JP4895177B2 - Vibrating transducer - Google Patents
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Description
本発明は、プラントの配管に設置されて配管内の圧力或いは配管に設置されたオリフィスプレートで生じる差圧を固有周波数の変化により測定する振動式トランスデューサに係り、特に配管に生じるキャビテーションなどの水撃圧の検知/診断機能を備えた振動式トランスデューサに関する。 The present invention relates to a vibration transducer that is installed in a plant pipe and measures a pressure in the pipe or a differential pressure generated in an orifice plate installed in the pipe by a change in natural frequency, and in particular, water hammer such as cavitation generated in the pipe. The present invention relates to a vibratory transducer having a pressure detection / diagnosis function.
図7はプラントにおける一般的な配管例を示す。図7において、配管10にはポンプ11,12、バルブ13、圧力伝送器14,オリフィスプレート15及びそれを用いて流量測定を行う差圧伝送器16等が接続されている。
FIG. 7 shows an example of general piping in a plant. In FIG. 7,
これらの圧力伝送器14及び差圧伝送器16からは、圧力或いは差圧が4−20mAの電流信号S1またはフィールドバスなどにデジタル信号S2に変換されて出力され、これらの信号S1またはS2は図示しないホストコンピュータ等で信号処理がなされる。
From these pressure transmitter 14 and
なお、これらの圧力伝送器14及び差圧伝送器16は、例えば、シリコン内の真空室に配置された振動梁の固有周波数が差圧/圧力により変化するのを利用して差圧/圧力を測定する振動式トランスデューサで構成されている。
Note that these pressure transmitter 14 and
ところで、配管10では、配管10に流れる流体の条件や接続された装置によりウオータハンマーやキャビテーションなどにより水撃圧が生じることがある。このキャビテーションは配管10内の流体の圧力が局所的に飽和蒸気圧より低くなったときに、短時間に気泡が生じる現象である。この気泡が消滅する際に衝撃圧が発生する。その大きさは局所的にGpaのオーダーに達することもある。
By the way, in the
キャビテーションによる気泡の生成消滅の繰り返しで発生する水撃圧の振動は、配管の振動や、騒音だけでなく、ポンプや配管の疲労・損傷を引き起こすことがある。エロージョン(腐食)によるバルブや管壁の損傷もこれによるものである。 The vibration of water hammer pressure generated by repeated generation and disappearance of bubbles due to cavitation may cause not only vibration and noise of piping but also fatigue and damage of pumps and piping. This also causes damage to valves and pipe walls due to erosion (corrosion).
しかし、キャビテーションの発生は、プラントの運転条件、配管条件、流体の性質など様々な要因に依存しているため、その予知は容易ではない。このため、プラント運転中におけるキャビテーションの検知については重要度が高く、いくつかの手法が提案されている。 However, since the occurrence of cavitation depends on various factors such as plant operating conditions, piping conditions, and fluid properties, it is not easy to predict them. For this reason, the importance of detecting cavitation during plant operation is high, and several methods have been proposed.
第1の手法(作業員による測定)は、作業員によるプラントの巡回、マイクロフォンによる測定により、キャビテーション時に発生する騒音を検知する。
第2の手法(機器による測定)は、加速度センサなどによる配管が受ける衝撃を検知する。
第3の手法(特性変化による推定)は、ポンプや制御ループの特性変化の監視から、キャビテーションを推定する。
In the first method (measurement by workers), noise generated during cavitation is detected by patrol of the plant by workers and measurement by a microphone.
The second method (measurement by equipment) detects an impact received by the pipe by an acceleration sensor or the like.
The third method (estimation by characteristic change) estimates cavitation from monitoring characteristic changes of the pump and control loop.
なお、下記の特許文献1の第1図には、従来の振動式トランスデューサの構成が開示されている。
また、下記の特許文献2には、配管内にキャビテーションが存在するか否かを判断するために利用される監視システムが開示されている。
Note that FIG. 1 of
しかし、このようなキャビテーションの検知手法には、次のような課題があった。先ず、作業員による測定、或いは機器による測定手法では、実際のプラントの運転では無数のノイズ源が存在し、検出が困難な場合がある。またプラント内には爆発性雰囲気など人の巡回が困難であり、電源供給が制限されているため、複雑な装置を持ち込めない場所が数多く存在するという課題があった。 However, such cavitation detection methods have the following problems. First, in the measurement by the worker or the measurement method by the equipment, there are innumerable noise sources in the actual operation of the plant, which may be difficult to detect. In addition, there is a problem that there are many places where complicated devices cannot be brought into the plant because it is difficult for people to visit such as an explosive atmosphere and power supply is limited.
