JPH11506837A - プロセス制御システムにおける温度送信器用開センサ診断システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プロセス制御システムにおける温度送信器（１０）は、温度を感知して、感知された温度に関連するセンサ出力を与える温度センサ（１６、１８）を有する。センサ出力に接続されたアナログ−デジタル変換器（２８）は、センサ出力に関連するデジタル出力を与える。マイクロプロセッサ（２２）はデジタル出力を受取り、デジタル出力を補償して、温度出力を与える。比較回路（１２）は、センサ出力を第１のしきい値Ｖ_REF1と比較して、センサが第１のしきい値Ｖ_REF1の外にある場合、マイクロプロセッサ（２２）に抑止信号を与える。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 プロセス制御システムにおける温度送信器用開センサ 診断システム 発明の背景 本発明は、プロセス制御システムにおいて用いられる送信器に関する。より詳 しくは、本発明は、温度送信器の開センサ（センサ開放）状態を識別するための 診断技術に関するものである。 プロセス制御送信器はプロセス制御システム内のプロセスパラメータを測定す るために用いられている。マイクロプロセッサに基づいた送信器は、センサと、 センサからの出力をデジタル形に変換するアナログ−デジタル変換器と、デジタ ル出力を補償するマイクロプロセッサと、補償された出力を送信する出力回路と を有する。典型的には、この送信は、４−２０mA電流ループなどのプロセス制御 ループ上でなされる。パラメータの一つの例は温度であり、この温度はRTD（抵 抗温度装置）あるいはPRT（プラチナ抵抗温度計）とも呼ばれる装置の抵抗、ま たは熱電対センサの電圧出力を測定することによって、感知される。 温度は、センサ出力（抵抗あるいは電圧値）をセンサの温度を示す出力に変換 することによって測定される。しかし、センサと送信器への入力との間の接続が 緩むと、問題が生じる。アナログ−デジタル変換のサンプリング周期数は有限で あり、ほかのサンプリング 周期と平均化されてしまう、どのサンプリング周期中においても、回路の間欠的 開放が生じる可能性があるので、サンプリング周期内に間欠的接続（間欠開放） が隠されてしまうことがある。よって、システムのソフトウエアはセンサの間欠 的接続を高信頼性をもって検出することができない。サンプリング周期より短い 期間だけしか開放されない、いかなる接続も、マイクロプロセッサでは検出され ないままとなり、温度読み取り精度の低下につながりかねない。 発明の概要 プロセス制御システムにおける温度送信器は、感知された温度に関連するセン サ出力を与える温度センサと、センサ出力に結合したＡ／Ｄ変換器とを有する。 Ａ／Ｄ変換器はセンサ出力に関連したデジタル出力を与える。デジタル出力に結 合したマイクロプロセッサは、デジタル出力を補償し、温度出力を与える。比較 回路は、センサ出力を第１のしきい値と比較して、センサ出力が第１のしきい値 の外にある場合は、抑止信号をマイクロプロセッサに与える。一実施例において 、マイクロプロセッサは抑止信号を故障と認識し、警告出力を与える。第２のし きい値を用いることも可能であり、比較回路はセンサ出力が第１と第２のしきい 値の境界内にあるかどうかを判定する。比較回路の応答時間はアナログ−デジタ ル変換器の応答時間よりも速い。 図面の簡単な説明 図１Ａは、本発明の一実施例における、RTDセンサを用いて温度を 測定するように接続された温度送信器のブロック図である。 図１Ｂは、図１Ａと同様に、熱電対センサを用いて温度を測定するように接続 された温度送信器のブロック図である。 図２は、本発明の一実施例における、マイクロプロセッサによって実行される 処理を示したフローチャートである。 好ましい実施例の態様 図１ＡはRTDセンサを用いて温度を測定するように接続された温度送信器１０ のブロック図である。温度送信器１０には、本発明により、開センサ（open sen sor）診断回路１２が含まれている。