JP6114309B2

JP6114309B2 - プロセス計装用のプラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネント

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Publication number: JP6114309B2
Application number: JP2014553305A
Authority: JP
Inventors: クラレンス，エドワードホームスタッド，
Original assignee: ローズマウントインコーポレイテッド
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: JP2015509620A

Description

本発明は、工業用のプロセス伝送器およびセンサに関する。特に本発明は、取り付けられたセンサ周辺コンポーネントに固有の情報を用いるプロセス伝送器の構成に関する。

管路を通って流れる、または容器の中に含まれる流体の様々な特性を感知し、そうしたプロセスの特性に関する情報を、プロセスの測定領域から遠隔に配置された制御、監視および／または安全システムへ伝送するために、工業用のプロセス伝送器およびセンサが使用される。センサ組立体は一般に、センサ、センサワイヤ、絶縁材料および設置取り付け部品を含む。センサ組立体は、プロセスパラメータ、例えば圧力、温度、ｐＨまたは流量を感知する。センサワイヤによってセンサ組立体に電気的に接続されたプロセス伝送器が、センサ組立体からセンサの出力信号を受け取る。伝送器は、センサ組立体から受け取ったセンサの出力信号を読み取り、その出力信号をプロセスパラメータを正確に表す情報に変換する。最後に、伝送器はその情報を制御システムへ送信する。

多くの用途において、センサ組立体は、センサ組立体を保護するまたはその性能を高める周辺コンポーネントに取り付けられる。例えば、温度センサ組立体をサーモウェルに取り付けることができる。サーモウェルは流体と物理的に接触し、例えば衝撃などの流体による物理的損傷、腐食などから温度センサ組立体内の温度センサを保護するとともに、流体と温度センサとの間で熱を効率的に伝導するように設計される。サーモウェルは、適切な保護を提供するとともに、流体と温度センサとの間で熱を効率的に伝導するために、取り付けられた温度センサ組立体と接触していなければならない。温度センサ組立体を誤った大きさまたは型式のサーモウェルに取り付けると、センサ組立体に損傷を与える、または流体の温度測定の性能が悪くなる可能性がある。さらに、経時的にサーモウェルの表面が流体の物理的および／または化学的な作用によって摩滅し、そのために温度センサ組立体に対する保護が損なわれることがあり、それによってサーモウェルが劣化する可能性がある。サーモウェルの表面に流体からの物質（付着物）が蓄積し、蓄積した物質の断熱効果によってサーモウェルの温度測定の性能が低下する可能性もある。

したがって、センサ周辺コンポーネントは、一般的には、例えば取り付けられるセンサ組立体よりも非常に簡素化されているが、特定のセンサ周辺コンポーネントにとって固有の重要かつ特徴的な情報を有する。サーモウェルの場合、重要かつ特徴的な情報には、例えば、通常はサーモウェルに取り付けられる金属タグに示されるサーモウェルの型式、取り付けられたプロセス伝送器に手で入力される付着物の診断情報および後流周波数の計算パラメータ、ならびに遠隔のデータベースに記録された点検および交換に関する保守スケジュールが含まれる。金属タグは、紛失したり不明瞭になったりするおそれがある。プロセス伝送器に情報を手で入力することは、別個の電気接続部の取り付けを必要とする時間のかかる作業であり、また手で行うあらゆる作業にも当てはまるように、誤りが生じやすい。現場では、遠隔保守のスケジュールに簡単にアクセスできないことがあり、また遠隔保守のスケジュールが、実際の使用情報を反映しない可能性がある。プロセス測定の精度および信頼性は、ある程度、取り付けられるセンサ周辺コンポーネントに関する特徴的な情報の有用性に依存する。

本発明の一実施形態において、プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントは、導電性の物理的コネクタと、電気的コネクタと、変圧器と、ＲＦ通信−データ記憶回路とを含む。電気的コネクタは、第１の導電経路によって物理的コネクタに電気的に接続される。変圧器は、ＲＦ通信−データ記憶回路に電気的に接続される。変圧器およびＲＦ通信−データ記憶回路は、物理的コネクタおよび電気的コネクタから電気的に絶縁される。第１の導電経路以外によって物理的コネクタを電気的コネクタに電気的に接続することにより、ＲＦ通信−データ記憶回路を第１の導電経路に誘導結合する。

参照することにより本明細書に援用されている、米国特許出願公開第２０１０／０３０２００８号明細書「プロセス計装用のセンサ／伝送器のプラグアンドプレイ（SENSOR/TRANSMITTER PLUG-AND-PLAY FOR PROCESS INSTRUMENTATION）」に記載されているプラグアンドプレイ式のプロセス伝送器は、追加の配線を使用せずに、センサ組立体に関する構成データをプロセス伝送器に自動的にロードすることを可能にし、プロセス計装の分野に真のプラグアンドプレイ機能をもたらすものである。本発明は、追加の配線を使用せずに、センサ周辺コンポーネントに関する特徴的な情報の読み取りおよび書き込みを可能にし、プラグアンドプレイ機能をセンサ周辺コンポーネントに拡張する。プラグアンドプレイ式のセンサ組立体をセンサ周辺コンポーネントに物理的に接続することによって、センサ組立体に接続されたプラグアンドプレイ式のプロセス伝送器が、アナログのセンサ信号を伝えるセンサワイヤのみを使用してセンサ周辺コンポーネント内のＲＦ通信−データ記憶回路、例えばＲＦＩＤチップ上の記憶領域にアクセスすることが可能になる。

