JPH10504123A - 選択可能且つ調整可能な入力フィルターを備えた電流−圧力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 圧力発生のための制御信号への応答手段を備えた電流−圧力変換器と、前記制御信号と前記電流−圧力変換器との間に配置されたフィルタとを備えており、該フィルタが、そのダイナミック入出力特性を変化させうるように調節が可能な時定数を有するダイナミック入出力特性を備えており、さらに前記フィルタを選択的に作動および非作動させうる信号選択器を備えてなる、圧力発生のための制御信号に応答する装置。

Description

【発明の詳細な説明】選択可能且つ調整可能な入力フィルターを備えた電流−圧力変換器 技術分野 本発明は一般に電流−圧力変換器に関し、特に選択可能且つ調整可能な入力フ ィルターを備えた電流−圧力変換器に関する。技術背景 液体やガスの流動プロセスを制御するような制御システムは、通常、他方でプ ロセス制御弁に装備されたアクチエータに連結された電流−圧力変換器を有して いる。プロセス制御装置から出力された信号は、プロセスの制御のために電流− 圧力変換器に受信される。 オープンループプロセスの制御システムにおいて、プロセス制御装置は４〜２ ０ｍＡの制御信号を電流−圧力変換器に供給し、電流−圧力変換器はこれを圧力 出力に変換し、アクチエータをして予め設定された手順で前記バルブがプロセス を制御するように操作せしめる。反対に、クローズループプロセスにおいては、 制御対象となるプロセスのパラメータ値をセンサが検出し、そのパラメータ値は プロセス制御装置にフィードバックされる。その後、プロセス制御装置は検出さ れたプロセスパラメータと入力指令との間の最小相違値、いわゆる目標値または 検出されるプロセスパラメータの望ましい値、を維持すべく連続的に出力信号を 制御する。 制御対象プロセスが小時定数を有するものであれば、スプリング−ダイアフラ ムアクチュエータと連携した低速の一次応答を有する電流−圧力変換器を採用す るのが望ましい。このような電流−圧力変換器としては、フィッシャーコントロ ールズインターナショナル、インコーポレイテッド社製の５４６型電流−圧力変 換器がある。この変換器は、その応答特性においては大時定数を持つ単極のロー パス（low-pass）フィルターと機能的に類似している。 変換器技術の発達により、スプリング−ダイアフラムアクチュエータのような アクチュエータと連結されたときに、より高速の二次ローパスフィルター特性を その変換器に付与することが可能になっている。これらの変換器は、高速プロセ スのクローズループ制御におけるアクチュエータ駆動に用いることも可能である が、これら変換器が比較的低速の一次ラグ（first order lag）を有する変換器 と同程度のプロセスループ減衰を達成しうるように、プロセス制御装置を再同調 してその比例ゲイン（proportional gain）を減少させなければならない。いく らかの場合、たとえシステムの安定を図るために制御装置が再同調された後にお いても、制御されたプロセスの変動もしくはパラメータが行き過ぎ量（over sho ot）を示し、リミットサイクル（微少振幅の振動など）を示し、または指令入力 信号や目標値に所望より密接に追従することがなく、目標値の変更に所望よりも ゆっくりと反応する。 以上のような問題点は、たとえば電流−圧力変換器が、継続的振動による摩耗 もしくは経年により、または不利な温度条件により、または通常の摩耗により、 または単なる技術刷新もしくは他のシステム機器の導入要求、によって取り替え ねばならない場合などに発生する。このような場合、変換器およびアク チエータの一次ラグから二次ラグへの応答特性の変更はプロセスループの同調お よび制御に逆効果を及ぼしうる。発明の概要 本発明は、如上の問題を解消しうる、選択可能且つ調整可能な入力フィルタを 有する電流−圧力変換器を提供するものである。 