JP2013536416A - ノイズ検出及びその回避 - Google Patents

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Abstract

プロセス変量トランスミッタ(10)は、プロセス変量を検知するセンサ(22)を駆動するために用いるセンサ駆動信号を出力するセンサ駆動コントローラ(22)を含む。センサ駆動コントローラ(20)は、ノイズが生じて、センサ信号と干渉する虞のある周波数及び関連する高調波を回避するため、センサ駆動信号の周波数を変更する。

Description

本発明は、プロセス制御及び監視システムで用いられるプロセス変量トランスミッタに関する。より詳細には、本発明は、プロセスノイズにより引き起こされるエラーを回避するため、センサ制御信号の周波数が検出されたノイズ周波数から離れるように、センサ制御信号を調整することに関する。
(背景技術)
プロセス変量トランスミッタは、プロセス制御または監視システムにおけるプロセスパラメータを測定するために用いられる。マイクロプロセッサベースのトランスミッタは、多くの場合、センサ、センサからの出力をデジタル形式に変換するためのアナログ−デジタル変換器、デジタル化した出力を補正するマイクロプロセッサ、及び補正された出力を送信する出力回路を含む。現状、このような送信は、通常、4−20mA制御ループのようなプロセス制御ループ、またはワイヤレスで行なわれる。
このようなシステムにより計測される1つの例示的なパラメータは、プロセスのチューブまたはパイプを通る導電性流体の流量である、これは、例えば、電磁流量計を用いることによって実現できる。
電磁流量計の1つの例示的なタイプは、その断面の向かい側に配置されるコイルを備えたパイプを含む。コイルは、トランスミッタからのコイル駆動電流により電圧が印加され、パイプの断面に沿って磁界を生成する。磁界に垂直なラインに沿って、2つの電極が互いにパイプの反対側に配置される。パイプを通過する流体は、導電性を有する。磁界の中の導電性流体の動きの結果、電位または起電力(EMF)が流体中に引き起こされ、電極により検出される。
これらのタイプの電磁流量計は、しばしば、パイプ中の流体の流れに加えられ、検出及び測定される様々な物質を有するプロセス中に配置される。例えば、ある製紙プロセス工場では、シリカが、製紙プロセスのパイプ中を流れる流体に付加される。プロセスに加えられたシリカの流れを制御するため、可変周波数駆動モータにより制御されるピストンポンプを用いたプロセスにシリカを加えることができる。
ピストンポンプは、通常、入力ポート及び出力ポートに交互に接続されるピストンのセットを用いて稼働される。ポンプで汲み上げられる物質は、ピストンの往復運動により、レシプロ入力ポートを通して吸引されて、出力ポートを通して排出される工程を交互に行って、物質がポンプで汲み上げられる。物質をプロセスのパイプ中を通る流体に付加するために、このようなタイプのポンプを用いるとき、ポンプの稼働速度に対応した流れに、圧力の変調を与えることがある。この圧力の変調は電磁流量計により観察することができ、電磁流量計のコイルを駆動するのに用いられるコイル駆動周波数の奇数調波においてより大きなエネルギを含むことがあり得る。このことにより、プロセス流れを測定する計測された出力信号にうなり振動数を生じさせる結果となり得る。
もちろん、(流れの計測に干渉する)ピストンポンプにより生じるこのようなタイプの周期的なノイズの導入は、計測されたプロセス変量を表す測定された出力信号と干渉する可能性のある周期的または間欠的な発生源の一例に過ぎない。他の様々な発生源も、同様に、プロセス変量の測定と干渉する可能性がある。例えば、2、3例を挙げると、同様なタイプのノイズが、圧力の脈動、振動及び電気的干渉を生じさせる可能性がある。
(発明の概要)
プロセス変量トランスミッタは、プロセス変量を検知するセンサを駆動するのに用いられるセンサ駆動信号を出力するセンサ駆動コントローラを含む。センサ駆動コントローラは、センサ駆動信号の周波数を変更して、ノイズが生じ、センサ信号と干渉する可能性のある周波数及び関連する高調波が生じるのを回避する。
