JP4824234B2 - ２線式温度送信機およびプロセス温度測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
プロセス産業では、化学品、パルプ、石油、薬品、食品、およびその他の処理装置内の、固体、スラリー、液体、蒸気、および気体などの物質に関するプロセス変数を監視するために、プロセス変数送信機が使用される。プロセス変数は、圧力、温度、流量、レベル（表面の高さ）、濁度、密度、濃度、化学組成、およびその他の諸特性を含む。
【０００２】
典型的な処理装置内では、４−２０ｍＡ電流ループなどの通信バスが、プロセス変数送信機に給電するために用いられる。このような電流ループの例は、「ファンデーション（商標：FOUNDATION）」フィールドバス結合や「ハイウェイ・アドレサブル・リモート・トランスデューサ（Highway Addressable Remote Transducer：ＨＡＲＴ）」通信プロトコルによる結合を含む。２線式ループによって給電される送信機においては、電力は、本質的な安全性の要求を満たすように低く抑えられなければならない。
【０００３】
プロセス温度送信機は、感知された、プロセスの実質温度に関連する出力を供給する。温度送信機出力は、前記ループを介して制御室に伝えられることができ、あるいは前記出力は、そのプロセスが監視され制御されることができるような、その他のプロセス装置に伝えることができる。プロセス温度を監視するために、送信機は、抵抗型測温装置（ＲＴＤ）あるいは熱電対などのセンサを含む。
【０００４】
ＲＴＤは、温度変化に応答して抵抗を変える。ＲＴＤの抵抗を測定することによって、温度が計算されることができる。一般的には、このような抵抗測定は、ＲＴＤを通る既知の電流を流し、ＲＴＤ間で発生する関連の電圧を測定することによって実現される。
【０００５】
熱電対は、温度変化に応答した電圧を提供する。ゼーベック効果は、温度が次第に変化する状態において、異種の金属の接合によって、異種の金属の接合部が電圧を発生するということである。つまり、熱電対間で測定される電圧は、熱電対の温度に関連する。
【０００６】
温度センサが老朽化するにつれて、その精度は、センサが遂に故障するまで低下する傾向がある。しかしながら、センサ出力内の僅かな劣化を、測定された温度内の実際の変化から検出し、分離することは困難である。過去には、温度送信機は、センサの劣化を検出するために２つの温度センサを用いてきた。前記２つのセンサ出力が一致しない場合は、温度送信機はエラー出力を供給する。しかしながら、この技術は、２つの温度センサの両方が同じ速度でかつ、同じ様に劣化する場合には、センサ出力内の劣化を検出することはできない。
【０００７】
電力が制限されない条件において用いられてきたひとつの技術が、１９９８年２月３日および１９９９年３月３０日に、ロンフォファー（Lungphofer）らに付与された、「自己確認温度センサ」と題する米国特許第５，７１３，６６８号および第５，８８７，９７８号に記述される。これらの引例には、複数の出力を有する温度センサが記載されている。前記複数の出力は全て、温度の関数として変化する。しかしながら、様々な出力と温度との関係は同じではない。さらに、温度センサ内の様々な要素は、時間が経つにつれて、異なる速度で、かつ異なる様態で変化し、様々な故障に対して異なる反応をする。コンピュータは、マルチプレクサを用いてセンサ出力を監視する。コンピュータは、センサからマトリックスへデータポイントを配置する。マトリックス内の様々なエントリを監視し、様々な要素あるいは他の要素に関するマトリックスの要素内の変化を検出することによって、コンピュータは、測定された温度のための「信頼レベル（confidence level）」出力を提供する。信頼レベルが、ある閾値を超えると、警告が提供される。
【０００８】
しかしながら、低電力プロセス変数送信機は、向上された正確さや温度センサの状態を示す診断出力表示を提供する点で、温度センサの改良を必要としている。
【０００９】
発明の概要