本発明の一つの態様において、圧力発生のための制御信号に応答する装置は、 圧力発生のための制御信号への応答手段と、制御信号と自身との間に配置される フィルタを備えた電流−圧力変換器とを有している。フィルタはそのダイナミッ ク入出力特性を変化させうるように調節が可能な時定数を備えたダイナミック入 出力特性を有している。この装置はフィルタを選択的に作動および非作動（deac tivating）しうる手段をも有している。前記フィルタは電流−圧力変換器の一部 分として構成するのが好ましい。 一つの実施例において、前記フィルタは主一次ラグフィルタ（dominant，firs t-order lag filter）であり、好ましくはローパスフィルタである。このフィル タは演算増幅器を有していてもよく、さらに抵抗器−コンデンサ回路を前記演算 増幅器に接続していてもよい。または、前記フィルタは、ディジルフィルタでも よく、ダイナミック入出力特性を得るためのディジタル演算を実行するディジタ ル演算手段を備えてもよい。後者の実施例の演算手段はマイクロプロッセッサを 有している。 プロセスパラメータを有するプロセスを制御するためのシステムにおいて、こ のシステムは、プロセスパラメータを検出する手段と、検出されたプロセスパラ メータから生じる入力信号を受信する手段および入力信号に応じた制御機出力信 号を発進 する手段を備えた制御機と、圧力を生ぜしめるために前記制御機出力信号を受信 する電流−圧力変換器と、該変換器によって発生させられた圧力を受けるバルブ アクチエータと、プロセス制御のために該バルブアクチエータが装備されたバル ブとを備えており、本発明においては、制御信号と電流−圧力変換器との間に配 置されたフィルタを備えることによって改良がなされており、このフィルタは、 システムのゲインを、システム安定維持のためには十分に小さく且つプロセスパ ラメータを調整してプロセスの負荷変動を実質的に補整するためには十分に大き い値となるように、実質的に保証しうるダイナミック入出力特性を有している。 このフィルタのダイナミック入出力特性はそれを変化させうるようにユーザー調 節可能時定数を有している。さらに、選択的にフィルタの作動・非作動をなしう る手段も備えられている。図面の簡単な説明 新規である本発明の特徴はとくに追加クレームによって説明される。本発明は 添付図面と併せて以下の説明により、完璧に理解されるであろう。前記添付図面 のいくらかにおいては、同様の構成部分に対しては同じ符号が用いられている。 図１は本発明に係る変換器が適用されたプロセス制御回路を示すブロック図で ある。 図２は本発明の選択可能且つ調節可能な入力フィルタを有する電流−圧力変換 器を示すブロック図である。 図３は図２の入力フィルタのアナログ実施例を概略的に示す結線図である。そ して、 図４は図２の入力フィルタのディジタル実施例を概略的に示すブロック図であ る。詳細な説明 まず図１において、プロセス制御システム２０にはバルブアクチエータ２４に 接続された電流−圧力変換器２２が備えられており、前記バルブアクチエータ２ ４はプロセス２８を制御するバルブ２６に接続されている。このプロセス２８は 流動プロセス、液体圧プロセス、小体積ガス圧プロセスまたは所望のいかなるプ ロセスであってもよい。プロセス制御機３０はプロセス制御のために４〜２０ｍ Ａの制御信号を電流−圧力変換器２２に供給する。 プロセス制御システム２０はオープンループシステムでもよく、また、クロー ズループシステムでもよい。クローズループシステム（図１参照）においては、 センサ３４がプロセスパラメータ３６、すなわち流量や圧力、温度、水位のよう なパラメータまたは他の所望のパラメータを検出するために作動する。このパラ メータ３６の検出値は、入力指令信号または目標値４２とセンサ３４によって検 出されたパラメータ３６の値を示す信号４４との相違値４０を演算するための総 和器（summer）３８の逆入力（inverting input)と連携される。