(57)【要約】【課題】　検証機能を備えたレベルスイッチを提供する。【解決手段】　プロセス容器内の液体レベルを検出するために用いることができるレベルスイッチは、自己検証機能を有するため、正確な操作およびスイッチ較正のために手動試験を必要としない。スイッチは、垂直に離隔された容器内の２点における流体圧力を測定するための１組のセンサ、および２点間の流体圧力差を算出し、差圧信号を生成するためのプロセッサを有する。プロセッサはまた、差圧信号と、２点のうちの一方からの定常水頭圧力信号を結合して合成出力信号を生成し、そこから合成出力信号の所定の変化に基づいて、流体レベルに関する範囲外状態の信号を生成することができる。【選択図】　　　図１
2004061512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　容器中の流体レベルの測定装置であって、
　（ａ）第１の点および第２の点において、各々容器中の流体圧力を測定するための第１および第２のセンサであって、容器中の前記第１の点は、前記第２の点より下に位置している第１および第２のセンサ；
　（ｂ）前記第１の点と前記第２の点との間の流体圧力の差を計算して、それから差圧信号を生成するための第１のプロセッサ；
　（ｃ）前記第１の点における定常水頭圧力を測定して、それから定常水頭圧力信号を生成するためのセンサ；
　（ｄ）前記差圧信号と前記定常水頭圧力信号を結合して、合成出力信号を生成するための第２のプロセッサ；および
　（ｅ）前記合成出力信号における所定の変化に基づいて、流体レベルに関する範囲外状態の信号を生成するための手段
を有することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
　前記第１および前記第２のセンサは、低流体レベル検出スイッチを有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
　前記第１および前記第２のセンサは、高流体レベル検出スイッチを有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項４】
　前記第１のプロセッサは、第３の点において容器中の流体圧力を測定するための第３のセンサ、および第４の点において容器中の流体圧力を測定するための第４のセンサにも接続され、前記第３の点と前記第４の点との間の流体圧力の差を計算して、それから第２の差圧信号を生成し、
　容器中の前記第３の点は、前記第４の点より下に位置し、
　前記測定装置は、前記第３の点における定常水頭圧力を測定し、それから第２の定常水頭圧力信号を生成するセンサを有し、
　前記第２のプロセッサは、前記第２の定常水頭圧力信号を前記第２の差圧信号と結合して、第２の合成出力信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項５】
　前記第１および前記第２のセンサは、流体レベルが容器中の一定の点より上にある場合の測定のための高流体レベル検出スイッチを有し、前記第３および前記第４のセンサは、流体レベルが容器中の一定の点より下にある場合の測定のための低流体レベル検出スイッチを有することを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
【請求項６】
　容器内の圧力を決定するための圧力センサ；
　容器内の流体レベルを測定するためのレベルセンサ；
　それらによって得られた測定値測定を、前記第１および第２のセンサによって得られた測定値と比較するための比較器；および
　前記第１の点で定常水頭圧力を測定するためのセンサ
を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の測定装置。
【請求項７】
　前記範囲外状態の信号を生成するための手段は、警報装置に接続されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の測定装置。
【請求項８】
　前記範囲外状態の信号を生成するための手段は、低レベル状態では容器に追加の流体を導入し、高レベル状態では容器から流体を排出するための手段に接続されることを特徴とする請求項４または５に記載の測定装置。
【請求項９】
　前記範囲外状態は、容器中の圧力が正常動作範囲未満であるとき、または始動段階中には警報装置に信号を送信しないことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の測定装置。
【請求項１０】
　前記差圧信号がゼロまたはその付近にあるか、検出することができない場合に、不良プロセス信号を生成するためのプロセッサを有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項１１】
　前記定常水頭圧力信号がゼロまたはその付近にあるか、検出することができない場合に、不良プロセス信号を生成するためのプロセッサを有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項１２】
　容器中の流体レベルの測定方法であって、
　（ａ）第１および第２の点において容器中の流体圧力を測定する工程であって、容器内の前記第１の点は、前記第２の点より下に位置している工程；
　（ｂ）前記第１の点と前記第２の点との間の流体圧力の差を計算して、それから差圧信号を生成する工程；
　（ｃ）前記第１の点における定常水頭圧力を測定して、それから定常水頭圧力信号を生成する工程；
　（ｄ）前記差圧信号と前記定常水頭圧力信号を結合して、合成出力信号を生成する工程；および
　（ｅ）前記合成出力信号における所定の変化に基づいて、流体が範囲外状態にあることを表示する工程
を含む方法。
【請求項１３】
　流体レベルを測定し、低レベル状態の有無を決定することを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
