JP2015522160A - センサのストレス診断を備えた工業プロセス温度伝送器 - Google Patents

Abstract

工業プロセスの温度を感知するための温度伝送器（１０）は、工業プロセスの温度に関連するセンサ（１８）出力を提供するように手配された温度センサを含む。測定回路（２６，２８）は温度センサ（１８）に結合され、センサ出力に基づいて工業プロセスの温度を測定するように構成されている。出力回路（２４）は測定された温度に関連する出力を提供する。メモリ（２４）は、温度センサ（１８）により経験された過度温度イベントに関連する温度情報を蓄積するように構成されている。診断回路（２２）は、蓄積された温度情報（３０）に基づいて温度センサ（１８）又は他のコンポーネント（構成要素）の状態を診断する。

Description

本発明は、工業プロセスを制御又はモニタするのに用いられるタイプの工業プロセス制御又はモニタシステムに関する。特に、本発明は、工業プロセスの温度を感知するのに用いられる温度伝送器に関する。

プロセス変数伝送器は、プロセス制御又はモニタシステムにおけるプロセスパラメータを測定するのに用いられる。温度伝送器は典型的には、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、該デジタル出力を補償するためのマイクロプロセッサ、及び該補償された出力を伝送するための出力回路を含んでいる。典型的には、この伝送はプロセス制御ループを介して、例えば４−２０ｍＡ電流ループを介して行われる。一つの例示的パラメータは、ＲＴＤ(Resistive Temperature Device)の抵抗、またいわゆるＰＲＴ(Platinum Resistance Thermometer)センサの抵抗を測定することにより感知されることのできる温度又は熱電対の電圧出力により感知されることのできる温度である。

本発明に関連する従来技術を開示する文献として、下記の特許文献１がある。

特開平０８−３１３４６６号公報

プロセス変数伝送器の温度センサは経年変化するので、特に、該センサがその標準温度範囲の上又は下である過度温度(excessive temperature)で作動することがあった場合には、その正確さは劣化する傾向にある。この劣化は、センサ又は伝送器そのものを交換しなければならなくする程の完全な故障に導く場合がある。さらに、該劣化は、温度の読みにエラーを起こすかもしれない。該劣化は知覚されず、工業プロセスのモニタや制御を不正確に導く恐れがある。

工業プロセスの温度を感知するための温度伝送器は、工業プロセスの温度に関連するセンサ出力を提供するように手配された温度センサを含む。測定回路は温度センサに結合され、センサ出力に基づいて工業プロセスの温度を測定するように構成されている。出力回路は測定された温度に関連する出力を提供する。メモリは、温度センサにより経験された過度温度イベントに関連する温度情報を蓄積するように構成されている。診断回路は、蓄積された温度情報に基づいて温度センサ又は他のコンポーネント（構成要素）の状態を診断する。

本発明によれば、メモリに蓄積された過度温度イベントに関連する温度情報に基づいて、温度センサの状態を診断することができる。

図１は、プロセス流体の温度を感知するように構成された温度センサを含む工業プロセス制御システムを示す簡単化された図である。 図２Ａは、温度を測定するためにＲＴＤに接続された温度伝送器のブロック図である。 図２Ｂは、温度を測定するために熱電対センサに接続された温度伝送器のブロック図である。 図３は、本発明による手順の簡単化されたブロック図である。

発明の背景の所で説明したように、温度伝送器の温度センサが経年していくと、劣化する可能性がある。これは、温度の測定に不正確さをもたらし、最悪の場合にはセンサに故障をもたらすことになる。この劣化の一つの原因は、センサにダメージを与える原因となる過度温度(excessive temperatures)に、温度センサを晒すことによることが判明した。例えば、センサは、センサを作るのに用いられる材料の限度を超える温度に晒されるかもしれない。この過度温度は、過度の高温又は過度の低温でありうる。

本発明は、プロセス変数伝送器内の温度センサにより経験される多くの過度温度のイベントをモニタする。この情報に基づいて、診断がなされ、センサの劣化の程度に関する決定がなされる。過度温度をモニタすることにより、センサが経験した過度温度のイベントの回数、該過度温度のイベントの期間、及び／又は該過度温度のイベントの間の温度等を得ることができる。この情報は、プロセス変数伝送器のメモリ内、又は温度センサ自体に関連するメモリ内に蓄積されることができる。

