JP5622936B2 - ノイズ検出及びその回避 - Google Patents

Description

本発明は、プロセス制御及び監視システムで用いられるプロセス変量トランスミッタに関する。より詳細には、本発明は、プロセスノイズにより引き起こされるエラーを回避するため、センサ制御信号の周波数が検出されたノイズ周波数から離れるように、センサ制御信号を調整することに関する。

（背景技術）
プロセス変量トランスミッタは、プロセス制御また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ために用いられる。マイクロプロセッサベースのトランスミッタは、多くの場合、センサ、センサからの出力をデジタル形式に変換するためのアナログ−デジタル変換器、デジタル化した出力を補正するマイクロプロセッサ、及び補正された出力を送信する出力回路を含む。現状、このような送信は、通常、４−２０ｍＡ制御ループのようなプロセス制御ループ、またはワイヤレスで行なわれる。

このようなシステムにより計測される１つの例示的なパラメータは、プロセスのチューブまたはパイプを通る導電性流体の流量である、これは、例えば、電磁流量計を用いることによって実現できる。

電磁流量計の１つの例示的なタイプは、その断面の向かい側に配置されるコイルを備えたパイプを含む。コイルは、トランスミッタからのコイル駆動電流により電圧が印加され、パイプの断面に沿って磁界を生成する。磁界に垂直なラインに沿って、２つの電極が互いにパイプの反対側に配置される。パイプを通過する流体は、導電性を有する。磁界の中の導電性流体の動きの結果、電位または起電力（ＥＭＦ）が流体中に引き起こされ、電極により検出される。

これらのタイプの電磁流量計は、しばしば、パイプ中の流体の流れに加えられ、検出及び測定される様々な物質を有するプロセス中に配置される。例えば、ある製紙プロセス工場では、シリカが、製紙プロセスのパイプ中を流れる流体に付加される。プロセスに加えられたシリカの流れを制御するため、可変周波数駆動モータにより制御されるピストンポンプを用いたプロセスにシリカを加えることができる。

ピストンポンプは、通常、入力ポート及び出力ポートに交互に接続されるピストンのセットを用いて稼働される。ポンプで汲み上げられる物質は、ピストンの往復運動により、レシプロ入力ポートを通して吸引されて、出力ポートを通して排出される工程を交互に行って、物質がポンプで汲み上げられる。物質をプロセスのパイプ中を通る流体に付加するために、このようなタイプのポンプを用いるとき、ポンプの稼働速度に対応した流れに、圧力の変調を与えることがある。この圧力の変調は電磁流量計により観察することができ、電磁流量計のコイルを駆動するのに用いられるコイル駆動周波数の奇数調波においてより大きなエネルギを含むことがあり得る。このことにより、プロセス流れを測定する計測された出力信号にうなり振動数を生じさせる結果となり得る。

もちろん、（流れの計測に干渉する）ピストンポンプにより生じるこのようなタイプの周期的なノイズの導入は、計測されたプロセス変量を表す測定された出力信号と干渉する可能性のある周期的または間欠的な発生源の一例に過ぎない。他の様々な発生源も、同様に、プロセス変量の測定と干渉する可能性がある。例えば、２、３例を挙げると、同様なタイプのノイズが、圧力の脈動、振動及び電気的干渉を生じさせる可能性がある。

（発明の概要）
プロセス変量トランスミッタは、プロセス変量を検知するセンサを駆動するのに用いられるセンサ駆動信号を出力するセンサ駆動コントローラを含む。センサ駆動コントローラは、センサ駆動信号の周波数を変更して、ノイズが生じ、センサ信号と干渉する可能性のある周波数及び関連する高調波が生じるのを回避する。

センサ及びプロセスに接続されたプロセス変量トランスミッタの概略ブロック図である。 電磁流量の１つの実施形態の概略部分線図及び部分ブロック図である。 センサ駆動信号を特徴付ける図１に示すシステムの稼働を示す流れ図である。 ノイズを検出する図１に示すシステムの稼働を示す流れ図である。 ノイズ周波数を回避するためセンサ駆動を修正する図１に示すシステムの稼働を示す流れ図である。

