JP5575986B2 - プロセス流体温度計測器 - Google Patents

Description

本発明は工業プロセス制御及びモニタリングシステムに関する。より具体的には、本発明は、このようなシステム中のプロセス流体の温度の計測に関する。

工業プロセスをモニタ及び／又は制御するため、工業プロセス制御及びモニタリングシステムが使用される。例えば、プロセス流体の圧力、温度、流量等のようなプロセス変量は、プロセス変量トランスミッタで計測することができる。この情報は、オペレータがプロセスの作動を監視することを可能にする。更に、計測されたプロセス変量は、制御アルゴリズムへの入力として使用することができ、かつプロセスの作動の制御に使用することができる。多くの場合、プロセス変量トランスミッタは離れた場所に位置し、プロセス制御ループを介してセンターに情報を送り返す。プロセス制御ループは、２線式プロセス制御ループを含むことができ、ここでプロセス変量は、例えばループを通って流れる４〜２０mAの電流レベルに基づいて、アナログ方式で、あるいはデジタル方式で、センターに送信される。同じ２本の導線を使用して、プロセス変量トランスミッタに電力を提供することができる。別の例のプロセス制御ループは、データがワイヤレスで送信されるワイヤレス制御ループである。

計測されるプロセス変量の１つは温度である。様々なタイプの温度センサが温度の計測に使用される。温度センサの１つは、ＲＴＤとして公知の抵抗型温度センサである。ＲＴＤの抵抗は温度の関数として変化する。通常、第１の対の導線に電流が流れ、第２の対の導線を使用してＲＴＤ全体の電圧降下を計測する、ＲＴＤに対するケルビン接続を使用して抵抗が正確に計測される。１つの接続が劣化すると不正確な温度計測が得られることがあり、メンテナンスを行わなければならない。

プロセス流体の温度を計測する装置は、プロセス流体に熱結合するように構成された、抵抗型温度（ＲＴＤ）センサを含む。第１及び第２の電気的接続は、電流をＲＴＤ中に供給するように構成されている。第３及び第４の電気的接続は、ＲＴＤを通して電圧を計測するように構成されている。計測回路は、ＲＴＤへの劣化した接続を識別し、応答してユーザに指示を与え、極めて劣化した状態では、第１、第２、第３そして第４の電気的接続の全てより少ないものを使用して、プロセス流体の温度を計測する能力を有するように構成される。

温度トランスミッタを含む、工業プロセス制御システムを示す簡略化ブロック図である。 図１の温度トランスミッタの簡略化ブロック図である。 図１の別の作動モードで示される、温度トランスミッタの別の簡略化ブロック図である。

本発明は、ＲＴＤへの接続が劣化し又は不可能な状態においても、抵抗型温度センサ（ＲＴＤ）を使用してプロセス流体の温度を検知する方法及び装置を提供する。ＲＴＤセンサがプロセス流体の温度を計測に使用される。そのようなセンサ、又はそのようなセンサへの電気的接続は、経時的な劣化又は健全性の喪失がありうる。ある場合には、オペレータが定期的に予定されるメンテナンスを提供し、センサが終局的に故障する前の予防的なメンテナンスを行うことができる。このような場合、不必要なメンテナンスが行われたり、機能しているセンサや関連した導線が不必要に廃棄されたりする可能性がある。

ＲＴＤの故障は数多くの異なる原因から生じる可能性がある。ＲＴＤそのものが故障する場合、又はＲＴＤへの接続が不可能な場合がある。例えば、ＲＴＤセンサへの接合（接続）が故障したり、擦り切れたり緩くなったり、あるいはセンサ内の内部溶接が温度と振動により装置にストレスがかかるため劣化しうる。故障する前に、これらの問題は増大した経路抵抗と過大な電圧（残留ＥＭＦ）という結果になる可能性がある（例えば、2002年3月12日に発行された、ERROR COMPENSATION FOR A PROCESS FLUID TEMPERATURE TRANSMITTERという名称の米国特許第6,356,191号を参照）。増大した経路抵抗は信号対雑音比を減少させ、計測に雑音が多くなる原因となる。更に、増大した経路抵抗は、計測回路に内在する時定数がより大きくなるため、計測の誤りにつながる可能性がある。経路抵抗が大きくなれば、測定を行うのにより長い時定数が必要とされる。通常、プロセス変量計測システムに使用されるアナログ・デジタル変換器は、増大した経路抵抗により増加した時定数に適合しない場合がある、プログラミング可能なセットリングタイムを有する。増大したＥＭＦはＲＴＤセンサ接続に関する周知の問題であり、正確な計測を行うプロセス変量トランスミッタの性能に直接影響を与えうる。プロセス変量トランスミッタは、過大なＥＭＦのレベルを低く修正するように構成されることができる。しかしながら、過大な電圧は計測回路を飽和させる場合がある。

