JP5009374B2

JP5009374B2 - プロセス変数送信機における温度センサ構成の検出

Info

Publication number: JP5009374B2
Application number: JP2009540241A
Authority: JP
Inventors: エンゲルスタッド，ローレン，エム．
Original assignee: ローズマウントインコーポレイテッド
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: EP2102616B1; JP2010511894A; CN101553717B; WO2008070008A3; US20080133170A1; EP2102616A2; CN101553717A; WO2008070008A2; US7658539B2

Description

本発明は、プロセス制御および監視システムにおいて使用されるプロセス変数送信機に関する。より具体的には、本発明は、プロセス変数送信機に接続される温度センサの配置または向きの特定に関する。

プロセス制御送信機は、プロセス制御システムにおいてプロセスパラメータを測定するために使用される。マイクロプロセッサベースの（マイクロプロセッサを含む）送信機は、センサと、センサからの出力をデジタル形式に変換するアナログ／デジタル変換器と、デジタル化された出力を補正するマイクロプロセッサと、補正出力を送信するための出力回路とを有する。一般的に、この送信は４−２０ｍＡ電流ループのようなプロセス制御ループによって行われる。パラメータの一例は、温度であり、この温度はＲＴＤ（抵抗型温度デバイス）もしくはＰＲＴ（白金抵抗温度計）と呼ばれるセンサで抵抗を測ることによって感知されるか、または熱電対センサの出力電圧によって感知される。

温度は、センサ出力（抵抗を電圧に変換）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、所望の測定値を得るため、プロセス変数送信機においては、送信機回路が適当に構成されなければならない。例えば、ある種のＲＴＤセンサは４導線ケルビン接続を使用するが、その他のセンサは３導線接続を使用する。同様に、一般に熱電対は２導線のみを使用するが、２導線間には極性が存在する。ＲＴＤが３導線を使用しているか４導線を使用しているかを検出することは周知である（例えば、ＳＴＴ３０００スマート温度送信機、モデルＳＴＴ３５０操作マニュアル参照）。しかしながら、ＲＴＤは依然として周知の方法で接続されなければならない。これは、所定の方法またはある種のユーザ入力を使用することによって特定される方法のいずれかで行うことができる。

プロセスの温度を測定するためのプロセス変数送信機である。送信機は温度センサに接続される。送信機は、温度センサが送信機に接続される態様又は方法を決定するように構成される。方法も提供される。

ＲＴＤセンサに接続される温度送信機の簡略図である。熱電対センサに接続される温度送信機の簡略図である。温度送信機によって実行されるステップを示すフローチャートである。ＲＴＤの配置のケース１を示す図である。ＲＴＤの配置のケース２を示す図である。ＲＴＤの配置のケース３を示す図である。温度送信機によって実行されるステップを示すフローチャートである。ＲＴＤの配置のケース４を示す図である。ＲＴＤの配置のケース５を示す図である。ＲＴＤの配置のケース６を示す図である。温度送信機によって実行されるステップを示すフローチャートである。ＲＴＤの配置のケース７を示す図である。ＲＴＤの配置のケース８を示す図である。ＲＴＤの配置のケース９を示す図である。温度送信機によって実行されるステップを示すフローチャートである。ＲＴＤの配置のケース１０を示す図である。ＲＴＤの配置のケース１１を示す図である。ＲＴＤの配置のケース１２を示す図である。温度送信機によって実行されるステップを示すフローチャートである。ＲＴＤの配置のケース１３を示す図である。ＲＴＤの配置のケース１４を示す図である。ＲＴＤの配置のケース１５を示す図である。温度送信機によって実行されるステップを示すフローチャートである。温度送信機によって実行されるステップを示すフローチャートである。熱電対の構成を示す図である。

本発明は、装置に接続される温度センサの配置または向きを識別又は確定するように構成されたプロセス変数送信機に向けられる。例は、２導線、３導線または４導線ＲＴＤの識別、送信機の端子間に設けられるＲＴＤ素子の位置または場所の識別、または熱電対の位置もしくは極性の向きの識別を含んでいる。

