JP5398990B2 - ダイヤフラムの破断又は薄化を検出するための診断システム - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は工業用プロセス計装で用いるためのダイヤフラムに関し、より詳細には、ダイヤフラムの破断又は薄化を検出するための診断システムに関する。

発明の背景
多くの工業用計器は、プロセスのパラメータを測定するために工業用プロセスに結合されたダイヤフラムエレメントを含む。たとえば、いくつかの圧力トランスミッタは、工業用プロセスに結合された分離ダイヤフラムを含む。圧力測定は、圧力に応じたダイヤフラムの撓みに基づきダイヤフラムから直接行うか、又は液封された毛細管を用いて分離ダイヤフラムに結合された遠隔圧力センサにより直接行うことができる。ダイヤフラムの破断又は薄化は、測定読取値を変えてしまう、及び／又は工業用プロセスからプロセス流体が漏れることを許してしまう可能性がある。加えて、液封された毛細管からの封入液が、分離ダイヤフラムの破断を通して漏れ、プロセスを汚染する場合がある。

従来、遠隔圧力センサの分離ダイヤフラムの破断を検出するための一つの技術は、液封内に延びるリード線を用いるものである。リード線に結合された測定装置は、２線間の抵抗の変化を検出するように適合されている。分離ダイヤフラムの破断を通して導電性のプロセス流体が流れた場合、リード線間の抵抗が変化し、これにより破断が示される。もう一つの技術は、トランスミッタ測定における突然の変化を監視することであり、これにより破断を示すことができる。しかし、これらの技術は単に、破断が生じた後のダイヤフラムの破断を特定するだけであり、封入液がプロセス内に漏出した後である可能性がある。

本技術分野では、薄化した又は破断したダイヤフラムの即時検出に対する継続的な要望がある。本発明の実施態様は、これらの問題に対する解決策を提供し、かつ従来の診断システムを越える利点を提供する。

発明の概要
工業用フィールド装置で用いるためのダイヤフラム診断システムは、ダイヤフラム及び診断機能を有する。ダイヤフラムは、プロセス流体にフィールド装置を結合し、複数の層を有する。複数の層の第一の層は、工業用プロセスのプロセス流体に触れる。診断機能は、ダイヤフラムに結合されてダイヤフラムの電気パラメータを監視し、監視された電気パラメータの変化に基づきダイヤフラムの動作状態を応答的に推測する。

詳細な説明
図１は、本発明の実施形態の破断検出機能を備えた工業用プロセストランスミッタの、簡略化された図である。システム１００は、通信リンク１０６により制御センタ１０４に通信可能に結合されたトランスミッタ１０２を含み、通信リンクは有線又は無線にすることができる。通信リンク１０６は、制御センタ１０４内の監視及び制御システムに、トランスミッタ１０２のハウジング内部に配置された電子機器を結合する。

加えて、トランスミッタ１０２の基部１０８は、溶接スパッド１１２により工業用プロセス容器壁１１０に結合され、溶接スパッドは溶接継手１１４で容器壁１１０に溶接されている。トランスミッタ１０２は溶接スパッド１１２に螺合可能に結合されて、分離ダイヤフラム１１６が、容器壁１１０の開口１１８を介して容器内のプロセス流体に直接触れるようにする。

図２は、図１のトランスミッタ１０２の基部１０８の拡大断面図である。基部１０８は溶接スパッド１１２により容器壁１１０に装着され、溶接スパッドは溶接継手１１４で容器壁１１０に取り付けられている。分離ダイヤフラム１１６は、一方の面で容器壁１１０の開口１１８を介してプロセス流体に直接触れ、他方の面で液封された毛細管１２２内の液封材料１２０に触れる。一般的に、分離ダイヤフラム１１６に対するプロセス流体の圧力変化は、毛細管１２２内の液封１２０を通して、液封された毛細管１２４を介して分離ダイヤフラム１１６に結合された遠隔圧力センサ（図示せず）に伝えられる。

分離ダイヤフラム１１６は多層の静電容量性構造体である（図３に詳細に図示する）。通常、多層分離ダイヤフラム１１６は、プロセス流体圧力に応じて撓むために十分に薄くかつ柔軟性がある。多層ダイヤフラム１１６は、トランスミッタのハウジング内部に配置された電子機器に結合され、本発明の実施形態の破断の表示を電気的に提供するように適合されている。

図３は、本発明の実施形態の分離ダイヤフラム構造体３００の一部の拡大図である。図３の分離ダイヤフラム構造体３００は一定の縮尺ではなく、説明を目的としてむしろ誇張されていることが理解されるべきである。

