JPH11501120A - 遠隔シールダイアフラムを有する圧力トランスミッタおよびその補正回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 圧力または流量トランスミッタ（１１）はトランスミッタハウジング（１４）内に配置された圧力センサ（２７）を含む。圧力トランスミッタ（１１）は圧力センサ（２７）から隔離されたダイアフラム（１８）を含む。ダイアフラム（１８）は流体を満たされた毛管（２２）で圧力センサ（２７）に結合される。ダイアフラム（１８）はトランスミッタハウジング（１４）から相対的に鉛直距離（Ｈ）離れた位置に配置される。トランスミッタ（１１）は圧力出力の関数としてのトランスミッタ出力を発生する回路（５８、６０、６２、６４）を含み、前記回路はダイアフラム（１８）の相対的な鉛直位置（Ｈ）の関数として前記トランスミッタ出力を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 遠隔シールダイアフラムを有する圧力トランスミッタ およびその補正回路 発明の背景 本発明は、プロセス媒体の圧力を測定するための遠隔ダイアフラムを有する現 場装着型圧力トランスミッタに関する。より具体的には、本発明は遠隔ダイアフ ラムに起因する誤差を補償するためのトランスミッタの補正出力を発生すること に関する。 差圧、ゲージ圧、プロセス温度などのプロセス変数を感知するトランスミッタ は既知である。通常は、トランスミッタはプロセス制御工業設備の測定対象プロ セス媒体の近くに配置される。トランスミッタは感知されたプロセス変数を表わ す出力を発生する。この出力はそれから２線式電流ループを介して遠隔の制御ル ームへ送信される。 多くの場合、トランスミッタは圧力センサや当該圧力センサに流体的に結合さ れる１または複数のダイアフラムを収容するハウジングを有する。被測定プロセ ス媒体がトランスミッタハウジング内へ導入されてダイアフラム（１または複数 の）と接触し、前記ダイアフラムがプロセス媒体の圧力を圧力センサに伝達する 。他の場合には、トランスミッタはそのハウジングから毛管によって隔離された 遠隔ダイアフラムを備える。前記毛管は普通は可撓性であり、数分 の１メートルから数１０メートルの長さを持つことがある。プロセス媒体が遠隔 ダイアフラムに接触し、前記ダイアフラムがそこに作用する圧力を、毛管に充満 された実質的に非圧縮性の流体を介して、トランスミッタハウジング内に配置さ れた圧セセンサに伝達する。 １または複数の遠隔ダイアフラムを使用する後者のダイアフラムが本発明の対 象である。現存の遠隔ダイアフラムは、環境の温度変化に基づく誤差を生じやす い。一定のプロセス媒体圧力であっても、トランスミッタの出力は、遠隔ダイア フラムおよびこれに接続された毛管に加わる熱の影響を受け、外界の環境温度と 共に変化する。その結果生ずる誤差は、トランスミッタに対する遠隔ダイアフラ ムの鉛直方向の位置に依存する。トランスミッタと遠隔ダイアフラムとの鉛直方 向の距離は使用される設備に特有であるので、前記の熱的影響を予測することは 困難である。 既知の遠隔ダイアフラムトランスミッタはそのハウジング内に設置された温度 センサを備えており、前記センサの出力がトランスミッタ内の回路で、種々のト ランスミッタ構成部品の熱応答に対して補正された、比較的正確なトランスミッ タ出力を発生するように使用される。しかしこのような既知のトランスミッタも 、遠隔ダイアフラムの間に実質的な鉛直位置差があるような設備固有の(install ation-specific)遠隔ダイアフラムシステムの温度変化に対する補正は行なえな い。 それ故に、遠隔ダイアフラムトランスミッタに対して熱的影響に よってもたらされる測定の不正確さを補償することのできる手段が要望されてい る。