JP5465355B2 - サーモカップルの極性検知機能を備えたプロセス変数送信機 - Google Patents

Description

本発明は、プロセス制御および監視システムに使用されるプロセス変数送信機に関する。特に、本発明は、サーモカップル（熱電対）を用いて工業プロセス流体の温度を検知するプロセス変数送信機に関する。

プロセス制御送信機は、プロセス制御又は監視システムにおけるプロセスパラメータを測定するのに用いられる。典型的には、該送信機は、アナログ・デジタル変換器によりデジタル化され、マイクロコンピュータに提供される出力をもつプロセス変数センサのいくつかのタイプを含んでいる。プロセス変数センサの一つのタイプは、プロセス流体の温度を検知するのに用いられる温度センサである。検知された温度は、直接、または流量のような他のプロセス変数を補償するのに用いられることができる。プロセス変数は、遠隔位置から、プロセス制御ループを経て局所位置まで、送信されることができる。プロセス制御ループは、例えば、２線プロセス制御ループまたは無線を含む他の形態を含むことができる。

特開平７−３２６４６５号公報

温度センサの一つのタイプは、二つの異なるタイプの金属が接触して配置される時に形成されるサーモカップルである。これらの金属間には、接合部の温度に関する電圧が発生する。この電圧は測定され、必要なら、送信機中の回路によってデジタル化される。サーモカップルは、送信機の第１と第２の電気コネクタに接続するように構成された２線を有している。

しかしながら、正確な温度測定値を得るために、前記第１と第２の電気コネクタに関するサーモカップルの方向（すなわち、極性）を知らなければならない。なお、サーモカップルの極性判定に関わる先行技術として、前記特許文献１に記されたものがある。

工業プロセスの温度を測定するためのプロセス変数送信機は、サーモカップルの第１のワイヤに接続するように構成され、第１の電極と第２の電極とを含む、第１の電気コネクタを具備している。該第１および第２の電極は、異なる材料で作られ、サーモカップルの第１のワイヤに電気的に接続するように構成されている。第２の電気コネクタは、サーモカップルの第２のワイヤに接続され、第３及び第４の電極を含むように構成されている。該第３及び第４の電極は、異なる材料で作られ、サーモカップルの第２のワイヤに電気的に接続するように構成されている。該第２のワイヤは、第１のワイヤとは異なる材料である。測定回路は、サーモカップルの温度に関連する出力を提供するように構成された第１及び第２の電気コネクタに接続される。前記測定回路は、さらに、第１、第２、第３及び第４の電極のうちの少なくとも２つの間で計られた少なくとも一つの測定値に基づいてサーモカップルの極性を特定するように構成されている。

プロセス流体の温度を検知するように構成されたサーモカップル温度センサを含む工業プロセス制御システムを示す簡単化された図である。 サーモカップル温度センサに接続された温度送信機を示す簡単化されたブロック図である。 サーモカップルと送信機の電気コネクタとの間の電気接続を示す斜視図である。 サーモカップルへの電気接続を示す回路図である。 本発明の電気接続に接続されたサーモカップルに対する、カウント（電圧）対サンプル（時間）のグラフである。

図１は、工業プロセス制御システム５の簡単化された説明図である。図１において、プロセスパイプ７は、プロセス流体を運んでいる。プロセス変数送信機１０は、例えばサーモカップルを具備することができるプロセス変数センサ１８を含み、プロセス制御室６のような遠隔位置に情報を送信するように構成されている。この送信は、２線プロセス制御ループ１１のようなプロセス制御ループを経てなされることができる。プロセス制御ループは、例えば、４−２０ｍＡプロセス制御ループ、デジタル通信を伝送するプロセス制御ループ、無線プロセス制御ループ等を含む、いかなるフォーマットに従うものであってもよい。図１に示されている例では、プロセス制御ループ１１は、制御室６にある、電源６Ａにより電力を供給される。この電力は、プロセス変数送信機１０に電力を供給するのに用いられる。検知抵抗６Ｂは、ループ１１を通って流れる電流値を検知するのに用いることができる。

