JP2020501145A - 熱電対の短絡を診断する診断素子を備えた温度トランスミッタ及びトランスミッタアセンブリ - Google Patents

Abstract

温度トランスミッタアセンブリ（１００）は、熱電対（１０６）および温度トランスミッタ（１０２）を含む。熱電対（１０６）は、接合部（１２０）で互いに接続された第１の導体（１１６）および第２の導体（１１８）を有する。温度トランスミッタ（１０２）は、熱電対（１０６）の抵抗を決定し、決定された抵抗に基づいて、第１の導体（１１６）と第２の導体（１１８）が接合部（１２０）の前で互いに短絡されているかどうかの指標を提供する診断素子を有する。

Description

熱電対は、接合部で互いに接合され、接合部から離間した２つの自由端を有する２つの導体からなる温度センサである。導体は、自由端と接合部との間に温度勾配が印加されると、自由端間に電圧が現れるように、異なる金属で作られる。電圧の大きさは、温度勾配の大きさに対応する。その結果、自由端の電圧および温度を用いて、接合部の温度を決定することができる。

熱電対の導体が自由端と接合部との間で互いに接触すると、熱電対に短絡が生じ、新しい接合部が形成される。これが起こると、熱電対の自由端で生成される電圧は、短絡によって生成される新しい接合部の温度に対応し、熱電対の元の接合部の温度には対応しない。このため、短絡の位置と元の接合の位置との間に温度差がある場合、電圧から生成される温度計算は、元の接合の温度を正確に反映しない。

プロセス制御環境では、熱電対は、広範囲のプロセス温度に耐えることができるので、プロセス流体の温度を測定するために使用されることが多い。典型的には、熱電対の自由端は温度トランスミッタの内部に接続され、温度トランスミッタは、熱電対の自由端間の電圧を測定し、自由端におけるトランスミッタ内の温度を測定し、トランスミッタ内の温度および熱電対の両端間の電圧を使用して、接合部における温度を計算する。次いで、この接合温度は、プロセス環境内に配置された１つまたは複数の他のプロセスデバイスに、または有線または無線接続を介して制御室に伝達される。

温度トランスミッタアセンブリは、熱電対および温度トランスミッタを含む。熱電対は、接合部で互いに接続された第１の導体および第２の導体を有する。温度トランスミッタは、熱電対の抵抗を決定し、決定された抵抗に基づいて、第１の導体と第２の導体とが接合部の前で互いに短絡されているかどうかの指標を提供する診断素子を有する。

さらなる実施形態では、温度トランスミッタは、デジタルプロセッサおよび通信インターフェースを含む。デジタルプロセッサは、熱電対の両端間の測定された電圧と、熱電対の測定された抵抗を決定し、熱電対の導体が熱電対の熱による接触の前に互いに短絡したかどうかを決定するために測定された抵抗および温度を使用する短絡診断素子とに基づいて、熱電対の一部の温度を計算する温度計算を実行するように構成される。通信インタフェースは、熱電対の導体が互いに短絡したことを別のプロセスデバイスに通信する。

さらに別の実施形態では、温度トランスミッタは、熱電対の接合部の温度値を提供するために、熱電対の点間で測定された電圧に基づいて温度計算を実行するプロセッサと、熱電対の抵抗を決定し、決定された抵抗に基づいて、第１の導体と第２の導体とが接合部の前に互いに短絡されているかどうかの指標を提供する診断素子とを含む。

この概要および要約は、以下の詳細な説明でさらに説明する概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供される。概要および要約は、特許請求される主題の主要な特徴または本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する際の助けとして使用されることを意図するものでもない。

温度センサを有するプロセス制御システムの平面図を提供する。 熱電対の一例を示す。 短絡状態にある図２の熱電対を示す。 一実施形態による温度トランスミッタ内の要素のブロック図を示す。 時間の関数としての抵抗のグラフを提供する。 図５の時間グラフと整列した時間の関数としての測定された熱電対温度のグラフを提供する。 第２の実施形態による熱電対の例を提供する。 短絡状態にある図７の熱電対を示す。 熱電対の第３の実施形態の例を提供する。 短絡状態にある図９の熱電対を示す。

