JP5203222B2 - 圧力センサ不具合検出 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、プロセス流体の圧力を測定するために用いられるタイプの圧力センサに関する。特に、本発明は、そのような圧力センサの診断に関する。

トランスミッタはプロセスの監視に用いられ、制御システムが工業プロセスの様々なプロセス変量を測定するために用いられている。あるタイプのトランスミッタは、プロセス中のプロセス流体の圧力を測定する。よく知られている技法の一つは、偏向可能なダイアフラムを用いるものである。キャパシタのキャパシティブプレートの一つを形成するダイアフラムに関するキャパシタンスを測定する。印加された圧力によってダイアフラムが偏向されると、測定されるキャパシタンスは変化する。そのような構成では、圧力測定に不正確さのいくつもの原因が存在する。

これらの不正確さに取り組む一つの技法は、改良された誤り補正を有するプロセス圧力測定デバイスなる題名で、２００１年１０月２日付でフリックらに対し発行された米国特許第６２９５８７５号公報に述べられているが、これはそれら全体で参照としてここに組み込まれる。この特許公報では、測定の不正確さを減ずるために用いられる追加の電極を含む圧力センサが記述されている。しかし、不具合の発生、又は不具合が起こりそうな可能性を検知するために、それら圧力センサの診断を行うことが望まれている。

圧力センサに対する診断システムは、印加された圧力を受動するように構成されたキャビティを含んでいる。そのキャビティは、第１及び第２の壁を含んでいる。偏向可能なダイアフラムがそのキャビティ中に配置されており、ダイアフラムは、第１の壁と共に第１及び第２のキャパシタンスを、第２の壁と共に第３及び第４のキャパシタンスを形成する。そのキャパシタンスは、印加された圧力に応じて変化する。第１及び第３のキャパシタンスは、第１の伝達関数を形成し、第２及び第４のキャパシタンスは第２の伝達関数を形成する。回路は、その第１及び第２の伝達関数の変化を検知するように構成されている。

本発明は多重電極キャパシタンス・ベースの圧力センサの不具合又は起こりそうな不具合の検知のための装置及び方法を提供する。本発明では、圧力センサのキャパシタンスの伝達関数の変化を、圧力センサの診断作業に用いている。

背景技術欄で述べたように、改良された誤り補正を有するプロセス圧力測定デバイスなる題名で、２００１年１０月２日付でフリックらに対し発行された米国特許第６２９５８７５号公報では、改良された正確さを有する圧力センサが記述されている。しかしながら、その圧力センサの内の不具合が生じ得るし、その不具合は圧力測定の正確さを減ずる。本発明は、そのような不具合の検知のための方法及び装置を提供する。不具合の例には、例えば、剥離又は他の原因による電極のサイズの変化、電極とその電極への電気接続の間の接触の損失、測定回路と電極の間の不安定な接続又は配線の破壊、電極間に仮想的又は実際の短絡回路を形成する伝導性粒子によって引き起こされ、圧力測定のスケールに、実際にスケールが外れてしまうような逸脱を生じさせることになる「フォールド・バック」条件、圧力センサの電極間のギャップの内側又は外側に移動する非伝導性粒子によって引き起こされる非線形性、及び圧力センサをプロセス流体から分離するための用いられる分離器の穿孔によって生じる充填流体の誘電率の変化が含まれる。

図１は、一般的な、多重電極キャパシタンス・ベースの圧力センサを用いるタイプのプロセス測定システム３２の環境を示している。図１は、プロセス圧力を測定するためにプロセス測定システム３２に接続された加圧された流体を含むプロセス配管３０を示している。プロセス測定システム３２は、配管３０に接続されたインパルス配管３４を含んでいる。インパルス配管３４は、プロセス圧力トランスミッタ３６に接続されている。導管板、ベンチュリー管、流れ噴射口、などの主要部材３３は、インパルス配管３４の管の間のプロセス配管３０中のある場所でプロセス流体と接触する。流体が主要部材３３を通り過ぎると、主要部材３３は流体中に圧力の変化を引き起こす。

