JP2015504169A - 圧電型トランスデューサの自己検査機能を有したフィールドデバイス - Google Patents

Abstract

圧電型トランスデューサを有する産業プロセス用フィールドデバイスは、自己検査モードの際に、圧電型トランスデューサの状態を自己検査する。充電電流が圧電型トランスデューサに供給され、充電電流の供給によって圧電型トランスデューサに生じた電圧が観測される。この電圧に基づき、圧電型トランスデューサの状態を示す診断結果が生成される。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、産業プロセスの監視及び制御システムに関し、より具体的には、通常作動モードと、圧電型トランスデューサの状態を検査する自己検査モードとを有する、プロセス伝送器またはプロセスコントローラなどのフィールドデバイスに関するものである。

プロセス伝送器は、プロセス変数に反応する検出素子またはトランスデューサと、検出されたプロセス変数を当該プロセス変数に関連付けられた伝送器出力に変換する信号処理回路とを備えている。「プロセス変数」という用語は、物質の物理的状態もしくは化学的状態、またはエネルギの変換状態のことを言う。プロセス変数の例には、圧力、温度、流量、伝導度、ＰＨ、及びその他の特性が含まれる。プロセス伝送器は、プロセス変数を監視し、化学プラント、石油プラント、ガスプラント、製薬プラント、或いはその他の流体処理プラントにあるコントロールルームに計測値を伝送するために用いられるのが一般的である。多くの場合、これらのプラントでは、さまざまな厳しい環境条件に晒される。

プロセスコントローラは、アクチュエータまたはトランスデューサと、電気的指令を物理的出力に変換するアクチュエータ駆動回路とを備えている。例えば、プロセスコントローラは、流体処理プラントのコントロールルームから受け取った指令に応じ、バルブの開閉を行ったり、圧力などのプロセス変数を変更したりする。

フィールドデバイスのトランスデューサ及び電子回路を含む全ての電気的構成部品は、作動不良や故障の可能性がある。このような作動不良により、誤った計測結果がプロセス伝送器によってコントロールルームに伝送されてしまったり、故障したプロセスコントローラにより指令が実行されてしまったりするおそれがある。熟練した技術者による定期検査により、フィールドデバイスが有する問題を発見することは可能であるが、技術者がフィールドデバイスのそばまで行く必要がある。かなりの数の分散したフィールドデバイスを有する設備では、技術者が各フィールドデバイスまで行って検査を行う頻度に実務上の限界がある。

一部のプロセス伝送器では、圧電型トランスデューサがセンサとして用いられる。この圧電型トランスデューサは、印加された力に関連付けて電気的なセンサ出力を生成する受動型センサと、信号の送受信を行う能動型センサとのいずれであってもよい。また、圧電型トランスデューサは、一部のプロセスコントローラにおいて、アクチュエータや駆動素子としても用いられる。

圧電型トランスデューサを用いるプロセス伝送器の一例では、有害な環境におけるガスまたは蒸気の漏洩検知を行う。圧電型トランスデューサは、安全バルブの開閉状態を検出し、蒸気トラップにおける噴出や詰まりを検出する。圧電型トランスデューサは、圧電型センサ、信号処理回路、及びマイクロコントローラを備える。計測値は、有線ループまたは有線伝送バスを介するか、或いはワイヤレスメッシュネットワークなどのワイヤレス伝送により、プロセス伝送器からコントロールルームに伝送することができる。圧電型センサは、例えば蒸気トラップが故障したときに生成される超音波周波数領域の振動により励起される。

ガスまたは蒸気の漏洩検出に用いるプロセス伝送器は、一般的に有害で安全性の確保が厳しい用途で展開配置されるのが一般的であるため、自己検査機能または自己診断機構を有しているのが望ましい。電子回路は、頻繁に実行される診断ルーチンによって状態の確認を行うことができる。一方、圧電型トランスデューサの作動については、プロセッサによる自己検査を行うことができなかった。

ガスまたは蒸気の漏洩検出に用いるプロセス伝送器の圧電型トランスデューサを検査する１つの方法は、故意に発生させた漏洩による圧電型センサの作動確認である。しかしながら、この手法は極めて不都合である。第１に、安全弁の場合、診断作業の際の大気中へのガスの放出により処罰される。第２に、故意に発生させた漏洩によるトランスデューサの作動確認は、蒸気トラップの場合にはうまくいかない。

通常作動モードと自己検査モードとを有するフィールドデバイスは、圧電型トランスデューサ、トランスデューサ回路、及び自己検査回路を備える。圧電型トランスデューサはプロセス変数を検出する。通常作動モードの際、トランスデューサ回路は、圧電型トランスデューサからプロセス変数を示すセンサ信号を得る。自己検査モードの際、自己検査回路は、圧電型トランスデューサに充電電流を供給し、充電電流の供給によって圧電型トランスデューサに生じた電圧に関連付けた検査信号を生成する。