２線式温度送信機は、プロセス温度を測定するための２線式プロセス制御ループに結合可能である。前記送信機は、アナログ入力に応答してデジタル出力を供給するように構成されたアナログ／デジタル変換器を含む。２線式ループ通信機はプロセス制御ループに結合され、前記ループ上に情報を送るように構成される。マイクロプロセッサは、前記デジタル出力に結合されて、２線式ループ通信機を有するプロセス制御ループ上に、温度に関連付けられた情報を送るように構成される。電源は、２線式プロセス制御ループからの電力で２線式温度送信機全体に給電するように構成される。温度センサは、異なる劣化特性で劣化するような要素出力を有する、少なくとも２つの温度感知要素を含む。前記要素出力はアナログ／デジタル変換器に供給されて、マイクロプロセッサは、第１の温度感知要素からの少なくとも１つの要素出力の関数として、かつ少なくとも二次温度感知要素の１つの劣化特性の関数として、温度に関連付けられた情報を計算する。
【００１０】
図面の簡単な説明
図１は、プロセス温度送信機の環境図である。
図２は、図１のプロセス温度送信機の概略図である。
図３は、プロセス温度送信機のシステムブロック図である。
図４は、図３の送信機内で実現されるニューラルネットワークの図である。
図５は、２線式プロセス温度送信機でプロセス流体温度を測定する方法のブロック図である。
【００１１】
好ましい実施例の詳細な説明
図１および図２は、本発明の実施例によるプロセス温度送信機の環境を示す。図１は、プロセス温度送信機１２、２線式プロセス制御ループ１６、およびモニタ１４を含むプロセス制御システム１０を示す。本明細書では、２線式プロセス制御ループは、接続されたプロセス装置に給電し、接続された装置間の通信のために提供するような、２線を有する通信チャネルを意味する。
【００１２】
図２は、２線式プロセス制御ループ１６を介してモニタ１４（電圧源および抵抗として模式化される）に電気的に結合される、プロセス温度送信機１２を含むプロセス制御システム１０を示す。送信機１２は、パイプ１８のようなプロセス流体コンテナ上に配置され、結合される。送信機１２はプロセスパイプ１８内のプロセス流体の温度を監視して、ループ１６を介してモニタ１４に温度情報を伝送する。
【００１３】
図３は、本発明の１実施例によるプロセス温度送信機１２のシステムブロック図である。プロセス温度送信機１２は、アナログ入力２４に応答してデジタル出力２２を提供するように構成されたアナログ／デジタル変換器２０を含む。２線式ループ通信機２６は、２線式プロセス制御ループ１６に結合されて、マイクロプロセッサ２８からループ１６上に情報を送るように構成される。少なくとも１つの電源３０が、ループ１６のみから電力を受信するようにループ１６に結合され、ループ１６から受信した電力で送信機１２内の電源回路に電力出力（Ｐｗｒ）を供給するように構成される。温度センサ３４は、アナログ信号２４を供給するマルチプレクサ３６を介して、アナログ／デジタル変換器２０に結合される。温度センサ３４は、ＲＴＤ４０および熱電対４２、４４、および４６のような温度感知要素を含む。温度センサ３４は、米国特許第５，７１３，６６８号に記述された技術によって動作する。図３に示された送信機に加えて、「抵抗型送信機の診断」と題する、エリューレク（Eryurek）らへの米国特許第５，８２８，５６７号の内容がセンサ３４に用いられ得る。
【００１４】
マイクロプロセッサ２８は、モトローラ社（Motorola Inc.）から入手可能なモトローラ（Motorola）６８０５ＨＣ１１などの低電力マイクロプロセッサであってよい。多くのマイクロプロセッサシステムでは、メモリ５０は、クロック５２によって決定されるレートで動作するマイクロプロセッサ内に含まれる。メモリ５０は、例えば温度センサ３４から取得された測定値の一時蓄積だけでなくマイクロプロセッサ２８用のプログラム指令の両方を含む。クロック５２の周波数は、さらにマイクロプロセッサ２８の電力消費をも低減するために、下げられることができる。
【００１５】
