JP2022549093A - 圧電変換器の状態監視 - Google Patents

Abstract

工業プロセスフィールド装置は、圧電変換器、センサ回路、テスト回路、コントローラ及び通信回路を含む。センサ回路は、圧電変換器の両端の電圧に基づいて、プロセス変数を示すセンサ信号を生成する。テスト回路は、応答信号を誘起するパルス電圧を有する電圧パルスを圧電変換器に印加し、応答信号のピーク正電圧及びピーク負電圧を捕捉するように構成される。コントローラは、ピーク正電圧、ピーク負電圧及びパルス電圧に基づいて圧電変換器の現在状態値を計算し、現在状態値と正常に動作する圧電変換器に対応する基準状態値との比較に基づいて診断テスト結果を生成する。通信回路は、プロセス変数及び診断テスト結果を、プロセス制御ループを介して外部の制御ユニットに送信する。

Description

本開示の実施形態は、工業プロセスフィールド装置に関し、より具体的には、工業プロセスフィールド装置の圧電変換器（piezoelectric transducer）の監視に関する。

工業プロセス制御及び監視システムで使用される工業プロセスフィールド装置は、通常、プロセス変数に応答する検知要素又は変換器と、検知された変数を検知されたプロセス変数の関数である送信機出力に変換する信号調整及び処理回路と、を含む。「プロセス変数」という用語は、物質の物理的又は化学的な状態、或いはエネルギーの変換を意味する。プロセス変数の例には、圧力、温度、流量、導電率、ＰＨ、及び他の特性が含まれる。プロセス送信機は、通常、化学、石油、ガス、製薬、又は他の流体処理プラントにおいて、プロセス変数を監視し、測定値を制御室に送り返すために使用される。

工業プロセスフィールド装置で使用される一般的な変換器の１つは、圧電変換器である。圧電変換器は、圧電変換器が取り付けられる物体の運動又は振動によって生成される力など、加えられた力を検出するために使用され得る。物体の動きによって圧電変換器は変換器の端子間に電圧を発生させ、その電圧の大きさが変換器に印加される力の程度に対応する。圧電変換器を用いて形成されるセンサは、例えば流体流量などの工業プロセス変数を検出するように構成され得る。

圧電変換器は、誤動作や故障の可能性がある。このような誤動作は、プロセス変数の誤った測定結果をもたらす可能性がある。熟練技術者による現場装置の定期的なテストは、装置の故障している圧電変換器の検出に役立つ可能性があるが、そのようなテストは、現場装置をサービスから外して、テスト施設に運ぶことを必要とする場合がある。

本開示の実施形態は、概して、圧電変換器の診断テストを実行するための工業プロセスフィールド装置及び方法に関する。プロセス変数を検知するための工業プロセスフィールド装置の一実施形態は、圧電変換器、センサ回路、テスト回路、コントローラ、及び通信回路を含む。センサ回路は、圧電変換器を検知モードで動作させ、圧電変換器の両端の電圧に基づいて、プロセス変数を示すセンサ信号を生成するように構成される。

テスト回路は、圧電変換器をテストモードで動作させ、圧電変換器を変形させるパルス電圧を有する電圧パルスを圧電変換器に印加して、圧電変換器から応答信号を誘起し、応答信号のピーク正電圧を捕捉し、応答信号のピーク負電圧を捕捉するように構成される。コントローラは、ピーク正電圧、ピーク負電圧、及びパルス電圧に基づいて圧電変換器の現在状態値を計算し、現在状態値と正常に動作する圧電変換器に対応する基準状態値との比較に基づいて診断テスト結果を生成するように構成される。通信回路は、プロセス変数及び診断テスト結果を、プロセス制御ループを介して外部の制御ユニットに送信するように構成される。

工業プロセスフィールド装置における圧電変換器の状態をテストする方法の一実施形態では、圧電変換器は、フィールド装置のセンサ回路を使用して検知モードで動作され、この動作は、圧電変換器の両端の電圧に基づいてプロセス変数を示すセンサ信号を生成することを含む。圧電変換器は、フィールド装置のテスト回路を使用してテストモードで動作され、この動作は、圧電変換器を変形させるパルス電圧を有する電圧パルスを圧電変換器に印加することと、電圧パルスに応答して圧電変換器から応答信号を生成することと、テスト回路を使用して応答信号のピーク正電圧を捕捉することと、テスト回路を使用して応答信号のピーク負電圧を捕捉することとを含む。

圧電変換器の診断テスト結果は、フィールド装置のコントローラを使用して生成され、この動作は、ピーク正電圧、ピーク負電圧、及びパルス電圧に基づいて圧電変換器の現在状態値を計算することと、現在状態値と正常に動作する圧電変換器に対応する基準状態値との比較に基づいて診断テスト結果を生成することとを含む。プロセス変数及び診断テスト結果は、フィールド装置の通信回路を使用してプロセス制御ループを介して外部の制御ユニットに送信される。

