JP5031748B2 - 固体の自動表示を備える工業用フィールド装置 - Google Patents

Description

発明の分野
天然ガス井または石油井からの生産中に、著しい砂を含む流体のポケットに当たることはまれなことではない。砂は、多くの理由から、非常に望ましくない。砂は、坑井の孔を塞ぐ可能性があるか、砂は、プロセスシステムを塞ぐ可能性があるか、または砂は、坑井の生産性および／または生産活動を容易に低下させる可能性がある。さらに、砂は、配管コンポーネント、特にエルボ、または狭窄部、そして弁および差圧生成器、たとえばオリフィスプレート、ベンチュリ、またはＶコーンの望ましくない磨耗を生じさせる可能性がある。このように、天然ガス井または石油井からの生産中に砂があることにより、管および弁が腐食する可能性があることに加え、産出中に用いられるさまざまな機器の故障の可能性につながるおそれがある。またさらには、砂の流れによって、差分生成器の較正ずれを生成させる可能性がある。このように、天然ガス井または石油井からの生産中に、砂の流れを実質的に即時に検出して、生産現場でローカルに、または遠隔的に、すばやくかつ有効に問題に対処できるようにすることがきわめて重要である。この対策は、往々にして、坑井を一時的に閉鎖することか、坑口のオペレーションに調整を行うことか、または坑井またはフィールド管理の変更（貫入、坑井深さ等の変更）かを含むことがある。

発明の背景
固体が流体に混入して、生産機械、たとえば配管、弁、差分生成器等に衝突すると、衝突によって音が生成される。一般的に、固体は砂であり、流体は炭化水素流体である。しかし、流体に混入する固体の他の例は、スラリー、たとえばパルプ原料、鉱業用スラリー、浚渫スラリーおよび汚泥を含む。音響センサを用いて炭化水素生産システム内の砂を感知することは既知である。一般的に、そのようなセンサは専用の装置であり、衝突の音響エネルギが含まれる範囲である一般的な周波数帯に同調される。そのような装置は有用である一方で、生産活動全体にさらなる複雑さおよびコストを与える。さらに、最新の音響型坑井音検出器であっても、プロセス測定および制御システム全体に簡単に取り入れられる信号方式を備えていない。

発明の概要
工業用フィールド装置は、プロセス変数を表示する情報を提供する。フィールド装置は、制御部、通信回路、プロセス変数センサおよび測定回路を含む。通信回路は、制御部に結合される。プロセス変数センサは、プロセス流体の変動に基づいて変化する電気的特性を有する。測定回路は、プロセス変数センサに結合され、制御部に結合される。制御部は、プロセス変数に関連して、通信回路を介した通信を生成して、砂の流れの表示を提供するように構成される。

詳細な説明
鉱業用フィールド装置、たとえば圧力トランスミッタは、あらゆる天然ガス井または石油井の生産施設で一般的な装置である。ゲージ圧トランスミッタを用いて、坑口の圧力とともに、セパレータ周辺の動作および坑内圧力を監視する。差圧トランスミッタは、前記載の差分生成器とともに用いられて、生産された石油またはガスの流量を測定する。別のタイプの工業用フィールド装置は、プロセス流体流量計として既知である。プロセス流体流量計の例は、渦流量計およびコリオリ計を含む。

工業用フィールド装置は、きわめて一般的であり、一般的には、有線のプロセス通信接続を介するか、または無線技法を介したディジタル通信プロトコル、たとえばHighway Addressable Remote Transducer（HART（登録商標））プロトコル、またはFOUNDATION（商標）フィールドバスプロトコルを介して、さらなる情報を通信するための能力を有する。本発明の実施形態では、工業用フィールド装置、たとえばプロセス圧力トランスミッタまたは流量計を、それらの一次プロセス変数を感知するだけでなく、天然ガス井または石油井からの生産中に、砂があることを感知するように適合させる。この二重の役割によって、物理的システム全体の複雑さおよびコストを減少させることができ、既知のプロセス通信管理体制に、砂検出信号を簡単に取り入れることができるという、重要な相乗効果を提供する。

