JP5318194B2 - 圧電変換器を利用する工業プロセス機器 - Google Patents

Description

本発明は工業プロセス制御及び監視システムと接続するために用いられるタイプの工業プロセス機器に関する。

工業的環境においては、工業的及び化学的プロセスなどの在庫を監視しかつ制御するために制御システムが用いられる。典型的には、工業的プロセスにおける主要な場所に配置され、かつプロセス制御ループで制御室に設置された制御回路に接続されたフィールド機器を使用して、制御システムがこれらの機能を実行する。この「フィールド機器」という用語は、工業プロセスの測定、制御及び監視に用いられる全ての機器を含む、分散された制御又はプロセス監視システムにおいて機能を実行する任意の機器を指す。

いくつかのフィールド機器はプロセス変量センサーを含む。典型的には、変換器は入力を異なる形態を有する出力に変換する。変換器の種類は、種々の分析機器、圧力センサー、サーミスター、熱電対、歪みゲージ、流量送信器、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、表示灯などを含む。他のフィールド機器は制御要素を含み、かつ工業プロセスを制御するために用いられる。このようなフィールド機器の例は、弁制御器、弁位置制御装置、加熱器制御装置、ポンプ制御装置などを含む。

多くのプロセス設備においては、プロセス機器は脈動を経験する。脈動はプロセスの正常運転中におこり得る。

工業プロセスに接続されるプロセスの監視又は制御に使われるプロセス機器は、物理的に工業プロセスに接続するように構成されている機器ハウジングを含む。プロセス変量センサーはプロセス変量を測定するように構成されており、かつプロセス変量センサーに接続された測定回路は検知されたプロセス変量に関する出力を与える。圧電変換器は工業プロセスにおける圧力脈動に関する電気的出力を与える。ハウジング内の電気回路は圧電センサーからの電気的出力を受信するように構成された入力装置を含む。ひとつの機器構成においては、電気的出力はプロセス機器に電力を与える。

工業プロセスを監視又は制御するためのプロセス監視又はプロセス制御システムの簡略化した図である。 診断の実施に用いられる脈動検出回路を含むプロセス機器の断面図及び簡略化したブロック図である。 プロセス機器のための電力の発生に用いられる脈動検出回路を含むプロセス機器の断面図及び簡略化したブロック図である。 圧電変換器と共に用いられる分離隔壁を含むセンサーモジュールの底部平面図である。 圧電変換器と共に用いられる分離隔壁を示す断面図である。 搭載フランジに設置された圧電変換器を含むプロセス機器の平面図である。 プロセスカップリング内に設置された圧電変換器を含むプロセス機器の平面図である。 圧電変換器がプロセス機器から離れた場所にあるプロセス流体に接続されている機器構成の簡略化した図である。

診断をするための又はエネルギーを得るためのプロセスにおいては、機械的振動を利用する様々な先行技術が存在する。しかしながら、これらの振動は、例えばプロセス配管中を流れるプロセス流体からのように、プロセス流体から直接受け取られるよりは、一般的には配管や取付けブラケットなどのようなプロセス要素から受け取られる。これらの圧力脈動は、例えばポンプや配管閉塞などを含む多くの原因から生じる。場合によっては、内部の圧力脈動は、配管自体、ブラケット、又はその他の構成要素に伝えられる外部の機械的振動をもたらさない。しばしば、利用できる最大のエネルギーは、例えばプロセス配管内部のようなプロセス容器の内部に存在する。一形態においては、本発明は、このエネルギーをプロセスから取り込み、それを診断のため及び／又はエネルギーを得るために利用することを含む。ここで使われる「圧力脈動」とはプロセス流体の中の任意の種類の圧力変化のことである。圧力脈動は、圧力の波や移動する波面などの形態で運ばれ得る。ある構成においては、圧力脈動は単一の圧力パルスを含むことができ、他の構成においては、圧力脈動は周期的な又は反復する波の形態、又は延長された持続を伴った他の波の形態であり得る。