【請求項１４】
　流体レベルを測定し、高レベル状態の有無を決定することを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
【請求項１５】
　（ａ）第３および第４の点において容器中の流体圧力を測定する工程であって、容器中の前記第３の点は、前記第４の点より下に位置し、流体が容器中の一定の点より上にある場合には、前記第１および第２の点における測定値を用いて測定を行い、流体が容器中の一定の点より下にある場合には、前記第３の点および第４の点における測定値を用いて測定を行う工程；
　（ｂ）前記第３の点と前記第４の点との間の流体圧力の差を計算して、それから第２の差圧信号を生成する工程；
　（ｃ）前記第３の点における定常水頭圧力を測定し、それから第２の定常水頭圧力信号を生成する工程；および
　（ｄ）前記第２の差圧信号と前記第２の定常水頭圧力信号を結合して、第２の合成出力信号を生成する工程であって、前記第２の合成出力信号における所定の変化に基づいて、流体に関する低レベル状態が生成される工程
を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
【請求項１６】
　範囲外の状態が検出されるとき、警報を生成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
【請求項１７】
　前記範囲外状態が低レベル状態と表示されるとき、追加流体を容器に導入する工程を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
【請求項１８】
　前記範囲外状態が高レベル状態と表示されるとき、容器から流体を排出する工程を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
【請求項１９】
　前記範囲外状態は、容器中の圧力が正常動作範囲未満であるとき、または始動段階中には警報装置に信号を送信しないことを特徴とする請求項１５に記載の測定方法。
【請求項２０】
　前記差圧信号がゼロまたはその付近であるか、または検出不能である結果、不良プロセス信号が生成されることを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
【請求項２１】
　前記定常水頭圧力信号がゼロまたはその付近であるか、または検出不能な結果、不良プロセス信号が生成されることを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、流体が高レベルまたは低レベルにあることを、連続的に確証され正常な運転が保証されるレベル検出システムを用いて検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
　様々な容器やプロセス容器中で、流体レベルを監視することが必要または望ましい場合がしばしばある。例えば、さまざまな化学プロセスに関連して、流体は容器内で処理されるが、処理中のいかなる時点においても、プロセスレベル内の低レベル流体状態または高レベル流体状態がいつ生じるかを知ることが重要である。ほとんどの場合、一般に容器自体が透明でないために、単に容器を見るだけではこれらの状態を検出することができず、その結果、プロセス容器内に含まれている１つ以上のセンサがなければ、流体レベルは不明である。
【０００３】
　流体レベルが低すぎる場合には、通常、容器内の化学プロセスが問題なく続行されることが確実となるようにするために、または機器の問題を招く可能性のある、容器が干上がった状態での運転が生じないことを確実にするために、より多くの流体を容器に導入しなければならない。これは手動で、例えば、技術者がある期間弁を開放し、更なる流体を導入することによって行うことができる。或いは、または更に、制御システム、例えば、低レベル状態が検出された時に、自動的に弁を開放し、追加の流体を導入するシステムによって、追加の流体を自動的に追加してもよい。高レベル状態の場合には、低レベル状態に関して上述したように、自動または手動のいずれかによって、通常容器の底部に位置する弁を利用することによって、流体を排出することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　現在の実施形態では、プロセス工業内の安全計装システム（ＳＩＳ）と関連して、従来のレベルスイッチが用いられる。これらのスイッチは通常、容器において高レベルまたは低レベルになると作動し、容器を一杯にしすぎたり、干上がった状態で運転しないようにするために、自動制御システムに信号を送信するために用いられる。しかし、これらのスイッチでは、臨界時間でスイッチが働き、範囲外のレベルを検出することを保証することは、容易にはできない。
【０００５】
　現在用いられているオン・オフ型レベルスイッチは、一般に浮動動作をし、液体レベルの上昇または下降により、上方または下方に移動する浮動を生じ、所定の液体レベルでオン・オフ継電器またはスイッチを作動する。ほとんどの場合、現在用いられている継電器またはスイッチは、容器の上タップと下タップとの間の範囲が短く、通常は５０ｃｍ以下である。これらのタイプのスイッチは、一般に検出不能な故障を生じさせることがある。例えば、故障モードには、レベルが所定のレベル下限より低いときに低レベルを表さない場合や、レベルが所定のレベル上限より高いときに高レベルを示さない場合が含まれうる。通常、この類の故障を最小限に抑え、且つ見つけ出そうとするためには、手動試験が定期的に行われる。残念なことに、そのような手動試験は極めて時間がかかる作業であり、また例えば、試験を行なう技術者が、試験中に装置の誤ったトリップを生じた場合など、人為的ミスという結果になる恐れがある。更に悪いことに、技術者が試験後、無意図的にスイッチを「バイパス」状態のままにしてしまい、その結果、動作中、範囲外の流体レベルが正確に検出されないおよび／または修正されないという結果になる恐れもある。