図１は、本発明の実施形態が用いられるに特に有用である、天然ガス井および／または石油井生産のためのプロセス制御システムの概略図である。図１は、ブロック１２として模式的に図示された天然ガス井または石油井の生産のプロセスに、動作可能に結合されたプロセス圧力トランスミッタ１０を図示する。実際には、生産１２は、数エーカーもの比較的広い領域にわたって配置された、大量の工業用機械類を含み得る。図１は、伝送線１４によって、天然ガス／石油の生産１２に動作可能に結合された、圧力トランスミッタ１０を図示する。通常、圧力トランスミッタは、物理的に、天然ガスまたは流体の石油を搬送する配管の上か、またはそれに近接して配置される。任意の好適な結合を用いることができるが、圧力トランスミッタ１０は、プロセス通信ループ１８を介して、制御室１６に電気的に結合される。また、制御室１６は、他の多くのプロセス装置、たとえばプロセス変数トランスミッタ、プロセスアクチュエータ、または任意の他の好適な装置に結合されてもよい。

図２は、本発明の実施形態に有用である、プロセス圧力トランスミッタ１０の概略図である。トランスミッタ１０は、ループ通信モジュール２０、電力モジュール２２、制御部２４、測定回路２６、および圧力センサ２８を含む。ループ通信回路は、プロセス通信ループ１８に動作可能に結合可能であり、工業用標準通信プロトコルによる通信向けに構成される。好適な工業用標準通信プロトコルの例は、HART（登録商標）、FOUNDATION（商標）フィールドバス（Field bus）、プロフィバス（Profibus）−PAおよびコントローラエリアネットワーク（Controller Area Network）（CAN）を含むが、これらに限定されない。取り付けられたプロセス装置に、動作電力を提供する能力を有する、多くのプロセス通信ループが既知である。そのようなものとして、電力モジュール２２は、既知の技法によって、プロセス通信ループ１８に動作可能に結合可能であり、通信ループを通じて提供されたエネルギから、トランスミッタ１０への動作電力を導く。図２に表示されるように、電力モジュール２２は、ループ通信モジュール２０、制御部２４および測定回路２６に動作可能に結合される。

制御部２４は、ループ通信モジュール２０および測定回路２６に動作可能に結合される。制御部２４は、好ましくは低電力のマイクロプロセッサであり、トランスミッタ１０に、多くの高度な解析を実行する能力を提供する。このように、トランスミッタ１０は、従来技術のトランスミッタと同様に、プロセス圧力の出力を提供できる一方、圧力トランスミッタ１０近くの表面上に衝突する固体、たとえば砂の表示を提供することもできる。制御部２４が砂の衝突を検出できる実際の方法を、以下により詳細に記載する。制御部２４は、不揮発性メモリおよび／または揮発性メモリを含む、任意の好適な形態のメモリを含むか、またはそれに結合されてもよい。さらに、好適なメモリに保存された命令は、制御部２４に、砂の流れの検出を支援するディジタル信号処理アルゴリズムを実行させることができる。

測定回路２６は、圧力センサ２８および制御部２４に動作可能に結合される。測定回路２６は、好ましくはアナログ・ディジタル変換器を含む。一つの実施形態では、アナログ・ディジタル変換器は、毎秒２２回の変換を提供するシグマ・デルタ・アナログ・ディジタル変換器として既知である。この実施形態では、プロセス圧力の変換されたディジタル表現はそれぞれ、ディジタル信号処理のためのデータ点になる。たとえば、ディジタルプロセスデータ点に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を適用して、砂の流れの存在を表示する情報を生成する。好適な解析の一例は、既知の方法で動作する既知のアナログ・ディジタル変換器を用いて処理するパワースペクトル密度（ＰＳＤ）解析を含むことができる。この点で、本発明の少なくとも一つの実施形態は、圧力トランスミッタ１０内部のソフトウェアで、全体的に実施することができる。このように、本発明の実施形態は、フィールドに現在設置されているかまたはすでに製造されているプロセス変数トランスミッタに、その回路を改変する必要なく、適用することができる。