トランスミッタ３６はプロセス測定デバイスであり、インパルス配管３４を通じてプロセス圧力を受動する。トランスミッタ３６は、差分プロセス圧力を探知し、それをプロセス圧力の関数である標準化された伝送信号に変換する。

プロセスループ３８は、制御室４０からトランスミッタ３６への電力信号及び双方向信号の両方を供給し、いくつものプロセス通信プロトコルに従って構成することができる。図示された例では、プロセスループ３８は、２線式ループである。２線式ループは、４−２０ｍＡ信号で平常に動作している間、あらゆる電力及びあらゆる通信をトランスミッタ３６へ送信し、又トランスミッタ３６から送信される。コンピュータ４２若しくはモデム４４を通じた情報処理システム、又は他のネットワークインタフェイスが、トランスミッタ３６との通信に用いられる。別に備えられた電圧供給器４６は、トランスミッタ３６を作動させる。その代わりに、トランスミッタは自己電力源を含み、無線に基づいたプロトコルを使った情報を送信するということも可能である。

図２は、圧力トランスミッタ３６の簡略化したブロックダイアグラムである。圧力トランスミッタ３６は、互いにデータバス６６を介して接続される、センサモジュール５２及びエレクトロニクスボード７２を含んでいる。センサモジュールエレクトロニクス６０は、印加された差圧５４を受動する圧力センサ５６に接続される。データ接続５８は、センサ５６をアナログ・デジタル変換器６２に接続している。オプションの温度センサ６３も、センサモジュールメモリ６４と並んで図示されている。エレクトロニクスボード７２は、マイクロコンピュータシステム７４、エレクトロニクスメモリモジュール７６、デジタル・アナログ信号変換７８、及びデジタル通信ブロック８０を含んでいる。

フリックらに対する米国特許第６２９５８７５号公報で説明された技術に従うと、圧力トランスミッタ３６は、差圧を探知する。しかしながら、本発明はそのような構成に限定されない。

図３は、圧力センサを示すセンサモジュール５６の一つの実施形態の簡単化した断面図である。圧力センサ５６は、プロセス流体をキャビティ（空洞）９２から分離する分離ダイアフラム９０（図３を参照のこと）を通じてプロセス流体と結合する。キャビティ９２は、インパルス配管９４を通じて圧力センサモジュール５６に接続している。ほぼ非圧縮性の充填流体はキャビティ９２及びインパルス配管９４を充たす。プロセス流体からの圧力がダイアフラム９０に付与されると、それは圧力センサに伝送される。

圧力センサ５６は二つの圧力センサの半分１１４、１１６から形成され、好適には脆く、ほぼ非圧縮性の材料１０５で充たされている。ダイアフラム１０６は、センサ５６の内部に形成されたキャビティ１３２、１３４の内部に取り付けられている。キャビティ１３２、１３４の外側の壁は電極１４６、１４４、１４８、１５０を支持している。これらは、一般に、キャパシタ板１４４及び１４８は主電極、キャパシタ板１４６及び１５０は第２電極として参照される。これらの電極は、可動なダイアフラム１０６に関するキャパシタを形成する。それらのキャパシタは、再び、主キャパシタ及び第２キャパシタとして参照されることがある。

図３に示したように、センサ５６中の様々な電極が電気的接続１０３、１０４、１０８、１１０越しにアナログ・デジタル変換器６２に接続されている。加えて、偏向可能なダイアフラム１０６は、接続１０９を通じてアナログ・デジタル変換器６２に接続されている。