センサ及びプロセスに接続されたプロセス変量トランスミッタの概略ブロック図である。 電磁流量の1つの実施形態の概略部分線図及び部分ブロック図である。 センサ駆動信号を特徴付ける図1に示すシステムの稼働を示す流れ図である。 ノイズを検出する図1に示すシステムの稼働を示す流れ図である。 ノイズ周波数を回避するためセンサ駆動を修正する図1に示すシステムの稼働を示す流れ図である。
(詳細な説明)
図1は、1つの実施形態によるトランスミッタ10の概略ブロック図である。図1に示す実施形態において、トランスミッタ10は、アナログ−デジタル(A/D)変換器12、プロセッサ14、メモリ16、ノイズ検出器18及びコイル駆動コントローラ20を含む。トランスミッタ10が、流れセンサ22及びゼロ以上の他のプロセス変量(PV)センサに接続されるのが示される。トランスミッタ10は、プロセス制御ループ26にも接続されることが示される。もちろん、プロセス制御ループ26の代わりに、またはそれに加えて、トランスミッタ10は、ワイヤレス送信接続部に接続することもできる。1つの実施形態では、プロセス制御ループ26では、トランスミッタ10に電力を供給する。プロセッサ14は、プロセス制御ループ26側に情報を送信し、プロセス制御ループ26を介して、他の回路やシステムから情報を受けることもできる。一例として、プロセス制御ループ26は4−20mAプロセス制御ループであることができ、適切な通信プロトコルを用いて稼働することができる。他のフォーマットの例には、モドバス、プロフィバスまたはフィールドバスを含む。代替的には、プロセス制御ループ26は、その代わりに、またはそれに加えて、情報を様々なワイヤレス技術または構成を適用してワイヤレスに送信するワイヤレス接続を用いることができる。
センサ22及び24は、検知したプロセス28からの入力を受けるプロセス変量センサを例示したものである。センサ22は、プロセス28の流れを検知する流れセンサを例示したものであり、他のPVセンサ24は、他の様々なセンサであることができ、例えば、圧力、温度、PH等を検知するセンサであることができる。センサ22及び24では、検知したパラメータを示すアナログ出力をA/D変換器12に供給することを例示できる。
センサ22及び24は、異なる周波数の様々なセンサ駆動信号により駆動されるセンサであることができる。ここで議論する実施形態は、センサ22による信号出力やPVセンサ24による信号出力におけるノイズを検出し、センサを駆動するために用いられるセンサ駆動信号の周波数を変更して、プロセス中のノイズの周波数がトランスミッタ10に供給されるセンサ信号の計測値と干渉しないようにすることに向けられる。本仕様書では、このことは、流れセンサのコイルを駆動するコイル駆動コントローラ20によってコイル駆動信号出力の周波数を制御するという表現で示される。ある周波数でプロセス28により生じたノイズが、流れセンサ22のセンサ信号出力と干渉しないように、コイル駆動周波数を変更する。もちろん、トランスミッタ10により計測される、これらのセンサによるセンサ信号出力の正確さを増すため、他のセンサ24を駆動するために用いられる他のセンサ駆動信号の周波数を制御できることが認識されるであろう。
本議論は、ピストンポンプの往復運動により、ノイズがシステムに引き起こされる例示的な実施形態に関して進められる。これは例示的なものであり、他のノイズの発生源の検出及び回避に適用することもできる。図1は、プロセス28が、ピストンポンプ28によりプロセスに付加された物質30を有することが、例示的に示されているといえる。例えば、プロセス28が紙を処理するのに用いられる場合、プロセス28に付加される物質30は、例示的にシリカである。もちろん、広い種類の異なるプロセスを、プロセス28により表わすことができる。図1に示す特定の実施形態では、ピストンポンプ32は、駆動コンポーネント34により駆動される。例えば、駆動コンポーネント34は、最終的にピストンポンプ32を駆動して、物質30をプロセスへ汲み上げるモータ38を駆動する可変駆動コントローラ36を含むことができる。
