JP5897732B2 - マイクロカプセル型電気泳動表示装置を有する２線式プロセス変数インジケータ - Google Patents

Description

背景
工業環境では、制御システムが、工業及び化学プロセスなどの現況を監視及び制御するために使用される。一般的に、制御システムは、工業プロセスの主要な場所に分散されそしてプロセス制御ループによって制御室の制御回路に接続されたフィールドデバイスを使用して、これらの機能を実行する。「フィールドデバイス」という用語は、分散された制御又はプロセス監視システムで機能を実行する任意のデバイスを指し、工業プロセスの測定、制御、及び監視に使用されるすべてのデバイスを含む。このような工業プロセスでは、液体、スラリー、又は固体などの物体は、多くの場合大きな保持又はプロセスタンクに収容される。フィールドデバイスの１つの例示的なタイプは、タンク内の材料の高さを測定し、プロセス制御ループを経由してこのようなタンクのレベルの指示値を提供することができる。フィールドデバイスの別の例示的なタイプは、パイプなどの導管を介して流れる液体の圧力又は流量を測定し、プロセス制御ループを経由してこのような指示値を提供することがあり得る。しかしながら、多くの場合、タンク又はフィールドデバイスの近くを歩く技術者又はオペレータがプロセス通信を介してフィールドデバイスに問い合わせる必要なしにプロセス変数に関する視覚的な指示値をすばやく獲得することができるように、プロセス変数のローカルでの指示値を提供することも有用である。タンクのレベルの指示値に関する、この視覚的な指示値を提供している１つの方法は、磁気的に動作するインジケータを使用する。

概要
２線式プロセス変数インジケータは、複数の端子を内部に配置させたハウジングを備える。端子は、２線式プロセス制御ループに接続可能である。電力モジュールは、プロセス制御ループからの電流の流れを受けるために複数の端子に接続される。ドライバ回路は電力モジュールに接続され、マイクロカプセル型電気泳動表示装置はドライバ回路に接続される。

プロセスプラントのタンク内の材料のレベルのローカルでの指示値を提供する、従来技術の磁気的に動作するインジケータの概略図である。 本発明の一実施形態による２線式プロセス変数インジケータの概略図である。 本発明の実施形態によるマイクロカプセル型電気泳動表示装置を使用したプロセス変数インジケータの概略図である。 本発明の実施形態用のマイクロカプセル型電気泳動表示装置を形成する方法の概略図である。

発明の詳細な説明
図１は、プロセスプラントのタンク内の材料のレベルのローカルでの指示値を提供する、従来技術の磁気的に動作するインジケータの概略図である。プロセスタンク１０には、液体１２が部分的に充填される。円筒状のフロートチャンバ１４は、ポート１６及び１８によってタンク１２に流体的に接続される。流体接続１６、１８によって、タンク１０内の液体１２のレベル２０は、参照符号２２で示されるようにフロートチャンバ１４に反映される。適切なフロート２４は、レベル２２でフロートチャンバ１４内の液体材料上に浮遊する。フロート２４は、インジケータ２６と磁気的に相互作用する材料で形成される。このように、フロート２４のレベルがタンク１０内の材料１２のレベル２０と共に上下すると、それに応じてインジケータ２６は上下することになる。

図１に示されるシステムは、タンクのレベルのすばやいローカルでの指示値をオペレータ又は技術者に提供するために有用であるが、それぞれのインジケータのための圧力容器基準の要件に従う必要のある特別注文で設計及び製作されたフロートチャンバ及び圧力容器が多くの場合必要となる。加えて、フロート自体が、適切な界面位置で確実に「浮かぶ」ように、それぞれの用途のために通常特別注文で設計される。異なる用途では異なる比重の液体となる恐れがあるため、これは課題となり得る。更に、この解決策は、材料が液体であることが必然的に必要である。固体材料は流体接続１６、１８を介して効果的に流れないため、磁気フロートの利用は固体材料では単純に不可能である。更にまた、装置全体が、一般に特別注文で設計される必要があり、比較的大きく、嵩張り、そして作製に費用がかかる。したがって、プロセスタンク内の材料のレベルをローカルで示すシステムを提供するために、相当の費用が追加される場合がある。