次に、特性変化による推定手法では、直接的ではなく、特性測定する期間が必要である。また、ポンプその他制御ループを複数の機器の状態から判定するため、複雑なシステムが必要になるという課題もあった。 Next, the estimation method based on characteristic changes is not direct, but requires a period for measuring characteristics. Moreover, in order to determine a pump and other control loops from the states of a plurality of devices, there is a problem that a complicated system is required.
従って本発明の目的は、プラントで流量や圧力を測定する汎用の振動式トランスデューサにキャビテーション等の水撃圧を検知する水撃圧の検知機能を持たせ、特別な装置を用いることなく直接的に水撃圧を断続的にではなく常時検知できる振動式トランスデューサを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a general-purpose vibration transducer for measuring flow rate and pressure in a plant with a water hammer pressure detection function for detecting water hammer pressure such as cavitation, and directly without using a special device. It is an object of the present invention to provide a vibratory transducer that can constantly detect water hammer pressure rather than intermittently.
また、検知結果を特別な手段/経路を用いずに、振動式トランスデューサの出力である4−20mA出力及びこれに重畳したデジタル信号ないしフィールドバスなどのデジタル信号を用いて、上位機種や作業員に知らせることができる振動式トランスデューサを提供することにある。 In addition, without using special means / paths, the detection results are output to the higher-level models and workers using the 4-20 mA output, which is the output of the vibration transducer, and the digital signal or digital signal such as fieldbus superimposed on the output. It is to provide a vibratory transducer that can be informed.
更に、防爆適応機器である振動式トランスデューサに水撃圧の検知機能を持たせることにより爆発性雰囲気の中でも水撃圧の検知が行える振動式トランスデューサを提供することにある。 It is another object of the present invention to provide a vibration transducer capable of detecting water hammer pressure even in an explosive atmosphere by providing a water hammer pressure detection function to the vibration transducer which is an explosion-proof adaptive device.
以上総合すると、本発明の目的は、プラントにおいて汎用的に使用される振動式トランスデューサにより安価で容易にキャビテーション等の水撃圧を検知する水撃圧検知機能を提供することにある。 In summary, an object of the present invention is to provide a water hammer pressure detection function that easily and easily detects water hammer pressure such as cavitation by a vibration transducer that is generally used in a plant.
このような課題を達成する本発明は以下のとおりである。
(1)
プラントの配管に設置されて前記配管内の圧力或いは前記配管に設置されたオリフィスプレートまたはピトー管で生じる差圧を測定するための振動子を有する振動式トランスデューサにおいて、前記振動子の伸張または圧縮に基づいて変化する固有周波数を常に検出して、1周期前の前記固有周波数の周期をT1、今回の前記固有周波数の周期をT2、前記固有周波数の急変を検知するための変更可能な係数をαとしたときに、(1−α)T1<T2<(1+α)T1を満たしていないときに前記配管内に生じた水撃圧を検知する水撃圧検知手段を備えたことを特徴とする振動式トランスデューサ。
(2)前記固有周波数の周期T1およびT2は、前記固有周波数の1周期の間における基準クロックを計数することにより求めていることを特徴とする(1)記載の振動式トランスデューサ。
(3)前記水撃圧検知手段は、前記(1−α)T1<T2<(1+α)T1を満たしていないことを検知した場合にカウントを1つ加算し、カウント値が上限値を超過したときに前記配管内に生じた水撃圧を検知することを特徴とする(2)記載の振動式トランスデューサ。
The present invention which achieves such a problem is as follows.
(1)
In resonant transducer having a vibrator for measure the differential pressure occurring in the orifice plate or pitot tube installed installed in pressure or the pipe in the pipe plant piping, stretching or compression of the vibrator The natural frequency that changes based on the above is always detected, the period of the natural frequency one period before is T1, the period of the natural frequency is T2, and the changeable coefficient for detecting a sudden change in the natural frequency is It is characterized by comprising water hammer pressure detecting means for detecting water hammer pressure generated in the pipe when (1-α) T1 <T2 <(1 + α) T1 is not satisfied. Vibrating transducer.