米国特許第６２９５８７５号公報で議論されているように、センサ５６に印加される差圧は電極１４４−１５０を用いて測定され得る。以下で議論するように、これらの電極を用いて測定されるキャパシタンスは、圧力センサ５６の状態を診断するために用いることが可能である。本発明によると、新しいキャパシタンス伝達関数が次のように与えられる、つまり、主電極１４４及び１４８から入手可能な差圧（ＤＰ）の情報は、輪電極１４６及び１５０から入手可能な差圧情報と比較することができる。キャパシタンス伝達関数Ｈは、定数の出力を与え、圧力センサ５６の工場で校正された状態を表し、Ｈ_０で表記される初期値を有している。Ｈ関数の出力は、本質的には、印加された差圧及びライン圧力には無関係で、Ｈ関数の出力をほぼ実時間で、オペレータまたはユーザに診断出力の形式で提供することができる。伝達関数は、例えば、図２に示したマイクロコンピュータシステム７４に実装し、それを監視することができる。Ｈ伝達関数は、センサの動作中の単一の不具合の監視に用いることが可能であるのみならず、同時に起こることで増大した不具合の監視にも用いることが可能である。ダイアフラムの同一の側の、同じ相対パーセントだけの主電極及び輪電極の面積の減少のような、互いに相殺する不具合は、伝達関数Ｈによっては検知されないかも知れない。しかしながら、同様に、互いに相殺する不具合は、差圧出力信号にはそれほど大きな誤差を引き起こさない。

上述のように、センサ電極に対する損傷は、小さなずれから大きくスケールの外れた不具合まで変化し得る、不正確な圧力測定を引き起こす可能性がある。センサ電極に対する損傷は多くの原因に因るだろう。例えば、蒸気が堆積した電極の部分は、製造過程で存在する有機フィルム又は他の汚染物質などからなる内在する汚染物質によって、キャビティ壁に対する接着を維持できなくなる。センサの誤差の重大さは、電極ロスによって変化する。薄い電極は、電極と電極に繋がる電気的配線との間に作られた接触の信頼性をも危ういものにする。さらに、センサからトランスミッタの内部の電気回路への配線は、製造または使用の間に損害を受けることになる可能性がある。配線接合または接続も、損傷を受けることになる可能性がある。そのような製造欠陥は、検査を通じては検知することが難しい。さらに、使用中は、そのような欠陥は徐々に悪化して行き、センサのドリフト、不安定性、又は信号のロスとなり得る。差圧信号は、対向する電極のいずれかにあるセンサダイアフラムに接触する伝導性粒子によって途切れることもある。これは、スケールを外れた読み値が平常圧力として検知される過圧力条件下での「フォールド・バック」条件に陥る可能性を秘めている。さらに、伝導性粒子は、電極１４６、１５０を流れる大きな電流の汲み出しを引き起こし得て、これは大きなキャパシタンスとして現れる可能性がある。もし、印加された差圧がセンサの上方範囲限界を超えている時にこれが生じると、センサはスケールの読みにおいて誤差を示すことであろう。もし、そのような粒子が非伝導性であれば、ダイアフラムの偏向が粒子によって妨げられるので、差圧出力は非線形になる。本発明を用いれば、伝達関数Ｈを監視し、例えば、工場校正の間に決定された値のようなメモリに記憶された公称値と比較し、もし差が所望の閾値を超えるならユーザへの警告をするために用いられる。Ｈ伝達関数の校正値からのそのようなずれは、差圧に関わらず、不具合又は起こりそうな不具合を示し得る。

伝達関数Ｈは、伝達関数ＴＦ_Ｍ及びＴＦ_Ｒを用いて導出することができる。これらは、それぞれ、主電極１４４及び１４８、並びに輪電極１４６、１５０の伝達関数である。ＴＦ_Ｍ及びＴＦ_Ｒは、差圧と線形に関係している中央ダイアフラム１０６（ＣＤ）の偏向と共に線形に変化する。キャビティ及び中央ダイアフラムの曲率の放物線近似を用いると、ダイアフラムの偏向のキャビティの深さに対する比率は、センサ５６の軸から放射方向のどの位置であっても定数であることを示すことができる。よって、

を示すことができ、ここで、Ｍ_１及びＭ_２は、二つの主電極で形成される（あらゆるストレイキャパシタンスを除いた）アクティブキャパシタンスであり、Ｒ_１及びＲ_２は、中央ダイアフラムに関連して輪電極によって形成されるアクティブキャパシタンス値である。しかしながら、輪電極に近い中央ダイアフラムは、球形（又は放物形）からはずれている。このことは、主電極１４４、１４８に比べて、外側電極リング１４６、１５０に対しては、ａで表わされるゲージ因子が少し異なるという結果をもたらす。

