JP4790180B2 - 差分および/または絶対圧力を測定するための圧力送信機 - Google Patents
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Description
発明の背景
化学、パルプ、および食料処理プラントにおける流体処理制御応用分野においては、種々のタイプの圧力送信機が使用されている。これらのタイプは、真空に関する処理圧力を測定する絶対圧力送信機、局所的な大気圧に関する処理圧力を測定するゲージ圧力送信機、および二つの処理圧力間の差を測定する差分圧力送信機を含む。圧力送信機は、また明記された正確さにおいて、限定されたレンジ範囲の圧力のみを測定する。そして、典型的には、送信機は、レンジを5以上オーバーラップするように製造され、各レンジは、69,000kPa(約10,000psi)までの要求を満たすために、約100:1(“折り返し(turndown)”)レンジに渡って正確に圧力を測定するように条件付けられている。
【0002】
種々のタイプとレンジは、一般的には十分に交換可能にすることはできない。大きな流体処理制御プラントは、数十または数百の3タイプのかつ異なるレンジの圧力送信機を所有しているあろうが、多くのタイプの代替送信機を備蓄しておくことによるコスト高の問題、低レンジ圧力送信機が高圧力装置に間違って装着されると、超過圧力により故障する恐れがあるという問題が生ずる。
ピューベ( Peube )氏らの米国特許第5,493,512号は、不安定な流速を測定する方法および装置を開示する。より詳細には、ピューベ氏らは、圧力に関連する一組の出力を提供するために、3つの圧力センサを用いることを開示する。第1の出力は(P impact −P 1 )であり、第2の出力は(P 1 −P 2 )である。しかしながら、ピューベ氏らは絶対圧力に基づいて選択された出力を選択的に提供することについては開示または言及していない。
PCT出願 WO98/10249は、環流を監視するための改良された装置を提供する。この引例では、3つの絶対圧力を用いて、流量計を流れる流体の流速を判定するために、少なくとも2つの圧力値を提供する。しかしながら、この引例は、3つの絶対圧力センサ出力に基づく選択可能な出力を提供することについては開示または言及していない。
本発明の出願人に譲渡された米国特許第5,637,802号は、電気を帯びた場がプレートの裏側から十分に放射するような、送信される圧力用の電気容量圧力センサを開示する。この引例は、一組の絶対圧力センサ(好ましくは単クリスタル・サファイアであることが開示されている)を提供し、独立した2つの感知要素に基づく差圧測定の出力を可能にする。しかしながら、この引例もまた、3つの絶対圧力センサのうちの一つ以上に基づく選択可能な圧力に基づいた出力を提供することについては開示または言及していない。
米国特許第4,131,088号は、多機能の圧力センサを提供する。この引例に示されるセンサは、自動車の内燃エンジン用の吸収空気の流れを監視するために用いられる。より詳細には、多機能の圧力センサは、2つの絶対圧力出力ばかりでなく、測定された2つの不在の圧力間の計算された差圧を提供するために一組の絶対圧力センサを用いる。この引例は、3つの絶対圧力センサのうちの一 つ以上に基づく選択可能な出力を提供することについては開示していない。
【0003】
発明の要約
送信機は、絶対、ゲージおよび差圧測定の応用において、交換可能に使用されることができ、処理制御プラントの要求を満たすために少数の送信機のみを保管すればよいように十分なレンジを有している。圧力送信機は、差分および非差分出力を発生する。
【0004】
送信機は、処理入り口における圧力P1とP2を感知するのに適合する2個の絶対圧力センサと、大気圧を感知するのに適合する第3の絶対圧力を含んでいる。送信機回路は3個の絶対圧力センサに結合し、送信機が差分および非差分装置間で柔軟に交換できるように、差分および非差分タイプの出力を発生する。
【0005】
送信機は3個の絶対圧力センサを有し、三つの圧力P1、P2、およびP3は、独立に感知される。1個の差分センサが差分圧力(P2−P1)を測定する従来の装置は使用する必要がなくなり、このため差分圧力測定値のための線形圧力補償を提供するために、線形または静的圧力を感知する必要がなくなる。各センサのための線形化および補償処理の複雑さは、各センサが単に1個の圧力にさらされるので、低減される。さらに、複数のタイプの出力は、1個の圧力送信機から提供されることができ、取り替え送信機の交換可能性を改善し、多数の送信機タイプを備蓄したり製造したりすることによるコストを低減する。
【0006】
