JP5303039B2 - 改良された温度計算を有するプロセス温度トランスミッタ - Google Patents

Description

プロセス工業は、化学製品、パルプ、石油、医薬、食品および他の流体加工工場における、たとえば固体、スラリー、液体、蒸気およびガスのような物質と関連するプロセス変数を監視するためにプロセス変数トランスミッタを使用する。プロセス変数は、圧力、温度、流れ、レベル、濁度、密度、濃度、化学成分および他の特性を含む。プロセス温度トランスミッタは、検出されたプロセス温度に関連した出力を与える。プロセスを監視および／または制御することができるように、温度トランスミッタの出力は通常、制御室または他のプロセス装置にプロセス通信ループを通じて交信される。プロセス温度を監視するために、温度トランスミッタは、通常例えば測温抵抗体（ＲＴＤ）のような温度センサを含むか、または温度センサに結合する。

ＲＴＤは、温度の変化に応答して抵抗を変える。ＲＴＤの抵抗を測定することによって、温度を算出することができる。この種の抵抗測定は、通常、既知の電流をＲＴＤに通すこと、およびＲＴＤをはさんで発生する関連する電圧を測定することによって実施される。

一般的な温度トランスミッタにおいては、ＲＴＤ測定は、基準として内部固定抵抗器を使用する。基準抵抗器は、センサ抵抗を算出するため、測定回路を流れる電流を測定することに用いられる。センサ温度に対応する高精度電気抵抗測定値を得るために、このことは、２つの測定位置、または更新のたびにスキャンすることを必要とする。各々のスキャンは一般的にセトリング時間を必要とし、かつ一般的には設定された配線遮断周波数に対応する複数の電源ライン周期にわたって変換される。平均のＲＴＤの更新は、内部オフセット測定を含む測定に約２５０ミリ秒を要しうる。温度トランスミッタが単一の温度センサに接続している場合には、この時間は通常、あまり長いとはいえない。しかしながら、たとえばミネソタＣｈａｎｈａｓｓｅｎのＥｍｅｒｓｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔから入手可能な、商品名Ｍｏｄｅｌ ８４８Ｔ Ｆｉｅｌｄｂｕｓとして販売される高密度温度トランスミッタのような最近のプロセス温度トランスミッタでは、８個のＲＴＤセンサが使われている。８個のＲＴＤセンサを使用することは、約２５０ミリ秒の８倍になる。いくつかの状況においては、この更新速度では遅すぎて、ユーザは許容できない。基準スキャンが省略される場合、更新速度が劇的に増加する一方、温度測定の精度は極端に劣化する。

ＲＴＤ抵抗を検出することができて、かつスキャン時間を増加させないで高品質温度出力を供給することができる温度トランスミッタを提供することは、プロセス工業温度トランスミッタにおける進展を意味する。この進展は任意のプロセス工業温度トランスミッタに適用され得るが、それは比較的多数のＲＴＤに接続する温度トランスミッタに特に有益である。

プロセス温度トランスミッタにおける、プロセス温度出力を供給する方法が記載される。該方法は、基準抵抗器および測温抵抗体（ＲＴＤ）を含む回路での測定電流を供給することを含む。基準抵抗器を測定電流が流れるときに、基準抵抗器をはさむ第１の電圧が測定される。ＲＴＤを測定電流が流れるときに、ＲＴＤをはさむ第１の電圧が同様に測定される。ＲＴＤの第１の抵抗は、基準抵抗器をはさむ測定された電圧および測定された第１の電圧に基づいて算出される。第１のプロセス温度出力は、ＲＴＤの第１の抵抗に基づいて供給される。測定電流がＲＴＤの中を流れるときに、ＲＴＤをはさむ第２の電圧が続いて測定される。その後ＲＴＤをはさむ測定された第２の電圧および基準抵抗器をはさむ測定された第１の電圧に基づいて、基準抵抗器をはさむ第２の電圧が推定される。ＲＴＤをはさむ第２の抵抗は、測定された第２の電圧および推定された第２の電圧に基づいて算出される。第２のプロセス温度出力は、第２の抵抗に基づいて供給される。