上記の状態は、切迫したセンサの故障又は接続の健全性を検知するために使用することができる。温度センサが故障した時、プロセス変量トランスミッタは、センサが交換されるか、接続が修復されるまで、オフラインにする必要がある。故障しているセンサに関する状態についての情報を前もって提供し、センサがまだ有効な計測ができる間に、メンテナンスを予定できるようにすることが望ましいであろう。

一つの態様では、本発明は、一定時間にわたってＲＴＤセンサの計測経路特性の追跡及び比較をする方法及び装置を提供する。異常状態の表示を提供することができ、所望ならば、増大した経路抵抗及び過大な残留ＥＭＦを修正する、トランスミッタによる自動修正を利用することができる。上記のように、増大した経路抵抗及び過大な残留ＥＭＦの両方は、センサ計測の精度に影響を及ぼし、そして配線のゆるみ、振動、又は腐食により生じうる劣悪な状態でのセンサ素子の劣化により影響を受ける。

経路抵抗は４線ＲＴＤの各センサ配線及び３線ＲＴＤの２つの各配線に対して計測できる。更に、残留ＥＭＦは該経路の各々に対して計測できる。残留ＥＭＦは、通常のＲＴＤ計測でＲＴＤを励起するのに使用される電流を止めることによって計測できる。一度電流を止めると、残留電圧は、あたかも電圧センサのように、かつ、そのように用いられたかのように、又はその測定値から減算されたかのように測定され得る。プロセス変量トランスミッタは、センサが通常作動する間、特性の変化を監視することができ、そして、配線の１つが他の配線に関して増大した抵抗又はＥＭＦを有した時に確認することができる。

図１は、工業プロセス制御又はモニタリングシステム１０を示す略図であり、プロセス変量トランスミッタ１２がプロセス配管１４として示される工業プロセスに接続される。プロセス変量トランスミッタ１２は、本発明によるプロセス温度トランスミッタを含むことができる。トランスミッタ１２は、２線式プロセス制御ループ１６に結合していることが示され、更には２線式プロセス制御ループ１６を通してローカル制御室１８に接続していることが図示される。制御室１８は、電源１８Ａ及び検知抵抗１８Ｂとして示されている。プロセス制御ループ１６は、ホストシステムへの任意のプロセス制御ループ又は無線接続によるものとすることができる。ループ１６は電流を流している状態で示されている。一つの構成では、２線式ループが提供され、そこで同じ２本の配線がトランスミッタ１２に電力を提供するのに使用され、同様にトランスミッタ１２と通信を提供するように使用される。例えば、ループ１６は、電流レベルが、プロセス変量を表すトランスミッタ１２により制御される、４〜２０mAの電流ループを含むことができる。もう一つの例の構成では、デジタル信号はループ１６上で調整されてプロセス情報を伝える。温度トランスミッタ１２は配管１４に担持されるプロセス流体に結合し、プロセス流体の温度を検知するように構成される。更に別の例では、無線情報を有線情報に代える。

図２は、プロセス制御ループ１６に結合する温度トランスミッタ１２の簡略化ブロック図である。トランスミッタ１２は、第１、第２、第３及び第４の端子接続を有する端子ブロック３４に結合する、抵抗型の温度センサ（ＲＴＤ）３２を有する計測回路３０を含む。アナログ・デジタル変換器３６は、端子ブロック３４の端子に結合し、接続Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥを含む。アナログ・デジタル変換器３６はアナログ信号をデジタル値に変換するように構成され、このデジタル値はマイクロプロセッサ４０に提供される。マイクロプロセッサ４０は、アナログ・デジタル変換器の操作を制御するように、また、メモリ４２に保存されている指示に従って操作するようにも構成されている。入出力回路４４は、プロセス制御ループ１６に結合し、ループ１６上のマイクロプロセッサ４０により提供された情報を送信するように、又はループ１６から受けた情報をマイクロプロセッサ４０に提供するように構成されている。図２に示す構成では、入出力回路４４はトランスミッタ１２の回路に電力を提供するようにも構成されている。

