JP6166353B2 - プロセス送信機におけるプロセス変数補償 - Google Patents

Description

本発明は、産業プロセス制御及び監視システムに用いられるタイプのプロセス変数送信機に関する。本発明は、特に、プロセス変数送信機で感知されたプロセス変数の補償に関する。

プロセス変数送信機は、石油精製所や、紙パルプ生産等の産業プロセスを監視するのに用いられる。プロセス変数送信機は、プロセス流体の、圧力、温度、流速、レベル等のプロセス変数を測定する。測定されたプロセス変数は、中央のプロセス制御室のような、他の場所へ送信されることができる。送信は、２線プロセス制御ループのような有線接続を経て、又は無線接続を経てなされることができる。感知されたプロセス変数は、プロセスを監視するのに、又はプロセスの動作を制御するのに用いられることができる。

本発明に関連する従来技術として、下記のものがある。

特表２００１−５２３４２９号公報

プロセス変数は、プロセス変数センサを用いて測定される。典型的には、プロセス変数センサが提供する、その出力と感知されたプロセス変数との間の関係は、真っすぐな線形（リニア）の関係ではない。その出力は、測定されたプロセス変数の関数として、又はプロセス変数センサの温度等の他のパラメータの関数として、非線形でありうる。このため、測定の正確さを改善するために、測定されたプロセス変数を補償又は補正するのが好ましい。

プロセス変数送信機は、感知されたプロセス変数に関連するプロセス変数センサ出力を有するプロセス変数センサを含む。アナログ補償回路は、プロセス変数センサ出力を受信し、制御入力に応答する補償機能に基づいて補償されたプロセス変数センサ出力を応答的に提供するように構成されている。出力回路は、補償されたプロセス変数に基づく出力を提供する。デジタル制御回路はアナログ補償回路に結合され、該アナログ補償回路の制御入力に印加される制御出力を提供し、よって補償機能を制御する。

本発明によれば、デジタルコントローラを用いて制御されるアナログ補償技術を用いることにより、センサの測定値の正確さの向上と高速化をはかれるようになる。

図１は、産業プロセス制御又は監視システムの簡略化された図である。 図２は、デジタル補償を用いる、従来技術のプロセス変数送信機の簡略化されたブロック図である。 図３は、補償を用いない、従来技術のプロセス変数送信機の簡略化されたブロック図である。 図４は、アナログ補償を用いる、従来技術のプロセス変数送信機の簡略化されたブロック図である。 図５は、デジタル回路により制御されるアナログプロセス変数補償を備えた本発明によるプロセス変数送信機の簡略化されたブロック図である。 図６は、２つの変数範囲（two variable ranges）を用いるプロセス変数補償を示すグラフである。 図７は、３つの変数範囲（three variable ranges）を用いるプロセス変数補償を示すグラフである。 図８は、５つのプロセス変数範囲を用いるプロセス変数補償を示すグラフである。

本発明は、比較的高速でかつ高い精度で機能することのできる、プロセス変数を補償又は補正するための方法と装置を提供する。一つの実施形態では、本発明は、アナログ回路が補償を行い、該アナログ回路がデジタル回路により制御される、ハイブリッド技術を用いる。

図１は、本発明を実施するように構成されたプロセス変数送信機１０２を含む、産業プロセス制御又は監視システム１００の簡略化されたブロック図である。プロセス変数送信機１０２はプロセスパイプ１０４に結合され、プロセス変数センサ１０８を用いてプロセス流体１０６のプロセス変数を測定するように構成されている。プロセス変数の例としては、圧力、温度、流速、レベル、ｐＨ等がある。プロセス変数送信機１０２中の回路は、測定されたプロセス変数を補償し、該プロセス変数を制御室１１０のような遠隔地に送信するように構成されることができる。図１中の制御室１１０は、抵抗１１４と電源１１６を含むとして図示されている。この送信は、２線プロセス制御ループ１１２のような有線技術を用いて行うことができ、該ループ１１２はまたプロセス変数送信機１０２に電力を提供するのにも用いることができる。一つの例示的な構成では、２線プロセス制御ループ１１２は、４ｍＡがプロセス変数の低い値を表わし、２０ｍＡがプロセス変数の高い値を表わすＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルに従って動作する。デジタル信号は、アナログの電流レベルの上に重ね合わせることができる。他の例示的な構成では、プロセス制御ループ１１２は、情報が無線で制御室１１０に送信される無線通信リンクからなる。この例では、ＩＥＣ６２５９１標準に従う無線ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルを含む。