分離ダイヤフラム構造体３００は、液封された毛細管３０４を有するトランスミッタ３０２、及び分離ダイヤフラム構造体３０６を含む。分離ダイヤフラム構造体３０６は多層構造体であり、誘電材料３１２によって隔てられた第一の導電層３０８及び第二の導電層３１０からなり、誘電材料は好ましくは固体誘電材料である。

好ましくは、第一の導電層３０８は、プロセス流体に直接触れる表面３１４（濡れた表面）を有する。一般的に、第一の導電層３０８は、プロセス導管、パイプ又は容器に電気的に結合され、これらは同様に電気接地３１６に結合される。第二の導電層３１０は、ダイヤフラム構造体３０６の静電容量又は複素インピーダンスの変化を測定するための、一つ以上のリード線３１８を備える。

通常、静電容量とは電圧電位に対する電荷の比率である。平行平板コンデンサは、本発明により意図されるコンデンサの一つのタイプであり、その静電容量は以下の式によって決定される。

ここで、ε₀は誘電率定数（誘電率）であり、Ａは平板領域を表し、ｄは２枚の平板を隔てている距離を表す。本発明の好ましい実施形態にあるように、誘電体が固体材料で形成されている場合、距離（ｄ）及び誘電率（ε₀）は実質的に一定数を維持する。しかし、平板の領域（Ａ）が（たとえば腐食又は磨耗により）変化した場合、静電容量は変化する。結果として、パイプを通して流れる非導電材料により第一の導電板３０８が腐食すると、第一の導電板３０８の領域（Ａ）が変化し、このために分離ダイヤフラム３０６の静電容量に、測定可能な変化が生じる。分離ダイヤフラム３０６の静電容量に変化が生じることにより、分離ダイヤフラム３０６が修理又は交換を要することを示す表示を提供することができる。

パイプ内部のプロセス流体が非伝導性であるか、又は非凝縮気体状である場合（又はシステムがシャットダウンした時等、プロセスパイプが空である場合）、第一の導電層３０８に対する（又は電気接地に対する）第二の導電層３１０の静電容量を監視することにより、（上記に示唆したように）第一の導電層３０８の破断又は薄化の検出を推測することができる。一般に、本発明のシステム３００は、静電容量式ダイヤフラム３０６の一つ以上の層に電圧又は信号を与えて変化を測定するように適合された診断機能（図５に示す）を備える。たとえば、一つの実施形態では、静電容量式ダイヤフラム３０６の両端に電圧が印加され、時定数が評価されて静電容量が決定される。電圧が、たとえばステップ電圧信号により周期的である場合、静電容量の変化は出力信号の時定数の変化として検出可能である。本実施形態では、システム３００は、ダイヤフラム３０６の測定された静電容量に基づき、第一の導電層３０８の磨耗又は腐食による薄化を検出するように適合されている。

しかし多くの場合、プロセス流体は導電性であり、第一の導電層３０８の腐食は、静電容量の直接測定では検出できない場合がある。特に、工業用プロセスのプロセス流体は、第一の導電層３０８の穴又は破断を封じる場合があり、このため一見安定した表面領域が維持され、分離ダイヤフラム３０６の静電容量はさほど変化しない。それにもかかわらず、第二の導電層３１０の両端の複素インピーダンスの測定された変化から、腐食を推測することができる。たとえば、静電容量の状態を評価するための式は、以下の式のようなものである。

ここでＺは、指数関数を乗じた電流に対する電圧の大きさの比率を表し、これは実数部分と虚数部分の両方を含む。第一の導電板３０８の領域における変化を前提とすると、平行平板コンデンサ（分離ダイヤフラム構造体３０６）の両端のインピーダンスは、たとえプロセス流体が導電性であっても、経時変動する可能性がある。感知回路（たとえば図５の信号分析システム５１４）は、第一の導電板３０８及び第二の導電板３１０に結合されて、静電容量式ダイヤフラム３０６の電気パラメータ、たとえば複素インピーダンス、リアクタンス、又はその他の電気パラメータを測定することができる。第二の導電板を時変信号で（又はある周波数範囲を含む信号で）掃引することにより、一つ以上の電気パラメータの変化を用いて、第一の導電層の状態を推測してもよい。