オープンループ プロセス制御システム２０（図示せず）では、前記センサ３４および総和器３８ はともに装備されず、入力指令信号または目標値４２は、予め設定された手順（ たとえば、制御器入力が検出されたプロセスパラメータ値３６に応答しない手順 ）によってプロセス２８を制御するために直接プロセス制御器３０に接続される 。 図２に示すように、電流−圧力変換器２２は入力４８（典型的には４〜２９ｍ Ａの電流信号かまたは１〜５Ｖの電圧信号であり、いずれの場合も４〜２０ｍＡ の制御信号３２に比例して いる）と圧力出力５４とを有している。電流−圧力変換器２２はまた、入力５２ を有する変換器５０を備えている。前記電流−圧力変換器２２の圧力出力５４は 前記変換器５０の出力５５と直接に連携される。 前記変換器５０の入力５２は、変換器５０の入力５２と連携すべき二つの入力 のいずれかを選択するように作動可能な信号選択器５６に接続されている。さら に詳細には、信号選択器５６は入力フィルタ６０によって処理されたフィルタ処 理信号（filtered signal）５８か、または単なる電流−圧力変換器２２への入 力４８であるフィルタ非処理信号（unfiltered signal）６２のいずれかを選択 するように作動する。言い換えれば、信号選択器５６はフィルタ６０のフィルタ 機能の選択または非選択（切断）（de-select）の作動をするのであり、それに よって電流−圧力変換器２２は、選択可能且つ調節可能な入力フィルタ６０とと もにまたはこれを除外して作動できるのである。 図１および図２に示すように、プロセス２８の動力学が制御システム２０中に おいて支配的であるように構成されている場合、信号選択器５６は、主一次フィ ルタがそのような構成において必要とされない限りは入力フィルタ６０を非選択 するように作動する（すなわち、フィルタ非処理信号６２を変換器５０の入力５ ２に連携させる等する）。他の構成、すなわちプロセス２８の動力学が支配的で ないような構成においては、信号選択器５６は、入力フィルタ６０が選択される ように作動し（すなわち、フィルタ処理信号５８を変換器５０の入力５２に連携 させる等する）、入力フィルタ６０は制御システム２０の安定を達成するように 調節される。 図３を参照しつつ、入力フィルタ６０をより詳細に説明する。まず、以下には フィルタ６０がアナログ回路に接続されたも のとして説明するが、図３に示されるアナログフィルタ６０によって奏されるで あろうものと同等の入出力特性を演算するように好適にプログラムされたマイク ロプロセッサのような手段により、ディジタル手段によってもフィルタ機能が奏 されることは当業者には容易に理解できるであろう。 図３に示すように、前記入力フィルタ６０は、正入力端子６６と、負入力端子 ６８と、演算増幅器６４が出力信号を発すべき出力端子７０とを備えている。前 記出力信号は出力端子７０から負入力端子６８にフィードバックされる。入力４ ８と演算増幅器６４の正入力端子６６との間には抵抗器７２が接続されている。 さらに、接地端子７６と演算増幅器６４の正入力端子６６との間にはコンデンサ ７４が接続されている。 抵抗器７２の抵抗値とコンデンサ７４の静電容量とはそれぞれ、入力フィルタ ６０がプロセス制御システム２０の安定にとって必要ないかなる値をも有しうる ような時定数を得るように選択される。もちろん、前記時定数の値はプロセス制 御システム２０に現れる全ての支配的なラグの特性によっている、ということは 当業者にとって明白であろう。 さらに、フィルタ６０の選択・非選択のための手段として、前記信号選択器５ ６の使用に代えて、抵抗器７２の適切な抵抗値およびコンデンサ７４の適切な静 電容量をそれぞれ選択することによってフィルタ６０は効果的に非選択され、そ れによってフィルタ６０の時定数は非常に小さくまたはゼロとなる。