工業プロセスフィールド装置の一実施形態は、ハウジング、渦発生体、及び渦周波数センサを含む渦流量計の形態である。ハウジングは、管状内部キャビティを有する。渦発生体はハウジングに支持され、管状内部キャビティ内に延在している。渦周波数センサは、流体流に対して渦発生体の下流側でハウジングによって支持され、渦発生体によって放出された流体流の渦に応答して振動するように構成された管状内部キャビティの壁から延在するビームと、圧電変換器とを含む。渦流量計は、センサ回路、テスト回路、コントローラ、及び通信回路も含む。センサ回路は、圧電変換器を検知モードで動作させるように構成され、この場合、センサ回路は圧電変換器の両端の電圧に基づいて、ビームの振動運動の周波数を示すセンサ信号を生成する。

テスト回路は、テストモードで圧電変換器を動作させるように構成され、圧電変換器を変形させるパルス電圧を有する電圧パルスを圧電変換器に印加し、圧電変換器から応答信号を誘起し、応答信号のピーク正電圧を捕捉し、応答信号のピーク負電圧を捕捉する。コントローラは、センサ信号に基づいて流体流の流量を計算し、ピーク正電圧、ピーク負電圧、及びパルス電圧に基づいて圧電変換器の現在状態値を計算し、現在状態値と正常に動作する圧電変換器に対応する基準状態値との比較に基づいて診断テスト結果を生成するように構成される。通信回路は、流量及び診断テスト結果を、プロセス制御ループを介して外部の制御ユニットに送信するように構成される。

この概要は、以下の「発明を実施するための形態」でさらに説明される概念の選択を簡略化された形態で紹介するために提供されるものである。本発明の概要は、特許請求される主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定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補助として使用することを意図するものでもない。特許請求される主題は、背景技術で言及される任意の又はすべての欠点を解決する実装形態には限定されない。

本開示の実施形態による、例示的な工業プロセス測定システムの簡略図である。 本開示の実施形態による、工業プロセスフィールド装置の圧電変換器の状態をテストするための例示的な方法を示すフローチャートである。 本開示の実施形態による、圧電トランスデューサが検知モード及びテストモードでそれぞれ作動する、例示的なセンサ回路及び例示的なテスト回路を含む回路の簡略図である。 本開示の実施形態による、圧電トランスデューサが検知モード及びテストモードでそれぞれ作動する、例示的なセンサ回路及び例示的なテスト回路を含む回路の簡略図である。 本開示の実施形態による、例示的な電圧パルスと圧電変換器からの対応する応答信号とを示す経時的電圧のチャートである。 本開示の実施形態による、例示的な渦流量計の簡略化された正面図である。 本開示の実施形態による、概ね線７－７に沿って切り取られた図６の渦流量計の上面断面図である。

以下、本開示の実施形態について、添付の図面を参照してより詳細に説明する。同一又は類似の参照文字を使用して識別される要素は、同一又は類似の要素を示す。本開示の様々な実施形態は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全なものとなり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えるように提供されるものである。

図１は、本開示の実施形態による、例示的な工業プロセス測定システム１００の簡略図である。システム１００は、材料（例えば、プロセス媒体）を処理して、材料を価値の低い状態から、石油、化学薬品、紙、食品などのより価値が高い有用な製品に変換する際に使用され得る。例えば、システム１００は、原油をガソリン、燃料油、及び他の石油化学製品に加工することができる工業プロセスを実施する石油精製所で使用され得る。

システム１００は、プロセス媒体１０６に関する変数などのプロセス変数を検知するために圧電変換器１０４を利用するフィールド装置１０２（例えば、プロセス送信機）を含む。フィールド装置１０２は、適切なプロセス制御ループを介して外部のコンピュータ制御ユニット１１０と通信するための通信回路１０８を含む。制御ユニット１１０は、図１に示すように、システム１００のための制御室１１２のように、フィールド装置１０２から離れて配置され得る。

いくつかの実施形態では、プロセス制御ループは、２線式制御ループ１１４などの物理的な通信リンク、又は無線通信リンクを含む。制御ユニット１１０又は別の外部コンピュータ装置とフィールド装置１０２との間の通信は、従来のアナログ及び／又はディジタル通信プロトコルに従って、制御ループ１１４を介して実行され得る。いくつかの実施形態では、２線式制御ループ１１４は、４～２０ミリアンペアの制御ループを含み、このループでは、プロセス変数は、２線式制御ループ１１４を流れるループ電流Ｉのレベルによって表され得る。例示的なディジタル通信プロトコルは、ＨＡＲＴ（登録商標）通信規格に従うような、２線式制御ループ１１４のアナログ電流レベルへのディジタル信号の変調を含む。また、FieldBus及びProfibus通信プロトコルを含む、他の純粋なディジタル技法も使用され得る。