一つの実施形態では、誘電材料３１２は多孔質材料を含み、プロセス流体が第一の導電層３０８を腐食させた場合、プロセス流体は誘電材料３１２を通過して、第二の導電層３１０をアース接地へ短絡させるようにする。多孔質の誘電体により、第一の導電層３０８の破損を、ダイヤフラム３０６の一つ以上の電気パラメータの突然な変化によって検出することができる。もう一つの実施形態では、誘電材料３１２が腐食するように選択されて、プロセス流体の流入が第二の導電層３１０に接触することを許容し、第二の導電層３１０をアース接地へ短絡させることができる。誘電材料３１２が多孔質又は腐食性であるように選択された場合、第二の導電層３１０は、実質的に誘電層３１２の全面にわたって伸びるように構成してもよい（仮想線で示す）。加えて、第二の導電層３１０とトランスミッタ３０２との間に非導電性シール３２０（仮想線で示す）を配置して、第二の導電層３１０を通過してプロセス流体が漏出することを防止し、かつトランスミッタ３０２の壁から第二の導電層３１０を電気的に分離することができる。

場合によっては、プロセス流体は揮発性にすることができ、本質的な安全上の理由から、静電容量式ダイヤフラム３０６は、漏出しているプロセス流体へのスパーク又は放電を防止するように適合することができる。たとえば、コンデンサに電圧制限装置を結合してコンデンサの電圧電位を制限し、電位のスパーク又は放電による揮発性プロセス流体の発火を防止することができる。

図４は、測定された電気パラメータからダイヤフラムの薄化又は破断を推測するためのプロセスの、簡略化されたフローチャートである。静電容量式ダイヤフラムは時変信号で掃引される（ブロック４００）。時変信号が与えられると、静電容量式ダイヤフラムの一つ以上の電気パラメータが測定される（ブロック４０２）。測定された電気パラメータは、格納された基礎値と対照比較される（ブロック４０４）。測定値が基礎値から所定の限度を越えて変動している場合（ブロック４０６）、変動に基づきダイヤフラムの破断又は薄化を推測することができる（ブロック４０８）。測定値が基礎値から所定の限度を越えて変動していない場合（ブロック４０６）、ステップ４００及び一連のステップが繰り返される。

一般に、測定された電気パラメータは静電容量であり得るか、又は任意の数の複素電気パラメータ（たとえば、インピーダンス、リアクタンス、アドミタンス等）であり得る。格納された基礎値からの変動に基づき薄化又は破断が推測された場合、静電容量式ダイヤフラムの推測された動作状態を示す警告信号が生成され、制御センタへ送信されることができる。動作状態は、動作不能又は非動作状態から完全に機能する状態まで幅がある可能性があることが理解されるべきである。さらに、変動の大きさ又は程度は、静電容量式ダイヤフラムの腐食、磨耗又は損傷の程度を示すことができることが理解されるべきである。一方、電気パラメータが基礎測定値から変動することに基づいて、変動の程度により、腐食、磨耗又は損傷のタイプ（たとえば、ピッチング、亀裂、均一な磨耗、腐食等）を示すことができる。亀裂の入った又は完全に破断したダイヤフラムは、開回路又は無限大のインピーダンスとして検出される場合があるのに対し、基準値からの変動は、分離ダイヤフラムの劣化状態を示すことができる。

一つの実施形態では、制御センタにより掃引信号がトリガされる。代替の実施形態では、診断回路により掃引信号分析がトリガされて周期的に実行される。図４の方法は時変信号を使用したが、場合によっては、印加されたＤＣ電圧を使用することもできる。さらには、エキスパートシステム、たとえばファジー論理システム、人工知能システム、ニューラルネットワーク等を使用して分離ダイヤフラムの電気パラメータを分析し、ダイヤフラムの動作状態を推測することができる。

図５は、本発明の実施形態の診断システム５００の、簡略化されたブロック図である。診断システム５００は、診断機能５０４（回路内に組み込み可能）に通信可能に結合された分離ダイヤフラム構造体５０２を含み、診断機能は通常ハウジング内に収容されている。ダイヤフラム構造体は、誘電材料５１０によって隔てられた第一の導電層５０６及び第二の導電層５０８を含む。第一の導電層５０６は、工業用プロセスの導管又はパイプ内のプロセス流体に触れる。一つの実施形態では、第一の導電層５０６は、導電性のパイプ壁に電気的に接地されている。第二の導電層５０８はプロセス流体から分離され、かつ第一の導電層５０６から電気的に分離されている。