コイル駆動コントローラ20及びノイズ検出器18が、個別の機器であるか、またはプロセッサ14に組み込まれることを示すように、図1に点線で示される。ここで記載する実施形態では、プロセッサ14は、メモリ及びクロック回路に関連し、検知したパラメータに関する情報を、プロセス制御ル−プ26側へ提供する。もちろん、プロセッサ14が入力/出力(I/O)回路を含むか、入力/出力(I/O)回路を別途提供することができ、ループ26を流れる電流を制御することにより、ループ26上にデジタル形式で、またはアナログ形式で情報を送信することができることに注目すべきである。何れの場合でも、検知したパラメータに関連した情報は、トランスミッタ10によりプロセス制御ループ26側に供給される。
上述のように、例示の目的だけであるが、図1のセンサ22は、プロセス28にパイプ中の導電性流体の流れを検知する電磁流量計として記述される。図2は、流れセンサを含む電磁流量計に接続されたトランスミッタ10の部分概要、部分ブロック図である。図2は、トランスミッタ10が、電流I及び交流動力線(図示せず)を運ぶ2線4−20mA通信ループに接続することを示す。流れセンサ22は、流れチューブ40、コイルの対42及び44、並びに電極の対46及び48を含む。トランスミッタ10は、流れチューブに隣接する駆動コイル42及び44に負荷電流Iを供給する。これにより、チューブ40を流れる流体に磁場を形成する。電極46及び48は、流体の流れに引き起こされたEMFを検知するため、流れチューブ内に、流体の磁場に概ね垂直な線に沿って載置される。トランスミッタ10は、電極46及び48の間のEMFを感知し、チューブ40内の流体の流れにその都度比例する、感知したEMFを表わす出力電流Iを制御する。トランスミッタ10は、様々な異なるアナログまたはデジタル通信フォマットを用いたこの情報を送信することができる。
1つの実施形態では、コイル駆動コントローラ20は、コイル42及び44を流れる交流負荷電流Iを生成する定電流駆動を制御するトランジスタブリッジ回路を含む。負荷電流Iがコイル42及び44を一方向に流れ、そしてコイル駆動周波数で電流供給のオンオフを行なうように、プロセッサ14が駆動コントローラ20を制御する。電流Iがコイル42及び44を流れて、チューブ40を流れる流体に磁場を形成し、チューブ40内の導電性流体の動きにより流体の流れにEMFが形成されて、電極46及び48により検知される。A−D変換器12は、電極46及び48により供給されたアナログ信号を、測定のためにプロセッサ14に提供されるデジタル値に変換する。プロセッサ14は、チューブ40内の流体の流れにその都度比例する、感知したEMFを表わす出力電流Iを供給する。
再び図1を参照すると、(物質30をプロセス28に付加するための)ピストンポンプ32の往復運動は、パイプ40内の流体の流れに圧力の変調を与えることがある。圧力の変調は、ポンプ32のスピードに対応する。この圧力の変調は、電極46及び48により供給された信号で観察することができ、それらの信号は、駆動コイル42及び44を駆動するために用いられるコイル駆動周波数の一次周波数及びその奇数調波において、大きなエネルギを含むことがあり得る。これにより、流れセンサ22による信号出力にうなり振動数を生じさせ、このうなり振動数が、プロセッサ14によりプロセス制御ループ26側に供給される出力に組み込まれる。従って、ポンプ32によって引き起こされた圧力の変調は、パイプ40内の流体の検知した流れを示す流れ信号で誤差の発生源となり得る。
このような誤差を回避するため、1つの実施形態では、コイル42及び44を駆動するコイル駆動コントローラ22により用いられるコイル駆動信号の周波数特性を識別するため、プロセッサ14は最初に流れセンサ22を制御する。そして、プロセッサ14は、これらの特性を用いて、測定における不正確さを生じさせる程度にコイル駆動周波数に近いノイズ周波数を検出する。次に、プロセッサ14は、検出されたノイズ周波数から十分に離れた周波数でコイル42及び44を駆動するように、コイル駆動コントローラ20を制御して、ノイズ周波数が検出した出力信号に誤差を持ち込むことがないようにする。
図3は、コイル駆動信号の周波数特性を最初に識別するための、トランスミッタ10の稼働の1つの例示的な実施形態を示す流れ図である。図3に示す実施形態では、プロセッサ14が、コイル駆動信号(またはコイル駆動信号の周波数を示す何らかの代表的信号)を受信する。これは、図3のブロック50に示される。