（詳細な説明）
図１は、１つの実施形態によるトランスミッタ１０の概略ブロック図である。図１に示す実施形態において、トランスミッタ１０は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１２、プロセッサ１４、メモリ１６、ノイズ検出器１８及びコイル駆動コントローラ２０を含む。トランスミッタ１０が、流れセンサ２２及びゼロ以上の他のプロセス変量（ＰＶ）センサに接続されるのが示される。トランスミッタ１０は、プロセス制御ループ２６にも接続されることが示される。もちろん、プロセス制御ループ２６の代わりに、またはそれに加えて、トランスミッタ１０は、ワイヤレス送信接続部に接続することもできる。１つの実施形態では、プロセス制御ループ２６では、トランスミッタ１０に電力を供給する。プロセッサ１４は、プロセス制御ループ２６側に情報を送信し、プロセス制御ループ２６を介して、他の回路やシステムから情報を受けることもできる。一例として、プロセス制御ループ２６は４−２０ｍＡプロセス制御ループであることができ、適切な通信プロトコルを用いて稼働することができる。他のフォーマットの例には、モドバス、プロフィバスまたはフィールドバスを含む。代替的には、プロセス制御ループ２６は、その代わりに、またはそれに加えて、情報を様々なワイヤレス技術または構成を適用してワイヤレスに送信するワイヤレス接続を用いることができる。

センサ２２及び２４は、検知したプロセス２８からの入力を受けるプロセス変量センサを例示したものである。センサ２２は、プロセス２８の流れを検知する流れセンサを例示したものであり、他のＰＶセンサ２４は、他の様々なセンサであることができ、例えば、圧力、温度、ＰＨ等を検知するセンサであることができる。センサ２２及び２４では、検知したパラメータを示すアナログ出力をＡ／Ｄ変換器１２に供給することを例示できる。

センサ２２及び２４は、異なる周波数の様々なセンサ駆動信号により駆動されるセンサであることができる。ここで議論する実施形態は、センサ２２による信号出力やＰＶセンサ２４による信号出力におけるノイズを検出し、センサを駆動するために用いられるセンサ駆動信号の周波数を変更して、プロセス中のノイズの周波数がトランスミッタ１０に供給されるセンサ信号の計測値と干渉しないようにすることに向けられる。本仕様書では、このことは、流れセンサのコイルを駆動するコイル駆動コントローラ２０によってコイル駆動信号出力の周波数を制御するという表現で示される。ある周波数でプロセス２８により生じたノイズが、流れセンサ２２のセンサ信号出力と干渉しないように、コイル駆動周波数を変更する。もちろん、トランスミッタ１０により計測される、これらのセンサによるセンサ信号出力の正確さを増すため、他のセンサ２４を駆動するために用いられる他のセンサ駆動信号の周波数を制御できることが認識されるであろう。

本議論は、ピストンポンプの往復運動により、ノイズがシステムに引き起こされる例示的な実施形態に関して進められる。これは例示的なものであり、他のノイズの発生源の検出及び回避に適用することもできる。図１は、プロセス２８が、ピストンポンプ２８によりプロセスに付加された物質３０を有することが、例示的に示されているといえる。例えば、プロセス２８が紙を処理するのに用いられる場合、プロセス２８に付加される物質３０は、例示的にシリカである。もちろん、広い種類の異なるプロセスを、プロセス２８により表わすことができる。図１に示す特定の実施形態では、ピストンポンプ３２は、駆動コンポーネント３４により駆動される。例えば、駆動コンポーネント３４は、最終的にピストンポンプ３２を駆動して、物質３０をプロセスへ汲み上げるモータ３８を駆動する可変駆動コントローラ３６を含むことができる。

コイル駆動コントローラ２０及びノイズ検出器１８が、個別の機器であるか、またはプロセッサ１４に組み込まれることを示すように、図１に点線で示される。ここで記載する実施形態では、プロセッサ１４は、メモリ及びクロック回路に関連し、検知したパラメータに関する情報を、プロセス制御ル−プ２６側へ提供する。もちろん、プロセッサ１４が入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路を含むか、入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路を別途提供することができ、ループ２６を流れる電流を制御することにより、ループ２６上にデジタル形式で、またはアナログ形式で情報を送信することができることに注目すべきである。何れの場合でも、検知したパラメータに関連した情報は、トランスミッタ１０によりプロセス制御ループ２６側に供給される。