図１は、プロセス制御システム１００の一部の平面図であり、いくつかの要素を断面で示している。システム１００は、保護シース１０８内に取り付けられた熱電対１０６からなる熱電対アセンブリ１０４上に取り付けられたプロセス温度トランスミッタ１０２を含む。温度トランスミッタ１０２および熱電対アセンブリ１０４は、一緒になって、温度トランスミッタアセンブリを形成する。保護シース１０８は、プロセス導管１１４の対応する取付フランジ１１２に取り付けられた取付フランジ１１０にねじ込まれる。熱電対１０６は、異なる金属から作られ、しばしば「熱」接点と呼ばれる接合部１２０で接合される２つの導体１１６および１１８を含む。導体１１６および１１８は、プロセス温度トランスミッタ１０２内の１つまたは複数のプリント回路基板１２６上の電気部品に電気的に接続された自由端１２２および１２４を有する。導体１１６および１１８は、プロセス温度トランスミッタ１０２がプロセス導管１１４に直接取り付けられることを可能にするのに十分な長さであるように示されているが、他の実施形態では、導体１１６および１１８は、プロセス温度トランスミッタ１０２がプロセス導管１１４から離れて取り付けられることを可能にするために、同じそれぞれの材料の延長ワイヤを使用して延長され得る。延長ワイヤが使用される場合、導体１１６および１１８の自由端１２２および１２４は、依然としてプロセス温度トランスミッタ１０２内に位置すると考えられ、自由端から熱接点までの導体の全長（延長ワイヤと考えられるか否かにかかわらず）は、導体１１６および１１８を形成すると考えられる。プリント回路基板１２６上の通信インタフェースは、２線式プロセスループ１３２を介して制御室１３０と通信する。２線式プロセス制御ループが図１に示されているが、通信インターフェースは、他の有線および無線接続を使用して交互に通信する。さらに、図１では、温度トランスミッタ１０２は制御室１３０と通信するように示されているが、他の実施形態では、温度トランスミッタ１０２は、制御室１３０と通信することに加えて、またはその代わりに、他のプロセス制御デバイスと通信する。

図２は、自由端１２２、１２４を有し、接合部１２０で接合されている導体１１６、１１８を示す熱電対１０６の拡大図である。図３は、短絡状態にある熱電対１０６を示しており、導体１１８及び１１６は、高温接合部１２０と自由端１２４及び１２２との間の点３００で接触している。点３００の位置は、点３００における接触の結果として、熱電対１０６のケーシング内または延長ワイヤ（もしあれば）に沿っていてもよく、自由端１２２と１２４との間に提供される電圧は、高温接合部１２０における温度の代わりに、点３００における温度を反映する。

図４は、熱電対導体１１６と１１８との間の接触点の温度を決定し、温度を制御室または他のプロセスデバイスに伝達し、図３に示す短絡状態のような短絡状態が熱電対１０６に存在するときを検出するために使用することができる、プロセス温度トランスミッタ１０２の１つまたは複数のプリント回路基板１２６上の様々な電子部品を示すブロック図を提供する。

熱接合部１２０の温度を決定するためのプロセス温度トランスミッタ１０２内の電子機器は、デジタルプロセッサ４００、電圧増幅器４０２、ＲＴＤセンサ４１４、およびＲＴＤ測定回路４１６を含む。電圧増幅器４０２は、熱電対１０６の自由端１２４および１２２に接続され、増幅された熱電対電圧４０８を、デジタルプロセッサ４００によって実行される温度計算素子４１０に提供する。ＲＴＤ測定回路４１６は、ＲＴＤセンサ４１４に電流を流し、ＲＴＤセンサ４１４の抵抗を決定する。ＲＴＤ測定回路４１６は、ＲＴＤセンサ４１４の決定された抵抗を使用して、ＲＴＤセンサ４１４の温度を識別し、その温度を温度計算素子４１０に提供する。温度計算素子４１０は、ＲＴＤセンサ４１４の温度を熱電対１２０の自由端１２２および１２４の温度として使用し、しばしば熱電対の基準温度と呼ばれる。この基準温度および増幅された熱電対電圧４０８を使用して、温度計算素子４１０は、熱電対導体１１６と１１８との間の接触点の温度４１２を決定する。温度４１２は、通信インターフェース４１８に提供され、通信インターフェース４１８は、２線式プロセス制御ループおよび無線通信を含む任意のタイプの所望の通信チャネルを使用して、１つ以上の他の処理デバイスまたは制御室に温度４１２を送信する。

熱電対診断素子４０６は、熱電対１０６に短絡状態が存在するときを識別するために、デジタルプロセッサ４００によって実行される。熱電対診断素子４０６は、以下でさらに説明する１つまたは複数の診断試験４６０、４６２、４６４、および４６６を利用する。これらの診断試験の各々は、部分的には、熱電対回路に短絡が生じたときに、熱電対回路に沿った抵抗が変化するという事実に依拠する。具体的には、熱電対に短絡がなければ、熱電対１０６の自由端１２２に印加される電流は、導体１１６（任意の延長ワイヤを含む）の全長に沿って、接合部１２０を通って、導体１１８（任意の延長ワイヤを含む）の全長に沿って戻る。導体１１６および１１８は、単位長さ当たりのそれぞれの抵抗を有するので、電流に対する全抵抗は、導体１１６の全長（任意の延長ワイヤの長さを含む）×単位長さ当たりの導体１１６の抵抗＋導体１１８の全長（任意の延長ワイヤを含む）×単位長さ当たりの導体１１８の抵抗に等しい。しかし、熱電対に短絡が存在する場合、印加された電流は、導体１１６に沿って短絡の位置に流れ、次いで導体１１８に沿って自由端１２４に戻る。この第２の経路は第１の経路よりも短いので、短絡が熱電対に存在するときの全抵抗は、短絡が存在しないときよりも小さい。