最高の精度を実現するためには、前記手段はできるだけ「設備固有」でなけ ればならない、換言すれば、使用される非圧縮性充填流体（単数または複数）に 特有のタイプや、毛管（単数または複数）の長さなどに対してはもちろんのこと 、トランスミッタにとって好ましい特有の幾何学的構成に対しても考慮されなけ ればならない。さらにその手段は組み立てが容易であり、かつ多くの既知のトラ ンスミッタと両立可能（コンパチブル）であって設備コストを低減できるもので なければならない。 発明の概要 本発明はトランスミッタハウジング内に圧力センサが配置された圧力または流 量トランスミッタに適用される。トランスミッタはそのハウジングから隔離され たダイアフラムを含む。ダイアフラムは流体を充満される毛管を有する圧力セン サに結合される。ダイアフラムはトランスミッタに対して相対的に異なる鉛直位 置に配置される。トランスミッタは信号プロセッサを含み、この信号プロセッサ は圧力出力の関数としてのトランスミッタ出力を発生し、前記トランスミッタ出 力をダイアフラムの相対的鉛直位置の関数として調整する。 図面の簡単な説明 図１は、プロセス媒体のゲージ圧または絶対圧が測定される設備における遠隔 ダイアフラムシステムを有するトランスミッタの概略 側面図である。 図２はダイアフラムのスティフネス効果を温度の関数として示すグラフである 。 図３は充填流体の密度効果を温度の関数として示すグラフである。 図４は温度の関数としての図２および３の効果の組み合わせを示すグラフであ る。 図５は本発明の第１実施例である図１のトランスミッタの詳細ブロック図であ る。 図６は本発明の第１実施例の１つの特徴を示すフローチャートである。 図７は本発明の第１実施例である図１のトランスミッタの別の構成を示す詳細 ブロック図である。 図８は本発明の第１実施例の１つの特徴を示すフローチャートである。 図９は本発明の第２実施例の他の特徴を示すフローチャートである。 図１０はトランスミッタおよび遠隔ダイアフラムシステムの他の概略側面図で ある。 図１１は図１のトランスミッタの他の側面図であるが、ここではプロセス媒体 の差圧が測定される装置内に変形された遠隔ダイアフラムを備えている。 好ましい実施例の詳細な説明 図１は、トランスミッタハウジング１４に取り付けられた遠隔ダイアフラムシ ステム１２を備えた代表的なトランスミッタ１１を示す。トランスミッタ１１は プロセス媒体１６の圧力を測定する。遠隔ダイアフラム１２は薄く、かつ可撓性 であって、プロセス媒体と接触するダイアフラム１８を含む。システム１２はま た、ダイアフラムと共に空所（キャビティ）２０を規定する背板１９をも含む。 毛管２２が、トランスミッタハウジング１４内に配置された圧力センサ２７に空 所２０を結合する。このような結合は、トランスミッタハウジングダイアフラム ２５および、当該ダイアフラム２５をセンサ２７に結合する密封流体システムを 介して行なわれる。密封流体システムは、空所２０や毛管２２も同様であるが、 プロセス圧力をセンサ２７に伝達するのに適した流体（図示せず）で充填される 。流体はシリコーン油、グリセリンおよび水、プロピレングリコールおよび水、 または実質的に非圧縮性であるのが望ましい他の適当な流体を含む。 プロセス媒体１６からプロセス圧力が加えられると、典型的にはダイアフラム １８が変位し、その結果、被測定圧を遠隔ダイアフラムシステム１２から板１９ および毛管２２を介して圧力センサ２７に伝達する。このようにして圧力センサ ２７（容量ベース圧力セルであることのできる）に加えられる圧力がこの容量に 変化を起こさせる。センサ２７はまた、ストレーンゲージ技術のような他の感知 原理で動作するものであっても良い。トランスミッタハウジング １４内の回路が、プロセス圧力を表わすワイヤ対３０上のリニア（直線性）４〜 ２０ｍＡトランスミッタ出力信号に、前記容量を電子的に変換する。トランスミ ッタハウジング１４は、トランスミッタハウジングの局所的な温度を測定する温 度センサ２８を保持する。 