JP6431991B2 - タービン流量計のヘルスモニタ - Google Patents

Description

本発明は、プロセスフィールド装置に係り、特に、タービン流量計に関する。

プロセス環境では、図１の断面図に示したタービン流量計100は、導管102を通る流体の流れを示す信号を提供する。典型的なタービン流量計100は、導管セクション109，110に取り付けられたフランジ106，108を備えたハウジング104を含む。

ハウジング104内で、ハンガーブレード112，114のような複数のハンガーブレードがハンガーハブ116を支持し、ハンガーハブ116は上流コーン118、下流コーン120およびロータアセンブリ122を支持する。ロータアセンブリ122はハンガーハブ116の周りを自由に回転し、ハウジング104を通って流れる流体によって駆動される複数のブレードを含む。

いくつかの流量計では、ロータアセンブリ122の各ブレードは、ブレードがピックオフコイル124を通過する際にピックオフコイル124に電界を生成することができる磁性材料または常磁性材料を含む。特に、各ブレードは、ピックオフコイル124を通過するときに正の電圧に続いて負の電圧を生成する。他の流量計では、磁性材料はロータアセンブリ122の他の部分に配置される。流速が増加すると、ロータアセンブリ122の角速度が増加し、それによって、ピックオフコイル124によって生成されるパルスの周波数が高くなる。流速に対するパルス周波数の比例関係は、流れに対するブレード角度を含むブレード構造に依存する。

以上の説明は一般的な背景情報のために提供されただけであり、主張する主題の範囲を決定する助けとして使用されるものではない。主張した主題は、背景で言及した任意の又は全ての課題を解決する実装に限定されない。

特開2017-127186号公報 特開2009-264735号公報

本発明のタービン流量計用の監視モジュールは、タービン流量計が出力するパルス列を受信する受信機を含む。周波数識別部は、パルス列の周波数を定義し、平均識別部は、パルス列の平均周波数を定義する。警報システムは、平均周波数に基づいて警報の発行時期を決定する。

他の発明は、タービン流量計からパルスを受信し、パルスの現在の周波数を決定する方法を含む。パルスの現在の周波数と平均周波数との差が測定され、警報を発するか否かを決定するために使用される。

さらに別の発明は、タービン流量計に結合された装置が、タービン流量計が生成するパルスに基づいてタービン流量計を通る平均流量を測定する電子機器と、タービン流量計が生成するパルス信号の平均周波数を測定する電子機器とを含む。デバイスの電子機器もまた、平均周波数の一部に基づいて警報を発する。

この要約および概要は、以下の「発明の詳細な説明」でさらに説明する概念の選択を簡略化して紹介するために提供される。要約および概要は、主張された主題の重要な特徴または必須の特徴を特定することを意図するものではなく、主張される主題の範囲を決定する助けとして使用されることも意図していない。

従来のタービン流量計の断面図である。 本発明の一実施形態に係るプロセス環境のブロック図である。 第２実施形態に係るプロセス環境のブロック図である。 本発明の一実施形態に係るタービン流量計健全性モニタを共に構成するソフトウェアおよび電子構成要素のブロック図である。 本発明の一実施形態の方法を示したフローチャートである。 ブレード破損故障時の最新のパルス周波数の図である。 デブリ／詰まり故障時の最新のパルス周波数の図である。 機械的摩耗故障時の最新のパルス周波数の図である。 ブレード破損故障時における移動標準偏差および標準偏差閾値の図である。

以下に説明する実施形態では、タービン流量計の健全性を監視するためのヘルスモニタが設けられている。ヘルスモニタは、タービン流量計からパルス信号を受信し、現在の電流の周波数を決定する。ヘルスモニタはさらに、タービン流量計のパルス周波数の移動平均、および好ましくは平均値に対するそれらの周波数の移動標準偏差を測定する。
ヘルスモニタ内の警報システムは、平均周波数および標準偏差の少なくとも一方を用いて、タービン流量計に障害が発生したときに警報を発する。いくつかの実施形態では、警報を発する契機が閾値を使用して決定される。いくつかの実施形態では、これらの閾値は、タービン流量計の真の状態をヘルスモニタに提供するフィードバックに基づいて、当該ヘルスモニタ自身によって動的に調整される。