複数の出力の利用は、1個の送信機が三つの圧力測定まで実行することを可能にする。各処理入り口は処理圧力を分けて接続されることができ、送信機は処理圧力を表す分離絶対圧力出力を提供する。ねじを切られている大気の入り口は、第3の測定が行えるように、第3の圧力に接続されることができる。複数の出力の利用は、またセンサが故障をした場合に信頼性を増すために、1個の処理圧力で非常時の測定をするのに都合が良くまた経済的である。送信機内で利用される3個のセンサにより、1個のセンサが故障した後、2個のセンサで非常時の測定を続けることができるように、多数決論理が送信機の中に含まれることができる。
【0007】
図面の簡単な説明
図1は、圧力送信機のための代表的な処理制御環境を示す。
図2は、多出力圧力送信機の一実施形態の前面図を示す。
図3は、多出力圧力送信機の一実施形態の側面図を示す。
図4は、多出力圧力送信機中の圧力センサ装置の一部の前面図を示す。
図5は、多出力圧力送信機の一実施形態のブロック図を示す。
図6は、4−20mA出力をもつ多出力圧力送信機の一実施形態のブロック図を示す。
図7は、シリアル受信機に接続されたシリアル出力をもつ多出力圧力送信機の一実施形態のブロック図を示す。
図8は、目盛り定めのための多岐管をもつ多出力圧力送信機の一実施形態のブロック図を示す。
【0008】
好ましい実施形態の詳細な説明
図1には、工業用の圧力送信機のための代表的な環境が20で示されている。図1では、処理流体ライン23中の流量計22、タンク28に付設されたレベル送信機24,26、および処理ライン31中のオリフィス流量計30のような処理変数送信機が、制御システム32に電気的に接続されている。処理変数送信機は、例えば化学、パルプ、石油、ガス、薬品、食料品、および他の流体処理プラント中のスラリ、液体、蒸気、およびガスのような、処理プラント中の流体と関連する1以上の処理変数をモニタするように構成されている。モニタされる処理変数は、圧力、温度、流量、レベル、pH、伝導率、濁度、密度、濃度、化学組成、あるいは流体の他の特性でありうる。処理変数送信機は、処理プラントの設置の要請に従って、送信機に対して内部または外部にある1以上のセンサを含む。処理変数送信機は感知された処理変数を表す送信機出力を生成する。送信機出力は、通信バス34を経て、コントローラや表示器に遠距離を越えて送信するように構成されている。代表的な流体処理プラントでは、通信バス34は、送信機に給電する4−20mAの電流ループ、またはコントローラ、制御システムまたは読み出しシステムへのHART(Highway Addressable Remote Transmitter)プロトコル通信のようなフィールドバス接続またはファイバ光学接続でありうる。2線ループによって給電される送信機では、爆発性の雰囲気中で完全な安全を提供するために、電力は低く保たれなければならない。
【0009】
図1では、オリフィス流量計30は、これに接続されている通信バス34によって接続される圧力送信機36を含む。レベル送信機24,26は、また圧力送信機を含む。制御システム32は、人のオペレータのために、処理状態を表示するようにプログラムすることができ、また 該処理状態を感知し、電流のような出力装置を介して例えば圧力変換器38および制御バルブ40に対する処理を制御するようにプログラムすることができる。
【0010】
図1では、24,26および36の圧力送信機は、種々のパイプとタンク中で、腐食性の処理流体にさらされる圧力センサを有している。
【0011】
図2には、複数出力圧力送信機100の一実施形態の前面図が示されている。送信機100は交換可能であり、圧力を表す差分出力と少なくとも一つの非差分出力を有する。差分出力は、二つの感知された処理圧力間の差に関する出力を伝送するために、二つの感知された処理圧力の増強された関数である出力である。非差分出力は、差分出力ではない。差分圧力装置は、二つの異なる出力圧力が送信機に接続される装置である。代表的な差分圧力装置は、オリフィスプレート装置である。非差分圧力装置は、一つの処理流体圧力が圧力送信機に接続される装置である。非差分圧力装置は、代表的には、絶対またはゲージ圧力測定のいずれか一方である。圧力送信機100は、電子回路と出力回路104のための配線区画を収容する上部筐体102を含む。上部筐体102は、内部に106でねじ山を付けられ、下部筐体108上の相当するねじ山と適合している。上部筐体102と下部筐体108上のねじ山は密接に適合し、難燃性の接合を形成している。送信機100はシールされ、工業上の安全基準で定められた処理制御環境に適した爆発耐久筐体を形成する。出力回路104は、工業上の安全基準で定められた安全回路である。処理圧力P1とP2は、フランジ110およびフランジアダプタ結合体112,114を通って送信機に結合される。フランジ110は、応用に応じて、液体ラインからガスを排気するために開くことができる、またはガスラインから液体を排出することができる排気/排出バルブ117,118を含む。圧力送信機100は、また、送信機の外側にある大気圧を受ける入り口116を含む。入り口116は、内側にねじ山を付けられ、較正された圧力源がそれに接続される。入り口116は、また、パイプを介して、大気圧が風の影響をあまり受けない近くの位置に接続されることができる。圧力送信機100は、それぞれ圧力P1,P2,およびP3を受ける3個の絶対圧力センサ(図示されていない)を含む。出力104は、2線回路であり、典型的には、送信機にエネルギを与える2線4−20mA処理制御ループに接続する。