プロセス制御ループの例示的な無線バージョンには、例えば、WirelessＨＡＲＴ（登録商標）（IEC 62591）又はISA 100.11a(IEC 62734）などの無線メッシュネットワークプロトコル、又はＷｉＦｉ、ＬｏＲａ、Ｓｉｇｆｏｘ、ＢＬＥなどの別の無線通信プロトコル、又は任意の他の適切なプロトコルを含む。

フィールド装置１０２には、任意の適切な電源から電力が供給されてもよい。例えば、フィールド装置１０２は、制御ループ１１４を流れる電流Ｉによって全体的に電力供給されてもよい。フィールド装置１０２に電力を供給するために、内部バッテリーや外部バッテリーのような１つ又は複数の電源が利用されてもよい。また、フィールド装置１０２に電力を供給するために、又はフィールド装置１０２によって使用される電源を充電するために、発電機（例えば、ソーラーパネル、風力発電機など）が使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、フィールド装置１０２は、コントローラ１２０を含む。コントローラ１２０は、命令の実行に応答して本明細書に記載の１つ又は複数の機能を実行するようにフィールド装置１０２の構成要素を制御する、１つ又は複数のプロセッサ（すなわち、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、中央処理ユニットなど）を表してもよい。これらの命令は、例えば、ハードディスク、ＣＤ-ＲＯＭ、光学記憶デバイス、又は磁気記憶デバイスなどの、一時的な波又は信号を含まない、任意の適切な特許適格性（patent subject matter eligible）を有するコンピュータ可読媒体又はメモリ１２２にローカルに格納され得る。コントローラ１２０のプロセッサは、１つ又は複数のコンピュータベースのシステムの構成要素であってもよい。いくつかの実施形態では、コントローラ１２０は、１つ又は複数の制御回路、マイクロプロセッサベースのエンジン制御システム、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などの１つ又は複数のプログラム可能なハードウェア構成要素を含み、これらは、フィールド装置１０２の構成要素を制御して、本明細書で説明する１つ又は複数の機能を実行するために使用される。

圧電変換器１０４は、検知機能などの工業プロセスフィールド装置１０２に関連する任意の従来の機能を実行するために使用され得る。この場合、圧電変換器１０４は、プロセス媒体１０６に関連するプロセス変数など、工業プロセスに関連するプロセス変数を検知するために使用される。この検知機能は、圧電変換器１０４を検知モードで動作させ、圧電変換器の端子間の電圧など、圧電変換器から出力される信号に基づいてプロセス変数を示すセンサ信号１２６を生成するセンサ回路１２４を使用して容易化され得る。センサ信号１２６は、コントローラ１２０によって処理され、通信回路１０８を使用して外部の制御ユニット１１０又は別のコンピュータ装置に送信されてもよい。

上述したように、圧電変換器は劣化して故障する可能性があり、その結果、プロセス変数の測定に不具合が生じる可能性がある。劣化又は故障している圧電変換器を検出するために、従来のフィールド装置は、技術者によるフィールド装置の直接テストを必要とし、これはフィールド装置をテスト施設へ運ぶことを含み得る。その結果、フィールド装置のこのような定期的なテストは費用がかかり、かなりのダウンタイムにつながる可能性がある。

本開示の実施形態は、圧電変換器１０４をテストモードで動作させるために使用されるテスト回路１３０を含み、このテストモードでは、圧電変換器１０４が正常に動作しているか否かを判断するために、圧電変換器１０４に対して１つ又は複数の診断テストが実施され得る。テスト回路１３０は、診断情報１３２を出力し、この診断情報１３２は、コントローラ１２０が圧電変換器の現在の状態を決定し、圧電変換器１０４の診断テスト結果を生成するために使用され得る。診断テスト結果は、圧電変換器１０４が正常に（例えば、正常動作範囲内で）動作しているか、又は異常に動作しているかを示すことができる。また、コントローラは、プロセス制御ループ（例えば、物理的又は無線通信リンク）を介して、通信回路１０８を使用して、診断テスト結果を制御ユニット１１０又は別の外部のコンピュータ装置に送信してもよい。

図２は、本開示の実施形態による、工業プロセスフィールド装置１０２の圧電変換器１０４の状態をテストするための例示的な方法を示すフローチャートである。この方法の実施形態は、本開示の実施形態に従って、圧電変換器が検知モード及びテストモードでそれぞれ作動する、例示的なセンサ回路１２４及び例示的なテスト回路１３０を含む回路の簡略図である図３及び図４を参照することができる。

本方法の１４０において、圧電変換器１０４は、フィールド装置１０２のセンサ回路１２４を使用して検知モード（図３）で動作される。一実施形態では、この動作は、圧電変換器１０４の端子１４２及び１４４にわたるような、圧電変換器１０４にわたる電圧に基づいてプロセス変数を示すセンサ信号１２６を生成することを含む。

