JP2013531318A5

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Publication number: JP2013531318A5
Application number: JP2013519647A
Authority: JP
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2031-07-11

Description

多くの既存の制御システムは、アナログ制御ループを使用して動作するように構成される。多くのユーザは、デジタル通信の利点を好むが、機器のアップグレードや従業員のトレーニングにかかるコストに見合うものと考えることができない。一般的なアナログ制御ループは、４ｍＡ〜２０ｍＡの信号の形の、測定されたプロセス変量を表す出力を、送信機と制御室との間で送信する。前記特許文献２に記載されたような広範囲センサまたは二重範囲センサを有する送信機については、１または複数のセンサの全測定範囲が、上記のアナログ信号に沿って比例して割り当てられる。これにより、全信号に沿った送信機出力の分解能が低下し、センサ範囲内の特定の対象領域で使用可能な情報が少なくなる。したがって、アナログ制御ループを有する進歩した送信機の適合性を向上することが求められている。特に、アナログ制御ループで動作する送信機からより多くの情報を得る必要がある。

この範囲は、アナログループを通じてプロセス変量について通信する送信電子機器によって、スケールにわたって比例しないで割り当てられる。

プロセス流体源に接続されたプロセス送信機と制御室とを有するプロセス制御システムを示す図である。スケーラブルレンジアビリティを使用する通信プロトコルを通じて動作する送信電子機器を示す、図１のプロセス送信機の概略側面図である。プロセス条件の正常範囲および拡張範囲が、アナログ通信信号スケールにわたって比例しないで割り当てられている状態を示すチャートである。プロセス条件の正常範囲および異常範囲が、アナログ通信信号スケールにわたって比例しないで割り当てられている状態を示すチャートである。プロセス条件の正常範囲、拡張範囲および異常範囲が、アナログ通信信号スケールにわたって比例しないで割り当てられている状態を示すチャートである。スケーラブルレンジアビリティを有する送信機信号の処理を示すブロック図である。マルチセンサ圧力送信機用に３つの直線で割り当てられたプロセス条件の範囲間の変曲点を示すグラフである。単一センサ温度送信機用に３つの直線で割り当てられたプロセス条件の範囲間の変曲点を示すグラフである。単一センサ圧力送信機用の２つの直線の変曲点を示すチャートである。逆流範囲を含む単一センサ圧力送信機用の３つの直線の変曲点を示すチャートである。真空範囲を含む単一センサ圧力送信機用の３つの直線の変曲点を示すチャートである。

ワークステーション２２により、制御室１８は、アナログ制御ループ２０を使用して、プロセス送信機１２へのデータの送信およびプロセス送信機１２からのデータの受信が可能になる。一実施形態では、プロセス送信機１２は、４ｍＡ〜２０ｍＡのループで動作する２線送信機である。ワークステーション２２は、送信機１２を動作させ、ΔＰおよびＴに関連する制御ループ信号を処理するための、デジタルプロセッサや、ビデオディスプレイ、およびキーボード等の構成部品を備える。スケーラブルレンジアビリティを使用すると、送信電子機器モジュール３６は、アナログ通信信号のスケールにわたってプロセスセンサデータの範囲を比例しないで割り当てて、変量データ分解能を達成するようにプログラムされた回路を備える。

センサ５８、７４Ａ、７４Ｂは共に、単一センサデバイスを有する差圧センサ装置と、複数のセンサデバイスを有する絶対センサ装置とからなるセンサシステムを備える。しかし、他の実施形態では、センサシステムは、以下で説明するように、単一センサデバイスのみを備えていてもよい。差圧センサ５８および絶対圧センサ７４Ａ、７４Ｂは、センサ基板５６と電子通信を行う。センサ基板５６は、センサケーブル７６を通して送信機回路７２と電子通信を行う。送信機回路７２は、電子機器ケーブル７８を通して出力インタフェース７０と電子通信を行う。出力インタフェース７０は、送信機１２を制御ループ２０の配線に接続する。図４を参照してさらに詳細に説明するように、送信機回路７２は、各センサ５８、７４Ａ、７４Ｂからの出力信号を操作して、アナログ制御ループ２０に適合したアナログ出力信号を生成するよう、出力インタフェース７０に命令する。本発明の他の実施形態では、送信機回路７２、センサ基板５６、および出力インタフェース７０の機能の動作が異なって割り当てられ、同様の結果を得る。