図２は、従来技術のプロセス変数送信機１５０のための簡略化されたブロック図である。送信機１５０は、プロセス変数を測定し、アナログ出力をデジタル変換器１５４に提供するように構成されたセンサ１５２を含む。マイクロプロセッサ（"コントローラ"又は"プロセッサ"）１５６は、アナログ・デジタル変換器１５４からデジタル信号を受け取り、該デジタル信号の補償を行い、プロセス変数を決定する。該プロセス変数に関連する情報は、デジタル値をアナログ電圧のレベルに変換するデジタル・アナログ変換器１５８に提供され、さらに、電圧・電流変換器１６０に提供される。これは、２線プロセス制御ループ上の電流を、４ｍＡ低電流レベルと２０ｍＡ高電流レベルとの間に制御するのに用いられる。図２のブロック図は、大きく簡略化されており、例えば、追加の機能を、増設のデジタルプロセッサ及び／又はアナログ回路に設けることができる。センサ装置それ自身が非線形を含んでおり、該センサ１５２からの信号は、例えば、温度又は他の環境変数に基づいて補償されることができる。しかしながら、そのような補償は、プロセッサ１５６の計算必要量を増大し、また測定装置の演算速度を遅くする。

図３は、アナログ回路のみを用いる構成のプロセス変数送信機１７０の簡略化されたブロック図である。図３の構成では、センサ１５２からの出力は、増幅器１７２に提供される。増幅器１７２は、アナログ信号を、２線プロセス制御ループ１１２上に送信するための電圧・電流変換器１６０に直接提供する。送信機１７０の構成は、高速の演算を可能にするが、センサ１５２からの出力に対して（増幅以外の）いかなる補償も提供しない。

他の例では、感知されたプロセス変数を補償するアナログ回路が用いられている。例えば、図４は、フィードバック信号を測定されたプロセス変数に提供するためのフィードバック回路１８２を含む、従来技術のプロセス変数送信機１８０の簡略化されたブロック図を示す。この構成では、プロセス変数センサ１５２が例えば歪みゲージ（strain gauge）のようなブリッジ１８４として図示されている。フィードバック回路１８２は、ブリッジ１８４に、増幅器１７２からの出力の関数として変化する励起電圧と、加算ノード１８６で増幅器出力と加算されるオフセット電圧とを提供する。フィードバック回路１８２は、温度補償を提供するように、またセンサ１５２からの出力を線形化するように、仕立てられることができる。図４に示されている構成は高速センサ装置を提供するが、デジタル回路が感知されたプロセス変数を補償する時に提供するような、正確さは提供しない。

本発明は、デジタルコントローラを用いて制御されるアナログ補償技術を用いて補償することにより、センサの正確さを改善することを提供するための方法と装置を含む。図５は、プロセス変数センサ１５２と、電圧・電流変換器１６０とを含む、プロセス変数送信機２００の簡略化されたブロック図である。前記電圧・電流変換器１６０は、いかなるタイプの出力回路であっても良く、図示されているような特定の実施例に限定されないことは注意されるべきである。他の実施例は、有線構成、およびＩＥＣ６２５９１標準に従うＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルのような無線構成を含むいかなるタイプのプロセス制御ループを含む。プロセス変数センサ１５２からの出力は、プログラマブル増幅器２０２を用いて増幅され、フィードバックは、出力回路１６０に提供されるより前に加算ノード２０６を通して行われる。フィードバックループを制御するコントローラ２０８が設けられている。プログラマブル増幅器２０２は、コントローラ２０８からの入力により制御される。加算ノード２０６は、コントローラ２０８からローパスフィルタ２１０を通るフィードバック信号を受ける。コントローラは、プログラマブル増幅器２０２からの出力をデジタル化するために、アナログ・デジタル変換器（又は、シンプルな比較器）を含む。デジタル化された値に基づいて、増幅器２０２によって提供される増幅量はコントローラ２０８により制御される。温度センサはまた図示されているが、他のタイプの環境センサが、環境又はセンサ１５２の動作に影響を与える他の特性を感知するのに用いられることができる。特性データ（characterization data）を含むメモリが含まれている。

