JP2016533474A - 画像キャプチャ機器を用いてプロセス変数測定を行うプロセス機器 - Google Patents

Abstract

産業プロセスのプロセス変数を監視するのに用いられるフィールド機器12は画像キャプチャ機器100を含む。プロセス構成要素106はプロセス変数の関数として相対的動きを示す。画像キャプチャ機器100は、プロセス構成要素106の相対的動きに起因して変化する画像をキャプチャする。画像キャプチャ機器100に接続されている画像プロセッサ102は、プロセス構成要素106の相対的動きを検出し、当該検出した相対的動きに基づいてプロセス変数を測定する。出力回路30は当該測定されたプロセス変数に関する出力を与える。

Description

本発明は、産業プロセスの制御又は監視システムに関する。より詳細には、本発明は産業プロセスにおけるプロセス変数測定に関する。

産業設定においては、制御システムを用いることで産業及び化学プロセスその他の設備に対する監視及び制御が行われる。一般的には、こうした機能を担う制御システムは、産業プロセス内の鍵となる箇所に分散配置され、プロセス制御ループによって制御室内の制御回路へと接続されているフィールド機器を利用する。「フィールド機器」との用語は、分散配置される制御又はプロセス監視システム内において機能を担う任意の機器を指し、産業プロセスにおける測定、制御及び監視に用いられる全ての機器を含む。

米国特許7680460号(US7680460B2)

フィールド機器の中には、プロセス変数を検知するのに用いるプロセス変数センサを含むものがある。プロセス変数の例には、流量、圧力、レベル（水位）、温度、pH、バルブ又はモータの位置、モータ速度、アクチュエータの位置などが含まれる。

多くのタイプのプロセス変数センサは、プロセス変数測定を実施するためにセンサが直接に又は間接にプロセス流体に接触する必要のある、干渉型の(intrusive)技術に基づくものである。

産業プロセスのプロセス変数を監視するフィールド機器は、画像キャプチャ機器を含む。プロセス構成要素は、プロセス変数の関数としての相対的動きを示す。画像キャプチャ機器は、当該プロセス構成要素の当該相対的動きに起因して変化する画像をキャプチャする。当該画像キャプチャ機器に接続される画像プロセッサは、当該プロセス構成要素の相対的動きを検出し、当該検出された相対的動きに基づいてプロセス変数の測定を行う。出力回路は、当該測定されたプロセス変数に関する出力を与える。

本発明を実施可能なプロセス制御システムを示す簡略図である。 プロセス流体の流れの中に配置した渦発生体を示す断面斜視図である。 図２の渦発生体の拡張部の位置を時間に対してプロットしたグラフを示す図である。 図１のプロセスフィールド機器を示す簡略ブロック図である。 図４のフィールド機器に用いる画像キャプチャ機器の一つの構成を示す簡略電気回路図である。 図４に示すフィールド機器に用いる処理回路の一例を示す簡略回路図である。 図４に示すフィールド機器に用いる画像キャプチャ機器の別の一例の構成を示す簡略回路図である。 画像キャプチャ機器が基準に対して動く構成を示す図である。

産業プロセスのプロセス変数が、画像キャプチャ技術を用いて測定される。より詳細には、画像技術が、プロセス変数の関数として相対的動きを示すプロセス構成要素を観測するのに利用される。当該相対的動きに起因するキャプチャ画像の変化はプロセス変数の変化と相関があるので、プロセス変数の測定に利用される。当該相関は、カーブフィッティング又はその他の技術を通じて取得することができ、当該技術により相対的動きのプロセス変数への関係付けが行われる。当該相関は、当該動きの任意の特性に基づくものであってよく、当該特性には振幅、周波数、動きのスペクトル、動きの特定パターン、動きの有無その他が含まれる。