図１Ａは、ＲＴＤセンサによって温度を測定するために接続された温度送信機１０のブロック図である。

送信機１０は、プロセス制御ループ１１に接続され、このループによって送信機１０へ電力を供給するとともに情報を送受する。また、プロセス制御ループ１１は種々の無線技術または形態を適用できる。この実施形態では、送信機１０は、好ましくは、例えばＲＴＤ温度センサ１６または熱電対温度センサ１８（図１Ｂに示す）に接続するための端子１〜４を有する端子ブロック１４を含んでいる。図１ＡはＲＴＤ１６に対する電気的接続を示す。センサ１６（およびセンサ１８）は送信機１０の内部または外部のいずれにあってもよい。送信機１０は、入出力（Ｉ／Ｏ）回路２４を介して制御ループ１１に接続される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を含んでいる。マルチプレクサ２０は端子１〜４からの信号を含むアナログ信号の適当なセットを、高精度Ａ／Ｄ変換器２８に接続する差動増幅器２６の正入力および負入力に多重入力する。メモリ３０は、クロック３２によって決定される速度で動作するマイクロプロセッサ２２のための命令および情報を格納する。マルチプレクサ２０は、差動増幅器２６の正および負入力に対して選択的に入力ペアを接続する。基準抵抗Ｒ_REF３８が、マルチプレクサ２０に接続され、かつ、ＲＴＤ１６と直列に接続される。

動作時、送信機１０はセンサ１６の温度を測定し、制御ループ１１によって温度表示を送信する。送信機１０は、ＲＴＤ１６の主要温度値を計算するため、次の式を使用する。

Ｒ_REFNOMは基準オーム抵抗の公称抵抗であり、かつ、またはメモリ３０に格納される。Ｖ_RINPUTは入力間の電圧降下、そしてＶ_RREFはＲ_REF両端での電圧降下である。

電流源５０は、マルチプレクサ２０を介して、センサ１６（端子１および４を経由して）、および基準抵抗３８を通る電流Ｉ_Sを供給する。図１Ａの構成では、マイクロプロセッサ２２は、マルチプレクサ２０を使い、端子２および３間でＲＴＤ１６両端の電圧降下Ｖ_RINPUTと、抵抗３８両端での電圧降下Ｖ_RREFを計算する。Ｒ_REFNOMは計算定数であり、メモリ３０から取り出される。このような４導線抵抗においては、ほぼ全ての電流が端子１および４間を流れるので、端子２および３の接続部での電圧降下は大部分削減され、測定値の精度への影響は小さい。Ｒ_INPUTはメモリ３０に格納されているルックアップテーブルまたは適当な式によって温度単位に変換される。

図１Ｂの構成では、送信機１０は、温度を測定するために熱電対センサ１８に接続され、熱電対センサ１８は端子１および２両端に電圧Ｖ_TCINPUTを形成する。マルチプレクサ２０は差動増幅器２６の入力を端子２および１に接続する。図１Ｂは、マルチプレクサ２０および電流源５０に接続される電圧基準（Ｖ_TCREF）３６を示す。ヒータ４１が、以下に説明するように熱電対センサ１８の向きを決定するために設けられる。ヒータ４１はマイクロプロセッサ２２によって制御される。

送信機１０は次式を使って熱電対電圧Ｖ_TCを決定することにより、熱電対センサ１８の温度を測定する。

Ｖ_TCINPUTは増幅器２６で感知された端子ブロック１４の端子１および２間で測定された電圧である。

Ｖ_TCREFは増幅器２６で感知される電圧基準３６によって形成される測定電圧である。

Ｖ_TCRFNOMはメモリ３０に格納されている電圧基準３６の公称値である。

図１Ａおよび１Ｂに示された温度センサ１６および１８は一般的には送信機１０が現場内に位置しているときに送信機１０に接続される。したがって、送信機１０に温度センサ１６、１８を接続する作業者は、センサ１６、１８の導線を４つの端子１、２、３および４のどれか一つに接続することになる。しかし、マイクロプロセッサ２２によって正確な測定値を得るためには、センサ１６、１８の導線の向きと配置が分かっていなければならない。これにより、例えば、センサが特定の配置で送信機に接続されることが要求されうる。また、センサ１６、１８の向きに関してマイクロプロセッサ２２に指示する情報を送信機１０に入力することになりうる。本発明によれば、マイクロプロセッサ２２は、センサの配置および向きを決定するためにセンサ１６、１８についてテストを実行する。