図２は、本発明の一実施形態に係るプロセス環境のブロック図である。図２に示すように、プロセス流体を通す２つの導管セクション202，204の間にタービン流量計200が設置される。一実施形態では、タービン流量計200は、Daniel Measurement and Control社のDaniel（商標）Series 1500液体タービン計器である。
タービン流量計200は、プリアンプ208によって調整、増幅されたパルス列の信号206を生成する。一実施形態では、前記プリアンプ208はタービン流量計200に取り付けられた遠隔地エンクロージャ（LME）210内に配置することができる。いくつかの実施形態では、プリアンプ208は、タービン流量計200のピックオフコイルによって生成される正弦波状のパルス信号206から矩形波のパルス212を生成するために、前記パルス信号206を調整および増幅する。

矩形波パルス212は制御ステーション214に供給される。制御ステーション214は、前記パルスに基づいて、タービン流量計200を通る平均流量、およびある期間内にタービン流量計200を通る総流量を測定することができる。
矩形波パルス212は、タービン流量計ヘルスモニタモジュール220および通信インタフェース222を含むモニタ装置216にも提供される。様々な実施形態において、前記ヘルスモニタモジュール220は、電子機器、電子機器とメモリに格納された命令との組み合わせ、またはメモリに記憶されてプロセッサにより実行されるソフトウェアとして提供される。前記ヘルスモニタモジュール220の動作は以下でさらに説明される。

この実施形態によれば、モニタ装置216は通信インタフェース222を介して制御ステーション214と通信する。いくつかの実施形態では、通信インタフェース222は、モニタ装置216との間で電力および情報を２線ループなどの有線接続により送受するように構成されている。

有線接続の他の例には、イーサネット（登録商標）または光ファイバが含まれる。モニタ装置216は、デジタル情報を4-20mAの電流に変調するHART（登録商標）通信プロトコル、Foundation Fieldbus通信プロトコルあるいはProfibus通信プロトコルなどの通信プロトコルを用いて制御ステーション214と通信する。通信インタフェース222はまた、IEC 62591に準拠したWireless HART（登録商標）通信プロトコルのような無線通信プロトコルを利用する無線接続を介して制御ステーション214に接続することができる。

モニタ装置216は、通信インタフェース222を介して、１つまたは複数の平均周波数、周波数の標準偏差、現在の周波数および１つまたは複数の警報または警告を伝達することができる。モニタ装置216は更に、警報の契機となる閾値、およびタービン流量計200の真の状態を示すフィードバックを含む値を制御ステーション214から受け取ることができる。

いくつかの実施形態では、モニタ装置216は、ディスプレイ224、ならびにボタン、キーまたはタッチスクリーンなどの入力コントローラ226も含む。いくつかの実施形態では、閾値およびタービン流量計の真の状態を表すフィードバックが、入力コントローラ226を用いてモニタ装置216に提供される。

図３は、本発明の第２の実施形態におけるプロセス環境のブロック図である。図３に示すように、タービン流量計300は、導管部302，304の間に接続され、装置308に提供する正弦波信号306を生成する１つ以上のピックオフコイルを含む。一実施形態では、タービン流量計300は、Daniel Measurement and Control社のDaniel(tm) Series 1500の液体タービンメーターである。

装置308は、総流量／平均流量計算モジュール310およびタービン流量計ヘルスモニタモジュール312を含む。様々な実施形態において、モジュール310，312は、電子機器、電子機器およびメモリに格納された命令の組み合わせ、またはメモリに格納されてプロセッサにより実行されるソフトウェアとして実装される。モニタモジュール312の動作は、以下でさらに説明される。

装置308はまた、ディスプレイ314および入力コントローラ316を含む。ディスプレイ314は、総流量および平均流量と共に、タービン流量計の健全性を示す警報を表示することができる。入力コントローラ316は、総流量／平均流量計算モジュール310が使用するパラメータを調整し、タービン流量計ヘルスモニタモジュール312が使用する閾値を変更するために使用することができる。

総流量／平均流量計算モジュール310は、タービン流量計300から受信したパルスに基づいて総流量および平均流量を計算する。総流量および流量の値は、入力コントローラ316を使用して選択できる複数のユニットのいずれかに提供することができる。
タービン流量計およびタービン流量計を流れる流体に関する追加のパラメータは、Kファクタおよびタービン流量計300のサイズを含む総流量／平均流量計算モジュール310によって使用することもできる。

