JP3233404B2 - 2重極板型容量圧力伝送器の容量温度補償方法および装置 - Google Patents
2重極板型容量圧力伝送器の容量温度補償方法および装置Info
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- G01L9/125—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor with temperature compensating means
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Description
送器に関する。特に本発明は、容量型差圧センサを用い
る伝送器の浮遊容量補償に関する。
ス制御装置において広く用いられている。2線式伝送器
は、電源および負荷と共に電流ループに接続された1対
の端子を備え、電流ループを流れるループ電流によって
給電される。2線式伝送器は、感知されたパラメータま
たは状態、例えば感知された圧力の関数として、ループ
電流の大きさを変化させる。
いる2線式伝送器の出力は、感知されたパラメータの関
数として4〜20mAの範囲で変化する。典型的には、例え
ば4mAはゼロレベルを表わし、20mAは最大出力レベルに
相当する。
れ得ることが分かった。2線式伝送器は差圧センサを用
いて工業分野の差圧を検知する。それは、検知した差圧
を2線電流ループに流れる電流レベルに変換する。電流
ループを流れる電流は受信側装置で検知され、搬送され
た圧力情報が装置のオペレータに与えられる。普通に利
用されている代表的な差圧センサはコンデンサ極板型の
圧力センサである。本発明と同じ譲受人によって所有さ
れている米国特許第4370890号には、1つの形式の容量
型差圧センサが開示されており、引用によって本明細書
に統合される。センサ内のオイルの誘電定数が温度によ
って変化するので、センサの伝達関数は温度依存性を持
っている。伝送器内の浮遊容量が、この温度依存性を明
らかにするのを困難にしている。容量式差圧センサから
正確を読みを得るためには、浮遊容量を相殺しなければ
ならないことが知られている。浮遊容量の補償は、取外
し可能モジュールと固定モジュールとを用いる2線式伝
送器では、より一層困難である。そのような伝送器で
は、固定モジュールがセンサを含み、取外し可能モジュ
ールが伝送器回路を含む。取外し可能モジュールの容量
値は整合せず、取外し可能モジュールが組込まれた後
で、浮遊容量の影響を補償することが必要となる。この
ことは、互いに異なる取外し可能モジュール間の両立
(適応)性を減少させる。2種類の取外し可能モジュー
ルがあり、1つセンサ出力を直線化するのにデジタル回
路を使用するデジタルモデルであり、もう1つはアナロ
グ回路を使用するアナログモデルである。これら2つの
モデルでは、差圧センサからの信号を直線化するのに2
つの違った方法を用いている。その結果、センサの伝達
関数に2つの異なった温度係数がもたらされ、これら2
つの型の取外し可能モジュール間の両立性が制限される
ことになる。
するような、改善された浮遊容量補償に対する継続的な
要求がある。
償するプロセス制御伝送器内の回路に関する。温度係数
がセンサの浮遊容量にはもはや依存しなくなるので、伝
送器の温度係数が改善される。
の型がどんなものか(デジタル式かアナログ式か)に関
係なく、センサの温度が変化したときでも、比較的温度
依存性のないセンサの伝達関数を提供することによっ
て、相異なる型の固定モジュールおよび取外し可能モジ
ュール間の両立(適応)性を改善する。
し可能モジュールを含む。固定モジュールは容量式圧力
伝送器と浮遊容量の補償手段とを具備する。取外し可能
モジュールは2線式電流ループに接続される回路を具備
し、固定モジュールに差し込まれる。電流ループを流れ
る電流は、容量式差圧センサによって検知された圧力に
応答して調節される。
線配置される。浮遊容量補償手段は、容量式差圧センサ
信号を完全に直線化するのではなくて、むしろ部分的に