本発明の実施形態が特に有用であるプロセス温度トランスミッタの線図である。 本発明の実施形態に従ってプロセス温度を提供する方法のフロー図である。

図１は本発明の実施形態が特に有用であるプロセス温度トランスミッタの線図である。
プロセス温度トランスミッタ１２は、ループ通信機２０、複数のセンサ端末２２、電流供給源２４、電圧測定装置２６、コントローラ２８およびスイッチ／ＭＵＸ３０を含む。

ループ通信機２０は、プロセス制御ループ１６（実在しないものとして示す）に接続され、かつプロセス制御ループ１６を通じて通信するのに適している。プロセス制御ループ１６は、プロセス情報に関連した信号を送ることができる任意の物理的な構造である。たとえば、プロセス通信ループ１６は、２線式の４−２０ｍＡのプロセス通信ループでありえる。電流がプロセス変数に対応するように、この種のプロセス通信ループに接続するプロセス変数トランスミッタは、ループ中を流れる電流量を制御する。いくつかのプロセス通信ループの実施形態において、通電レベルは十分低く、たとえば１９９８年１０月に発行された、標題「Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙ Ｓａｆｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｃｌａｓｓ Ｉ， ＩＩ， ａｎｄ ＩＩＩ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ １ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ （Ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ） Ｌｏｃａｔｉｏｎｓ」・分類番号３６１０の工場相互認可基準に記載のような固有安全仕様に適合する。いくつかのプロセス変数トランスミッタは、４−２０ｍＡのプロセス通信ループから全ての必要な電力を受け取ることができるような低エネルギーレベルで作動することができる。

ループ通信機２０は、アナログ通信のための４−２０ｍＡの通信部を含むことができる。ディジタル信号のために、ループ通信機２０は同様に、ハイウエイ・アドレサブル・リモート・トランスデューサ（ｈｉｇｈｗａｙ ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ ｒｅｍｏｔｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＨＡＲＴ（登録商標））通信部、ファウンデーション（ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ）（商標）フィールドバス（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）通信部、またはたとえばプロフィバス（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ）部、コントローラ・エリア・ネットワーク（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）（ＣＡＮ）部、デバイスネット（ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ）部またはロンワークス（Ｌｏｎｗｏｒｋｓ）部のような任意のほかの適切な部分を含むことができる。加えて、さまざまな部分を一緒に含むことができる。このように、ループ通信機２０は、周知の方法で一つ以上の選択されたプロトコルに従う、プロセス通信ループ１６を通じた双方向通信に望ましくは適している。

プロセス通信ループ１６は、任意の適切な数の導体を含むことができる。たとえば、プロセス通信ループ１６は、２、３または４導体プロセス通信ループでありえる。導体は、それ自身電線または光ファイバーの媒体でありえる。更に、無線プロセス通信ループが使われることになっている場合、導体を省略することができ、かつこの種の通信のためにループ通信機２０を周知の方法で適用することができる。

図１は、ＲＴＤ３２（実在しないものとして示す）のような測温抵抗体に接続する一対のセンサ端子２２を示す。図１は一対のセンサ端子２２を示すが、任意の適切な数の端子をＲＴＤ３２と接続するために用いることができる。このように、ＲＴＤ測定は、２、３または４導線ＲＴＤ測定でありえる。ＲＴＤ３２は、トランスミッタ１２（図に示すように）と離されるか、またはトランスミッタ１２内に含むことができる。