装置308は通信インタフェース318を含む。措置308は通信インタフェース318を介して制御ステーション320と通信する。いくつかの実施形態では、通信インタフェース318は、2線式ループなどの有線接続による有線通信用に構成され、装置308との間で電力および情報を送受する。有線接続の他の例としては、イーサネット（登録商標）または光ファイバを含む。

装置308は、デジタル情報を4-20mAの電流に変調するHART（登録商標）通信プロトコル、Foundation Fieldbus通信プロトコルあるいはProfibus通信プロトコルなどの通信プロトコルを用いて制御ステーション320と通信する。通信インタフェース318は、IEC62591に準拠したWireless HART（登録商標）通信プロトコルなどの無線通信プロトコルを利用する無線接続を介して制御ステーション320に接続されても良い。

装置308は、通信インタフェース318を介して、1つまたは複数の平均周波数、周波数の標準偏差、現在の周波数、および１つまたは複数の警報または警告を伝達することができる。さらに、装置308は警報の契機となる閾値、およびタービン流量計300の真の状態を示すフィードバックを含む値を制御ステーション320から受け取ることができる。

図４は、図２および図３のタービン流量計ヘルスモニタモジュール220/312によって使用される構成要素のブロック図である。図４に示した構成要素は、電子機器、ソフトウェア、または電子機器とソフトウェアの組合せとして実装されても良い。図５は、図４の構成要素を使用して警報を発し、警報閾値を調整する方法を示したフローチャートである。

図５のステップ500において、1つまたは複数の故障警報の基準がヘルスモニタモジュール220/312に設定される。基準は、通信インタフェース222/318または入力コントローラ226/316のいずれかを介して閾値受信部400によって受信される。一実施形態では、故障モードの基準は閾値402として格納される。複数の異なる閾値が提供されても良く、それぞれが故障モードのための別個の基準を表す。

例えば、１つの基準は、パルスの現在の周波数と移動平均周波数との差に関する閾値であってもよい。別の基準は、警報の契機となるパルスの周波数に関する移動標準偏差のサイズを表す標準偏差の閾値であっても良い。いくつかの実施形態では、ブレード破損などの単一の故障モードは、閾値402に複数の基準のセットを有しても良い。

ステップ502では、パルス受信機404が、タービン流量計からパルス列を受信する。ステップ504では、周波数識別部406は、現在の周波数を識別し、記憶されている周波数値の集合408の一部として現在の周波数を記憶する。一実施形態では、周波数識別部406は、設定された期間中に受信したパルス数を、設定された期間長で除することによって現在の周波数を識別する。

ステップ506では、移動平均／移動標準偏差識別部410が、記憶された周波数値408を用いて周波数の移動平均及び移動標準偏差を識別する。具体的には、移動平均周波数は、最新の格納周波数値408の集合の平均を測定することによって識別される。一実施形態では、例えば最後の100個の格納周波数値が、移動平均を求めるために用いられる。

当業者であれば、「100個」は単なる例示的な数値であり、他の実施形態では、記憶された他の個数の周波数値が使用されてもよいことを認識するであろう。移動平均が求められた後、移動平均を構成するために使用されたのと同じ値を移動平均と共に用いて移動標準偏差を求める。

一実施形態では、移動標準偏差は、移動平均周波数を求めるために使用した個々の周波数値と移動平均周波数との差の二乗の平均の平方根をとることによって求められる。ステップ504，506は、時間領域ではなく周波数領域で実行されることに留意されたい。

ステップ508では、警報システム412が、周波数識別部406の提供する現在の周波数と移動平均周波数との差を識別する。警報システム412は、この差を1つまたは複数の閾値402と比較して、その差が閾値を超えるかどうかを判定する。ステップ510において、差が閾値の少なくとも1つを超える場合、警報システム412は、ステップ512において1つ以上の警報414を発する。これらの警報はディスプレイ224/314に示され、および/または通信インタフェース222/318を介して制御ステーション214/320へ送られる。

他の実施形態では、警報システム412はまた、ステップ508において、移動標準偏差識別部410によって提供された移動標準偏差を、閾値402内の標準偏差閾値と比較する。ステップ510において、移動標準偏差が閾値を超えている場合、警報システム412は、ステップ512において、ディスプレイ224/314に示され、および／または通信インタフェース222/318を介して制御ステーション214/320に送信される警報414を発する。