図１は、プロセス配管14へと接続されるプロセス機器12を含むプロセス制御又は監視システム10を示す図である。プロセス機器12は、プロセス変数伝送器、制御器、又はスタンドアロン機器といったような、任意のタイプのプロセス機器であってよい。機器12は画像キャプチャ機器100を含み、画像キャプチャ機器100は光又はその他の電磁放射104を受信することで、以下により詳細に説明するように、プロセス構成要素106の画像をキャプチャするように構成されている。機器12は、2線式プロセス制御ループ18を用いて、制御又は監視システム19を含むプロセス制御室16といったような遠隔位置と通信する。例えば、ループ18は、ルー18に接続される機器へと電力供給することにも利用可能である4-20mA電流ループであってよい。データはループ18上を任意の適切なプロトコルに従って伝達させることができ、当該プロトコルには例えば、4mAと20mAとの間で変動するアナログ電流値や、デジタル情報が4-20mA電流上に変調されるHART（登録商標）通信プロトコルや、フィールドバス（FieldBus）又はプロフィバス（Profibus）デジタル通信プロトコルその他が含まれる。一例としての無線通信技術に、IEC62591に準拠するWirelessHART（登録商標）通信プロトコルがある。ループ18の実装には、標準のイーサネット（登録商標）、光ファイバ接続、又はその他の通信チャネルを用いてもよい。

プロセス変数測定に用いられる多くの技術は、プロセス変数センサがプロセス流体に直接又は間接に接続される、干渉型（intrusive）技術を必要とするものである。一方で、非干渉型又はより少ない干渉型の技術が望ましいような状況もあり、当該技術によって信頼性及び稼働寿命を向上させ、安全性を向上させ、環境上の懸念事項を減らし、コストを低減し、稼働上においてより多くの融通が利くようにすることが望ましい状況もある。非干渉型測定の一種として現在利用可能なものとして、離れた位置におけるプロセス温度を測定することが可能な赤外検出器を用いるものがある。しかしながら、流量、レベル又は圧力といったようなその他のプロセス変数については、センシング要素は一般的に、プロセス流体と物理的に直接又は間接に接続している。近年、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者が、非侵襲性(non-invasive)の映像検出技術を用いて、皮膚の色の変化に基づき、患者の顔を血液が流れる際の患者の脈拍を検出した。（MITニュース"Researchers amplify variations in video, makin the invisible visible, Larry Hardesty, June 22, 2012, http:/web.mit.edu/newsoffice/2012/amplifying-invisible-video-0622/html"を参照されたい。）

例示としての実施形態において、画像キャプチャ機器100を用いてプロセス構成要素106の画像をキャプチャすることでプロセス変数の測定を行うための、方法及び装置が提供される。プロセス構成要素106は、プロセス変数の関数として相対的動きを示す。キャプチャされた画像における変化は、プロセス構成要素の相対的動き（変位、変形その他）を検出するのに用いられる。当該変化はプロセス変数と相関を有する。以下に説明するように、プロセス変数の関数としてプロセス構成要素に動きを誘発させるために、種々の技術を利用することができる。

一つの具体例においては、画像キャプチャ機器100を用いて渦流量計における流量を測定することができる。図２は、プロセス流体の流れを運ぶ配管14を示す部分断面図である。渦流量計においては、ブラフボディ（bluff body）（シェディングバー(shedding bar)）40がプロセス流体の流れの中に置かれる。流体が当該バーを通過すると、当該シェディングバーから尾を引く形となり当該シェディングバーの片側に交互に形成される渦が生成される。これらの渦が交互する周波数は、流体の流量に関係している。これら交互する渦は、当該シェディングバーに対して交互する力を加える。配管14の外部の位置までシェディングバーを延長することで、当該振動が当該延長部まで伝達される。一般的な従来技術の構成では、圧電変換器といったようなセンサを当該延長部に物理的に接続することで、振動を測定していた。当該センサは機械振動に継続的にさらされることによって、最終的には故障してしまうことがある。図２の例では、プロセス構成要素106は、画像キャプチャ機器100から見えるようになっている延長部を備える。当該延長部の長さを増やすことで、プロセス流体の流れに応答して渦発生体（vortex shedding bar）が振動することによる、当該延長部の動き量を増幅するようにしてもよいことに注意されたい。

図３は、図２の拡張部ピース（extension piece）106の位置を時間に対してプロットしたグラフである。図３のグラフは、1次元画像ラインセンサを用いて検出された渦信号における、作成されたグラフ画像出力を表しており、キャプチャ画像が２つのプロセス変数と相関を有する態様を示す図である。図３の波形の周波数は、プロセス流体の流量に比例している。当該波形の振幅は、プロセス流体の質量に比例している。キャプチャ画像はまた、診断情報を提供するために利用することもできる。例えば、ガスの気泡、デブリその他といったようなプロセス流体内の異物がシェディングバー40を通過する際に、図３に示す波形は急激な変化を示している。これは例えばノイズスパイク98のような形で現れているが、診断出力のトリガとして利用することができるものである。