次に、プロセッサ14は、コイル駆動信号の一次周波数及びその高調波の特性を検出する。これは、ブロック52に示される。1つの実施形態では、一次周波数の高調波に対する比率を検出して、メモリ16に記憶する。図1に示す実施形態では、メモリ16は、トランスミッタ10の不揮発性メモリである。コイル駆動信号の一次周波数及び高調波を保管することが、図3のブロック54に示される。
一度、コイル駆動周波数の特性が検出されて保管されると、プロセッサ14は、ノイズ検出器18を用いて、流れセンサ22により供給される流れ信号の中のノイズを検出する。図4は、ノイズを検出する場合のトランスミッタ10の稼働の1つの実施形態を示す流れ図である。一度、コイル駆動信号の特性を識別して保管した場合、プロセッサ14は、ノイズを、電極46及び48によりトランスミッタ10へ供給された電極信号に含まれる不適切な高調波要素として検出できる。次に、プロセッサ24は、様々な実施形態に応じて、多くの異なる事柄の1つを行なうことができる。1つの実施形態では、プロセッサ14は、間欠的に(例えば、周期的に)コイル駆動周波数を180度位相シフトする。これにより、効率的にノイズをキャンセルできる。これは、図4のブロック65に示される。周期的な位相シフトは、原則として、ポンプの稼働により生じる低周波ノイズを高周波ノイズに変換する。高周波ノイズは、RCフィルタを用いて、より容易に除去することができる。1つの実施形態では、コイル駆動周波数が周期的に位相シフトされる場合、2つの第2クランプフィルタを用いる。ピーク・トゥ・ピークノイズが、コイル周波数が位相シフトされない場合の信号で計測された場合に比べて14倍少ないということが観察された。
その他の実施形態において、プロセッサ14が電極の周波数のスペクトラムを監視して、いつノイズがコイル駆動の一次周波数または奇数調波に近づくか検出して、ノイズ周波数から十分に離れて誤差を回避するように、コイル駆動周波数を変更する。
このようにして、プロセッサ14は、最初に電極46及び48からの流れ信号を受信する。これは、図4のブロック60に示される。そして、プロセッサ14は、駆動コントローラ20を制御して、チューブ40内の流体の流れとは別の発生源により生じるノイズを検出するため、コイル駆動コントローラ20を、少しの間作動不能にする。このような他の発生源には、圧力の脈動、振動、外部電気的干渉等が含まれる。もちろん、このステップでは、プロセッサ14は、ピストンポンプ32の圧力の変調によって引き起こされるノイズを検出することを認識するであろう。コイル駆動を駆動不能にして、ノイズを検出することは、図4のブロック62及び64にそれぞれ示される。
次に、プロセッサ14は、ブロック64で検出したノイズ周波数がコイル駆動周波数またはそれの高調波に近すぎて、望まない量のノイズを生じさせるか否か定める。このようにして、プロセッサ14は、メモリ16に保管されたコイル駆動周波数及びその高調波にアクセスして、ノイズ周波数を検出するため、それらを比較する。ノイズ周波数がコイル駆動周波数またはその高調波に近すぎるか否か定めることは、図4のブロック66に示される。実質的な干渉が起きる前に、2つの周波数がどれだけ近いか正確に知ることは、個々の応用による。前もって定めることも、稼働中に決めることもでき、また経験的に定めることもできる。
もし、ノイズ周波数がコイル駆動周波数またはその高調波に近すぎることはない場合には、プロセッサ14は、コイル駆動周波数を変える必要はなく、ブロック69に示すように、単にコイル駆動を作動可能にすればよい。しかし、もし、2つの周波数が近すぎる場合には、プロセッサ14は、コイル駆動コントローラ20を調整して、コイル駆動周波数を変更して、検出されたノイズによる不正確さを回避する。これは、図4のブロック67に示される。1つの実施形態では、コイル駆動周波数を調整することは、単に周波数を変更するだけであって、常にノイズが検知したプロセス変量の計測を干渉しないようにするため、周波数が十分に離れて、高調波を脈動するノイズから回避させる。
図4に回避可能なノイズの検出のための1つの実施形態を示すが、他の実施形態を用いることもできる。例えば、ブロック62のように、少しの間コイル駆動を駆動不能にする代わりに、ノイズ検出を、使用者が行なうテストの一部とすることもできる。このような実施形態では、使用者は、単に、ノイズの検出を要求し、プロセッサ14は、より長い時間コイルドライバを作動不能にして、その間にノイズを検出することができ、場合によっては、ノイズの発生源が識別される。もちろん、ノイズを検出する他のバリエーションを用いることもできる。