(2) The vibration type transducer according to (1), wherein the periods T1 and T2 of the natural frequency are obtained by counting a reference clock during one period of the natural frequency.
(3) When the water hammer pressure detecting means detects that the (1−α) T1 <T2 <(1 + α) T1 is not satisfied, the count is incremented by one and the count value exceeds the upper limit value. The vibratory transducer according to (2), wherein water hammer pressure generated in the pipe is sometimes detected.
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。第1に、プラントにおいて汎用的に使用されている、流量や圧力を測定する振動式トランスデューサにキャビテーション等の水撃圧を検知する水撃圧の検知機能を持たせたので、特別な装置や経路を用いることなく、安価で容易に、水撃圧を直接的にかつ断続的にではなく連続的に検知できる効果がある。 As is apparent from the above description, the present invention has the following effects . First , since the vibration transducer for measuring flow rate and pressure, which is used for general purposes in plants, has a water hammer pressure detection function for detecting water hammer pressure such as cavitation, a special device or route is used. The water hammer pressure can be detected not directly and intermittently, but cheaply and easily without using the.
第2に、検知結果を特別な手段/経路を用いずに、振動式トランスデューサの出力である4−20mA出力及びこれに重畳したデジタル信号ないしフィールドバスなどのデジタル信号を用いて、上位機種や作業員に知らせることができる効果がある。 Second, without using special means / paths for detection results, the 4-20 mA output, which is the output of the vibratory transducer, and the digital signal superimposed on it or digital signals such as fieldbus, etc. There is an effect that can inform the staff.
第3に、防爆適応機器である振動式トランスデューサに水撃圧の検知機能を持たせることにより爆発性雰囲気の中でも水撃圧の検知が行える効果がある。 Thirdly, by providing a vibration transducer that is an explosion-proof adaptive device with a water hammer pressure detection function, there is an effect that the water hammer pressure can be detected even in an explosive atmosphere.
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、水撃圧検知手段を含む全体の演算手順を説明するフローチャート図であり、図2は図1に示す水撃圧検知手段等を具体的に実現するためのハードウエアの構成を示す構成図である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart for explaining the entire calculation procedure including the water hammer pressure detection means, and FIG. 2 shows a hardware configuration for specifically realizing the water hammer pressure detection means and the like shown in FIG. It is a block diagram.
図3は図2に示すドライバー構成のうちセンサ部を示す構成図である。図4は図3に示すセンサ部を含む全体のドライバーの構成を示す構成図である。以下、これらの図2〜図4を用いて、本発明の振動式トランスデューサについてその構成の説明をする。 FIG. 3 is a configuration diagram showing a sensor unit in the driver configuration shown in FIG. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the entire driver including the sensor unit shown in FIG. Hereinafter, the configuration of the vibratory transducer according to the present invention will be described with reference to FIGS.
先ず、図3、図4を用いてドライバーの構成について説明する。図3において、図3(A)はセンサ部の断面図、図3(B)はその上面図である。 First, the configuration of the driver will be described with reference to FIGS. 3A is a cross-sectional view of the sensor portion, and FIG. 3B is a top view thereof.
センサ部20は、例えば、伝導形式がn形のシリコン単結晶で出来たセンサーチップ21に形成されたダイアフラム22の上に一体に形成されたp形のシリコンで出来た第1振動子(23A、24A)、(25B、26B)と第2振動子27A、28Bで構成されるH形の振動子29A、29Bなどで出来ている。そして、振動子29Aはダイアフラム22の中央部に、振動子29Bはダイアフラム22の端に配置されている。
The sensor unit 20 includes, for example, a first vibrator (23A, 23A, made of p-type silicon integrally formed on a diaphragm 22 formed on a
ダイアフラム22は、周囲に厚肉部を有するn形のシリコン基板の下面の中央部をエッチングして薄肉として凹部30が形成されており、測定圧力がこの凹部30または上部に印加されることによって全体として変位する。このダイアフラム22の上面の結晶面(100)の一部にはエッチングにより各振動子が収納されるH形状の凹部31A、31Bが形成されている。 The diaphragm 22 has a concave portion 30 formed as a thin wall by etching the central portion of the lower surface of the n-type silicon substrate having a thick portion around it, and the measurement pressure is applied to the concave portion 30 or the upper portion. Displace as. H-shaped recesses 31 </ b> A and 31 </ b> B in which the respective vibrators are accommodated are formed by etching on a part of the crystal face (100) on the upper surface of the diaphragm 22.