以下に述べるように、回路１２は、送信器 １０の温度センサを監視し、開センサ状態を検出したときには出力を発生する。 回路１２は、通常は送信器１０が検出できないような持続時間を有した瞬間開回 路（open circuit）状態を検出することができる。この情報は、開回路状態を診 断するために、送信器１０によって用いられる。たとえば、瞬間開回路が発生し た送信器１０によって得られた温度測定値は、不正確な温度測定を避けるために 無視してもよい。 送信器１０はプロセス制御ループ１１に結合される。このプロセス制御ループ １１は送信器１０に電力を与え、情報がこのループ１１を介して送受信される。 送信器１０は、たとえばRTD温度センサ１６あるいは（図１Ｂに示される）熱電 対温度センサ１８に結合するための端子１〜４を持つ端子ブロック１４を有する 。図１ＡはRTD１６との電気接続を示している。センサ１６（およびセンサ１８ ） は、送信器１０の内部にあっても外部にあってもよい。送信器１０は、入出力（ I/O）回路２４を介して制御ループ１１に結合されたマイクロプロセッサ２２に よって制御されるマルチプレクサ２０を有する。 マルチプレクサ２０は、端子１〜４からの信号を含む適切な組（set）のアナ ログ信号を、差動増幅器２６の正入力および負入力に選択供給する。一実施例に おいて、変換器２８は１７ビットの精度と、１４サンプル／秒の変換速度を有す る。メモリ３０は、クロック３２によって決定される速度で作動するマイクロプ ロセッサ２２用の命令と情報を記憶する。マルチプレクサ２０は、差動増幅器２ ６の正入力および負入力に入力対を選択的に接続する。基準抵抗R_REF３８はマル チプレクサ２０に接続され、RTDとは直列接続される。 動作中、送信器１０はセンサ１６の温度を測定して、制御ループ１１上に温度 の表示を送信する。送信器１０は以下の式を用いてRTD１６の温度の優位値（maj or value）を算出する。 ここで、 R_REFNOM＝オームを単位とする基準抵抗値の、および／またはメモリ３０に 記憶されている公称抵抗値であり、 V_RINPUT＝入力での電圧降下であり、 V_RREF=基準抵抗R_REFでの電圧降下である。 電流源５０は、（端子１と４を介して）センサ１６および基準抵抗３８に電流 Ｉ_sを与える。マイクロプロセッサ２２は、マルチプレクサ２０を介して、端子 ２と３の間にあるRTD１６での電圧降下（V_RINPUT）と抵抗３８での電圧降下（V_{R REF} ）とを測定する。R_REFNOMは演算定数で、メモリ３０から検索される。このよ うな４線抵抗測定においては、実質的にすべての電流が端子１と４の間を流れ、 測定の精度にはほとんど影響をもたらさないので、端子２および３への接続点間 での電圧降下は大部分除去される。R_INPUTは、メモリ３０に記憶されているルッ クアップテーブルあるいは好適な式を用いて温度単位に変換される。 図１Ｂは端子１と２間に電圧V_TCINPUTを生成する熱電対センサ１８を用いて温 度を測定するように接続された送信器１０を示している。マルチプレクサ２０は 差動増幅器２６の入力を端子２と１に結合する。図１Ｂは、マルチプレクサ２０ と電流源５０に結合した基準電圧（V_TCREF）３６を示している。 送信器１０は以下の式を用いて熱電対電圧VTCを決定することによって熱電対 センサ１８の温度を測定する、 ここで、 V_TCINPUT＝増幅器２６に感知された、端子ブロック１４の端子１と２間での 測定電圧、 V_TCREF＝増幅器２６によって感知された、基準電圧３６によって生じた測定 電圧、 V_TCREFNOM＝メモリ３０に記憶された基準電圧３６の公称値である。 しかしながら、端子１で形成される２つの異なる金属間の接合が、接合部の温 度に比例する冷接合誤差電圧を引き起こす。PRT（プラチナ抵抗温度計）センサ ３４の抵抗に基づいて端子１での接合部の温度を測定し、つぎに標準式またはル ックアップテーブルを用いて冷接合誤差電圧を決定することにより、誤差電圧が 感知される。センサ３４の抵抗R_CJCRPTは、電流源５０から電流Ｉ_sを供給するこ とにより、式１を用いて測定される。