しか直線化しない。残留した直線化(補償されずに残っ
た何らかの浮遊容量に対する補償)は、取外し可能モジ
ュールで行なわれる。装置の温度係数は未補償浮遊容量
に直接関係する。本発明は、未補償浮遊容量の大きさを
減少することにより、温度変化に対する圧力伝達関数の
感度を減少させる。
プ通信装置のブロック図である。
伝送回路の簡略化した回路図である。
的回路図である。
る。
流ループ通信装置10のブロック図を示す。2線式電流ル
ープ通信装置10は電源16と負荷18を含む。伝送器12は端
子20、22で電流ループに接続される。
28および差圧センサ30よりなる。取外し可能モジュール
26内の電源24は電圧V+を発生し、取外し可能モジュー
ル26内の回路に給電する。差圧センサ30は、典型的に
は、固定モジュール28の構成上の一部分である。取外し
可能モジュール26、固定モジュール28および差圧センサ
30は伝送器ハウジング31内に収納される。
れる。この電流ILにより、負荷18の両端に電圧が発生す
る。電流ILは伝送器12によって受信され、電源24によっ
て電圧V+を発生するのに用いられる。電源24は取外し
可能モジュール26、固定モジュール28および差圧センサ
30に電力を供給する。差圧センサ30はコンデンサ極板式
圧力センサであり、工業プロセスの圧力を検知するのに
用いられる。差圧センサ30は、測定した圧力を、差圧セ
ンサ30内の能動的コンデンサの比を表わす容量値に変換
する。固定モジュール28は差圧センサ30に接続される。
固定モジュール28は差圧センサ30の動作に関連した回路
を含む。
器12に装填されると共に、固定モジュール28に接続され
る。取外し可能モジュール26は差圧センサ30の容量を、
2線式通信装置に流れる電流レベルILに変換し、さら
に、あらゆる残留浮遊容量を補償する。取外し可能モジ
ュール26は電流ILを、最大および最小レベルの間、例え
ば4mAおよび20mAの間に制御する。取外し可能モジュー
ル26は、差圧センサ30からの最小圧力信号が4mAに対応
し、また最大圧力信号が20mAにそれぞれ対応するように
調整されることができる。
る。差圧センサ30と固定モジュール28が1つの部分に属
し、取外し可能モジュール26と残り回路が他方の部分に
属する。これは2つの競合的な設計上の制約に遭遇す
る。差圧センサ30は通常高温雰囲気で動作するから、取
外し可能モジュール26はセンサ30や固定モジュール28か
ら機械的に隔離される。同時に、ある種の電気回路素子
は差圧センサ30に近接して配置されるのが望ましい。そ
れ故に、固定モジュール28は差圧センサ30に隣接して配
置される。差圧センサ30は物理的、熱的ショックに遭遇
することが多い。装置の耐久性を増すために、差圧セン
サ30や固定モジュール28はハウジング31内に取り付けら
れるので、取外すことができない。
可能モジュール26は、本発明にしたがって、浮遊容量を
調整するための回路を含む。この回路は、後で詳細に説
明される。
図を示す。従来の伝送器28は、固定モジュール40と取外
し可能モジュール42を含む。固定モジュール40は、工業
プロセス中の圧力を検知するのに用いられる容量式差圧
センサ44を具備する。容量式差圧センサ44は金属ハウジ
ング45内に配置される。固定モジュール40はダイオード
46、48、50、52、54、56、58、60を含む。コンデンサ6
2、64は容量式差圧センサ44からの信号をダイオード46
−60に接続する。固定モジュール40はまた、抵抗66、6
7、69およびサーミスタ68を含む。固定モジュール40は
コネクタ70、72、74を介して取外し可能モジュール42に
接続する。AC信号がコネクタ70、72、74を介してセンサ
44に印加される。ダイオード46−60は全波整流器として
作用する。DC電流よりなる出力信号がコネクタ74に発生
する。
制御/伝送回路78を含む。制御/伝送回路78はマイクロ
プロセッサ79を含むことができる。制御/伝送回路78は