上述のように、例示の目的だけであるが、図１のセンサ２２は、プロセス２８にパイプ中の導電性流体の流れを検知する電磁流量計として記述される。図２は、流れセンサを含む電磁流量計に接続されたトランスミッタ１０の部分概要、部分ブロック図である。図２は、トランスミッタ１０が、電流Ｉ及び交流動力線（図示せず）を運ぶ２線４−２０ｍＡ通信ループに接続することを示す。流れセンサ２２は、流れチューブ４０、コイルの対４２及び４４、並びに電極の対４６及び４８を含む。トランスミッタ１０は、流れチューブに隣接する駆動コイル４２及び４４に負荷電流Ｉ_Ｌを供給する。これにより、チューブ４０を流れる流体に磁場を形成する。電極４６及び４８は、流体の流れに引き起こされたＥＭＦを検知するため、流れチューブ内に、流体の磁場に概ね垂直な線に沿って載置される。トランスミッタ１０は、電極４６及び４８の間のＥＭＦを感知し、チューブ４０内の流体の流れにその都度比例する、感知したＥＭＦを表わす出力電流Ｉを制御する。トランスミッタ１０は、様々な異なるアナログまたはデジタル通信フォマットを用いたこの情報を送信することができる。

１つの実施形態では、コイル駆動コントローラ２０は、コイル４２及び４４を流れる交流負荷電流Ｉ_Ｌを生成する定電流駆動を制御するトランジスタブリッジ回路を含む。負荷電流Ｉ_Ｌがコイル４２及び４４を一方向に流れ、そしてコイル駆動周波数で電流供給のオンオフを行なうように、プロセッサ１４が駆動コントローラ２０を制御する。電流Ｉ_Ｌがコイル４２及び４４を流れて、チューブ４０を流れる流体に磁場を形成し、チューブ４０内の導電性流体の動きにより流体の流れにＥＭＦが形成されて、電極４６及び４８により検知される。Ａ−Ｄ変換器１２は、電極４６及び４８により供給されたアナログ信号を、測定のためにプロセッサ１４に提供されるデジタル値に変換する。プロセッサ１４は、チューブ４０内の流体の流れにその都度比例する、感知したＥＭＦを表わす出力電流Ｉを供給する。

再び図１を参照すると、（物質３０をプロセス２８に付加するための）ピストンポンプ３２の往復運動は、パイプ４０内の流体の流れに圧力の変調を与えることがある。圧力の変調は、ポンプ３２のスピードに対応する。この圧力の変調は、電極４６及び４８により供給された信号で観察することができ、それらの信号は、駆動コイル４２及び４４を駆動するために用いられるコイル駆動周波数の一次周波数及びその奇数調波において、大きなエネルギを含むことがあり得る。これにより、流れセンサ２２による信号出力にうなり振動数を生じさせ、このうなり振動数が、プロセッサ１４によりプロセス制御ループ２６側に供給される出力に組み込まれる。従って、ポンプ３２によって引き起こされた圧力の変調は、パイプ４０内の流体の検知した流れを示す流れ信号で誤差の発生源となり得る。

このような誤差を回避するため、１つの実施形態では、コイル４２及び４４を駆動するコイル駆動コントローラ２２により用いられるコイル駆動信号の周波数特性を識別するため、プロセッサ１４は最初に流れセンサ２２を制御する。そして、プロセッサ１４は、これらの特性を用いて、測定における不正確さを生じさせる程度にコイル駆動周波数に近いノイズ周波数を検出する。次に、プロセッサ１４は、検出されたノイズ周波数から十分に離れた周波数でコイル４２及び４４を駆動するように、コイル駆動コントローラ２０を制御して、ノイズ周波数が検出した出力信号に誤差を持ち込むことがないようにする。

図３は、コイル駆動信号の周波数特性を最初に識別するための、トランスミッタ１０の稼働の１つの例示的な実施形態を示す流れ図である。図３に示す実施形態では、プロセッサ１４が、コイル駆動信号（またはコイル駆動信号の周波数を示す何らかの代表的信号）を受信する。これは、図３のブロック５０に示される。