シグマ・デルタ変換器は、変換時間が早く、高精度であることから、多くの場合、プロセス測定及び制御の産業界で用いられる。一般的に、シグマ・デルタ変換器は、設定された間隔にわたって、通常は正の１をカウントすることによって解析されるディジタルビットストリームを生成する、内部コンデンサのチャージポンピング方式を使用する。たとえば、現在使用されている一つのシグマ・デルタ変換器は、最小圧力測定を表示する５０％の１と、最大圧力測定を表示する７５％の１とからなるビットストリーム信号を提供する。ディジタルビットストリームをフィルタリングして、プロセス変数を判定する前に、変動している成分を取り除くかまたは減衰させる。その後、フィルタデータを周知の式とともに用いて、プロセス変数を算出する。

本発明の別の実施形態では、アナログ・ディジタル変換器内部のディジタルビットストリームは、ディジタル信号処理、たとえばパワースペクトル密度解析のために直接用いられる。通常、このビットストリームは、変換周波数よりも桁違いに高い周波数を有する。たとえば、既知のシグマ・デルタ変換器は、およそ５７ｋＨｚの周波数を有するディジタルビットストリームを提供する。当業者においては、ディジタルビットストリームに対してＰＳＤ解析を行うことができる多数の方法を認識するであろうが、一つの好適な方法は、以下のとおりである。所定の間隔、たとえば１０秒間、ビットストリームからのディジタルデータが獲得されてセーブされる。上述の例では、５７ｋＨｚのデータ１０秒間で、保存された570,000ビットが得られる。保存されたビットそれぞれから、平均ビット値（合計ビット数で除された１の数）を減じることにより、保存データから任意的にＤＣ成分を取り除くことができる。次に、調節されたデータでパワースペクトル密度が計算される。このことは、好ましくは、65536点のＦＦＴおよび65536サイズのハニング窓を用いて行われる。ＦＦＴのサイズが選定されたのは、それがサンプリングビット周波数に最も近い２の累乗であるためであり、１０秒間とすると、スペクトルの許容可能な平均が提供される。しかし、本発明の実施形態に従って、他のサイズを用いてもよい。

圧力センサ２８は、付加された圧力とともに変動する電気的特性、たとえば静電容量を有する既知の装置である。一般的に、圧力センサ、たとえば圧力センサ２８は、絶縁性の流体によって、プロセス圧力源に流体的に結合される。しかし、圧力センサに、プロセス圧力を直接結合することは既知である。多数のタイプの圧力センサが既知である。一つのそのようなタイプは、誘電性流体で充填されたチャンバにわたって分割し、導電性で偏向可能なダイヤフラムを利用する。偏向可能なダイヤフラムの各側の誘電性流体は、圧力源に動作可能に結合される。圧力センサ内部の一つ以上の電極は、偏向可能なダイヤフラムとともに可変コンデンサを形成する。圧力が変化してダイヤフラムが偏向すると、それに従って静電容量が変動する。

別のタイプの既知の圧力センサは、半導体ベースの圧力センサである。これらのタイプの圧力センサは、米国特許第5,637,802号において教示され、本発明の譲受人に譲渡されている。そのような半導体ベースの圧力センサは、一般的に、半導体センサの一部の偏向とともに変動する静電容量を提供する。偏向は、付加された圧力に応じている。半導体ベースのセンサは、きわめて好ましいヒステリシスを有し、極端に高い周波数応答を有する。半導体ベースの圧力センサに関するさらなる情報は、米国特許第6,079,276号、6,082,199号、6,089,907号、6,484,585号および6,520,020号に見出だすことができ、これらはすべて、本発明の譲受人に譲渡されている。本実施形態では、測定回路に対して、上記に列記されたビットストリーム解析と組み合わせて、圧力センサ２８に半導体ベースの圧力センサを用いることにより、標準的なプロセス変数計算ではあるいは単に切り捨てられるであろう比較的高周波の信号の解析に基づいて、プロセス流体内に固体が流れることを判定するかあるいは検出する能力が提供される。