本発明は、装置に接続される温度センサの方向（すなわち、極性）を特定するように構成されたプロセス変数送信機を提供することにある。図２は、プロセス変数送信機１０がプロセス制御ループ１１に接続される本発明の一実施形態の簡単化されたブロック図である。送信機１０は、サーモカップル１８に接続するように構成された端子ブロック１４を含む。端子ブロック１４は、図示されているように、４つの端子、すなわち、電気コネクタ１，２，３および４を含んでいる。サーモカップルに対しては、２つの電気コネクタのみが必要とされる。プロセス変数送信機１０は、データをデジタル化するアナログ・デジタル変換器２８にデータを供給し、デジタル化されたデータを処理及び／又は送信するマイクロプロセッサ２２に提供し、入／出力回路２４を用いてプロセス制御ループ１１を経て送信できるように構成されている。この例では、入／出力回路２４はまた２線プロセス制御ループ１１を介して受信した電力を用いてプロセス変数送信機１０に電力を提供するように構成されている。無線の構成では、バッテリが電源として用いられる。マルチプレクサ２０は、マイクロプロセッサ２２により制御されて、端子ブロック１４からの種々の入力を選択する。以下でより詳細に説明されるように、端子１，２とマルチプレクサ２０との間に、２つの電気接続がある。差動増幅器２６は、マルチプレクサ２０に接続され、電圧出力をアナログ・デジタル変換器２８に提供するように構成されている。該電圧出力は、マルチプレクサ２０に接続される任意の２つの入力間の電圧に関係するものであり、マイクロプロセッサ２２により選択される。マイクロプロセッサ２２は、クロック３２により決定される動作速度で、メモリ３０に格納されている命令に従って動作する。例えば、マイクロプロセッサ２２は、アナログ・デジタル変換器２８により提供される電圧を用いて、サーモカップル１８からの温度関連情報を検知する。

動作中、サーモカップル１８の温度は、端子（電気コネクタ）１と２との間に電圧Ｖ_{ＴＣＩＮＰＵＴ}を生成する。電圧基準値Ｖ_{ＴＣＲＥＦ}はまたマルチプレクサ２０に接続される。送信機１０は、次の式でサーモカップル電圧Ｖ_ＴＣを決定することによりサーモカップルセンサ１８の温度を測定する。

なお、「NOM」は「NOMINAL」（公称値）を示す。

以下で詳細に説明されるように、端子ブロック１４の電気コネクタ端子１と２は、サーモカップル１８の方向（極性）を決定するのに使用するための２つの各連結部(connection)を含むように構成されている。各連結部１，２は、異種材料で作られた２つの電極を含んでいる。該異種材料は、サーモカップル１８からのワイヤがコネクタ中に挿入されるまで、互いから隔離されている。サーモカップル１８からのワイヤは、２つの異種金属間のギャップをブリッジし、それにより、送信機１０への各連結点のプロセスセンサ冷接点において、サーモカップルが形成される。該冷接点サーモカップルは、センサタイプおよび連結に用いられる２金属に基づいて、異なる電圧特性をもつであろう。これらの電圧は、極性識別を生ずるための冷接点における温度機能（または温度関数）として特徴付けられることができる。この方法は、極性の指示又は表示に影響を与えることなく、プロセスの変化を許容するであろう。

逆極性を検出すると、マイクロプロセッサは、逆極性に対処するために、オペレータに警告する、または温度計算式を修正するように構成されることができる。

サーモカップルの異なるタイプは、配線色指定により特定される。最も一般的なサーモカップルの４つのタイプは、タイプＥ、Ｊ、Ｋ及びＴである。端子１及び２の二次材料が、正側はクロメル(Chromel 登録商標)を含み負側はコンスタンタン（Constantan）を含む場合には、その装置はタイプＥのサーモカップルに合致する。クロメル(登録商標)は、ホスキンス マニュファクチュアリング 会社の登録商標である。コンスタンタンは、通常５５％の銅と４５％のニッケルからなる銅−ニッケル合金である。タイプＥのサーモカップルが適切に接続されると、サーモカップルと端子１及び２間の２つの電気連結部でのサーモカップル冷接点電圧は、０電圧を生ずるであろう。他方、接続が逆になった場合には、冷接点の両方ともが、小さな温度勾配により、測定可能な電圧を生ずるであろう。約９０％のニッケルと１０％のクロムで作られる合金であるクロメル（登録商標）は、米国規格協会（ＡＮＳＩ）のタイプＥ（ニッケル−コンスタンタン）及びＫ（クロム−アルメル）サーモカップルの正の導体を作るのに用いられる。それは、酸化雰囲気中で１１００°Ｃまで、用いられることができる。

図３は、電気コネクタ１及び２に接続されるサーモカップル１８を示す斜視図である。サーモカップル１８は２つの異種金属のワイヤ１８Ａと１８Ｂで形成され、接合点(junction)１８Ｃで接合する。ワイヤ１８Ｂは電気コネクタ１に接続する。電気コネクタ１は、一次電極１Ａと二次電極１Ｂとによって形成されている。同様に、ワイヤ１８Ａは、一次電極２Ａと二次電極２Ｂで形成される電気コネクタ２に接続する。典型的には、導体１Ａと２Ａ（"主電極"）とは、ニッケルメッキされた黄銅のような標準金属で作られることができる。二次電極１Ｂ及び２Ｂとは、クロメル(登録商標)またはコンスタンタンのような、サーモカップル中で用いるのに適当な金属で作られることができる。タイプＪ及びタイプＴのようなサーモカップルの他のタイプは、コンスタンタンをそれらのワイヤの一つとして使用し、一方タイプＫはクロメル(登録商標)を使用する。正しい極性で接続されると、ワイヤ１８Ｂと１８Ａをもつ電極１Ｂと２Ｂにより形成される２つの冷接点は、それぞれ、０の電圧を生ずるであろう。しかしながら、極性が逆の場合には小さな電圧が存在するであろう。他のタイプのサーモカップルの極性は、また、ある範囲の温度勾配に渡って、二次冷接点で形成される電圧の特徴により決定されることができる。例えば、一方の側は他方の側より、小さな温度勾配に対してより敏感になるであろう。

