JP2015521290A - センサ故障と劣化検知とが可能な冗長圧力センサを有する差圧型流量計 - Google Patents

Abstract

プロセスパイプ（１０２）を通って流れるプロセス流体の流量を測定するシステム（１００）は、制限要素（１０８）の上流側と該制限要素（１０８）の下流側との間に差圧を生ずる、プロセスパイプ中に設けられた流体制限要素（１０８）を含む。この差圧は、プロセス流体の流量に関係する。第１及び第２の上流圧力送信機（１０４Ｃ，１０４Ｄ）は、流体制限要素（１０８）の上流側でプロセスパイプ（１０２）に結合されており、それぞれ、第１及び第２の上流圧力を測定する。第１及び第２の下流圧力送信機（１０４Ａ，１０４Ｂ）は、流体制限要素（１０８）の下流側でプロセスパイプ（１０２）に結合されており、それぞれ、第１及び第２の下流圧力を測定する。プロセス流体の流量は、少なくとも一つの上流圧力及び一つの下流圧力に基づいて計算される。

Description

本発明は、工業プロセスを測定し制御するのに用いられるタイプの、工業プロセス制御及び監視システムに関する。特に、本発明は、差圧に基づく工業プロセスの流量測定に関する。

プロセス変数送信機は、種々のプロセス流体のプロセス変数を測定するために、工業プロセス中で用いられている。プロセス変数の例は、圧力、温度、タンク中のプロセス流体のレベル又は高さ、流量、ｐＨ等を含む。これらの測定値は、プロセスの動作をモニタするのに用いることができ、さらに、プロセスを制御するための基礎データとして用いることができる。送信機は典型的には遠隔地に配置されており、測定されたプロセス変数を集中管理の場所へと送信する。

工業プロセス中の流量を測定するのに用いられる一つの技術は、差圧に基づくものである。制限要素、例えば小さいオリフィスが、プロセスパイプ中の流れの中に置かれる。これは、流量または流速に関係する差圧を制限要素の両側に発生する。差圧センサは、制限要素の両側の差圧を測定するのに用いられることができる。この差圧は、送信機によって流量と関連付けられることができる、又は生データが処理のために集中管理の場所に送られることができる。他の構成では、１個の差圧センサを用いるよりはむしろ、２個の個別の絶対又はゲージ圧力センサが用いられる。二つの測定された圧力は、それから、例えばデジタル回路を用いて引き算され、差圧が決定される。

米国特許第６，０８９，０９７号明細書

差圧を決定するために２個の圧力センサを用いる流量測定システムにおいて、圧力センサの一つが故障した場合、又はその精度が大きくドリフトする場合には、エラーが発生することになろう。そのような不具合は、プロセスの制御を不正確にするか、または正確でないデータを収集することになるであろう。

プロセスパイプを通って流れるプロセス流体の流量を測定するシステムは、制限要素の上流側と該制限要素の下流側との間に差圧を生ずる、プロセスパイプ中に設けられた流体制限要素を含む。この差圧は、プロセス流体の流量に関係する。第１及び第２の上流圧力送信機は、流体制限要素の上流側でプロセスパイプに結合されており、それぞれ、第１及び第２の上流圧力を測定する。第１及び第２の下流圧力送信機は、流体制限要素の下流側でプロセスパイプに結合されており、それぞれ、第１及び第２の下流圧力を測定する。プロセス流体の流量は、少なくとも一つの上流圧力及び一つの下流圧力に基づいて計算される。さらに、前記圧力送信機の少なくとも一つの劣化は、少なくとも二つの圧力測定値に基づいて特定されるようになる。

本発明によれば、プロセス流体の流量を求めることができると共に、圧力センサ又は圧力送信機の、故障又は劣化を特定することができる。

図１は、差圧に基づいて流量を測定するシステムの概略のブロック図である。 図２は、図１の圧力送信機の概略のブロック図である。 図３は、図２の送信機の圧力センサの垂直断面図である。