この凹部31A、31Bを跨ぐようにして、梁状の第1振動子(23A、24A)、(25B、26B)がそれぞれ結晶軸<100>に平行にダイアフラム22と一体にp形で形成され、これらの中央部をこれらの振動子に直角にp形の梁状の第2振動子27A、27Bで結合してH形の振動子29A、29Bが形成されている。
The beam-shaped first vibrators (23A, 24A), (25B, 26B) are formed in a p-type integrally with the diaphragm 22 in parallel with the crystal axis <100> so as to straddle the
この第1振動子23Aの両端には電極32Aと33Aが、更に第1振動子24Aの両端には電極34Aと35Aが形成されている。同様にして、第1振動子25Bの両端には電極32Bと33Bが、更に第1振動子26Bの両端には電極34Bと35Bが形成されている。
第2振動子27A、28Bの上部にはこれと平行に磁石36A、36Bが配置され、第1振動子(23A、24A)と(25B、25B)に直角に磁場を発生させる。
ここで、ダイアフラム22に一般的にプロセスの圧力P(P1、P2)が加わると、ダイアフラム22に歪みが発生する。このときH形の振動子29A、29Bは伸張または圧縮を受け、自身の張力が変化し、次式によって与えられる固有周波数fも変化する。
Here, when the process pressure P (P1, P2) is generally applied to the diaphragm 22, the diaphragm 22 is distorted. At this time, the H-shaped
f=4.732h/(2πl2)・[E/(12ρ)・{1+0.2366(l2/h)ε}]1/2 (1)
ただし、ε=ε0±εdp+εsp
ここに、E:シリコンのヤング率、ρ:シリコンの密度、l:振動子の長さ、h:振動子の厚さ、ε:張力、ε0:初期張力、εdp: 差圧による張力変化、εsp:静圧による張力変化である。
この固有周波数fを測定することで、ダイアフラム22に加わったプロセスの圧力P1、P2を測定することが出来る。
f = 4.73 2 h / (2πl 2 ) ・ [E / (12ρ) ・ {1 + 0.2366 (l 2 / h) ε}] 1/2 (1)
Where ε = ε 0 ± ε dp + ε sp
Where E: Young's modulus of silicon, ρ: silicon density, l: length of vibrator, h: thickness of vibrator, ε: tension, ε 0 : initial tension, ε dp : tension change due to differential pressure , Ε sp : Changes in tension due to static pressure.
By measuring the natural frequency f, the pressures P1 and P2 of the process applied to the diaphragm 22 can be measured.
プロセスの圧力P(P1、P2)としては、図3において、差圧伝送器の場合は、ダイアフラム22の上からオリフィスプレートの上流側の圧力P2が、下から下流側の圧力P1がそれぞれ印加される。圧力伝送器の場合は、ダイアフラム22の上からプロセスの圧力P2が印加され、下の凹部30側は大気圧ないし真空室に連結されている。 As the process pressure P (P1, P2), in the case of the differential pressure transmitter in FIG. 3, the pressure P2 on the upstream side of the orifice plate from the top of the diaphragm 22 and the pressure P1 on the downstream side from the bottom are respectively applied. The In the case of a pressure transmitter, the process pressure P2 is applied from above the diaphragm 22, and the lower recess 30 side is connected to an atmospheric pressure or a vacuum chamber.