図２は、本発明の一実施形態による２線式プロセス変数インジケータの概略図である。タンクのレベルの測定システム１００は、タンク１０内に延伸したプローブ１０４を有するタンク１０上に取り付けられたレベルの測定トランスミッタ１０２を備える。プロセスのレベルのトランスミッタ１０２は、レベル２０などのプロセス流体の界面によって生じる不連続部で反射するプローブ１０４に沿ったレーダ信号を送受信することが可能な公知のデバイスである。反射時間は、測定され、タンク１０内の材料のレベルを表す。図２は「ガイドウエーブのレベルの測定システム」を示すが、非接触フルウエーブの測定システム、超音波システム、及びタンク１０内の材料のレベルを正確に測定することができるその他の適切なシステムを含む任意の適切なレベルの測定システムを使用することができる。更に、非接触のレーダ式のレベルのトランスミッタなどのいくつかの技術は、タンク内の固体のレベルを測定することが可能である。使用されるデバイスとは無関係に、タンクのレベルのトランスミッタ１０２は、２線式プロセス制御ループ１０８を介してタンクのレベルの出力を提供するように構成される。２線式プロセス制御ループは、プロセス変数を表現するために４mAと２０mAとの間を変化する４〜２０mA電流信号を有してもよい。しかしながら、他の構成が、本発明の実施形態に従って実施され得る。図２に示されるように、２線式プロセス変数インジケータ１０６は、トランスミッタ１０２と直列に電気的に配置される。このように、トランスミッタ１０２によって生成された４〜２０mAの信号は、２線式ループ１０８上に存在し、レベルの表示部を生成するためにレベルのインジケータ１０６によって使用され得る。レベルのインジケータ１０６は、防爆性ハウジングなどの（図３に示される）ハウジング内に配置された電子機器を備え、この電子機器は、電子インク表示装置を駆動するように構成される。いくつかの実施形態では、レベルの測定トランスミッタ１０２とレベルの表示装置１０６との間の配線接続が、標準的な導管接続を使用することによって達成され得る。レベルのインジケータ１０６は、電子インク表示装置１０９を収容してもよいし若しくは電子インク表示装置１０９に直接接続されてもよく、又はレベルのインジケータ１０６を、表示装置１０９から離れて配置し、任意の適切な電子接続を使用して表示装置１０９に接続することができる。いくつかの実施形態では、レベルのインジケータ１０６及び表示装置１０９は、タンク１０上又はタンク１０の近くに取り付けることができる単一のユニットを備える。レベルのインジケータ１０６は、磁気フロート型インジケータシステムに必要とされるような、タンク１０へのいかなるプロセス流体又はプロセス侵入型結合も不要とする、強力で、高いコントラストのレベルの指示値をローカルで提供する。レベルのインジケータ１０６及び表示装置１０９がタンク１０に取り付けられる実施形態では、システムをタンク１０に固定するか又はシステムをタンク１０に磁気的に取り付けることを含む任意の適切な方法で、このような取り付けは実行され得る。更にまた、図２に示されるように、表示装置１０９によって示されるレベル１１０がタンク１０内の物理的なレベル２０と一致するように、表示装置１０９はタンク１０の側壁に設置され得る。