図１は、プロセス機器１６を含む本発明による工業プロセス制御装置監視システム１０の簡略化した図である。詳細は下記で論議されるように、プロセス機器１０は、システム１０における圧力脈動に応答して作動しかつそれによって電気的出力を発生するように構成されている圧電変換器（図１には示されない）を含む。

プロセス機器１６は、プロセス流体１４を運ぶように構成されているプロセス配管１２に接続されていることが示される。プロセス接点要素１８は、プロセスに接続するように構成されており、かつプロセス機器１６に入力又は出力するために利用される。例えば、もしプロセス機器１６がプロセス制御送信器として構成されているならば、接点要素１８は、プロセス変量を検知するように構成されている、圧力センサー、流量センサー、温度センサーなどのような、ある種のプロセス変量センサーを含むことができる。その一方で、もしプロセス機器１６がプロセス制御機器として構成されているならば、接点要素１８は、プロセスを制御するために使用される例えば弁、加熱器、モーター、ポンプなどであり得る。プロセス機器１６は、制御室２０のように離れて位置する回路にプロセス制御ループ２２を通じて接続されている。プロセス制御ループ２２は、２本の配線の（２ワイヤ）プロセス制御ループとして示され、例えば工業基準に従って作動するように構成されているプロセス制御ループを含み得る。工業基準例は4-20 mAプロトコル、HART（登録商標）プロトコル、FieldBusプロトコルなどを含む。ある実施形態においては、機器１６は、無線のプロセス制御ループを用いて交信し、同時に有線のループ２２に接続されることも接続されないこともあり得る。図１は同時にプロセス流体内で運ばれる圧力パルス７２を示す。

図２は、プロセス機器１６がフランジなどのようなプロセスカップリング５０を通してプロセス配管に接続される、本発明のひとつの実施形態を示す簡略化した断面図である。フィールド機器１６は、プロセス接点１８に接続される接点回路５２を含む。接点回路５２は、送信器として構成されている場合には、初期処理を行うことができ、かつプロセス変量センサーと共に作動することができる。同様に、接点回路５２は、プロセス制御装置として構成されている場合には、プロセス接点１８を制御するために用いられる。フィールド機器１６は、メモリ６２に保存されたプログラミング命令に従って作動するマイクロコントローラ６０を含む。マイクロコントローラ６０は、同時にそれ自体がプロセス制御ループ２２に接続される入出力回路６４に接続される。ある構成においては、入出力回路６４は同時に、プロセス機器１６の一部又は全ての回路を作動させるために用いられる出力電力を与える。

圧電変換器６８はプロセス機器１６の機器ハウジング７０内に搭載されている。圧電変換器６８は、圧電変換器６８が工業プロセス１４から発生する圧力脈動７２を受け取ることができるように、１以上の追加の構成要素を通して直接又は間接的に物理的にプロセスに接続されている。これらの脈動は、受け取った脈動の関数である電気的出力信号７４をもたらす変換器６８の動作をおこさせる。図２の構成においては、圧電変換器６８は電気的出力信号７４をアナログ・デジタル変換器７６に与える。アナログ・デジタル変換器７６は、出力信号７４を受け取り、かつデジタル化された信号８０をマイクロコントローラ６０に与える。マイクロコントローラ６０は、任意の望ましい技術を用いてデジタル化された信号を処理でき、かつここで論議されるものには限定されない。

ひとつの構成例においては、マイクロコントローラ６０は脈動信号７２の振幅、スペクトル成分、及び／又は特性（時間及び／又は周波数）を監視する。上記信号７２はプロセス１０の公称作動を代表する既知の信号に対して比較される。振幅、スペクトル成分及び／又は特性のような公称信号値は例えばメモリ６２に保存される。