次に、プロセッサ１４は、コイル駆動信号の一次周波数及びその高調波の特性を検出する。これは、ブロック５２に示される。１つの実施形態では、一次周波数の高調波に対する比率を検出して、メモリ１６に記憶する。図１に示す実施形態では、メモリ１６は、トランスミッタ１０の不揮発性メモリである。コイル駆動信号の一次周波数及び高調波を保管することが、図３のブロック５４に示される。

一度、コイル駆動周波数の特性が検出されて保管されると、プロセッサ１４は、ノイズ検出器１８を用いて、流れセンサ２２により供給される流れ信号の中のノイズを検出する。図４は、ノイズを検出する場合のトランスミッタ１０の稼働の１つの実施形態を示す流れ図である。一度、コイル駆動信号の特性を識別して保管した場合、プロセッサ１４は、ノイズを、電極４６及び４８によりトランスミッタ１０へ供給された電極信号に含まれる不適切な高調波要素として検出できる。次に、プロセッサ２４は、様々な実施形態に応じて、多くの異なる事柄の１つを行なうことができる。１つの実施形態では、プロセッサ１４は、間欠的に（例えば、周期的に）コイル駆動周波数を１８０度位相シフトする。これにより、効率的にノイズをキャンセルできる。これは、図４のブロック６５に示される。周期的な位相シフトは、原則として、ポンプの稼働により生じる低周波ノイズを高周波ノイズに変換する。高周波ノイズは、ＲＣフィルタを用いて、より容易に除去することができる。１つの実施形態では、コイル駆動周波数が周期的に位相シフトされる場合、２つの第２クランプフィルタを用いる。ピーク・トゥ・ピークノイズが、コイル周波数が位相シフトされない場合の信号で計測された場合に比べて１４倍少ないということが観察された。

その他の実施形態において、プロセッサ１４が電極の周波数のスペクトラムを監視して、いつノイズがコイル駆動の一次周波数または奇数調波に近づくか検出して、ノイズ周波数から十分に離れて誤差を回避するように、コイル駆動周波数を変更する。

このようにして、プロセッサ１４は、最初に電極４６及び４８からの流れ信号を受信する。これは、図４のブロック６０に示される。そして、プロセッサ１４は、駆動コントローラ２０を制御して、チューブ４０内の流体の流れとは別の発生源により生じるノイズを検出するため、コイル駆動コントローラ２０を、少しの間作動不能にする。このような他の発生源には、圧力の脈動、振動、外部電気的干渉等が含まれる。もちろん、このステップでは、プロセッサ１４は、ピストンポンプ３２の圧力の変調によって引き起こされるノイズを検出することを認識するであろう。コイル駆動を駆動不能にして、ノイズを検出することは、図４のブロック６２及び６４にそれぞれ示される。

次に、プロセッサ１４は、ブロック６４で検出したノイズ周波数がコイル駆動周波数またはそれの高調波に近すぎて、望まない量のノイズを生じさせるか否か定める。このようにして、プロセッサ１４は、メモリ１６に保管されたコイル駆動周波数及びその高調波にアクセスして、ノイズ周波数を検出するため、それらを比較する。ノイズ周波数がコイル駆動周波数またはその高調波に近すぎるか否か定めることは、図４のブロック６６に示される。実質的な干渉が起きる前に、２つの周波数がどれだけ近いか正確に知ることは、個々の応用による。前もって定めることも、稼働中に決めることもでき、また経験的に定めることもできる。

もし、ノイズ周波数がコイル駆動周波数またはその高調波に近すぎることはない場合には、プロセッサ１４は、コイル駆動周波数を変える必要はなく、ブロック６９に示すように、単にコイル駆動を作動可能にすればよい。しかし、もし、２つの周波数が近すぎる場合には、プロセッサ１４は、コイル駆動コントローラ２０を調整して、コイル駆動周波数を変更して、検出されたノイズによる不正確さを回避する。これは、図４のブロック６７に示される。１つの実施形態では、コイル駆動周波数を調整することは、単に周波数を変更するだけであって、常にノイズが検知したプロセス変量の計測を干渉しないようにするため、周波数が十分に離れて、高調波を脈動するノイズから回避させる。