インダクタ80、82を介して容量式差圧センサ44に接続さ
れると共に、電流ILを流す2線式電流ループにも接続さ
れる。補償回路76は、圧力測定の誤差の原因となる浮遊
容量に対する補償をする。
と容量式差圧センサの容量変化との関係を理解すること
が必要である。容量式差圧センサ44は圧力に関係する2
つの容量CH、CLを備える。容量式差圧センサ44の容量伝
達関数はつぎのようになる。
力が印加されない時の容量式差圧センサの容量であり、
これは温度と共に変化する。
間の中央ダイアフラムのばね定数)、 Pは印加された圧力である。
ュール40の伝達関数は次の通りである。
は、センサ44のCH側のC0、CS、Kの値および温度係数
が、CL側のC0、CS、Kの値および温度係数と実質上等し
いことを意味する。
とを示している。この2次の圧力項は浮遊容量CSによる
ものである。従来の伝送回路38(図2参照)では、2つ
の選択可能な方法でこの浮遊容量を補償しようとしてい
る。第1の(デジタル)方法では、マイクロプロセッサ
79のソフトウェアが、直線化用のコンデンサCDDと組合
わさって伝達曲線を部分的に直線化する。他の(アナロ
グ)方法では、補償回路76によって直線化用の容量MAC
DAが導入される。(MAは0から1の範囲にあり、ポテン
ショメータに依存する) MACDAの導入により、伝達関数はつぎのようになる。
される。そうすれば、C0の項が消去され、したがってRA
(P)は温度に依存しなくなる。C0はセンサ44に充填さ
れるオイルの誘電定数に依存し、オイルの誘電定数は温
度に依存する。CSは個々の固定モジュールごとに異なる
から、MACDA=CSの値はアナログ式取外し可能モジュー
ル42と固定モジュール40のそれぞれの組合せごとに相違
する。オイルの誘電定数の温度係数に起因する温度効果
の大きさは、式4中の(CS−MACDA)の大きさに依存す
る。
コンデンサCDDは固定の指定値に設定される。この型の
モジュールでは、伝送回路78に設けられるマイクロプロ
セッサ79によって実行されるソフトウェアを用いること
により、伝達関数は室温において直線化されることがで
きる。デジタルモデルでの伝達関数(ソフトウェアで直
線化する前の)はつぎのようになる。
と等しくはならないであろう。したがって、オイルの誘
電温度係数がC0に及ぼす影響は、式4および5の伝達関
数に対して異なったものとなるであろう。アナログおよ
びデジタル型の取外し可能モジュール42間の差は、圧力
変換器の伝達関数が温度によってどの様に影響されるか
を示す、次の2つの式から理解できるであろう。
は式6および7の支配的な温度依存項である。ポテンシ
ョメータ制御を用いることにより、式6中のMACDAの項
は、CSの項を室温で事実上打ち消すことができる。これ
により、非常に直線性の良い圧力曲線が室温で得られ、
C0(T)の項を打ち消すことができる。伝送器の温度係
数に及ぼすオイルの誘電温度係数の効果は最小になるで
あろう。
S(T)項を完全に打消しはしない。CDD(T)は固定値
であるから、差圧センサ44の全範囲およびプロセス変数
に亘って、あるいは別々の置換可能なモジュール42で遭
遇されるようなCS(T)の全ての値に対して補償するこ
とはできない。オイルの誘電温度係数は、CSとCDDとの
ミスマッチに関係するような伝送器の温度係数を生じさ
せるであろう。
式5および7の伝達関数を有する取外し可能モジュール
間に、高度の相互変換可能性をもたらすように固定モジ
ュール40を修正するものである。これにより、差圧セン
サ44と現在および将来の取外し可能電子モジュール42と
の間の適合性(両立性)が改善され、また違った形式の
差圧センサ44を用いて構成される伝送器の温度性能が改
善されるであろう。改善は2つの要因によってもたらさ
れる。固定モジュール40には、固定容量の補償回路が含
まれる。この付加的補償補の値は、アナログ式取外し可
能モジュールが較正されたときに、MACDAが実質上CDDに
等しくなるように選定される。このことは、固定モジュ
ールに補償容量CDMを含めることによって達成される。