一般的には、図２の構成において、渦振動周波数によってプロセス構成要素106は2Hzと70kHzの間で振動するようになる。従って、画像キャプチャ機器100は好ましくは、充分に速いキャプチャレートを有することで、渦発生振動の最も高い周波数においても当該構成要素106の動きをキャプチャすることが可能になっている必要がある。例えば、ナイキストサンプリング定理は、動く物体の像を正確にキャプチャするのに必要となる名目上の（nominal）サンプリング間隔についての説明を与えるものである。当該定理によれば、サンプリング周波数は、サンプリング対象となる信号に含まれる最大周波数の少なくとも2倍である必要がある。これにより、サンプリングを実施する際のエイリアシング（折り返し）の問題を回避することができる。画像キャプチャ機器に適用する場合、当該定理は明確な検出測定のナイキスト法則（Nyquist's Law of Unambiguous Detection Measurement）と呼ばれることがあり、当該法則によれば、検査対象の事象は少なくとも実際のピクセルがカバーするサイズの直径の3倍である必要があり、当該少なくとも3倍であることにより、どのような状況下であっても、当該事象は1個のピクセル全体をカバーしているようになる。さらに、動きを正確にキャプチャできるようにするためには、画像キャプチャ機器の帯域幅及び解像度も考慮する必要がある。以下の説明により、画像キャプチャ機器の要件に関する一般的見積もりと共に一般的分析が与えられる。

2次元の（ラスタ形式の）ビデオ画像をキャプチャするのに用いることのできる機器には、多くのタイプがある。一般的には、こうした機器からの画像は動きの遅い物体をキャプチャするには充分なものである。しかしながら、より速い動きの場合に、問題が起こりうる。例えば、1024×1024ピクセルのセンサ解像度を有するエリアスキャンカメラが20MHzのピクセルクロックレートで動作するには、画像全体のキャプチャを52ミリ秒で行う必要がある。この関係は、検出可能な最大周波数の決定に利用することができる。具体的には、1列に1024ピクセルが存在し、20MHzのクロックレートである場合、1列全体をスキャンするのに51マイクロ秒を必要とすることとなる。そして、1024列の全てに関して、フレーム全体をキャプチャするのに合計で52ミリ秒が必要となる。これにより、1秒あたり約19フレームという関係が得られる。ナイキスト定理により、検出可能な最大周波数は約5Hzとなる。

単一ライン（1次元）のラインスキャナは、より大きなキャプチャレートを与えるものである。ラインスキャナの例としては、ファックス装置で用いられているものや、コンピュータスキャナその他がある。単一ラインのピクセルを利用することで、ラインスキャナと像との間の相対的動きに起因する連続的な像を形成することが可能である。従って、垂直方向解像度は当該相対的な動きに基づくものである。例えば、ラインスキャナはサイズ1024×Nの画像を生成することができ、ここでNは当該スキャナが動作している限り連続的に大きくなり続ける。1回の露光につきラインスキャンカメラは単一ラインのピクセルを出力するだけであるので、当該画像のキャプチャに必要となる時間はより少ないものとなる。出力レジスタにピクセル情報が転送されると、次の露光のためにアクティブピクセルが利用可能となる。当該ラインスキャンのレートはライン読み出し時間の逆数であり、1/51マイクロ秒の値から1秒あたり19000ラインという値が得られる。当該解像度により、スキャン可能な最小特徴が決定される。例えば、１インチを1024ピクセルでスキャンする場合、水平方向解像度は1/1,1024=0.001インチとなる。流量といったようなプロセス変数を検知する状況においては、スキャナ速度は測定可能な最大周波数に関係し、これは流量に関係している。しかしながら、質量流量に関する情報を得るには、動きの大きさを測定するために、高速度及び高ピクセル解像度の両方が必要となる。当該構成においては、動きに関して検出可能な最大周波数は約5kHzとなる。

画像キャプチャ機器の別の一例として、単一ピクセルセンサがある。単一ピクセルを用いて、単一ピクセルの視野の内部へと又は当該視野から外部へと物体が動く際の動きを測定することができる。ナイキスト定理によれば、20MHzのクロックレートを有する単一ピクセルは周波数10MHzまでの動きを検出することができる。