図４に回避可能なノイズの検出のための１つの実施形態を示すが、他の実施形態を用いることもできる。例えば、ブロック６２のように、少しの間コイル駆動を駆動不能にする代わりに、ノイズ検出を、使用者が行なうテストの一部とすることもできる。このような実施形態では、使用者は、単に、ノイズの検出を要求し、プロセッサ１４は、より長い時間コイルドライバを作動不能にして、その間にノイズを検出することができ、場合によっては、ノイズの発生源が識別される。もちろん、ノイズを検出する他のバリエーションを用いることもできる。

図５は、図４のブロック６７に示すような、検出したノイズによる不正確さを回避するようにコイル駆動を調整するための多くの異なる実施形態を示す流れ図である。図５の１つの実施形態では、プロセッサ１４は、単に、（コイル駆動コントローラを制御することにより）コイル駆動周波数を調整し、コイル駆動周波数またはその高調波がノイズ周波数から十分に離れていて、常にノイズが行なわれた計測と干渉しないようにする。これは、図５のブロック７０に示される。

図５のその他の実施形態御では、プロセッサ１４が、コイル駆動コントローラ２０を制御して、稼働可能な周波数範囲内で、間欠的または不規則にコイル駆動周波数を変更する。コイル駆動周波数を十分な頻度で変更することにより、プロセッサ１４は、コイル駆動周波数が干渉する周波数範囲から外れた十分な内容を有して、計測の正確さを維持できることを確実にする。つまり、もし、コイル駆動周波数がノイズ周波数から十分に離れて、ノイズ干渉を回避できる期間が十分である場合には、コイル駆動周波数が、間欠的に短い期間、ノイズ領域に近づきすぎたとしても、ノイズにより計測された信号に大きく干渉されることはない。このように、不規則にまたは間欠的にコイル駆動周波数を変更することは、図５のブロック７２に示される。

周期的なノイズにより生じる干渉を回避するためのその他の実施形態は、脈動の期間（またはノイズ干渉の期間）を検出して、フィルタで除去することである。例えば、図５には、検出器１４が、ピストンポンプ３２により生じる脈動の期間、または他の干渉ノイズの期間を検出するノイズ検出器１８を用いることができる。これは、ブロック７４に示す。干渉ノイズの間隔を検出すると、プロセッサ１４は、単に、脈動（または干渉）ノイズにフィルタで除去する移動平均フィルタを適用する。これは、ブロック７６に示される。もちろん、検出したノイズによる不正確さを回避するため、コイルドライバを調整するその他の方法を用いることもできる。

本記述は、ピストンポンプによる流れ信号に導入されたノイズに関して主に進められているが、同じ技術が、所与の周波数でセンサを駆動するドライバを有するセンサにより感知され、検出可能な周波数で干渉する干渉ノイズに影響される、実質的に他の任意のプロセス変量におけるノイズを回避するために用いることができることが評価できる。従って、本記載は、流れセンサに関連した周期的ノイズを回避するだけではない。

本発明は、好ましい実施形態を参照しながら記載されたが、当業者は、本発明の精神及び範囲から離れることなく、形式や詳細において変更することができることを認識するであろう。

Claims (14)