図３は、本発明の実施形態を実践することができるプロセス圧力トランスミッタ３０の概略図である。圧力トランスミッタ３０のいくつかのコンポーネントは、圧力トランスミッタ１０のコンポーネントと同様であり、類似したコンポーネントには同様に番号が付されている。圧力トランスミッタ３０と圧力トランスミッタ１０との間の最大の相違は、圧力トランスミッタ３０が無線装置として動作することである。したがって、圧力トランスミッタ３０の電力モジュール３２は、一般的に、エネルギ電池、たとえばバッテリ、または再充電源、たとえばソーラパネルに、継続的かまたは周期的で動作可能に結合されてもよいコンデンサを含む。ループ通信モジュール２０に代えて、無線圧力トランスミッタ３０は、無線トランシーバ３４を含む。無線トランシーバ３４は、制御部２４に動作可能に結合されて、電力モジュール３２からの電力を受信する。無線トランシーバ３４は、制御部２４に結合されて、制御部２４からのコマンドおよび／またはデータに基づいて、アンテナ３６を介して、外部無線装置と相互動作する。アプリケーションに依存して、無線トランシーバ３４は、無線ネットワーキング技術（たとえば、カリフォルニア州アーバインのLinksys社製のIEEE 802.11b無線アクセスポイントおよび無線ネットワーキング装置）、セルラ、またはディジタルネットワーキング技術（たとえば、カリフォルニア州サンノゼのAeris Communications社製のMicroburst（登録商標））、超広域帯（Ultra Wide Band）、フリーオプティックス、広域自動車通信システム（GSM）、汎用パケット無線システム（GPRS）、符号分割多重アクセス（CDMA）、スペクトル拡散技術、赤外線通信技術、SMS（ショートメッセージ／テキストメッセージサービス）、または他の任意の好適な無線技術を含むが、これらに限定されない、任意の好適な無線通信プロトコルに従って通信するように適合されてもよい。さらに、既知のデータコリジョン技術を用いて、複数のトランスミッタ３０が、互いに無線で動作する範囲内に共存できるようにすることができる。そのようなコリジョンの防止は、多くの異なる無線周波数チャネルおよび／またはスペクトル拡散技法を用いることを含むことができる。また、圧力トランスミッタ１０とともに無線トランシーバ３４を用いることができ、これにより圧力トランスミッタ１０に無線通信能力が提供される。この点で、圧力トランスミッタ１０は、プロセス変数情報については有線プロセス通信ループを通じて提供することができるが、砂の流れ検出情報については無線通信を介して提供することができる。

図４は、本発明の実施形態の、プロセス圧力トランスミッタ４０の概略図である。圧力トランスミッタ４０のいくつかのコンポーネントは、圧力トランスミッタ３０のコンポーネントと同様であり、類似したコンポーネントには、同様に番号が付されている。圧力トランスミッタ４０は、測定回路２６に結合された音響センサ５０を含む。センサ５０はトランスミッタ４０のコンポーネントとして図示されているが、センサ５０を、事実上、トランスミッタ４０から遠隔的に、たとえば管上に備え付けて配置し、好適なケーブリングを介して、測定回路２６に電気的に結合させることができる。センサ５０は、任意の好適なセンサ、たとえば圧電トランスデューサまたはマイクロフォンにすることができる。さらに、本発明の実施形態に関して記載された信号処理技法を、センサ５０からの信号に同様に適用することができる。

上述のように、プロセス配管内部のエルボ、狭窄部、または差分生成器への固体、たとえば砂の衝突は、配管と、インパクト点から管を行き来する流体とを介して伝導される音響エネルギを作り出す。この音響エネルギは、上述の多様な構成のいずれかに従って構成された圧力トランスミッタによって検出される。一般的に、音響エネルギは、以下の３つの方法の一つ以上によって検出することができる。