図４は、差圧に対するＴＦ_Ｍ及びＴＦ_Ｒの図である。図４から読み取ることができるように、二つの伝達関数の傾きはおよそ５％ほど異なっている。傾きはゲージ因子として参照される。伝達関数に対する関係は次のように定義することができる。

ここで、ａは、ゲージ因子、ＤＰは印加された差圧、ｂはｙ切片、及び添え字は輪電極又は外部電極、及び主電極を指定する。

差圧値は、数式３及び４に共通であり、これらの数式を以下の数式５、６及び７のように組み合わせることができる。

Ｈの初期校正値はＨ_０で表わされ、

で定義される。各々のセンサに対し、ａ_Ｍ、ａ_Ｒ、ｂ_Ｍ及びｂ_Ｒは固有の定数である。従って、センサへの物理的な変化を排除すれば、Ｈの値は、印加された差圧に関係なくほぼ一定である。つまり、数式８のように、

となる。センサがゼロのオフセットを有しないときとは違って、Ｈが０と評価される場合には、ｙ切片は０であることに注意しよう。しかしながら、実際には、若干のキャビティ深さ及び電極面積の不整合があり、センサの寿命に渡って一定にとどまるが、Ｈは小さな非零の値となる。

一定の名目値Ｈ、Ｈ_０は、製造過程の間に測定することができる。例えば、差圧センサが校正されているときに、測定を行うことが可能である。電極に不具合がない限りは、校正値Ｈ_０は、トランスミッタの寿命に渡って大きくは変化しない。関数Ｈの信号と雑音の比は、差圧の測定に用いられるＴＦ_Ｍ及びＴＦ_Ｒと比較されよう。従って、電極損傷及び非線形効果に対するＨの感受率は、印加された圧力に対する圧力センサの感受率とほぼ同程度であろう。しかしながら、充填流体定数の変化に対するＨの感受率は、主電極と輪電極の間のゲージ因子の差によって直接的に変化する。従って、誘電率の変化に対する感受率は、電極破損に対するものよりずっと小さい。

図５Ａは、差圧のある領域に渡る輪電極キャパシタンス及び主電極キャパシタンスと、Ｈの値の変化の図であり、一方、図５Ｂは、主電極の面積の２％が損傷した後の、同じ図である。同様に、図５Ｃは、主電極の面積の４％が損傷した後の結果を示している。図５Ｄは、輪電極の面積の４％が損傷した後の結果を示している。図５Ｅは、充填流体の誘電率が３０％増加した結果を示した図である。充填流体の誘電率の変化に対する感受率は、主電極及び輪電極の間のゲージ因子の不整合に大きく依存する。例えば、中央ダイアフラムの厚さの増加またはダイアフラムの蝶番点の直径の減少によって、感受率は増大する。

印加された差圧に対してＨの無依存性は、キャビティの深さの不整合によってはほとんど影響を及ぼされないのに、電極面積の不整合によって大きく変化され得る。Ｈが印加された圧力と共に変化する機器では、差圧に関係するＨの値は、製造中に校正して、損傷に対する本発明の診断システムの感受率を高めることができる。

動作においては、現在のＨの値は、トランスミッタ内部の回路、例えば、図２に示されているマイクロコンピュータシステム７４を用いて算出することができる。マイクロコンピュータ７４の内部のメモリは、Ｈ_０の名目値又は校正値を記憶できる。動作中、マイクロコンピュータ７４は周期的にＨの現在値を算出し、それを名目値と比較する。もし、Ｈの現在値が名目値に関して予め決められた閾値より大きく変化している、又は他の基準に抵触するならば、例えば、マイクロコンピュータ７４は、３８からの２線式通信ループへ又は局所的出力を通じてメッセージを送信することによって、オペレータに警告を発することができる。プロセッサの休止時間中で追加の計算パワーが利用可能ならば、２線式プロセス制御ループ３８からのコマンドを受信する、又は他の方法によって、Ｈは周期的に算出することができる。加えて、もしある特定のセンサに対するＨの値が、印加された差圧のような他の変数に対して変化しているならば、Ｈはこの変数に対して校正することもできる。このような構成では、マイクロプロセッサ制御器は、変量及びＨ_０の校正値を基にして行われるＨの現在値との比較に基づいて、Ｈ、Ｈ_０の名目値を算出することができる。