次に、図4を用いて、図3に示す振動子29Aを駆動するドライバー40Aについて説明する。なお、振動子29Bを駆動するドライバー40Bについては、ドライバー40Aの構成と同一であり、振動子29Aの構成要素と同一の機能を有する部分には各々同一番号にBなる添字を付して適宜にその説明を省略する。
Next, a driver 40A for driving the
励磁手段の1部として機能する入力トランス41Aの出力端子は電極32A、33Aに、その入力端子42Aの一端は増幅器43Aの出力端子に、他端はコモンラインにそれぞれ接続されている。
The output terminal of the
振動検出手段の1部として機能する出力トランス44Aの入力端子は電極34A、35Aに接続され、その出力端子45A、46Aは増幅器43Aの入力端にそれぞれ接続されている。
そして、増幅器43Aの出力端は波形整形回路47Aの入力端に接続され、その出力端からパルスが出力される。
The input terminal of the output transformer 44A that functions as a part of the vibration detecting means is connected to the
The output terminal of the
以上の構成において、入力トランス41Aに増幅器43Aから入力された電圧により、第1振動子23Aが磁石36Aの磁場との相互作用により励振されて振動する。この振動により第1振動子24Aは第2振動子27Aを介して振動させられ、この振動は磁石36Aとの相互作用により出力トランス44Aの入力端に起電力eを発生させる。
In the above configuration, the
この起電力eは出力トランス44Aを介して増幅器43Aに入力され増幅されて出力される。この増幅された電圧は入力トランス41Aに正帰還され、これが繰り返されて系が(1)式で示す固有周波数で自励発振する。この固有周波数は波形整形回路47Aでパルス信号に波形整形されて固有周波数fAとして出力される。
The electromotive force e is input to the
以上のように、振動子29Aは励振用の第1振動子23Aと、起電力検出用の第1振動子24Aとに分けられ、第2振動子27Aで第1振動子23Aと24Aの振動の腹の部分を機械的に結合するようにしたので、励磁電流iの成分が起電力eに重畳せず、高い励振成分の除去比(S/N比)が得られる。
As described above, the
次に本発明の振動式トランスデューサの全体の構成・機能について図2を用いて説明するが、本発明の内部構成である図3、図4の構成については図2においてドライバー40A,40Bとして示し、その説明を省略する。 Next, the overall configuration and function of the vibratory transducer according to the present invention will be described with reference to FIG. 2. The configurations of FIGS. 3 and 4 which are the internal configuration of the present invention are shown as drivers 40A and 40B in FIG. The description is omitted.
図2において、振動式トランスデューサ50は、ドライバー40A,40B、デジタル処理回路51、MPU(Micro Processor Unit)52、D/A(デジタル/アナログ)変換器53、RAM(Random Access read write Memory)54、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)55、表示器56、発振回路57等で構成されている。
In FIG. 2, the vibratory transducer 50 includes drivers 40A and 40B, a
デジタル処理回路51は、カウンター部51a、キャビテーション検知部51bを有している。カウンター部51aは、発振回路57から基準クロックfKが供給され、これをベースとしてドライバー40A、40Bから出力される固有周波数fA、fBをカウントする。そして、キャビテーション検知部51bは、プロセスの圧力P(P1、P2)がキャビテーション等による水撃圧を受け、固有周波数fA、fBが大幅に変化したことを検知、判断する。
The
MPU52は、マイクロプロセッサであり、デジタル処理回路51で固有周波数fA、fBがカウントされて出力され、その出力であるパルス数から、圧力Pを算出する。算出結果はD/A変換器53を介して圧力Pに応じた4―20mA信号として、上位機種に伝達される。
The
また、D/A変換器53はモデムの機能を備えており、圧力Pの数値やアラームなどMPU52からのデジタル情報を4―20mA信号に重畳してデジタル信号として上位機種に伝送することが出来る。また、ファウンデーションフィールドバスやプロフィバスのようなフィールドバス通信機器の場合、IEC61158-2の規格に準拠したデジタル信号をバスラインに送信することが出来る。
The D /
さらに、MPU52は、定期的に予め機器の仕様として定められたドライバー40A、40BやEEPROM55の故障などの自己診断を行い、EEPROM55内に蓄えられた回数以上、機器に異常があった場合、バンアウト信号として、4―20mAの範囲外の電流(例えば、3.6mA以下または21.6mA以上)を出力する。この場合、デジタル信号を4―20mAに重畳した通信の場合、またはフィールドバスの場合は、デジタル信号によってアラーム情報を送信することが出来る。
Further, the
RAM54およびEEPROM55は、MPU52に内蔵或いは外付けされており、MPU52がプロセスの圧力P(P1、P2)を算出する際の補正係数や中間値を格納する。また、キャビテーション検知回数やキャビテーション検知に関するユーザ設定値に使用する設定値も格納する。そして、表示器56は、LCD等の外部表示機能であり、プロセスの圧力Pやアラームを周期的に表示することが出来る。
The
次に、以上のように構成された図2に示す振動式トランスデューサ50の動作について、図5、図6を用いて説明する。図5はカウンター部51aの動作原理を説明する波形図であり、図6はキャビテーション検知部51bの動作を説明する波形図である。
