１の装置。
16. 振動を検知するように構成されたセンサを含む請求項１５の装置。
17. 前記磁石の方向が前記検知された振動に基づいて調整される請求項１６の装置。
18. 前記センサが三軸加速度計からなる請求項１６の装置。
19. 前記コンデンサがウルトラキャパシタからなる請求項１２の装置。
20. 前記工業プロセスの監視または制御に使用される種類の工業プロセスに連結されたプロセス装置における振動を検出する方法であって、
    前記プロセス装置のハウジングを前記工業プロセスに物理的に連結することと、
    前記物理的連結を通して前記工業プロセスから振動を受けることと、
    前記振動に応答してワイヤーコイルを通って磁石を移動させ、前記ワイヤーコイルに電流を発生することと、
    前記電流を前記プロセス装置の回路に提供することと、
    を備える方法。
21. 前記電流に基づいて工業プロセスの運転を診断することを含む請求項２０の方法。
22. 前記診断が振動の振幅に基づいてなされる請求項２１の方法。
23. 前記診断が振動の周波数に基づいてなされる請求項２１の方法。
24. 前記診断が振動の固有特性に基づいてなされる請求項２１の方法。
25. 前記診断が振動および格納されたデータに基づいてなされる請求項２１の方法。
26. 前記コイルからの前記電流により、電力を蓄積することを含む請求項２０の方法。
27. 前記コイルからの前記電流を整流することを含む請求項２０の方法。
28. 前記磁石の方向を調整することを含む請求項２０の方法。
29. 前記検知された振動に基づいて振動を検知し、前記磁石の方向を調整することを含む請求項２８の方法。
30. 振動の検知が三軸加速度計の出力を監視することを含む請求項２９の方法。
    

Images