図１は、工業プロセス制御システム５の簡単化された図である。図１において、プロセスパイプ７は、プロセス流体を搬送している。プロセス変数伝送器１０は、プロセスパイプ７に結合するように構成されている。伝送器１０は、例えば熱電対又はＲＴＤセンサからなる温度センサ１８を含んでいる。伝送器１０は、他の位置、例えばプロセス制御室６に情報を伝送するように構成されている。この伝送は、プロセス制御ループ、例えば２線プロセス制御ループ１１を介してなされることができる。該プロセス制御ループは、例えば、４−２０ｍＡプロセス制御ループ、デジタル通信を伝送するプロセス制御ループ、無線プロセス制御ループ等を含む、所望のフォーマットであることができる。図１に示されている例では、プロセス変数は、制御室６にある電源６Ａにより電力を供給される。センス抵抗６Ｂは、ループ１１を通って流れる電流を検知し、それによって、伝送器１０により伝送される温度関連情報をモニタするのに用いられることができる。センサに電力を供給する他の方法及びセンサ情報を通信する他の方法を用いることができることは明らかである。

図２Ａは、温度を測定するためにＲＴＤセンサに接続された温度伝送器のブロック図である。伝送器１０は、伝送器１０に電力を提供し、それを介して情報が送受信されるプロセス制御ループ１１に結合している。伝送器１０は、例えばＲＴＤ温度センサ（図２Ａに示されている）又は熱電対温度センサ（図２Ｂに示されている）であり得るセンサ１８に結合するために、端子１から４を有する端子ブロック１４を含んでいる。センサ１８は、伝送器１０の内部又は外部のいずれにあってもよい。伝送器１０は、入／出力（Ｉ／Ｏ）回路２４を通って制御ループ１１に結合されるマイクロプロセッサ２２を含む。回路２４は、またループ１１を介して受けた電力を伝送器１０に提供する。差動増幅器２６の正と負の入力はセンサ１８に接続され、高精度Ａ／Ｄ変換器２８に出力を提供する。メモリ３０は、クロック３２により決められた速度で動作するマイクロプロセッサ２２のための命令と情報を蓄積する。

動作において、伝送器１０は、センサ１８の温度を測定し、温度の表示(representation)を制御ループ１１を介して伝送する。伝送器１０は、センサ１８の温度の抵抗値を計算するのに次の式を用いる。

Ｒ_{ＩＮＰＵＴ}＝Ｖ_{ＲＩＮＰＵＴ}／Ｉ_Ｓ 式１

ここに、電流源５０は、端子１と４を経てセンサ１８を通る電流Ｉ_Ｓを提供する。マイクロプロセッサ２２は、端子２と３との間、つまりＲＴＤ１８の両端の電圧降下（Ｖ_{ＲＩＮＰＵＴ}）を測定する。このような４線抵抗測定において、全電流が実質的に端子１と４との間を流れるから、端子２と３までの電圧降下は大きく取り除かれ、測定の正確さに殆ど影響を及ぼさない。Ｒ_{ＩＮＰＵＴ}は、メモリ３０に格納されているルックアップテーブル又は適当な式を用いて温度の単位に変換される。

図２Ｂは、温度を測定するために、端子１と２の両端間の電圧Ｖ_{ＴＣＩＮＰＵＴ}を生成するセンサ１８用の熱電対に接続された伝送器１０を示す。端子１と２は、差動増幅器２６に接続されている。伝送器１０は、熱電対電圧Ｖ_{ＴＣＩＮＰＵＴ}を測定することにより、熱電対センサ１８の温度を測定する。この電圧は、適当に補償され、例えばメモリ３０に格納されているルックアップテーブルや式等に基づいて温度の表示に変換される。温度情報は、それから、上記したように、制御ループ１１上を伝送されることができる。

図２Ｂには、図２Ａに示されたメモリ３０に付加して、オプションのセンサメモリ４０がまた示されている。オプションのセンサメモリ４０はセンサ１８に物理的に関連付け又は接続され、端子ブロック１４内のメモリコネクタ４２を通ってマイクロプロセッサ２２に接続されることができる。他の実施例では、メモリ４０は、端子ブロック１４の端子に結合するための回路を含む。どちらの構成でも、メモリ４０に蓄積された情報は、マイクロプロセッサ２２により読まれることができる。同様に、マイクロプロセッサ２２はメモリ４０に情報を書き込むことができる。メモリ４０が端子ブロックコネクタ１−４を通ってマイクロプロセッサ２２と通信する構成において、メモリ４０は、例えば変調された高周波信号又はデジタル信号に応答する回路を、端子ブロック１４の端子に含むことができる。そのような信号に応答して、メモリ４０はマイクロプロセッサ２２からの情報を蓄積したり、マイクロプロセッサ２２へ情報を送ったりすることができる。