言い換えれ ば、抵抗器７２の抵抗値は小さく、ゼロに近くすべきであり、いかなる場合でも それに適応して選択された演算増幅器６４の入力インピーダンスよりはるかに小 さくなければならない。前記コンデンサは高品質の低漏洩タイプのもの（たとえ ば、タンタル材またはセラミック材から形成されたもの）であ るべきであり、過渡状態において入力４８を負荷するのに十分に大きくはないよ うにすべきである。 アナログ実施例において、抵抗値および静電容量は、フィルタ６０に対して必 要な値を有する抵抗要素と静電要素とを単に組み合わせることによって選択され うる。または、ディジタル実施例において、ユーザー定義パラメータが、単にデ ジタルフィルタを好適にプログラミングされる（すなわち、必要に応じてソフト ウェアプログミングされるかまたはファームウェアプログラミングされる）こと により、フィルタ６０に要求される時定数に対応する値に設定されてもよい。さ らに、ディジタル実施例において、他のユーザー定義パラメータが、フィルタ６ ０の選択・非選択に用いられてもよい。それにより、このディジタル実施例にお いても、前述のフィルタ６０のアナログ実施例における信号選択器５６よって提 供される機能性と同一の機能性が提供される。 もちろん、図３に示され且つ前述された演算増幅器−抵抗器−コンデンサの回 路に代えて、他のアナログまたはディジタルの電気的または機械的な手段によっ ても、前記フィルタ６０のフィルタ機能が提供されうることは当業者には容易に 理解できることであろう。いかなる場合であっても重要なことは、フィルタ６０ があるダイナミック入出力特性を有しており、このダイナミック入出力特性が実 質的に、プロセス制御システム２０（図１）がシステム２０の安定性を実質的に 維持するするのに十分に小さく、プロセス２８（図１）における負荷変動が実質 的に補正されるようにプロセスパラメータ３６（図１）を調節しうるに十分なほ ど大きいことを実質的に保証していることである。さらに、前記変換器２２中に 使用されているこのフィルタ６０は、そのタイプに拘らず、そのダイナミック入 出力特性 は、前述したようにダイナミック入出力特性を変化させるように調節しうる時定 数を有するべきである。このようにして、電流−圧力変換器２２がプロセス制御 システム２０中に組み込まれた場合には、入力フィルタ６０のゲインは、プロセ ス制御システムの安定性を維持しつつフィルタ６０の入出力特性を調節するため に増大せしめられる。 図４に示すように、フィルタ６０のディジタル実施例は、マイクロプロッセッ サ７８と演算手段とを備えており、この演算手段は、入力ビットストリーム８４ （これは並列でも直列でもよい）から出力ビットストリーム８２に誘導すること によってフィルタ６０のダイナミック入出力特性を実行するためにマイクロプロ ッセッサ７８によって実行されうるようにされたプログラム８０のようなもので ある。このプログラム８０をフィルタ６０のディジタル実施例を実行するに必要 な演算を行うように発展させることは当業者にとって簡単なことである。ディジ タルフィルタ６０は、フィルタ６０の時定数を選択するためのユーザー定義パラ メータ８６とフィルタ６０を選択・非選択するためのユーザー定義パラメータ８ ８とを有している。ディジタル実施例のオショナルな追加的特徴として、一方の ユーザー定義パラメータ８６がゼロに設定され且つ他方のユーザー定義パラメー タ８８がフィルタ６０を選択するように設定されたときに、前記プログラム８０ が時定数に対して省略時設定（default setting）を採用してもよい。 再度図２を参照すれば、フィルタ６０が常に必要とされる構成（たとえば、プ ロセス２８の動力学がプロセス制御システム２０において支配的でないような構 成）における使用のためには、電流−圧力変換器２２に対してたとえば前述の信 号選択器５６により、切断（非選択）され得ないフィルタ６０が選択的 に組み込まれてもよい。 