熱電対の抵抗を測定するために、熱電対診断素子４０６は、電流源４０４を使用して、熱電対１０６に電流を印加する。熱電対の抵抗のために、この電流は、増幅された熱電対電圧４０８を生成するために電圧増幅器４０２によって増幅される電圧を自由端１２２と１２４との間に生成する。電流源によって印加される電流の量は、次に、熱電対１０６の抵抗を決定するために、増幅された熱電対電圧４０８と共に使用される。

電流源４０４から印加された電流は、自由端１２２および１２４の両端間の電圧を変化させるので、いくつかの実施形態は、熱電対診断素子４０６が熱電対１０６に電流を印加しているときに、増幅された熱電対電圧４０８を使用して温度４１２を計算しない。そのような一実施形態では、熱電対診断素子４０６は、抵抗診断が実行されている間、温度計算素子４１０を一時停止させる値を設定または通過させる。

一実施形態によれば、熱電対診断素子４０６が、熱電対１０６内に短絡が発生したと決定した場合、熱電対診断素子４０６は、通信インターフェース４１８を介して、制御室または他のプロセスデバイスに短絡の指標を送信する。一実施形態によれば、この指標は、熱電対に短絡があることを伝える警告メッセージである。

＜抵抗閾値試験４６０＞
熱電対診断試験の１つは、熱電対１０６の抵抗を定期的に測定し、熱電対１０６の抵抗が閾値未満に低下したときに短絡を識別することによって、熱電対１０６の短絡を検出する抵抗閾値試験４６０である。抵抗閾値試験４６０は、デジタルプロセッサ４００に関連するメモリに記憶されているベースライン抵抗４２２を測定することによって開始する。規則的な間隔で、抵抗閾値試験４６０は、温度計算素子４１０を中断して、熱電対１０６の新しい抵抗値を測定する。次に、抵抗閾値試験４６０は、ベースライン抵抗と測定された抵抗との間の差を計算し、その差がガードバンド値よりも大きいかどうかを決定する。ガードバンド値４２６は、短絡が存在しないときでさえ生じ得る熱電対抵抗の変動に適応するように選択される。ベースライン抵抗４２２と測定抵抗との間の差がガードバンド４２６よりも大きい場合、熱電対診断素子４０６は、熱電対導体が通信インターフェース４１８に短絡されているという指標を提供し、通信インターフェース４１８は、その指標を制御室または他のプロセスデバイスに伝達する。

＜抵抗トレンドライン試験４６２＞
第２の熱電対診断試験は、抵抗傾向試験４６２である。抵抗傾向試験４２６は、熱電対抵抗を定期的に測定し、最後のn個の測定値を記憶する。次に、最後のn個の抵抗測定値から傾向線を決定し、その線の勾配を調べて、熱電対が短絡したことを示す指標を出すのに十分に負であるかどうかを決定する。勾配が十分に負である場合、熱電対診断素子４０６は、熱電対導体が通信インターフェース４１８に短絡したという指標を提供し、次いで、通信インターフェース４１８は、制御室および／または他のプロセスデバイスに指標を提供する。

＜温度および熱電対抵抗の使用＞
抵抗閾値試験４６０および抵抗傾向線試験４６２は両方とも、熱電対抵抗の定期的な試験を必要とする。これは、温度計算素子４１０を中断し、したがって、高温接合部温度４１２の送達を遅らせる可能性があるので、望ましくない。また、抵抗測定中に電流源４０４を駆動するために追加の電力を必要とするため、望ましくない。

さらに、誤った短絡警報を発することを回避するために、抵抗閾値試験４６０で使用されるガードバンド４２６および抵抗傾向線試験４６２で使用される負の勾配のサイズは、短絡警報が発せられる前に熱電対の抵抗の実質的な低減を必要とするように設定される。これは、試験によっていくつかの短絡状態が見逃される可能性があるので、望ましくない。

これらの問題を克服するために、以下に説明する温度および抵抗閾値試験４６４ならびに抵抗および温度傾向試験４６６は、温度値４１２および熱電対抵抗値の組合せを使用して、いつ短絡状態が熱電対１０６に存在するかを識別する。

図５は、時間t_sで短絡状態が発生したときの時間５０４に応じた熱電対抵抗５０１のグラフを示す。短絡状態の前に、熱電対はベースライン抵抗５００を有し、短絡の後に、熱電対の抵抗は測定された抵抗５０２まで低下する。図６は、時間６０２の関数としての熱電対温度４１２のグラフを提供し、時間６０２は、図５のグラフの時間５０４と整列される。図６に示すように、短絡状態中に熱電対１０６の抵抗が低下すると、測定温度も初期温度６０４からより低い温度６０６に低下する。熱電対短絡中の温度の変化と熱電対抵抗の変化との間のこの相関関係は、第１の導体と第２の導体とがいつ短絡されるかを決定する精度を改善するために、熱電対診断素子４０６の試験４６４および４６６で使用される。