【0012】
図3には、送信機100の側面が図2と同じ符号を用いて示されている。
【0013】
図4には、下部筐体108の拡大された前面が、点線で示される内部の特徴と共に示されている。第1の絶対圧力センサ120は、これに対応する第1の処理入り口122から第1の処理圧力P1を受ける。第2の絶対圧力センサ124は、これに対応する第2の圧力入り口126から第2の処理圧力P2を受ける。処理圧力P1とP2間の差が差分処理圧力であり、(P2−P1)または(P1−P2)の一方でありうる。送信機回路カード128は、第1および第2の絶対圧力センサ120,124に結合している。回路カード128は、リボンケーブル130を経て、上部筐体102中の送信機回路ボード(図示されていない)に接続されている。また、送信機回路カードは、差分処理圧力の第1の関数F(P2−P1)である第1の送信機出力104を発生する送信機回路を形成する。(P2−P1)は−(P1−P2)に等しく、このため、“(P2−P1)の関数”である“F”はまた“(P1−P2)”の関数である。図4において、第3の絶対圧力センサ140は、送信機回路に接続され、第3の入り口116から大気圧P3を受けるように適合されている。送信機回路は、F(P2−P1)とは異なる第2の圧力関数G(P)である第2の送信機出力を発生する。第2の関数G(P)はゲージ、大気および絶対処理圧力のグループから選択されることができる。また、G(P)は静圧力関数(0.5)(P1+P2)であると考えることができる。複数のタイプの出力を生成する送信機回路の動作を、図5−8を参照してより詳細に説明する。
【0014】
図5には、送信機回路の上面図が示されている。送信機150は処理圧力P1を受けて絶対圧力センサ出力153を発生する第1の絶対圧力センサ152を含む。第2の絶対圧力センサ154は第2の圧力P2を受けて、絶対圧力センサ出力155を発生する。第3の絶対圧力センサ156は第3の圧力、普通は大気圧を受け、絶対圧力センサ出力157を発生する。絶対圧力センサ出力153,155,157は、送信機回路160に接続される。3個の圧力センサは絶対圧力センサであり、各々が異なる圧力に接続されるから、圧力センサ出力153,155,157は実質的に独立であり、数学的には互いに直交している。絶対センサ間に、等分された装着ストレスまたは電気漏洩からのいくつかの小さい相互作用がある場合においてさえ、絶対センサが使用されているという理由で該相互作用は小さい。また、マイクロプロセッサのオーバヘッドが小さいので、補償計算は単純である。送信機回路160は、圧力P1,P2,P3を計算することができ、複雑な線圧力補償計算を必要とする三つのセンサ間の相互依存が小さいまたはないので、該圧力P1,P2,P3を表す三つの圧力は素早く線形化され、該回路によって温度補償されることができる。ある実施形態では、送信機回路160は差圧力を2以上のセンサ出力153,155,および157の関数として計算する。他の実施形態では、送信機回路160は、単純な引き算によって差圧力(P2−P1)を計算し、圧力F(P)を(P2−P1)の関数として生成する。送信機はまた第2の圧力関数G(AP1+BP2+CP3)を計算する。ここに、A、BおよびCは、−1から+1の範囲の乗数である。第2のタイプの所望の出力G(P)を得るために、種々の乗数が、0、+1、−1または他の値に設定されることができる。
【0015】
例えば:
G(0P1+0P2+1P3) 大気圧
G(1P1+0P2−1P3) ゲージ圧力
G(0P1+1P2−1P3) ゲージ圧力
G(1P1+0P2+0P3) 絶対圧力
G(0P1+1P2+0P3) 絶対圧力
G(0.5P1+0.5P2+0P3) 静圧力
【0016】
乗数A、B、Cは、工場で、または回路160中にあるスイッチ、ハードウェア又はソフトウェアの一方をセットすることによって、処理プラントの技術者によって、セットされることができる。
【0017】