子回路である。2線式伝送器12は取外し可能モジュール
26と固定モジュール28を含む。固定モジュール28は容量
式差圧センサ30およびダイオード84、86、88、90、92、
94、96、98を含む。センサ30は金属ハウジング99内に配
置される。容量100、102が容量式差圧センサ30をダイオ
ード84〜98に接続する。固定モジュール28は抵抗104と
サーミスタ106、および直列抵抗108、110を含む。固定
モジュール28はコネクタ112、114、116を介して取外し
可能モジュール26に接続される。
路118を含む。容量補償回路118はダイオード120、122お
よび容量CDMの補償コンデンサ124よりなる。
回路128、およびインダクタ130、132を含む。制御/伝
送回路126はマイクロプロセッサ127を含むことができ、
インダクタ130、132を介して固定モジュール28に接続さ
れる。制御/伝送回路126は容量圧力差圧センサ30で検
知された圧力に応答して電流ループに流れる電流ILを制
御する。
的に打ち消すために用いられる容量補償回路118を含
む。本発明では、直線化用容量CDM(コンデンサ124)が
固定モジュール28内に接続される。
とにより、取外し可能モジュール26の補償回路128また
はマイクロプロセッサ127のソフトウエア・アルゴリズ
ムは残留の浮遊容量に対する補償だけをすれば良いよう
になる。このことは、直線化され、温度補償された伝送
器を提供するような、種々の異なった形式のモジュール
が取外し可能モジュール26に使用できることを意味す
る。
ことは重要である。なぜなら、そのことが、旧式の固定
モジュール40が新たな取外し可能モジュール26と組合わ
されて、しかも新製品として部分的に高級化され、同等
またはより優れた性能の装置が開発されることを可能に
するからである。ここで遡及的両立(適応)性とは、新
しい製品が旧式の製品に対して両立性を有することを意
味する。補償回路76を用いた取外し可能モジュール42と
の、より新式の固定モジュール28の遡及的両立性を確か
にするためには、固定モジュール28の浮遊容量CSはCDM
(新たな容量)によって完全に相殺されてはならない。
このことは、下記の式8のMAが0に正確に較正されるこ
とはできないために必要となる。式6を参照すると、ア
ナログ方式の取外し可能モジュール26によって測定され
た固定モジュール28の伝達関数はつぎのようになる。
ならば、 R″A(P、T)=KA(T)P ここで、CDMはモジュール28の補償容量、 CDAは取外し可能モジュール26の補償容量、 MAは補償回路128内のポテンショメータによ
る、0に近い数と1との間の範囲(range)である。
ウエアによる容量補償以前では、新規な補償容量CDMを
含む伝達関数はつぎのようになる。
ば、 R″D(P、T)=KD(T)P ここでCDMは、調整後において、式8中のMACDAが式9
中のCDDに実質上等しくなるように選定される。それ故
に、KA(T)とKD(T)とは同じような温度依存性を示
す。したがって、KA(T)およびKDの温度依存性を除去
して、信号が圧力には依存するが、温度には依存しない
ように、固定モジュール(図3の回路要素104、106、10
8、110)の温度補償を行なうことができる。デジタルま
たはアナログのいずれの取外し可能モジュールが採用さ
れるかにかかわらず、温度係数は実質上等しくなる。
ナログ型では、補償回路128があらゆる残留浮遊容量を
打ち消す。デジタル型では、補償回路128内の別個のコ
ンデンサCDDが、名目上あらゆる残留浮遊容量を打ち消
す。マイクロプロセッサ127でのソフトウエアの実行が
伝達関数をより一層直線化する。いずれの場合にも、浮
遊容量はコンデンサ124と補償回路128との結合効果によ
って相殺される。温度変動の影響が未補償浮遊容量の大
きさに直接関係するので、残留浮遊容量の温度による変
化は比較的小さいであろう。温度による全浮遊容量の変
動は、物理的コンデンサであるコンデンサ124の変動に