＜温度および抵抗閾値試験４６４＞
温度および抵抗閾値試験４６４の一実施形態では、熱電対１０６の抵抗の過度の試験は、抵抗が測定されるときにトリガするために温度４１２を使用することによって回避される。熱電対のベースライン抵抗は、電流源４０４および増幅された熱電対電圧４０８を使用して最初に決定され、デジタルプロセッサ４００によってベースライン抵抗４２２として記憶される。次に、温度および抵抗閾値試験４６４は、温度４１２を監視し、熱電対によって提供される温度が指定された期間にわたって閾値量を超えて低下しない限り、熱電対１０６の抵抗を再測定しない。温度が閾値量を超えて低下すると、温度および抵抗閾値試験４６４は、電流源４０４を作動させ、増幅された熱電対電圧４０８を使用して、熱電対１０６の抵抗を測定する。次いで、ベースライン抵抗４２２と測定された抵抗との間の差が閾値と比較される。差が閾値を超える場合、熱電対導体が短絡したという指示が、熱電対診断素子４０６によって通信インターフェース４１８に出され、通信インターフェース４１８は、その指標を制御室および／または他のプロセスデバイスに送信する。

一実施形態によれば、抵抗閾値は、熱電対のより低い温度に部分的に基づく。熱電対１０６がより低い温度に曝されると、短絡が存在しない場合であっても、熱電対１０６の抵抗は低下する。この温度依存抵抗降下を閾値に含めることによって、熱電対の温度変化のみに起因する抵抗変化は、熱電対に短絡が存在するという指標を引き起こさない。

温度および抵抗閾値試験４６４の他の実施形態では、熱電対１０６の抵抗が定期的に測定され、各測定について、測定された抵抗とベースライン抵抗４２２との間のそれぞれの差が閾値と比較される。さらに、温度値４１２の履歴が記憶される。抵抗の差が閾値を超えると、温度値４１２の履歴を調べて、抵抗が閾値量を超えて低下したのと同時に温度が低下したかどうかを決定する。温度が低下しなかった場合、抵抗の低下は無視される。温度が抵抗の低下と同時に低下した場合、熱電対診断素子４０６によって熱電対短絡の指標が出され、通信インターフェース４１８によって制御室および／または他のプロセスデバイスに送信される。したがって、そのような実施形態では、熱電対温度は、短絡が生じたことを検証するために使用される。

＜温度および抵抗傾向試験４６６＞
熱電対の温度および抵抗を閾値と比較する代わりに、温度および抵抗傾向試験４６６は、熱電対の温度および抵抗の傾向線を決定し、それらの線の勾配を使用して、いつ熱電対に短絡が発生したかを識別する。具体的には、温度および抵抗傾向試験４６６は、熱電対１０６の抵抗を定期的に測定し、熱電対温度４１２を定期的に記憶する。一実施形態では、新しい測定温度４１２毎に、試験４６６は、最後の５つの温度４１２のような最後のn個の温度４１２に適合する、図６の傾向線６０８のような温度傾向線を決定する。次に、トレンド線の勾配を調べて、熱電対に短絡があることを示すのに十分に負であるかどうかを決定する。温度トレンド線の勾配が十分に負である場合、最後の５つの抵抗値などの最後のm個の抵抗値を使用して、図５のトレンド線５０８などの抵抗のトレンド線が決定される。次に、抵抗値の傾向線の勾配を調べて、熱電対に短絡があることを示すのに十分に負であるかどうかを決定する。抵抗傾向線の勾配が十分に負である場合、熱電対診断素子４０６は、熱電対に短絡があるという指標を発し、通信インターフェース４１８は、この指標を制御室および／または他のプロセスデバイスに送信する。

別の実施形態では、新たに測定された各熱電対抵抗を用いて、試験４６６は、最後の５つの測定された抵抗のような最後のn個の測定された抵抗に適合する抵抗傾向線を決定する。次に、トレンド線の勾配を調べて、熱電対に短絡があることを示すのに十分に負であるかどうかを決定する。抵抗傾向線の勾配が十分に負である場合、熱電対温度４１２の傾向線は、最後の５つの温度値などの最後のm個の温度値を使用して決定される。次に、温度値の傾向線の勾配を調べて、熱電対に短絡があることを示すのに十分に負であるかどうかを決定する。温度傾向線の勾配が十分に負である場合、熱電対診断素子４０６は、熱電対短絡の指標を発し、通信インターフェース４１８は、その指標を制御室および／または他のプロセスデバイスに送信する。

さらに別の実施形態では、トレンドラインと閾値との組み合わせを使用して、熱電対１０６に短絡が存在するかどうかを決定する。例えば、測定された熱電対抵抗とベースライン抵抗４２２との間の差を閾値と比較することができ、閾値を超えると、熱電対温度の傾向線を決定することができる。次に、温度傾向線の勾配を調べて、熱電対の短絡を示すのに十分に負であるかどうかを決定することができる。あるいは、時間の経過に伴う熱電対温度の低下を閾値と比較することができ、温度の低下が閾値を超えると、熱電対抵抗の傾向線を決定することができる。抵抗傾向線の勾配が十分に負である場合、熱電対診断素子４０６は、熱電対の短絡の指標を出す。