砂のノイズ信号は、ゲージ圧信号または差圧信号に付加され、測定された圧力信号に、より高い変動性を作り出す。この変動性の増大は、変動性をリアルタイムで監視することによって検出することができる。測定された圧力信号の変動性が、予め選択された値を超えた場合、砂の流れが検出されたと見なされる。既知の統計的なプロセス監視技法は、一般的に、プロセス圧力の平均および標準偏差の算出およびフィルタリングによる、信号の特徴付けを含む。フィルタリング（たとえばハイパスフィルタリング）は、多くの場合、信号のより遅い変化、たとえば坑口オペレーションの変化によるものを取り除くために必要とされる。標準偏差の値が、予め選択された値よりも上である場合、警報を生成して、アナログおよび／またはディジタル通信を含む任意の好適な手段を介して、ローカルなまたは遠隔的なオペレータに送信する。これに代えて、PlantWeb（登録商標）警報または他の警報表示を生成して、ディジタル通信を介して、ローカルなまたは遠隔地のオペレータに送信することができる。そのような算出値を最大にするために、プロセス圧力トランスミッタは、良好な周波数応答および比較的高い更新率を有することが好ましい。上記で列記された２２Ｈｚの更新率は、圧力トランスミッタ、たとえばミネソタ州チャンハッセンのRosemount社により販売されている型番３０５１Ｓまたは３０５１Ｃの標準であり、そのような更新率は、音響信号の正確な検出に十分であると考えられる。

検出を行うことができるまた別の方法は、ディジタル信号処理に関する。砂の流れによって作り出された音響信号は、結果として、従来のディジタル信号処理手段を介して、圧力トランスミッタによって測定することができる特定の周波数または周波数帯域で、ノイズを著しく増大させる。たとえば、圧力トランスミッタは、標準的な圧力算出に加えて、好ましくは１Ｈｚ〜１１Ｈｚまでにわたる周波数、すなわち上記に列記された３０５１型トランスミッタにとってのナイキスト周波数の帯域を通じて、有限インパルス応答（ＦＩＲ）または無限インパルス応答（ＩＩＲ）ディジタルフィルタを介したフィルタリングをさらに行う。フィルタリングされた信号の振幅が測定されて、測定された振幅が、プリセット値よりも高い場合、ローカルなまたは遠隔地のオペレータに対し、警報またはPlantWeb（登録商標）警報を生成する。

砂の流れを検出できるさらなる別の方法は、上記で開示された高周波測定技術のいずれかを利用することによるものである。上記で言及された３０５１シリーズの圧力トランスミッタは、現在、シグマ・デルタ技術に基づくアナログ・ディジタル変換器を用いている。このことは、１ビットＡ／Ｄ変換器を用いて、著しく高いレート、たとえば５０ｋＨｚで信号をサンプリングし、より遅いレート（すなわち、２２Ｈｚで２４ビットかまたはそれ以上）でダウンサンプリングおよびフィルタリングして、著しく高い分解能を発生することができる技法を提供する。この技法は、圧力測定に適用されるものとして既知である。このように、高周波圧力センサおよび／またはシグマ・デルタ変換器からの高周波ビットストリームデータを用いて、ディジタルサンプリングおよび処理技法に基づいて、高周波信号から、砂の流れの状態に関する有用な情報が判定される。

図５は、本発明の実施形態の、プロセス変数と併せて砂の流れの表示を提供するための方法のフロー図である。方法１００はブロック１０２で開始し、ここで未処理の圧力センサ信号情報が得られる。好ましくは、この信号情報は、シグマ・デルタ・アナログ・ディジタル変換器からの未処理のビットストリームデータである。このデータをハイパスフィルタリング１０４して、低周波信号を取り除くことができ、ブロック１０６で表示されるように、残りの信号の振幅を、既知の閾値と比較することができる。信号が閾値よりも上である場合、制御はブロック１０８に進み、ブロック１１０で表示されるように砂警報を生成する。しかし、測定された信号が閾値よりも低い場合、制御はライン１１２に沿ってブロック１０２に戻る。さらに、未処理のセンサ信号は、任意的には、仮想線のブロック１１４で表示されるように、ローパスフィルタを通過させることができる。ブロック１１６で表示されるように、既知の技法によって、低周波信号を用いてプロセス圧力を計算することができる。その後、ブロック１１８で表示されるように、計算されたプロセス圧力に基づいて、プロセス圧力値が生成される。さらに、ブロック１２０において、任意の警報に加えて、プロセス変数情報が出力される。上述のように、両方のそのような情報の部分を、任意の好適なプロセス通信ループで、または無線技法を用いて、ディジタルに伝送することができる。さらに、一つの技法に従って、情報の一方の部分を伝送できると同時に、その他方を異なる方法で伝送できる。またさらには、砂警報は、たとえば、プロセス通信ループを通じてディジタルに伝送されるのみならず、プロセス圧力トランスミッタ自体で、報知器を点滅させるかまたは可聴警報を生成するような数多くの形式をとることができる。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質および範囲から逸脱することなく、形式および詳細に変更を加えてもよいことが認識されよう。