図6には、送信機170の一実施形態のさらに詳細なブロック図が示されている。図6では、図4−5で使用された符号と同じ符号は同一または同等の要素を示している。図6において、絶対圧力センサ出力153,155,157は送信機回路カード128に結合する。送信機回路カード128は、3個のセンサ152,154,156の各々のための線形および温度補正データを蓄積するメモリ172を含む。送信機回路カード128は、リボンケーブル130によって、送信機回路カード174に接続される。リボンケーブル130によって結合された送信機回路カード128と174は、送信機回路を形成する。
【0018】
送信機170は2線ループ176に接続される。送信機ループ176は遠隔位置にある受信機と電源に接続され、送信機170へエネルギを提供し、技術者からのデジタルコマンド180を、送信機プログラム回路178に提供する。送信機は、182で、差圧を表す第1の送信機出力F(P2−P1)を発生する。送信機回路は、184で、乗数A、B、Cに依存する絶対、ゲージ、または大気圧でありうる第2の送信機出力G(AP1+BP2+CP3)を発生する。コマンド180は、技術者の選択に従って乗数A,B,Cを供給する。コマンドは、また、グループG(P1)、G(P2)、G(P3)、G(P1−P3)、G(P2−P3)から、換言すれば絶対、大気またはゲージ圧力である第1の関数182または第2の関数184の一方を選択するために、ソフトウェアスイッチ186を駆動する。選択された圧力関数はループ176に提供されるアナログである4−20mAの電流の大きさを制御する。
【0019】
4−20mA作動およびアナログ出力電流は、ループ176上のデジタルコマンドと重畳される。デジタルコマンドは、工業標準HART(登録商標)信号または工業標準FOUNDATIONフィールドバス信号でありうる。送信機170は、また、全ての第1および第2の関数を表す出力を直列的に、ラベルを付けられたHARTまたはFIELDBUS信号として伝送することにより、それらをループ176上に直列的に重畳することができる。送信機中の回路は、好ましくは、マイクロプロセッサシステムで、または応用特定集積回路(ASIC)のような他の制御回路で実現することができる。図6中の点線190は、図2−4の上部および下部筐体にほぼ相当する送信機のモジュール分割を示す。センサ152,154,156およびそれらの特性データ172は、好ましくは共に一つのモジュールの中にあり、それは下部筐体の中にある。もしもセンサ152,154,156の一つが故障すると、下部筐体は測定の損うことなしに交換されることができる。乗数A、B、Cの1以上の組のプログラムは、上部モジュールに蓄積される。圧力送信機170は2線、アナログ4−20mA出力を有する。送信機回路に結合されたプログラム回路178は、第1の送信機回路182または第2の送信機回路184の一方を選択するプログラム入力を4−20mA出力として受信するように適合されている。一方、全ての異なるタイプの出力は、ループ上でラベルを付けられたデジタル信号として直列的に利用される。
【0020】
図7には、送信機200が示されている。図7において、図6に示されている符号と同一の符号は、同一又は同等の要素を示す。図7において、マイクロプロセッサシステム202はリボンケーブル130を経て回路カード128に結合される。第1及び第2の(そして、さらに多くの)送信機出力は、受信機206への伝送に適した連続表示のラベル付けがなされている。このラベルによって、第1及び第2の出力を区別することができる。このラベル付けは、使用される連続プロトコル、例えばHARTまたはFIELDBUSの要請に従ってなされる。送信機回路は、受信機への送信に適合した連続表示をラベル付けされる多数の送信機出力を生成する。該ラベルによって出力を区別できる多数の送信機出力として、差圧(P2−P1)、絶対圧力P2、大気圧P3、ゲージ圧力(P1−P3)およびゲージ圧力(P2−P3)がある。静圧力0.5(P1+P2)は、もし望まれるなら、含まれる。連続表示はプロセス制御ネットワークを経て伝送のためにフォーマットされる。
【0021】
図8には、圧力送信機220が示されている。図8において、図6−7に使用されている符号と同じ符号は同一または同等の要素を示している。絶対圧力センサ出力153,155,157は異なるタイプの複数出力232を生成する送信機回路に接続される。送信機220は、さらに絶対圧力センサ152,154,156の流体ラインまたは圧力入力を結合し、一方、同時に該センサから処理圧力P1とP2を切り離すための送信機回路または他の回路により駆動されうるマニフォールドバルブの列を含む。較正圧力PCAL(t)は全ての絶対圧力センサに適用されることができる。また、複数のタイプの出力は、較正圧力PCALが時間と共に変化するので 、受信機206において技術者によって観察されることができる。全ての絶対圧力センサは、同じ較正圧力に接続されるので、センサ152,154,156は、もし故障したセンサがなければ、同じ絶対圧力を読むであろう。装置は技術者に較正および診断ツールを提供する。マニフォルドは第1、第2、および第3の入り口に接続され、該第1、第2、および第3の入り口を互いに接続するように駆動できるバルブを含んでいる。診断回路は送信機回路に接続され、もし該第1、第2、および第3の圧力がバルブ234の駆動の後実質的に互いに等しくなく、種々の印加された較正圧力であるなら、警報を発することができる。