動作中に、コントローラは、センサ１５２が動作している特定の範囲（レンジ）（particular range）、例えば圧力範囲（レンジ）を、アナログ・デジタル変換器からの出力を用いて特定又は識別する。さらに、温度情報が得られ、フィードバック（ΔＵ）信号が前記特定のセンサ範囲（particular sensor range）と温度とに基づいて感知されたプロセス変数を補償するために導入される。この補償は、ローパスフィルタ２１０を用いてフィルタされるパルス幅変調器ＰＷＭを用いて発生される。プログラマブル増幅器２０２による増幅は、センサ１５２により測定されるプロセス変数の特定の範囲に基づいて調節されることができる。メモリは、センサ出力と温度測定値をいくつかの範囲に分割する段階的技術（step wise techniques）を含む補償技術に従って情報を蓄積することができる。例示的な補償技術は、多項式も、特定の範囲に渡って適用される線形補償式も含む。特定の間隔、係数等は、製造中または製造後に行われる装置の特性化（characterization）の間に決定されることができる。

図５はまたＰＣインタフェース２１４を介してコントローラ２０８と通信するコンピュータ（ＰＣ）２１２を図示する。コンピュータ２１２は、装置２００の動作を監視するのに用いられることができると共に、コントローラ２０８のＥＥＰＲＯＭ中に補償情報を蓄積するのに用いられることができる。補償情報の蓄積は、装置２００の製造中に行われることができる、又は、例えばセンサ測定値のドリフトに基づいて補償を更新するために、製造後に行われることができる。

図６，７及び８は、異なる範囲の間隔（range intervals）を用いて得られた補償プロセス変数出力を示すグラフである。これらの図は、センサ１５２の前記間隔ごとの線形（linear）特性を示している。図６では、二つの間隔、つまり一つは圧力Ｐ１とＰ２の間、および他の一つは圧力Ｐ２とＰ３の間、が用いられている。図７では、三つの圧力範囲が用いられている。この圧力範囲は、必ずしも一様な間隔でないことに注意してほしい。測定精度のさらなる増加は、図８に示されているように、五つの圧力範囲の間隔を用いて得られる。なお、圧力範囲の個数は、センサ圧力の線形と所望する正確さとに基づいて選択されることができる。他のタイプの特性化技術（characterization techniques）又は補償技術は、多項式や、他の曲線適合法（curve fitting techniques）を用いて実施されることができる。特定の特性化技術に基づいて、図５に示されている加算ノード２０６で提供される調節可能なオフセットと、増幅器２０２により提供される増幅（度）が提供される。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、形態や細部において変更できることを認識するであろう。図５は、アナログ信号補償回路の例として、加算ノードと共に用いられる、プログラム可能な増幅器を示している。しかし、他のアナログ信号補償回路が他の構成と共に用いられることができる。さらに、いかなるタイプの出力回路も有線及び無線の両方を含めて用いられることができる。送信機は、バッテリや太陽電池等の独立した電源システムを用いて電力供給することも、情報を運ぶのに用いられる有線接続を含む有線接続を経て電力供給することもできる。いかなるタイプのデジタル回路を用いることができ、デジタル回路の機能性は多くの異なるデジタル回路に拡張されることができる。例えば、複数のマイクロプロセッサやコントローラが用いられることができる。同様に、デジタル機能性は、論理光（logic rays）で実施されることができ、いくつかの実施形態では、マイクロプロセッサにより提供される増強された機能性は必要とされない。補償を決定するためのいかなるタイプのデジタル技術を用いることができ、本発明は、ここで説明した特定の間隔ごとの線形構成に限定されない。他の技術はマッピング技術を含み、他の曲線適合技術は、多項式曲線適合等を含む。圧力センサは詳細な説明中に開示されているが、補償することが望まれる、他のタイプのプロセス変数センサも用いられることができる。さらに、補償は、他の入力に基づいても、センサからの出力に基づいても行われることができる。これらの他の入力は、他のセンサ、他の構成要素、他の送信機からの入力を含む構成要素又は入力、特定のプロセス流体に関連する情報、経時的情報、構成要素の年齢、エラー測定値等から来るものであってもよい。