温度センサ３２は４線式ケルビン接続を通って端子ブロック３４に結合する。図２に示す構成では、ソース電流は、端子ブロック３４の最初の端子を通過し、温度センサ３２を通って流れ、そして端子ブロック３４の３番目の端子により受け取られる。リファレンス選択スイッチ５０は、端子３及び４に接合している両方の配線の経路抵抗を計測するために使用される、接地への冗長な経路として使用される。それはまた、劣化の状態により経路６６を除外する位置に切り換える必要がある場合に、第２の接地経路を提供する方法として使用される。

センサ３２と端子ブロック３４との電気的接続は、経路抵抗６２、６４、６６及び６８として示されている寄生抵抗を含む。

作動中、マイクロプロセッサ４０は温度センサ３２の抵抗を計測するように構成されている。いくつかの構成では、マイクロプロセッサ４０は計測された抵抗を温度変換するように構成することができる。図２に示した構成を使用して、温度センサ３２全体の電圧は、以下

のように計測できる。
基準抵抗５２全体の電圧は、

であり、
次に、センサ３２の抵抗は、

である。

通常の作動中、トランスミッタは、上記の式３を使用して温度を検知するように構成されてもよい。異常状態、例えばＥＭＦ又は関連する他の導線の経路抵抗変化をトランスミッタが検知すると、例えばプロセス制御ループ１６を介して警告をオペレータに提供することができる。この種の診断警告は、検出エラーがセンサ計測に影響しない場合に提供することができる。オペレータに提供される情報は、例えば、検出された特定の事象とともにセンサ３２への接続経路が異常状態を引き起こした事象を含むことができる。

しかし、異常状態が閾値、例えばメモリ４２に保存された閾値レベルを超えた場合に、トランスミッタ１２は温度計測に影響する種類の重大な異常状態が起こったという出力表示を提供してもよい。マイクロプロセッサ４０は、異常状態が生じている接続を回避すべく計測回路を変更し、そして３線センサとして作動するように構成することができる。

図３は、トランスミッタ１２が、３線接続を使用して温度センサ３２の抵抗を計測するように構成されていることを示す。これは、経路１が劣化し、それが４線計測に含まないということが最善であるという意味での一つの例である。トランスミッタは経路１を自動計測から除去し、３線構造の経路２、３、そして４を使用する。トランスミッタが、３線モードで作動できる数多くの方法がある。いずれか１つの経路が故障すると、トランスミッタは残りの３線モードを使用できる。図３中の、温度センサ３２の抵抗Ｒ_ＲＴＤは、以下の式:

を使用して計測できる。

この構造は、オペレータが異常事態を解消するまで、非常に正確な計測を提供するであろう。図３において、マイクロプロセッサ４０は、アナログ・デジタル変換器３６の作動を制御して励起電流経路を選択的に提供し、それによりいずれか１つの配線を除去して３線モードでの温度センサ３２の作動を継続させることができる。上記のように、マイクロプロセッサ４０は３線モードの作動でもオペレータに警告出力を提供できる。

異常事象の検出は、標準偏差、最小及び最大レベル、またその他のような統計値のモニタリングを含む、任意の適切な診断技法に基づくことができる。３線構造に切り換えることに加えて、センサ３２は、４線のうち２線が故障した場合、２線モードで作動することができる。このような構造において、精度が失われ、誤りがもたらされる。接続リード線の抵抗は、計測の精度を増大するために補償しなければならない。しかしながら、これはトランスミッタ１２が、故障が修復されるまで、たとえ不正確であっても何らかの計測を提供できる。

好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。

Claims (21)