図４は、画像キャプチャ機器100及びプロセス構成要素106を用いてプロセス変数を検知するように構成されているプロセス機器12を示す簡略ブロック図である。機器12はオプションとしてのプロセス変数インタフェース要素20を含んでいてもよい。当該インタフェース要素20は、画像キャプチャ機器100によって測定されるプロセス変数に追加してプロセス変数を検知するためのプロセス変数センサを備えていてもよい。同様に、当該インタフェース要素20は制御要素を備えていてもよい。オプションとしての当該インタフェース要素20はオプションとしてのインタフェース回路22に接続し、当該回路22は機器12の設定に基づいて制御回路又は測定回路として機能することができる。例えば、測定回路として設定されている場合であれば、インタフェース回路22は増幅器、アナログ／デジタルコンバータ、フィルタその他を備えていてもよい。検知されたプロセス変数はマイクロプロセッサ24又はその他のデジタル回路へと与えることができ、当該マイクロプロセッサ24又は回路は例えばメモリ26に格納されている命令に従って動作する。インタフェース要素20が制御要素として設定されている場合、インタフェース回路22は要素20へと制御信号を与えることで動作する。当該動作は例えば、マイクロプロセッサ24からの出力に基づくものであってよく、当該出力に応答してプロセスの動作を制御するのに用いられるものであってよい。例えば、マイクロプロセッサ24はプロセスのバルブに開くように命令してもよいし、加熱要素にオン状態となるように命令してもよいし、その他も命令も可能である。メモリ26はデータ又はその他の情報を格納し、オプションとして永久メモリを備えていてもよい。マイクロプロセッサはクロック28によって決定されるレートで動作する。入力／出力回路30はマイクロプロセッサ24をプロセス制御ループ18へと接続するのに利用される。いくつかの構成においては、入力／出力回路30はまた、プロセス機器12の回路へと電力供給するために用いられる電力出力を与えるようにしてもよい。

プロセス機器12がプロセス制御器として設定されている場合、画像キャプチャ機器100を用いて制御要素20を制御するのに用いるフィードバックを与えるようにすることができる。例えば、画像キャプチャ機器100を用いてプロセス変数測定を行うようにすることができる。当該測定されたプロセス変数の値は次に、制御要素20に加えられる制御信号の変更に用いられる。プロセス変数は、圧力、温度、流量その他といったようなプロセス流体に関するプロセス変数であってもよいし、バルブ位置、モータ速度、モータ位置、アクチュエータ位置その他といったような制御要素そのものに関するプロセス変数であってもよい。

上記説明したように、画像キャプチャ技術を用いて、産業プロセスからのプロセス変数情報を得ることができる。画像キャプチャ機器100は、プロセス構成要素106からの光又はその他の電磁放射104を受信できるように設置される。機器100は好ましくは指向性（directional）であり、少なくとも１つの放射センサを含む。機器100は個別の（ディスクリートの）センサであってもよいし、単一機器内に製造された複数のセンサを備えていてもよい。機器100からの出力は処理回路102へと与えられ、処理回路102はマイクロプロセッサ24へと処理された出力を与える。例えば、処理回路102は増幅回路、ノイズ低減回路、アナログ／デジタルコンバータ、比較回路その他を備えていてもよい。処理回路102からの出力はマイクロプロセッサ24へとデジタル形式で与えられる。処理回路は機器100内に実装されていてもよいし、個別分離した回路として実装されていてもよいし、マイクロプロセッサ24によって実装されていてもよい。処理回路はまた、アナログ／デジタル回路であってよい。

図５は、一例としての画像キャプチャ機器100の構成であって、単一ピクセル出力を与える個別センサ120によって形成されているものを示す図である。センサ120は、要素106からの光又はその他の電磁放射104であって、光学レンズ、フィルタその他の要素130を通過する光又はその他の電磁放射104を受信するように配置されている。図５の構成では、センサ120は放射検知トランジスタ132を用いて形成されており、当該トランジスタ132は抵抗器122を通じて接地されている。トランジスタ132は正の電力供給電圧に接続され、トランジスタ132を「オン」するのに充分な光又はその他の電磁放射104を受け取った際に、図４に示す処理回路102へと出力を与える。当該出力は、要素106がセンサ120の視野の内部へと入るよう動く又は当該視野から出るように動く都度のパルスとして構成されていてもよい。トランジスタ132が示されているが、フォトダイオード、電荷結合素子（CCD）、CMOS素子その他といったような、その他の画像検知技術を用いるようにしてもよい。さらに、利用されるセンサの種類に応じて、色（受信放射の周波数）および信号振幅といったような、追加の情報を収集するようにしてもよい。いくつかの構成においては、当該情報はまた、プロセス変数と相関を取るようにしてもよい。