1. プロセス変量トランスミッタのプロセッサにより実行される方法であって、
   プロセス変量センサを制御するためのセンサ制御信号を受信し、前記センサ制御信号の一次周波数又は高調波の特性の少なくとも一方を検出することと、
   ノイズ検出器を用いて、前記プロセス変量センサからのセンサ信号上のノイズを不適切な高調波要素として検出することと、
   前記ノイズの影響を減じるため、前記センサ制御信号のセンサ制御信号周波数を調整することと、
   調整した前記センサ制御信号周波数で前記プロセス変量センサを制御することと、
   を含む方法。
2. 前記センサ制御信号周波数を調整することが、
   前記ノイズをキャンセルするため、周期的に前記センサ制御信号周波数を位相シフトすることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 周期的に前記センサ制御信号周波数を位相シフトすることが、
   周期的に前記センサ制御信号周波数を１８０度位相シフトすることを含む、請求項２に記載の方法。
4. 更に、前記センサ制御信号の一次周波数と高調波との比率を検出することを含み、
   検出した前記比率を前記周波数データ保管部に記憶することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記センサ制御信号周波数を調整することが、
   不規則に前記センサ制御信号周波数を所望の周波数範囲内に変更することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記センサ制御信号周波数を調整することが、
   前記ノイズのノイズ周波数の期間を検出すること、
   前記ノイズ周波数の期間に生じる周期的なノイズをフィルタで除くために、前記センサ制御信号に該センサ制御信号のフィルタコンポーネントを適用することと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
7. 更に、前記ノイズの検出の前に、間欠的に前記センサ制御信号を作動不能にして、前記ノイズを検出することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 更に、前記ノイズの検出の前に、使用者の要求に応じて前記センサ制御信号を作動不能にして、前記ノイズを検出するため使用者の要求に応じて前記ノイズを検出することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 可動中のプロセスにおけるプロセス変量を検知するプロセス変量センサを制御するプロセス変量トランスミッタであって、
   前記プロセス変量センサからのセンサ信号上のノイズを検出するノイズ検出器と、
   前記プロセス変量センサを制御するためのセンサ制御信号を生成するコントローラと、
   前記ノイズ検出器及び前記コントローラに接続されたプロセッサと、
   を含み、
   前記プロセッサは、
   前記プロセス変量センサを制御するためのセンサ制御信号を受信し、前記センサ制御信号の一次周波数又は高調波の少なくとも一方の特性を検出することと、
   前記ノイズ検出器を用いて、前記プロセス変量センサからのセンサ信号上のノイズを不適切な高調波要素として検出することと、
   前記ノイズの影響を減じるため、前記センサ制御信号のセンサ制御信号周波数を調整することと、
   調整した前記センサ制御信号周波数で前記プロセス変量センサを制御することと、
   を含む処理を実行する
   プロセス変量トランスミッタ。
10. 前記プロセッサが、前記センサ制御信号の一次周波数と高調波との比として、前記センサ制御信号の周波数特性を識別する、請求項９に記載のプロセス変量トランスミッタ。
11. 前記プロセッサが、不規則に所望の周波数の範囲内で前記センサ制御信号周波数を変更することにより、前記センサ制御信号周波数を調整する、請求項９に記載のプロセス変量トランスミッタ。
12. 前記プロセッサが、周期的に前記センサ制御信号周波数を１８０度位相シフトする、請求項９に記載のプロセス変量トランスミッタ。
13. 管路中のプロセス流体の流れを示す電磁流量計からの流れ信号を受信するプロセス変量トランスミッタであって、
    前記電磁流量計のコイルをコイル駆動周波数で駆動するコイル駆動信号を生成するコイル駆動コントローラと、
    前記流れ信号上の周期的なノイズを検出するノイズ検出器と、
    前記コイル駆動コントローラ及び前記ノイズ検出器に接続されたプロセッサと、
    を含み、
    前記プロセッサは、
    前記コイル駆動信号を受信し、前記コイル駆動信号の一次周波数又は高調波の少なくとも一方の特性を検出することと、
    前記コイル駆動コントローラを制御して、間欠的に前記コイル駆動信号を駆動不能にすること、
    前記ノイズ検出器を用いて、前記流れ信号上の周期的なノイズを不適切な高調波要素として検出することと、
    前記ノイズのノイズ周波数を、前記コイル駆動信号の一次周波数又は高調波の少なくとも一方の特性と比較することと、
    前記ノイズと前記センサ信号との干渉が回避されるように、前記比較に基づいて、前記コイル駆動信号のコイル駆動周波数を調整することと、
    を含む制御処理を実行する
    プロセス変量トランスミッタ。
14. 前記プロセス変量トランスミッタが、他の検知したプロセス変量を示す追加のセンサから追加センサ信号を受信し、
    前記ノイズ検出器が、前記追加センサ信号上の周期的なノイズを検出し、
    前記プロセッサが、前記追加のセンサのセンサ制御信号の周波数特性と、前記追加センサ信号で検出された周期的なノイズのノイズ周波数との比較に基づいて、前記追加センサ信号を制御するセンサ制御信号を調整する、請求項１３に記載のプロセス変量トランスミッタ。

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