発明の背景で説明したように、差圧はプロセス流体の流量を測定するのに既知の技術である。この差圧は、差圧を測定するように構成された１個のセンサを用いて測定することができる、又は２個の圧力センサを用いて測定することができる。２個のセンサを用いる場合には、該２個のセンサ間の圧力差は計算または測定により求められ、流量と関連付けるために用いられる。いくつかの環境では、センサは特に厳しい条件、例えば極限の高圧又は高温に晒される。さらに、これらの圧力センサは、モニタや他のサービスをするのに困難な遠隔地に置かれる可能性がある。例えば、海底における石油の流量を測定することは困難であり、圧力センサに、極度に高いライン圧力、例えば２０Ｋpsiの圧力を測定できる能力を要求するであろう。そのような実施形態では、２個のライン圧力センサは差圧を測定するのに好ましい技術でありうる。ライン圧力センサは、高圧で動作するように構成されることができ、また１個の差圧センサよりも多くの情報を提供する。そのような高圧で動作するのに特によく適合する１つの圧力センサは、ローズマウント社に譲渡された名称が「圧力送信機用の長尺圧力センサ」である米国特許第６，０８９，０９７号に開示されている。

本発明は、差圧を測定するための方法と装置を提供すると共に、故障センサを特定又は識別するのに用いられることができる診断情報を提供する。例えば、圧力センサの一つが故障したり、不正確な読みを再発するような場合には、流量の計算は不正確になるであろう。限られた診断(limited diagnostics)は、センサ出力の個体レベルを比較することにより、又は過度に大きな差圧を観察することにより、行われることができる。しかしながら、これは、どのセンサが故障しているかに関する情報を提供しない。本発明は、測定値の完全性を検証し、不良センサを分別するための技術を提供する。

本発明では、４個の絶対ゲージ圧力送信機が、冗長構成において用いられ、配置される。該送信機の中の２個が流体制限要素の上流である高圧側に置かれ、他の２個が該流体制限要素の下流である低圧側に置かれる。

図１は、プロセスパイプ１０２を通って流れるプロセス流体の流量をモニタするように構成された工業プロセスの、制御又は監視システム１００の概略図である。制限要素１０８は流体中に配置されている。これは、例えば、ベンチュリー管、流体ノズル、オリフィス板等を含むことができる。流体は制限要素１０８を通って移動するので、圧力差が、該制限要素１０８の上流側の高い圧力Ｐ_Ｈと該制限要素の低圧側の低い圧力Ｐ_Ｌとにより発生される。図１の構成では、４個の絶対圧力センサが四つの圧力を測定するように配列されている。低圧送信機１０４Ａは、第１の低圧ＰＬＡを測定するように構成された低圧センサ１０６Ａを含む。第２の、冗長低圧送信機１０４Ｂは第２の低圧ＰＬＢを測定するように配列された圧力センサ１０６Ｂを含む。同様に、第１の高圧送信機１０４Ｃは、ＰＨＣの第１の高圧ピース(piece)を測定するように配列された第１の高圧センサ１０６Ｃを含む。高圧センサ１０６Ｄを含む冗長高圧送信機１０４Ｄは、ＰＨＤの第２の高圧ピースを測定するように配列されている。図１に示されているように、このシステムは四つの異なる差圧の測定値を提供する。ＤＰ１はセンサ１０６Ｃと１０６Ａとの間、ＤＰ２はセンサ１０６Ｄと１０６Ｂとの間、ＤＰ３は１０６Ｄと１０６Ａとの間、及びＤＰ４は１０６Ｃと１０６Ｂとの間の差圧である。