差圧センサ５８は、小さい差圧範囲を正確に測定する。したがって、センサ５８は、一般に、正常範囲、すなわちプロセスの対象領域の差圧を検出するように構成される。しかし、検出された差圧が圧力センサ範囲を超えるときに、センサ５８を使用することはできない。具体的には例えば、圧力Ｐ₁と圧力Ｐ₂との差異が９ｐｓｉ（約６２．１ｋＰａ）を超えるときに、圧力センサ５８の出力が飽和する。したがって、送信機１２の出力を監視しているプロセスの操作者は、差圧センサ５８の出力のみによって拡張範囲のプロセス条件を検出することはできない。絶対圧センサ７４Ａ、７４Ｂは非常に安定しており、正常範囲外の条件を検出する能力を送信機１２に与える。センサ７４Ａ、７４Ｂは、正常範囲、拡張範囲、および異常範囲の全体を通じて圧力Ｐ₁、Ｐ₂を検出するように構成される。センサ７４Ａ、７４Ｂは、検出された圧力Ｐ₁、Ｐ₂を使用して差圧ΔＰを計算することにより、プロセス外の条件を検出する能力を送信機１２に与える。このように、送信機１２の高差圧飽和点が拡張され、または除去される。

図３Ａ〜３Ｃを参照して説明するように、送信機回路７２は、スケーラブルレンジアビリティ技術を実行して、正常範囲、拡張範囲、および異常範囲で発生した圧力にわたって４ｍＡ〜２０ｍＡのアナログ信号のスケールを割り当てて、制御ループ２０を通じた通信を行う。正常範囲圧力、拡張範囲圧力、および異常範囲圧力間でスケールがずれる特定の点が、各範囲に必要な分解能に応じて変化する。

図３Ａは、正常範囲圧力および拡張範囲圧力がアナログ通信信号スケールにわたって比例しないで割り当てられた状態を示すチャートである。本実施形態では、送信機１２が、高度の分解能を正常範囲に与え、低度の分解能を拡張範囲に与えるように構成される。これは、正常範囲についての詳細な情報、および少なくとも拡張範囲で起こっていることの表示を得ることに関心があるが、異常範囲には関心がないときに望ましい。

本実施形態によれば、０〜９ｐｓｉ（０〜約６２．１ｋＰａ）の正常範囲差圧ΔＰは、出力信号の最初の１２ミリアンペア（４〜１６ｍＡ）にわたって割り当てられる。したがって、正常範囲についての分解能は、約０．７５ｐｓｉ／ｍＡ（約５．２ｋＰａ／ｍＡ）である。９ｐｓｉ（約６２．１ｋＰａ）〜３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）の拡張範囲差圧ΔＰは、最後の４ミリアンペア（１６〜２０ｍＡ）にわたって割り当てられる。したがって、拡張範囲についての分解能は、約６．７５ｐｓｉ／ｍＡ（約４６．５ｋＰａ／ｍＡ）である。送信機回路７２は、０〜９ｐｓｉ（０〜約６２．１ｋＰａ）の正常範囲を反映する４ｍＡ〜１６ｍＡの信号と、９ｐｓｉ（約６２．１ｋＰａ）〜３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）の拡張範囲を反映する１６ｍＡ〜２０ｍＡの信号との発生を調整する。線形に割り当てられた信号が、正常範囲および拡張範囲のそれぞれについて生成される。

図３Ｂは、正常範囲圧力と、拡張範囲圧力を含む異常範囲圧力とが、アナログ通信信号スケールにわたって比例しないで割り当てられた状態を示すチャートである。本実施形態では、送信機１２が、高度の分解能を正常範囲に与え、低度の分解能を異常範囲に与えるように構成される。これは、正常範囲についての詳細な情報、および少なくとも拡張範囲を含む異常範囲で起こっていることの表示を得ることに関心があるときに望ましい。