＜インライン熱電対抵抗＞
上述した各試験において、熱電対抵抗の変化は、熱電対に短絡が発生したときを識別するために使用される。抵抗の変化の大きさは、熱電対導体の単位長さ当たりの抵抗と、短絡が起こる点と熱接合部１２０との間の導体の長さとの関数である。この長さが短い場合、結果として生じる抵抗の変化は、検出するには小さすぎる可能性がある。

上記の試験の動作を改善するために、いくつかの実施形態は、短絡が発生したときに抵抗のより大きな降下があるように、抵抗素子を熱電対１０６に組み込む。

図７は、抵抗素子を含み、図４の熱電対１０６の代わりに使用することができる熱電対７０６の第１の実施形態を提供する。熱電対７０６は、接合部７２０で互いに接合され、自由端７２２および７２４を有する２つの導体７１６および７１８を含む。導体７１６は、２つの部分、すなわち、第１の部分７３０と、抵抗素子として作用する第２の部分７３２とを含むように示されている。第１の部分７３０は、熱電対の単位長さ当たりの第１の抵抗を有し、第２の部分７３２は、熱電対の単位長さ当たりの第２の抵抗を有し、単位長さ当たりの第２の抵抗は、単位長さ当たりの第１の抵抗よりも大きい。単位長さ当たりの抵抗は、熱電対の長さに対してであり、導体の長さに対してではないことに留意されたい。熱電対の単位長さ当たりの抵抗は、熱電対に沿った２つの点を選択し、直線に沿った２つの点の間の距離を測定し、２つの点の間の導体に沿った抵抗を距離で割ることによって測定される。これは、２点間の導体の長さを決定し、この長さで抵抗を割ることによって測定される導体の単位長さ当たりの抵抗とは異なる。

一実施形態によれば、熱電対の単位長さ当たりの異なる抵抗は、第２の部分７３２が第１の部分７３０よりも小さい断面を有するように第２の部分７３２を構成することによって達成される。第２の実施形態によれば、熱電対の単位長さ当たりの異なる抵抗は、第２の部分７３２を曲げるかまたは巻くことによって達成され、その結果、第２の部分７３２内の熱電対の単位長さ当たりの導体の長さは、第１の部分７３０よりも長い。

一実施形態によれば、高抵抗部分７３２は、通常の抵抗部分７３０と接合部７２０との間にある。特に、第２の部分７３２は、図８に示すように、短絡が温度計算素子４１０によって計算された温度４１２を変化させる点８００より下になるように、熱電対７０６内に配置される。他の実施形態では、第２の部分７３２は、接合部７２０に可能な限り近接して配置される。いくつかの実施形態では、高抵抗部分７３２は、導体７１６上の高抵抗部分を局所化するように、通常抵抗部分７３０よりも短い。

図８に示すように、短絡状態が点８００に存在するとき、高抵抗部分７３２は、熱電対診断素子４０６によって測定される自由端７２２と７２４との間の抵抗をもはや増加させない。部分７３２は、熱電対７０６の他の部分よりも高い抵抗を有するので、部分７３２による抵抗の除去は、図５に示すよりも大きな抵抗の変化を生じさせる。この抵抗の大きな変化は、上述した試験４６０、４６２、４６４、４６６の全ての動作を改善する。

一実施形態によれば、試験４６０および４６４で使用される閾値抵抗変化は、熱電対診断素子４０６が熱電対に短絡があるという指標を生成するために、熱電対抵抗が少なくとも高抵抗部分７３２の抵抗量だけ変化しなければならないように設定される。そのような実施形態では、熱電対診断素子４０６は、測定された抵抗が、ベースライン抵抗から高抵抗部分７３２の抵抗を引いた値未満である場合に、熱電対の短絡の指標を提供する。

図９および図１０は、図４の熱電対１０６の代わりに使用することができる２つのインライン抵抗素子８３２および８４２を有する別の熱電対８０６を示す。熱電対８０６は、自由端８２２および８２４を有し、接合部８２０で互いに接合された２つの導体８１６および８１８から形成される。熱電対８０６では、２つの高抵抗部分８３２および８４２が熱電対に含まれ、各導体８１６および８１８上に１つの高抵抗部分がある。したがって、導体８１６は、熱電対の単位長さ当たりの第１の抵抗を有する第１の部分８３６と、熱電対の単位長さ当たりの第２の抵抗を有する第２の部分８３２とからなり、単位長さ当たりの第２の抵抗は、単位長さ当たりの第１の抵抗よりも大きい。同様に、導体８１８は、熱電対の単位長さ当たりの第３の抵抗を有する第１の部分８４０と、熱電対の単位長さ当たりの第４の抵抗を有し、単位長さ当たりの第４の抵抗が単位長さ当たりの第３の抵抗よりも大きい第２の部分８４２とからなる。図９および図１０に示すように、高抵抗部分８３２および８４２は、通常抵抗部分８３６、８４０と接合部８２０との間に配置される。一実施形態によれば、高抵抗部分８３２および８４２は、点１０００と接合部８２０との間の位置であり、点１０００は、自由端８２２と８２４との間の電圧が短い事象の間に変化し、それによって測定温度４１２に変化を生じさせる点を表す。他の実施形態では、高抵抗部分８３２および８４２は、接合８２０に可能な限り近接して配置される。いくつかの実施形態では、高抵抗部分８３２および８４２は、導体８１６および８１８上の高抵抗部分を局所化するように、通常抵抗部分８３６および８４０よりも短い。