上述した機能に加えて、Ｈ関数は、充填流体に圧力センサの二つの半分の間を流れることを許容する中央ダイアフラムでの漏れの検知のために使用することもできる。このような構成では、センサの一つの半分内の誘電性充填流体は、センサの別の半分の中の充填流体とは異なる誘電定数を有する。実装の容易さのため、高い誘電定数を持つ充填流体は、セルキャパシタンスの増加を補償するために小さな電極面積と共に加工され得る。より具体的な例では、もしある誘電定数が別のものの２倍の誘電定数であれば、電極のサイズは因子２だけ減少させることができる。

異なる誘電定数を持つ充填流体を用いると、Ｈ関数を利用する上記の技法は、不具合のある圧力センサの識別に用いることができる。

好ましい実施形態を参照しつつ本発明について述べてきたが、当業者は本発明の意図及び目的を逸脱しない形態及び詳細の範囲で、変形が可能であることは理解できるであろう。本発明を、特定の電極及びセンサ構造に関して示してきたが、本発明の意図は、他の構造にも適用可能でありう、本発明は、これまで述べてきた特定の構造に限定されない。電極及びダイアフラムの場所、形状、大きさなどは、適切なものに変更することができる。さらに、本発明は、診断機能の実装に、多くの計算を用いている。本発明は、上述した特定の計算に限定されず、適切な他のものと差し替えることができる。

本発明で用いられるプロセス環境を示す簡略図である。 本発明の診断能力を実装するように構成された圧力トランスミッタを示すブロック図である。 本発明を実装するための圧力センサを示す、図２のトランスミッタの部分の断面図である。 （第１及び第３のキャパシタンスを用いた）第１の伝達関数を、（第２及び第４のキャパシタンスを用いた）第２の伝達関数と比較している図である。 様々な条件の下、主キャパシタンス及び輪キャパシタンスに関連するＨの値の変化を示す図である。 様々な条件の下、主キャパシタンス及び輪キャパシタンスに関連するＨの値の変化を示す図である。 様々な条件の下、主キャパシタンス及び輪キャパシタンスに関連するＨの値の変化を示す図である。 様々な条件の下、主キャパシタンス及び輪キャパシタンスに関連するＨの値の変化を示す図である。 様々な条件の下、主キャパシタンス及び輪キャパシタンスに関連するＨの値の変化を示す図である。

符号の説明

３０ 配管
３２ プロセス測定システム
３３ 主要部材
３４ インパルス配管
３６ プロセス圧力トランスミッタ
３８ プロセスループ
４０ 制御室
４２ コンピュータ
４４ モデム
４６ 電圧供給器
５２ センサモジュール
５４ 印加された差圧
５６ 圧力センサ
５８ データ接続
６０ センサモジュールエレクトロニクス
６２ アナログ・デジタル変換器
６３ 温度センサ
６４ センサモジュールメモリ
６６ データバス
７２ エレクトロニクスボード
７４ マイクロコンピュータシステム
７６ エレクトロニクスモジュールメモリ
７８ デジタル・アナログ変換器
８０ デジタル通信
９０ 分離ダイアフラム
９２ キャビティ
９４ インパルス配管
１０３、１０４ 電気的接続
１０５ ほぼ非圧縮性の材料
１０６ ダイアフラム
１０８、１１０ 電気的接続
１１４、１１６ 圧力センサの半分
１３２、１３４ キャビティ
１４４、１４６、１４８、１５０ 電極

Claims (15)