プロセス伝送器からの変調搬送波信号は、センサ周辺コンポーネントおよび取り付けられたセンサ組立体の導電部を通して、センサ周辺コンポーネント内のＲＦ通信−データ記憶回路に誘導結合される。センサ周辺コンポーネントおよび取り付けられたセンサ組立体の導電部を使用することによって、センサ組立体をセンサ周辺コンポーネントに物理的に接続するだけで、プラグアンドプレイ式に誘導結合された信号経路が確立される。したがって、センサ周辺コンポーネント内のＲＦ通信−データ記憶回路上の記憶領域に記憶された特徴的な情報は、プロセス伝送器によってプラグアンドプレイ方式で容易にアクセス可能であり、プロセス測定の精度および信頼性が、取り付けられたセンサ周辺コンポーネントに関する特徴的な情報の有用性に依存する範囲で改善される。

本発明の一実施形態に係るプロセスの測定または制御用のシステムを示す図である。本発明の一実施形態に係るプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステムの図である。図２のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステムのプラグアンドプレイ式のセンサ組立体の図である。図２のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステムのプラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントの図である。図２のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステムの一部をさらに詳しく示す図である。本発明の一実施形態に係るプラグアンドプレイ式のプロセス測定システムを示す概略図である。

図１は、本発明を具体化するプロセスの測定または制御用のシステムを示している。図１は、プロセス測定システム１２、伝送路１４および制御または監視用のシステム１６を含む、プロセスの監視または制御用のシステム１０を示す。プロセスの監視または制御用のシステム１０は、プロセス配管１８内のプロセス流Ｆを監視または制御する。プロセス配管１８は、フランジ接続部２０を含む。フランジ接続部２０によって、プロセス流Ｆの少なくとも１つの特性、例えば温度、流量、圧力またはｐＨを測定するためのフランジ取り付け式の計器の接続が容易になる。プロセス測定システム１２は、センサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２、プロセス伝送器２４およびセンサワイヤ２６を含む。センサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２は、センサ組立体２８およびセンサ周辺コンポーネント３０を含む。センサ周辺コンポーネント３０は、フランジ取り付け用の接続部を有する。伝送路１４は、マルチワイヤケーブル、光ファイバケーブルまたは無線接続とすることができる。プロセス配管１８も、プロセスタンク、貯蔵タンク、蒸留塔または反応器を含むプロセス容器のいくつかの任意のものとすることができる。

センサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２のセンサ周辺コンポーネント３０は、センサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２がプロセス流Ｆの近くに位置するように、フランジ接続部２０に接続している。センサワイヤ２６は、プロセス伝送器２４を、センサ組立体２８においてセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２に電気的に接続する。伝送路１４は、プロセス伝送器２４を制御または監視用のシステム１６に接続する。プロセス伝送器２４およびセンサ組立体２８は、プラグアンドプレイ式のデバイスである。プロセス伝送器２４をセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２に接続することによって、プロセス伝送器２４が、センサ組立体２８内の記憶領域から、例えばセンサ組立体２８に関連付けられた構成データを含む情報を読み取ること、およびセンサ組立体２８内の記憶領域にそうした情報を記憶することが可能になる。本発明では、センサ周辺コンポーネント３０もプラグアンドプレイ式のデバイスである。プロセス伝送器２４をセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２に接続することによって、プロセス伝送器２４も、センサ周辺コンポーネント３０内の記憶領域から、例えばセンサ周辺コンポーネント３０に固有の特徴的な情報などの情報を読み取ること、およびセンサ周辺コンポーネント３０内の記憶領域にそうした情報を記憶することが可能になる。プロセス伝送器２４とセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２との間に要求されるプラグアンドプレイの機能はセンサワイヤ２６だけである。

センサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２は、その動作時に、流れの特性を感知するセンサ組立体２８、およびセンサ組立体２８を保護するまたはその性能を高めるセンサ周辺コンポーネント３０を用いて、プロセス流Ｆの少なくとも１つの特性を感知する。センサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２は、感知された流れの特性を表すアナログのセンサ信号を、センサワイヤ２６を通してプロセス伝送器２４へ伝達する。プロセス伝送器２４は、センサ組立体２８によって提供され、プロセス伝送器２４内に記憶された構成データに基づいて、アナログのセンサ信号をデジタル化および調節して、プロセス流Ｆの流れの特性の測定値を生成する。プロセス伝送器２４はその測定値を、伝送路１４を通して制御または監視用のシステム１６に伝送する。制御または監視用のシステム１６は、測定値の記録を作成すること、情報に基づいて要素を制御する制御命令を与えること、または測定値を他の監視もしくは制御用のシステムに伝えることを含む、様々な目的に測定値を使用することができる。プロセス伝送器２４は、センサ周辺コンポーネント３０によって提供された特徴的な情報を、制御または監視用のシステム１６に伝送することもできる。さらに、プロセス伝送器２４は、特徴的な情報をプロセス測定システム１２の保守のためにプロセス伝送器２４に一時的に接続された携帯デバイス（図示せず）に提供すること、または特徴的な情報をプロセス伝送器２４のディスプレイ（図示せず）に表示することが可能である。

