JP4510148B2 - プロセス伝送器の圧力センサ診断方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、プロセス制御産業に関する。より詳細には、本発明はプロセス流体の圧力を測定するためにプロセス制御産業において使用される、ある型式の圧力センサの診断方法に関する。
圧力伝送器は、プロセス制御産業において、遠隔位置でプロセスの圧力を測定し、その圧力情報を２線式プロセス制御ループを経由してプロセスが制御される制御室へ伝送するために用いられる。伝送器は、プロセスの絶対圧力あるいは差圧を感知するために用いられる圧力センサを含む。差圧は、例えば、くびれ部分の圧力の変化を監視することによってプロセス流量を測定するために用いられる。
圧力センサは苛酷な作動環境にさらされるので、時間と共にその精度が低下する傾向がある。したがって、圧力測定の精度を維持するためには、定期的なセンサの交換あるいは較正が必要である。較正のためには、作業者が現場に入り、圧力センサを取りはずし、そして試験圧力を供給することが要求される。このことは、時間の浪費であり、危険で、かつ較正の間プロセスを休止させなければならないことがある。配線を取り外したり、プロセスから分離されたりすることなく、圧力センサを診断できる機能を有する圧力伝送器は、プロセス制御産業に有効に貢献するであろう。
発明の概要
本発明の１つの特徴は、プロセス制御システムにおける伝送器が圧力センサを診断する機能を有するということである。伝送器は、プロセスの圧力を受けるための圧力応答構造体を有する圧力センサ、および、ある実施態様においては、前記圧力応答構造体に連結され、その静電容量がプロセス圧力に応答して変化するようなコンデンサを含む。測定回路は前記静電容量を測定し、静電容量は出力回路を用い、プロセス制御ループを経由して伝送される。診断回路は、圧力センサに接続され、診断入力を圧力センサへ提供することによって圧力センサを診断する機能を有する。診断回路は、診断入力に応答し、測定回路によって決定される静電容量の変化を監視する。静電容量の変化に基づいて、圧力センサの状態が判断される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による診断回路を含む伝送器を示す断面図である。
図２は、本発明に用いられる型のセンサを示す一部破断透視図である。
図３は、本発明による診断回路を含む、図１の伝送器に使用される回路を示すブロック図である。
図４は、１つの実施態様による、時間対静電容量の関係を示すグラフである。
図５は、他の実施態様による、時間対静電容量の関係を示すグラフである。
好ましい実施態様の詳細な説明
本発明は圧力センサの診断機能を有するプロセス制御伝送器を提供する。本発明は特に脆性物質で作られたセンサにとって有効である。好適な物質としてはセラミック、サファイア、シリコン、石英、ルビー、およびダイヤモンドを含む。
図１は、伝送器本体５２、センサ本体５４、およびフランジ５５を有する圧力伝送器５０を示す。センサ本体５４は、プロセス流体の絶対圧力Ｐ１およびＰ２をそれぞれ測定する圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂを含む。伝送器本体５２は、４〜２０ｍＡ電流ループなどの２線式プロセス制御ループ経由で、圧力Ｐ１およびＰ２に関する情報を伝達する伝送器（Ｉ／Ｏ）回路６０を含む。回路基板５７は、センサ回路基板５８を圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂに接続し、圧力Ｐ１およびＰ２に関する電気信号を受信する。センサ回路基板５８上の回路は、これらの信号をデジタル化および処理し、データバス６２を経由して伝送器回路６０に圧力情報を伝達する。インサート（挿入部）６７Ａおよび６７Ｂは、圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂを保持する。プロセス障壁７１は空洞７５を形成し、インサート６７Ａまたは６７Ｂが損傷したとき、センサ本体５４から圧力Ｐ１およびＰ２が漏れるのを防止する。空洞７５は真空にされるか、不活性気体で満たされている。フィードスルー７３Ａ、７３Ｂおよび７３Ｃは、回路基板５７および５８の間の障壁７１を横切る電気的通路を提供する。図２は、圧力センサ７０Ａを保持するインサート６７Ａの破断透視図である。ある実施態様においては、インサート６７Ａは酸化アルミニウムで作られる。