両方の導体に高抵抗部分を含めることによって、短絡事象が発生したときの抵抗の降下が大きくなり、抵抗のみを使用して、または上述の試験４６０、４６２、４６４、および４６６のいずれかを使用して温度の変化と組み合わせて抵抗を使用して短絡事象を識別することがより容易になる。

一実施形態によれば、試験４６０および４６４で使用される閾値抵抗変化は、熱電対診断素子４０６が熱電対に短絡があるという指標を生成するために、熱電対抵抗が少なくとも高抵抗部分８３２および８３４の抵抗量だけ変化しなければならないように設定される。そのような実施形態では、熱電対診断素子４０６は、測定された抵抗が、ベースライン抵抗マイナス高抵抗部分８３２の抵抗と高抵抗部分８３４の抵抗との合計よりも小さいときに、熱電対の短絡の指標を提供する。

本発明は好ましい実施形態に関して説明されているが、当業者であれば、様々な変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく形状および細部になされてもよいことは認識できる。

図１は、プロセス制御システム１００の一部の平面図であり、いくつかの要素を断面で示している。システム１００は、保護シース１０８内に取り付けられた熱電対１０６からなる熱電対アセンブリ１０４上に取り付けられた温度トランスミッタ１０２を含む。温度トランスミッタ１０２および熱電対アセンブリ１０４は、一緒になって、温度トランスミッタアセンブリを形成する。保護シース１０８は、プロセス導管１１４の対応する取付フランジ１１２に取り付けられた取付フランジ１１０にねじ込まれる。熱電対１０６は、異なる金属から作られ、しばしば「熱」接点と呼ばれる接合部１２０で接合される２つの導体１１６および１１８を含む。導体１１６および１１８は、温度トランスミッタ１０２内の１つまたは複数のプリント回路基板１２６上の電気部品に電気的に接続された自由端１２２および１２４を有する。導体１１６および１１８は、温度トランスミッタ１０２がプロセス導管１１４に直接取り付けられることを可能にするのに十分な長さであるように示されているが、他の実施形態では、導体１１６および１１８は、温度トランスミッタ１０２がプロセス導管１１４から離れて取り付けられることを可能にするために、同じそれぞれの材料の延長ワイヤを使用して延長され得る。延長ワイヤが使用される場合、導体１１６および１１８の自由端１２２および１２４は、依然として温度トランスミッタ１０２内に位置すると考えられ、自由端から熱接点までの導体の全長（延長ワイヤと考えられるか否かにかかわらず）は、導体１１６および１１８を形成すると考えられる。プリント回路基板１２６上の通信インタフェースは、２線式プロセスループ１３２を介して制御室１３０と通信する。２線式プロセス制御ループが図１に示されているが、通信インターフェースは、他の有線および無線接続を使用して交互に通信する。さらに、図１では、温度トランスミッタ１０２は制御室１３０と通信するように示されているが、他の実施形態では、温度トランスミッタ１０２は、制御室１３０と通信することに加えて、またはその代わりに、他のプロセス制御デバイスと通信する。

図４は、熱電対導体１１６と１１８との間の接触点の温度を決定し、温度を制御室または他のプロセスデバイスに伝達し、図３に示す短絡状態のような短絡状態が熱電対１０６に存在するときを検出するために使用することができる、温度トランスミッタ１０２の１つまたは複数のプリント回路基板１２６上の様々な電子部品を示すブロック図を提供する。

接合部１２０の温度を決定するための温度トランスミッタ１０２内の電子機器は、デジタルプロセッサ４００、電圧増幅器４０２、ＲＴＤセンサ４１４、およびＲＴＤ測定回路４１６を含む。電圧増幅器４０２は、熱電対１０６の自由端１２４および１２２に接続され、増幅された熱電対電圧４０８を、デジタルプロセッサ４００によって実行される温度計算素子４１０に提供する。ＲＴＤ測定回路４１６は、ＲＴＤセンサ４１４に電流を流し、ＲＴＤセンサ４１４の抵抗を決定する。ＲＴＤ測定回路４１６は、ＲＴＤセンサ４１４の決定された抵抗を使用して、ＲＴＤセンサ４１４の温度を識別し、その温度を温度計算素子４１０に提供する。温度計算素子４１０は、ＲＴＤセンサ４１４の温度を熱電対１０６の自由端１２２および１２４の温度として使用し、しばしば熱電対の基準温度と呼ばれる。この基準温度および増幅された熱電対電圧４０８を使用して、温度計算素子４１０は、熱電対導体１１６と１１８との間の接触点の温度４１２を決定する。温度４１２は、通信インターフェース４１８に提供され、通信インターフェース４１８は、２線式プロセス制御ループおよび無線通信を含む任意のタイプの所望の通信チャネルを使用して、１つ以上の他の処理デバイスまたは制御室に温度４１２を送信する。