よって精密に追跡されるであろう。
可能モジュール26と共に用いられて正しく較正されたと
き、式8中のMACDAが式9中のCDDに実質上等しくなるよ
うに選定される。その結果、式8は式9と実質上同じに
なり、センサ30内のオイルの誘電定数が温度によって変
化するとき、2つの回路は同じような温度変動を示すで
あろう。類似の温度変動特性に加えて、本発明は、CHお
よびCLを同じ割合で変化させるような、どのような変動
をも補正することができる。
をより効果的に追跡するようにされることができる。こ
のことは、センサ30と同じ材料でCDMを構成し、かつセ
ンサ30の近くにこれを配置することによって達成され
る。
用し、CDM(T)の項を生じさせることのできるコンデ
ンサ134の1例を示す。コンデンサ134は、金属ハウジン
グ99内に延びるプランジャ136を含む。プランジャ136は
孔140内に挿入され、この孔には、ハウジング99内の絶
縁構造物を構成するのに使用されたのと同じ種類の絶縁
物が充填されている。導線142、144がコンデンサ134に
接続される。コンデンサ134の容量は、プランジャ136を
孔内の違った深さに配置することによって変えることが
できる。この技術によって、所望の容量CDMが設定され
る。図4の実施例では、CDM(T)は温度依存性の浮遊
容量の変動に追尾するであろう。
補償用容量と関連のダイオードとを含む固定モジュール
の電子回路素子が収納される。交換用の電子回路素子が
現場で組込まれ得るように、装置ごとに相違する残留浮
遊容量を相殺するための微細調整を備えた、取外し可能
モジュールが準備される。その代わりに、残留浮遊容量
を名目(公称)上相殺するような固定容量を、取外し可
能モジュールに設けても良い。直線化用のアルゴリズム
を備えたデジタル回路が含まれても良い。本発明では、
固定モジュール内の残留浮遊容量は、1つのタイプの取
外し可能モジュールの標準固定容量によって名目上相殺
されるように設定される。可変補償容量を有する取外し
可能モジュールは、固定モジュール内の残留浮遊容量を
実質上完全に打消すことができる。これは、古い型の取
外し可能モジュールとの遡及的両立性を確かにするのに
有用である。
技術の熟達者は、発明の精神および範囲から逸脱するこ
となしに形式および詳細において変更できることを理解
するであろう。例えば、種々の形式の容量補償回路網や
コンデンサの構成が用い得る。
Claims (16)
- 【請求項1】ハウジングと、 ハウジング内に配置され、差圧を感知し、これに応答し
て静電容量を変化する容量式差圧センサと、 ハウジング内に配置され、容量式差圧センサに結合され
て容量式差圧センサの静電容量を検知し、測定信号を発
声し、かつ測定信号が存在する接続点を含む固定モジュ
ールと、 固定モジュール上にあって、測定信号と関連した浮遊容
量を部分的に補償する手段と、 ハウジングに取外し可能に装填され、固定モジュールの
接続点および2線式電流ループに電気的に接続され、さ
らに測定信号に応答して2線式電流ループを通る電流を
制御し、2線式電流ループから電力を受取る手段を含む
取外し可能モジュールとを具備し、 取外し可能モジュールが残留浮遊容量を補償するための
手段を含む2線式電流ループ通信装置における差圧信号
伝送装置。 - 【請求項2】残留浮遊容量補償のための手段が固定また
は可変コンデンサよりなる請求項1に記載の装置。 - 【請求項3】測定信号を直線化するためのデジタル回路
を含む請求項1または2に記載の装置。 - 【請求項4】補償手段が、容量式差圧センサを構成する
のに用いられたのと類似の材料で作られたコンデンサを
含む請求項1ないし3のいずれかに記載の装置。 - 【請求項5】補償手段が、容量式差圧センサの金属ハウ
ジングに受納されたプラグで構成されたコンデンサより
なる請求項1ないし3のいずれかに記載の装置。 - 【請求項6】補償手段が温度に応じて補償の大きさを変
え、その結果、制御された電流が温度変化によっては実
質上影響を受けないような請求項1ないし3のいずれか
