JP4788260B2

JP4788260B2 - 多変量伝送器

Info

Publication number: JP4788260B2
Application number: JP2005270525A
Authority: JP
Inventors: 哲武藤; 桂太明石
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2006309693A

Description

本発明は、プロセスの複数の物理量に対応する複数のセンサ信号を入力しこれ等のセンサ信号を演算処理手段で演算し、この演算処理手段の演算出力を外部に電流出力として発信する多変量伝送器に係り、特に複数の物理量を安価に測定して外部に伝送することができるようにした多変量伝送器に関する。

図４は従来の多変量伝送器の構成を示すブロック図である。この場合は、プロセス制御のフイールド機器として使用される汎用の差圧伝送器を用いた質量流量計の構成として示している。

この質量流量計では、直接的な測定対象の物理量である差圧を差圧センサで測定すると共に質量流量演算のための物理量である圧力及び温度を、圧力センサ及び温度センサで測定し、３個の変量による演算処理によって目的の物理量である質量流量を間接的に測定している。

以下、３個の変量を用いる多変量伝送器としての質量流量計について図４を用いて具体的に説明する。差圧センサ１、圧力センサ２及び温度センサ３の測定信号はそれぞれＡ／Ｄコンバータ４，５，及び６でデジタル値ｅｄ、ｅｐ及びｅｔに変換されてマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）で構成された演算処理手段７に入力される。

演算処理手段７は、各センサより入力されたデジタル値ｅｄ、ｅｐ及びｅｔをメモリ８に格納し、これ等を用いて質量流量の演算をしてデジタル値の質量流量信号ｅｑを出力する。

デジタル値の質量流量信号ｅｑはＤ／Ａコンバータ９でアナログの電圧値に変換されて出力手段１０に出力される。Ｄ／Ａコンバータ９はこの電圧値を出力手段１０を介して４−２０ｍＡ等の電流出力Ｉに変換し、受信計器１１と直流電源１２との直列回路に供給する。

なお、この場合は、差圧、圧力、温度の各変量を差圧伝送器に入力して、間接的に質量流量を演算して１つにまとめて出力したが、特定の差圧伝送器では、差圧値と圧力値が出力可能になっており、実際には、差圧値と圧力値のどちらかを切り替えて変量毎に出力することが可能となっている。

従来技術としては、下記の特許文献１には、プロセスの複数の物理量に対応する複数のセンサ信号を入力しこれ等のセンサ信号を演算処理手段で演算し、この演算処理手段の演算出力を外部に電流出力として発信する多変量伝送器が記載されている。

特開２００４−８５２８８号公報

しかし、このような多変量伝送器は、４−２０ｍＡ等の電流出力において同時に出力できる変量は１つだけである。他変量を出力させるにはフィールドバスなどのデジタル出力とするしかなく、受信計器を含むシステム全体の変更が必要となり、多大なコストを必要とする課題がある。

本発明の目的は、４−２０ｍＡ等の従来の電流出力の伝送システムを維持しながら、安価なコストで多変量を測定して伝送することを可能とする多変量伝送器を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）プロセスの複数の物理量に対応する複数のセンサ信号を入力しこれ等のセンサ信号を演算処理手段で演算し、前記演算処理手段の演算出力を外部に電流出力として発信する多変量伝送器において、
複数の前記演算出力を順次切り替えて出力するマルチプレクサを具備し、
前記演算処理手段は、複数の前記センサ信号を切り替えて周期的に出力すると共に、この周期を単位としてパルス発生部に対してタイミングパルスを発生させ、前記タイミングパルスに対応するとともに前記各センサ信号に対応する前記電流出力の出力領域の範囲外の電流値に立ち下がる又は立ち上がる電流パルスを前記電流出力に含めて出力できるようにしたことを特徴とすることを特徴とする多変量伝送器。

従来は多変量伝送器において多変量測定を行う場合には、フィールドバスなどによるデジタル出力に頼るしかなかったが、本発明では従来の電流伝送システムでも周期的（サイクリック）に各変量を出力することにより、安価な多変量測定が実現できるメリットがある。

また、工場やプラントにおいて既成の電流伝送（４−２０ｍＡ）計装システムを用いても、周期的（サイクリック）出力機能を持つ本発明の多変量伝送器の設置と、受信計器の変更又はグレードアップを行う程度で、多変量測定が可能となり、コストメリットが高い効果がある。