本発明の実施形態が特に有用であるプロセス測定システムの概略図である。 本発明の実施形態の、砂の流れを検出するように構成されたプロセス圧力トランスミッタの概略図である。 本発明の別の実施形態の、砂の流れを検出するように構成されたプロセス圧力トランスミッタの概略図である。 本発明の別の実施形態の、砂の流れを検出するように構成されたプロセス圧力トランスミッタの概略図である。 本発明の実施形態の、プロセス圧力および砂の流れ警報を提供する方法のフロー図である。

Claims (18)

1. プロセス流体の圧力を表示する情報を提供するための工業用フィールド装置であって、
   制御部と、
   制御部に結合された通信回路と、
   プロセス流体の圧力に関連して変化する電気的特性を有する圧力センサと、
   圧力センサに結合され、制御部に結合された測定回路とを含み、
   制御部が、圧力に関連して、通信回路を介した通信を生成するように構成され、制御部が、プロセス流体内部の固体の流れの表示を提供するように構成される、工業用フィールド装置。
2. 固体が砂である、請求項１記載の工業用フィールド装置。
3. 圧力センサが、半導体ベースの圧力センサである、請求項１記載の工業用フィールド装置。
4. 制御部が、圧力の統計的パラメータが、予め選択された値を超えるかを判定することにより、固体の流れの表示を提供するように構成される、請求項１記載の工業用フィールド装置。
5. 統計的パラメータが変動性である、請求項４記載の工業用フィールド装置。
6. 統計的パラメータが標準偏差である、請求項４記載の工業用フィールド装置。
7. 制御部が、固体の衝突が予想される範囲内の周波数スペクトルの振幅を観察することにより、固体の流れの表示を提供するように構成される、請求項１記載の工業用フィールド装置。
8. 周波数スペクトルの振幅を観察することが、アナログ・ディジタル変換器からのビットストリームデータを用いることを含む、請求項７記載の工業用フィールド装置。
9. アナログ・ディジタル変換器が、シグマ・デルタ・アナログ・ディジタル変換器である、請求項８記載の工業用フィールド装置。
10. 測定回路に動作可能に結合された音響センサをさらに含む、請求項１記載の工業用フィールド装置。
11. 通信回路が、有線プロセス通信ループに結合可能であり、プロセス工業用標準通信プロトコルによって通信するように構成される、請求項１記載の工業用フィールド装置。
12. プロセス通信ループに動作可能に結合可能であり、プロセス通信ループから受信したエネルギによって、フィールド装置に全体的に電力供給するように構成された電力モジュールをさらに含む、請求項１１記載の工業用フィールド装置。
13. 通信回路が、アンテナに結合され、無線で通信するように構成される、請求項１記載の工業用フィールド装置。
14. 再充電可能なエネルギ源を有する電力モジュールをさらに含む、請求項１３記載の工業用フィールド装置。
15. 工業用フィールド装置で、流体内の固体の流れを検出する方法であって、
    流体にさらされているプロセス機器に、圧力センサを結合することと、
    流体に関する圧力を判定することと、
    プロセス流体の圧力情報を提供し、固体の流れの表示を選択的に提供することと、
    固体の流れの表示を選択的に提供することは、圧力の統計的パラメータが、予め選択された値を超えるかを判定することを含んでいる、
    を含む方法。
16. 統計的パラメータが変動性である、請求項１５記載の方法。
17. 統計的パラメータが標準偏差である、請求項１５記載の方法。
18. アナログ・ディジタル変換器が、シグマ・デルタ・アナログ・ディジタル変換器である、請求項１５記載の方法。

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