トランスミッタハウジング１４は、温度および圧力を測定し、補償する回路（ 図１では示していない）を含み、ワイヤ対３０上に出力を発生する。出力はデジ タルでもアナログでも良い。 ダイアフラム２５と１８間の鉛直距離Ｈが充填流体の密度効果誤差をもたらし 、これは前記距離Ｈおよびダイアフラム２５、１８間の充填流体の温度（Ｔ）の 関数となる。トランスミッタ１１によって測定される圧力は次の式１で表わされ る。 測定圧力＝Ｐ(PROSESS)＋Ｐ(ERROR1)＋Ｐ(ERROR2) …式１ ここで、 Ｐ(ERROR1)＝Ｐ1(T)＝ダイアフラムのスティフネス効果 …式２ Ｐ(ERROR2)＝Ｐ2(T,H)＝充填流体の密度効果 …式３ Ｐ(PROSESS)＝プロセス圧力 …式４ 本発明によれば、少なくとも充填流体の密度効果誤差に対してトランスミッタ 出力が補正される。 ダイアフラムのスティフネス効果は、プロセスまたは環境温度の変化が、熱膨 張の結果として、システム内の流体の体積の変化をもたらすときに起こる。温度 変化の結果生ずる充填流体の体積変化は次の式５で与えられる。 ΔＶ＝（Ｖｃ＋Ｖｔ）（Ｃ）ΔＴ …式５ ここで、ΔＶは充填流体の体積変化、Ｖｃは空所２０内の充填流体の体積、Ｖｔ は毛管２２およびトランスミッタ１１内の充填流体の体積、Ｃは充填流体の熱膨 張係数、ΔＴは、最後のトランスミッタ較正中のその温度に対する充填流体体積 ＶｃおよびＶｔの和の体積の温度変化である。 充填流体の体積の増加はダイアフラム１８を背板１９から引き離させ、その結 果、充填流体に対するダイアフラム１８による圧力を増大させ、このように増大 された圧力がセンサ２７へ伝達される。同様に、温度が低下すると、毛管および 遠隔ダイアフラムシステム内の流体の体積が減少し、センサ２７に加わる圧力の 減少をもたらす。図２は、プロセス圧およびダイアフラムスティフネスを一定に した場合のＰ(ERROR1)対ΔＴの関係を示すグラフである。 充填流体の密度効果誤差Ｐ(ERROR2)(T,H)が図３に示される。ト ランスミッタを設置した後で、ある所定温度における初期圧力誤差Ｐ(ERROR2)を 無くすることにより、トランスミッタ１１の較正または再ゼロ設定によって高さ Ｈを規定することが知られている。しかしながら、最後の較正時における温度か らの温度変化が、充填流体の密度を変化させることによって圧力測定における変 動を引き起こす。この「充填流体の密度効果」（「ヘッド温度効果」とも呼ばれ る）は距離Ｈ、充填流体の密度、充填流体の膨脹係数、および温度変化に依存す る。 充填流体の密度効果は次の式６で表わされる。 Ｐ(ERROR2)＝（Ｈ）（ＳG）（Ｃ）ΔＴ …式６ ここで、Ｈは図１に示される距離、ＳＧは毛管２２内の充填流体の比重、Ｃは充 填流体の熱膨張係数であり、またΔＴはトランスミッタ１１の最後の較正時にお ける充填流体の温度に対する充填流体の温度差である。 式６で表わされ、図３に示したように、充填流体の密度効果誤差Ｐ(ERROR2)は 温度変化に比例する。図３のグラフの勾配は次の式７で表わされる。 勾配＝（Ｈ）（ＳG）（Ｃ） …式７ したがって、トランスミッタ１１の最後の較正時における充填流体の温度をＴ 0とすれば、与えられるある温度Ｔにおける充填流体の密度効果は次の式８で表 わされる。 Ｐ(ERROR2)＝勾配・（Ｔ−Ｔ０） …式８ 充填流体の密度効果とダイアフラムのスティフネス効果とは相加的であり、セ ンサ２７に対する温度の関数としての総合効果は図４にグラフで示され、これは 式１のグラフである。本発明は両方の効果の補正を含むのが望ましい。 １つの実施例においては、図５に示すように、トランスミッタハウジング１４ は機能的にセンサモジュール５０と電子モジュール５２とに分割される。センサ モジュール５０はプロセス変数の測定および補償に関連するタスクを実行する。 電子モジュール５２は必要な演算、データ収集および出力制御機能を実行する。 