1. 圧力センサのための診断システムであって、
   第１及び第２の壁を有し、印加された圧力を受けるように構成されたキャビティと、
   前記キャビティ内に配置された偏向可能なダイアフラムであって、
   前記ダイアフラムと前記第１の壁とで第１及び第２のキャパシタンスを形成し、
   前記ダイアフラムと前記第２の壁とで第３及び第４のキャパシタンスを形成し、
   前記第１、第２、第３、及び第４のキャパシタンスは、前記印加された圧力に応じて変化し、
   前記第１及び第３のキャパシタンスは、第１の伝達関数を形成し、
   前記第２及び第４のキャパシタンスは、第２の伝達関数を形成するように構成されたダイアフラムと、
   前記第１及び第２の伝達関数の関数として診断出力を提供するように構成された回路と、を含み、
   前記第１の伝達関数は、ＴＦ _Ｍ ＝ａ _Ｍ ＤＰ＋ｂ _Ｍ の形をしており、
   前記第２の伝達関数は、ＴＦ _Ｒ ＝ａ _Ｒ ＤＰ＋ｂ _Ｒ の形をしており、
   ここでａ _Ｍ 及びａ _Ｒ はゲージ因子、ＤＰは印加された差圧、ｂ _Ｍ 及びｂ _Ｒ はｙ切片であり、添え字Ｍは第１及び第３のキャパシタンス、並びに添え字Ｒは第２及び第４のキャパシタンスを識別する、圧力センサの診断システム。
2. 前記回路は２線式プロセス制御ループを介して前記診断出力を提供するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記回路は、前記第１及び第２の伝達関数に基づいてキャパシタンス伝達関数Ｈの現在値を算出する、請求項１記載のシステム。
4. 前記回路はさらに、算出された伝達関数Ｈの現在値を名目値Ｈ_０と比較するように構成されている、請求項３に記載のシステム。
5. 前記回路はさらに、
   

   

   のように、伝達関数Ｈの現在値を算出するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記診断出力は前記圧力センサの電極の状態を示す、請求項１に記載のシステム。
7. 前記診断出力は、ダイアフラムの漏れ、圧力センサの不具合、電極ロス、汚染、電気的接続の切断、配線の損傷からなる診断出力の群を示す、請求項１に記載のシステム。
8. 前記偏向可能なダイアフラムの片側の充填流体は、偏向ダイアフラムのもう一方の側の充填流体の誘電率とは異なる誘電率を有する、請求項１に記載のシステム。
9. 偏向可能なダイアフラムと、主電極と、輪電極とを有する圧力センサの診断作業の方法であって、
   前記圧力センサの第１、第２、第３、及び第４のキャパシタンスを測定し、前記第１及び第３のキャパシタンスは前記主電極と前記ダイアフラムとの間で形成され、前記第２及び第４のキャパシタンスは前記輪電極と前記ダイアフラムとの間で形成され、前記第１及び第３のキャパシタンスは第１の伝達関数を形成し、前記第２及び第４のキャパシタンスは第２の伝達関数を形成し、
   測定された前記第１、第２、第３、及び第４のキャパシタンスを基に伝達関数Ｈの現在値を算出し、
   診断出力を提供するために、前記算出された値の変化を基に前記圧力センサの診断作業をし、
   前記第１の伝達関数は、
   

   

   の形をしており、前記第２の伝達関数は、
   

   

   の形をしており、ここでＭ _１ 及びＭ _２ は、主電極とダイアフラムの間のキャパシタンスを指し、Ｒ _１ 及びＲ _２ は、輪電極とダイアフラムの間のキャパシタンスを指し、ａ _Ｍ 及びａ _Ｒ はゲージ因子、ＤＰは印加された差圧、ｂ _Ｍ 及びｂ _Ｒ はｙ切片であり、添え字Ｍは第１及び第３のキャパシタンス、並びに添え字Ｒは第２及び第４のキャパシタンスを識別し、
   伝達関数Ｈの現在値と名目値Ｈ _０ とを比較することを含む、
   圧力センサの診断作業の方法。
10. 前記診断出力は、前記偏向可能なダイアフラムの漏れを示す、請求項９の方法。
11. 前記算出された値の変化を基に前記診断出力が提供される、請求項９の方法。
12. 伝達関数Ｈの現在値を、
    

    

    として算出し、伝達関数Ｈの現在値と名目値Ｈ_０とを比較することを含む、
    請求項９に記載の方法。
13. 前記現在値の変化は、前記圧力センサの電極の状態を示す、請求項９に記載の方法。
14. この方法のステップをプロセストランスミッタ中のマイクロコンピュータに実装することを含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記診断作業が、前記偏向可能なダイアフラム中での漏れを検出することを含む、請求項９に記載の方法。

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