他の構成例においては、出力信号７４のあるレベル又はしきい値が、壊れた又は破損しかかっているポンプ又はブラケットのような、プロセス１０の具体的な破損を示し得る。同様に、ある周波数又は周波数群が、破損しかかっている又は破損したインペラのような具体的な破損を示唆する可能性がある。同時に脈動の情報は、プロセス機器１０、又はプロセス１０の他の機器の、脈動にさらされることによる予想寿命の短縮に関する前兆となる情報を与えることに利用できる。もしプロセス機器１６の作動中に脈動信号７２が保存された公称値からあらかじめ決められた方法で変化するときには、マイクロコントローラ６０によって実施されるプログラミング命令は、さらなる調査を保証するプロセスにおいてある種の事象が起こったという判定をすることに用いられる。例えば、マイクロコントローラ６０は、運転者によって調査されるべき構成要素の破損又は潜在的な破損を示す出力信号を与えることができる。この情報は同時に、弁制御器などのような工業プロセスにおける他の構成要素の作動の徴候を与えるといった、他の目的のために用いることができる。もしプロセス接続５０がゆるんだときには、脈動信号７２も同時に変化する。他の例として、もし仮に脈動信号７２が突然減少するか又はさらには完全に消滅した場合、このことはプロセス１０が不適切に停止したか又は好ましくない状態にあることの表れであり得る。診断技術の様々な例は２００３年７月２９日に交付されたEyrurekによる、参考としてその全てが本明細書に組み込まれる、米国特許Ｎｏ．６，６０１，００５に示されている。

図３は、本発明の機器構成の他の例を示す、プロセス機器１６の他の簡略化したブロック図である。図３においては図２に示されるものと同類の要素はそのままの番号にしてある。図３の機器構成においては、脈動信号７２は圧電変換器６８によって受け取られる。圧電変換器６８からの電流出力信号７４は電力保存回路８２に与えられる。電力保存回路８２は、電力を保存するための任意の適切な機器であり得て、かつ例えば圧電変換器６８からのエネルギーを保存するために使用される電気的コンデンサ及び整流回路、電池などを含み得る。電力保存回路８２は、プロセス機器１６に電力を供給するために利用され得る電力出力信号を与える。そのような機器構成においては、入出力回路６４は電力出力信号を与える必要がないかもしれない。さらにまた、ある構成においては、プロセス機器１６は無線接続を通じて作動するように構成され、かつ入出力回路６４は無線通信のために使われる。電力保存回路８２はプロセス機器１６のための全ての電力を与えることができ、又は機器１６に補足的な又はバックアップの電力を与えることができる。

一般的には、運動エネルギーがない限りこの技術を使ってプロセスから電力を得ることができない。例えば、加圧容器はかなりの量のポテンシャルエネルギーを収容することができる。しかしながら、もし圧力が一定のままであるとエネルギーを得ることができない。ひとつの解決法は、ウォーター「ハンマー」効果、ポンプ脈動などに起因するような、プロセスの圧力の乱れによって生じるエネルギーを得ることである。本発明では、圧電効果を用いることによって、このようなエネルギーを得ることができる。典型的な圧電素子は、比較的低い出力電流を有する。しかしながら、もし充分な力の投入があれば、プロセス制御機器に利用できる充分な電力を発生させることができる。様々な構成においては、プロセス流体内の圧力脈動から電力を得るために圧電変換器を用いることができる。外部配線を省くために、圧電変換器を圧力センサーモジュール又はプロセス回路に組み込むことができる。バッテリーキャパシタ又は、図３に示される電力保存回路８２のような他の電力保存機器をこの機器構成の中に含むことができる。電池は、圧電変換器によって与えられる電力を全面的に又は部分的に補うことができる。さらにまた、圧電変換器は、充分な余剰エネルギーがあるときには電池を充電するために用いることができる。このことで放電を減少させることにより電池の寿命を延ばすことができる。他の構成例においては、変換器６８を作動させかつ圧力脈動を与えるために、マイクロコントローラ６０から圧電変換器６８に制御信号を加えることができる。このような構成においては、送信器の動作を診断し又は点検するために、プロセス機器の圧力センサーで誘起圧力信号を検出することができる。ライン圧力の示度を与えるために同時にその信号の強度を用いることができる。１個の圧電変換器６８しか示されてはいないが、複数の回路を用いることができる。