ループ通信機２６は、既知のプロトコルおよび技術によって２線式プロセス制御ループ１６上で通信する。例えば、電流Ｉはプロセス変数に関連するので、通信機２６は、マイクロプロセッサ２８から受信したプロセス変数によってループ電流Ｉを調整することができる。例えば、４ｍＡの電流はプロセス変数の極小値を示し、２０ｍＡの電流はプロセス変数の極大値を示すことができる。他の実施例では、通信機２６はループ電流Ｉにデジタル信号を印加して、デジタル形式の情報を伝送する。さらに、このようなデジタル情報は、通信機２６によって２線式プロセス制御ループ１６から受信され、温度送信機１２の動作を制御するためにマイクロプロセッサ２８に供給されることができる。
【００１６】
アナログ／デジタル変換器２０は、低電力条件下で動作する。アナログ／デジタル変換器２０の一例は、シグマ−デルタ変換器である。プロセス変数送信機内に用いられるアナログ／デジタル変換器の例は、本発明に一般譲渡される、１９９２年１月２１日に付与された「充電バランス・フィードバック測定回路」と題する米国特許第５，８０３，０９１号、および１９８９年１０月３１日に付与された「充電バランス・フィードバック送信機」と題する米国特許第４，８７８，０１２号に述べられている。
【００１７】
センサ３４は、それぞれ異なる劣化特性によって劣化する要素出力を有する、少なくとも２つの温度感知要素を含む。図示されるように、センサ３４は導線６０、６２、６４、６６、および６８を含む。１つの実施例では、導線６０〜６８の少なくともいくつかは、異なる様態で変化する特性に関連する温度を有する異種の導線である。例えば、導線６０および６２は、結合部４２に熱電対を形成するような異種の金属でありうる。マルチプレクサ３６を用いて、センサ３４の様々な電圧および抵抗がマイクロプロセッサ２８によって生成される。さらに、導線６０、６２、６６、および６８を介するＲＴＤ４０への４点ケルビン（Kelvin）接続が、ＲＴＤ４０の抵抗の正確な測定を取得するために用いられる。このような測定においては、電流は、例えば導線６０および６８を用いてＲＴＤ４０内に注入され、導線６２および６６は電圧を測定するために用いられる。導線６４もまた、ＲＴＤ４０内のいくつかの中間点で電圧を測定するために用いられることができる。電圧測定は、導線６０／６２、６０／６４、６２／６６等のような、あらゆる導線の対の間でなされることができる。さらに、マイクロプロセッサ２８によって用いられるように追加的なデータを取得するために、もっと様々な電圧や抵抗の測定が組み合わされることができる。
【００１８】
マイクロプロセッサ２８は、メモリ５０内にデータポイントを記憶し、米国特許第５，７１３，６６８号および第５，８８７，９７８号に述べられる技術によって前記データを用いて動作する。これは、ループ通信機２６に供給される温度に関するプロセス変数出力を生成するために用いられる。例えば、データポイントに関連付けられた残りの温度が二次データポイントを提供する間、ＲＴＤ４０のようなセンサ３４内の要素の１つは、一次要素であることができる。マイクロプロセッサ２８は、信頼レベルの示度、正確さの確率、あるいは温度レンジ、すなわち、ある温度値のプラスかマイナスか、あるいは二次データポイントに基づく割合、と共にプロセス変数出力を提供することができる。例えば、信頼性の示度はデジタル信号として提供されることができ、一方プロセス変数出力はアナログ信号（すなわち、４〜２０ｍＡの間の）としての出力されることができる。広範囲の温度に渡って、データ出力の全てを観測し、また要素が時間と共にあるいは他の故障により劣化を始めるという経験的測定によって、信頼性の示度が生成されることができる。マイクロプロセッサ２８は、経験的な試験を用いて生成されてきた、メモリ５０内に記憶された特性と、実際の測定値とを比較することができる。
【００１９】
この技術を用いて、データ測定の１つ以上からの異常な読みが検出されることができる。劣化の重大さの程度に従って、マイクロプロセッサ２８は、劣化した要素を補償するために温度出力を修正することができる。重大に劣化した要素に対しては、マイクロプロセッサ２８は、センサ３４が故障していること、および温度出力が正確でないことを示すことができる。
【００２０】