診断機能５０４は、信号生成器５１２、複素信号分析システム５１４、マイクロプロセッサ５１６、トランシーバ５１８、警告生成器５１９を含み、更にエキスパートシステム５４０、たとえば人工知能システム、ファジー論理システム、ニューラルネットワーク等を含むこともできる。信号生成器５１２は、電気信号、たとえば時変又は周期信号を伝送するように適合された回路である。信号生成器５１２は、第二の導電層５０８を経由して電気信号を伝送し、電気信号は複素信号分析システム５１４によって測定されて分析され、システムの一つ以上の複素電気パラメータの変化を検出することができる。エキスパートシステム５４０を用いて、一つ以上の電気パラメータを分析し、格納された基礎測定値に対する一つ以上の電気パラメータの変化に基づき分離ダイヤフラムの動作状態を推測することができる。信号分析システム５１４は、信号処理部、測定された信号を処理するように適合された回路、静電容量式センサ、又は測定された静電容量に基づき診断測定を引き出すように適合されたその他のあらゆるエレメントを含むことができることを理解すべきである。

一つの実施形態では、監視されているプロセス流体は非導電性であり、分析システム５１４は、電気的接地に対する分離ダイヤフラム５０２の静電容量を測定するように適合されたセンサを含む。プロセス流体が導電性である環境では、信号生成器５１２は好ましくは、ある周波数範囲を有する電気信号で第二の導電層５０８を掃引するように適合される。複素信号分析システム５１４は、掃引された周波数範囲内の分離ダイヤフラム５０２の複素インピーダンスを検出するように適合される。

マイクロプロセッサ５１６を使用して、測定された複素インピーダンスをさらに処理する、及び／又は測定された複素インピーダンスを格納された値と対照比較して、警告状態を検出することができる。警告状態は、基礎測定値から所定量を越える変動がある場合の検出された変化から推測することができる。マイクロプロセッサ５１６は好ましくは、インピーダンスの測定された変化を所定の限度と対照比較し、測定された変化が限度を越える場合、通信リンク５２２を介して、制御センタ５２０に、トランシーバ５１８による伝送のための警告を生成するように適合されている。一方、別個の警告生成器５１９（又は警告生成回路）を使用して、トランシーバ５１８による伝送のための警告信号を生成してもよい。一つの実施形態では、プロセス流体が非導電性である場合、複素信号分析システム５１４は、単に分離コンデンサ５０２の静電容量を測定できるのみであり、所定の限度を越える静電容量の変化により、処理部５１６に警告を生成させることができる。

診断システム５００のエレメントは、トランスミッタ電子機器５０４のその他のコンポーネントと共有されてもよいことが理解されるべきである。たとえば、感知エレメント又は複素信号分析システム５１４によってトランシーバ５１８をさらに用いて、たとえば制御センタに直接未処理データを伝送してもよい。同様に、制御センタ５２０がトランシーバ５１８を介して制御信号を送信し、感知エレメント（たとえば分析システム５１４）に新たな測定を行わせてもよい。マイクロプロセッサ５１６にさまざまな部品、たとえば信号生成器５１２、複素信号分析システム５１４、及び警告生成器５１９を、全体的に又は部分的に組み込むことができる。

図６は、本発明の実施形態の診断システム６００の簡略化されたブロック図である。システム６００は、診断電子機器６０４に結合された静電容量式分離ダイヤフラム６０２を含む。ダイヤフラム６０２は、誘電体６１０によって隔てられた第一の導電層６０６及び第二の導電層６０８を含む。信号生成器６１２及び複素信号分析システム６１４は、第二の導電層６０８に電気的に結合されている。

本実施形態では、タンク内のプロセス流体により第一の導電層６０６が腐食して、第一の導電層６０６にピット又は開口６１６を残し、プロセス流体に誘電体６１０を部分的に触れさせる。誘電体６１０は好ましくは固体材料から形成され、第一の導電層６０６の割れからプロセス流体内に誘電性流体が放出されないようにする。加えて、固体誘電体６１０は、（たとえばリモートシールシステムの）プロセス流体内への毛細管封入液の漏出に対する保護層としての機能を果たす。さらに、固体誘電体６１０は、（たとえば、電子機器がプロセスに直接隣接している場合）電子機器ハウジング内へのプロセス流体の漏出に対する保護層としての機能を果たす。

信号生成器６１２は第二の導電層６０８に結合され、第二の導電層６０８上に、所定の周波数範囲で信号を伝送するように適合されている。複素信号分析システム６１４は第二の導電層６０８に結合され、第一の導電層６０６の変化に基づき掃引信号の変化を検出するように適合されている。

一つの実施形態では、プロセス流体が非導電性である場合、第一の導電層６０６の腐食を、第一及び第二の導電層６０６、６０８の間の静電容量（又は電位）の変化として検出することができる。しかし、より一般的には、プロセス流体が導電性である場合、信号生成器６１２は、試験周波数範囲（又は任意の時変信号）で、第二の導電層６０８を掃引することができ、複素信号分析システム６１４を使用して、複素インピーダンスの変化に基づき腐食を検出することができる。いずれの場合も、測定された変化が所定の限度を超える場合、警告が生成されて制御センタに伝送されることができる。