図４は本発明の実施形態のひとつに用いられる圧力モジュール１５０の底部の平面図を示す。圧力モジュール１５０は、プロセス圧力の高い側に接続される分離隔壁１５２及びプロセス圧力の低い側に接続される分離隔壁１５４を含む。例えば、図２及び図３に示される接点回路５２内に組み込まれた圧力センサーは、プロセス流体によって生じる分離隔壁１５２と１５４との差圧を測定するために使われかつ配置することができる。このような差圧で、例えばプロセス流体の流速を示すことができる。圧電変換器６８をプロセス流体に接続するために、分離隔壁１５６を使うことができる。分離隔壁１５６の動きが圧電変換器６８の作動をおこさせるように、例えば、圧電変換器６８を分離隔壁１５６に取り付けることができる。このことにより、変換器６８がプロセス流体中の脈動を直接検出できるようになる。

図５は、隔壁１５６をより詳細に示すモジュール１５０の側面断面図である。図５に示すように、圧電センサー６８は隔壁１５６に物理的に接続している。センサー６８がモジュール１５０内に形成された空洞１７０に置かれることが示される。電気回路が、変換器６８からの出力７４を伝える。図５の構成においては、プロセス流体内で脈動がおきると隔壁１５６が動く。この隔壁１５６の動きは結果的に変換器６８を作動させ、その結果電気的出力が生じる。上述のごとく、入力信号を変換器６８に加えることができ、その結果隔壁１５６が動作し、プロセス流体内の脈動を誘発する

図６は本発明の他の実施形態例の、送信器電気ハウジング２０２及びセンサーモジュール２０４を含むプロセス変量送信器を示す平面図である。工業プロセスの配管に送信器センサーモジュール２０４を取り付けるために、取付けフランジ２０６が用いられる。フランジ２０６は、例えば弁又はその同様のものを含むことができる。図５の構成においては、圧電変換器６８はフランジ２０６内に設置され、かつ隔壁１５６を用いる図５に示されるような手法を用いてプロセス流体に接続することができる。フランジ２０６から送信器電気ハウジング２０２に伸びる電気回路２１０は、変換器６８からの電気信号を接続するために使用される。

図７は、図６で示すものと類似の方法で構成されている送信器２００の平面図であり、番号はしかるべくそのままにしてある。しかしながら、図７の構成において、送信器２００は温度、圧力などの検出のためのプローブのようなある種のプロセス接続２２０を含む。図７の構成における接続である接続２２０は、圧電変換器６８を含むことが示されている。変換器６８は、例えば図５に示す隔壁１５６を含む任意の適切な手法を用いてプロセスに接続することができる。

図６及び図７の構成においては、圧電変換器６８が「湿った」構成要素内に設置されている。このような構成は、現場で送信器自体を交換することなく修理したり又は改良することができるため、有利であり得る。さらにまた、これらの構成は送信器ハウジング内での追加の空間を必要としない。