1. プロセス流体に熱結合する構造の抵抗型温度（ＲＴＤ）センサ、
   ＲＴＤを通して電流を供給するように構成された第１及び第３の電気的接続、
   ＲＴＤ全体の電圧を計測するように構成された第２及び第４の電気的接続、そして、
   ＲＴＤへの接続が劣化した場合に、劣化した接続を識別し、第１、第２、第３、そして第４の電気的接続のすべてより少なく使用してプロセス流体の温度を、応答して計測するように構成されている計測回路であって、劣化した接続が、第１、第２、第３及び第４の電気的接続の各々のために監視された抵抗又は残留ＥＭＦを、他の第１、第２、第３及び第４の電気的接続の抵抗又は残留ＥＭＦと比較することに基づき検知される計測回路、
   を含む、プロセス流体の温度を計測するための装置。
2. 故障した接続が、ＥＭＦ又はＲＴＤへの接続の抵抗の変化に基づき検知される、請求項１記載の装置。
3. 計測回路が、ＲＴＤへの３つの接続を使用してプロセス流体の温度を計測するように構成されている、請求項１記載の装置。
4. 計測回路が、ＲＴＤへの２つの接続を使用してプロセス流体の温度を計測するように構成されている、請求項１記載の装置。
5. ＲＴＤへの第１及び第２の接続が、ＲＴＤの第１端に結合され、第１及び第２の接続のどちらかが、ＲＴＤ全体に選択的に電流を提供できるように構成されている、請求項１記載の装置。
6. 基準抵抗を含み、そして、温度計測がＲＴＤの抵抗と基準抵抗の抵抗の比較に関連する、請求項１記載の装置。
7. プロセス制御ループに出力を提供するように構成されている回路を含む、請求項１記載の装置。
8. プロセス制御ループが、装置の回路に給電するように更に構成されている、２線プロセス制御ループを含む、請求項７記載の装置。
9. プロセス制御ループが無線プロセス制御ループを含む、請求項７記載の装置。
10. ＲＴＤへの劣化した接続が検知されたことを表示する出力を提供するように構成されたＩ／Ｏ回路を含む、請求項１記載の装置。
11. 出力がプロセス制御ループに提供される、請求項１０記載の装置。
12. 抵抗型温度センサ（ＲＴＤ）をプロセス流体へ熱結合すること、
    ＲＴＤへの第１及び第３の接続を使用して、電流をＲＴＤ全体へ流させること、
    ＲＴＤへの第２及び第４の接続を使用して、ＲＴＤ全体の電圧を計測すること、
    ＥＭＦ又は経路抵抗での変化に基づき、ＲＴＤへの劣化した接続を識別すること、そして
    劣化した接続が検知されたときに、ＲＴＤへの第１、第２、第３及び第４の接続の全てより少ない接続を使用して、プロセス流体の温度を、応答して計測することにおいて、ＲＴＤへの劣化した接続が、第１、第２、第３及び第４の電気的接続の各々のために監視された抵抗又は残留ＥＭＩを、他の第１、第２、第３及び第４の電気的接続の抵抗又は残留ＥＭＦと比較することに基づいて検出されること、
    を含む、プロセス流体の温度を検知する方法。
13. ＲＴＤの抵抗が、ＲＴＤへの３つの接続を使用して計測される、請求項１２記載の方法。
14. ＲＴＤの抵抗が、ＲＴＤへの２つの接続を使用して計測される、請求項１２記載の方法。
15. ＲＴＤへの第１及び第２の接続がＲＴＤの第１端に結合し、第１及び第２接続のどちらかが、ＲＴＤ全体に選択的に電流を提供できるように構成されている、請求項１２記載の方法。
16. 基準抵抗を含み、そして、温度計測がＲＴＤの抵抗と基準抵抗の抵抗との比較に関連している、請求項１２記載の方法。
17. 検知した温度に関する出力をプロセス制御ループに提供することを含む、請求項１２記載の方法。
18. プロセス制御ループが２線プロセス制御ループを含む、請求項１７記載の方法。
19. プロセス制御ループが無線プロセス制御ループを含む、請求項１７記載の方法。
20. ＲＴＤへの劣化した接続が検知されたことを表示する出力を提供することを含む、請求項１２記載の方法。
21. 出力がプロセス制御ループに提供される、請求項２０記載の方法。

Images