以下本発明について図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る多変量伝送器の１実施例を示す構成図である。図１において、差圧センサ２１、静圧センサ２２及び温度センサ２３の測定信号Ｓｄ、Ｓｐ又はＳｔはそれぞれ演算処理手段２４に入力される。

演算処理手段２４は、各センサより入力された測定信号Ｓｄ、Ｓｐ又はＳｔに対して、それぞれ後述の電流出力Ｉｏの出力範囲に合わせて各々所定のプログラムに従って周期的（サイクリック）に、メモリ２５を用いながらスパン調整、オフセット調整等の演算を実行して測定信号Ｓｄ、Ｓｐ又はＳｔに対応する演算出力Ａｄ、Ａｐ及びＡｔをマルチプレクサ２６に出力する。

また、演算処理手段２４は、パルス発生部２７に対して、タイミングパルスＴＰを出力してパルス発生部２７からマルチプレクサ２６に対して後述の受信計器２７との同期をとるための同期信号ＳＳを出力させる。

マルチプレクサ２６は、演算出力Ａｄ、Ａｐ及びＡｔと共に同期信号ＳＳをＤ／Ａコンバータ２８に出力する。Ｄ／Ａコンバータ２８は、これらをアナログ信号に変換し、出力手段２９に出力する。

出力手段２９は、演算出力Ａｄ、Ａｐ及びＡｔに対応する差圧信号、静圧信号、温度信号、及び同期信号ＳＳに関連する同期パルスＳＰに対応してこれらを４−２０ｍＡ等の電流出力Ｉｏに変換し、受信計器２７と直流電源３０との直列回路に供給する。

ここで、演算処理手段２４、マルチプレクサ２６、及びパルス発生部２７等は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１に内蔵され、ＣＰＵ３１、Ｄ／Ａコンバータ２８、メモリ２５、及び出力手段２９等で、多変量伝送器としての差圧伝送器３２を構成している。

なお、マルチプレクサ２６、及びパルス発生部２７等をＣＰＵ３１に内蔵させると、部品点数の削減、コスト削減などでメリットがあるが、これら機能を持てばこれらは必ずしもＣＰＵ３１に内蔵させなくても良い。

次に、図２を用いて図１に示す多変量伝送器としての差圧伝送器３２の動作について説明する。図２（Ａ）は横軸に時間（ｍｉｎ）を、縦軸に差圧（％）、静圧（％）、温度（℃）をとって、時間の経過に対して差圧、静圧、温度が変化する１例を示している。

図２（Ｂ）は、横軸に時間を、左縦軸に差圧（％）、静圧（％）、温度（℃）を、右縦軸に４−２０ｍＡの電流出力Ｉｏをとって、時間の経過に従って差圧、静圧、温度を切り替えて出力される電流出力Ｉｏを例示したものである。

更に、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）における測定開始（０分）後、２０分〜３０分の間だけ、差圧、静圧、温度を切り替えた場合の様子を例示したものである。この場合は、４−２０ｍＡの電流出力Ｉｏを２０秒毎に差圧（ＤＰ）、静圧（ＳＰ）、温度（Ｔ）と切り替えている。

ここでは、３つの変量を２０秒毎に切り替えているので、各変量は１分毎の変化（２１，２２，...,３０）を測定していることになる。つまり、１分間で差圧、静圧及び温度を測定しながらこれらを１つの周期として、これを繰り返して出力していることになる。

次に、このように周期的に出力される信号を各変量毎に振り分けて電流出力として発信する構成を説明する。

第１に、各変量の出力レンジが重ならないように設定する構成とする場合である。即ち、電流出力Ｉｏ（４−２０ｍＡ）の出力領域を分割して、例えば差圧は４ｍＡ〜１０ｍＡ、静圧は１０ｍＡ〜１５ｍＡ、温度は１５ｍＡ〜２０ｍＡ等と範囲を決めておき、電流出力Ｉｏが１２ｍＡであれば静圧のデータを示し、その静圧は（１２ｍＡ−１０ｍＡ）／（１５ｍＡ−１０ｍＡ）＝４０％の静圧であると判断する。

つまり、具体的には、このようになるように予め差圧センサ２１、静圧センサ２２、及び温度センサ２３の各センサ出力に対応してそれぞれ演算処理手段２４でオフセット調整、スパン調整しておく構成である。