いくつかの実施形態では、圧電変換器１０４が検知モードで動作している場合、圧電変換器１０４の端子１４４は、電気接地１４６に接続され、端子１４２は、図３に示すようにセンサ回路１２４のセンサ信号増幅器１４８に接続される。センサ信号増幅器１４８は、検知されたプロセス変数を示す圧電変換器１０４を横切る電圧信号（センサ信号）を増幅するために、圧電変換器と共に使用するための任意の適切な増幅器であってもよい。

例えば、センサ信号増幅器１４８は、信号増幅回路と、アナログ－ディジタル変換器と、圧電変換器１０４を横切る電圧信号を、プロセス変数測定値を識別するためにマイクロコントローラ１５０又はコントローラ１２０が使用可能な形態に変換するための他の従来の構成要素と、を含むことができる。マイクロコントローラ１５０がフィールド装置１０２のコントローラ１２０から離れているとき、マイクロコントローラ１５０は、図３に示すように、センサ信号１２６又はセンサ信号１２６によって表される値を適切な入出力（Ｉ／Ｏ）コンポーネント１５２を通して通信することができる。

したがって、圧電変換器１０４又はフィールド装置１０２を検知モードで動作させる１つの例では、圧電変換器１０４は、検知されているプロセス変数に基づいてセンサ信号を生成する。センサ信号は、センサ信号増幅器１４８によって増幅され、マイクロコントローラ１５０に提供されてもよい。マイクロコントローラ１５０は、センサ信号１２６の追加の処理を実行することができる。また、マイクロコントローラ１５０は、図１のセンサ信号１２６によって示すように、センサ信号１２６又はセンサ信号１２６によって示される対応する値を、フィールド装置１０２のコントローラ１２０に通信することができる。次いで、コントローラ１２０は、センサ信号１２６又はセンサ信号１２６によって示される値を、外部の制御ユニット１１０又は別のコンピュータ装置に通信することができる。

本方法の１６０において、圧電変換器１０４又はフィールド装置１０２は、フィールド装置１０２のテスト回路１３０を使用してテストモード（図４）で動作される。いくつかの実施形態では、圧電変換器１０４がテストモードで動作される場合、圧電変換器１０４の端子１４２はテスト回路１３０のパルス発生器１６２に結合され、端子１４４は図４に示すように、テスト回路１３０のノード１６４に結合される。

本方法の１６６において、パルス発生器１６２は、例えばマイクロコントローラ１５０からの信号１６３に応答するなどして、圧電変換器１０４に電圧パルスを印加する。電圧パルスは、圧電変換器１０４を変形させ、本方法の１６８で、圧電変換器１０４に応答信号を発生させる。

図５は、本開示の実施形態による、例示的な電圧パルス１７０及び圧電変換器１０４からの対応する応答信号１７２を示す経時的な電圧のチャートである。電圧パルス１７０は、パルス電圧１７４、立ち上がり時間１７６、立ち下がり時間１７８、及びパルス持続時間１８０を含む。

圧電変換器１０４によって生成される応答信号１７２は、任意の適切な技術を使用して測定され得る。いくつかの実施形態では、圧電変換器１０４からの電流は、基準抵抗を介して供給され、測定された応答信号１７２は、電流に応答して基準抵抗１８２を横切って生成された電圧に対応する。一例では、テスト回路１３０は、ノード１６４と電気接地１４６との間に接続される基準抵抗１８２（図４）を含む。したがって、応答信号１７２は、テスト回路１３０のノード１６４の電圧など、基準抵抗１８２の両端の電圧に対応する。

本方法の１８４において、応答信号１７２のピーク正電圧１８６及びピーク負電圧１８８（図５）が、テスト回路１３０を使用して捕捉される。いくつかの実施形態では、図５に示すように、応答信号１７２のピーク正電圧１８６は、電圧パルス１７０の立ち上がり時間１７６の間にサンプリングされ、応答信号１７２のピーク負電圧１８８は電圧パルス１７０の立ち下がり時間１７８の間にサンプリングされる。

テスト回路１３０は、それぞれテスト回路１３０のノード１６４に結合されるピーク正電圧検出器１９０及びピーク負電圧検出器１９２を含んでもよい。例えば、ピーク正電圧検出器１９０は、ダイオード１９４と、電気接地１４６に結合され、応答信号１７２のピーク正電圧１８６を捕捉するキャパシタ１９６とを含んでもよい。同様に、ピーク負電圧検出器１９２は、ダイオード１９８と、電気接地１４６に取り付けられ、ノード１６４で応答信号１７２のピーク負電圧１８８を捕捉するキャパシタ１９９とを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、テスト回路１３０は、センサ回路１２４の構成要素を含んでいてもよい。例えば、テスト回路１３０は、センサ信号増幅器１４８又はその構成要素（例えば、アナログ－ディジタル変換器）を使用して、検出器１９０及び１９２を形成し、例えば、ピーク正電圧１８６及びピーク負電圧１８８を捕捉することができる。