圧力送信機１０４Ａ−Ｄは、べき級数演算(power series mathematics)を行うことのできる別個のマイクロプロセッサに接続されることができる。高圧側の２個の送信機（１０４Ｃと１０４Ｄ）と低圧側の２個の送信機（１０４Ａと１０４Ｂ）とが、差圧用として特徴付けされている場合には、それらは差圧測定値の質の良さの目安を提供するであろう。さらに具体的に言うと、四つの異なる差圧測定値間の偏差は、差圧測定値の質の良さ又は正確さの目安を与えるのに用いられることができる。理想状態では、差圧ＤＰ１とＤＰ２とは常に同一になるであろう。しかしながら、４個のセンサ（１０６Ａ−Ｄ）のいずれかにおけるドリフトはこれらの二つの差圧間に差異を生ずるであろう。二つの差圧測定値ＤＰ１とＤＰ２との間の差異の大きさ（サイズ）は、差圧測定値中の予期されるエラーの指示又は目安(indication)を提供する。このため、この差異は、得られた測定値の質の良さの指示又は目安を提供する。同様に、そのような質の良さの目安は、センサ１０６Ａ及び１０６Ｂにより測定された、それぞれの圧力ＰＬＡ及びＰＬＢ間の差異を観察することにより得られることができ、同じく、センサ１０６Ｃ及び１０６Ｄにより測定された、それぞれの圧力ＰＨＣ及びＰＨＤ間の差異を観察することによっても得られることができる。さらに、ゼロのチェック（zero checks）は、対である上流及び下流センサ間で行われることができる。特に、送信機１０４Ａ及び１０４Ｂの出力間の差異は、送信機１０４Ｃ及び１０４Ｄからの出力間の差異と同様に、ゼロになるであろう。

図２は、絶対圧力送信機１０４の概略図である。上記したように、送信機１０４は絶対圧力センサ１０６を含む。さらに、オプションのセンサ２００がまた設けられることができる。これらは、差圧センサ、絶対圧力センサ、温度センサ、又は他のタイプのセンサを含むさらなる圧力センサを含むことができる。測定回路２０２は、圧力センサからの出力を受信し、マイクロプロセッサ２０８に感知された圧力に関する出力を提供するように構成されている。例えば、測定回路は、センサからの信号を増幅すること、信号をデジタル信号に変換すること、圧力測定値を補償すること等のことをすることができる。マイクロプロセッサ２０８は、メモリ２０６中に格納されている命令に従って動作し、入力／出力回路２１０を用いて通信するように構成されている。この入力／出力回路は、局所通信、例えば他の送信機１０４への通信のため、及び／又は遠隔地へ通信するように構成されている。通信は、有線、無線、あるいはこれらの組合せからなる通信リンク２１２を経て行われる。有線通信技術は、２線プロセス制御ループ、例えばＨＡＲＴ（登録商標）通信標準に従って動作するようなものを含む。無線技術、例えばIEC62591に従うＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルをまた用いることができる。送信機１０４は、オプションとして、装置に電力を供給するための内部電源２１４を含むことができる。これは、バッテリ、太陽発電機のような発電機、熱をベースとする発電機、機械をベースとする発電機等であることができる。他の実施例では、電力は、外部電源、例えば通信リンク２１２を通って電力を受信することを含む外部電源から提供される。これらの実施例では、マイクロプロセッサ２０８は本発明に従ってコントローラを提供するように、及び、少なくとも一つの上流圧力及び少なくとも一つの下流圧力に基づいてプロセス流体の流量を計算するように構成されることができる。マイクロプロセッサは、さらに、少なくとも二つの別の圧力測定値に基づいて圧力送信機１０４Ａ−Ｄのうちの少なくとも一つの劣化を特定するように構成されることができる。さらに、当然のことながら、マイクロプロセッサは、圧力センサのうちの少なくとも一つの劣化を特定または識別するために、４個の圧力センサの全てからの測定値を用いて、四つの別々の差圧（図１参照）を計算して求め、比較することができる。

一つの実施例では、マイクロプロセッサ２０８は差圧を計算し、上述したような診断を行うことができる。他の実施例では、送信機１０４Ａ−Ｄ中の任意の個数のもののみに、感知された圧力を送信するように構成された基本回路が含まれている。実際の差圧測定及び／又は診断は、別の装置によって行われる。そのような実施例では、図２に示されている回路は、遠隔の差圧／診断システムを構成することができる。この実施例では、圧力センサ１０６と測定回路２０２とは、必ずしも必要とされない。その代わりに、個々の圧力信号は、種々の圧力送信機から通信リンク２１２を介し入力／出力回路２１０を通って検索または読みだされる。