図１の実施形態は、センサ組立体−周辺コンポーネントシステム２２とプロセス配管１８との間にフランジ接続を使用している。しかしながら、本発明は、例えば溶接による接続またはねじによる接続を含む、センサ組立体−周辺コンポーネントシステムとプロセス容器との間のあらゆるタイプの接続に適合することが理解される。

図２は、本発明の一実施形態を示す、プラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステムの図である。図２の実施形態では、測定されるプロセス流Ｆの特性は温度であり、センサ組立体−周辺コンポーネントシステムは温度を感知する。図２に示すように、センサ組立体−周辺コンポーネントシステム１００は、センサ組立体である温度センサ組立体１０２、およびセンサ周辺コンポーネントであるサーモウェル１０４を含む。センサワイヤ１０６の一部もセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム１００に含まれ、センサ組立体−周辺コンポーネントシステム１００を、図１を参照して記載したプロセス伝送器２４、または以下において図６を参照して記載するプロセス伝送器２０４などのプラグアンドプレイ式のプロセス伝送器と接続する。センサワイヤ１０６は、図１を参照して記載したセンサワイヤ２６と同様である。

図３および図４は、本実施形態によるセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム１００のコンポーネントをさらに詳しく示している。図３は、プラグアンドプレイ式の温度センサ組立体１０２の図である。温度センサ組立体１０２は、センサアダプタ１０８、センサカプセル１１０、電気絶縁体１１２、センサ組立体の電気的コネクタ１１４、センサのＲＦ通信−データ記憶回路１１６、およびセンサ組立体の変圧器１１８を含む。センサカプセル１１０は、温度センサであるセンサ１２０を含む温度センサのカプセルである。センサカプセル１１０の外面は導電性である。図に示すように、センサアダプタ１０８は、センサ組立体の接続ねじ部１２２および伝送器の接続ねじ部１２４を含む。前述したように、温度センサ組立体１０２は、センサワイヤ１０６の一部も含む。本実施形態に示すように、センサ組立体の変圧器１１８は、好ましくはトロイダルコア変圧器である。あるいは、他の形状の変圧器を使用することもできる。

センサカプセル１１０は、センサアダプタ１０８の中の第１の端部から、センサアダプタ１０８の中にない第２の端部まで延びる。第２の端部は、その内部にセンサ１２０を含む。電気絶縁体１１２は、センサカプセル１１０がセンサアダプタ１０８から突出した領域において、センサカプセル１１０とセンサアダプタ１０８との間に存在する。この配置は、センサカプセル１１０をセンサアダプタ１０８に物理的に接続するとともに、センサカプセル１１０がセンサアダプタ１０８から突出した領域において、センサカプセル１１０をセンサアダプタ１０８から電気的に絶縁する働きをする。センサワイヤ１０６は、センサ１２０に電気的に接続され、センサ１２０からセンサカプセル１１０の長手方向に亘って延び、センサアダプタ１０８内のセンサカプセル１１０の第１の端部を通って出て、センサ組立体の変圧器１１８の第１のコイルを形成した後、センサアダプタ１０８を出てプラグアンドプレイ式のプロセス伝送器（図示せず）と接続される。センサワイヤ１０６は、センサワイヤ１０６とセンサカプセル１１０の導電性の面との間に直接的な電気接触が存在しないように絶縁される。センサアダプタ１０８の中で、センサ組立体の変圧器１１８は、センサカプセル１１０がセンサ組立体の変圧器１１８の軸に沿ってセンサ組立体の変圧器１１８を通過するように位置決めされる。センサのＲＦ通信−データ記憶回路１１６は、センサ組立体の変圧器１１８の第２のコイルに電気的に接続される。センサ組立体の電気的コネクタ１１４は、センサカプセル１１０を、センサカプセル１１０の第１の端部とセンサ組立体の変圧器１１８との間の領域で、センサアダプタ１０８に電気的に接続する。図に示すように、センサ組立体の電気的コネクタ１１４は、センサカプセル１１０に物理的に取り付けられ、湾曲したばね接点を介してセンサアダプタ１０８に接触する。センサ組立体の電気的コネクタ１１４は、図示するような単一の湾曲したばね接点、または複数の湾曲したばね接点を有することができる。