本方法の２００において、圧電変換器１０４の現在状態値（current condition value）が、フィールド装置１０２のコントローラ１２０を使用して計算される。いくつかの実施形態では、圧電変換器１０４の現在状態値は、ピーク正電圧１８６、ピーク負電圧１８８、及びパルス電圧１７４に基づいて計算される。コントローラ１２０は、図１に示すように、検出されたピーク正電圧１８６及びピーク負電圧１８８をメモリ１２２に格納してもよい。また、パルス電圧１７４は、予め規定されてメモリ１２２に格納されてもよい。

いくつかの実施形態では、コントローラ１２０は、ピーク正電圧１８６とピーク負電圧１８８（図５の電圧２０２）とパルス電圧１７４の絶対値の合計の比に基づいて、圧電変換器１０４の現在状態値を計算する。例えば、一実施形態では、現在状態値は、パルス電圧１７４を、ピーク正電圧１８６とピーク負電圧１８８又は電圧２０２との合計の絶対値で割った値に基づいて計算される。したがって、パルス電圧が１０，０００ミリボルトであり、ピーク正電圧及びピーク負電圧の絶対値の合計が７３９ミリボルトであるとき、現在状態値は１０，０００／７３９、即ち、１３．５３として計算することができる。

いくつかの実施形態では、テスト回路１３０は、インバータ２０４及び加算器２０６を含む。インバータ２０４は、検出器１９２によって検出されたピーク負電圧１８８を反転させるように動作するピーク負電圧検出器１９２の出力に結合される。加算器２０６は、ピーク正電圧検出器１９０の出力とインバータ２０４からの出力とに結合される。したがって、加算器は、図４に示すように、ピーク正電圧１８６とピーク負電圧１８８の絶対値との合計（２０２）をマイクロコントローラ１５０に出力する。また、テスト回路１３０は、電圧合計２０２をマイクロコントローラ１５０に提示する前に、検出器１９０、１９２、インバータ２０４、及び／又は加算器２０６からの信号を処理するために使用されるアナログ－ディジタル変換器及び他の構成要素を含んでいてもよい。

マイクロコントローラ１５０は、電圧合計２０２の値を決定し、その値を入出力コンポーネント１５２を通してフィールド装置１０２のコントローラ１２０に出力するために使用されてもよい。次に、コントローラ１２０は、パルス電圧１７４と電圧合計２０２との比に基づいて、現在状態値を計算してもよい。計算された現在状態値は、２０８で示すように、メモリ１２２に記憶されてもよく、例えば、状態値ログ２１０のエントリであってもよい。

また、状態値ログ２１０は、圧電変換器１０４について予め計算された現在状態値を含んでもよい。圧電変換器１０４の状態の傾向は、ログ２１０に記憶された状態値を使用して監視することができ、変換器１０４の追加の診断分析を提供するために使用することができる。

本方法の２１２において、コントローラ１２０は、図１に示すように、現在状態値と、メモリ１２２に記憶されている基準状態値（reference condition value）２１６とに基づいて、メモリ１２２に記憶されている圧電変換器１０４の診断テスト結果２１４を生成する。基準状態値２１６は、現在状態値と同じ又は類似の方法で計算されてもよく、圧電変換器が正常に動作しているときの圧電変換器の状態値に対応する。基準状態値２１６は、フィールド装置１０２の圧電変換器１０４に類似する１つ又は複数の圧電変換器の経験的研究に基づいてもよく、圧電変換器１０４又はフィールド装置１０２の製造時に取得される圧電変換器１０４の１つ又は複数の経験的研究に基づいてもよい。

本方法のステップ２１２のいくつかの実施形態では、診断テスト結果２１４は、図１に示すように、計算された現在状態値２０８と基準状態値２１６との間の差と、コントローラ１２０によってフィールド装置１０２のメモリ１２２から取得される閾値２１８との比較に基づいて生成される。いくつかの実施形態では、診断テスト結果２１４は、差が閾値２１８を超えると、圧電変換器１０４の状態が異常であることを示す。

また、本方法は、通信回路１０８を使用して、外部の制御ユニット１１０又は別のコンピュータ装置に情報を通信するステップを含んでいてもよい。情報は、例えば、センサ信号１２６によって示される検出されたプロセス変数の値、診断テスト結果２１４、及び／又は他の情報を含むことができる。

いくつかの実施形態では、フィールド装置１０２は、マイクロコントローラ１５０からの信号２２２に応答するなどして、検知モードとテストモードとの間でフィールド装置１０２を遷移させるためのスイッチ２２０（図３及び４）を含む。いくつかの実施形態では、スイッチ２２０は、図３に示すように、検知モードにあるときに、圧電変換器１０４の端子１４２をセンサ回路１２４（例えば、センサ信号増幅器１４８）に結合し、圧電変換器１０４の端子１４４を電気接地１４６に結合するように構成される。