に記載の装置。 - 【請求項7】差圧信号を伝送するための2線式電流ルー
プ内の伝送器であって、 2線式電流ループに接続され、2線式電流ループに流れ
る電流を差圧信号に応じて制御する手段を含み、さらに
残留浮遊容量を補償するための手段を含む取外し可能モ
ジュールと、 差圧を検知し、これに応答して静電容量を変化させ、そ
の結果差圧信号を変化させる容量式差圧センサ、および
容量CDMを差圧信号に接続して浮遊容量を部分的に相殺
する容量補償回路を含み、取外し可能モジュールに結合
されている固定モジュールとを具備した伝送器。 - 【請求項8】残留浮遊容量を補償するための手段はマイ
クロプロセッサを含む請求項7に記載の伝送器。 - 【請求項9】補償手段は固定または可変コンデンサより
なる請求項7に記載の伝送器。 - 【請求項10】2線式電流ループに差圧信号を伝送する
ための伝送器内にあって、圧力伝送機能を有する固定モ
ジュールであって、 差圧を検知し、これに応答して静電容量CLおよびCHを変
化させる容量式差圧センサと、 調整可能な補償容量MACDAを有するアナログ式取外し可
能モジュール、および補償容量CDDを有するデジタル式
の取外し可能モジュールに接続するためのコネクタと、 固定モジュールの伝達関数に補償容量CDMを導入する容
量補償回路とを具備し、 前記調整可能な補償容量MACDAが前記補償容量CDDと等し
い時、アナログ式取外し可能モジュールと組合せる固定
モジュールの圧力伝達関数と、デジタル式取外し可能モ
ジュールと組合せる固定モジュールの圧力伝達関数とが
実質上等しくなるように、補償容量CDMが選択された固
定モジュール。 - 【請求項11】補償容量CDMが温度に対して予定の態様
で変化する請求項10に記載の固定モジュール。 - 【請求項12】圧力に応答して静電容量CLおよびCHを変
化させる容量式差圧センサを含む固定モジュールを具備
し、固定モジュールは調整可能な補償容量MACDAを有
し、圧力伝達関数 をもたらすアナログ式取外し可能モジュールに接続され
るように適合され、かつまた補償容量CDDを有し、伝達
関数 をもたらすデジタル式取外し可能モジュールに接続され
るように適合された、2線式電流ループ内の伝送器の浮
遊容量を補償する方法であって、 補償容量CDMを有する容量補償回路を、固定モジュール
内に設ける段階と、 前記調整可能な補償容量MACDAが前記補償容量CDDと等し
い時、アナログ式取外し可能モジュールと組合せる固定
モジュールの圧力伝達関数と、デジタル式取外し可能モ
ジュールと組合せる固定モジュールの圧力伝達関数とが
実質上等しくなるように、補償容量CDMを選定する段階
とよりなる方法。 - 【請求項13】伝送器が容量式差圧センサで圧力を測定
し、これに応答して2線式電流ループを通る電流を制御
し、この伝送器が固定モジュールと取外し可能モジュー
ルとを含むような、2線式電流ループ通信装置内の伝送
器の浮遊容量を補償する方法であって、 容量式差圧センサからの測定信号を固定モジュールで受
信する段階と、 容量式差圧センサに関連した浮遊容量を固定モジュール
内の回路で部分的に補償する段階と、 固定モジュールの出力信号を発生する段階と、 固定モジュールの出力信号を取外し可能モジュールで受
信する段階と、 取外し可能モジュール内の回路で残留浮遊容量に対する
補償を行なう段階と、 測定信号の変化に応答して2線式電流ループを流れる電
流を変化させる段階とよりなる方法。 - 【請求項14】残留浮遊容量に対する補償は、可変容量
の導入を含む請求項13に記載の方法。 - 【請求項15】取外し可能モジュール内の回路で測定信
号を直線化する段階を含む請求項13または14に記載の方
法。 - 【請求項16】残留浮遊容量に対する補償は、固定値を
有する容量の導入を含む請求項13ないし15のいずれかに
記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
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