図４は、プラグアンドプレイ式のサーモウェル１０４の図である。あらゆるサーモウェルと同様に、サーモウェル１０４は、センサカプセルを収容するために、その軸に沿ってほぼ全長に延びる内腔１２５を有する。サーモウェル１０４は、サーモウェルの電気的コネクタ１２６、サーモウェルのＲＦ通信−データ記憶回路１２８、サーモウェルの変圧器１３０、ポッティング１３２およびサーモウェルの接続ねじ部１３４を含む。図に示すように、サーモウェルの電気的コネクタ１２６は、内腔１２５の中心に向かって延びた複数の湾曲したばね接点を使って、サーモウェル１０４に物理的に取り付けられる。サーモウェルの変圧器１３０は、内腔１２５と同軸になるように位置決めされる。好ましくは、サーモウェルの変圧器１３０は、図４に示すようにポッティング１３２によって適所に保持される。あるいは、クリップまたは他の支持構造体を使用して、サーモウェルの変圧器１３０の位置を固定することができる。サーモウェルのＲＦ通信−データ記憶回路１２８は、サーモウェルの変圧器１３０の第１のコイルに電気的に接続される。センサ組立体の変圧器１１８と同様に、サーモウェルの変圧器１３０は、本実施形態に示すように、好ましくはトロイダルコア変圧器である。あるいは、他の形状の変圧器を使用することもできる。

センサのＲＦ通信−データ記憶回路１１６およびサーモウェルのＲＦ通信−データ記憶回路１２８は、データ記憶機能およびＲＦ通信機能を含む集積回路、好ましくは無線周波数識別（ＲＦＩＤ）チップである。単一ユニット内のＲＦＩＤチップおよびＲＦＩＤアンテナが、ＲＦＩＤタグを形成する。本発明では、センサ組立体の変圧器１１８およびサーモウェルの変圧器１３０の中のコイルがそれぞれＲＦＩＤチップに接続されたアンテナとして働くため、ＲＦＩＤチップのみを使用することが好ましい。このような本実施形態では、以下において図６を参照して記載するように、取り付けられるプラグアンドプレイ式のプロセス伝送器は、ＲＦＩＤリーダ集積回路を含む。ＲＦＩＤチップは低コストの選択肢であり、容易に入手することができる。あるいは、米国特許出願公開第２０１０／０３０２００８号明細書「プロセス計装用のセンサ／伝送器のプラグアンドプレイ（SENSOR/TRANSMITTER PLUG-AND-PLAY FOR PROCESS INSTRUMENTATION）」に記載されるように、特定の性能要求によって、ＲＦ通信機能およびデータ記憶機能を含むカスタム集積回路の使用が求められることがある。

低周波数の用途の場合、センサ組立体の変圧器１１８およびサーモウェルの変圧器１３０は、好ましくは粉末状の鉄またはフェライトのコアを含む。あるいは、特に高周波数の用途の場合、空心変圧器を使用することができる。

図２〜図４を合わせて考えると、センサ組立体の接続ねじ部１２２をサーモウェルの接続ねじ部１３４と係合することによって、温度センサ組立体１０２がサーモウェル１０４に取り付けられ、それらの間の物理的および電気的な接続を形成してセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム１００を形成する。図２に示すように、温度センサ組立体１０２をサーモウェル１０４に取り付けることによって、センサカプセル１１０がサーモウェルの変圧器１３０の軸に沿ってサーモウェルの変圧器１３０を通過し、内腔１２５に入る。センサカプセル１１０が内腔１２５の中に入る際、センサカプセル１１０の導電性の外面が、サーモウェルの電気的コネクタ１２６の複数の湾曲したばね接点と係合し、センサカプセル１１０の第２の端部とサーモウェルの変圧器１３０との間の領域で、サーモウェル１０４とセンサカプセル１１０との間の電気的な接続を形成する。

図５は、図２のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステムの一部をさらに詳しく示す図である。図５に点線によって示すように、温度センサ組立体１０２をサーモウェル１０４に取り付けることによって、センサ組立体の変圧器１１８とサーモウェルの変圧器１３０との間に単巻きの変圧器結合１４０が生成される。単巻きの変圧器結合１４０の経路は、センサ組立体の電気的コネクタ１１４から、センサ組立体の変圧器１１８、サーモウェルの変圧器１３０を通り、サーモウェルの電気的コネクタ１２６に至る、センサカプセル１１０の導電性の面を含む。前記結合の経路は、引き続きサーモウェルの電気的コネクタ１２６を通ってサーモウェル１０４に至るまで延び、センサ組立体の接続ねじ部１２２とサーモウェルの接続ねじ部１３４との係合によって形成された電気的な接続部を横断して、センサアダプタ１０８に至る。前記結合の経路は、センサ組立体の電気的コネクタ１１４によってセンサアダプタ１０８からセンサカプセル１１０に至るまで延びて完結する。電気絶縁体１１２は、センサ組立体の変圧器１１８とサーモウェルの変圧器１３０との間の領域における単巻きの変圧器結合１４０の短絡を防止する。したがって、温度センサ組立体をサーモウェルに取り付ける通常のやり方で温度センサ組立体１０２をサーモウェル１０４に取り付けるだけで、単巻きの変圧器結合１４０が生成され、サーモウェル１０４に対するプラグアンドプレイ機能が可能になる。