通常作動モードの際のプロセス伝送器を示す概略構成図である。 圧電型センサの状態を検査する自己検査モードの際のプロセス伝送器を示す概略構成図である。 自己検査モードで圧電型センサに充電電流を供給しているときに、圧電型センサに発生する電圧を時間の経過と共に示すグラフである。

フィールドデバイスであるプロセス伝送器１０が、図１Ａでは通常作動モードにある状態で、また図１Ｂでは自己検査モードにある状態で、それぞれ示されている。プロセス伝送器１０は、圧電型センサ１２、センサ回路１４、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１６、マイクロコントローラ１８、入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２０、及び自己検査回路を備えており、自己検査回路は、スイッチ３０、スイッチ３２、抵抗３４、及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３６を有する。スイッチ３０及びスイッチ３２は、マイクロコントローラ１８によって制御されるアナログスイッチである。スイッチ３０は、共通端子３０Ｃ、通常モード端子３０Ｎ、及び検査モード端子３０Ｔを備えている。同様に、スイッチ３２は、共通端子３２Ｃ、通常モード端子３２Ｎ、及び検査モード端子３２Ｔを備えている。

図１Ａに示すように、プロセス伝送器１０は、圧電型センサ１２を用いてプロセス変数（例えば、ガスまたは蒸気の漏洩）を検出する通常作動モードを有している。通常作動モードの際、スイッチ３０の共通端子３０Ｃは通常モード端子３０Ｎに、またスイッチ３２の共通端子３２Ｃは通常モード端子３２Ｎに、それぞれ接続されている。従って、通常作動モードの際、センサ回路１４が有する入力端子ＩＮＡは、圧電型センサ１２の一方の端子１２Ａに、またセンサ回路１４が有する入力端子ＩＮＢは、圧電型センサ１２の他方の端子１２Ｂに、それぞれ接続される。通常作動モードでは、センサ回路１４の出力端子ＯＵＴが、スイッチ３２の通常モード端子３２Ｎ及び共通端子３２Ｃを介してＡＤＣ１６の入力端子に接続される。ＡＤＣ１６の出力は、マイクロコントローラ１８の入力ポートＩＮに供給される。

マイクロコントローラ１８のポートＰ０は、ＦＥＴ３６のゲートに接続されている。図１Ａ及び図１Ｂに示す実施形態において、ＦＥＴ３６は、ポートＰ０が論理値ローのときにオフし、ポートＰ０が論理値ハイのときにオンするＮチャンネルＭＯＳＦＥＴである。通常作動モードの際、ポートＰ０は論理値ローとなり、ＦＥＴ３６はオフする。

マイクロコントローラ１８のポートＰ１は抵抗３４の一端に接続され、抵抗３４の他端は、スイッチ３０の検査モード端子３０Ｔ及びスイッチ３２の検査モード端子３２Ｔに接続されている。通常作動モードの際、ポートＰ１は論理値ローとなり、スイッチ３０の検査モード端子３０Ｔは共通端子３０Ｃに接続されない状態に、またスイッチ３２の検査モード端子３２Ｔは共通端子３２Ｃに接続されない状態にある。このため、通常作動モードの際には抵抗３４に電流が流れず、抵抗３４は圧電型センサ１２に接続されていない状態にある。

通常作動モードの際、圧電型センサ１２は、検出したプロセス変数に関連付けた信号を入力端子ＩＮＡ及び入力端子ＩＮＢに発生させる。例えば、圧電型センサ１２を蒸気配管に装着し、蒸気トラップが故障したときに生じる振動の周波数及び大きさに反応するようにしてもよい。センサ回路１４は、圧電型センサ１２からの信号を整え、アナログ入力としてセンサ信号をＡＤＣ１６に供給する。センサ回路１４から供給されたアナログのセンサ信号は、ＡＤＣ１６によってデジタル形式に変換され、マイクロコントローラ１８に供給される。

マイクロコントローラ１８は、連携するメモリを有したマイクロプロセッサを備えるのが一般的であり、デジタル化されたセンサ信号を更に処理して計測値の信号を生成する。マイクロコントローラ１８は、Ｉ／Ｏインターフェース２０を介し、コントロールルームやその他の監視システムとの通信を行う。マイクロコントローラ１８は、プロセス変数の計測値に加え、例えば、別の変数や診断データなどのデータをコントロールルームに供給する。Ｉ／Ｏインターフェース２０は、アナログ形式、またはアナログ形式とデジタル形式との両方で、２線式ループを介してコントロールルームと通信を行うようにしてもよいし、マルチドロップデジタルバスを介してデジタル形式で、またはワイヤレスネットワークを介してワイヤレスによるデジタル形式でコントロールルームと通信を行うようにしてもよい。