したがって、いくつかの実施形態では、スイッチ２２０は、検知モードにあるときに、圧電変換器１０４をテスト回路１３０から切り離す。加えて、スイッチ２２０は、図４に示すように、テストモードにあるときに、圧電変換器１０４の端子１４２をテスト回路１３０（例えば、パルス発生器１６２）に結合し、圧電変換器１０４の端子１４４をノード１６４、基準抵抗１８２、ピーク正電圧検出器１９０及びピーク負電圧検出器１９２に結合するように構成される。したがって、いくつかの実施形態では、スイッチ２２０は、テストモードにあるときに、圧電変換器１０４をセンサ回路１２４から切り離す。

圧電センサを使用してプロセス変数を検出又は測定する１つの例示的な工業プロセスフィールド装置は、渦流計であり、その一例が図６及び図７に示されている。図６は、本開示の実施形態による、例示的な渦流量計２３０の簡略化された正面図であり、図７は、概ね線７－７に沿って切り取られた図６の渦流量計２３０の上面断面図である。

渦流量計２３０は、例えば配管などのプロセス容器２３４を通って進むプロセス媒体の流体流２３２（図７）の流量を検出するための圧電変換器を含む。渦流量計２３０のいくつかの実施形態は、ハウジング２３６と、渦発生体（vortex shedder）２３８と、渦周波数センサ２４０とを含む。ハウジング２３６は、中心軸２４４を有する管状内部キャビティなどの内部キャビティ２４２を含む。ハウジング２３６は、図７に示すように、中心軸２４４が配管２３４の中心軸２４６と実質的に同軸となるように、配管２３４と一列に接続されてもよい。

渦発生体２３８は、ハウジング２３６によって支持され、中心軸２４４に対して斜めである軸２４８に沿って管状内部キャビティ２４２内に延在する。いくつかの実施形態では、渦発生体２３８は、図７に示すように、流体流２３２に応じて渦２５０を発生するように構成された従来の断面形状を有する。１つの例示的な実施形態では、渦発生体２３８は、図７に示すように、台形の断面形状を有する。渦発生体２３８は、図６に示すように、軸２４８が軸２４４と交差するように、管状キャビティ２４２の中心を通って延在することができる。いくつかの実施形態では、図６に示すように、渦発生体２３８の両端は、ハウジング２３６に取り付けられる。あるいは、渦発生体２３８は、その端部の一方のみでハウジング２３６に固定されてもよい。

渦周波数センサ２４０は、図７に示すように、流体流２３２に対して渦発生体２３８より下流側２５４でハウジング２３６によって支持される。いくつかの実施形態では、センサ２４０は、ハウジング２３６の壁２５８から管状内部キャビティ２４２内に延在するビーム２５６と、図６に仮想線で示される圧電変換器２６０とを含む。圧電変換器２６０は、ビーム２５６を通過して流れる渦２５０に応答してビーム２５６の運動を検知するために使用される。具体的には、ビーム２５６は渦２５０に応答して振動し、圧電変換器２６０はビーム２５６の振動運動を示すセンサ信号（例えば、電圧）を生成し、したがって、渦２５０がビーム２５６を通過して流れる周波数を生成する。この渦周波数は、従来技術に従って、流体流２３２の流量を推定するために使用されてもよい。

また、渦流量計２３０は、上述のセンサ回路１２４及びテスト回路１３０の実施形態を含む。したがって、渦流量計２３０及び圧電変換器２６０は、上述した方法ステップ１４０の実施形態に従って、センサ回路１２４を使用した検知モードで動作させてもよい。例えば、検知モードにある場合、コントローラ１２０は、圧電変換器２６０から出力されるセンサ信号（例えば、図３に示される端子１４２及び１４４間の電圧）から得られる渦周波数に基づいて、流体流２３２の流量を推定する。コントローラ１２０は、通信回路１０８を使用して、外部の制御ユニット１１０又は別のコンピュータ装置に流量を通信してもよい。

渦流量計２３０及び圧電変換器２６０は、上述の方法ステップ１６０の実施形態に従って、テスト回路１３０を使用してテストモードで動作させてもよい。テストモードにある場合、テスト回路１３０は、図５を参照して上述したように、応答信号１７２（方法ステップ１６８）を生成する圧電変換器２６０に、電圧パルス１７０を印加する（方法ステップ１６６）。応答信号１７２のピーク正電圧１８６及びピーク負電圧１８８は、捕捉又はサンプリングされる（方法ステップ１８４）。

コントローラ１２０は、上述したように、ピーク正電圧１８６、ピーク負電圧１８８、及びパルス電圧１７４に基づいて、圧電変換器２６０のための現在状態値２０８を計算することができる（方法ステップ２００）。また、コントローラ１２０は、現在状態値２０８と、正常に動作する圧電変換器に対応する基準状態値２１６との比較に基づいて、診断テスト結果２１４を生成することができる（方法ステップ２１２）。最後に、コントローラ１２０は、物理的通信リンク（例えば、２線式ループ１１４）及び／又は無線通信リンクの形態をとることができるプロセス制御ループを介して、外部の制御ユニット１１０などの外部のコンピュータ装置に診断テスト結果２１４を通信してもよい。