図６は、本発明を具現化したプラグアンドプレイ式のプロセス測定システムの一実施形態を示す概略図である。本実施形態では、変圧器を用いて、プラグアンドプレイ式のプロセス伝送器内のＲＦＩＤリーダと、温度センサ組立体内のＲＦＩＤチップおよびサーモウェル内のＲＦＩＤチップを含む、プラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム内のＲＦＩＤチップとの間で、変調搬送波信号を誘導結合する。この配置によって、温度センサ組立体内のＲＦＩＤチップ上の記憶領域、およびサーモウェル内のＲＦＩＤチップ上の記憶領域からデジタル情報を読み取ること、ならびにこうした記憶領域にデジタル情報を記憶することが可能になる。重要なことには、センサ信号を伝えるワイヤ以外にプロセス伝送器とセンサ組立体−周辺コンポーネントシステムとの間にワイヤを全く使用することなく、正確なアナログの温度センサ信号を維持しながら、こうした記憶領域へのアクセスが行われる。

図６は、プラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム２０２およびプラグアンドプレイ式のプロセス伝送器２０４を含む、プロセス測定システム２００を示している。センサ組立体−周辺コンポーネントシステム２０２は、センサのＲＦ通信−データ記憶回路１１６およびサーモウェルのＲＦ通信−データ記憶回路１２８が、明らかにＲＦＩＤチップである、すなわち、それぞれセンサのＲＦＩＤチップ１４２およびサーモウェルのＲＦＩＤチップ１４４であることを除き、図２〜５を参照して前述したセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム１００と同様である。プロセス伝送器２０４は、センサフィルタ２０６、阻止コンデンサ２０８、Ａ／Ｄ変換器２１０、ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２、通信用変圧器２１４、マイクロプロセッサ２１６、電力バッファ２１８およびループ式電力調整器２２０を含む。低周波数の用途の場合、通信用変圧器２１４は、好ましくは粉末状の鉄またはフェライトのコアを含む。あるいは、特に高周波数の用途の場合、空心変圧器を使用することができる。ループ式電力調整器２２０は、図１を参照して前述した伝送路１４などの伝送路から、プロセス伝送器２０４への電力を調整する。ループ式電力調整器２２０はまた、プロセス伝送器２０４と伝送路との間の通信を制御する。

図６に示すように、センサ組立体−周辺コンポーネントシステム２０２は、センサワイヤ１０６によってプロセス伝送器２０４に接続される。温度プロセス伝送器２０４の中で、センサワイヤ１０６は２対に分かれ、センサワイヤ１０６の一方の対がセンサフィルタ２０６に接続され、センサワイヤ１０６の他方の対が通信用変圧器２１４の第１のコイルを形成する。阻止コンデンサ２０８は、センサワイヤ１０６を２対に分割する点と通信用変圧器２１４との間のある点で、通信用変圧器２１４の第１のコイルを形成する一方のセンサワイヤ１０６に接続される。ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２は、通信用変圧器２１４の第２のコイルに電気的に接続される。ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２は、マイクロプロセッサ２１６および電力バッファ２１８に接続される。マイクロプロセッサ２１６は、Ａ／Ｄ変換器２１０、電力バッファ２１８および電力調整器２２０に接続される。センサフィルタ２０６は、Ａ／Ｄ変換器２１０に接続される。ループ式電力調整器２２０は、伝送路、例えば図１を参照して前述した伝送路１４に接続される。

プロセス伝送器２０４を起動させ、手動で信号を送るとき、またはセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム２０２が、しばらくの間切断が続いた後で、センサワイヤ１０６によってプロセス伝送器２０４に接続するとき、マイクロプロセッサ２１６は、ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２に信号を送り、温度センサ組立体１０２から構成データを要求する、またはサーモウェル１０４から特徴的な情報を要求する。ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２は、要求を暗号化するために変調される搬送波信号を発生させ、変調される搬送波信号を通信用変圧器２１４へ伝える。変調搬送波信号は、センサワイヤ１０６内で通信用変圧器２１４による誘導結合によって生成される。変調搬送波信号は、センサワイヤ１０６に沿って、プロセス伝送器２０４からセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム２０２へ伝わる。センサ組立体−周辺コンポーネントシステム２０２に達すると、変調搬送波信号は誘導結合してセンサ組立体の変圧器１１８を横断し、センサワイヤ１０６からセンサのＲＦＩＤチップ１４２と単巻きの変圧器結合１４０の両方に至る。変調搬送波信号はさらに、単巻きの変圧器結合１４０を通って伝わり、誘導結合してサーモウェルの変圧器１３０を横断し、サーモウェルのＲＦＩＤチップ１４４に至る。