Next, the operation of the vibratory transducer 50 configured as described above and shown in FIG. 2 will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the operation principle of the
先ず、発振回路57から図示しない同期回路の1方に基準クロックfKが供給され、この同期回路の他方には図5(b)に示す固有周波数fAが入力されて、この非同期の固有周波数fAは、同期回路により基準クロックfKの立ち上りに同期した固有周波数FAに変換される。
First, the reference clock f K is supplied to the 1-way synchronization circuit (not shown) from the
そして、カウンター部51aは、基準クロックfKと固有周波数FAが入力され、基準クロックfKをカウントする単位期間である図5(a)に示すゲート時間TGの間、固有周波数FAをカウントしてMPU52に送信する。
Then, the
MPU52は、具体的には、ゲート時間TG=45msの間に固有周波数fAが4500パルスであったらfA=100kHzと、9000パルスであったらfA=200kHzと算出する。固有周波数fB側についても同様である。
Specifically, the
次に、キャビテーション検知部51bについて説明する。キャビテーションの検知は、図6(a)に示すように、固有周波数fAが常時隣り合うパルスPX、PYの周期を以下の式(2)を以て比較する。
(1―α)T1<T2<(1+α)T1 (2)
Next, the cavitation detection unit 51b will be described. As shown in FIG. 6A, the cavitation is detected by comparing the periods of the pulses PX and PY where the natural frequency f A is always adjacent by the following equation (2).
(1-α) T1 <T2 <(1 + α) T1 (2)
ここで、図6(b)に示すように、T1は1個前の固有周波数の周期、T2は今回の固有周波数の周期であり、αは固有周波数の急変を検知するための変更可能な係数であり、0<α<1である。 Here, as shown in FIG. 6B, T1 is the period of the previous natural frequency, T2 is the period of the current natural frequency, and α is a changeable coefficient for detecting a sudden change in the natural frequency. And 0 <α <1.
一例を挙げると、ゲート時間TGは45ms、固有周波数fAは圧力/温度にもよるが、およそ100kHzの大きさである。従ってT1、T2の大きさはおよそ10μs程度である。また、圧力Pに対する周波数変化率はおよそ100kPa当たり10kHz前後である。 As an example, the gate time TG is 45 ms, and the natural frequency f A is approximately 100 kHz although it depends on the pressure / temperature. Accordingly, the sizes of T1 and T2 are about 10 μs. The frequency change rate with respect to the pressure P is approximately 10 kHz per 100 kPa.
以上のように、デジタル処理回路51のキャビテーション検知部51bの特徴は、MPU52により圧力Pを算出する前に、周波数の急変(パルス幅の急変)によりキャビテーションを検知しようとするものである。
As described above, the characteristic of the cavitation detection unit 51b of the
また、基準クロックfKの大きさは2MHz程度の値であり、このクロックを用いてT1、T2をカウントする。なお、この基準クロックfKの大きさは、固有周波数fAの大きさの約20倍以上なので、おおよそのT1、T2のカウントには十分である。 The size of the reference clock f K is a value of about 2MHz, counting the T1, T2 using the clock. The size of the reference clock f K is because more than about 20 times the size of the natural frequency f A, is sufficient to approximate T1, T2 counts.
また、αの大きさは0.2から0.5の程度の大きさであり、変更可能な係数である。即ち、(2)式が成立しないということは、10μsという微小時間にプロセスの圧力Pが20−50%急変した場合に相当する。 Further, the magnitude of α is about 0.2 to 0.5, and is a changeable coefficient. That is, the fact that the formula (2) is not satisfied corresponds to a case where the process pressure P suddenly changes by 20 to 50% in a minute time of 10 μs.
通常のプロセスの運転状態においては、このようなプロセスの圧力Pの急変は存在しない。短時間のプロセスの圧力Pの変化としては、バルブ操作による水撃現象(Water Hammer)があるが、これは数msオーダーでの変化と考えられている。 Under normal process operating conditions, there is no such sudden change in process pressure P. As a change in the pressure P of the process for a short time, there is a water hammer phenomenon (Water Hammer) due to valve operation, which is considered to be a change in the order of several ms.