マイクロプロセッサ２２はV_TCを式２によ り算出し、それから適切なルックアップテーブルあるいは式を用いてV_TCからR_{CJ PRT} を効果的に減算する。その後、センサ１８の補償済み温度を出力回路２４を 介してループ１１に結合する。 図１Ａと１Ｂの実施例においては、本発明による開センサ診断回路１２と電流 源Ｉs、Ｉ₂、Ｉ₃が示されている。開センサ診断回路１２は、差動増幅器２６の 出力あるいはマルチプレクサ２０の出力に結合する反転入力と、スイッチ６２に 結合する非反転入力とを持つコンパレータ６０を有する。スイッチ６２は、マイ クロプロセッ サ２２の制御下で、コンパレータ６０の非反転入力を基準電圧Ｖ_REF1あるいはＶ_REF2 に選択的に結合させる。コンパレータ６０の出力は排他的ＯＲ（ＸＯＲ）ゲ ート６４に与えられる。排他的ＯＲゲート６４への第２の入力は、マイクロプロ セッサ２２によって与えられる。排他的ＯＲゲート６４の出力はラッチ６６の入 力に供給される。またラッチ６６は、マイクロプロセッサ２２に接続されるリセ ット入力と、マイクロプロセッサ２２に接続される出力とを有する。 動作中、開センサ状態により、増幅器２６の出力あるいはマルチプレクサ２０ の出力は、電流源Ｉ₂あるいはＩ₃から供給される過大または過小電流のために通 常の作動範囲を超えることになる。出力変動の方向は、マルチプレクサ２０を介 して接続する入力回路の形態によって決まる。電流源Ｉ₂、Ｉ₃は、たとえば、プ ルアップあるいはプルダウン抵抗であってもよい。マイクロプロセッサ２２はＶ_REF1 およびＶ_REF2とコンパレータ６０との接続を制御する。さらに、マイクロプ ロセッサ２２は、排他的ＯＲゲート６４を用いてコンパレータ６０の出力を反転 させることができる。 マルチプレクサ２０を介して取り出された読みの種類と、電流源Ｉ_s、Ｉ₂、Ｉ₃ の方向とに応じて、マイクロプロセッサ２２は通常の作動範囲の外にある読み を認識するようにプログラムされる。たとえば、式１では、マイクロプロセッサ ２２は測定値Ｖ_RINPUTあるいはＶ_RREFを監視することができる。同様に、マイク ロプロセッサ ２２は、センサの端子１と２との間の電圧を監視してセンサリード２が開放して いるか否かを感知するすることができ、また、センサ端子１と３との間の電圧を 監視してセンサリード３が開放しているかどうかを感知することができる。 同様に、マイクロプロセッサ２２は、Ｖ_TCINPUTあるいはＶ_TCREFを監視するこ とができる。たとえば、任意の一つのセンサリードに関して、ある接続開放によ り、増幅器２６の出力が通常の作動範囲を上回る場合、マイクロプロセッサ２２ がスイッチ６２を作動させて適切な基準レベルをコンパレータ６０に接続する。 これにより、センサは開回路状態にされ、コンパレータ６０の出力が論理ローに される。 一実施例においては、排他的ＯＲゲート６４への入力は、排他的ＯＲゲートが 信号をハイレベルに反転させてマイクロプロセッサ２２にセンサの故障を信号で 伝えるように設定される。一実施例においては、マイクロプロセッサ２２はまた 、電流源Ｉ₂、Ｉ₃を制御して、診断周期中にそれらをそれぞれ端子２と３に選択 的に接続する。 ラッチ６６は排他的ＯＲゲート６４の出力に接続されており、排他的ＯＲゲー ト６４の出力をラッチするのに用いられる。たとえば、開センサあるいは開セン サリードが、アナログ−デジタル変換器２８のサンプリング周期より短い周期中 に起こる瞬間的な「小事故または変動」（glitch）を起した場合、ゲート６４に よって与えら れるセンサ故障信号はラッチ６６内にラッチされ、マイクロプロセッサ２２に与 えられる。これがマイクロプロセッサ２２に、サンプリング周期中に開センサ状 態があったことを信号で伝えることになる。マイクロプロセッサ２２は、ラッチ ６６の出力をリセットするためのリセット信号をラッチ６６に与える。 図２は、図１Ａの実施例におけるマイクロプロセッサ２２の動作を示すフロー チャート１００である。マイクロプロセッサ２２の動作は、メモリ３０に記憶さ れた命令に従っている。