０〜９ｐｓｉ（０〜約６２．１ｋＰａ）の正常範囲差圧ΔＰは、出力信号の最初の１４ミリアンペア（４〜１８ｍＡ）にわたって割り当てられる。したがって、正常範囲についての分解能は、約０．６４ｐｓｉ／ｍＡ（約４．４ｋＰａ／ｍＡ）である。９ｐｓｉ（約６２．１ｋＰａ）〜１０００ｐｓｉ（約６．８９ＭＰａ）の拡張範囲差圧および異常範囲差圧ΔＰは、最後の２ミリアンペア（１８〜２０ｍＡ）にわたって割り当てられる。したがって、この範囲の分解能は、約４９５．５ｐｓｉ／ｍＡ（約３．４ＭＰａ／ｍＡ）である。送信機回路７２は、０〜９ｐｓｉ（０〜約６２．１ｋＰａ）の正常範囲を反映する４ｍＡ〜１８ｍＡの信号と、９ｐｓｉ（約６２．１ｋＰａ）〜１０００ｐｓｉ（約６．８９ＭＰａ）の拡張範囲および異常範囲の組合せを反映する１８ｍＡ〜２０ｍＡの信号との生成を調整する。線形に割り当てられた信号が、正常範囲と、拡張範囲および異常範囲との両方について生成される。

図３Ｃは、正常範囲圧力、拡張範囲圧力、および異常範囲圧力が、アナログ通信信号スケールにわたって比例しないで割り当てられた状態を示すチャートである。本実施形態では、送信機１２が、高度の分解能を正常範囲に与え、低度の分解能を拡張範囲に与え、さらに低度の分解能を異常範囲に与えるように構成される。これは、正常範囲についての詳細な情報、拡張範囲についてのあるレベルの詳細、および少なくとも異常範囲で起こっていることの表示を得ることに関心があるときに望ましい。

０〜９ｐｓｉ（０〜約６２．１ｋＰａ）の正常範囲差圧ΔＰは、出力信号の最初の１２ミリアンペア（４〜１６ｍＡ）にわたって割り当てられる。したがって、正常範囲についての分解能は、約０．７５ｐｓｉ／ｍＡ（約５．２ｋＰａ／ｍＡ）である。９ｐｓｉ（約６２．１ｋＰａ）〜３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）の拡張範囲差圧ΔＰは、次の２ミリアンペア（１６〜１８ｍＡ）にわたって割り当てられる。したがって、拡張範囲についての分解能は、約１３．５ｐｓｉ／ｍＡ（約９３．１ｋＰａ／ｍＡ）である。３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）〜１０００ｐｓｉ（約６．８９ＭＰａ）の異常範囲差圧ΔＰは、最後の２ミリアンペア（１８〜２０ｍＡ）にわたって割り当てられる。したがって、異常範囲についての分解能は、約４８２ｐｓｉ／ｍＡ（約３．３２ＭＰａ／ｍＡ）である。送信機回路７２は、０〜９ｐｓｉ（０〜約６２．１ｋＰａ）の正常範囲を反映する４ｍＡ〜１６ｍＡの信号と、９ｐｓｉ（約６２．１ｋＰａ）〜３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）の拡張範囲を反映する１６ｍＡ〜１８ｍＡの信号と、３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）〜１０００ｐｓｉ（約６．８９ＭＰａ）の異常範囲を反映する１８ｍＡ〜２０ｍＡの信号との生成を調整する。線形に割り当てられた信号が、正常範囲と、拡張範囲、異常範囲のそれぞれについて生成される。