電流供給源２４は、センサ端子２２に接続されていて、かつセンサ端子２２を通して測定電流を送るのに適している。既知の測定電流を未知の抵抗に通すことは、抵抗値を表すこととなる、抵抗を通ったことに関連する電圧降下を引き起こす。電流供給源２４は、ブロック図中に示されて、比較的安定電流を与える任意の電流供給源でありえる。図１に図示するように、電流供給源２４は同様に、その電流を基準抵抗器３４に通す。後でより詳しく記載するように、基準抵抗器３４をはさむ電圧が電圧測定モジュール２６およびスイッチ／ＭＵＸ３０を使用して測定されるときに、電流を基準抵抗器３４に通すことによって電流自体を算出することができる。一旦電流が測定されると、その後ＲＴＤ３２をはさんで発生する電圧の次の測定値を用いて、ＲＴＤ３２の抵抗およびその結果としての正確な温度を算出することができる。

電圧測定装置２６は、ノード３６およびスイッチ／ＭＵＸ３０に接続する。スイッチ／ＭＵＸ３０は、コントローラ２８によって配線３８経由で制御される。このことにより、コントローラ２８は、電圧測定装置２６の配線４０をノード４２、４４の選択された一つに選択的に接続させる。明らかなように、ＭＵＸ３０が配線４０をノード４４に接続させるときに、電圧測定装置２６による電圧の測定値は基準抵抗器３４をはさむ電圧を示す。対照的に、スイッチ／ＭＵＸ３０が配線４０をノード４２に接続させるときに、電圧測定装置２６はＲＴＤ３２をはさむ電圧を測定する。電圧測定装置２６は、任意のアナログ・ディジタル変換器でありえ、または電圧を測定することができる他の任意の適切な装置でありえる。コントローラ２８は、電圧測定装置２６、ループ通信機２０およびスイッチ／ＭＵＸ３０に接続する。コントローラ２８は、プロセス通信ループ１６を通じた通信のために、ループ通信機２０にプロセス温度出力値を供給するのに適している。コントローラ２８は、プログラム可能なゲートアレイ、マイクロプロセッサ、またはソフトウェア命令を実行して、かつ本発明の実施形態に従ってプロセス温度出力を算出することが可能な他の任意の適切な装置でありえる。

本発明の実施形態に従って、ＲＴＤの測定より低い頻度でコントローラ２８が基準抵抗器の抵抗の測定値を得るようにするために、どのような形態であれ、ＲＴＤ３２からのセンサ入力変化に基づいて、フィードバックによりコントローラ２８は補正された基準スキャンを使用できる。基準抵抗器３４がスキャンされない場合、毎回のセンサ更新ごとに高精度測定を実現するために、新しいセンサスキャンに連動する補正が前回の基準スキャンに適用される。これにより、温度装置はより少ない頻度で基準抵抗を測定できて、更新速度を２５％も（８つのセンサデバイスにつき約５００ミリ秒）増加させることができる。同様にこのため、測定回路が必要とする通電時間を削減することにより、無線高密度温度装置の電力消費が削減できて、かつ電池寿命が増大する。

上記の通りに、ＲＴＤ抵抗を測定するために、励起電流は、ＲＴＤ３２および基準抵抗器３４の両方に通される。ＲＴＤ抵抗は、下記の方程式によってレシオメトリックに決定される。

ここで、
Ｒ_sensor：ＲＴＤセンサ抵抗
Ｒ_reference：基準抵抗
Ｖ_reference：基準抵抗器をはさんで測定された電圧
Ｖ_sensor：ＲＴＤセンサをはさんで測定された電圧
励起電流が共通であることがわかっているので、補正係数の算出ができる。補正係数は、センサ電圧の変化を基準電圧の変化と関連づけるように算出することができる。補正係数は、測定されたセンサ電圧のフルスケール変化の量を測定された基準電圧のフルスケール変化で除することにより決定される。