マイクロプロセッサ２２は、フローチャートのブロック １０２でメモリ３０からＲ_REFNOMを呼び出す。ブロック１０４で、マイクロプロ セッサ２２はスイッチ６２を制御して、コンパレータ６０の非反転入力を基準電 圧Ｖ_REF1に接続する。次に、マイクロプロセッサ２２は高入力を排他的ＯＲゲー ト６４に与える。マイクロプロセッサ２２は、ブロック１０８で、マルチプレク サ２０を制御して、端子ブロック１４の端子２と３を差動増幅器２６の入力に接 続する。これによりＶ_RINPUTの測定が可能となる。ブロック１１０で、マイクロ プロセッサ２２はラッチ６６をリセットする。 ブロック１１２で、アナログ−デジタル変換器２８を用いて、Ｖ_RINPUTがマイ クロプロセッサによって測定される。Ｖ_RINPUTを得た後、ブロック１１４で、マ イクロプロセッサ２２はラッチ６６の出力を判定する。ラッチ６６のハイ出力は 、端子ブロック１４の端子２と３との間の圧力が、変換器２８によるアナログ− デジタル変 換中にＶ_REF1によって決定される予定の最大値を超えたことを示している。ラッ チ６６がハイ出力を与える場合、制御はブロック１１６に移り、そうでなければ 、制御はＶ_RREFの測定が始まるブロック１１８に移される。Ｖ_RREF2が、スイッ チ６２を用いて、マイクロプロセッサ２２によってコンパレータ６０に接続され る。ブロック１２０で、論理ローが排他的ＯＲゲート６４の入力に与えられる。 次に、ブロック１２２で、マイクロプロセッサ２２はマルチプレクサ２０を制 御して、抵抗器３８の両端における電圧であるＶ_REFを測定する。ブロック１２ ４で、ラッチ６６はマイクロプロセッサ２２によってリセットされ、マイクロプ ロセッサ２２はブロック１２６でアナログ−デジタル変換器２８からのＶ_REFを 読み取る。Ｖ_REFを読み取った後、マイクロプロセッサ２２はブロック１２８で ラッチ６６の出力を判定する。ラッチ出力がハイであれば、マイクロプロセッサ ２２はエラーが起ったと判定して、制御がブロック１１６に移される。エラーが なければ、式１に従ってＲ_INPUTが算出されるブロック１３０に制御が移る。 ブロック１３２では、メモリ３０に記憶されているアルゴリズムあるいはルッ クアップテーブルによって、Ｒ_INPUTが温度に変換され、その値がブロック１３ ４で送信される。送信後、制御はブロック１０２に戻ってプロセスが繰り返され る。また同様な方法で、Ｉ₂とＩ₃の電流を同じ様に利用して、リード２と３に関 する診断が周期的に行われる。典型的には、センサの全体的な更新が起こる度に 、す べてのリードが走査される。 ラッチ６６の出力がエラーの発生を示しているならば、制御はブロック１１８ に移る。ブロック１１８では、アナログ−デジタル変換器２８から得られた値が 捨てられる。ブロック１３６では、マイクロプロセッサ２２が、Ｉ／Ｏ回路２４ を用いてループ１１上に、エラーの発生を示す信号を送信する。制御はそれから 、ブロック１０２に戻り、プロセスが繰り返される。 制御室内のモニタは送信器１０の動作を監視して、送信器１０から送られるエ ラー信号を検出することができる。送信器１０がエラー信号を繰り返し送ってい るならば、制御室のモニタはこの情報を用いて、送信器１０で開センサ状態があ ることをオペレータに警報することができる。また、エラーが周期的にのみ生じ るのであれば、送信器１０内のセンサに差し迫った問題があるかもしれない旨を 、オペレータに知らせることもできる。間欠エラーもまた、連続的な警報を与え るために、マイクロプロセッサ内にラッチすることができる。 図１Ｂの実施例でのセンサ接続のゆるみ診断は、図１Ａについて上述したのと 同様に行なわれ、式２と３が温度を決定するのに用いられる。 本発明において記載された回路が適宜修正可能であることは、当業者であれば 理解できるであろう。たとえば、複数の回路を用いて、出力電圧があるしきい値 より高いか低いかを同時に検出することも できる。また、３つ以上の基準電圧を用いることも可能である。別の例では、マ イクロプロセッサが独立して電圧しきい値を選択できるように、デジタル−アナ ログ変換器を用いて基準電圧をマイクロプロセッサで制御することもできる。 