圧力センサ２７の容量は、容量信号を「圧力カウント」または「ｐカウント」と 呼ばれる中間値に変換するための容量／デジタルＡＳＩＣ（application specif ic IC:特定用途集積回路）５４に供給される。温度センサ２８はトランスミッタ ハウジング内の温度を表わす信号を抵抗／デジタルASIC ５６に供給し、そこで 温度信号が「ｔカウント」と呼ばれる中間値に変換される。ｐカウントおよびｔ カウントは電子モジュール５２に供給され、そこで、演算回路５８がダイ アフラムスティフネス効果および充填流体密度効果に対して補償し、プロセス圧 力を表わす補正された信号を発生する。補正された信号は、典型的には、さらに 回路６０で処理され、回路６２および６４でそれぞれトランスミッタハウジング １４から出力されるのに適したデジタルおよびアナログ信号に変換される。 充填流体による熱効果は遠隔ダイアフラムシステムの鉛直方向位置（これは各 設備に固有である）に依存する。本発明によれば、実際のプロセス圧力をより一 層正確に表わすトランスミッタ出力を発生するために演算回路５８で使用される 設備固有のデータを提供する特性決定(characterization)処理が、それぞれの設 備に対して実行される。特性決定処理の１例が図６のフローに示されている。 ステップＳ１では、設備固有の詳細（規格）および環境データに関する情報が 収集される。前記情報には鉛直距離Ｈ、遠隔ダイアフラムの特性（Ｓ）、毛管２ ２の長さ、各毛管内の充填流体のタイプ（種類）、プロセス圧力および動作温度 の代表的な範囲などが含まれる。このような情報は、ステップＳ２に示すように 、特定の設備におけるトランスミッタの動作をシミュレートするためのコンピュ −タプログラムに入力される。ある実施例においては、シミュレートされる設備 が既知のプロセス圧力において−４０度Ｆ、０度Ｆ、７０度Ｆ、１２０度Ｆ、お よび１８５度Ｆの各温度にさらされるとき、式１、５、６などを用いて、シミュ レートされたトランスミッタ出力がステップＳ３で演算される。 図４と類似のグラフにプロットできるような演算結果の出力デ−タ点が、次式 ９で表わされるようなデ−タ点に適合させるための単純な最小２乗法、重み付け 最小２乗法、スプライン、または他の既知の手法を用いる計算プログラムに入力 される。 Ｐ(ERROR1)＋Ｐ(ERROR2)＝ａ＋ｂＴ＋ｃＴ²＋ｄＴ³＋… …式９ ここでも、Ｔは充填流体の温度である。演算されてプログラムに供給されるデ −タ点は、鉛直距離Ｈ、充填流体の体積および特性などに基づいて計算されるの で、得られた係数ａ、ｂ、ｃなどは設備に固有のパラメ−タを反映するであろう 。したがって、ここでは「設備固有」係数と称される。前記設備固有係数はそれ からステップＳ５で、演算回路５８からアクセスできるEEPROM ７０または他の メモリのような記憶装置に保存される。 トランスミッタ１１の１実施例が図７に示される。トランスミッタ１１は、予 め製造者によって決められた係数をEEPROM ８０内に含む。前記係数は、毛管を 備えた遠隔ダイアフラムシステムではなくてトランスミッタハウジング内の部品 の温度および圧力に対する応答に相当するものである。設備に固有の補正回路８ ２が備えられ、遠隔ダイアフラムシステムおよび毛管の温度応答、すなわち充填 流体効果およびダイアフラムスティフネス効果に対して回路５８の出 力を補正する。 容量／デジタルASIC ５４が演算回路５８に作動可能に接続される。演算回路 ５８は、実質的にはプロセス圧力を代表するが、遠隔ダイアフラムシステム／毛 管に起因する相当の誤差を含み易い出力を発生する。抵抗／デジタルASIC ５６ が演算回路５８および補正回路８２に作動的に接続される。補正回路８２からア クセスできるメモリ８３は、上記の式９で得られる設備固有係数ａ、ｂ、ｃなど を記憶している。多くの用途において、温度Ｔに対してリニアな係数ｂは、それ だけで、適当な補正を与えるのに十分である。