本開示の実施形態は、好ましい実施形態を参照して説明されてきたが、当業者は、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細において変更がなされ得ることを認識するのであろう。

Claims (20)

1. プロセス変数を検知するための工業プロセスフィールド装置であって、
   圧電変換器と、
   前記圧電変換器を検知モードで動作させるように構成されたセンサ回路であって、前記圧電変換器の両端間の電圧に基づいて前記プロセス変数を示すセンサ信号を生成する、センサ回路と、
   前記圧電変換器をテストモードで動作させるように構成されたテスト回路であって、前記圧電変換器を変形させるパルス電圧を有する電圧パルスを前記圧電変換器に印加して前記圧電変換器から応答信号を誘起し、前記応答信号のピーク正電圧を捕捉し、前記応答信号のピーク負電圧を捕捉する、テスト回路と、
   前記ピーク正電圧、前記ピーク負電圧、及び前記パルス電圧に基づいて前記圧電変換器の現在状態値を計算し、前記現在状態値と正常に動作している圧電変換器に対応する基準状態値との比較に基づいて診断テスト結果を生成する、コントローラと、
   前記プロセス変数及び前記診断テスト結果を、プロセス制御ループを介して外部の制御ユニットに送信するように構成された通信回路と、
   を備えるフィールド装置。
2. 前記応答信号の前記ピーク正電圧は、前記電圧パルスの立ち上がり時間に対応し、
   前記応答信号の前記ピーク負電圧は、前記電圧パルスの立ち下がり時間に対応する、
   請求項１に記載のフィールド装置。
3. 前記テスト回路は、
   前記電圧パルスを生成するように構成されたパルス発生器と、
   前記応答信号が通過する基準抵抗と、
   前記基準抵抗にかかるピーク正電圧を捕捉するように構成されたピーク正電圧検出器と、
   前記基準抵抗にかかるピーク負電圧を捕捉するように構成されたピーク負電圧検出器と、
   を備える、請求項１に記載のフィールド装置。
4. 前記現在状態値は、前記ピーク正電圧及び前記ピーク負電圧の絶対値の合計と前記パルス電圧との比に基づいて計算される、請求項３に記載のフィールド装置。
5. 前記テスト回路は、
   前記ピーク負電圧を反転させるように構成されたインバータと、
   前記ピーク正電圧を反転された前記ピーク負電圧に加算するように構成された加算器と、
   を備える、請求項４に記載のフィールド装置。
6. 前記診断テスト結果は、前記現在状態値と前記基準状態値との間の差が閾値を超える場合に、前記圧電変換器の状態が異常であることを示す、請求項４に記載のフィールド装置。
7. 前記閾値及び前記基準状態値は、前記コントローラによってアクセス可能なコンピュータ可読媒体に格納されている、請求項６に記載のフィールド装置。
8. 前記検知モードと前記テストモードとの間で装置を遷移させるように構成されたスイッチをさらに備え、
   前記スイッチは、前記検知モードにある場合には、前記圧電変換器の第１の端子を前記センサ回路に結合し、前記圧電変換器の第２端子を電気接地に結合し、
   前記スイッチは、前記テストモードにある場合には、前記圧電変換器の第１の端子を前記パルス発生器に結合し、前記圧電変換器の第２端子を前記基準抵抗、前記ピーク正電圧検出器、及び前記ピーク負電圧検出器に結合する、
   請求項３に記載のフィールド装置。
9. 工業プロセスの前記プロセス変数は、プロセス媒体の流量を含む、請求項１に記載のフィールド装置。
10. 工業プロセスフィールド装置の圧電変換器の状態をテストするための方法であって、
    前記圧電変換器の両端間の電圧に基づいてプロセス変数を示すセンサ信号を生成することを含むフィールド装置のセンサ回路を使用して、前記圧電変換器を検知モードで動作させるステップと、
    前記フィールド装置のテスト回路を使用して、前記圧電変換器をテストモードで動作させるステップであって、前記圧電変換器を変形させるパルス電圧を有する電圧パルスを前記圧電変換器に印加することと、前記電圧パルスに応答して前記圧電変換器から応答信号を生成することと、前記テスト回路を使用して前記応答信号のピーク正電圧を捕捉することと、前記テスト回路を使用して前記応答信号のピーク負電圧を捕捉することと、を含むステップと、
    前記フィールド装置のコントローラを使用して前記圧電変換器の診断テスト結果を生成するステップであって、前記ピーク正電圧、前記ピーク負電圧、及び前記パルス電圧に基づいて前記圧電変換器の現在状態値を計算することと、前記現在状態値と、正常に動作している前記圧電変換器に対応する基準状態値との比較に基づいて診断テスト結果を生成することとを含む、ステップと、
    前記フィールド装置の通信回路を使用して、前記プロセス変数及び前記診断テスト結果を、プロセス制御ループを介して外部の制御ユニットに送信するステップと、