図5は、図4のブロック67に示すような、検出したノイズによる不正確さを回避するようにコイル駆動を調整するための多くの異なる実施形態を示す流れ図である。図5の1つの実施形態では、プロセッサ14は、単に、(コイル駆動コントローラを制御することにより)コイル駆動周波数を調整し、コイル駆動周波数またはその高調波がノイズ周波数から十分に離れていて、常にノイズが行なわれた計測と干渉しないようにする。これは、図5のブロック70に示される。
図5のその他の実施形態御では、プロセッサ14が、コイル駆動コントローラ20を制御して、稼働可能な周波数範囲内で、間欠的または不規則にコイル駆動周波数を変更する。コイル駆動周波数を十分な頻度で変更することにより、プロセッサ14は、コイル駆動周波数が干渉する周波数範囲から外れた十分な内容を有して、計測の正確さを維持できることを確実にする。つまり、もし、コイル駆動周波数がノイズ周波数から十分に離れて、ノイズ干渉を回避できる期間が十分である場合には、コイル駆動周波数が、間欠的に短い期間、ノイズ領域に近づきすぎたとしても、ノイズにより計測された信号に大きく干渉されることはない。このように、不規則にまたは間欠的にコイル駆動周波数を変更することは、図5のブロック72に示される。
周期的なノイズにより生じる干渉を回避するためのその他の実施形態は、脈動の期間(またはノイズ干渉の期間)を検出して、フィルタで除去することである。例えば、図5には、検出器14が、ピストンポンプ32により生じる脈動の期間、または他の干渉ノイズの期間を検出するノイズ検出器18を用いることができる。これは、ブロック74に示す。干渉ノイズの間隔を検出すると、プロセッサ14は、単に、脈動(または干渉)ノイズにフィルタで除去する移動平均フィルタを適用する。これは、ブロック76に示される。もちろん、検出したノイズによる不正確さを回避するため、コイルドライバを調整するその他の方法を用いることもできる。
本記述は、ピストンポンプによる流れ信号に導入されたノイズに関して主に進められているが、同じ技術が、所与の周波数でセンサを駆動するドライバを有するセンサにより感知され、検出可能な周波数で干渉する干渉ノイズに影響される、実質的に他の任意のプロセス変量におけるノイズを回避するために用いることができることが評価できる。従って、本記載は、流れセンサに関連した周期的ノイズを回避するだけではない。
本発明は、好ましい実施形態を参照しながら記載されたが、当業者は、本発明の精神及び範囲から離れることなく、形式や詳細において変更することができることを認識するであろう。

Claims (20)

  1. 稼働中のプロセスにおけるプロセス変量を検知するプロセス変量センサを制御するプロセス変量トランスミッタを用いる方法であって、
    センサ制御信号をプロセス変量センサへ適用することと、
    プロセス変量、センサ制御信号及びプロセスのノイズに関連する、プロセス変量センサからのセンサ信号を受信することと、
    プロセスのノイズの影響を減じるため、センサ制御信号のセンサ制御信号周波数を調整することと、
    調整したセンサ制御信号周波数でプロセス変量センサを制御することと、
    を含む方法。
  2. センサ制御信号周波数を調整することが、
    ノイズをキャンセルするため、周期的にセンサ制御信号周波数を位相シフトすることを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 周期的に位相シフトすることが、
    周期的にセンサ制御信号周波数を180度位相シフトすることを含む、請求項2に記載の方法。
  4. 更に、センサ信号でノイズが生じるノイズ周波数を検出することを含み、
    センサ制御信号周波数を調整することが、検出したノイズ周波数に基づいてセンサ制御信号周波数を調整することを含む、請求項1に記載の方法。
  5. 更に、ノイズ周波数を検出する前に、センサ制御信号の周波数特性を検出することと、
    周波数特性を保管することと、