補正回路８２は回路５８の出力を Ｐ(ERRORI)＋Ｐ(ERROR2)に対して補正し、これにより補正された信号を発生する 。 本実施例の動作が図８のフローで示される。設備固有係数がステップＳ３１で メモリ８３に予めプログラムされる。圧力および温度を表わす信号がステップＳ ３２で演算回路５８に入力される。演算回路５８は中間出力を発生し、これがス テップＳ３４で補正回路８２に供給される。温度を表わす信号もまた、ステップ Ｓ３６で補正回路８２に供給される。回路８２はステップＳ３８で、設備固有係 数を用い、かつ式９のような方程式に温度値を代入することにより、圧力値の補 正を得る。充填流体密度効果およびダイアフラムスティフネス効果を含む補正は 、ステップＳ４０で中間出力に加算され、補正済み出力が得られる。ステップＳ ４２で、補正済み出力がさらに処理されてデジタルおよびアナログ出力が得られ る。１つの 実施例においては、ダイアフラムスティフネス効果は回路５８内で補正され、充 填流体密度効果のみが回路８２で補正される。 センサ入力および予め決められた設備固有係数に基づく補正済み出力信号を発 生するトランスミッタに他の実施例が、図９のフローで示される。圧力および温 度を表わす信号は、ステップＳ１０でｐカウントおよびｔカウントに変換され、 ステップＳ１２で正規化される。正規化された信号は単一の多項式に代入される 。前記多項式はなるべくは圧力に関しては５次であり、温度に関しては２次であ るのが望ましく、高さＨに依存する充填流体の密度効果を含む遠隔ダイアフラム ／毛管システムに対してのみならずトランスミッタハウジング内の部品に対して も補正するように、それらの係数が予め演算されてEEPROM ７０に記憶されてい る。補正された信号はさらにステップＳ１６で処理されても良く、また好ましく は、ステップＳ１８および２０でデジタルおよびアナログ出力信号に変換される 。 上述の実施例では、トランスミッタハウジング内に配置された温度センサがト ランスミッタハウジング内の部品の温度および遠隔ダイアフラム／毛管システム の温度の指示手段として使用された。このようにトランスミッタハウジングの温 度センサを２重に用いることは構造の簡略化と信頼性を促進する。さらにトラン スミッタハウジングの温度はしばしば少なくとも毛管および遠隔ダイアフラムの 温度の良好な指示器となる。 より一層の精度が必要とされる場合は、図１０のトランスミッタ １０は別個の分散型の温度センサを採用して毛管２２内に含まれる充填流体の平 均温度を測定する。別個の温度センサは、毛管２２に沿ってトランスミッタハウ ジング１４からダイアフラムシステム１２まで延び、それから再びハウジング１ ４へ戻るのに十分な長さのワイヤ９０を含む。ワイヤ９０は長さ方向に沿った平 均温度を表わす１端−他端間の抵抗を有し、これが回路２９で測定される。ワイ ヤ９０は標準的な熱結合（thermal couple）材であれば何でも良い。保護層９３ が毛管２２およびワイヤ９０を被覆する。保護層９３はまたワイヤ９０を電気的 に絶縁するのが望ましい。動作時には、ハウジングセンサ２０からの出力よりは むしろ回路２９からの出力が図７の補正回路８２に供給される。 図１１は２つの遠隔ダイアフラムシステム１２Ａ、１２Ｂに接続され、プロセ ス媒体１６の差圧を測定するように適合されたトランスミッタハウジング１４を 示す。毛管２２Ａ、２２Ｂがそれぞれの遠隔ダイアフラムをトランスミッタハウ ジング１４内にあるダイアフラム２５に結合する。設備に固有の係数の算出に当 っては、両方の遠隔ダイアフラム１２Ａ、１２Ｂの特性、毛管２２Ａ、２２Ｂ内 の充填流体の体積、および高低差Ｈ１、Ｈ２などが考慮される。もしも毛管２２ Ａ、２２Ｂが実質的に同じで、同じタイプの充填流体で満たされるならば、正味 の充填流体密度効果を演算するのに標高差（Ｈ1−Ｈ2）を用いることができる。 