これはまた、システムが、取り付けられたセンサの冷接点効果に反して設定されたセンサタイプをチェックすることができるようにする。センサの特性が該設定されたセンサと適合しない場合には、該設定または設備は不正確なものになる。

図４は、アナログ・デジタル変換器２８に接続されるサーモカップル１８の簡単化された回路図である。この例では、マルチプレクサ２０と増幅器２６は簡単化のために図示されていない。二次電極１Ｂ及び２Ｂとワイヤ１８Ｂ及び１８Ａとの間に形成される接合は、それぞれ、接合１Ｃ及び２Ｃとして図示されている。図４は、また、冷接点温度センサ１００を示し、該冷接点温度センサ１００は例えば温度に応じて変化する電気抵抗をもつＲＴＤから形成することができる。温度センサ１００は、サーモカップル測定値を冷接点補償する典型的な手段として、図２に示される端子ブロック１４の温度を検知するのに用いられることができる。

図５は、タイプＥのサーモカップルに対する電圧対時間の代表である、「カウント」対「サンプル」のグラフである。上述したように、タイプＥのサーモカップルは、クロメル（登録商標）とコンスタンタンとにより形成される接合からなる。この例では、サーモカップルのワイヤと二次電極との間の電圧が示されている。１０２として示されている線は、二次電極がクロメル（登録商標）からなるサーモカップルの負側に対するものである。同様に、線１０４は、サーモカップルの他の二次電極と他のワイヤとの接合点における電圧、すなわち、クロメル（登録商標）とコンスタンタンとの間の接合点における電圧を示している。時間Ｔ１では、ファン（送風機）が冷接点に向けられている。図５は、二つの材料が同じである時に測定された電圧が約０ボルトであることを示している。しかしながら、それらが異なる時には、温度と共に小さく揺動する測定可能な電圧が存在する。この例では、時間Ｔ１におけるファンの適用によって生ずる温度変化は、サーモカップルの極性を検知するのに必要とされない。標準偏差のような標準統計値が極性を検知するのに用いられることができるであろう。

上記の技術は、送信機に接続されたサーモカップルの極性を検出するのに用いられることができる。警告は、極性が逆であることをオペラータに示すために提供されることができる、または他の例では、マイクロプロセッサ２２によって実行されるソフトウェアアルゴリズムが逆のサーモカップルであることを告げるように作動することができる。この技術は、また冷接点温度勾配を補償するのに用いることができる。図４に示されているように、温度センサ１００は、端子ブロックでの冷接点温度を測定するのに用いることができ、また電圧測定で生ずるエラーを訂正するのにも用いることができる。この温度センサは、できるだけ端子１，２の近くに置かれるのが好ましい。しかしながら、多くのケースにおいて、冷接点温度センサは、端子からいくらか離れた所に置かれなければならず、それによって、温度測定の正確さが低減し、そのため冷接点温度補償の正確さが低減する。さらに、抵抗に基づく温度センサは、サーモカップルに比べて、温度の変化に対する応答時間が遅い。しかしながら、本発明の技術を用いると、温度変化は冷接点テストコネクタを用いて測定されることができ、サーモカップル１８の冷接点測定温度に対して訂正をするのに用いられることができる。

本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者には、本発明の精神と範囲を逸脱することなしに、形態および細部に変形を加えることができることは明らかである。図示されているように、電極は、互いに電気的に絶縁されて離されることができる。例示したサーモカップルの材料は、タイプＫのクロム−アルメル、タイプＪの鉄−コンスタンタン、タイプＴの銅−コンスタンタン、タイプＥのクロム−コンスタンタンを含む。

１，２・・・電気コネクタ、１０・・・プロセス変数送信機、１４・・・端子ブロック、１８・・・サーモカップル、２０・・・マルチプレクサ、２２・・・マイクロプロセッサ、２８・・・アナログ・デジタル変換器。

Claims (21)