また、図１Ｂに示すように、プロセス伝送器１０は、圧電型センサ１２に充電電流Ｉｃを供給して過渡応答を分析することにより、圧電型センサ１２の状態を検査する自己検査モードも有している。自己検査モードの際には、圧電型センサ１２の静電容量Ｃと、抵抗値Ｒの抵抗３４とによりＲＣ回路が形成される。充電期間において圧電型センサ１２の両端に発生する電圧が、ＡＤＣ１６を介して採取される。

マイクロコントローラ１８は、自己検査モードが実行されているときに判定を行う。検査は、コントロールルームからＩ／Ｏインターフェース２０を介してマイクロコントローラ１８に与えられる指令に基づき行われてもよいし、定期的なスケジュールで自己検査が行われるようにマイクロコントローラ１８にプログラムするようにしてもよい。

自己検査を開始するため、マイクロコントローラ１８は、スイッチ３０に切換制御信号ＳＷ１を、またスイッチ３２に切換制御信号ＳＷ２を、それぞれ供給する。切換制御信号ＳＷ１及び切換制御信号ＳＷ２は、共通端子３０Ｃが検査モード端子３０Ｔに、また共通端子３２Ｃが検査モード端子３２Ｔに、それぞれ接続されるように、スイッチ３０及びスイッチ３２の状態を切り換える。この結果、圧電型センサ１２の端子１２Ａが、スイッチ３０を介して抵抗３４に接続されると共に、スイッチ３２を介してＡＤＣ１６の入力端子に接続される。

自己検査モードの際、マイクロコントローラ１８は、ポートＰ０及びポートＰ１を論理値ハイとする。この結果、ＦＥＴ３６がオンし、圧電型センサ１２の端子１２Ｂを接地する。ポートＰ１が論理値ハイとなることにより、抵抗３４、検査モード端子３０Ｔ、及び共通端子３０Ｃを介し、ポートＰ１から圧電型センサ１２の端子１２Ａに充電電流Ｉｃが流れる。

圧電型センサ１２に充電電流Ｉｃが供給されているときに、圧電型センサ１２の両端の電圧がＡＤＣ１６によって採取される。ポートＰ０及びポートＰ１が論理値ハイとなってから特定の時間が経過するまでの間に、圧電型センサ１２は、ＡＤＣ１６が採取してマイクロコントローラ１８に供給することが可能な大きさの値まで充電される。採取データ（即ち、ＡＤＣ１６からのＡＤ変換値）に基づき、マイクロコントローラ１８は圧電型センサ１２の状態を判定することができる。図２のグラフに示すように、可能性のある３つの状態を検知することが可能である。図２は、３つの異なる状態に関し、圧電型センサ１２の端子１２Ａ（及びＡＤＣ１６の入力端子）における電圧を、時間の経過と共に示しており、これら３つの状態は、圧電型センサ１２が正常に作動する状態（センサ正常）、回路の電気的な短絡により圧電型センサ１２が故障した状態（センサ短絡）、及び回路の電気的な開放により圧電型センサ１２が故障した状態（センサ開放）である。

図２に示すように、回路の電気的な短絡により故障した圧電型センサ１２は、ＡＤＣ１６のデータ採取期間において電圧がほぼ０となる。また、回路の電気的な開放により故障した圧電型センサ１２は、ポートＰ１によって定まる最大電圧まで急速に立ち上がるような充電曲線を有している。これに対し、正常な静電容量を示す圧電型センサ１２は、図２に概略の形状を示すようなＲＣ充電曲線を有する。このときＡＤＣ１６によって採取される電圧は、図２に示すように、第１閾値である最小閾値と、第２閾値である最大閾値との間の範囲内にある。これに対し、回路の電気的な短絡がある圧電型センサ１２は、最小閾値より低い電圧しか生じず、回路の電気的な開放により故障した圧電型センサ１２は、最大閾値より高い電圧が生じることになる。

マイクロコントローラ１８は、ＡＤＣ１６からＡＤ変換値を受け取り、最小閾値及び最大閾値との比較を行う。ＡＤ変換値の方が最小閾値より低い、またはＡＤ変換値の方が最大閾値より高ければ、マイクロコントローラ１８は、圧電型センサ１２が故障した状態であることを示す診断出力を生成する。ＡＤ変換値が最小閾値と最大閾値との間にあれば、マイクロコントローラ１８は、圧電型センサ１２が故障していない状態、即ち正常であることを示す診断出力を生成する。診断出力は、圧電型センサ１２が故障したことを単に示すだけであってもよいし、故障の原因（即ち、回路の短絡状態及び開放状態のいずれによる故障か）を識別するものであってもよい。

