JP2011521270A

JP2011521270A - 多変量圧力トランスミッターの改善された温度補償

Info

Publication number: JP2011521270A
Application number: JP2011511779A
Authority: JP
Inventors: ファンドレー，マーク・シー; サンデット，ポール・シー
Original assignee: ローズマウントインコーポレイテッド
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2011-07-21
Also published as: EP2286197A1; US20090293625A1; CN102047089A; WO2009146323A1; EP2286197B1; CN102047089B; US8033175B2; RU2453931C1

Abstract

多変量プロセス流体圧力トランスミッター（１０）は電子機器モジュール（１８）及びセンサーモジュール（２２２）を含む。センサーモジュール（２２２）は電子機器モジュール（１８）に接続される。プロセス流体温度センサーはプロセス流体圧力トランスミッターに接続される。差圧センサー（２２８）はセンサーモジュール（２２）内に配置され、かつ複数のプロセス流体圧力入口に動作可能なように接続される。静圧センサー（２３０）は、また、センサーモジュール（２２２）内に配置され、かつプロセス流体圧力入口の少なくともひとつに動作可能なように接続される。第１温度センサー（２３２）はセンサーモジュール（２２２）内に配置され、かつ差圧センサー（２２８）の温度の指示値を与えるように構成される。第２温度センサー（２３４）はセンサーモジュール（２２２）内に配置され、かつ静圧センサー（２３０）の温度の指示値を与えるように構成される。測定回路（３２８）は差圧センサー（２２８）、静圧センサー（２３０）、及び第１（２３２）及び第２（２３４）温度センサーに動作可能なように接続される。プロセッサ（３２６）は測定回路（３２８）に接続され、かつ、差圧センサー（２３８）及び第１温度センサー（２３２）の測定に基づく補償された差圧出力を与えるように、及び静圧センサー（２３０）及び第２温度センサー（２３４）の測定に基づく補償された静圧出力を与えるように構成されている。

Description

工業的環境においては、工業的及び化学的プロセスなどの在庫を監視しかつ制御するために制御システムが用いられる。一般的に、プロセス制御ループで制御室内の制御回路に接続された工業的プロセスにおける主要な場所に配置されるフィールド機器を使用して、制御システムがこれらの機能を実行する。この「フィールド機器」という用語は、工業的プロセスの測定、制御、及び監視に用いられるディストリビューター制御又はプロセス監視システムにおいて機能を実行する任意の機器を指す。一般的に、フィールド機器は屋外で何年間という長期間作動しうるという特徴を有している。そのため、フィールド機器は過酷な気温の非常に厳しい値及び湿度の非常に厳しい値を含む様々な気候学的に非常に厳しい値のもとで作動することができる。加えて、フィールド機器は隣接した機械類からの振動のようなかなりな振動の存在下で機能することができる。さらに、フィールド機器は電磁干渉の存在下で作動することができる。

フィールド機器のひとつの例は、ミネソタ州ChanhassenにあるEmerson Process Management製の商品名Model 3051 Multivariable Transmitterとして売られているような、多変量プロセス流体圧力トランスミッターである。多変量プロセス流体圧力トランスミッターはプロセス流体の質量流量の計算と報告を含む様々な目的で使われる。多変量プロセス流体圧力トランスミッターは一般的にプロセス流体差圧センサーのほかに静圧センサーも備えている。プロセス流体がオリフィス板のような差圧発生器を通過する際にプロセス流体の差圧及び静圧の両方を測定することは、プロセス流体流量に関する重要な情報を与える。