ここで、
Ｖ_{sensor@100%Input}：センサ抵抗がその範囲の１００％に近いときの、ＲＴＤセンサをはさんで測定した電圧
Ｖ_{ref@100%Input}：センサ抵抗がその範囲の１００％に近いときの、基準抵抗器をはさんで測定した電圧
Ｖ_{sensor@0%Input}：センサ抵抗がその範囲の０％に近いときの、ＲＴＤセンサをはさんで測定した電圧
Ｖ_ref@0%Input：センサ抵抗がその範囲の１００％に近いときの、基準抵抗器をはさんで測定した電圧
Ｋ_factor：基準抵抗器のために使用する電圧測定を補正するために使用するスカラ
補正係数は、トランスミッタの特性解析処理（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）の間に算出することができるか、または、通常のプロセス計測更新の処理の間にリアルタイムで算出できる。その後、補正係数は新たな推定基準電圧測定値を算出するために用いることができる。この量は、以前測定された基準電圧に加えて、新たなセンサ測定と、基準電圧が以前測定されたときに得られたセンサ電圧測定値との間の変化量に基づく。

ここで、
Ｖ_{sensor@ref_update}：基準測定が最終更新されたときの、ＲＴＤセンサをはさむ電圧測定
Ｖ_{ref_updated}：基準抵抗器をはさむ最終更新された電圧測定
Ｖ_{ref_corrected}：補正された基準電圧測定
補正係数は、通常の製造特性解析処理を通して、または、未加工のＡ／Ｄ計数を監視し、かつ係数を算出することによって手動で、算出される。

図２は、本発明の実施形態に従ってプロセス温度測定を提供する方法のフロー図である。方法１００は、電流が基準抵抗器を流れるときに、プロセス温度トランスミッタが基準抵抗器をはさんで発生する電圧を測定するブロック１０２から始まる。ブロック１０４では、同じ電流がＲＴＤを流れるときにＲＴＤをはさんで発生する電圧が測定される。ＲＴＤの前に基準抵抗器を測定するという順序は、単に明確にするための目的で提示されていることに注意する必要があり、実際には、この順序を逆にすることができる。ブロック１０６では、周知の技術に従って，ブロック１０２、１０４のそれぞれで、基準抵抗器をはさんで測定される電圧および、ＲＴＤをはさんで測定される電圧を使用して、プロセスの温度が算出される。
次に、基準抵抗器を再スキャンするかわりに、ブロック１０８はＲＴＤをはさむ電圧の再測定を実施する。次に、ブロック１１０で、新たな基準電圧測定の推定値を算出するために、補正係数が用いられる。この新たに算出された基準電圧測定の推定値は、ブロック１０２で前に測定された基準電圧に加えて、ブロック１０８の新たなセンサ測定、および、基準電圧が以前測定されたときと同じサイクルの間で得られたセンサ測定（ブロック１０４）の間の変化の量に基づく。補正係数は、基準抵抗器を再スキャンする必要なくＲＴＤの抵抗を算出するためにコントローラ２８によって使われる、推定された基準電圧測定を提供する。ブロック１１０で、コントローラ２８は、ブロック１０８での電圧測定および補正係数で補償された基準測定に基づくプロセス温度出力を供給する。次に、ブロック１１２で、新たな基準が必要かどうかが決定される。この判定は、任意の数の要因に基づいて行うことができる。たとえば、それは単に最後の基準抵抗測定がなされた時からのＲＴＤスキャンの回数でありえる。たとえば、コントローラ２８は、ＲＴＤの３回目、４回目または１０回目のスキャンごとに基準抵抗器をスキャンするように構成することができる。加えて、またはもう一つの方法として、判定は同様に、温度センサ３２自体の抵抗に基づくことができる。望ましくは、一組の閾値または帯域はセンサ入力をひとまとめに扱い、かつ、センサ入力が上限かもしくは下限を越えるときに、新たな基準スキャンが実行される。新たな基準スキャンが必要な場合、制御は線１１４に沿ってブロック１１２からブロック１０２まで移動する。反対に、新たな基準スキャンが必要でない場合、制御は単に線１１６を経てブロック１０８に戻る。