マイクロプロセッサ２８はまた、一次センサ要素、および１つ以上の二次センサ要素の関数としてのプロセス変数出力を提供することができる。例えば一次センサ要素が例えば９８℃の温度を示すＲＴＤであるのに対して、例えばタイプＪの熱電対である二次センサ要素が１００℃の温度を示すとすると、各センサに同じ重み付けを与えると、９９℃のプロセス温度出力を提供することになる。様々なタイプのセンサおよびセンサ群が、温度範囲の変化につれて異なる電気的特性を示すので、マイクロプロセッサ２８はプロセス変数自身に基づくセンサ要素の重みを変えるようにプログラムされることができる。つまり、測定された温度が１つのタイプのセンサの有効範囲を超え始めると、センサの重みは低減されるか、または排除され、より高い有効温度範囲を有する他のセンサが採用される。さらに、様々なタイプのセンサおよびセンサ群は異なる時間定数を有するので、重み要素が、測定された温度の変化率に応じて変えられることができる。例えば一般的には、ＲＴＤは、巻かれたセンサワイヤのシア（sheer）量のために熱電対よりも大きな熱量を有し、現実には、センサワイヤは、さらに追加的な熱量を供給するようなセラミックのボビンの周りに巻かれている。しかしながら、熱電対の結合部分はＲＴＤよりも非常に少ない熱量を有し、このため、トラックラピッド（track rapid）温度はＲＴＤよりも効果的に変化する。すなわち、マイクロプロセッサ２８は迅速な温度変化を検出し始める。センサ要素の重みは、プロセス変数出力がより大きく熱電対に依存するように調整されることができる。
【００２１】
１つの実施例では、メモリ５０内のソフトウェアが、図４に示されるニューラルネットワーク１００のような、マイクロプロセッサ２８内のニューラルネットワークを実現するために用いられる。図４は多層ニューラルネットワークを示す。ニューラルネットワーク１００は、ニューラルネットワークモジュールを開発するために、バックプロパゲーションネットワーク（back propagation network：ＢＰＮ）などの既知の訓練アルゴリズムを用いて訓練される。回路網は入力ノード１０２、隠れノード１０４、および出力ノード１０６を含む。様々なデータ測定D1−DNが、入力バッファとして機能する入力ノード１０２への入力として提供される。入力ノード１０２は訓練アルゴリズムによる様々な重さによって受信されたデータを改変し、出力が隠れノード１０４に供給される。隠れ層１０４は、センサ３４の非線形の特性を特徴づけ、かつ分析するために用いられる。最終層すなわち出力層１０６は、温度測定の正確さを示す出力１０８を提供する。同様にして、追加的な出力が、感知された温度の表示を提供するために用いられることができる。
【００２２】
ニューラルネットワーク１００は、実際のセンサがニューラルネットワーク１００に訓練入力を供給するために用いられるようなモデル的なあるいは経験的な技術のどちらかを介して訓練されることができる。さらに、プロセス温度のより見込みのある評価が、様々なセンサ要素信号上でのニューラルネットワークの動作に基づく出力として供給されることができる。
【００２３】
センサ３４から取得されたデータを分析する他の技術は、メモリ５０が法則、予期結果、および感度パラメータを含むようなシステムに基づく法則の利用によってなされるものである。
【００２４】
図５は、２線式プロセス温度送信機でプロセス温度を測定する方法のブロック図である。方法は、一次センサ要素が送信機１２のような２線式温度送信機を用いて測定されるブロック１２０で開始する。ブロック１２２で、１つ以上の二次センサ要素が２線式温度送信機を用いて測定される。ブロック１２２は、一次センサ要素測定それぞれの全ての後に実行される必要はないけれども、ブロック１２２が、定期的にあるいは外部指令に応答して実行されることができることは注目すべきである。ブロック１２４で、一次センサ要素および二次センサ要素の信号が、マイクロプロセッサ２８（図３に示される）のような送信機マイクロプロセッサに供給される。ブロック１２６で、マイクロプロセッサ２８は、１つ以上の一次センサ要素信号および二次センサ要素信号に基づいてプロセス変数出力を計算する。ブロック１２８で、マイクロプロセッサは、一次要素センサ信号および１つ以上の二次センサ要素信号に基づいて、プロセス変数出力の信頼性を計算する。最後に、ブロック１３０で、プロセス温度出力、およびプロセス温度出力内の出力の有効性または信頼性の示度が、２線式プロセス温度送信機によって提供される。