本発明は、脆性物質で構成される圧力センサに用いられる。ある実施態様では、単結晶材料で構成される圧力感知構造体が使用され、連結部は測定精度を劣化させる可能性のある異物をほとんど含まないように、融合接合を用いて構成されることができる。当該構造体は、その構造体に圧力を加えるプロセス流体で取り囲まれるようにすることができる。このことは、その構造体が耐腐食性物質よりなるので可能である。脆性物質で構成されたセンサは圧縮によって変形させられ、より高い作用ストレス対誤差ストレス比および、その結果としてのより高い信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を提供する。
このことは、脆性物質は、伸張状態においてよりも圧縮状態において、より大きな強度を呈することによる。この構造により、センサはより腐食されにくくなる。プロセス流体内にその構造体を設置すると、隔離ダイヤフラムおよび充填オイルが省略できるので信頼性が向上する。細長いシャフトはストレス分離を提供し、ストレス伝達誤差が低減するように、同じ単結晶材料で構成される。電気リード線は細長いシャフトを貫通して配設され、プロセス流体から隔離される。シャフトを通る通路はまた、参照（基準）圧力を印加するために用いられることもできる。
センサ技術が発達してきたので、伝送器の測定の正確さは大きく向上してきている。この結果、より良好で、より正確な診断技術が必要になってきた。本発明は、圧力センサ診断のための正確な技術を提供する。本発明においては、診断入力が圧力センサに加えられる。診断入力は圧力センサの出力に変化を生じさせる。この変化が監視され、センサの状態を決定するために用いられる。
図１において、圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂと隣接して設けられている支柱１０２上に、光源１００が取り付けられている。圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂが光源１００からの放射光で照らされると、圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂからの出力が変化することが見い出されている。より詳細には、圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂがコンデンサ極板１０４を内包し、圧力がコンデンサ極板１０４間の静電容量を測定することによって決定される場合、圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂが照らされる時に静電容量の増大が起こる。
光源１００の配置と強さは、光源１００からの放射がコンデンサ極板１０４に達する程度が好ましい。さらにこの現象はコンデンサ極板１０４間の真空の度合いに比例することが観察されている。その効果は真空度の低下に伴って低下する。本発明は絶対圧センサ内の参照（基準）真空を直接評価する技術を提供する。静電容量の変化は極めて小さく、１００ａＦのオーダであり、高精度の測定電子技術を要求する。本実施態様は特に圧力センサ内の真空度の低下を測定するのに好適である。
図３は、本発明のある実施態様による伝送器５０内の回路を示す。伝送器５０は、インタフェース回路１１０、マイクロプロセッサ１１２および静電容量測定／補償回路１１４を含む。マイクロプロセッサ１１２は、インタフェース回路１１０に接続され、メモリ１１６およびシステムクロック１１８にも接続される。図３は、ある実施態様による光源１００に接続されたマイクロプロセッサを示す。光源１００は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成される。