プロセス制御システムの特定の必要に応じて、異なる分解能を有する異なるアナログ信号を得ることができる。アナログ信号を、正常範囲、拡張範囲、および異常範囲のそれぞれについて異なる分解能に分割することができる。前述したように、より高い分解能レベルを正常範囲で使用して、拡張範囲および異常範囲と比べて、プロセス変量のより小さい変化によって出力信号のより大きな変化を生じさせることができるようにする。したがって、出力信号の変化により、プロセスの小さい変化に容易に気づく。また、各範囲は、複数の分解能を有することができる。分解能間の変曲点は、センサの範囲上限、またはセンサの範囲内で生じ得る。例えば、異常範囲の上限を、最高範囲限界を有する圧力センサの上限内の点に設定することができ、最小範囲限界を有するセンサを正常範囲について使用することができる。あるいは、単一センサ出力を、正常範囲信号、拡張範囲信号、および異常範囲信号についての異なる分解能に分割することができる。変曲点を、検出される特定の圧力、または出力信号について使用される特定の電流で生じるようにプログラムすることができる。どこで変曲点が始まりどこで終わるのかの選択、およびどのセンサ信号を使用して各範囲を生じさせるかの選択に際し、使用するセンサの能力に応じて無限の選択肢がある。送信機回路７２は、出力インタフェース７０（図２）を操作して、各差圧ΔＰ範囲について異なる分解能を有し、かつ制御ループ２０を通じてワークステーション２２に送信されるアナログ出力信号を生成する。回路７２（図２）は、出力信号を２つの直線、３つの直線、または他の関係を有する単一出力信号として制御室１８に提示するスケーラブルレンジアビリティルーティンにより、プログラムされたソフトウェアを有する。図３Ｃの実施形態に一致する制御室１８に供給されるアナログ信号の生成について、図４、５を参照してさらに詳細に説明する。

送信電子機器７２の信号プロセッサ７９は、センサ５８、７４Ａ、７４Ｂによるアナログセンサ信号出力をセンサ基板５６から得る。信号プロセッサ７９は、検出された静電容量の関数であるデジタルセンサ信号を生成する。信号プロセッサ７９は、アナログ−デジタル変換、信号調整およびフィルタリングを含む種々の機能を果たすこともできる。信号プロセッサ７９は、センサ５８、７４Ａ、７４Ｂ用の静電容量−デジタル変換器またはアナログ−デジタル変換器を備える。一実施形態では、３つの変換器が、各センサにつき１つずつ使用される。別の実施形態では、マルチプレクサを追加して、すべてのセンサに対し単一の変換器が使用される。さらに別の実施形態では、２つの変換器が使用され、一方がセンサ５８用であり、他方がセンサ７４Ａ、７４Ｂにより共有される。いずれの実施形態においても、信号プロセッサ７９は、さらに処理可能なデジタルセンサ信号を生成する。

コントローラ８０は、本発明のスケーラブルレンジアビリティ計算を実行して、制御ループ２０を通じて送信されるアナログ制御信号を生成するようにプログラムされたソフトウェアを含む。より詳細には、コントローラ８０は、４ｍＡ〜２０ｍＡのループ電流Ｉ _Lにわたって割り当てられる測定圧力値の分解能を決定する。測定圧力を求め、測定圧力を得るためにどのセンサ出力を使用するか、そのままのセンサ出力か、混合したセンサ出力のどちらを使用するかを判定した後、コントローラ８０は、プロセスが正常範囲、拡張範囲、異常範囲のどれにあるかを判定する。コントローラ８０は、図３Ａ〜３Ｃに例を示すように、アナログ制御信号に対応してプロセスの範囲が設定されている。コントローラ８０は、４ｍＡ〜２０ｍＡのスケールのどれだけを検出された圧力に割り当てるべきかを判定する。例えば、コントローラ８０は、正常範囲内で検出された圧力が、図３Ｃに示すように４ｍＡ〜１６ｍＡのループ電流Ｉ_Lを必要とすることを判定する。拡張範囲内で検出された圧力については、１６ｍＡ〜１８ｍＡのループ電流Ｉ_Lが必要であり、異常範囲内で検出された圧力については、図３Ｃに示すように１８ｍＡ〜２０ｍＡのループ電流Ｉ_Lが必要である。

本実施形態によれば、図５は、マルチセンサ圧力送信機に対して線形に割り当てられたプロセス条件範囲間の変曲点の別の表示を示すグラフである。圧力センサ５８、７４Ａ、７４Ｂからの出力が、３つのプロセス条件範囲、すなわち正常範囲、拡張範囲、および異常範囲に分割される。正常範囲は０〜９ｐｓｉ（０〜約６２．１ｋＰａ）である。拡張範囲は９ｐｓｉ（約６２．１ｋＰａ）〜３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）である。異常範囲は３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）〜１０００ｐｓｉ（約６．８９ＭＰａ）である。各範囲について、出力信号の分解能が送信機１２により調節される。したがって、送信機１２からのループ電流Ｉ_Lが、キャラクタライザ８２により、図５に示す３つの直線の出力信号として復号される。図５は、流入するループ電流Ｉ_L（工学単位にスケーリングされた）を圧力に変換することのできるキャラクタライザ８２により記憶された情報を示す。