図７は、本発明の実施形態の診断システム７００の、簡略化されたブロック図を示す。診断システム７００は、トランスミッタ７０４に結合された多層分離ダイヤフラム構造体７０２を含む。分離ダイヤフラム構造体７０２は、３つの導電材料層７０６、７０８Ａ及び７０８Ｂから形成され、誘電材料層７１０Ａ及び７１０Ｂによって互いに隔てられている。信号生成器７１２は、第二及び第三の導電層７０８Ａ及び７０８Ｂにそれぞれ結合され、一方で第一の導電層７０６はプロセス導管に結合されて、それから接地される。複素信号分析システム７１４は第二及び第三の導電層７０８Ａ及び７０８Ｂにそれぞれ結合されて、第一及び第二の各導電層７０６及び７０８Ａ、及び第二及び第三の各導電層７０８Ａ及び７０８Ｂそれぞれの間の複素インピーダンス又は静電容量の変化を監視する。静電容量又は複素インピーダンスの差分変化は、第一の導電層７０６の破断を示すことができる。

一つの実施形態では、プロセス流体は非導電性又は気体状態であり、第一の導電層７０６の腐食は、ダイヤフラム７０２の直接測定された静電容量の変化に基づき検出される。一方で、プロセス流体が導電性である場合、第一の導電層７０６の腐食は、ダイヤフラム構造体７０２の複素インピーダンスの変化から推測される。特に、信号生成器７１２は、分離された導電層７０８Ａ及び７０８Ｂを経由して、ある周波数範囲を有する信号を掃引するように適合され、複素信号分析システム７１４は、ダイヤフラム７０２の複素インピーダンスの変化を検出するように適合されている。第一の導電層７０６の薄化、磨耗又は腐食は、複素インピーダンスの変化から推測することができる。

全体として、本発明は、従来技術を超える多くの利点を提供する。第一に、薄箔の分離ダイヤフラムを、薄化又は破断の静電容量的表示（又は電気的表示）を提供するように適合された多層ダイヤフラムに交換することにより、トランスミッタがそれ自体を診断して、ダイヤフラムが破断してプロセスを汚染する前に分離ダイヤフラムの修理が必要であることを示す警告を提供するように適合することができる。第二に、誘電材料は固体の非導電材料、たとえばセラミックにすることができ、これにより、分離エレメントの研磨された表面が破断した後であっても、プロセス封入液（たとえば分離ダイヤフラム内部で用いられるもの）と工業用プロセスのプロセス流体との間の分離が維持される。第三に、分離エレメントの診断を個別に実施することにより、分離エレメントの状態に関するさらなる詳細を提供することができる。特に、二枚の平板診断システムが破断又は薄化を示すそのままの表示を提供することができるのに対し、三枚以上の平板診断システムは、一つには容量差に基づいて、分離エレメントの損傷の程度の、より複雑かつ教示的な表示を提供することができる。加えて、本発明は、プロセス流体による腐食又は損傷の影響を受けやすい薄い領域を有する、あらゆる工業用計器に適用可能である。このように、本発明は、分離ダイヤフラムに起こり得る損傷を、その損傷がきわめて甚大になる前に示す電気信号を生成するように適合された分離エレメントを提供する。

図８は、本発明の実施形態の代替の分離ダイヤフラム構造体８００の、簡略化されたブロック図である。分離ダイヤフラム構造体８００は、第一の導電層８０２と、二つの電気的に隔てられた平板８０４Ａ及び８０４Ｂに分割され、誘電体８０６によって第一の導電層８０２から隔てられた第二の導電層８０４とからなる。本実施形態では、第一の導電層８０２の領域でのたとえば腐食による変化は、平板８０４Ａ及び８０４Ｂから測定された容量差として検出することができる。代替の実施形態では、上述のような複素インピーダンス測定を使用することができる。この場合、複素インピーダンスは、生成された信号に基づき平板８０４Ａ及び８０４Ｂの両端で別々に測定される。一つの実施形態では、同じ信号に基づき二枚の平板８０４Ａ及び８０４Ｂから測定された位相差は、腐食を示すことができる。