多変量プロセス流体圧力トランスミッターの性能は、時には温度起因の誤差に影響をうける。これらの温度起因の誤差の原因は、センサー測定用電子機器、センサー給油系、及び圧力検知素子自体であり得る。多変量プロセス流体圧力トランスミッターの性能はセンサーモジュールの温度影響に関する出力を補償することによって大幅に改善される。この補償は一般的にセンサーモジュールの補正前の出力を特徴づけること及び、センサーモジュールの補正後の出力を得るための数学的曲線との適合を得ることによって達成される。一般的に、補正後の出力の補償を行うためには複合型の温度センサーを組み込んだセンサーモジュールを設計することが必要である。温度センサーはセンサーモジュールの電子機器と交信し、かつセンサー温度として知られる出力を上述電子機器に与える。この温度センサーの測定値はセンサーモジュールの電子機器によってセンサーモジュール出力を補償するために用いられる。

多変量プロセス流体圧力トランスミッターに改善された温度補償能力を与えることにより、これらの機器の精度がより一層向上する。精度は極めて重要なので、精度の向上はプロセス流体測定の技術に役立つ。

多変量プロセス流体圧力トランスミッターは電子機器モジュール及びセンサーモジュールを含む。センサーモジュールは電子機器モジュールに接続されている。プロセス流体温度センサーはプロセス流体圧力トランスミッターに接続されている。差圧センサーはセンサーモジュール内に配置されており、かつ複数のプロセス流体圧力入口に動作可能なように接続されている。静圧センサーもセンサーモジュール内に配置されており、かつ少なくともひとつの流体圧力入口に動作可能なように接続されている。第１温度センサーはセンサーモジュール内に配置されており、かつ差圧センサーの温度の指示値を与えるように構成されている。第２温度センサーはセンサーモジュール内に配置されており、かつ静圧センサーの温度の指示値を与えるように構成されている。測定回路は差圧センサー、静圧センサー、及び第１及び第２温度センサーに動作可能なように接続されている。プロセッサが測定回路に接続されており、かつ差圧センサー及び第１温度センサーの測定に基づく補償された差圧出力を与えるように、及び静圧センサー及び第２温度センサーの測定に基づく補償された静圧出力を与えるように構成されている。

特に有用な本発明の実施形態によるプロセス流体圧力トランスミッターの外観図である。従来技術によるプロセス流体圧力トランスミッターのセンサーモジュールの断面図である。本発明の実施形態によるプロセス流体圧力トランスミッターのセンサーモジュールの断面図である。本発明の実施形態による多変量プロセス流体圧力トランスミッターのブロック図である。本発明の実施形態による多数のプロセス流体変数を測定する方法のフロー図である。

図１は特に有用な本発明の実施形態によるプロセス流体圧力トランスミッターを示したものである。トランスミッター１０は接続金具又はフランジ１４を通して管１２に接続される。管１２は気体又は液体のどちらかである流体の流れを矢印１６の示す方向へ通す。

多変量プロセス流体圧力トランスミッター１０は、多変量プロセス流体圧力トランスミッター１０を集合的に収納する電子機器モジュール１８及びセンサーモジュール２２を含む。電子機器モジュール１８は、また、好ましくは測温抵抗体（ＲＴＤ）からの入力を受け取るプロセス流体温度センサー入力２０を含み、そのＲＴＤは好ましくは１００オームＲＴＤで、プロセス流体温度を測定するために、一般的に管にか、又は管１２に挿入されるサーモウエルに直接に挿入される。ＲＴＤからの配線はセンサーハウジング２４内の端子台の一方の側に接続される。電線管２６の中を通り、かつ入力２０を通ってトランスミッター１０に接続される配線は、端子台の他方の側に接続される。

センサーモジュール２２は差圧センサー及び絶対圧力センサーを含む。差圧センサー及び絶対圧力センサーは、調整及びデジタル化回路に、かつ線形化及び補償回路に圧力信号を与える。補償され、線形化され、かつデジタル化された信号は電子機器モジュール１８に与えられる。トランスミッター１０内の電子機器モジュール１８は、管１２の中を通って流れるプロセス流体のプロセス状態を示す出力信号を、フレキシブル電線管２８を通して、好ましくはツイストペアの導体を用いて形成された４−２０ｍＡ２線式ループでリモート位置に与える。ある場合には、トランスミッター１０は多数のプロセス変数（温度、静圧、及び差圧）を示す信号を、ＨＡＲＴ（商標）又はＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバス規格に従って与えることができる。さらに、多変量プロセス流体圧力トランスミッター１０は、また、プロセス流体流量自体を示す出力信号を与えることができる。