個々の圧力センサ１０６は、いかなる技術に従うものであっても良い。一つの好ましい実施例では、圧力センサ１０６はサファイアのような脆性材料から作られている。例えば、図３は二つのセンサ半体２５０，２５２を含む脆性材料で作られた圧力センサ１０６の構成を示している。空洞２５４は二つの半体２５０，２５２間に形成されている。圧力がセンサ１０６に印加されると、該空洞２５４のサイズは少し変形するまたは歪む。この変形または歪みは色々なセンシング技術を用いて感知されることができる。一つの例示的な実施例では、容量板２５６と２５８が空洞２５４中に搬入されている。該容量板２５６，２５８間の電気容量（キャパシタンス）は、空洞２５４の変形または歪みを示し、それゆえ印加された圧力に関連付けられることができる。電気コネクタ２６０は、容量板２５６，２５８に結合するように設けられている。そのようなセンサは、名称が「圧力送信機用長尺圧力センサ」である米国特許第６，０８９，０９７号に記述されている。

本発明は、好ましい実施例を参照して説明されたが、当業者には、本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに形状および細部において変更できることは明らかであろう。一例では、１以上のセンサ間の類似するノイズ信号は、装置自身の診断およびプロセス中の他の構成要素の診断を行うのに用いられることができる。

１００・・・制御又は監視システム、１０２・・・プロセスパイプ、１０４Ａ，１０４Ｂ・・・下流圧力送信機、１０４Ｃ，１０４Ｄ・・・上流圧力送信機、１０８・・・流体制限要素、１０４・・・絶対圧力送信機。

Claims (25)