現在、２線式プロセス変数インジケータは公知である。例えば、このようなインジケータは、ミネソタ州チャンナッセンのRosemount Inc.からModel 751という商品名で入手可能である。しかしながら、Model 751は液晶技術に基づく。このようなインジケータは、液晶表示装置を有用とするためにバックライトを一般的に必要とする。バックライトを有しない液晶表示装置が公知であるが、これらのコントラストは多少制限され、日中にこのようなインジケータを表示する機能は最適ではない。更に、液晶表示装置の大きさが増加すると、このような表示装置のための所要電力も同様に増加する。したがって、比較的大きな、高いコントラストの液晶プロセス表示装置を提供することは、４〜２０mA電流ループによって供給することができる電力よりも過大な電力を必要とする場合がある。本発明の実施形態によれば、マイクロカプセル型電気泳動プロセス変数表示装置が提供される。公知の技術による表示装置は、電気泳動マイクロカプセルに印加される電荷に基づいて、特定の位置すなわち画素の反射率を変化させる。結果として、ごく僅かな電力しか必要としない高いコントラストの表示装置となる。更に、電気泳動表示装置に対する電荷の印加がマイクロカプセルの適切な泳動を引き起こし、そしてこのようなマイクロカプセルはそれらの電荷を一般に維持し、一度最初の表示が与えられた表示装置を維持するために必要とされる電力量は、液晶表示装置と比較して非常に減少する。

マイクロカプセル型電気泳動表示装置は、公知で、電子グリッド／表示装置ドライバの使用により変化させることができる高いコントラストの白地に黒の表示を提供する際に、紙上のインクを殆ど完全に模倣する。このような表示装置は、紙と同様に柔軟であり得、非常に適合性が高い。加えて、この技術は、極めて小さな電力を消費する。電気泳動表示装置は何百万もの小さなマイクロカプセルで構成され、各々が人間の毛髪ほどの直径を有する。それぞれのマイクロカプセルは、透明な流体に浮遊される正に帯電する白色粒子及び負に帯電する黒色粒子を含む。正又は負の電界が印加されるときに、対応する粒子が、ユーザに可視となるマイクロカプセルの上部へ移動する。これにより、その位置すなわち画素で表面が白又は黒の外観を呈する。この技術は、反射光によって動作し、したがってＬＣＤ表示装置のようにバックライトに依存しない。これにより、昼光のような明るい光に対して非常に有用な表示装置が提供される。更に、高いコントラストは、一般的なプラントの照明条件で、夜間に非常に見やすいとも考えられる。

図３は、本発明の一実施形態によるマイクロカプセル型電気泳動表示装置を使用したプロセス変数インジケータの概略図である。インジケータ２００は、いくつかの実施形態では防爆性ハウジングであるハウジング２０２を備える。他のプロセス制御設備のための防爆性トランスミッタハウジング及び防爆性筐体は、公知である。本明細書で使用される防爆性とは、米国電気規程に従って、爆発がある場合に、爆発が筐体内で食い止められることを意味する。いくつかの実施形態では、レベルのインジケータ２００内の回路は、本質的安全要件に従うように設計される。本明細書で使用される本質的安全要件とは、短絡又は故障状態が発生する場合であっても、危険場所に配置され得る易燃性材料に点火又は易燃性材料を誘導するのに十分なエネルギーが存在しないように回路が設計されることを意味する。

筐体２０２は、２線式プロセス制御ループに接続可能である一組の端子２０４、２０６を提供する。上記したように、インジケータ２００は、プロセス制御ループに直列に配置される。したがって、レベルのトランスミッタ１０２などのプロセス変数トランスミッタによって定められた電流は、端子２０４、２０６を介して流れる。２線式ループからの電気的エネルギーを調節するか又は受け取りそして電気泳動式ドライバ回路２１０に適切なエネルギーを提供するように構成された電力モジュール２０８に、端子２０４、２０６は接続される。ドライバ回路２１０は、マイクロカプセル型電気泳動表示装置２１２を駆動して、端子２０４、２０６を介して流れる電流量に対応する値を示す。２線式ループによって供給される電流は４mAと２０mAとの間で変動するので、プロセス制御システムに通信される全プロセス変数が影響を受けないように、インジケータ２００内のすべての回路での消費はそのエネルギーの非常に小さな一部に制限される。更に、デジタル情報が電流信号に重畳される実施形態では、プロセス変数インジケータは、追加的なプロセス変数、診断データ及び／又は警報といった他のデータを同様に表示することができる。図３に示されるインジケータは筐体２０２内、又は筐体２０２に隣接して配置された表示装置２１２を示すが、図２に示されるように、表示装置２１２は筐体２０２から離れて配置されてもよい。更に、本発明の実施形態は、プロセス保持タンク内の材料のレベルを表示することに関して一般に説明されたが、本発明の実施形態は、２線式ループを経由して通信される任意のプロセス変数を表示するために使用され得る。