＜抵抗閾値試験４６０＞
熱電対診断試験の１つは、熱電対１０６の抵抗を定期的に測定し、熱電対１０６の抵抗が閾値未満に低下したときに短絡を識別することによって、熱電対１０６の短絡を検出する抵抗閾値試験４６０である。抵抗閾値試験４６０は、デジタルプロセッサ４００に関連するメモリに記憶されているベースライン抵抗４２２を測定することによって開始する。規則的な間隔で、抵抗閾値試験４６０は、温度計算素子４１０を中断して、熱電対１０６の新しい抵抗値を測定する。次に、抵抗閾値試験４６０は、ベースライン抵抗と測定された抵抗との間の差を計算し、その差がガードバンドの値よりも大きいかどうかを決定する。ガードバンド４２６の値は、短絡が存在しないときでさえ生じ得る熱電対抵抗の変動に適応するように選択される。ベースライン抵抗４２２と測定抵抗との間の差がガードバンド４２６よりも大きい場合、熱電対診断素子４０６は、熱電対導体が通信インターフェース４１８に短絡されているという指標を提供し、通信インターフェース４１８は、その指標を制御室または他のプロセスデバイスに伝達する。

＜抵抗傾向試験４６２＞
第２の熱電対診断試験は、抵抗傾向試験４６２である。抵抗傾向試験４６２は、熱電対抵抗を定期的に測定し、最後のn個の測定値を記憶する。次に、最後のn個の抵抗測定値から傾向線を決定し、その線の勾配を調べて、熱電対が短絡したことを示す指標を出すのに十分に負であるかどうかを決定する。勾配が十分に負である場合、熱電対診断素子４０６は、熱電対導体が通信インターフェース４１８に短絡したという指標を提供し、次いで、通信インターフェース４１８は、制御室および／または他のプロセスデバイスに指標を提供する。

＜温度および熱電対抵抗の使用＞
抵抗閾値試験４６０および抵抗傾向試験４６２は両方とも、熱電対抵抗の定期的な試験を必要とする。これは、温度計算素子４１０を中断し、したがって、高温接合部温度４１２の送達を遅らせる可能性があるので、望ましくない。また、抵抗測定中に電流源４０４を駆動するために追加の電力を必要とするため、望ましくない。

さらに、誤った短絡警報を発することを回避するために、抵抗閾値試験４６０で使用されるガードバンド４２６および抵抗傾向試験４６２で使用される負の勾配のサイズは、短絡警報が発せられる前に熱電対の抵抗の実質的な低減を必要とするように設定される。これは、試験によっていくつかの短絡状態が見逃される可能性があるので、望ましくない。

これらの問題を克服するために、以下に説明する温度および抵抗閾値試験４６４ならびに温度および抵抗傾向試験４６６は、温度値４１２および熱電対抵抗値の組合せを使用して、いつ短絡状態が熱電対１０６に存在するかを識別する。

＜インライン熱電対抵抗＞
上述した各試験において、熱電対抵抗の変化は、熱電対に短絡が発生したときを識別するために使用される。抵抗の変化の大きさは、熱電対導体の単位長さ当たりの抵抗と、短絡が起こる点と接合部１２０との間の導体の長さとの関数である。この長さが短い場合、結果として生じる抵抗の変化は、検出するには小さすぎる可能性がある。

Claims (20)