このようにすることによって受信計器２７において各変量に振り分けをすることができる。この場合に、温度の精度が低くて良い場合は、温度の出力範囲は小さく設定し、差圧の出力範囲を広く設定する等、ユーザのニーズに合わせて調整する。

第２に、差圧伝送器３２と受信計器２７の周期を一致させる構成にする場合である。演算処理手段２４はパルス発生部２８に対して所定周期でタイミングパルスＴＰを発生させ、このタイミングパルスＴＰに関連する同期パルスＳＰに対応する電流パルスＩｐを電流出力Ｉｏ（４−２０ｍＡ）に含めて出力できるようにして、受信計器２７はこの電流パルスＩｐを基準として周期を一致させる構成である。

この場合の電流パルスＩｐは一定時間毎に１回という設定を行い、定期的に周期を一致させる。図２の場合は、例えば測定開始（０分）で電流パルスＩｐを入れ、この後一定時間毎に電流パルスＩｐを入れて電流出力Ｉｏを発信することにより、受信計器２７ではこの電流パルスＩｐを受信した後の時間経過を基準にして各変量を振り分ける。

この電流パルスＩｐは、例えば、４ｍＡ以下、若しくは２０ｍＡ以上としておき、受信計器２７側では電流パルスを４ｍＡ以下にした場合は最初の立下がりで、２０ｍＡ以上とした場合は最初の立ち上がりで、トリガをかける。これは、電流パルスＩｐの次の変量がエラー出力などで、４−２０ｍＡ以外の出力をする場合があるからである。

受信計器２７側は、この電流パルスＩｐさえ正しく認識できれば、各変量の振り分けは、電流パルスを受信後の時間経過を基準にして行うことができる。

第３に、演算処理手段２４は、複数のセンサ信号を切り替えて周期的に出力すると共に、この周期を単位としてパルス発生部に対してタイミングパルスＴＰを発生させ、タイミングパルスＴＰに関連する同期パルスＳＰに対応する電流パルスＩｐを電流出力Ｉｏ（４−２０ｍＡ）に含めて出力する構成である。

これは、第２の場合のように、所定周期毎に単に電流パルスＩｐを発信するのではなく、差圧、静圧、温度を１つの単位として、この単位毎に毎回電流パルスＩｐがはいる構成である。つまり、電流パルスＩｐ→差圧→静圧→温度→電流パルスＩｐ......と切り替える。

差圧伝送器３２と受信計器２７の周期は器差によって徐々にずれていくので、第２の場合は時間の経過と共に周期が一致しなくなる可能性あるが、第３の場合は毎回電流パルスＩｐを入れるので、周期がずれることはないというメリットがある。

但し、電流パルスＩｐは、各変量の測定に対しては、無駄な時間となる。例えば、電流パルスＩｐが２秒間として、各変量を２秒間出力すれば、３変量測定時の１サイクルは８秒となる。電流パルスＩｐが毎回入らなければ１サイクルは６秒となるので、周期を早くすることができる。これら第２、第３の構成は、どちらの方が良いということはなく、使用方法、ニーズによって選択することになる。

また、上述の実施例において、例えば、質量流量を計算する場合には、それぞれの測定変量を同時に測定する必要がある。具体的には、多変量切り替え型の伝送器においては、差圧、静圧、温度の順に切り替えて出力すると、それぞれの変量の測定のタイミングが異なる。よって、変量の切り替え出力の間に測定流量が変化した場合、各変量から流量を計算しても正しい質量流量を得ることができない。

したがって、このような場合では、ある同一時刻（ある周期毎）に、全変量を測定して、演算処理を実行し、一旦メモリ（記憶手段）に格納させた後、時間差で出力する構成（図示せず）を追加して備えるようにする。

このような構成によれば、上述の作用効果と共に、正しい質量流量を得ることができる。例えば、各変量の測定（出力）を２秒間に設定する。そして、まず、最初の変量（差圧）が２秒間出力されている間に、他の変量（静圧及び温度）をメモリに格納する。次に、２番目の変量（静圧）をメモリから２秒間出力する。最後に、３番目の変量（温度）をメモリから２秒間出力する。即ち、この方法の場合、３つの変量を６秒間毎に同時に２秒間出力したことになる。