図４は、本発明の実施形態用のマイクロカプセル型電気泳動表示装置を形成する方法の概略図である。方法３００は、プラスチックフィルムのシートが電気泳動マイクロカプセルで被覆されるブロック３０２から始まる。ブロック３０４で、被覆されたシートが、パターン化された回路の層に積層される。回路は、ドライバ２１０のような表示装置ドライバによってその後制御され得る画素のパターンを形成する。次に、ブロック３０６で、既存の被覆プロセスを使用して被覆されることが可能なマイクロカプセルが液体「キャリア媒体」中に浮遊される。最終的な積層体は、ガラス、プラスチック、布及び紙を含む実質的にどのような表面上にも適用可能である。この柔軟性により、プロセス変数表示を、実質的にどのような長さ及び幅でも提供することが可能となる。したがって、表示装置は、プロセス変数インジケータのハウジングよりかなり大きくなり得る。

本発明の実施形態は、２線式４〜２０mAループによって電力を供給される新規なマイクロカプセル型電気泳動プロセス変数表示装置を一般に提供する。表示装置は、ごく僅かな電力しか消費せず、非常に高いコントラストを提供する。したがって、プロセス変数のローカルでの指示値は、多くの状況ですぐに、簡単に提供され得る。例えば、タンク又は容器内の固体材料（粒子など）のレベルが、簡単にローカル現場に表示され得る。粒子が効果的にフロートチャンバに流れ込むことができないので、従来技術の磁気インジケータを使用した容器内の固体のローカル現場の表示は不可能である。

本発明が好ましい実施形態を参照にして説明されたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく形式及び細部で変形がなされてもよいことを当業者は認識するであろう。

Claims (14)

1. 容器内に収容された材料のレベルを視覚的に表示する２線式プロセス変数インジケータであって、
   ハウジングと、
   前記ハウジング内に配置され、２線式プロセス制御ループに接続可能な複数の端子と、
   前記２線式プロセス制御ループからの電流の流れを受け取るために前記複数の端子に接続された電力モジュールと、
   前記電力モジュールに接続されたドライバ回路と、
   前記ドライバ回路に接続されたマイクロカプセル型電気泳動表示装置と、
   を備え、
   前記表示装置によって示されるレベルが前記材料の物理的なレベルと一致するように、前記表示装置が前記容器の側壁に配置された、２線式プロセス変数インジケータ。
2. 前記表示装置内に配置されたマイクロカプセルが粒子を含み、前記粒子のそれぞれの位置が、前記ドライバ回路によって前記マイクロカプセルに印加される電荷に基づいて変化し、これにより、前記表示装置の画素の反射率が変化する、請求項１に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
3. 前記表示装置が、前記ハウジング内に配置される、請求項１に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
4. 前記表示装置が、前記ハウジングより大きい、請求項１に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
5. 前記材料が、固体である、請求項１に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
6. 前記電流の流れが、プロセス変数を示すために、４ミリアンペアと２０ミリアンペアとの間で変化する、請求項１に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
7. 前記表示装置が、複数のプロセス変数に関する情報を提供する、請求項１に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
8. 前記表示装置が、診断情報を提供する、請求項７に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
9. 前記表示装置が、警報状態を示す、請求項７に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
10. 前記インジケータが、前記容器に機械的に取り付けられる、請求項１に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
11. 前記インジケータが、前記容器に固定される、請求項１０に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
12. 前記インジケータが、前記容器に磁気的に接続される、請求項１に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
13. 前記ハウジングが、防爆性である、請求項１に記載の２線式プロセス変数インジケータ。
14. 前記電力モジュール及びドライバ回路が、本質的安全要件を満たすように設計されている、請求項１に記載の２線式プロセス変数インジケータ。

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