構成データまたは特徴的な情報に関する暗号化された要求を含むことに加えて、変調搬送波信号は、センサのＲＦＩＤチップ１４２とサーモウェルのＲＦＩＤチップ１４４の両方に電力も供給する。暗号化された要求がセンサのＲＦＩＤチップ１４２に指令された場合（例えば、センサ組立体１０２に関する構成データの要求）、センサのＲＦＩＤチップ１４２は暗号化された要求を処理し、搬送波信号を再変調して要求された構成データを暗号化し、再変調された搬送波信号をセンサ組立体の変圧器１１８、センサワイヤ１０６および通信用変圧器２１４を通して伝送し、ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２へ戻す。ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２は、再変調された搬送波信号を復調し、構成データをマイクロプロセッサ２１６へ送信し、マイクロプロセッサ２１６は、構成データをローカルメモリに記憶する。同様に、暗号化された要求がサーモウェルのＲＦＩＤチップ１４４に指令された場合（例えば、サーモウェル１０４に関する特徴的な情報の要求）、サーモウェルのＲＦＩＤチップ１４４は暗号化された要求を処理し、搬送波信号を再変調して要求された情報を暗号化し、再変調された搬送波信号を、サーモウェルの変圧器１３０、単巻きの変圧器結合１４０、センサ組立体の変圧器１１８、センサワイヤ１０６および通信用変圧器２１４を通して伝送し、ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２へ戻す。ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２は、再変調された搬送波信号を復調し、特徴的な情報をマイクロプロセッサ２１６へ送信し、マイクロプロセッサ２１６は、情報をローカルメモリに記憶する。

プロセス伝送器２０４が温度センサ組立体１０２に関する構成データを有するようになると、センサ要素１２０が温度を感知し、アナログのセンサ信号を生成する。図６に示すように、センサ要素１２０は熱電対タイプであり、したがって、アナログのセンサ信号は、センサ要素１２０の両端での電圧レベルの変化である。アナログのセンサ信号は、センサワイヤ１０６を介して温度センサ組立体１０２からプロセス伝送器２０４へ伝わるが、センサ組立体の変圧器１１８を経由してセンサワイヤ１０６を通過することによって変化しない。プロセス伝送器２０４において、アナログのセンサ信号はセンサフィルタ２０６を通過し、センサフィルタ２０６は、センサワイヤ１０６およびＡ／Ｄ変換器２１０に向かって伝わる任意の変調搬送波信号を含む高周波の干渉を取り除く。さらに阻止コンデンサ２０８は、通信用変圧器２１４がアナログのセンサ信号を短絡させるのを防止する。Ａ／Ｄ変換器２１０は、アナログのセンサ信号をデジタルのセンサ信号に変換し、それをマイクロプロセッサ２１６に送信する。マイクロプロセッサ２１６は、構成データをローカルメモリから検索し、構成データを用いてデジタルのセンサ信号を調節して正確な温度の測定値を示す。マイクロプロセッサ２１６はまた、特徴的な情報をローカルメモリから検索する。温度の測定値および特徴的な情報は、例えば図１を参照して前述した伝送路１４を通じて伝送するためにループ式電力調整器２２０へ送られる。さらに、プロセス伝送器２０４は、温度の測定値または特性データを、プロセス測定システム２００の保守のためにプロセス伝送器２０４に一時的に接続された携帯デバイス（図示せず）に提供すること、または温度の測定値または特徴的な情報を、装備されている場合にはプロセス伝送器２０４のディスプレイ（図示せず）に表示することが可能である。図６に示す実施形態は、デジタル通信が双方向であるため、構成データまたは特徴的な情報を検索する以外に、他のタイプのデジタル情報を記憶および検索することも可能である。

低電力の電流ループの用途または無線伝送器の用途を含むいくつかの用途では、ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２は、継続的に利用するより多くの電力を必要とする場合がある。電力バッファ２１８は、利用可能な伝送器の電力を監視し、プロセス伝送器２０４の他の動作に必要な電力を上回る電力を蓄積する。電力バッファ２１８は、十分な電力が蓄積されると、この状態をマイクロプロセッサ２１６に伝達する。マイクロプロセッサ２１６がセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム２０２とデジタル通信を開始すると、ＲＦＩＤリーダＩＣ２１２は、電力バッファ２１８からの蓄積された電力を使用する。

図６は、センサ要素１２０が熱電対タイプのセンサ要素である本発明を示しているが、２、３および４ワイヤのＲＴＤを使用することも可能である。例えば、高周波バイパスコンデンサが２ワイヤのＲＴＤセンサ要素と平行に延びていれば、２ワイヤのＲＴＤを使用することができる。３ワイヤのＲＴＤ要素および４ワイヤのＲＴＤ要素は、センサ組立体の変圧器１１８または通信用変圧器２１４と誘導結合する必要がないため、センサワイヤ１０６から分かれた１つまたは２つの追加のセンサワイヤを必要とするだけである。

これまでに論じた実施形態はすべて、温度プロセス伝送器に接続された単一の温度センサ組立体を含むが、本発明が、多重化によって単一の温度プロセス伝送器に接続された複数の温度センサ組立体を含むことが可能であることが理解される。さらに、説明を簡潔かつ簡単にするために、これまでに論じたすべての実施形態は、測定するプロセス変数として温度を使用している。しかしながら、本発明が、圧力、ｐＨおよび流量を含む他のプロセス変数の測定にも適用可能であることが理解される。