図２Ａは本発明に従ったステップを示すフローチャート１００であり、図２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄは送信機１０に接続されるＲＴＤセンサ１６の接続形態を示す。さらに、次の表１は、端子ペア間で測定された抵抗に関する３つのケースを示す。端子Ｔ１２は端子１および２の間、Ｔ１３は端子１および３の間、Ｔ１４は端子１および４の間の端子ペアである。

Ｌは導線抵抗（オーム）、Ｓはセンサ抵抗（オーム）であり、Ｓ＞＞Ｌが前提である。

フローチャート１００は、端子１および２間の抵抗を測定することから開始される。開回路であると判定された場合、マイクロプロセッサ２２はセンサ１６が４導線センサではなく、端子１、または２は使用されていないと判断する。開回路でなければ、端子１および２間の抵抗値はメモリに格納され、そして端子１および３間における他の測定値が得られる。この測定値が開回路であることを示した場合、マイクロプロセッサ２２は４導線センサではなく、端子３は使われていないと判断する。開回路でなければ、端子１および３間の抵抗値がメモリに格納される。次いで、端子１および４間の抵抗が測定される。この抵抗が開回路を示している場合、マイクロプロセッサ２２はセンサ１６が４導線センサではなく、端子４が使用されていないと判断する。開回路でなければ、端子１および４間の抵抗値がメモリに格納される。測定された抵抗に基づいて、センサ１６の位置（図２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄのそれぞれに示されたケース１、ケース２またはケース３）が上記表１中の情報に基づいて決定される。

図３Ａはセンサ１６の位置を決定する際においてマイクロプロセッサ２２によって実行される次のステップを示すフローチャート１２０であり、図３Ｂ、３Ｃおよび３Ｄは表２に示したセンサ１６の配置についてのケース４、５および６をそれぞれ示す。

フローチャート１２０は、端子１または２が使用されていないという判断の測定から開始する。次いで、端子１および３間の抵抗が測定される。開回路であった場合、端子１が使用されていないか、センサは３導線センサでない。開回路でない場合、端子１および３間の抵抗値がメモリに格納される。次いで、マイクロプロセッサ２２は、端子１および４間の抵抗を測定する。これが開回路であった場合、マイクロプロセッサ２２はセンサ１６が、端子１および３間に接続された２導線であると判断する。開回路でなかった場合、端子１および４間の抵抗値がメモリに格納される。最後に、マイクロプロセッサ２２は収集されたデータおよび上記表２に示された情報に基づいてセンサ１６の位置を確定する。

図４Ａはマイクロプロセッサ２２によって実行される次のステップを示すフローチャート１４０であり、図４Ｂ、４Ｃおよび４Ｄは表３に格納されているデータに基づくセンサ１６の配置についてのケース７、８および９をそれぞれ示す。

フローチャート１４０では端子１が使用されていないとしたマイクロプロセッサ２２の判断から始まる。次いで、端子２および３間の抵抗が測定される。この抵抗が開回路を示している場合、センサは３導線センサではなく、端子２および４または端子３および４の間に接続された２導線センサである。開回路でなければ、抵抗に関するデータがメモリに格納される。次に、マイクロプロセッサ２２は端子２および４間の抵抗を測定する。この抵抗が開回路を示している場合、センサは端子２および３間に接続された２導線センサである。開回路でない場合、端子２、３および４間の抵抗値がメモリに格納される。最後に、マイクロプロセッサは上記表３内に格納されている情報に基づいてセンサ１６の位置を確定する。

図５Ａはマイクロプロセッサ２２によって実行される続きのステップを示すフローチャート１６０であり、図５Ｂ、５Ｃおよび５Ｄは表４に記載されたセンサ１６の配置に関するケース１０、１１および１２をそれぞれ示す。