本実施形態では、静電容量は、これら二枚の半平板８０４Ａ及び８０４Ｂから、又はそれらの間で測定可能である。測定された静電容量は、第一の導電層８０２の腐食によって生じた領域の変化により変わる場合がある。しかし、プロセス流体が導電性である場合、静電容量の直接測定では、第一の導電層８０２の状態について何も明らかにされない可能性がある。この場合、プロセス流体が導電性である場合、第一の半平板８０４Ａは、ある周波数範囲で掃引され得る。第二の半平板８０４Ｂは、所定の周波数範囲で測定された信号の位相又は大きさの変化について監視され得る。測定された出力の変化は、第一の導電層８０２の領域の変化を示すことができる。プロセスに関連した腐食、薄化又は磨耗は、測定された出力の特定の変化に依存して推測することができる。

図９Ａは、パイプ壁の薄肉部に、本発明の静電容量式分離ダイヤフラムを内蔵する渦流量計システムの、簡略化された断面図である。パイプ９０２は分岐バー９０４によって二つの流路に分割されている。分岐バー９０４は、パイプ壁の薄肉部９１２から延びて支柱９０６に結合し、支柱９０６の動き又は振動から、パイプ９０２内部の流体渦により生じる分岐バー９０４の動作又は振動運動を検出できるようにする。一般的に、センサ９０８（仮想線で示す）は支柱９０６に結合されて、支柱９０６の運動に基づきパイプ９０２内部の流速を測定する。通常、センサ９０８及びその他のプロセス電子機器は、パイプ９０２の外側及びトランスミッタハウジング９１０の中に配置される。

一般に、分岐バー９０４は薄肉部９１２を介して支柱９０６に結合される。薄肉部９１２は好ましくは、パイプ壁を通して支柱９０６に分岐バーの動きを伝送するために十分な程度に薄く、ここでセンサ９０８は、支柱９０６の動きに基づきパイプ９０２内部の流体の流体流量を測定するように適合されている。特に高圧環境において発生する一つの問題は、薄肉部９１２の十分な厚みを維持して高圧下での壁の破断を防止し、なおかつ一方で運動のための十分な柔軟性を可能にすることを含む。診断回路への接続のために、リード線９１４が設けられてもよい。

本発明の多層分離ダイヤフラムは、プロセス流体からの分離の他に、破断診断を提供するための用途に用いられてもよい。

図９Ｂは、図３及び５〜７について上述した静電容量式分離ダイヤフラム構造体のうちいずれか一つから形成される、薄肉部９１２を有する流量計エレメント９００の拡大断面図である。本実施形態では、ダイヤフラム構造体９１２は静電容量式構造体９２６である。静電容量式構造体９２６は、パイプの壁に結合され、分岐バー９０４付近のプロセス流体に直接触れる第一の導電層９２０から形成される。第二の導電層９２４は、誘電材料９２２によって第一の導電層９２０から隔てられている。第二の導電層９２４は、パイプの外側でプロセス流体から分離されて、支柱９０６に隣接する。第二の導電層からリード線９１４が設けられて、静電容量式構造体９２６の複素インピーダンス及び／又は静電容量の変化が検出されることができる。

本実施形態では、誘電体９２２は好ましくは固形の非導電材料である。静電容量式構造体９２６の層はさらなる耐久性を備え、同時に第一の導電層９２０の腐食又は磨耗を検出するための手段を備えている。特に、静電容量式構造体９２６の複素インピーダンス及び／又は静電容量を監視することにより、破断又は割れが生じる前に薄肉部９１２の腐食又は磨耗を検出することができ、結果として、意図しないシャットダウン、及び／又はトランスミッタハウジング内のデリケートな電子機器がパイプからのプロセス流体に触れることを防止する。

全体として、本発明は、静電容量は、平行平面機構の平板の表面領域に比例するという結果を活用している。プロセスに最も近い箔層が薄化又は破断し始めた場合、ダイヤフラムの有効領域は、破断の規模によって、又は薄化の程度によって変化する。このようなダイヤフラムの有効領域の変化は、平行平板の測定された静電容量の変化を生じさせる。

このことは、測定されているプロセス流体が非導電性であることを前提としている。そのような場合、ダイヤフラムの静電容量が引き続き監視されると、腐食、磨耗、侵食又はピッチングは結果として静電容量の測定可能な変化となる。この測定可能な変化は、分離ダイヤフラム又は薄肉部に起こり得る問題についての早期の表示を提供する。そして、静電容量式分離エレメントに結合された回路は、破断が生じていることか、又は分離ダイヤフラム又は薄肉部が修理を必要としている可能性があることかを、直ちに制御センタに警告することができる。