補正係数は、トランスミッタが測定Ａ／Ｄ計数の時には「スナップショット」を撮ることができる閾値を設定することによって、温度トランスミッタによって自動的に算出されることができる。高および低の２つの閾値が必要である。一旦温度トランスミッタが閾値を越えたセンサ入力値を測定すると、温度トランスミッタはそれが他方の閾値に届くまで、Ａ／Ｄ計数を保持することができる。各々の閾値を越えたＡ／Ｄ計数が集まると、補正係数は温度トランスミッタ１２のコントローラ２８によって算出されることができる。このことは、製造過程で自動的に補正係数を特性化するために有用な方法を提供するが、同時に常態の演算にも使われることができる。

温度補償を基準補間法に適用することにより、基準抵抗がいつ経時的におよび温度によってドリフトしたかを検出することができる。基準抵抗器３４がドリフトする場合、この検出方法は、高精度測定を維持するために、または温度トランスミッタ１２が精度許容範囲内ではもはや測定できないことをユーザまたはプロセス制御システムに単に警告するために、特性化された係数を再調整するために用いることができる。このオプションは、ＳＩＳ温度製品の安全側故障率を増やすことができる。

変化率は電源周波数の測定への影響を分析するためにも適用することができる。一般的に、温度トランスミッタには、ユーザが５０Ｈｚか６０Ｈｚのフィルタを選ぶことができる設定がある。このことは、（フィルタのオーダー）／（電源周波数）の時間間隔で更新速度を変える。大部分の装置が良好に配線されかつ接地されているため、このことは通常必要とされない。電源周波数成分は無視してさしつかえない。この場合、フィルタの挙動全てが更新速度を低減する。もし変化率方程式（ｃｈａｎｇｅ ｒａｔｉｏ ｅｑｕａｔｉｏｎ）が電源周波数の影響を分析するために用いられるとした場合、電源周波数が測定値に影響を及ぼさないときには、更新速度は増加する。もし電源周波数の影響がセンサ測定に影響を及ぼすのに十分高くないとした場合、変化率は予め設定された限界を越え、かつ温度トランスミッタが、その効果を低減するように適切なラインフィルタを選択させるようにする。

この方法は、同様にセンサ測定への電磁気的干渉の影響を認識し、かつ更新の適格性を認定するために用いることができる。電源周波数の影響に関する概念と同様で、変化率を伴ったセンサ測定および基準測定は、基本的に、測定の「健全性」検査として使うことができる。測定された基準および比率方程式（ｒａｔｉｏ ｅｑｕａｔｉｏｎ）によって発生する基準が予め設定された限界の外にある場合、温度トランスミッタはその測定を留保してプロセス制御システムへの報告を中止することができる。その後トランスミッタは最後の良好な値を保持し、再測定を実施するか、または診断的警報かまたは他の適切な情報をユーザに与える。

本明細書において示される概念は特定の実施形態に関して記載されてきたが、当業者は、下記の請求項の精神と範囲から逸脱することなく形式及び詳細において変更を加えることができることを認めるであろう。

Claims (19)