図２は従来技術によるセンサーモジュールの線図である。センサーモジュール１２２は電子機器モジュール１８のような電子機器モジュールに接続するための１２４への電気的コネクタを含む。さらに、センサーモジュール１２２は、また、センサーモジュール１２２を電子機器モジュールに機械的に接続する外部ねじ山１２６を含む。センサーモジュール１２２は差圧センサー１２８及び静圧センサー１３０を含む。差圧センサー１２８は一対の流体圧力入口（示されていない）に、それらの入口の間の差圧を検知するために、動作可能なように接続されている。一般的に、差圧センサー１２８は、各々の個別のプロセス流体圧力が動作可能なように接続される一対のチャンバーを密封するように仕切るたわみ可能な隔壁を含むことができる。差圧は隔壁を一方向又は他方向にたわませる結果となり、その隔壁のたわみは一般的に差圧センサーのキャパシタンスの変化として検知される。しかしながら、また、隔壁のたわみを検知するための他の技術も用いることができる。センサー静圧１３０は、プロセス流体圧力のひとつに動作可能なように接続され、かつ当該プロセス流体の静圧の電気的な指示値を与える。

プロセス流体の差圧及び静圧を測定する多変量プロセス流体圧力トランスミッターは、図２に示されるように、センサーモジュール１２２内にしばしば２つの圧力センサーを含む。センサーモジュール１２２内の圧力センサー１２８及び１３０の各々は、各々個別にそれ自体の温度起因の誤差を有する。従来技術においては、参照番号１３２に示されるように、定常状態の温度のもとでは、差圧及び静圧センサーのそれぞれ１２８、１３０の両方の温度の正確な測定値を与えることができる単一の温度センサーが一般的に設置されている。しかしながら、過渡的な温度状況が存在し、かつ、また、プロセス流体の温度がセンサーモジュール１２２の周囲の温度から明確に逸脱するときには、差圧及び静圧センサー１２８、１３０の間に温度勾配が発生し得る。このことがおこると、センサー１３２で検知する温度はもはやセンサー１２８、１３０の両方の温度を正確には反映しない。従って、このセンサーのひとつ又は両方の出力において温度起因の誤差が存在しうる。

図３は本発明の実施形態による多変量プロセス流体圧力センサーモジュール２２２の断面線図である。従来の設計と同様に、センサーモジュール２２２は差圧センサー２２８のほかに静圧センサー２３０の両方を含む。しかしながら、従来の設計とは異なり、センサーモジュール２２２内の各々の圧力センサーは、それらに直接に接続された温度センサーを有する。差圧センサー２２８は、それらに直接に接続された温度センサー２３２を有する。同様に静圧センサー２３０は、それらに直接に接続された温度センサー２３４を有する。温度センサー２３２、２３４は、熱電対、測温抵抗体（ＲＴＤ）、サーミスター又は他の適切な機器を含む任意の適切な温度センサーであり得る。２つの温度センサー２３２、２３４を利用すると、過渡的な最終プロセスの勾配のある状況下での温度起因の誤差が減少する。従来の設計では各々の圧力センサーの出力を測定されたセンサーモジュール温度の関数とみなしているが、好ましくは、本発明の実施形態は各々個別の温度センサーの測定値を各々個別の圧力センサーについて同様の補償計算に単純に適用するだけで実施できる。従って、計算は単純に２回、すなわち各々の温度センサー測定で各々の圧力センサーごとに１回、実施されるということを別にすれば、計算の難易度は従来の設計のものと同じである。本発明の実施形態を、各々の圧力センサー上の１個の温度センサーに関して記載してきたが、実施形態は、圧力センサー温度をより正確に測定するために、複数個のこのような温度センサーを１個か又は両方の圧力センサー上に設置することにより実施することができる。さらに、センサーモジュール２２２内に配置された任意の電子機器に関して温度起因の影響を測定及び／又は補償することができる場合には、本発明の実施形態は、また、電子機器の温度を測定するために単純にセンサーモジュール２２２内に温度センサーを増設することにより実施することができる。さらに、図３に示される実施形態は、補償のために取得される直接の温度センサー測定を示すものの、本発明の実施形態は、例えば歪みゲージセンサーの抵抗ブリッジを用いるような、温度センサーからの間接測定を用いて実施することができる。