図6は、処理回路102の一例としての構成を示す回路図である。図６に示す実施形態では、処理回路102はセンサ120からの出力を受け取るコンパレータ140を含む。図６に示す構成では、センサ120からの出力がリファレンスから充分に異なっているものである場合に、コンパレータ140はマイクロプロセッサ24へと高い値の論理レベル出力を与える。所望の場合、オプションの制御可能オフセット回路142を実装してもよい。図示する実施形態では、回路142は抵抗器144及び可変抵抗器146を用いて実装されている。マイクロプロセッサ24へと与えられる出力の周波数はプロセス構成要素の動きに関係している。例えば、プロセス構成要素106が図２に示すような延長部を備えている場合、当該延長部がセンサ120の視野内に入るように又は当該視野外に出るように動く際に、処理回路102はマイクロプロセッサ24へとパルス出力を与えることとなる。これらパルスは渦発生体40の振動の周波数を有し、従って、流量に関係している。

図７は、画像キャプチャ機器100の別の一例としての実装を示す簡略ブロック図である。図７の実施形態では、機器100は配列をなした複数のセンサ120-1, …, 120-Nを備える。当該配列は例えば、1次元リニアの（ラインスキャナの）配列であってもよいし、2次元マトリクスの（ラスタ形式の）配列であってもよい。図７に示すように、構成要素106からの光又はその他の電磁放射104は配列へと向かい、ここで複数の異なるセンサ120が作動する。処理回路102は複数のセンサ120のそれぞれが受け取った放射の強度に関する情報を受け取る。一つの構成においては、複数のセンサ120の各々は単に、電磁放射104が閾値を超える場合に出力を与えるようにすることができる。別の一つの構成においては、複数のセンサ120の各々の出力は、受信した放射の大きさを表すものであってよい。別の一例においては、各センサ120の出力は受信した放射の波長を表すものであってよい。こうして、受信放射104の大きさ及び／又は波長をプロセス構成要素106の相対的動きを検出するのに用いることができ、従って、当該大きさ及び／又は波長とプロセス変数との相関を取ることができる。当該出力は処理回路102を通じてマイクロプロセッサ24へと与えられるが、処理回路102はアナログ／デジタルコンバータ又はその他の画像処理回路を備えていてもよい。

処理回路102又はマイクロプロセッサ24は、例えば閾値との比較に基づいて、又は例えばキャプチャ画像の様々な領域の間での相対的な比較に基づいてといったように、画像の変化に基づいて動きを検出することができる。別の一例としての構成においては、ベースライン画像（基準画像）をメモリ26に格納しておく。当該ベースライン画像に対してのキャプチャ画像の変化が検出され、当該検出された変化がプロセス構成要素106の動きを検知するのに用いられる。プロセス構成要素106の動き検出は、１つ又はより多数の個別センサ（ピクセル）からの出力に基づくものであってもよいし、複数のセンサの出力の間にある関係の関数として与えるものであってよい。複数のセンサ出力の比較結果を用いることで、バックグラウンドノイズ、周辺の光状態といったようなものを原因とした測定上の誤差の低減を補助するようにしてもよい。

渦発生の周波数又は大きさの測定に関しては上記説明した通りであるが、その他のプロセス変数もまた、測定することができる。例えば、流体のレベル（水位）を、容器内のプロセス流体に浮かぶフロート（浮き）として構成されるプロセス構成要素106を用いて測定することができる。構成要素106の位置は流体レベルに関係している。浮きの位置は、画像をキャプチャし、浮きが流体レベルと連動して上下動する際の当該画像の変化を監視することで当該画像内における浮きの位置を決定することにより、検出することができる。別の一例では、その表面に渡って変化する反射率を有するものとして構成要素106を用意しておくことにより、位置を検出することができる。反射率が変化するようにしておくことで、機器100へと到達する反射による放射104を、構成要素106が流体レベルと連動して動く際に、変化させるようにすることができる。当該反射の大きさの変化は機器100によって検知され、流体レベルの関数となっている。同様に、プロセス構成要素106の表面に渡って色の変化を与えておくことで、当該変化を検出器100によって検出し、プロセス構成要素106の動きと相関を取るようにすることができる。また、プロセス構成要素106のテクスチャを利用して、動き検出精度を向上させるようにしてもよい。