以上に説明した本発明の実施例は、広い温度範囲に亙るトランス ミッタの精度および動作、性能の面での著しい改良を含む多くの特徴を有する。 加えて、既存のトランスミッタも、その固有特性の再確認により、設備固有の係 数および補正アルゴリズムを具備されることができるので、既存品に対する両立 性が可能である。 本発明は好ましい実施例を参照して説明されたが、当該技術分野の熟達者は発 明の範囲および精神から逸脱すること無しに形式および詳細の変更が可能である ことを理解できるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧力センサ、入力温度信号を与える温度センサ、およびその密度が温度の 関数である充填流体を満たされた第１の毛管によってトランスミッタに結合され た第１の遠隔圧力感知ダイアフラムを具備した圧力測定用トランスミッタであっ て、 少なくとも圧力センサに作動可能に接続され、プロセス圧力を少なくとも概略 表わす中間圧力信号を発生する入力回路と、 前記温度センサおよび入力回路に作動可能に接続され、温度の関数である充填 流体の密度に対して補償するように前記中間圧力信号を処理し、前記プロセス圧 力をより正確に表わす補償された出力を発生する補正回路とを具備したことを特 徴とするトランスミッタ。 ２．前記遠隔圧力感知ダイアフラムは鉛直位置に配置され、かつ 前記補正回路は前記鉛直位置を表す少なくとも１つの設備固有補正係数を保存 するのに適したメモリと、前記メモリに作動可能に接続され、前記補正係数にア クセスし、これを入力温度信号に適用して補償された出力を得るプロセッサとよ りなる請求項１に記載のトランスミッタ。 ３．補償された出力は、トランスミッタからデジタル的に出力されるように適 合された請求項１に記載のトランスミッタ。 ４．補正回路はさらに、温度の関数としてのダイアフラムスティフネスに対し ても補償するように中間圧力信号を処理する請求項１に記載のトランスミッタ。 ５．前記入力回路が特定用途ICよりなる請求項１に記載のトランスミッタ。 ６．前記補正回路はある選ばれたトランスミッタ設備に対して構成され得る請 求項１に記載のトランスミッタ。 ７．トランスミッタはトランスミッタハウジングを備え、前記補正回路の補償 関数はトランスミッタハウジングに対する第１の遠隔圧力感知ダイアフラムの高 さに依存する請求項１に記載のトランスミッタ。 ８．トランスミッタは前記圧力センサを第２の遠隔ダイアフラムに流体的に結 合するように適合され、前記補正回路の補償関数は第２の遠隔ダイアフラムの相 対高さに対する第１の遠隔圧力感知ダイアフラムの相対高さに依存する請求項１ に記載のトランスミッタ。 ９．圧力センサと、第１の流体充填毛管によって前記圧力センサに結合された 第１の遠隔圧力感知ダイアフラムとを具備した圧力トランスミッタであって、前 記第１の遠隔ダイアフラムは圧力トランスミッタに対して移動可能であり、前記 圧力トランスミッタはさらに圧力センサからの圧力信号および温度信号を受信す る特性決定システムを有し、前記圧力および温度信号の関数としてのトランスミ ッタ出力を発生する圧力トランスミッタにおいて、 前記第１の遠隔ダイアフラムの鉛直位置を確かめ、 前記鉛直位置の関数として特性決定システムをプログラムすることを特徴とす る圧力トランスミッタ。 １０．圧力トランスミッタは圧力センサを保持するハウジング、および前記ハ ウジング内に配置された温度センサを含み、前記温度センサが温度信号を提供す る請求項９に記載の方法。 １１．前記の鉛直位置を確かめる工程は、ハウジングに対する第１の遠隔ダイ アフラムの相対的鉛直位置を確かめる請求項１０に記載の方法。 １２．圧力トランスミッタがさらに、第２の流体充填毛管によって前記圧力セ ンサに結合された第２の遠隔圧力感知ダイアフラムを具備し、前記の鉛直位置を 確かめる工程は、第２の遠隔ダイアフラムに対する第１の遠隔ダイアフラムの相 対的鉛直位置を確かめることを含む請求項９に記載の方法。