本発明は、追加の配線を使用せずに、センサ周辺コンポーネント内に記憶されたセンサ周辺コンポーネントに関する特徴的な情報の読み取りおよび書き込みを可能にし、プラグアンドプレイ機能をセンサ周辺コンポーネントに拡張する。プラグアンドプレイ式のセンサ組立体をそうしたプラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントに物理的に接続することによって、センサ組立体に接続されたプラグアンドプレイ式のプロセス伝送器が、アナログのセンサ信号を伝えるセンサワイヤのみを使用してセンサ周辺コンポーネント内のＲＦ通信−データ記憶回路、例えばＲＦＩＤチップ上の記憶領域にアクセスすることが可能になる。

本発明は、プロセス伝送器からの変調搬送波信号を、センサ周辺コンポーネントおよび取り付けられたセンサ組立体の導電部を通して、センサ周辺コンポーネント内のＲＦ通信−データ記憶回路に誘導結合する。センサ周辺コンポーネントおよび取り付けられたセンサ組立体の導電部を使用することにより、センサ組立体をセンサ周辺コンポーネントに物理的に接続するだけで、プラグアンドプレイ方式に誘導結合された信号経路が確立される。したがって、プラグアンドプレイ方式のプロセス伝送器によって、センサ周辺コンポーネント内のＲＦ通信−データ記憶回路上の記憶領域に記憶された特徴的な情報に簡単にアクセスすることが可能となり、プロセスの測定精度および信頼性が、取り付けられたセンサ周辺コンポーネントに関する特徴的な情報の有用性に依存する範囲で改善される。もはやセンサ周辺コンポーネントに関する特徴的な情報を、プロセス伝送器に手で入力する必要はない。さらに、実際の使用を反映する保守スケジュールを容易に入手することができ、もはや金属の識別タグは重要ではない。

本発明を例示的な実施形態を参照して記載してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことが可能であり、本発明の要素の代わりに等価物を用いることが可能であることが当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの変更を行うことが可能である。したがって、本発明は開示される特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれるすべての実施形態を含むことが意図される。