    を含む方法。
11. 前記応答信号の前記ピーク正電圧は、前記電圧パルスの立ち上がり時間に対応し、
    前記応答信号の前記ピーク負電圧は、前記電圧パルスの立ち下がり時間に対応する、
    請求項１０に記載の方法。
12. テスト回路を使用して前記圧電変換器をテストモードで動作させることは、
    パルス発生器を使用して前記電圧パルスを発生させることと、
    基準抵抗を通して前記応答信号を導くことと、
    ピーク正電圧検出器を使用して前記基準抵抗にかかるピーク正電圧を捕捉することと、
    ピーク負電圧検出器を使用して前記基準抵抗にかかるピーク負電圧を捕捉することと、
    を含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記圧電変換器の前記現在状態値を計算することは、
    前記ピーク正電圧及び前記ピーク負電圧の絶対値の合計と、前記パルス電圧との比に基づいて、前記現在状態値を計算することを含む、請求項１２に記載の方法。
14. テスト回路を使用して前記圧電変換器をテストモードで動作させることは、
    インバータを使用して前記ピーク負電圧を反転させることと、
    加算器を使用して前記ピーク正電圧を反転させた前記ピーク負電圧に加算することと、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記コントローラを使用して前記圧電変換器の診断テスト結果を生成することは、前記現在状態値と前記基準状態値との差を閾値と比較することを含み、
    前記診断テスト結果は、前記差が前記閾値を超えたときに前記圧電変換器の状態が異常であることを示す、請求項１３に記載の方法。
16. 前記コントローラを使用してコンピュータ可読媒体から前記閾値及び前記基準状態値を取得することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. スイッチを使用して、前記検知モードと前記テストモードとの間で切り替えることをさらに含み、
    前記検知モードにある場合には、前記圧電変換器の第１の端子を前記センサ回路に結合し、前記圧電変換器の第２端子を電気接地に結合し、
    前記テストモードにある場合には、前記圧電変換器の第１の端子を前記パルス発生器に結合し、前記圧電変換器の第２端子を前記基準抵抗、前記ピーク正電圧検出器、及び前記ピーク負電圧検出器に結合する、
    請求項１２に記載の方法。
18. 前記プロセス変数は、プロセス媒体の流量を含む、請求項１０に記載の方法。
19. 流体流の流量を測定するように構成された渦流量計であって、
    管状内部キャビティを含むハウジングと、
    前記ハウジングによって支持され、前記管状内部キャビティ内に延在する渦発生体と、
    前記流体流に対して前記渦発生体の下流側で前記ハウジングによって支持され、かつ、前記渦発生体によって発生された渦に応答して振動するように構成された前記管状内部キャビティの壁から延在するビームと、圧電変換器とを含む、渦周波数センサと、
    前記圧電変換器を検知モードで動作させるように構成されたセンサ回路であって、前記圧電変換器の両端間の電圧に基づいて前記ビームの振動運動の周波数を示すセンサ信号を生成する、センサ回路と、
    前記圧電変換器をテストモードで動作させるように構成されたテスト回路であって、前記圧電変換器を変形させるパルス電圧を有する電圧パルスを前記圧電変換器に印加して前記圧電変換器からの応答信号を誘起し、前記応答信号のピーク正電圧を捕捉し、前記応答信号のピーク負電圧を捕捉する、テスト回路と、
    前記センサ信号に基づいて前記流体流の流量を計算し、前記ピーク正電圧、前記ピーク負電圧、及び前記パルス電圧に基づいて前記圧電変換器の現在状態値を計算し、前記現在状態値と正常に動作する前記圧電変換器に対応する基準状態値との比較に基づいて診断テスト結果を生成すように構成された、コントローラと、
    前記流量及び前記診断テスト結果を、プロセス制御ループを介して外部の制御ユニットに送信するように構成された通信回路と、
    を含む渦流量計。
20. 前記テスト回路が、
    前記電圧パルスを生成するように構成されたパルス発生器と、前記応答信号が通過する基準抵抗と、前記基準抵抗の両端の前記ピーク正電圧を捕捉するように構成されたピーク正電圧検出器と、前記基準抵抗の両端の前記ピーク負電圧を捕捉するように構成されたピーク負電圧検出器と、を備え、
    前記現在状態値が、前記ピーク正電圧及び前記ピーク負電圧の絶対値の合計と前記パルス電圧との比に基づいて計算され、
    前記診断テスト結果が、前記現在状態値と前記基準状態値との差が閾値を超えたときに前記圧電変換器の状態が異常であることを示す、
    請求項１９に記載の渦流量計。
    

Images