1. プロセスパイプを通って流れるプロセス流体の流量を測定するシステムにおいて、
   前記プロセスパイプ中に設けられた流体制限要素であって、該制限要素の上流側と下流側間での、プロセス流体の流量に関係する差圧を生ずる前記流体制限要素と、
   前記制限要素の上流側で前記プロセスパイプに結合され、それぞれプロセス流体の第１および第２の上流圧力を測定し、該測定された第１および第２の上流圧力に関係する第１及び第２の上流送信機出力を応答的に送信する第１および第２の上流圧力送信機と、
   前記制限要素の下流側で前記プロセスパイプに結合され、それぞれプロセス流体の第１および第２の下流圧力を測定し、該測定された第１および第２の下流圧力に関係する第１及び第２の下流送信機出力を応答的に送信する第１および第２の下流圧力送信機と、
   少なくとも一つの上流圧力および少なくとも一つの下流圧力に基づいてプロセス流体の流量を計算し、さらに少なくとも二つの圧力測定値に基づいて少なくとも一つの圧力送信機の劣化を特定するように構成されたコントローラとを含む、流量測定システム。
2. 前記少なくとも二つの圧力測定値が、前記第１の上流圧力および前記第１の下流圧力を含む請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも二つの圧力測定値が、前記第１の上流圧力および前記第２の下流圧力を含む請求項１に記載の装置。
4. 前記少なくとも二つの圧力測定値が、前記第１の下流圧力および前記第２の上流圧力を含む請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも二つの圧力測定値が、前記第２の上流圧力および前記第２の下流圧力を含む請求項１に記載の装置。
6. 前記コントローラが、前記第１および第２の上流センサと第１および第２の下流センサを用いて計算された差圧を比較し、少なくとも一つの送信機の劣化を特定する、請求項１に記載の装置。
7. 前記圧力送信機の各々が、各測定された圧力を前記コントローラに通信するように構成された通信回路を含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記コントローラが、少なくとも一つの前記圧力送信機内に置かれている、請求項７に記載の装置。
9. 前記コントローラが、遠隔地に置かれている、請求項７に記載の装置。
10. 前記通信回路が、無線通信用に構成されている、請求項７に記載の装置。
11. 前記通信回路が、有線通信用に構成されている、請求項７に記載の装置。
12. 前記コントローラが、前記測定された第１の上流圧力と前記測定された第２の上流圧力との間のゼロチェックを行うように構成されている、請求項１に記載の装置。
13. 前記コントローラが、前記測定された第１の下流圧力と前記測定された第２の下流圧力との間のゼロチェックを行うように構成されている、請求項１に記載の装置。
14. 前記圧力送信機が、前記プロセス流体に直接晒されるように構成された圧力センサを含む、請求項１に記載の装置。
15. 前記圧力送信機が、その中に形成された空洞を有する脆性の材料で形成された圧力センサを含み、該空洞が印加された圧力に応答する、請求項１に記載の装置。
16. 前記圧力送信機の中の少なくとも一つが、追加のセンサを含む、請求項１に記載の装置。
17. 前記追加のセンサが、温度センサからなる、請求項１６に記載の装置。
18. 前記圧力送信機の電力が、前記通信回路により提供される、請求項７に記載の装置。
19. プロセスパイプを通って流れるプロセス流体の流量を測定する方法において、
    前記プロセスパイプ中に流体制限要素を提供し、該プロセス流体中の、該制限要素の上流側と該制限要素の下流側間に、該プロセス流体の流量に関係する差圧を生ずることと、
    前記制限要素の上流側で前記プロセスパイプに結合され、それぞれ第１および第２の上流圧力送信機を用いてプロセス流体の第１および第２の上流圧力を測定し、該測定された第１および第２の上流圧力に関係する第１および第２の上流送信機出力を応答的に送信することと、
    前記制限要素の下流側で前記プロセスパイプに結合され、それぞれ第１および第２の下流圧力送信機を用いてプロセス流体の第１および第２の下流圧力を測定し、該測定された第１および第２の下流圧力に関係する第１および第２の下流送信機出力を応答的に送信することと、
    少なくとも一つの上流圧力と一つの下流圧力に基づいて前記プロセス流体の流量を計算し、さらに少なくとも二つの圧力測定値に基づいて前記圧力送信機の中の少なくとも一つの劣化を特定すること、とを含む流量の測定方法。
20. 少なくとも二つの圧力測定値が、前記第１の上流圧力と第１の下流圧力とを含む請求項１９に記載の方法。
21. 少なくとも二つの圧力測定値が、前記第１の上流圧力と第２の上流圧力とを含む請求項１９に記載の方法。
22. 少なくとも二つの圧力測定値が、前記第１の下流圧力と第２の下流圧力とを含む請求項１９に記載の方法。
23. 前記測定された第１の上流圧力と前記測定された第２の上流圧力間でゼロチェックをすることを含む、請求項１９に記載の方法。
24. 前記測定された第１の下流圧力と前記測定された第２の下流圧力間でゼロチェックをすることを含む、請求項１９に記載の方法。
25. プロセスパイプを通って流れるプロセス流体の流量を測定するシステムにおいて、
    前記プロセスパイプ中に設けられた流体制限要素であって、該制限要素の上流側と下流側間での、プロセス流体の流量に関係する差圧を生ずる前記流体制限要素と、
    前記制限要素の上流側で前記プロセスパイプに結合され、それぞれプロセス流体の第１および第２の上流圧力を測定し、該測定された第１および第２の上流圧力に関係する第１及び第２の上流センサ出力を応答的に出力する第１および第２の上流圧力センサと、
    前記制限要素の下流側で前記プロセスパイプに結合され、それぞれプロセス流体の第１および第２の下流圧力を測定し、該測定された第１および第２の下流圧力に関係する第１及び第２の下流センサ出力を応答的に出力する第１および第２の下流圧力センサと、
    少なくとも一つの上流圧力および少なくとも一つの下流圧力に基づいてプロセス流体の流量を計算し、さらに少なくとも二つの圧力測定値に基づいて少なくとも一つの圧力センサの劣化を特定するように構成されたコントローラとを含む、流量測定システム。