また、その他のタイプの機械的動きも検出してプロセス変数測定に利用することができる。こうした動きには、モータによる動き、ミキサによる動き、バルブによる動き、アクチュエータによる動き、バイブレータによる動き、リフトによる動き、などが含まれる。構成要素106が回転する場合、回転速度（RPM）や角度位置といったプロセス変数を、当該観測した動きに基づいて決定することができる。機械的膨張又は収縮による動きもまた、検出して圧力、温度又はレベル（水位）の変化を測定するのに利用することができる。反復性を有する動きの例であってプロセス変数を取得するのに利用できるものには、渦発生体を通過する流れによる動き又はコリオリ効果による動きが含まれる。振動による動きを観測してプロセス変数を決定するのに利用することもできる。別の一例では、貯蔵タンクの形状の変化を観測して、タンクテーブル（strapping table）と同様の手法によって当該タンク内の充填レベルと相関を取ることができる。同様に、ブルドン管として動作している管の変形による動きを検出することで、圧力を決定することができる。さらに別の一例の実施形態では、加えられた荷重又は力に起因するプロセス構成要素の動きを検出することができる。こうした構成においては、加えられた力の値又は加えられた荷重の量が、プロセス構成要素の動きの量に関係している。例えば、長いアーマチャー(armature)の端部に加えられた荷重又は力により、当該アーマチャー端部が動く。当該動きの量は、当該加えられた荷重又は力及び当該アーマチャーの剛性に関係している。別の一例においては、大きな温度係数を有するプロセス構成要素を用いて、温度と連動して膨張又は収縮する当該構成要素における温度を測定することができる。

構成要素106の動きは増幅してもよいし、あるいは、その信号強度を適切な技術を用いて大きくするようにしてもよい。例えば、構成要素に取り付けた機械的拡張部は、動きの量を増やすレバーアームとして機能することができる。動き検出精度を上げるための技術を用いてもよく、当該技術には表面における異なる複数の色の利用又は表面テクスチャ変化の利用が含まれる。動きを誤って検出してしまうことにつながりかねないノイズを低減するために、表面にレファレンスのマークやその他の指標（indicators）を設けておいてもよい。壁部又はその他の構成要素における厚みを減らすことで、力が加えられた際にこれらが動く（屈折又は変形する）量が増えるようにしてもよい。光学レンズシステム130によって像の拡大又はフィルタリングを行うようにしてもよい。

プロセス構成要素106からの信号は電磁波104によって画像キャプチャ機器100まで伝わる。任意の適切な周波数（波長）範囲を適切なように利用してよく、これには赤外、可視光及び／又は紫外放射が含まれる。図７に示すオプションとしての放射源200は、光又はその他の電磁放射202を構成要素106の表面へと放射する。放射源200は、画像キャプチャ機器100のためにプロセス構成要素106を充分に照らすには周囲の放射が少なくて足りない際に、利用することができる。放射源200は、オプションとして、マイクロプロセッサ24又はその他の回路の制御によって動作することができる。当該制御を用いることで、例えば、アイドル期間又はプロセス構成要素に対して大量の照射が必要ではない期間において、放射源200へ供給される電力を減らすことができる。別の一例の構成においては、放射源200によって与えられる放射202の周波数を選択するようにすることができる。当該選択することで、周辺光又はその他の電磁放射とは異なる周波数の放射によってプロセス構成要素を照らすことにより、受信画像におけるノイズを低減することができる。別の一例としての構成においては、異なる色を有するプロセス構成要素106を、放射202の周波数を変えることで選択的にキャプチャするようにしてもよい。こうすることにより、単一の画像キャプチャ機器から複数のプロセス変数を得るようにすることができる。

画像キャプチャ機器は、任意の適切な画像検出器又は配列を備えていてよく、これには0次元（単一ピクセルセンサ）、ライン（1次元配列）、ラスタ（2次元配列）又はキューブ（3次元配列）が含まれる。さらに、これらの種々のタイプの配列の組み合わせもまた、実装されていてもよい。画像キャプチャ機器100は標準のビデオカメラ技術を用いて、又は赤外カメラ等を含むその他の技術を用いて、実装するようにしてもよい。いくつかの構成においては、単一の画像キャプチャ機器を用いて複数の構成要素の画像をキャプチャし、当該複数の構成要素の動きを検出し、複数のプロセス変数を決定するようにしてもよい。