選択可能且つ調節可能なフィルタ６０を有する本発明の変換器２２は、従来の フィルタを有しない電流−圧力変換器を備えたプロセス制御システム２０によっ て達成され得るよりも、目標値４２からの変化に対する比較的素早いプロセスパ ラメータ３６の応答を可能にする。 如上の説明は当業者が本発明を実施するうえでの最良の態様を示すためになさ れ、且つ単なる例示と解釈されるべきである。数値変更や本発明の他の実施例は 、当業者にとってはこの説明から明らかになるであろう。ここに開示された構成 の詳細は本発明の思想から実質的に離れることなく改変されてもよく、また、追 加クレームの範囲内での全ての変形の独占的使用は留保される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧力発生のための制御信号への応答手段を備えた電流−圧力変換器と、 前記制御信号と前記電流−圧力変換器との間に配置され、そのダイナミック 入出力特性を変化させうるように調節が可能な時定数を有するダイナミック入出 力特性を備えたフィルタと、 該フィルタを選択的に作動および作動解除しうる手段 とを備えてなる、圧力発生のための制御信号に応答する装置。 ２．前記フィルタが前記電流−圧力変換器の一部分を構成してなる請求の範囲第 １項記載の装置。 ３．前記フィルタが主一次ラグフィルタである請求の範囲第１項記載の装置。 ４．前記フィルタがローパスフィルタである請求の範囲第１項記載の装置。 ５．前記フィルタが演算増幅器を備えてなる請求の範囲第１項記載の装置。 ６．前記フィルタが前記演算増幅器に接続される抵抗器−コンデンサ回路を備え てなる請求の範囲第５項記載の装置。 ７．前記フィルタがディジタルフィルタである請求の範囲第１ 項記載の装置。 ８．前記フィルタが、ダイナミック入出力特性を得るようにディジタル演算を実 行するための演算手段を備えてなる請求の範囲第７項記載の装置。 ９．前記演算手段がマイクロプロッセッサを備えてなる請求の範囲第８項記載の 装置。 １０．プロセスパラメータを有するプロセスを制御するためのシステムであって 、プロセスパラメータを検出するための検出手段と、検出されたプロセスパラメ ータから生じる入力信号を受信する受信手段および入力信号に応じた制御機出力 信号を発進する発進手段を備えたプロセス制御機と、圧力を生ぜしめるために前 記制御機出力信号を受信する電流−圧力変換器と、該変換器によって発生させら れた圧力を受けるバルブアクチエータと、プロセス制御のために該バルブアクチ エータが装備されたバルブとを備えており、その改良が、 制御信号と電流−圧力変換器との間に配置されたフィルタと、該フィルタを 選択的に作動および非作動させるための選択手段とを備えており、前記フィルタ は、システムのゲインを、システム安定維持のためには十分に小さく且つプロセ スパラメータを調整してプロセスの負荷変動を実質的に補整するためには十分に 大きい値となるよう、実質的に保証しうるダイナミック入出力特性を有しており 、このフィルタのダイナミック入出力特性はそれを変化させるように調節可能な 時定数を有しており、さらに、選択的にフィルタの作動・非作動をなしうる手段 も備えられてなるシステム。 １１．前記フィルタが前記電流−圧力変換器の一部分を構成してなる請求の範囲 第１０項記載のシステム。 １２．前記フィルタが主一次ラグフィルタである請求の範囲第１０項記載の装置 。 １３．前記フィルタがローパスフィルタである請求の範囲第１０項記載の装置。 １４．前記フィルタが演算増幅器を備えてなる請求の範囲第１０項記載の装置。 １５．前記フィルタが前記演算増幅器に接続される抵抗器−コンデンサ回路を備 えてなる請求の範囲第１４項記載の装置。 １６．前記フィルタがディジタルフィルタである請求の範囲第１０項記載の装置 。 １７．前記フィルタが、ダイナミック入出力特性を得るようにディジタル演算を 実行するための演算手段を備えてなる請求の範囲第１６項記載の装置。 １８．前記演算手段がマイクロプロッセッサを備えてなる請求の範囲第１７項記 載の装置。