多くの工業用プロセスにおいて、分離ダイヤフラムに接触しているプロセス流体は、それ自体が導電性である。そのような場合、箔層間の静電容量の直接測定は、プロセスに触れられている箔が腐食したときの静電容量の測定可能な変化には反映されないかもしれない。特に、導電性のプロセス流体は箔の腐食領域に流れ込む場合があり、結果として導電性流体で侵食された箔領域を終了するか交換するかすることになる。そのような場合、測定された静電容量は変化しないままである可能性がある。しかし、複素電気パラメータ、たとえば複素インピーダンス、リアクタンス等を測定するように適合された回路を用いて、掃引された周波数を測定することができる。一つ以上の複素電気パラメータの変化は、穴、薄化又は分離ダイヤフラムのプロセスに触れられている箔の、その他のさまざまな動作状態下での変化を反映することができる。単一の生成回路を使用して箔層の一つを掃引することができ、感知回路を使用して掃引周波数を測定することができ、これらは一つ以上の箔層がプロセス流体によって損傷した場合に変化する可能性がある。

全体として、本発明のシステム及び方法は静電容量式分離ダイヤフラムの電気パラメータを監視する。分離ダイヤフラムが動作中に薄化、腐食、又は損傷した場合、一つ以上の電気パラメータが変化する可能性がある。信号分析システムは、測定されたパラメータを、格納された基礎値パラメータと対照比較することができる。一方で、信号分析システムは、電気パラメータの経時的な変化に基づきダイヤフラムの動作状態を推測するように適合されたエキスパートシステムを含む。電気パラメータは静電容量を含むことができる。一方で、電気パラメータは複素電気パラメータ、たとえば複素インピーダンス、リアクタンス、アドミタンス等を含むことができる。さらには、プロセス流体は液体状態又は気体状態にすることができる。

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、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形状及び詳細に改変を加えてもよいことが認識されよう。

本発明の実施形態の分離ダイヤフラムを有するプロセストランスミッタの簡略化された図である。 図１の分離ダイヤフラムの、拡大及び簡略化された断面図である。 本発明の実施形態の、ダイヤフラムの薄化又は破断の電子的検出に適合された、図２の分離ダイヤフラムの拡大断面図である。 本発明の実施形態の分離ダイヤフラムの動作状態を推測するためのプロセスの、簡略化されたフロー図である。 本発明の実施形態の電子診断システムの、簡略化されたブロック図である。 本発明の実施形態の、プロセス流体による腐食又は薄化が生じた後の電子診断システムの、簡略化されたブロック図である。 本発明の実施形態の電子診断システムの代替的な実施形態の、簡略化されたブロック図である。 本発明の実施形態の電子診断システムの代替的な実施形態の、簡略化されたブロック図である。 本発明の実施形態の、渦流量計の薄肉部の薄化又は破断を検出するように適合された電子的破断診断システムの、簡略化された断面図である。 図９Ａの渦流量計の薄肉部の拡大断面図である。

Claims (27)