本発明を、好ましい実施例に関して説明してきたが、本発明の趣旨と範囲を逸 脱することなく、形式や詳細を変更してもよいことは、当業者であれば理解され るであろう。たとえば、マルチプレクサと差動増幅器との間などの、任意の適切 な位置に比較回路を接続することも可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プロセス制御システムにおける温度送信器であって、 温度を感知して、感知された温度に関連するセンサ出力を与える温度センサと 、 センサ出力に接続されてセンサ出力に関連するデジタル出力を与えるＡ／Ｄ変 換器と、 前記デジタル出力に接続されてデジタル出力を補償し、処理して、温度出力を 与えるマイクロプロセッサと、 センサ出力を第１のしきい値と比較して、センサ出力が第１のしきい値の外に ある場合、抑止信号をマイクロプロセッサに与える比較回路とを具備した温度送 信器。 ２．センサ出力は、マルチプレクサを介して比較回路に個別に接続される複数 のセンサリードを有することを特徴とする請求項１に記載の温度送信器。 ３．比較回路はセンサ出力を第２のしきい値と比較して、センサ出力が第１と 第２のしきい値の外にある場合、抑止信号を与えることを特徴とする請求項１に 記載の温度送信器。 ４．第１と第２のしきい値に接続されたスイッチと、マイクロプロセッサから の制御信号に応じて、比較回路の入力に第１あるいは第２のしきい値を接続させ る比較回路への入力とを有することを特徴とする請求項２に記載の温度送信器。 ５．マイクロプロセッサは抑止信号に接続されており、抑止信号 は温度出力を抑止することを特徴とする請求項１に記載の温度送信器。 ６．比較回路の応答時間はＡ／Ｄ変換器の応答時間よりも速いことを特徴とす る請求項１に記載の温度送信器。 ７．比較回路は、抑止出力を選択的に反転させるための極性制御入力を有する ことを特徴とする請求項１に記載の温度送信器。 ８．極性制御入力はマイクロプロセッサに接続されていることを特徴とする請 求項１に記載の温度送信器。 ９．プロセス制御ループ上に温度出力を送信する２線プロセス制御ループに接 続された出力回路を有することを特徴とする請求項１に記載の温度送信器。 １０．センサはＲＴＤであることを特徴とする請求項１に記載の温度送信器。 １１．センサは熱電対であることを特徴とする請求項１に記載の温度送信器。 １２．マイクロプロセッサは抑止信号と接続され、それに応じて診断出力を与 えることを特徴とする請求項１に記載の温度送信器。 １３．プロセス制御システムにおけるプロセスの温度測定方法であって、 プロセスの温度に関連するセンサ出力を得る工程と、 センサ出力に関連するデジタル出力を与える工程と、 デジタル出力を補償して、プロセスの温度を示す補償された出力 を与える工程と、 第１のセンサ出力をしきい値と比較する工程と、 比較に基づいてエラー信号を与える工程とを具備する方法。 １４．エラー信号に応じて補償された出力を抑止する工程を含むことを特徴と する請求項１３に記載の方法。 １５．請求項１３に記載の方法であって、 センサ入力を第２のしきい値と比較する工程と、 第２のしきい値との比較に基づいて、エラー信号を与える工程とを具備するこ とを特徴とする方法。 １６．センサ入力を与えるセンサのタイプに基づいて、第１のしきい値を調整 する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。 １７．比較の工程はデジタル出力を与える工程より速いことを特徴とする請求 項１３に記載の方法。 １８．２線プロセス制御ループ上に補償された出力を送信する工程を具備する ことを特徴とすろ請求項１３に記載の方法。 １９．エラー信号の極性を選択的に反転させる工程を具備することを特徴とす る請求項１３に記載の方法。 ２０．センサ入力は複数のセンサリードを含み、該方法はそれぞれのセンサリ ードからのセンサ入力を個々にしきい値と比較する工程を具備することを特徴と する請求項１３に記載の方法。 ２１．エラー信号に応じて、診断出力を与える工程を具備するこ とを特徴とする請求項１３に記載の方法。