フローチャート１６０は端子３が使用されていないと判断されたときに始まる。次いで、端子１および４間の抵抗が測定される。これが開回路であった場合、マイクロプロセッサ２２はセンサ１６が端子１および２間に接続された２導線センサであると判断する。開回路でない場合、抵抗値が格納されマイクロプロセッサ２２は上記表４内に格納されたデータに基づいてセンサ位置を計算する。

図６Ａは端子４が使用されていないときの、本発明によるステップを示すフローチャート１８０である。図６Ｂ、６Ｃおよび６Ｄは表５に記載されたセンサ１６の位置に関する可能なケース１３、１４および１５を示す。

フローチャート１８０では、マイクロプロセッサ２２が表５内に格納されたデータに基づいてセンサ１６の位置を計算する。

図７はセンサ１６が端子２および４または３および４間の２導線センサであると判断された場合に、マイクロプロセッサ２２によって実行されるステップを示すフローチャートである。マイクロプロセッサ２２は端子２および４間の抵抗を測定する。これが開回路でなかった場合、センサは端子２および４に接続された２導線センサである。開回路である場合、マイクロプロセッサ２２は端子３および４間の抵抗を測定する。これが開回路であった場合、マイクロプロセッサ２２はセンサが接続されていないと判断する。開回路でない場合、マイクロプロセッサ２２はセンサが端子３および４間に接続された２導線センサであると判断する。

図８Ａおよび８Ｂはすべて送信機１０に接続された熱電対１８の極性判断に関する。図８Ａは、マイクロプロセッサ２２によって実行されるステップを示すフローチャートであり、図８Ｂは熱電対の形態の一例である。フローチャート２２０において、マイクロプロセッサ２２は端子１および２間の電圧を測定する。この測定値はベースライン値Ｖ_baseとして記録される。次に、端子１および２（熱電対１６によって形成される冷接点）はヒータ４１を使って加熱される。ヒータ４１はマイクロプロセッサ２２の制御下で動作するように構成されることができる。マイクロプロセッサ２２は加熱されたときの電圧値Ｖ_heatを記録する。次に、Ｖ_heatがＶ_baseより大きい場合、マイクロプロセッサ２２は端子２が熱電対の正導線側であると判断する。Ｖ_heatがＶ_baseより大きくない場合、マイクロプロセッサ２２は、端子１が負導線側であると判断する。

フローチャートによって述べた種々のステップは必要に応じて変更できる。一般的に、ステップはメモリ３０内に格納されたプログラム命令を使って実現され、マイクロプロセッサ２２によって実行される。

本発明は好ましい実施形態を参照して記述されたが、当業者は、本発明の精神及び範囲内で形態および細部について変更が可能であることを認識できる。測定回路は抵抗または電圧を測定するように記載したが、なんらかの適当な電気的パラメータを測定することができる。ここで使用された「測定回路」は、マイクロプロセッサまたはマイクロプロセッサかつまたは追加のデジタルもしくはアナログ回路によって実現できるステップに付加的に含めることができる。

１…端子
２…端子
３…端子
４…端子
１０…温度送信機
１１…プロセス制御ループ
１４…端子ブロック
１６…センサ
１８…センサ
２０…マルチプレクサ
２２…マイクロプロセッサ
２４…入出力（Ｉ／Ｏ）回路
２６…差動増幅器
２８…高精度Ａ／Ｄ変換器
３０…メモリ
３２…クロック
５０…電流源