１５２・・・センサ、１６０・・・電圧・電流変換器、２００・・・プロセス変数送信機、２０２・・・プログラマブル増幅器、２０８・・・コントローラ、２０６・・・加算器、２１０・・・ローパスフィルタ、２１４・・・ＰＣインタフェース。

Claims (18)

1. プロセス変数送信機であって、
   複数の範囲にわたり感知されたプロセス変数に関連するプロセス変数センサ出力を有するプロセス変数センサと、
   前記プロセス変数センサ出力を受け取り、制御入力に応答する補償機能に基づいて補償されたプロセス変数センサ出力を応答的に提供するように構成されたアナログ信号補償回路と、
   補償されたプロセス変数に基づく出力を有する出力回路と、
   前記アナログ信号補償回路に接続されるデジタル制御回路であって、該アナログ信号補償回路の前記制御入力に印加され、前記複数の範囲にわたり感知されたプロセス変数の範囲の関数である制御出力を有し、それにより前記補償機能を制御し、プロセス変数センサ出力を受信するように構成されたデジタル制御回路と、
   前記アナログ信号補償回路と前記出力回路との間に提供され、前記プロセス変数センサ出力へフィードバックして加算するように構成された加算ノードと、
   を備える一方、
   前記アナログ信号補償回路は、前記制御出力の関数として前記プロセス変数センサ出力を特定の範囲に基づいて調整可能に増幅するプログラマブル増幅器を含む
   プロセス変数送信機。
2. 前記制御出力が前記プロセス変数センサ出力に基づくものである、請求項１に記載のプロセス変数送信機。
3. 前記制御出力がさらに感知された環境測定値に基づくものである、請求項１に記載のプロセス変数送信機。
4. 前記感知された環境測定値が温度を含む、請求項３に記載のプロセス変数送信機。
5. 前記出力回路は有線出力を提供する、請求項１に記載のプロセス変数送信機。
6. 前記出力回路は無線出力を提供する、請求項１に記載のプロセス変数送信機。
7. 前記制御出力は間隔ごとの線形補償アルゴリズムに基づくものである、請求項１に記載のプロセス変数送信機。
8. 前記制御出力は多項式に基づくものである、請求項１に記載のプロセス変数送信機。
9. プロセス変数送信機中で実行される方法であって、
   プロセス変数センサを用いて産業プロセス流体のプロセス変数を複数の範囲にわたり感知し、該感知されたプロセス変数を表わすプロセス変数センサ出力を提供することと、
   制御入力の関数として前記プロセス変数を補償するアナログ信号補償回路を用いてプロセス変数出力を補償し、よって測定されたプロセス変数中のエラーを低減することと、
   前記補償されたプロセス変数に基づいて送信機出力を提供することと、
   プロセス変数センサ出力を受信するように構成されたデジタル制御回路を用いて前記アナログ信号補償回路の制御入力に印加される前記複数の範囲にわたり感知されたプロセス変数の範囲の関数である制御出力を決定し、前記アナログ信号補償回路の補償機能を応答的に制御することと、
   前記アナログ信号補償回路と前記出力回路との間の加算ノードでのフィードバックにより、前記プロセス変数センサ出力を加算することと、を含む一方、
   前記アナログ信号補償回路における補償するステップは、前記制御出力の関数として前記プロセス変数センサ出力を特定の範囲に基づいて調整可能に増幅するプログラマブル増幅器の増幅を調整するステップを含む方法。
10. 前記制御出力が前記プロセス変数センサ出力に基づくものである、請求項９に記載の方法。
11. 前記制御出力が感知された環境測定値に基づくものである、請求項９に記載の方法。
12. 前記環境測定値は温度を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記出力回路は有線出力を提供する、請求項９に記載の方法。
14. 前記出力回路は無線出力を提供する、請求項９に記載の方法。
15. 前記制御出力は間隔ごとの線形補償アルゴリズムに基づくものである、請求項９に記載の方法。
16. 前記制御出力は多項式に基づくものである、請求項９に記載の方法。
17. プロセス変数送信機の環境を表す環境センサ出力を備えた環境センサを含み、補償出力が環境センサ出力の機能である請求項１に記載のプロセス変数送信機。
18. 前記デジタル制御回路は多数のセンサ範囲からセンサの動作範囲を決定し、制御出力が多数のセンサ範囲からセンサの動作範囲を決める機能である
    請求項１に記載のプロセス変数送信機。