画像がキャプチャされると、処理回路102又はマイクロプロセッサ24は、当該キャプチャ画像に対して追加の計算処理を行ってもよい。当該信号処理技術の例には、画像処理によって周波数に関する情報を得る高速フーリエ変換（FFT）の利用、微分その他を用いて画像の動きを特定すること、ノイズ低減のためのデジタルフィルタリング技術、及び、感度増強のための振幅増大技術が含まれる。アンチエイリアシング技術を用いて読み取り誤差を低減してもよい。診断アルゴリズムによって故障している構成要素又はその他のプロセス内の診断状態を特定するようにしてもよい。診断アルゴリズムによりまた、故障ピクセルといったような画像キャプチャ機器そのものにおける故障要素を特定するようにしてもよい。

画像キャプチャ機器の解像度を上げるための技術を利用してもよい。例えば、変化が発生している領域といったような興味対象の領域は、何の変化も起こっていない画像内の領域よりも高いレートでスキャンするようにしてもよい。動きキャプチャに用いられる画像キャプチャ機器は充分に安定した状態に置いておくことで、振動その他といったような当該画像キャプチャ機器自身の動きが測定誤差を引き起こさないようにする必要があることに注意されたい。

上記の説明では、動きのあるプロセス構成要素の画像を得ることについての言及を行ったが、当該説明はプロセス構成要素の動きによる相対的な動きについても適用可能である。より詳細には、上記の説明では、プロセス構成要素の動きをそこから観測するためのリファレンス配置を、画像キャプチャ機器が与えていた。別の一例としての構成においては、画像キャプチャ機器100はプロセス構成要素106と共に動き、リファレンス（参照）要素の画像を得る。例えば、図８では機器100は、プロセス構成要素106に運ばれているものとして示されている。画像キャプチャ機器100は、リファレンス指示部222によって運ばれる画像リファレンス220を視野に入れる（見る）よう、配置されている。プロセス構成要素106が動くと、連動して画像キャプチャ機器100も動く。当該動きは、機器100によってリファレンス要素220を見ることにより、観測可能である。リファレンス要素220は、プロセス構成要素について上記説明したのと同様の、種々の画像増強技術を含んでいてもよい。当該検出されるのは相対的な動きであるので、いくつかの構成においては、画像キャプチャ機器、プロセス構成要素及び／又はリファレンス要素は、同一のリファレンスフレームに取り付けることにより、周囲の振動その他を原因とした動きが検出されないようにすることが望ましい。

測定されたプロセス変数は、任意の適切なプロセス制御ループを用いて伝送することができ、所望に応じて制御システムへと通信することができる。これにより、レイヤ上の安全システムその他を含む標準の制御・監視システムにおいて画像キャプチャ機器100を利用することができるようになる。画像キャプチャ機器100の利用により、多くの競合技術に対する数々の優位性が得られるようになり、当該優位性には、侵襲性がより低い構成、低コスト、低消費電力、設置の簡素性及びユーザ設定が限定されることが含まれる。

本発明は好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明の考え方及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更を加えうることを理解できるはずである。明細書内では「画像」との用語を用いてきたが、本発明は任意の適切な周波数又は周波数範囲にある放射を利用可能である。これには可視光、赤外、及び紫外放射が含まれる。一般的な態様において、プロセス変数はプロセス構成要素の相対的な動きを用いて測定される。これには、動きの量又は動きの仕方がプロセス変数に関係して起こる動きの観測と、動きのレート又は速度がプロセス変数に関係して起こる動きの観測と、プロセス構成要素の形状又は外形（contour）がプロセス構成要素の関数として変化する構成と、が特に含まれる。明細書にて用いたように、「動き」という用語には、変位タイプの運動、変形又は形状変化、振動、反復運動、線形又は非線形の運動、その他が含まれる。プロセス変数の値は、経験的技術又はモデリング技術を所望のように用いることで、検出された動きと関係づけることができる。しかしながら、例えばニューラルネットワークその他を含む任意の適切な技術を用いることもできる。

12…フィールド機器、100…画像キャプチャ機器、106…プロセス構成要素、102…画像プロセッサ、30…出力回路

Claims (26)