したがって、送信機１２は、ワークステーション２２に、３つの勾配を有する３つの直線のアナログ出力信号を供給する。前述したように、正常範囲、拡張範囲、および異常範囲の勾配間の変曲点が回路７２にプログラムされる。変曲点は、前述したように遮断圧力レベルに基づくものであっても、遮断電流レベルに基づくものであってもよい。一実施形態では、送信機回路７２を、所定の電流レベルで勾配の変化を生じさせるようにプログラムすることができる。したがって、図３Ｃの実施形態では、電流レベルが９ｐｓｉ（約６２．１ｋＰａ）を超える検出圧力に対応することを知って、出力インタフェース７０が１６ｍＡの信号を生成するときに、回路７２が出力信号の勾配のスイッチを作動させる。このときに、回路７２は、前述したような正常範囲から拡張範囲への遷移時等にどのセンサ出力を使用するかを切り換えることもできる。しかし、前記実施形態で説明したような拡張範囲から異常範囲への遷移時等に、変曲点を単一センサの出力内の点で選択することができる。

図６は、単一センサ温度送信機について信号に線形に割り当てられたプロセス状態範囲間の変曲点を示すグラフである。説明した実施形態では、温度センサが、約−１００℃〜約＋３００℃の全センサ範囲を有する。しかし、センサが監視するプロセスの動作は、約０℃〜約５０℃の正常範囲を有する。そして、プロセス温度は、拡張プロセス状態が生じる場合、または異常システム事象が生じる場合等に、より低くまたは高く拡張された温度に及ぶことがあり得る。したがって、３つの直線の出力信号を供給するために、種々の大きさの拡張範囲が正常範囲のいずれかの端部に設けられている。各範囲についての温度データは単一温度センサにより提供されるが、このデータはアナログ通信信号スケールに沿って不均等に割り当てられる。このように、正確な情報が望ましい正常範囲については、高度の分解能が提供される。正常範囲状態以外では低度の分解能が提供され、操作者がすべての状態でプロセスを監視できるようにする。分解能が変化する変曲点の数および位置を、操作者が選択し、送信機回路にプログラムすることができる。同様に、制御室電子機器は、選択されたプロセス変量−アナログ制御信号の割当を解釈するようにプログラムされる。

図７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、単一センサ圧力送信機について信号に線形に割り当てられたプロセス状態範囲間の変曲点を示すチャートである。図７Ａの例では、デバイスが、３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）の範囲上限を有する差圧送信機である。正常範囲は０〜９ｐｓｉ（０〜約６２．１ｋＰａ）であるが、デバイスは、センサの範囲上限である３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）までの流れを測定することができる。この場合、１４ｍＡのアナログ範囲である４ｍＡ〜１８ｍＡが、０〜９ｐｓｉ（０〜約６２．１ｋＰａ）の正常範囲について使用され、２ｍＡのアナログ範囲である１８ｍＡ〜２０ｍＡが、９ｐｓｉ（約６２．１ｋＰａ）〜３６ｐｓｉ（約２４８．２ｋＰａ）の拡張範囲について使用される。