1. プロセス温度トランスミッタにおいて、プロセス温度出力を供給する方法で、
   基準抵抗器および測温抵抗体（ＲＴＤ）を含む回路を流れる測定電流を与えること、
   測定電流が基準抵抗器中を流れるときに、基準抵抗器をはさむ第１の電圧を測定すること、
   測定電流がＲＴＤ中を流れるときに、ＲＴＤをはさむ第１の電圧を測定すること、
   測定された基準抵抗器をはさむ電圧および測定された第１の電圧に基づいて第１のＲＴＤの抵抗を算出すること、
   ＲＴＤの第１の抵抗に基づいて第１のプロセス温度出力を供給すること、
   測定電流がＲＴＤを流れるときに、第１の電圧の測定の後で発生する第２の測定である、ＲＴＤをはさむ第２の電圧を測定すること、
   測定されたＲＴＤをはさむ第２の電圧および測定された基準抵抗器をはさむ第１の電圧に基づいて、基準抵抗器をはさむ第２の電圧を推定すること、
   測定された第２の電圧および推定された第２の電圧に基づいてＲＴＤをはさむ第２の抵抗を算出すること、
   第２の抵抗に基づいて第２のプロセス温度出力を供給すること、
   を含む方法。
2. プロセス温度トランスミッタのアナログ・ディジタル変換器を使用して測定ステップを実行し、かつプロセス温度トランスミッタのプロセッサを使用して算出を実行する、請求項１に記載の方法。
3. プロセス通信ループを通じてプロセス温度出力が供給される、請求項１に記載の方法。
4. 第２の電圧の推定が、少なくとも部分的に補正係数に基づく、請求項１に記載の方法。
5. 補正係数が「フルスケール入力のセンサ電圧およびゼロ入力のセンサ電圧の差」と「フルスケール入力の基準電圧およびゼロ入力の基準電圧の差」との比に基づく、請求項４に記載の方法。
6. 補正係数がトランスミッタの特性解析処理の間に算出される、請求項５に記載の方法。
7. トランスミッタが、プロセスに接続する間に補正係数が算出される、請求項５に記載の方法。
8. 基準抵抗器をはさんで測定される電圧に補正を適用するために、補正係数の経時的な変化を検出することができる、請求項７に記載の方法。
9. 補正係数の経時的な変化が検出され、かつ診断情報を提供するために使用される、請求項７に記載の方法。
10. 診断情報が電源周波数の影響に関連がある、請求項９に記載の方法。
11. 診断情報が電磁気的干渉に関連がある、請求項９に記載の方法。
12. 測定電流がＲＴＤを流れている間に、第２の電圧の測定後に行う次の測定である、ＲＴＤをはさむ次の電圧を測定すること、
    測定された次の電圧および、測定された基準抵抗器をはさむ第１の電圧に基づいて基準抵抗器をはさむ次の電圧を推定すること、
    測定された次の電圧および推定された基準抵抗器をはさむ次の電圧に基づいて、ＲＴＤをはさむ次の抵抗を算出すること、および
    次の抵抗に基づいて次のプロセス温度出力を供給すること、
    をさらに含む請求項１に記載の方法。
13. 次の電圧の測定、次の電圧の推定、次の抵抗の算出および次のプロセス温度を供給することが、所定の条件が満たされるまで繰り返され、所定の条件が満たされた場合に、前記方法の処理が、基準抵抗器をはさむ第１の電圧の測定にフィードバックする請求項１２に記載の方法。
14. 所定の条件が、ＲＴＤをはさむ電圧が測定される周期の回数である、請求項１３に記載の方法。
15. 所定の条件が、プロセス温度出力である、請求項１３に記載の方法。
16. プロセス温度トランスミッタにおいて、プロセス温度出力を供給する方法で、
    基準抵抗器および測温抵抗体（ＲＴＤ）を含む回路を流れる測定電流を与えること、
    測定電流が基準抵抗器を通過するときに基準抵抗器をはさむ基準電圧を測定すること、
    測定電流がＲＴＤを通過するときにＲＴＤをはさむ電圧を測定すること、
    測定された前の基準電圧およびＲＴＤをはさんで測定される電圧に基づいて、次の基準電圧を推定すること、
    推定された次の基準電圧および測定された電圧に基づいてＲＴＤの抵抗を算出すること、および
    ＲＴＤの抵抗に基づいて、プロセス温度出力を供給すること
    を含む方法。
17. ＲＴＤをはさむ電圧の測定、次の基準電圧の推定、次の抵抗の算出および次のプロセス温度を供給することが、所定の条件が満たされるまで繰り返され、所定の条件が満たされた場合に、前記方法の処理が、基準抵抗器をはさむ基準電圧の測定にフィードバックする請求項１６に記載の方法。
18. 所定の条件が、ＲＴＤをはさむ電圧が測定される周期の回数である、請求項１７に記載の方法。
19. 所定の条件が、プロセス流体温度出力である、請求項１７に記載の方法。

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