ステップ514において、閾値調整器416は、通信インタフェース222/318または入力コントローラ226/316によって提供されるフィードバック値418を用いて、タービン流量計が本当に故障しているかどうかを判定する。一実施形態では、フィードバック値418は、故障しているか否かを示すブーリアン値である。フィードバック値418は、タービン流量計の物理的検査の後、または故障が現実であること、または現実でないことを示す他の計器読取値の検査後に、制御ステーション214/320または入力部226/316を介して提供されても良い。

ステップ514において、フィードバック値418が真の故障を示している場合、処理はステップ502に戻り、タービン流量計から新しいパルスが受信される。しかしながら、フィードバック値418がタービン流量計に故障がないことを示している場合、ステップ512で発した警報は誤報である。これに応答して、閾値調整器416は、ステップ500で閾値を調整することで誤報の発生を少なくする。例えば、閾値調整器416は、誤報の可能性を低減するために閾値を高くすることができる。

ステップ510において、故障判定基準が満たされない場合、警報システム412は閾値調整器416を呼び出す。閾値調整器416はフィードバック値418を検査し、タービン流量計が実際に真の故障を起こしていたことを示しているか否かを判定する。タービン流量計が真の故障を起こしている場合、閾値調整器416は、真の故障が生じたときに警報が発せられる可能性を高めるために、ステップ500において閾値402を調整する。

例えば、閾値調整器416は、真の障害が発生したときに警報が発せられる可能性を高めるために、閾値402を小さくすることができる。ステップ516において、フィードバック値418が、真の故障が発生していないことを示した場合、またはステップ514において、フィードバック値が真の故障が発生したことを示していた場合は、ステップ502へ戻って新しいパルスが受信される。次いで、ステップ502~514が繰り返される。

図６は、タービン流量計においてブレード破損が発生した際の移動平均周波数604および現在の周波数606を示している。図６において、水平軸600は時間を示し、垂直軸602はパルスの周波数を示している。警報を発するための閾値は、警報ガードバンド608，609として示され、共にガードバンディングゾーン611を規定する。

警報ガードバンド608のエッジは、移動平均周波数604から閾値量610だけ離れている。図６では、現在の周波数と移動平均周波数604との差分612が閾値610を超えると警報が発せられる。警報ガードバンド609のエッジは、閾値量610と同一または異なる別個の閾値量だけ移動平均周波数604から離れている。

各閾値量は、閾値受信機400および閾値調整器416を介して設定されてもよい。いくつかの実施形態では、警報ガードバンド608，609の閾値量、すなわちそのサイズは、移動平均周波数604の関数として変化し、移動平均周波数604が低下するにつれて収縮するようにしても良い。

図７は、タービン流量計のデブリ/詰まり故障時における移動平均周波数704および現在の周波数706を示している。図７において、水平軸700は時間を示し、垂直軸702はパルスの周波数を示している。警報ガードバンド708，709はそれぞれ、ガードバンディングゾーン711を定めるために、移動平均周波数704の下方および上方へ延びている。

警報ガードバンド708のエッジは、移動平均周波数704から警報閾値量710だけ離れている。現在の周波数706と移動平均周波数704との差712が、ポイント714において閾値710を超えると、デブリ／詰まり警報が発せられる。警報ガードバンド709のエッジは、移動平均周波数704から、閾値量710と同一または異なる別個の閾値量だけ離れている。

各閾値量は、閾値受信機400および閾値調整器416を介して設定されてもよい。いくつかの実施形態では、警告ガードバンド708，709の閾値量、すなわちそのサイズは、移動平均周波数704の関数として変化し、移動平均周波数704が低下するにつれて収縮するようにしても良い。

図８は、タービン流量計の機械的摩耗の結果に係る移動平均周波数804および現在の周波数806を示している。図８において、水平軸800は時間を示し、垂直軸802はパルスの周波数を示している。ポイント814において、現在の周波数806が警報ガードバンド808のエッジを横切ることで、現在の周波数806と移動平均周波数804との差が警報ガードバンド808によって表される警報閾値を超えている。これにより、ポイント814において、タービン流量計の機械的摩耗を示す警報が発せられる。