1. 産業プロセスのプロセス変数を監視するフィールド機器であって、
   前記プロセス変数の関数として相対的動きを示すプロセス構成要素と、
   前記プロセス構成要素の相対的動きによって変化する画像をキャプチャするように構成されている画像キャプチャ機器と
   前記画像キャプチャ機器に接続されており、前記プロセス構成要素の相対的動きを検出し、検出された相対的動きに基づいて前記プロセス変数を測定するよう構成されている画像プロセッサと、
   前記画像プロセッサに接続されており、前記測定されたプロセス変数に関する出力を与えるよう構成されている出力回路と、を備えるフィールド機器。
2. 前記相対的動きが前記プロセス構成要素の変位である請求項１に記載のフィールド機器。
3. 前記相対的動きが前記プロセス構成要素の変形である請求項１に記載のフィールド機器。
4. 前記相対的動きが前記プロセス構成要素の反復運動である請求項１に記載のフィールド機器。
5. 前記検出された動きが前記相対的動きの周波数である請求項１に記載のフィールド機器。
6. 前記検出された動きが前記相対的動きの振幅である請求項１に記載のフィールド機器。
7. 前記プロセス変数が圧力、温度、流量、レベル、速度、質量及び位置からなるプロセス変数のグループより選択される請求項１に記載のフィールド機器。
8. 前記プロセス構成要素を照らすように構成されている放射源を含み、
   前記画像キャプチャ機器は、当該放射源によって照らされた前記プロセス構成要素の画像を受信する請求項１に記載のフィールド機器。
9. 前記画像キャプチャ機器が単一ピクセルセンサを備える請求項１に記載のフィールド機器。
10. 前記画像キャプチャ機器がラインスキャンセンサを備える請求項１に記載のフィールド機器。
11. 前記画像キャプチャ機器が2次元配列を備える請求項１に記載のフィールド機器。
12. 前記画像プロセッサがさらに、前記キャプチャされた画像に基づいて前記産業プロセスの診断を実行するように構成されている請求項１に記載のフィールド機器。
13. 前記画像プロセッサが前記プロセス構成要素の相対的動きを検出するために用いるベースライン画像を格納するように構成されているメモリを含む請求項１に記載のフィールド機器。
14. 前記画像キャプチャ機器が前記プロセス構成要素の画像をキャプチャする請求項１に記載のフィールド機器。
15. 前記画像キャプチャ機器が前記プロセス構成要素と共に動き、リファレンス要素の画像をキャプチャする請求項１に記載のフィールド機器。
16. 制御信号に基づいて前記産業プロセスを制御するのに用いられる制御要素を含み、
    前記制御信号は前記測定されたプロセス変数に関する前記出力の関数である請求項１に記載のフィールド機器。
17. フィールド機器を用いて産業プロセスのプロセス変数を監視する方法であって、
    前記産業プロセス内に、前記プロセス変数の関数として相対的動きを示すプロセス構成要素を配置することと、
    前記プロセス構成要素の相対的動きに起因して変化する画像をキャプチャすることと、
    前記相対的動きは前記プロセス変数に関係しており、
    前記キャプチャされた画像における前記相対的動きを検出することと、
    前記検出された相対的動きに基づいて前記プロセス変数を測定することと、
    応答して前記プロセス変数に関する出力を与えることと、を備える方法。
18. 前記相対的動きが前記プロセス構成要素の変位である請求項１７に記載の方法。
19. 前記相対的動きが前記プロセス構成要素の変形である請求項１７に記載の方法。
20. 前記相対的動きが前記プロセス構成要素の反復運動である請求項１７に記載の方法。
21. 前記検出された動きが前記キャプチャされた画像の周波数である請求項１７に記載の方法。
22. 前記検出された動きが前記キャプチャされた画像の振幅である請求項１７に記載の方法。
23. 前記プロセス変数が圧力、温度、流量、レベル、速度、質量及び位置からなるプロセス変数のグループより選択される請求項１７に記載の方法。
24. 放射源を用いて前記プロセス構成要素を照らすことを含む請求項１７に記載の方法。
25. 前記キャプチャされた画像に基づいて前記産業プロセスの診断を実行することを含む請求項１７に記載の方法。
26. 前記プロセス構成要素の相対的動きを検出するために用いるメモリ内に、ベースライン画像を格納することを含む請求項１７に記載の方法。