プロセス伝送器１０の自己検査モードにより、圧電型センサまたは圧電型トランスデューサの作動を確認する方法が提供される。有害環境においてガスまたは蒸気の漏洩検知を行うプロセス伝送器の場合、自己検査モードにより、センサの作動確認のための故意の漏洩を行う必要がなくなる。

圧電型センサを有したプロセス伝送器に関し、特にガスまたは蒸気の漏洩検知に用いることが可能なセンサについて自己検査を説明したが、圧電型トランスデューサへの充電電流を利用した自己検査は、多くのさまざまな用途における圧電型トランスデューサの故障検出に適用することが可能である。圧電型トランスデューサは、変数の検出に用いるものであってもよいし、電気的エネルギを物理的運動に変換するのに用いるアクチュエータであってもよい。

具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で本発明の各構成要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるためのさまざまな変形が可能である。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に含まれる全ての形態を含むものである。

Claims (17)

1. 圧電型トランスデューサと、
   通常作動モードの際に、前記圧電型トランスデューサを作動させる通常モード回路と、
   自己検査モードの際に、前記圧電型トランスデューサに充電電流を供給し、前記充電電流の供給によって前記圧電型トランスデューサに生じた電圧に関連付けた検査信号を生成する自己検査回路と
   を備えることを特徴とするフィールドデバイス。
2. 前記自己検査回路は、
   前記圧電型トランスデューサに供給する前記充電電流が通過する抵抗と、
   前記自己検査モードの際に、前記抵抗を前記圧電型トランスデューサに接続する切換回路と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のフィールドデバイス。
3. 前記自己検査回路は、
   前記自己検査モードの際に、前記切換回路によって接続されることにより、前記圧電型トランスデューサに生じた電圧に関連付けたデジタル出力信号を生成するアナログデジタル変換器
   を備えることを特徴とする請求項２に記載のフィールドデバイス。
4. 前記自己検査回路は、
   前記切換回路に切換制御信号を供給し、前記アナログデジタル変換器のデジタル出力信号に基づき診断出力を供給するマイクロコントローラ
   を備えることを特徴とする請求項３に記載のフィールドデバイス。
5. 前記自己検査回路は、前記自己検査モードの際に、前記抵抗に電圧を供給することを特徴とする請求項４に記載のフィールドデバイス。
6. 前記圧電型トランスデューサは、圧電型センサからなり、
   前記通常モード回路は、前記圧電型センサからセンサ信号を得る
   ことを特徴とする請求項４に記載のフィールドデバイス。
7. 前記切換回路は、前記通常作動モードの際に、前記通常モード回路を前記アナログデジタル変換器に接続することを特徴とする請求項６に記載のフィールドデバイス。
8. 前記アナログデジタル変換器は、前記通常作動モードの際に、前記センサ信号に関連付けたデジタル出力を生成することを特徴とする請求項７に記載のフィールドデバイス。
9. 前記切換回路は、前記自己検査モードの際に、前記圧電型トランスデューサの一方の端子を接地するスイッチを備えることを特徴とする請求項２に記載のフィールドデバイス。
10. 前記自己検査回路は、前記圧電型トランスデューサに生じた電圧が第１閾値より低いときに、故障状態であることを示す診断出力を生成することを特徴とする請求項１に記載のフィールドデバイス。
11. 前記自己検査回路は、前記圧電型トランスデューサに生じた電圧が第２閾値より高いときに、故障状態であることを示す診断出力を生成することを特徴とする請求項１に記載のフィールドデバイス。
12. 前記自己検査回路は、前記圧電型トランスデューサに生じた電圧が第１閾値より高く且つ第２閾値より低いときに、正常な状態であることを示す診断出力を生成することを特徴とする請求項１に記載のフィールドデバイス。
13. フィールドデバイスの圧電型トランスデューサの状態を検査するための方法であって、
    検査期間にわたり前記圧電型トランスデューサに充電電流を供給する工程と、
    前記検査期間にわたり前記圧電型トランスデューサに前記充電電流を供給しているときに前記圧電型トランスデューサに生じた電圧を観測する工程と、
    前記電圧に基づき、前記圧電型トランスデューサの状態を示す診断結果を生成する工程と
    を備えることを特徴とする方法。
14. 前記診断結果は、前記電圧が第１閾値より低いときに、前記圧電型トランスデューサが故障状態であることを示すことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記診断結果は、前記電圧が第２閾値より高いときに、前記圧電型トランスデューサが故障状態であることを示すことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記診断結果は、前記電圧が前記第１閾値と前記第２閾値との間にあるときに、前記圧電型トランスデューサが正常な状態であることを示すことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 前記圧電型トランスデューサは、前記通常作動モードの際に、プロセス変数を検出するセンサであることを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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