図４は、本発明の実施形態が特に適用できる、多変量プロセス流体圧力トランスミッター３１２のブロック図である。トランスミッター３１２はプロセス通信ループ２８に動作可能なように接続できる通信回路３２０を含む。通信回路３２０は、上述のＨＡＲＴ（商標）プロトコル、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバスプロトコル、又は任意の適切なプロセス工業通信プロトコルのような、適切なプロセス工業通信プロトコルに従って、機器３１２を通信させることができる。トランスミッター３１２は、また、プロセス通信ループ２８に好ましくは動作可能なように接続できる電力モジュール３２４を含む。プロセス通信ループ２８に接続することによって、機器３１２は、このプロセス通信ループを通して受け取る電力だけで作動することができる。しかしながら、ある実施形態においては、電力モジュール３２４は電池又はスーパーコンデンサのような電力保存機器でありえて、かつそのような実施形態においては、電力モジュール３２４はプロセス通信ループ２８に接続される必要がない。電力モジュール３２４は、「全部へ」と表示された矢印で示されるように、トランスミッター３１２の全ての構成要素に適切な電力を与えるように構成されている。

トランスミッター３１２は、また、同じく好ましくは、通信回路３２０及び電力モジュール３２４に動作可能なように接続される好ましくはマイクロプロセッサであるプロセッサ３２６を含む。マイクロプロセッサ３２６は、測定回路３２８からの測定値を取得するためにメモリに保存された命令を実行し、かつそれらの測定値に基づく情報を計算する。例えば、プロセッサ３２６は好ましくは、プロセス流体静圧（ＳＰ）、プロセス流体差圧（ＤＰ）、及びプロセス流体温度Ｔに関する測定値を取得し、かつプロセス流体の流量パラメーターを与えるか又はそうでなければ計算することができる。さらに、測定回路３２８は、また、第１温度センサーＴ_１及び第２温度センサーＴ_２に接続されている。図３に示すように、温度センサーＴ_１及びＴ_２の各々は静圧センサー２３０及び差圧センサー２２８にそれぞれ熱的に接続されている。従って、静圧センサー測定値の補償は、任意の適切な技術を用いて、静圧センサー２３０上で測定された温度に関連して行われ得る。同様に、差圧センサー測定値は、差圧センサー２３２の温度の直接測定に基づいて補償することができる。

図５は、本発明の実施形態に従っていくつかのプロセス流体変数を取得する方法のフロー図である。方法４００はプロセス流体の差圧が測定されるブロック４０２から始まる。好ましくは、この差圧測定値は図３に示されるように差圧センサーから取得される。差圧が測定された時点で、差圧センサーの温度がブロック４０４で示されるように測定される。次に、ブロック４０６で示されるように、測定された温度で差圧測定値を補償するように、測定された温度が用いられる。この補償は、同様の数学的手法を用いる従来技術の補償の形をとり得るが、主要な差異は、測定された温度とその温度が対応する圧力センサーの直接の相関となることである。この補償が完了した時点で、制御は、プロセス流体の静圧が測定されるブロック４０８に最終的に移動するブロック４０２に返る。同様に、プロセス流体の静圧が測定された時点で、制御はプロセス流体静圧センサーの温度が測定されるブロック４１０に移動する。この測定が完了した時点で、制御は測定された温度に基づく静圧の補償が与えられるブロック４１２に移動する。この補償が完了した時点で、制御はブロック４０８に返り及び最終的にはプロセス流体温度が測定されるブロック４１４に行く。このプロセス流体温度は、図１の参照番号２４に示されるようなプロセス温度センサーを用いて測定される。補償された差圧及び静圧がプロセス流体温度とともに取得された時点で、パラメーターは、ブロック４１６に示されるように、プロセス通信ループ２８のようなプロセス通信ループを通じて報告される。選択的に、プロセス流体の体積流量及び／又は質量流量のような高次計算値を算出し、かつプロセス通信ループを通じて選択的に報告することが可能である。