動作中、マイクロプロセッサ２２は温度センサ１８の温度をモニタする。温度センサ１８の温度が閾値を超えた場合には、情報がメモリ３０及び／又はメモリ４０に蓄積されることができる。ここで用いられる"過度温度イベント"は、センサ１８が閾値を超える温度を経験したことを意味する。この閾値は、絶対閾値であってもよいし、温度と継続時間の両方に基づく閾値であってもよい。例えば、感知された温度が閾値を超える場合には、メモリ３０／４０内のカウンタは増加（カウントアップ）されることができる。この増加は、また温度が該閾値より大きい期間に関連させられることができる。他の実施例では、測定された温度が公称値から引き算され、その結果が時間に関して積分される。例えば、センサ１８がより高温にある期間は、より低温よりも大きな重みを与えられることができる。一具体例として、一瞬５００°Ｃを超える温度センサ１８の経験は、２００°Ｃの温度を１０時間の間経験した温度センサ１８と同じ量の重みを与えられることができる。これは、要望通りに調整されることができる。例えば、いくつかの部品は高温で即座に故障するのに対して、いくつかの部品は、即時に故障を引き起こす温度より低い温度での昇温に晒された時に急速に劣化する傾向がある。

メモリ３０／４０に蓄積された、過度温度の経験に関連する情報に基づいて、マイクロプロセッサ２２はセンサ１８の状態を診断することができる。この診断は、予測残寿命に関連する出力を提供する形式、またはセンサ１８が即座に交換される必要があることを表示する形式であってもよく、または過度温度イベントに起因して誘導される温度測定値のエラーを補償するのに用いられてもよい。過度温度情報はまた過度温度イベントに起因する温度測定値のエラーを予測するのに用いられることができる。そのような情報は、温度センサが過度温度イベントを経験している時に温度センサを特性化し、メモリ３０又は４０中の形状補償情報(form compensation information)にこの情報を蓄積することにより、確定されることができる。

いくつかの構成では、温度センサ１８は取りはずし可能である。オプションのメモリ４０は、例えば電源なしに情報を保持し続けることができる不揮発性メモリであることができる。そのような構成は、過度温度イベント情報がセンサ１８自身の中に保持されるので、望ましいものである。センサ１８が取りはずされ、異なる伝送器１０で用いられる場合には、過度温度イベント情報はその新しい伝送器で利用することができる。さらに、この情報は、センサが故障のためにユーザにより回収された場合に、故障の解析に用いられることができる。メモリ３０又は４０に蓄積された情報は、また過度温度イベントが起きた時に関連する情報、例えば時間情報とデータ情報を含んでいる。他の例示的な構成では、特定の閾値情報は、また製造中、試運転中またはユーザ入力に基づいてのいずれか一つにより、メモリ３０または４０に蓄積されることができる。ユーザ入力はローカルインターフェースを通すか、プロセス制御ループ１１を通って受信されることができる。メモリ３０または４０は、また他のプロセス変数、例えばセンサ１８により経験された振動のような他の情報を含んでもよい。

図３は、本発明の一実施形態による手順(step)を示す簡単化されたブロック図である。図３に示されている手順は、例えばメモリ３０に蓄積されている命令に基づいて動作するマイクロプロセッサ２２を用いて実行されることができる。手順はブロック６２で始まり、温度測定値がブロック６４で得られる。ブロック６６では、センサが過度温度イベントを経験しているかどうかの判断がなされる。この判断は温度を閾値と比較することによりなされてもよいし、さらに過度温度イベントの決定に時間を組み入れてもよい。そのようなイベントが発生している又は発生した場合には、過度温度イベント情報がブロック６８でメモリ３０又は４０に蓄積される。過度温度イベントでない場合には、制御はブロック７０に移行する。ブロック７０では、過度温度イベントがメモリ３０又は４０から読みだされる。ブロック７２では、該読みだされた過度温度イベント情報に基づいて診断が行われる。他の構成では、ブロック７２で、該読みだされた過度温度イベントに基づいて測定された温度の値の補償を含む他のタイプのステップが行われることができる。さらに、メモリ３０又は４０から読みだされた過度温度イベント情報は、プロセス制御ループ１１を経て所望の他の位置に伝送されることができる。