    を含む、請求項4に記載の方法。
  6. 更に、ノイズ周波数を検出した後、ノイズ周波数をセンサ制御信号の周波数特性と比較することを含む、請求項5に記載の方法。
  7. 更に、もし、ノイズ周波数がセンサ制御信号の周波数特性に十分近いとき、センサ制御信号周波数を調整することを含む、請求項6に記載の方法。
  8. センサ制御信号周波数を調整することが、
    センサ信号との実質的な干渉を回避するだけ十分にノイズ周波数から離れるように、センサ制御信号周波数を調整することを含む、請求項7に記載の方法。
  9. センサ制御信号周波数を調整することが、
    不規則にセンサ制御信号周波数を所望の周波数範囲内に変更することを含む、請求項7に記載の方法。
  10. センサ制御信号周波数を調整することが、
    ノイズ周波数の期間を検出すること、
    ノイズ周波数の期間に生じる周期的なノイズをフィルタで除くために、センサ制御信号にセンサ制御信号のフィルタコンポーネントに適用することと、
    を含む、請求項7に記載の方法。
  11. 更に、ノイズ周波数の検出の前に、間欠的にセンサ制御信号を作動不能にして、ノイズ周波数を検出することを含む、請求項4に記載の方法。
  12. 更に、ノイズ周波数の検出の前に、使用者の要求に応じてセンサ制御信号を作動不能にして、ノイズ周波数を検出するため使用者の要求に応じてノイズ周波数を検出することを含む、請求項4に記載の方法。
  13. プロセス変量センサからセンサ信号を受信し、制御信号を用いる該センサを制御するプロセス変量トランスミッタであって、
    ノイズ周波数を有するセンサ信号上のノイズを検出するノイズ検出器と、
    制御周波数で制御信号を生成するコントローラと、
    ノイズ検出器に接続され、ノイズ周波数に基づいて制御周波数を調整するように構成されたプロセッサと、
    を含む、プロセス変量トランスミッタ。
  14. 更に、周波数特性データ保管部を含み、
    プロセッサが、制御信号の周波数特性を識別し、周波数特性を周波数特性データ保管部に保管する、請求項13に記載のプロセス変量トランスミッタ。
  15. プロセッサが、制御周波数と制御周波数の高調波との比として、制御信号の周波数特性を識別する、請求項14に記載のプロセス変量トランスミッタ。
  16. プロセッサが、不規則に所望の周波数の範囲内で制御周波数を変更することにより、制御周波数を調整する、請求項13に記載のプロセス変量トランスミッタ。
  17. プロセッサが、周期的に制御周波数を180度位相シフトする、請求項13に記載のプロセス変量トランスミッタ。
  18. 管路中のプロセス流体の流れを示す電磁流量計からの流れ信号を受信するプロセス変量トランスミッタであって、
    電磁流量計のコイルをコイル駆動周波数で駆動するコイル駆動信号を生成するコイル駆動コントローラと、
    ノイズ周波数を有するセンサ信号上の周期的なノイズを検出するノイズ検出器と、
    ノイズ検出器が周期的なノイズを検出して、ノイズ周波数を保管されたコイル制御信号の周波数特性と比較することができるようにするため、間欠的にコイル駆動信号を駆動不能にし、該比較に基づいてコイル駆動周波数を調整することにより、周期的なノイズが流れ信号と干渉することを実質的に回避するように構成されたプロセッサと、
    を含む、プロセス変量トランスミッタ。
  19. 更に、周波数データ保管部を含み、
    プロセッサが、コイル駆動信号の周波数特性を識別し、周波数特性を周波数特性データ保管部に保管する、請求項18に記載のプロセス変量トランスミッタ。
  20. プロセス変量トランスミッタが、他の検知したプロセス変量を示す追加のセンサから追加センサ信号を受信し、
    ノイズ検出器が、ノイズ周波数における追加のセンサ信号の周期的ノイズを検出し、
    プロセッサが、追加のセンサのセンサ制御信号の周波数特性と、追加のセンサ信号で検出された周期的なノイズのノイズ周波数との比較に基づいて、追加のセンサ信号を制御するセンサ制御信号を調整する、請求項18に記載のプロセス変量トランスミッタ。
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