また、キャビテーションによる圧力の変化は、数μs−数百μsのオーダーでの変化という実験結果が報告されている。従って、(2)式で示す方法によってキャビテーションの検知、或いはαの設定を変えることにより水撃現象についても検知できる。 Further, it has been reported that the pressure change due to cavitation is a change in the order of several μs to several hundreds μs. Therefore, it is possible to detect the water hammer phenomenon by detecting cavitation by the method shown in the equation (2) or changing the setting of α.
MPU52は、デジタル処理回路51から送信されたパルスを用いて固有周波数fAを算出し、これにより式(1)に従ってプロセスの圧力Pを算定する。差圧の場合は、MPU52は固有周波数fAとfBを用いて次のようにして差圧ΔPを算出する。
式(1)の両辺を2乗し、単純化すると、次の(3)式のようになる。
f2=f0 2・(1+Gf・ε) (3)
ここに、f0:張力ゼロ時の固有周波数、 Gf:振動子の自乗感度(=0.2366・(l/h)2)である。
このとき、fA、fBの圧力による変化Δf2は下の(4)式、(5)式となる。
ΔfA 2=f0A 2・GfA(+εdpA+εspA) (4)
ΔfB 2=f0B 2・GfB(−εdpB+εspB) (5)
式(4)、式(5)からa、Kを定数として、差圧ΔP(=P2−P1)は次の式(6)で算出することが出来る。
ΔP=K(ΔfA 2−a・ΔfB 2) 6)
The
When both sides of equation (1) are squared and simplified, the following equation (3) is obtained.
f 2 = f 0 2 · (1 + G f · ε) (3)
Here, f 0 is the natural frequency when the tension is zero, and G f is the square sensitivity of the vibrator (= 0.2366 · (l / h) 2 ).
At this time, the change Δf 2 due to the pressures of f A and f B is expressed by the following equations (4) and (5).
Δf A 2 = f 0A 2 · G fA (+ ε dpA + ε spA ) (4)
Δf B 2 = f 0B 2 · G fB (−ε dpB + ε spB ) (5)
From equations (4) and (5), a and K are constants, and the differential pressure ΔP (= P2−P1) can be calculated by the following equation (6).
ΔP = K (Δf A 2 −a · Δf B 2 ) 6)
今まで、振動式トランスデューサ50の各部の構成・動作等については図2〜図6において説明してきたが、これらを踏まえて、次に、図1に示すフローチャート図を用いて、振動式トランスデューサ50の通常動作とキャビテーション検知を含む水撃圧検知手段58の全体の動作についてまとめて説明する。 Up to now, the configuration and operation of each part of the vibration transducer 50 have been described with reference to FIGS. 2 to 6. Next, based on these, the flow chart of FIG. The overall operation of the water hammer pressure detection means 58 including normal operation and cavitation detection will be described together.