本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに形状及び細部について変更することが可能であることを認識するであろう。ここに用いられているような、"測定回路"及び"診断回路"は、温度伝送器の様々な構成要素(components)の中で実施されることができる。例えば、両方の回路はマイクロプロセッサ２２の中で実施されることができ、また他の回路を含んでも良い。例えば、測定回路は、アナログ・デジタル変換器、増幅器、電流源等もまた含むことができる。他の構成では、この回路は個別素子(discrete elements)に分散されてもよいし、共有素子(shared elements)を含んでいてもよい。

５・・・工業プロセス制御システム、６・・・制御室、７・・・プロセスパイプ、１０・・・伝送器、１１・・・２線プロセス制御ループ、１８・・・温度センサ（ＲＴＤ温度センサ、熱電対温度センサ）、３０，４０・・・メモリ。

Claims (20)

1. 工業プロセスの温度を感知するための温度伝送器であって、
   工業プロセスの温度に関連するセンサ出力を提供するように構成された温度センサと、
   前記温度センサに結合され、前記センサ出力に基づいて工業プロセスの温度を測定するように構成された測定回路と、
   前記測定された温度に関連する出力を提供するように構成された出力回路と、
   前記温度センサにより経験された過度温度イベントに関連する温度情報を蓄積するように構成されたメモリと、
   前記蓄積された過度温度情報に基づいて前記温度センサの状態を診断するように構成された診断回路とを含む温度伝送器。
2. 前記メモリが前記温度伝送器内に置かれている、請求項１に記載の温度伝送器。
3. 前記メモリは前記温度センサに接続され、前記温度センサは前記伝送器から取りはずし可能である、請求項１に記載の温度伝送器。
4. 前記過度温度情報は、前記温度センサが過度温度イベントを経験した回数に関連する情報を含む、請求項１に記載の温度伝送器。
5. 前記過度温度情報は、前記温度センサが過度温度を経験している期間に関連する情報を含む、請求項１に記載の温度伝送器。
6. 前記過度温度情報は、過度温度イベントの間に前記温度センサにより経験された温度を含む、請求項１に記載の温度伝送器。
7. 前記診断回路により診断された状態は、前記温度センサの残寿命に関連するものである、請求項１に記載の温度伝送器。
8. 前記温度センサの診断状態は、前記測定温度の予測エラーに関連するものである、請求項１に記載の温度伝送器。
9. 前記測定回路は、前記診断状態に基づいて前記測定温度を補償する、請求項１に記載の温度伝送器。
10. 前記温度センサは、抵抗温度装置（ＲＴＤ）からなる、請求項１に記載の温度伝送器。
11. 前記温度センサは、熱電対からなる、請求項１に記載の温度伝送器。
12. 工業プロセスの温度を感知するのに用いられるタイプの温度伝送器の診断を行う方法であって、
    温度センサを用いて工業プロセスの温度を感知し、前記感知温度に関連するセンサを提供することと、
    測定回路を用いて、センサ出力に基づく工業プロセスの温度を測定することと、
    前記測定された温度に関連する出力を提供することと、
    前記温度センサにより経験された過度温度のイベントに関連する過度の温度情報をメモリに蓄積することと、
    前記蓄積された過度の温度情報に基づいて前記温度センサの状態を診断することとを含む温度伝送器の診断方法。
13. 前記メモリが温度伝送器の中に置かれている、請求項１２に記載の診断方法。
14. 前記メモリが前記温度センサに接続され、該温度センサが前記温度伝送器から取りはずすことができる、請求項１２に記載の診断方法。
15. 前記過度温度情報は、前記温度センサが過度温度のイベントを経験した回数に関連する情報を含む、請求項１２に記載の診断方法。
16. 前記過度温度情報は、前記温度センサが過度温度を経験している期間に関連する情報を含む、請求項１２に記載の診断方法。
17. 前記過度温度は、過度温度のイベントの間に、前記温度センサにより経験された温度を含む、請求項１２に記載の診断方法。
18. 前記温度センサの診断状態は、前記温度センサの残寿命に関連するものである、請求項１２に記載の診断方法。
19. 前記温度センサの診断状態は、前記測定された温度中の予測エラーに関連するものである、請求項１２に記載の診断方法。
20. 前記診断状態に基づいて前記測定された温度を補償することを含む、請求項１２に記載の診断方法。