作動中、伝送器５０はループ電流Ｉを伝送するプロセス制御ループ１２０に接続される。典型的には、伝送器５０がプロセスを遠隔検知するために現場に設置される一方、プロセス制御ループは制御室内に設置された装置に接続される。インタフェース回路１１０は、端子１１９でプロセス制御ループ１２０に接続され、伝送器５０に給電するために用いられる電流Ｉを用いて生成される電力出力を提供する。静電容量測定／補償回路１１４は、圧力センサ７０Ａ（および図３には図示されない７０Ｂ）のコンデンサ極板１０４間の静電容量を測定する。静電容量の誤差の変動は静電容量測定／補償回路１１４を用いて補償され、この回路が、マイクロプロセッサ１１２へプロセス圧力を表わす圧力出力を提供する。
マイクロプロセッサ１１２は、システムクロック１１８によって決定される速度で、メモリ１１６に記憶されている命令にしたがって作動する。マイクロプロセッサ１１２は、静電容量測定／補償回路１１４からの圧力出力に基づいて、プロセス流量あるいは生産物の高さなどのプロセス変数を測定する。マイクロプロセッサ１１２は、プロセス制御ループ１２０上への伝達のための情報をフォーマットするインタフェース回路１１０へ、プロセス変数を供給する。プロセス制御ループ１２０は、プロセス制御産業において用いられる、いかなる通信プロトコルによっても作動するであろう。例えば、プロセス変数は、ループ電流Ｉを、４ｍＡの信号によって代表されるゼロレベルの電流と２０ｍＡ電流レベルによって代表されるフルスケール・レベルの電流との間で制御することによって伝達されることができる。
デジタル情報は、同時にあるいは選択的に、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルあるいはフィールドバスプロトコルに示されるような、いかなる既知のデジタル伝送技術でも、それを用いて伝達されることができる。典型的には、図３に示すような、マイクロプロセッサ１１２、インタフェース回路１１０、メモリ１１６、およびシステムクロック１１８が図１の伝送器回路６０の内部に設置される一方、静電容量測定／補償回路１１４はセンサ回路基板５８上に配置される。さらに、静電容量測定／補償回路１１４は、アナログ−デジタル変換器を有する。
この実施態様においては、光源１００はマイクロプロセッサ１１２に接続されるように示されている。しかしながら光源１００は、静電容量測定／補償回路１１４の制御によって、あるいは図示されない独立の診断回路の制御によって作動することができる。定期的に、あるいはプロセス制御ループ１２０を経由して受信する制御命令により、診断テストが光源１００を用いて実施される。光源１００は、圧力センサ７０Ａのコンデンサ極板１０４間の領域を照らすように、瞬時の間付勢される。スイッチ１２６は、コンデンサ極板１０４を静電容量測定／補償回路１１４に接続する。スイッチ１２６の作用は、より詳細に後述されるであろう。
静電容量測定／補償回路１１４は、コンデンサ極板１０４間の静電容量を監視する。図４は、コンデンサ極板１０４間の静電容量の時間に対する変化を示すグラフである。静電容量は、光源１００が点灯するときに段状（ステップ状）に増大し、光源１００が消灯するまで比較的一定に保たれることに注意しなければならない。光源が消灯するときに、静電容量は同じような段状（ステップ状）に降下する。段状応答（ステップ応答）１２８の大きさは、コンデンサ極板１０４間に存在する気体分子の数に比例すると考えられる。
マイクロプロセッサ１１２は、段状応答１２８の振幅を監視する。段状応答１２８の振幅が合理的な範囲で小さい場合には、圧力測定は補償されることができる。例えば、圧力測定は段状応答の振幅に基づいてわずかに低減されることができる。この低減は、１次式的な低減、多項式的な低減、あるいは圧力センサ７０Ａ内の真空低下を補償するために用いられるその他の曲線であってよい。さらに、段状応答１２８の振幅が、予め決められた限度より大きい場合には、圧力センサ７０Ａまたは７０Ｂが故障したことを示す警報状態が開始されることができる。警報状態はインタフェース回路１１０からプロセス制御ループ１２０を介して伝送される。
スイッチ１２６は、本発明のある実施態様にしたがって用いられる。圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂが圧力の変化に正しく応答していることを証明するのが好ましい。スイッチ１２６は、電源１３０によって生成されるステップ電圧入力を印加することによって、圧力センサに摂動（perturbation）を起こさせるために用いられる。ステップ状の電圧変化がセンサに加えられ、センサの応答が監視される。印加される電圧に起因する実効（有効）圧力は次の式によって与えられる。