1. 接合部で互いに接続された第１の導体と第２の導体とを備える熱電対と、
   前記熱電対の抵抗を決定し、決定された前記抵抗に基づいて、前記第１の導体と前記第２の導体とが前記接合部の前で互いに短絡されているかどうかの指標を提供する診断素子を備える温度トランスミッタと、
   を含む温度トランスミッタアセンブリ。
2. 前記診断素子が、第１の時間における前記熱電対のベースライン抵抗と、前記第１の時間よりも後の第２の時間における測定された抵抗とを決定する、請求項１に記載の温度トランスミッタアセンブリ。
3. 前記第１の導体および前記第２の導体の少なくとも一方は、単位長さ当たりの第１の抵抗を有する第１の部分と、単位長さ当たりの第２の抵抗を有する第２の部分とを含み、前記第２の部分は、前記第１の部分より前記接合部に近く、単位長さ当たりの前記第２の抵抗は、単位長さ当たりの前記第１の抵抗よりも大きく、前記第２の部分の単位長さ当たりの前記第２の抵抗は、前記第２の部分に対する抵抗を生成し、前記診断素子は、前記第２の部分の抵抗を差し引いた前記ベースライン抵抗よりも小さいことを決定することにより、前記第１の導体と前記第２の導体とが互いに短絡されたことの前記指標を提供する、請求項２に記載の温度トランスミッタアセンブリ。
4. 前記診断素子は、経時的に複数の測定された抵抗を決定し、前記診断素子は、前記複数の測定された抵抗を使用して、前記測定された抵抗の傾向線を決定し、前記傾向線に基づいて、前記第１の導体と前記第２の導体とが互いに短絡されているかどうかの前記指標を提供する、請求項１に記載の温度トランスミッタアセンブリ。
5. 前記診断素子が、さらに、
   前記熱電対から決定された複数の温度値を経時的に受信し、
   経時的に複数の測定された抵抗を決定し、
   前記複数の温度値および前記複数の測定された抵抗を使用して、前記第１の導体および前記第２の導体が互いに短絡されているかどうかの前記指標を提供する、
   請求項１に記載の温度トランスミッタアセンブリ。
6. 前記診断素子は、前記複数の温度値の変化を前記複数の測定された抵抗の変化と相関させることによって、前記第１の導体と前記第２の導体とが互いに短絡されているかどうかの前記指標を提供する、請求項５に記載の温度トランスミッタアセンブリ。
7. 前記複数の温度値はそれぞれ、前記診断素子が測定された抵抗を決定するとき以外の時間に決定される、請求項６に記載の温度トランスミッタアセンブリ。
8. 熱電対の両端間の測定電圧に基づいて前記熱電対の一部の温度を計算する温度計算素子と、前記熱電対の測定された抵抗を決定し、前記熱電対の導体が前記熱電対の熱接合の前に互いに短絡したかどうかを決定するために前記測定された抵抗および前記温度を使用する短絡診断素子と、を実行させるように構成されたデジタルプロセッサと、
   前記熱電対の前記導体が互いに短絡したことを通信する通信インターフェースと、
   を含む温度トランスミッタ。
9. 前記短絡診断素子は、前記熱電対の両端間で測定された電圧に部分的に基づいて前記熱電対の前記抵抗を決定する、請求項８に記載の温度トランスミッタ。
10. 前記温度計算素子は、前記熱電対の前記抵抗を決定するために前記熱電対の両端間で電圧が測定されるとき以外の時間に前記熱電対の両端間で測定された電圧に基づいて、前記熱電対の前記一部の温度を計算する、請求項９に記載の温度トランスミッタ。
11. 前記デジタルプロセッサが、前記熱電対の両端間で測定された複数の電圧に基づいて前記熱電対の複数の温度を計算し、前記短絡診断素子が、前記熱電対の前記温度の低下を示す前記複数の温度に応じて前記測定された抵抗を決定するように、前記温度計算素子を実行するようにさらに構成される、請求項８に記載の温度トランスミッタ。
12. 前記短絡診断素子は、前記複数の温度が前記熱電対の温度の低下を示す前に、前記熱電対のベースライン抵抗を確定する、請求項１１に記載の温度トランスミッタ。
13. 前記短絡診断素子は、前記ベースライン抵抗と、前記熱電対の前記一部の温度の低下を示す前記複数の温度に応じて測定された前記抵抗との間の差を決定することによって、前記熱電対の導体が互いに短絡したかどうかを決定する、請求項１２に記載の温度トランスミッタ。
14. 前記短絡診断素子は、前記ベースライン抵抗と前記測定された前記抵抗との間の差が、前記熱電対の前記一部の温度の低下を仮定して、予想される変化を超えたときに、前記熱電対の前記導体が互いに短絡したと決定する、請求項１３に記載の温度トランスミッタ。
15. 前記熱電対の前記ベースライン抵抗は、前記熱電対の第１の導体の第１の部分の抵抗と、前記熱電対の前記第１の導体の第２の部分の抵抗とを含み、前記第１の部分は、単位長さ当たりの第１の抵抗を有し、前記第２の部分は、単位長さ当たりの第２のより大きい抵抗を有する、請求項１４に記載の温度トランスミッタ。
16. 熱電対の接合部の温度値を提供するために前記熱電対の両点間で測定された電圧に基づく温度計算と、前記熱電対の抵抗を決定し、決定された前記抵抗に基づいて、第１の導体と第２の導体が接合の前に互いに短絡されているかどうかの指標を提供する診断と、を行うプロセッサを含む温度トランスミッタ。
17. 前記診断は、前記熱電対の前記抵抗が決定されているときに、前記プロセッサが前記温度値を提供することを抑止する、請求項１６に記載の温度トランスミッタ。
18. 前記診断は、前記第１の導体と前記第２の導体とが互いに短絡しているかどうかを決定するために、決定された前記抵抗をベースライン抵抗と比較する、請求項１６に記載の温度トランスミッタ。
19. 前記診断は、前記第１の導体と前記第２の導体とが互いに短絡されているかどうかを決定するために、前記決定された抵抗と温度値とを使用する、請求項１６に記載の温度トランスミッタ。
20. 前記診断は、前記第１の導体と前記第２の導体とが互いに短絡しているかどうかを決定するために、決定された前記抵抗の傾向および前記温度値の傾向を使用する、請求項１９に記載の温度トランスミッタ。