Claims

プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントと、プラグアンドプレイ式のセンサ組立体とを備えるプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステムであって、
前記センサ周辺コンポーネントは、
前記センサ周辺コンポーネントの軸に沿って延び、前記センサ組立体のセンサカプセルを収容する内腔と、
前記内腔と同軸になるように位置決めされる第１の変圧器と、
前記センサ組立体に物理的に接続される導電性の接続ねじ部と、
前記接続ねじ部に電気的に接続される電気的コネクタと、
前記センタ組立体から前記第１の変圧器を経て前記電気的コネクタに至るまで形成される単巻きの変圧器結合としての第１の導電経路と、
前記第１の変圧器に電気的に接続されるＲＦ通信−データ記憶回路であって、前記第１の変圧器および前記ＲＦ通信−データ記憶回路が、前記接続ねじ部および前記電気的コネクタから電気的に絶縁されるＲＦ通信−データ記憶回路と
を備え、
前記接続ねじ部を介して前記センサ周辺コンポーネントに前記センサ組立体を物理的に接続することにより、前記ＲＦ通信−データ記憶回路と前記第１の導電経路との信号経路を確立することを特徴とするプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記第１の変圧器がトロイダルコア変圧器である、請求項１に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記接続ねじ部を介して前記センサ周辺コンポーネントに前記センサ組立体を物理的に接続することは、前記トロイダルコア変圧器の中心を通して電気的に接続することにより、前記ＲＦ通信−データ記憶回路と前記第１の導電経路との信号経路を確立することを含む、請求項２に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記ＲＦ通信−データ記憶回路と前記第１の導電経路との間の信号経路確立が、前記センサ周辺コンポーネントに関する特徴的な情報を伝達する、請求項１に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記特徴的な情報が、前記センサ周辺コンポーネントの型式、前記センサ周辺コンポーネントの特定の識別情報、付着物の診断情報および保守スケジュールの情報の少なくとも１つを含む、請求項４に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記特徴的な情報が、前記ＲＦ通信−データ記憶回路と前記第１の導電経路との間でデジタル通信として伝達される、請求項４に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記デジタル通信が変調搬送波信号によって行われる、請求項６に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記ＲＦ通信−データ記憶回路がＲＦＩＤチップである、請求項７に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記センサ周辺コンポーネントがサーモウェルである、請求項１に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記センサ組立体は、
センサアダプタと、
前記センサアダプタ内に設けられ、センサワイヤに接続することで信号経路が確立される第２の変圧器と、
前記センサアダプタの中の第１の端部から前記センサアダプタの中にない第２の端部まで延びる導電性のセンサ組立体のコンポーネントであって、前記第２の変圧器が該導電性のセンサ組立体のコンポーネントと前記センサワイヤとの信号経路を確立するように構成される、導電性のセンサ組立体のコンポーネントと
を備え、
前記接続ねじ部を介して前記センサ周辺コンポーネントに前記センサ組立体を物理的に接続することにより、前記センサ組立体の前記第２の変圧器と前記センサ周辺コンポーネントの前記第１の変圧器との間に前記第１の導電経路が形成される、請求項１に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記第１の変圧器が第１のトロイダルコア変圧器であり、前記第２の変圧器が第２のトロイダルコア変圧器である、請求項１０に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントが、前記第２のトロイダル変圧器の軸に沿って前記第２のトロイダルコア変圧器を通過して構成されることにより、前記第２のトロイダルコア変圧器が前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントを前記センサワイヤに誘導結合する、請求項１１に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記センサ組立体を前記センサ周辺コンポーネントに物理的に取り付けることによって、前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントが、前記第１のトロイダルコア変圧器の軸に沿って前記第１のトロイダルコア変圧器を通過し、前記第１のトロイダルコア変圧器と前記第２のトロイダルコア変圧器との間に前記変圧器結合を形成する、請求項１１に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記センサワイヤに電気的に接続され、前記プロセス伝送器と前記ＲＦ通信−データ記憶回路との間で情報を伝達するためのＲＦ通信回路を有するプロセス伝送器をさらに備える、請求項１０に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記ＲＦ通信−データ記憶回路と前記プロセス伝送器との間で通信される前記情報が、前記センサ周辺コンポーネントに関する特徴的な情報を含む、請求項１４に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記特徴的な情報が、前記センサ周辺コンポーネントの型式、前記センサ周辺コンポーネントの特定の識別情報、付着物の診断情報および保守スケジュールの情報の少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記情報が、前記ＲＦ通信−データ記憶回路と前記プロセス伝送器との間でデジタル通信として伝達される、請求項１４に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記デジタル通信が変調搬送波信号によって行われる、請求項１７に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記ＲＦ通信−データ記憶回路がＲＦＩＤチップである、請求項１８に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントが温度センサを含み、前記センサ周辺コンポーネントがサーモウェルである、請求項１０に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントが、圧力センサ、ｐＨセンサおよび流量センサの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記第１の変圧器と前記第２の変圧器との間で前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントの一部を軸方向に囲み、前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントの前記一部を前記センサアダプタおよび前記センサ周辺コンポーネントから絶縁する電気絶縁体
をさらに備える、請求項１０に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記電気絶縁体が、ガラス、ガラス繊維、ポリイミドおよびエアギャップの少なくとも１つを含む、請求項２２に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントの前記第１の端部と前記第１の変圧器との間のある点で、前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントを前記センサアダプタに接続するように構成された、前記センサアダプタ内の第１の電気的コネクタと、
前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントの前記第２の端部と前記第２の変圧器との間のある点で、前記センサ周辺コンポーネントを前記導電性のセンサ組立体のコンポーネントに接続するように構成された、前記プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネント内の第２の電気的コネクタと、
をさらに備える、請求項１０に記載のプラグアンドプレイ式のセンサ組立体−周辺コンポーネントシステム。
プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントからの特徴的な情報にアクセスする方法であって、
プラグアンドプレイ式のセンサ組立体を、前記プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントに取り付けること、
搬送波信号を、センサワイヤを通して前記プラグアンドプレイ式のセンサ組立体に供給すること、
前記搬送波信号を変圧器結合に誘導すること、
前記搬送波信号を、前記変圧器結合から前記プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントに誘導すること、
前記プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントに記憶された前記プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントの特徴的な情報に基づいて、前記搬送波信号を変調し、前記特徴的な情報を含む第１の変調搬送波信号を生成すること、
前記第１の変調搬送波信号を前記変圧器結合に誘導すること、
前記第１の変調搬送波信号を、前記変圧器結合から前記プラグアンドプレイ式のセンサ組立体に誘導すること、
前記第１の変調搬送波信号を、前記プラグアンドプレイ式のセンサ組立体から前記センサワイヤに供給すること、および
前記プラグアンドプレイ式のセンサ組立体によって供給された前記第１の変調搬送波信号を復調して、前記特徴的な情報を得ること
を含む方法。
前記プラグアンドプレイ式のセンサ組立体を前記プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントに取り付けることが、プラグアンドプレイ式ではないセンサ組立体をプラグアンドプレイ式ではないセンサ周辺コンポーネントに取り付けることと同様に行うことができる、請求項２５に記載の方法。
センサワイヤを通して前記プラグアンドプレイ式のセンサ組立体に供給された前記搬送波信号を変調して、前記プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントに記憶される特徴的な情報を含む第２の変調搬送波信号を生成すること、
前記第２の変調搬送波信号を、前記プロセス伝送器から前記プラグアンドプレイ式のセンサ組立体に供給すること、
前記第２の変調搬送波信号を前記変圧器結合に誘導すること、
前記第２の変調搬送波信号を、前記変圧器結合から前記プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントに誘導すること、および
前記プラグアンドプレイ式のセンサ周辺コンポーネントに記憶される前記特徴的な情報を含む、前記第２の変調搬送波信号を復調すること
をさらに含む、請求項２５に記載の方法。