1. 工業用フィールド装置で用いるためのダイヤフラム診断システムであって、
   プロセス流体にフィールド装置を結合するように構成され、複数の層と、前記複数の層の中の工業用プロセスのプロセス流体に触れる第一の層と、を含むダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムに結合されて前記ダイヤフラムの電気パラメータを監視し、監視された前記電気パラメータの変化に基づき、前記ダイヤフラムの動作状態を応答的に推測する診断回路と、
   を含み、
   前記電気パラメータは、前記ダイヤフラムに時変信号が与えられたときに測定される、
   ダイヤフラム診断システム。
2. 前記電気パラメータの変化が所定の限度を超えた場合、前記ダイヤフラムの推測された動作状態を示す警告信号を生成するように適合された警告生成機能をさらに含む、請求項１記載のダイヤフラム診断システム。
3. 前記複数の層は、少なくとも二つの導電層と、前記二つの導電層を隔てる少なくとも一つの誘電層を含み、
   前記電気パラメータが、前記二つの導電層の間に形成された静電容量を含む、請求項１記載のダイヤフラム診断システム。
4. 前記ダイヤフラムを前記時変信号で掃引するように適合され、前記電気パラメータが前記ダイヤフラムの複素電気パラメータを含む信号生成器をさらに含む、請求項１記載のダイヤフラム診断システム。
5. 前記ダイヤフラムを監視し、前記時変信号に基づいて、格納された基礎値信号に対する前記複素電気パラメータの変化を検出するように適合された複素信号分析システムをさらに含む、請求項４記載のダイヤフラム診断システム。
6. 前記複数の層が少なくとも一つの導電層を含む、請求項１記載のダイヤフラム診断システム。
7. 前記複数の層が少なくとも一つの誘電層を含む、請求項１記載のダイヤフラム診断システム。
8. 前記複数の層が、
   少なくとも二つの導電層と、
   前記少なくとも二つの導電層を隔てる少なくとも一つの誘電層と、
   を含む、請求項１記載のダイヤフラム診断システム。
9. 前記電気パラメータが、前記少なくとも二つの導電層の容量性電位を含む、請求項８記載のダイヤフラム診断システム。
10. 前記電気パラメータの変化の程度が、前記第一の層の表面領域の変化の程度を示す、請求項１記載のダイヤフラム診断システム。
11. 前記診断回路が、前記第一の層に対する前記複数の層の一つ以上の電気パラメータを監視するように適合される、請求項１記載のダイヤフラム診断システム。
12. 分離ダイヤフラムの動作状態を推測するための方法であって、
    複数の層と、前記複数の層の中のプロセス流体に直接触れる第一の層とを含む分離ダイヤフラムを備えることと、
    前記分離ダイヤフラムに電気信号を与えることと、
    与えられた前記電気信号に対する前記分離ダイヤフラムの電気パラメータの測定された変化から、前記分離ダイヤフラムの動作状態を応答的に推測することと、
    を含み、
    前記電気信号は、時変要素である、
    方法。
13. 前記電気パラメータの測定された変化が所定の限度を越えた場合、前記分離ダイヤフラムの劣化状態を示す警告信号を生成することをさらに含む、請求項１２の方法。
14. ある周波数範囲を含む電気信号を生成することと、
    前記分離ダイヤフラムを経由して前記周波数範囲を含む電気信号を伝送することと、
    を適用するステップを含む、請求項１２記載の方法。
15. 前記推測するステップは、
    前記分離ダイヤフラムの前記電気パラメータを監視することと、
    格納された基礎測定値に対する監視された前記電気パラメータの変化を計算することと、
    を含む、請求項１２記載の方法。
16. 前記電気パラメータが、前記分離ダイヤフラムの時定数を含む、請求項１２記載の方法。
17. 前記電気パラメータが、前記分離ダイヤフラムの複素電気パラメータを含む、請求項１２記載の方法。
18. 工業用フィールド装置で用いるための診断システムであって、
    プロセス流体にフィールド装置を結合するように構成され、複数の層と、前記複数の層の中の工業用プロセスのプロセス流体に触れる第一の層とを含む静電容量エレメントと、
    前記静電容量エレメントに結合されて前記静電容量エレメントの電気パラメータを監視し、監視された前記電気パラメータの変化に基づき前記静電容量エレメントの動作状態を応答的に推測する診断回路と、
    を含み、
    前記複数の層は、少なくとも二つの導電層と、前記二つの導電層を隔てる少なくとも一つの誘電層を含む、
    診断システム。
19. 前記工業用フィールド装置が、パイプ部内に延びる分岐バーを有する渦流量計を含み、前記静電容量エレメントが前記パイプ部の薄肉部を含み、前記薄肉部を通して、前記パイプ内の流体流による前記分岐バーの動きが伝えられる、請求項１８記載の診断システム。
20. 前記工業用フィールド装置が、前記パイプ部に結合された圧力センサを含み、前記静電容量エレメントが、液封された毛細管を通して、遠隔センサに、前記パイプ部内の流体流からの圧力を伝えるように適合された柔軟な分離ダイヤフラムを含む、請求項１８記載の診断システム。
21. 制御センタへの伝送のための推測された動作状態を示す警告信号を生成するように適合された警告生成機能をさらに含む、請求項１８記載の診断システム。
22. 前記電気パラメータの変化の大きさが、前記静電容量エレメントの損傷の程度を示す、請求項１８記載の診断システム。
23. 前記電気パラメータが、前記静電容量エレメントの複素インピーダンスを含む、請求項１８記載の診断システム。
24. 前記診断回路が、
    時変要素を有する電気信号で前記静電容量エレメントを掃引するように適合された信号生成器と、
    前記静電容量エレメントを監視し、格納された基礎測定値に対する前記静電容量エレメントの一つ以上の前記電気パラメータの変化に基づき前記静電容量エレメントの動作状態を推測するように適合された複素信号分析システムと、
    をさらに含む、請求項１８記載の診断システム。
25. 前記診断回路が、前記第一の層に対する前記複数の層の一つ以上の電気パラメータを監視するように適合される、請求項１８記載の診断システム。
26. 前記少なくとも一つの誘電層が多孔質材料を含む、請求項１８記載の診断システム。
27. 前記第一の層を通してプロセス流体が漏出している場合、前記電気パラメータの突然の変化に基づき動作状態が推測される、請求項２６記載の診断システム。

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