式１において、△Ｐは印加される電圧Ｖに起因する実効圧力の変化分である。Ｇはコンデンサ極板１０４間の公称間隔である。イプシロン（ε₀）は前記間隔の誘電定数である。ある実施態様において、Ｇはおよそ０．５ミクロンである。５ボルトのステップ電圧入力が適用される場合には、圧力の有効変化はおよそ０．０６４ＰＳＩである。
本発明は、圧力センサのための診断情報を得るために、多くの異なる方法で上述の技術を用いることを含む。ある実施態様では、既知の電圧がコンデンサ極板１０４間に印加され、圧力変化に起因する静電容量の変化が監視される。このことは、マイクロプロセッサ１１２の制御に基づいて、スイッチ１２６を極く短時間電源１３０と接触する位置にした後、静電容量測定／補償回路１１４がコンデンサ極板１０４に再び接続されることによって達成される。作動中のセンサは、予め決められたオフセットに応答するであろう。測定回路が圧力センサ７０ＡにＤＣオフセット電圧を印加する場合に、適用される追加のＤＣオフセット電圧の大きさには限度があることに注意しなければならない。
他の実施態様においては、電圧インパルスがコンデンサ極板１０４に極く短時間印加される。このことは、スイッチ１２６がすばやく作動することによって達成される。このことは、時間対静電容量のグラフである図５に示されるように、コンデンサ極板１０４にリンギング（ringing）（過渡的振動又は減衰振動）を起こさせる。出力信号は、振幅、およびリンギング信号の周波数と該信号の減衰の形式での動的情報の双方を含んでいる。該リンギング信号の初期振幅は、前述と同じ情報を与える。リンギングの周波数は、追加の情報をもたらすために測定されることができる。減衰率の情報は、プロセス流体の状態を示す。例えば減衰率は、伝送器が詰まったり、こびりついたりしたことに関する警報を提供するのに用いることができる。リンギングは次の式によって与えられる。
Ａ＝Ａ₀Cos(２πｆ₀)ｅ^-t/(2Q/πf0) …… 式２
ここで、Ａ₀は初期振幅、ｆ₀は共振周波数、およびＱはセンサのＱである。本実施態様において、マイクロプロセッサ１１２は、静電容量測定／補償回路１１４から受信される信号を処理する機能を有し、そのことによって、信号の周波数、振幅および減衰率が決定される。この技術は、周波数応答を決定するために、比較的高い周波数帯の回路を必要とする。この技術は、真空式センサあるいは、オイルまたは不活性気体充填式のような非真空基準レベルを保持するセンサに用いられる。
初期振幅、周波数およびＱに基づいて、センサはその有効寿命を延長するように補償されることができる。さらに、これらの要素のいずれかが予め決められた限度を超えた場合には、警報状態が始動され、プロセス制御ループ１２０を経由して警報信号が伝達されるようにすることができる。
ここで用いたように、センサへの放射、電圧、インパルスなどの入力は「摂動起動入力」である。

Claims (1)

1. ４〜２０ｍＡ２線電流ループに接続されるように構成されたプロセス制御システムにおける伝送器であって、
   光を導くことのできる脆性物質で構成され、プロセス圧力を加えられる圧力応答構造体と、該圧力応答構造体に連結かつ内包されたコンデンサ極板間にプロセス圧力に応じた静電容量を有するコンデンサとよりなる圧力センサと、
   前記コンデンサに接続され、静電容量に関する圧力出力を提供する測定回路と、
   前記２線電流ループから受信したループ電流により前記伝送器の全電力を得るようにした入力回路と、前記２線ループ上に圧力出力を伝送する出力回路と、
   前記圧力センサの圧力応答構造体に接続又は近接して配置され、前記入出力回路によって受信された前記ループ電流からのみ電力を供給され、該電力で生成された発光ダイオードからの放射光である摂動起動入力を前記圧力センサの圧力応答構造体へ供給し、および該摂動起動入力に応答する静電容量の変化によって生じる圧力出力の変化に基づいてセンサ診断出力を発生する診断回路とを具備する伝送器。

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