図９は、タービン流量計のブレード破損故障による移動標準偏差904および標準偏差閾値906を示している。図９では、水平軸900が時間を示し、垂直軸902が標準偏差を示している。タービン流量計にブレード破損が生じている間、移動標準偏差904が上昇し始め、ポイント908において移動標準偏差904が標準偏差閾値906を超えた結果、ポイント908において、タービン流量計のブレードが破損したことを示す警報が発せられる。

上記では、各構成要素が独立した実施形態として図示または説明されているが、各実施形態の一部は、上記の他の実施形態の全てまたは一部と組み合わされてもよい。

主題は、構造的特徴および／または方法論的行為に特有の言語で説明されているが、添付の特許請求の範囲に定義された主題は、必ずしも上記の特定の特徴または行為に限定されないことを理解されたい。むしろ、上記の特定の特徴および動作は、請求項を実施するための例示的な形態として開示される。

200…タービン流量計，206…パルス信号，212…矩形波パルス，214…制御ステーション，216…モニタ装置，220，312…タービン流量計ヘルスモニタモジュール，222…通信インタフェース，224…ディスプレイ，226…入力コントローラ，300…タービン流量計，308…装置，310…総流量／平均流量計算モジュール

Claims (11)

1. タービン流量計の監視モジュールにおいて、
   前記タービン流量計が送信したパルス列を受信する受信機と、
   前記パルス列のパルス周波数を識別する周波数識別部と、
   前記パルス周波数の平均周波数を識別する平均識別部と、
   前記平均周波数に基づいて警報を発するタイミングを決定する警報システムとを含み、
   前記警報システムは、少なくとも１つの閾値を使用して、警報をいつ発すべきかを決定し、前記監視モジュールは、少なくとも１つのフィードバック値に基づいて閾値を調整する閾値調整器をさらに備え、
   前記フィードバック値が、タービン流量計に故障が存在していたことを示すと、前記閾値調整器は閾値を低くすることを特徴とするタービン流量計の監視モジュール。
2. タービン流量計の監視モジュールにおいて、
   前記タービン流量計が送信したパルス列を受信する受信機と、
   前記パルス列のパルス周波数を識別する周波数識別部と、
   前記パルス周波数の平均周波数を識別する平均識別部と、
   前記平均周波数に基づいて警報を発するタイミングを決定する警報システムとを含み、
   前記警報システムは、少なくとも１つの閾値を使用して、警報をいつ発すべきかを決定し、前記監視モジュールは、少なくとも１つのフィードバック値に基づいて閾値を調整する閾値調整器をさらに備え、
   前記フィードバック値が、タービン流量計に故障が存在していないことを示すと、前記閾値調整器は閾値を高くすることを特徴とするタービン流量計の監視モジュール。
3. 前記周波数識別部がさらに、現在のパルス周波数を識別し、
   前記警報システムは、現在のパルス周波数と平均周波数との差が閾値よりも大きいことに基づいて警報を発するべきと判断することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン流量計の監視モジュール。
4. 前記パルス周波数の標準偏差を識別する標準偏差識別部をさらに具備し、
   前記警報システムは、前記標準偏差が閾値を超えると警報を発するべきであると判定することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン流量計の監視モジュール。
5. 前記警報システムは、タービン流量計内のブレードが破損した可能性のあることを示す警報をいつ発するべきかを決定することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン流量計の監視モジュール。
6. 前記警報システムは、タービン流量計内のデブリ詰まりを示す警報をいつ発せられるべきかを決定することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン流量計の監視モジュール。
7. 前記警報システムは、タービン流量計の機械的摩耗を示す警報がいつ発せられるべきかを決定することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン流量計の監視モジュール。
8. 前記警報システムは、少なくとも１つの閾値を使用して、警報をいつ発するべきかを決定し、前記監視モジュールは、新たな閾値を受信する閾値受信機をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン流量計の監視モジュール。
9. 前記警報システムは、無線通信インタフェースを介して警報を発することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン流量計の監視モジュール。
10. 前記監視モジュールは、前記パルス列から総流量および平均流量の少なくとも１つを計算する装置内に収容されることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン流量計の監視モジュール。
11. 前記監視モジュールは、前記パルス列から総流量および平均流量の少なくとも１つを計算する装置とは別個に収容されることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン流量計の監視モジュール。

Images