このような表示は、許容度、正確さの確率または温度の範囲の可能性を示す数値、すなわち、ある温度値のプラスかマイナスか、または１つ以上の二次センサ信号に基づく割合の形式であってよく、または、その示度は、警告や、プロセス変数出力の受容性を示すユーザ通知であってもよい。さらに、信頼性の示度は、２線式プロセス送信機が、プロセス温度に対して、プロセス変数出力を適切に関連付けることができなくなるまでの残り時間の推定の形式であってもよい。さらに、有効化されたプロセス温度を供給することによって、プロセス温度によって影響を及ぼされることができるような他のプロセス変数の有効化および診断が可能になる。
【００２５】
他の分析技術はファジイ理論である。例えば、ファジイ理論アルゴリズムは、図４のニューラルネットワーク１００への入力に先立つデータ測定Ｄ₁−Ｄ_Nに採用されることができる。さらに、ニューラルネットワーク１００は、ファジイニューラルアルゴリズムを実行することができる。また回路網の様々な神経単位がファジイ理論を実現する。様々な分析技術が、単独またはそれらの組み合わせで用いられることができる。さらに、他の分析技術は、システムが２線式プロセス制御ループから受信される電力で完全に動作することができるという要求を達成する限りは、本発明の範囲内であると判断される。
【００２６】
アナログ／デジタル変換器２０が１つだけ図示されているけれども、このようなアナログ／デジタル変換器は、センサ３４がアナログ／デジタル変換器に結合されているときに実行される多重送信の全てを低減するかまたは無にすることができるような、複数のアナログ／デジタル変換器を含むことができる。
【００２７】
本発明を好ましい実施例によって説明してきたが、本発明の精神や範囲を逸脱することなく詳細や形式上の変更が可能なことを当業者は理解するであろう。例えば、本発明の様々な機能ブロックが回路という用語で説明されてきたけれども、多数のブロックは、デジタル回路およびアナログ回路、ソフトウェア、およびそれらの混成形など、他の形式で実現されてもよい。ソフトウェア内で実現される場合には、マイクロプロセッサがその機能を実現し、信号はソフトウェア上で動作するデジタル値を含む。所望のプロセス要素をプロセッサに実行させるような指令でプログラムされた一般用途のプロセッサ、所望の要素を実行するために結合された回路を含むアプリケーション仕様ハードウェア構成部分、および一般用途のプロセッサのプログラムとハードウェア構成部分とのあらゆる組み合わせを用いることができる。決定論的方法あるいはファジイ理論方法が、回路またはソフトウェア内での判断に、必要に応じて用いられることができる。複雑なデジタル回路の性質上、回路要素は図示されたように離れたブロックに分割できないが、様々な機能ブロックに用いられる構成部分は、混合したり共有されたりすることができる。ソフトウェアと同じように、本発明の範囲内で、ある指令が複数の機能部に分けたり、かつ無関係の指令を混合したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図３】 プロセス温度送信機のシステムブロック図である。
【図４】 図３の送信機内で実現されるニューラルネットワークの図である。
【図５】 ２線式プロセス温度送信機でプロセス流体温度を測定する方法のブロック図である。
【符号の説明】
１２……プロセス温度送信機、１４……モニタ、１６…２線式制御ループ、２０……アナログ／デジタル変換器、２２……デジタル出力、２４……アナログ入力、２６……２線式ループ通信機、２８……マイクロプロセッサ、３０……電源、３４……温度センサ、３６……マルチプレクサ、４０……ＲＴＤ、４２、４４、４６……熱電対、５０……メモリ、５２……クロック、６０、６２、６４、６６、６８……導線

Claims (11)

1. プロセスの温度を測定するために２線プロセス制御ループ（１６）に接続可能な２線式温度送信機（１２）において、
   前記２線プロセス制御ループを介して電力を温度送信機に供給するために、該２線プロセス制御ループに接続可能な電源手段（３０）と、
   少なくとも前記２線プロセス制御ループを介して情報を送信するように構成された２線ループ通信手段（２６）と、