Claims

プロセスの温度を測定するためのプロセス変数送信機において、
温度感知素子に接続するように構成された第１の端子と、
温度感知素子に接続するように構成された第２の端子と、
温度感知素子に接続するように構成された第３の端子と、
温度感知素子に接続するように構成された第４の端子と、
前記端子のペア間の電気的パラメータを測定するように構成された測定回路と、
前記端子のペア間で前記測定回路によって測定された電気的パラメータに基づいて、２導線、３導線又は４導線のいずれかの構成により少なくと２つの端子に接続された温度感知素子が前記第１乃至第４の端子のどの端子間にどのように接続されたのかを識別するマイクロプロセッサとを備え、
前記電気的パラメータは抵抗値を含み、
前記マイクロプロセッサは、所定の順序に従い前記端子のペア間の抵抗値が導線抵抗である、導線抵抗及び前記温度感知素子の抵抗の和である又は開回路であることを示している、のいずれであるかを判定し、開回路と判定される都度、当該端子のペアのうち少なくとも一方の端子が使用されていない旨の情報を追加しながら前記所定の順序に従う判定を継続することにより、前記どのように接続されたのかを識別することを特徴とするプロセス変数送信機。
前記端子のうちの２つを加熱するように構成された加熱素子を含み、前記マイクロプロセッサが、加えられた熱に応答して２つの端子の２点間に接続された熱電対の極性を決定するようにさらに構成されている請求項１記載のプロセス変数送信機。
前記マイクロプロセッサは、前記端子のペア間の抵抗値が導線抵抗である又は導線抵抗及び前記温度感知素子の抵抗の和であると判定する都度、当該端子のペアの両方の端子が使用されている旨の情報を追加しながら前記所定の順序に従う判定を継続することを特徴とする請求項１記載のプロセス変数送信機。
前記電気的パラメータが電圧を含む請求項１記載のプロセス変数送信機。
前記マイクロプロセッサが、前記温度感知素子が２導線素子からなるかどうかを判断する請求項１記載のプロセス変数送信機。
前記マイクロプロセッサが、どの導線がどの端子に接続されているかを判断する請求項５記載のプロセス変数送信機。
前記マイクロプロセッサが、温度感知素子が３導線素子からなるかどうかを判断する請求項１記載のプロセス変数送信機。
前記マイクロプロセッサが、どの導線がどの端子に接続されているかを判断する請求項１記載のプロセス変数送信機。
前記マイクロプロセッサが、温度感知素子が４導線素子からなるかどうかを判断する請求項１記載のプロセス変数送信機。
前記マイクロプロセッサが、どの導線がどの端子に接続されているかを判断する請求項９記載のプロセス変数送信機。
前記マイクロプロセッサが、端子ペア間の接続部が導線接続部からなるかどうかを判断する請求項１記載のプロセス変数送信機。
前記マイクロプロセッサが、端子ペア間の接続部がセンサ接続部からなるかどうかを判断する請求項１記載のプロセス変数送信機。
送信機に２導線、３導線又は４導線のいずれかの構成により４つの端子のうち少なくとも２つの端子によって接続される温度感知素子の接続形態を識別するためのプロセス変数送信機における方法において、
所定の順序に従い前記端子のペア間の抵抗値を含む電気的パラメータを測定するステップと、
前記測定された端子のペア間の抵抗値が導線抵抗である、導線抵抗及び前記温度感知素子の抵抗の和である又は開回路であることを示している、のいずれであるかを判定するステップと、
開回路と判定される都度、当該端子のペアのうち少なくとも一方の端子が使用されていない旨の情報を追加するステップと、
追加された情報に従いながら、前記所定の順序に従う測定するステップ及び判定するステップを継続することにより、前記接続形態を識別するステップとを備えることを特徴とする方法。
前記端子のうち、２つを加熱し、加えられた熱に応答して２つの端子間に接続された熱電対の極性を判断する請求項１３記載の方法。
前記測定された端子のペア間の抵抗値が導線抵抗である又は導線抵抗及び前記温度感知素子の抵抗の和であると判定される都度、当該端子のペアの両方の端子が使用されている旨の情報を追加するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１３記載の方法。
前記電気的パラメータが、電圧を含む請求項１３記載の方法。
前記温度感知素子が２導線素子からなるかどうかの判断を含んでいる請求項１３記載の方法。
どの導線がどの端子に接続されているかの判断を含んでいる請求項１７記載の方法。
前記温度感知素子が３導線素子からなるかどうかの判断を含んでいる請求項１３記載の方法。
どの導線がどの端子に接続されているかの判断を含んでいる請求項１９記載の方法。
前記温度感知素子が４導線素子からなるかどうかの判断を含んでいる請求項１３記載の方法。
どの導線がどの端子に接続されているかの判断を含んでいる請求項２１記載の方法。
前記端子のペア間の接続部が導線接続部からなるかどうかの判断を含んでいる請求項１３記載の方法。
前記端子のペア間の接続部がセンサ接続部からなるかどうかの判断を含んでいる請求項１３記載の方法。