Claims

所定の範囲にわたってプロセス変量を検出するための検出システムであって、第１のセンサ装置と、第２のセンサ装置とを備える検出システムと、
前記検出システムに接続され、所定のスケールにわたって前記プロセス変量を表すアナログ通信信号を生成するように構成された送信電子機器とを備え、
前記範囲は、前記送信電子機器によってアナログ制御ループを通じて前記プロセス変量について通信するために、前記スケールにわたって比例しないで割り当てられており、
比例しないで割り当てられている前記範囲は、第１の直線の割当部分と第２の直線の割当部分との間に変曲点を有し、
前記第１のセンサ装置により検出されたプロセス変量に基づく出力が、前記第１の直線の割当部分にわたって割り当てられ、前記第２のセンサ装置により検出されたプロセス変量に基づく出力が、前記第２の直線の割当部分にわたって割り当てられており、
前記第１の直線の割当部分は、４ｍＡ〜２０ｍＡのスケールにおいて、前記第２の直線の割当部分とは異なる割合で割り当てられており、
前記第１の直線の割当部分は、前記スケールの前記第２の直線の割当部分より大きな部分に割り当てられている、工業用プロセス送信機。
前記送信電子機器は、前記スケールにわたって異なる勾配の複数の直線で前記範囲を割り当てるコントローラを備える、請求項１に記載の工業用プロセス送信機。
前記第１の直線の割当部分は、前記第２の直線の割当部分と異なる勾配を有する、請求項１に記載の工業用プロセス送信機。
前記アナログ通信信号は、前記第１の直線の割当部分において、前記第２の直線の割当部分と異なる分解能を有する、請求項１に記載の工業用プロセス送信機。
前記第１のセンサ装置が差圧セルを備え、
前記第２のセンサ装置が一対の絶対圧センサを備える、請求項１に記載の工業用プロセス送信機。
第１の変曲点が、前記範囲の拡張プロセス条件に応じた点に位置する、
請求項１に記載の工業用プロセス送信機。
前記範囲が、
第２の変曲点と、
第３の直線の割当部分とをさらに有し、
前記第２の変曲点が、前記範囲において異常なプロセス条件に対応する点に位置する、
請求項６に記載の工業用プロセス送信機。
センサデータをスケーリングされたアナログ出力信号として送信するための方法であって、
正常プロセス範囲および拡張プロセス範囲を含むセンサ範囲を有するセンサシステムにより、プロセス変量を検出するステップであって、前記センサシステムは、第１のセンサ装置を用いて前記正常プロセス範囲の前記プロセス変量を検出し、第２のセンサ装置を用いて前記拡張プロセス範囲の前記プロセス変量を検出するステップと、
アナログ通信信号スケールにわたって前記正常プロセス範囲および前記拡張プロセス範囲を不均等に割り当てるステップと、
第１の分解能で、アナログ通信ループを通じて、前記正常プロセス範囲に関連するセンサデータを送信するステップと、
第２の分解能で、前記アナログ通信ループを通じて、前記拡張プロセス範囲に関連するセンサデータを送信するステップとを含み、
前記正常プロセス範囲および拡張プロセス範囲を不均等に割り当てるステップが、
前記正常プロセス範囲と、前記アナログ通信信号スケールの第１の部分との第１の線形関係を確立するステップと、
前記拡張範囲と、前記アナログ通信信号スケールの第２の部分との第２の線形関係を確立するステップとを含み、
前記アナログ通信信号スケールが、４ｍＡ〜２０ｍＡの電流からなり、前記第１の部分が、４ｍＡ〜２０ｍＡの電流において前記第２の部分よりも大きい部分にわたって割り当てられている方法。
前記センサシステムが、異常範囲を含むセンサ範囲を有する、請求項８に記載の方法。
正常プロセス範囲および拡張プロセス範囲を含むプロセス動作範囲にわたってプロセス変量を検出するように構成された工業用プロセス送信機であって、
センサ範囲にわたってプロセス変量を検出し、前記プロセス動作範囲にわたって前記プロセス変量の関数であるセンサ信号を生成する検出システムと、
前記検出システムに接続され、前記センサ信号に基づいて、スケーリングされたアナログ通信信号を生成するように構成され、前記スケールにわたって前記センサ信号を不均等に割り当ててプロセス変量データを通信するコントローラを有する送信電子機器とを備え、
前記コントローラが、正常動作範囲と前記スケーリングされたアナログ通信信号の第１の部分との第１の線形関係と、拡張動作範囲と前記スケーリングされたアナログ通信信号の第２の部分との第２の線形関係とを確立し、前記第１の部分が、前記アナログ通信信号において前記第２の部分よりも大きな部分を含む、工業用プロセス送信機。
前記スケーリングされたアナログ通信信号をプロセス変量値に変換するための、前記送信機から離れた制御室に位置する回路をさらに備える、請求項１０２に記載の工業用プロセス送信機。