【0022】
メモリ172に蓄積されたデータによって補正されたセンサ152,154,156は、電子的引き算が効果的に実行できるようにするために、互いに密接に追従しなければならない。送信機のための好ましい絶対圧力センサは、密接した追従と高い反復性を提供するために、サファイアで作られることができる。単結晶サファイアが好ましいが、多結晶または微小の粒子から形成されるサファイアもまた使用できる。サファイア容量センサのような高精度センサを用いることで、200:1以上の正確な圧力測定の指定レンジを達成することができる。センサは、処理流体又は大気と接触して、または隔離ダイアフラムおよび隔離流体との配列によって処理流体または大気から隔離されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 圧力送信機のための代表的な処理制御環境を示す。
【符号の説明】
20……工業用の圧力送信機のための代表的な環境、22……流量計、23……処理流体ライン、24、26……レベル送信機、28……タンク、30……オリフィス流量計、31……処理ライン、32……制御システム、34……通信バス、36……圧力送信機、38……圧力変換器、40……制御バルブ
Claims (8)
- 第1と第2の処理入り口からのそれぞれの処理圧力P1とP2を感知するのに適合する第1と第2の絶対圧力センサ(152,154)と、
前記第1と第2の処理入り口とは違う第3の入り口からの大気圧P3を感知するのに適合する第3の絶対圧力センサ(156)と、
前記第1と第2の絶対圧力センサ(152,154)と第3の絶対圧力センサ(156)とに結合され、第1の圧力関数F(P2−P1)である第1のタイプの送信機出力と、第2の圧力関数G(AP1+BP2+CP3)であり、A,BおよびCが−1から+1の範囲の乗数に設定可能である第2のタイプの送信機出力を発生する送信機回路(160)とを具備し、
前記送信機回路(160)は、前記第1のタイプの送信機出力と第2のタイプの送信機出力とを選択可能であり、差分および非差分出力を提供する圧力送信機(150)。 - 前記送信機回路に結合され、第2の送信機出力のために前記乗数A,BおよびCをセットするコマンドを受信するのに適合する選択回路をさらに具備したことを特徴とする請求項1に記載の圧力送信機。
- 前記コマンドは、グループG(P1)、G(P2)、G(P3)、G(P1−P3)、およびG(P2−P3)からなるグループから第2の関数を選択することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧力送信機。
- 前記圧力送信機(150)はさらに2線、アナログ4−20mA出力と送信機を持ち、さらに、前記送信機回路に結合され、第1の送信機出力または第2の送信機出力の一方を選択するプログラム入力を、前記4−20mA出力として受信するのに適合するプログラム回路を具備したことを特徴とする請求項1に記載の圧力送信機。
- 前記送信機回路(160)は、差圧(P2−P1)、および絶対圧力P1、絶対圧力P2、大気圧P3、ゲージ圧力(P1−P3)、およびゲージ圧力(P2−P3)の中から選択されたひとつを表す複数の送信機出力を発生し、前記複数の出力のうちの少なくとも一つがデジタルに送信されることを特徴とする請求項4に記載の圧力送信機。
- 前記第1、第2の処理入り口および第3の入り口に結合され、該第1、第2の処理入り口および第3の入り口を互いに接続するように駆動可能なバルブを含むマニフォールド(234)と、
前記送信機回路(160)に結合され、もし前記第1、第2の絶対圧力センサ(152,154)の感知圧力と第3の絶対圧力センサ(156)の感知圧力とが前記バルブの駆動の後実質的に互いに等しくならないなら警報をセットする診断回路とをさらに具備したことを特徴とする請求項1に記載の送信機。 - 前記第1、第2と第3の絶対圧力センサ(152,154,156)がサファイアで形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧力送信機。
- 前記送信機回路(160)はさらに、前記第1、第2および第3の絶対圧力センサの少なくとも2つにより感知される絶対圧力である選択可能な第2の送信機出力を提供するための多数決論理を具備していることを特徴とする請求項1に記載の圧力送信機。
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