本発明を好ましい実施形態に関して記載してきたが、当業者は、形式及び詳細において、本発明の精神と範囲から逸脱することなく変更を加えることができることを認識できるであろう。

Claims

電子機器モジュール、
電子機器モジュールに接続されたセンサーモジュール、
センサーモジュール内に配置されかつ複数のプロセス流体圧力の入口に動作可能なように接続された差圧センサー、
センサーモジュール内に配置されかつ少なくともひとつのプロセス流体圧力の入口に動作可能なように接続された静圧センサー、
センサーモジュール内に配置されかつ差圧センサーの温度の指示値を与えるように構成された第１温度センサー、
センサーモジュール内に配置されかつ静圧センサーの温度の指示値を与えるように構成された第２温度センサー、
差圧センサー、静圧センサー、及び第１及び第２温度センサーに動作可能なように接続された測定回路、
測定回路に接続され、かつ差圧センサー及び第１温度センサーの測定に基づく補償された差圧出力を与えるように構成され、かつ静圧センサー及び第２温度センサーの測定に基づく補償された静圧出力を与えるように構成されるプロセッサ、
を含む多変量プロセス流体圧力トランスミッター。
測定回路に接続されたプロセス流体温度センサーをさらに含む請求項１に記載のトランスミッター。
プロセッサが補償された差圧、補償された静圧及びプロセス流体温度に基づくプロセス流体流量の指示値を与えるように構成された、請求項２に記載のトランスミッター。
第１温度センサーが測温抵抗体である、請求項１に記載のトランスミッター。
第１温度センサーが熱伝対である、請求項１に記載のトランスミッター。
第２温度センサーが測温抵抗体である、請求項１に記載のトランスミッター。
第２温度センサーが熱伝対である、請求項１に記載のトランスミッター。
電子機器モジュール内に配置された通信回路を含み、かつプロセス通信ループを通じてプロセス流体情報を通信するように構成される、請求項１に記載のトランスミッター。
トランスミッターが全てプロセス通信ループによって電力を得る、請求項８に記載のトランスミッター。
差圧センサーを用いてプロセス流体の差圧を測定すること、
差圧センサーの温度を測定すること、
測定された差圧センサーの温度に基づき測定された差圧の補償を行うこと、
静圧センサーを用いてプロセス流体の静圧を測定すること、
静圧センサーの温度を測定すること、
測定された静圧センサーの温度に基づき測定された静圧の補償を行うこと、及び
少なくとも補償された差圧及び補償された静圧に基づき出力を与えること、
を含むプロセス流体パラメーターを測定する方法。
プロセス流体の温度を測定することを含む、請求項１０に記載の方法。
出力が補償された差圧、補償された静圧、及び測定されたプロセス流体温度に基づく、請求項１１に記載の方法。
出力がプロセス流体流量出力である、請求項１２に記載の方法。
測定された差圧の補償が、測定された差圧センサーの温度の関数となる数学的曲線との適合を利用することを含む、請求項１０に記載の方法。
測定された静圧の補償が、測定された静圧センサーの温度の関数となる数学的曲線との適合を利用することを含む、請求項１０に記載の方法。