ステップ1からスタートするが、このスタートは、電源投入を意味し、ドライバー40A,40B、デジタル処理回路51、MPU52、D/A変換器53、RAM54、EEPROM55を動作可能な状態にする。
Starting from
この後、ステップ2のセッテングにおいて、MPU52はEEPROM55に記憶されていた圧力P演算のための係数や設定値を読み込む。またMPU52はEEPROM55に記憶されていた(2)式に示すαを読み込み、(2)式の判定に用いるためデジタル処理回路51に送信する。さらに、MPU52はEEPROM55に記憶されていた、ステップ7で使用する(2)式の判定回数の上限値(LIMIT)を読み込む。
Thereafter, in the setting in
ステップ3では通常動作を行う。デジタル処理回路51によって、ドライバー40A,40Bの出力である固有周波数fA、fBをカウントする。カウント値は定期的にMPU52に送信される。送信の周期は、例えば約50ms程度である。
In step 3, normal operation is performed. The
MPU52は、このカウント値からRAM54、EEPROM55に記憶された計算結果と係数からプロセスの圧力Pまたは差圧ΔPを算出する。MPU52は算出した圧力Pまたは差圧ΔPをD/A変換器53を通して4−20mAの出力をしたり、デジタル信号を重畳して上位機種に伝送したり、或いは表示器50に表示する。
The
また、MPU52はセンサ部20などの部品故障やプロセスの圧力Pの異常等の診断を行い、異常があれば表示器56や上位機種に対してその情報を出力する。
Further, the
ステップ4では、デジタル処理回路51において実行される図6に示す前後の隣接するパルス幅T1,T2を計数する。パルス幅T1,T2は、図6に示すように、固有周波数fAの1周期PX、PYの間に存在する基準クロックfKの数を計数することにより算定する。
In
ステップ5において、隣接するパルス幅T2が(2)式に示す規定値α以上に変化していた場合、デジタル処理回路51はその情報をMPU52に送信する。MPU52はこの情報を受け取った場合、ステップ6でカウント(COUNT)を+1にする。また、ステップ5において、隣接するパルス幅が規定値α以下の変化であった場合は、ステップ3に戻り通常動作を繰り返す。
In step 5, if the adjacent pulse width T <b> 2 has changed to a value equal to or larger than the specified value α shown in the equation (2), the
ステップ7において、この カウント値が設定されたリミット値(LIMIT)を超えた場合、MPU52は水撃圧があったものと判定し、D/A変換器53を通して4−20mAの出力ないしデジタル信号により、ステップ8において警報送信を行う。なお、このリミット値はメーカまたはユーザによって変更が可能である。
In
このカウント値はMPU52の内部で記録として加算され、RAM54ないしEEPROM55に記録される。ユーザは4−20mA出力に重畳したデジタル信号またはフィールドバス通信により、この値を即時に或いは後から読むことが出来る。
This count value is added as a record inside the
ステップ7において、カウント値が設定された上限値(LIMIT)を超えていなければ、ステップ3に戻り、通常動作を繰り返す。また、一定期間カウント値のアップが見られない場合はステップ7においてカウント値のクリアを行い、判定には使用しない。
In
以上説明した本発明に係る振動式トランスデューサ50によれば、図7に示す圧力伝送器14、或いは差圧伝送器16に代えて用いることにより、本来のプロセス圧や差圧の測定の他に、配管10に生じるキャビテーションやウオータハンマーなどの水撃圧をも検知することができる効果がある。
According to the vibratory transducer 50 according to the present invention described above, by using it instead of the pressure transmitter 14 or the
10 配管
11、12 ポンプ
13 バルブ
14 圧力伝送器
15 オリフィスプレート
16 差圧伝送器
20 センサ部
22 ダイアフラム
23A、24A、25B、26B 第1振動子
27A、28B 第2振動子
29A、29B 振動子
30、31A、31B 凹部
36A、36B 磁石
40A、40B ドライバー
41A 入力トランス
43A 増幅器
44A 出力トランス
47 波形整形回路
50 振動式トランスデューサ
51 デジタル処理回路
51a カウンター部
51b キャビテーション検知部
52 MPU
53 D/A変換器
54 RAM
55 EEPROM
56 表示器
57 発振回路
DESCRIPTION OF
53 D /
55 EEPROM
56
Claims (3)
前記振動子の伸張または圧縮に基づいて変化する固有周波数を常に検出して、1周期前の前記固有周波数の周期をT1、今回の前記固有周波数の周期をT2、前記固有周波数の急変を検知するための変更可能な係数をαとしたときに、
(1−α)T1<T2<(1+α)T1を満たしていないときに前記配管内に生じた水撃圧を検知する水撃圧検知手段を備えたこと
を特徴とする振動式トランスデューサ。 In resonant transducer having a vibrator for measure the differential pressure occurring in the orifice plate or Pitot tube placed are installed in plant piping pressure or the pipe in the pipe,
The natural frequency that changes based on the expansion or compression of the vibrator is always detected, the period of the natural frequency one period before is T1, the period of the natural frequency is T2, and the sudden change in the natural frequency is detected. Where α is the changeable coefficient for
(1-α) provided with water hammer pressure detecting means for detecting water hammer pressure generated in the pipe when T1 <T2 <(1 + α) T1 is not satisfied.
A vibratory transducer characterized by.
を特徴とする請求項1記載の振動式トランスデューサ。 The vibratory transducer according to claim 1.
を特徴とする請求項2記載の振動式トランスデューサ。 The vibratory transducer according to claim 2.
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