   各々が異なる劣化特性に従って劣化する少なくとも２種の第１、第２の温度感知要素（４０，４２，４４，４６）を持つ温度感知手段（３４）と、
   前記温度感知手段（３４）の温度を示すデータを提供するために、該温度感知手段に接続されるマルチプレクサ（３６）と、
   前記マルチプレクサ（３６）に接続され、アナログ入力に応答してデジタル出力を提供するように構成されたアナログデジタル変換器（２０）と、
   マイクロプロセッサからなり、前記アナログデジタル変換器に接続される計算手段（２８）とを具備し、
   前記計算手段（２８）は、異なる劣化特性をもつ少なくとも前記第１、第２の温度感知要素の各々に、それぞれが感知するプロセス温度の変化率で変化する重みで重み付けし、少なくとも第１、第２の温度感知要素からの要素出力および第１、第２の温度感知要素のうちの少なくとも一方の劣化特性の関数として、前記プロセス温度に関する情報を計算し、前記２線ループ通信手段（２６）を介して２線プロセス制御ループ（１６）にプロセス温度に関する情報を送信することを特徴とする２線式温度送信機。
2. 前記２線ループ通信機（２６）が、２線プロセス制御ループ（１６）上に、前記プロセス温度に関する情報および有効性の情報を送信するように構成された請求項１の２線式温度送信機。
3. 前記計算手段（２８）がさらに、少なくとも第２の温度感知要素の劣化特性の関数として、前記プロセス温度に関する情報の信頼性のレベルを提供するように構成された請求項１又は２の２線式温度送信機。
4. 前記計算手段（２８）がさらに、少なくとも第２の温度感知要素の劣化特性に基づいた、前記温度に関する情報の正確さの可能性を提供するように構成された請求項１乃至３のいずれかの２線式温度送信機。
5. 前記計算手段（２８）がさらに、少なくとも第２の温度感知要素の劣化特性の関数として、温度に関する情報のプラスの割合（パーセント）の形式の範囲示度を提供するように構成された請求項１乃至４のいずれかの２線式温度送信機。
6. 前記信頼性のレベルが、少なくとも部分的に経験的なデータに基づく請求項３乃至５のいずれかの２線式温度送信機。
7. 前記計算手段（２８）がニューラルネットワーク（１００）分析に基づいて前記プロセス温度に関する情報を計算するように構成された請求項１乃至６のいずれかの２線式温度送信機。
8. 前記計算手段（２８）によって採用された前記ニューラルネットワーク（１００）分析が経験的なデータで生成される請求項７の２線式温度送信機。
9. 前記プロセス温度に関する情報がルールベース（rule-based）システムの関数として計算される請求項１乃至８のいずれかの２線式温度送信機。
10. 前記プロセス温度に関する情報が、前記計算手段（２８）によって実現されるファジイ理論アルゴリズムの関数として計算される請求項１乃至９のいずれかの２線式温度送信機。
11. ２線式温度送信機（１２）と、異なる劣化特性を有する少なくとも２種の第１、第２の温度感知要素（４０，４２，４４，４６）とを用いてプロセス温度を測定する方法であって、
    第１の感知信号を取得するために、２線式温度送信機で温度感知手段（３４）の前記第１の温度感知要素（４０）を測定することと、
    第２の感知信号を取得するために、２線式温度送信機で温度感知手段（３４）の前記第２の温度感知要素（４２，４４，４６）を測定することと、
    前記第１の感知信号を送信機マイクロプロセッサ（２８）に提供することと、
    前記第２の感知信号を前記送信機マイクロプロセッサ（２８）に提供することと、
    前記第１の感知信号および前記第２の感知信号に基づいて前記プロセス温度および信頼性のレベルを計算することと、
    前記プロセス温度と信頼性のレベルを提供することとを備え、
    前記プロセス温度を計算する時、前記第１の感知信号および前記第２の感知信号の重みが、前記第１、第２の感知要素それぞれが感知するプロセス温度の変化率で変化する重みで重み付けされるようにすることを特徴とするプロセス温度を測定する方法。

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