図８は、圧電センサー６８が共鳴管２３２を通してプロセス配管２３０に接続されている、本発明の他の機器構成例を示す。変換器６８は、電気回路２３４を通して上述のようなプロセス機器に接続されている。図８の構成においては、圧電変換器はプロセス機器から分離している。変換器６８は、増幅又は信号処理を行う電子機器を含むことができ、かつ例えば容器上のねじを切った引込み口にねじ込むことができるように構成されている。ある機器構成においては、付随する電子機器を含む変換器６８は直径が１から２インチでかつ高さが１から２インチで、かつ筒状の栓のような形状である。このような構成は、現場で修理したり又は改良することができ、かつ、プロセス測定位置が最適プロセス乱れ位置と異なり得るため、エネルギー採取量が増加するので、有利である。任意の密閉された波の媒体内でおこり得る定在波をうまく利用するように、管２６２内の任意の共鳴を構成することができる。例えば、この構成は、プロセス流体内の脈動を増幅するか又はそうでなければ圧電変換器６８の上に脈動の焦点を合わせるために使うことができる。共鳴された管の例においては、式はＬ＝Ｖｓ／Ｆとなり、Ｌは管の長さであり、Ｖｓは音の速度であり、かつＦは音の周波数である。ある構成においては、関心のある脈動周波数は一般的には６０から８０ヘルツの範囲内にあり、かつ共鳴管２３２の長さは０．５から１メートルの間にあり得る。

ある実施形態においては、他の機器構成を用いることができるものの、圧電変換器からの電荷を保存するために、回路は超コンデンサを含むことができる。取り出されるエネルギーが機器を作動させるのに充分である場合は、電池からのエネルギーよりも取り出されるエネルギーのほうを用いることができる。その上、取り出されるエネルギーがさらに大きい場合は、余剰の電荷は例えば超コンデンサ内に保存される。しかしながら、もし変換器６８によって発生するエネルギーが機器を作動させるのに充分でない場合は、電池からのエネルギーを用いることができる。従って、このような構成においては、エネルギーの取り出しは機器内の電池に取って代わるわけではなく、むしろ電池寿命を延ばす。

本発明を望ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者は、形式及び詳細において、本発明の精神と範囲から逸脱することなく変更を加えることができることを認めるであろう。図２及び図３の実施形態は別々に示されているが、圧電変換器６８は診断および発電の両方のために同時に使用され得る。

Claims (10)

1. 工業プロセスに物理的に接続されるように構成された機器ハウジング、
   圧電変換器を利用して圧力を測定するためのプロセス変量センサー、
   前記プロセス変量センサーに接続され、前記圧電変換器により検知されたプロセス変量に関する出力を有する測定回路、
   工業プロセスにおける圧力脈動の運動エネルギーを電気的なエネルギーに変換した電気的出力を有する前記圧電変換器、及び
   前記圧電変換器からの前記電気的出力を受け、プロセス機器に電力を供給するために前記圧電変換器からの前記電気的出力を使用する電力保存回路を備える、機器ハウジング内の電気回路、
   を含み、
   前記電気回路が前記圧電変換器からの前記電気的出力に基づいて工業プロセスの動作を診断するように構成され、
   診断が工業プロセスにおける特定の状態を示す脈動の周波数に基づいている、
   プロセス監視又は制御に用いるために工業プロセスに接続するためのプロセス機器。
2. 診断が工業プロセスにおける脈動の特性に基づいている、請求項１記載のプロセス機器。
3. 前記電気回路が、メモリに保存され、脈動の周波数と工業プロセスにおける作動の徴候とが関連付けられたデータに基づく診断出力を与える、請求項１記載のプロセス機器。
4. 前記圧電変換器が圧電変換器の動作を行わせる制御信号を受け取るように構成されている請求項１記載のプロセス機器。
5. 前記電力保存回路がコンデンサを含む、請求項１記載のプロセス機器。
6. 前記機器ハウジング内に前記圧電変換器が搭載される、請求項１記載のプロセス機器。
7. 当該プロセス機器を工業プロセスに接続するために用いられる取付けフランジ上に前記圧電変換器が設置される、請求項１記載のプロセス機器。
8. 前記機器ハウジングから離れて配置される場所に前記圧電変換器が位置する、請求項１記載のプロセス機器。
9. 前記圧電変換器が共鳴管を通してプロセス流体に接続している、請求項１記載のプロセス機器。
10. 前記圧電変換器が隔壁を通してプロセス流体に接続している、請求項１記載のプロセス機器。

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