1. 工業プロセスの温度を測定するためのプロセス変数送信機において、
   サーモカップルの第１のワイヤに接続するように構成され、前記サーモカップルの第１のワイヤに電気的に接続するように構成された、第１の電極と第２の電極を含む第１の電気コネクタと、
   前記サーモカップルの第２のワイヤに接続するように構成され、前記サーモカップルの前記第１のワイヤとは異なる材料の第２のワイヤに電気的に接続するように構成された、第３の電極と第４の電極を含む第２の電気コネクタと、
   前記サーモカップルの温度に関する出力を提供するように構成された前記第１及び第２の電気コネクタに接続され、少なくとも前記第１，第２、第３及び第４の電極のうちのいずれか２つの間で得られた少なくとも一つの電圧測定値に基づいてサーモカップルの極性を特定するように構成された測定回路とを具備するプロセス変数送信機。
2. 請求項１に記載のプロセス変数送信機において、
   前記測定回路は、少なくとも一つの電圧測定値に基づいてサーモカップルのタイプを特定するように構成されているプロセス変数送信機。
3. 請求項２に記載のプロセス変数送信機において、
   前記測定回路は、前記サーモカップルの特定されたタイプが前記測定回路に格納されているものと異なる場合に、出力を提供するように構成されているプロセス変数送信機。
4. 請求項１に記載のプロセス変数送信機において、
   前記第１及び第２の電極は、異なる材料からなるプロセス変数送信機。
5. 請求項４に記載のプロセス変数送信機において、
   前記第３及び第４の電極は、異なる材料からなるプロセス変数送信機。
6. 請求項５に記載のプロセス変数送信機において、
   前記第２及び第４の電極は、同じ材料からなるプロセス変数送信機。
7. 請求項１に記載のプロセス変数送信機において、
   前記第２及び第４の電極は、サーモカップルの材料を含むプロセス変数送信機。
8. 請求項１に記載のプロセス変数送信機において、
   前記測定回路は、前記サーモカップルの逆極性の識別に基づいてオペレータに出力を提供するように構成されているプロセス変数送信機。
9. 請求項１に記載のプロセス変数送信機において、
   前記測定回路は、前記サーモカップルの極性に基づいて前記サーモカップルの温度に関する出力を補償するように構成されているプロセス変数送信機。
10. 請求項１に記載のプロセス変数送信機において、
    前記測定回路からの出力は、プロセス制御ループ上に提供されるプロセス変数送信機。
11. 請求項１に記載のプロセス変数送信機において、
    前記測定回路は、前記サーモカップルの第１及び第２のワイヤ間の接合点で発生された第１及び第２の電気コネクタ間で測定された電圧に基づいて温度測定値を補償し、該補償は、少なくとも第１及び第２の電極の一つとサーモカップルの第１のワイヤとの間で測定された電圧に基づくものであり、よって前記出力に対して温度に関する冷接点補償を提供する、プロセス変数送信機。
12. 請求項１に記載のプロセス変数送信機が、前記第１、第２、第３及び第４の電極からアナログ・デジタル変換器への電気接続のペアを選択的に接続するように構成されたマルチプレクサを含む、プロセス変数送信機。
13. プロセス変数送信機における、工業プロセスのプロセス変数送信機に接続されたサーモカップルの極性を特定するための方法であって、
    第１の電極と第２の電極とからなる第１の電気コネクタをサーモカップルの第１のワイヤに接続することと、
    第３の電極と第４の電極とからなる第２の電気コネクタを、前記第１のワイヤとは異なる材料の、前記サーモカップルの第２のワイヤへ接続することと、
    前記第１、第２、第３及び第４の電極のうちの少なくとも２つの間で測定された電圧に基づいて前記サーモカップルの極性を特定することとからなる、方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、
    前記第１及び第２の電極が異なる材料からなる、方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、
    前記第３及び第４の電極が異なる材料からなる、方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、
    前記第２及び第４の電極が同じ材料からなる、方法。
17. 請求項１３に記載の方法において、
    前記第２及び第４の電極がサーモカップル材料からなる、方法。
18. 請求項１３に記載の方法が、前記サーモカップルの逆の極性の特定に応答してオペレータに警告することを含む、方法。
19. 請求項１３に記載の方法が、前記サーモカップルの極性の特定に基づいて前記サーモカップルの温度に関する出力を補償することを含む、方法。
20. 請求項１３に記載の方法が、プロセス制御ループ上に出力することを含む、方法。
21. 請求項１３に記載の方法が、前記サーモカップルの第１及び第２のワイヤ間の接合で発生される前記第１及び第２の電気コネクタ間の電圧に基づいて測定温度を補償することを含み、該補償は、前記第１及び第２の電極の少なくとも一つと前記サーモカップルの第１のワイヤとの間で測定された電圧に基づくものであり、よって冷接点補償を提供することを含む、方法。