さらに、上述の実施例とは別に、各変量の出力時間及び測定周期等がユーザから任意に設定可能とされ、また、メモリに格納されない方式であるリアルタイムの各変量の測定を所定の設定で切り替え可能とする構成とする。このような構成では、上述の作用効果と共に、測定の自由度が広がる。

以下に図３に基づいて本発明を詳細に説明する。図３は、本発明の一実施例（図１の実施例）の動作を示すタイミングチャートである。

図３の実施例の特徴は、複数のセンサ信号の情報を同時に格納するメモリ２５と、メモリ２５に格納された情報を順次切り替えて出力するマルチプレクサ２６とにある。

メモリ２５は、例えば、演算出力手段２４の演算出力、即ち、差圧センサ２１に係る演算出力Ｍｄと静圧センサに係る演算出力Ｍｓと温度センサに係る演算出力Ｍｔとを、同時に格納する。

さらに、マルチプレクサ２６は、例えば、まず、メモリ２５に格納された差圧センサ２１に係る情報Ｏｄを出力し、次に、メモリ２５に格納された静圧センサに係る情報Ｏｓを出力し、最後に、メモリ２５に格納された温度センサに係る情報Ｏｔを出力する。

具体的には、マルチプレクサ２６は、まず、差圧センサ２１に係る情報Ｏｄを２秒間出力し、次に、静圧センサに係る情報Ｏｓを２秒間出力し、最後に、温度センサに係る情報Ｏｔを２秒間出力する。こうして、マルチプレクサ２６は、３つの変量を６秒間毎に繰返し出力する。

以上のことにより、図３に係る実施例は、各変量の測定のタイミングが同時となり、正確な質量流量を簡便に得ることができる。

また、上述の実施例とは別の実施例を説明する。

メモリ２５は、例えば、差圧センサ２１からの情報と静圧センサ２２からの情報と温度センサ２３からの情報とを、同時に格納する。

さらに、マルチプレクサ２６は、例えば、まず、メモリ２５に格納された差圧センサ２１に係る情報に基づく演算処理手段２４の演算出力Ｏｄを出力し、次に、メモリ２５に格納された静圧センサに係る情報に基づく演算処理手段２４の演算出力Ｏｓを出力し、最後に、メモリ２５に格納された温度センサに係る情報に基づく演算処理手段２４の演算出力Ｏｔを出力する。

具体的には、マルチプレクサ２６は、まず、差圧センサ２１に係る情報に基づく演算処理手段２４の演算出力Ｏｄを２秒間出力し、次に、静圧センサに係る情報に基づく演算処理手段２４の演算出力Ｏｓを２秒間出力し、最後に、温度センサに係る情報に基づく演算処理手段２４の演算出力Ｏｔを２秒間出力する。こうして、マルチプレクサ２６は、３つの変量を６秒間毎に繰返し出力する。

以上のことにより、この場合も実質的に同等の構成となり、正確な質量流量を簡便に得ることができる。

以上のように、本発明は、上述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲でさらに多くの変更及び変形を含むものである。

本発明の一実施例を示す構成図である。本発明の一実施例の動作を説明するための説明図である。本発明の一実施例の動作を示すタイミングチャートである。従来の多変量伝送器の構成を示す構成図である。

符号の説明

１、２１差圧センサ
２圧力センサ
２２静圧センサ
３、２３温度センサ
４、５、６Ａ／Ｄコンバータ
７、２４演算処理手段
８、２５メモリ
９、２８Ｄ／Ａコンバータ
１０、２９出力手段
１１、２７受信計器
１２、３０直流電源
２６マルチプレクサ
２８パルス発生部
３１ＣＰＵ
３２差圧伝送器
ＴＰタイミングパルス
ＳＳ同期信号

Claims

プロセスの複数の物理量に対応する複数のセンサ信号を入力しこれ等のセンサ信号を演算処理手段で演算し、前記演算処理手段の演算出力を外部に電流出力として発信する多変量伝送器において、
複数の前記演算出力を順次切り替えて出力するマルチプレクサを具備し、
前記演算処理手段は、複数の前記センサ信号を切り替えて周期的に出力すると共に、この周期を単位としてパルス発生部に対してタイミングパルスを発生させ、前記タイミングパルスに対応するとともに前記各センサ信号に対応する前記電流出力の出力領域の範囲外の電流値に立ち下がる又は立ち上がる電流パルスを前記電流出力に含めて出力できるようにしたことを特徴とする多変量伝送器。