【０００６】
　「オン」状態または「オフ」状態で機能する現在のレベル検出スイッチの場合には、アナログの計量計とは対照的に、スイッチに対する比較試験に用いるために、容器内に別の検知素子を用いることはできない。その結果、センサがアナログである場合であっても、他のセンサの使用による検証は、実行可能な解決法ではない。従って、ほとんどの場合、依然として、手動試験がスイッチ検証の基本的な方法となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
　本発明によれば、プロセス容器内の液体レベルを検出するために用いることができるレベルスイッチは、正常運転状態下で自己検証機能を有するため、正確な操作およびスイッチ較正のための手動試験を必要としない。スイッチは、代替のレベル検出スイッチとして、最小限の改良努力で、またはそのような努力無しに、既存のプロセス容器設計に容易に導入することができる。本発明の自己検証レベルスイッチは、一杯になった状態および低流体量状態を回避するためのプロセス停止をはじめとするプロセス制御を達成することができるように、安全計装システム（ＳＩＳ）に接続してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
　本発明の自己検証レベルスイッチは、プロセス容器内の高または低（あるいは両方の）流体レベル状態を決定するために用いることができる。本発明のレベルスイッチは、プロセスの状態に基づいて必要となりうるプロセス停止および他の是正処置の制御に関連して、安全計装システム（ＳＩＳ）への入力を提供することができる。自己検証レベルスイッチは連続的自己検証を行うことができ、このことは、要求に応じてトリップし、また必要な場合に、プロセス停止などの著しいプロセス制御変更を行うというＳＩＳの性能に、高度の信頼性が関連付けられうることを意味している。
【０００９】
　連続的検証の利点に加えて、本発明のレベルスイッチは、補正した動作を確認するための手動試験の必要性を排除するという利点がある。その結果、一般に手動試験に関連して生じる可能性のある誤差、時間および労働経費、起こり得る危険な結果を回避することができる。
【００１０】
　スイッチは、プロセス容器内の異なる高さの２点間の圧力差を測定し、送信するセンサおよび送信器を有している。低レベル検出の用途においては、２点は正常な液体レベルより下に位置し、高レベル検出の用途においては、２点は正常な液体レベルより上に位置する。上述した点にそれぞれ存在する圧力検出用の２つの異なるセンサを用いて、高低両レベルの流体状態に関して、プロセス容器を監視することができる。
【００１１】
　センサによって検出された圧力差は、２点間の液体レベルの直接表示を提供する。センサはまた、高低両レベルのいずれの用途においても、２点のうち下方にある点における定常水頭圧力も測定する。圧力差および定常水頭圧力の両者により、合成出力信号が提供される。レベルスイッチは、一般的な「オン・オフ」レベルスイッチのような、既存の従来技術のレベルスイッチの直接の代替品として、プロセス容器に接続できるように設計されることが好ましい。レベルスイッチは、定常水頭圧力測定能を備えた電子的「スマート」差圧送信器に似ていることが好ましい。一般に、現在の送信器（「スマート」送信器）は、必要に応じて計算およびアルゴリズムを実行することができるマイクロプロセッサ構成要素を有している。
【００１２】
　センサ／送信器によって測定される２つの変数、即ち圧力差および静水頭圧力は結合されて、単一の出力信号を形成する。信号処理は、センサ／送信器装置自体の内部で行われることが好ましいが、特定の設計に適用しうる別のシステム構成要素に関連して処理を行うことも可能である。
【００１３】
　正常な（流体レベルが「正常」な範囲内にある）プロセス運転中、出力信号は、定常水頭圧力のみに基づいて予めプログラムされた制限値の間で変化する。範囲外の（流体レベルが高すぎるかまたは低すぎる）状態では、容器内における、容器内の固定された２つの測定点間距離までの程度の流体／蒸気界面の移動により、出力信号は著しく変化する。
　プロセス活動の全てまたは一部の停止を開始するために、この信号の変化を、安全計装システム（ＳＩＳ）などの接続された構成部材によって検出してもよい。
【００１４】
　定常水頭の変化のみが原因で起こる出力信号の変動は、適切な位置で同じくプロセス容器内に配置された他の手段（他の物理的センサなど）によって実際の定常水頭圧力を測定することにより、監視および検証される。ＳＩＳなどの制御システムへの出力が信頼しうるものとなるように、センサ／送信器装置と第２の検証センサの間で行うような、定常水頭の変動の連続的な（または少なくとも定期的な）検証を用いて、検知素子とそれに関連する電子機器、並びに処理アルゴリズムが適正に機能していることを確認することができる。
【実施例】
【００１５】
　図１は、プロセス容器において２つのレベル用途に用いられ、システム１０を集合的に構成する本発明のレベルスイッチを示している。図１に示された２つのレベルにおける実施例は、本発明による自己検証レベルスイッチ２つを有している。低レベルスイッチ１２０は低流体レベル状態を検出するように作用し、高レベルスイッチ１１０は高流体レベル状態を検出するように作用する。好ましい実施形態においては、低レベルスイッチ１２０および高レベルスイッチ１１０はいずれも、従来の分離ブロックバルブ１７０、１７２、１７４、１７６によってプロセス容器１５０に取り付けられる。
【００１６】
　容器１５０の作動圧力（Ｐ）は、従来の圧力センサ３２０によって測定され、容器中の流体レベル（Ｌ）は、従来のレベルセンサ３１０によって測定される。いずれの測定値もデジタル制御システム３００に供給され、このことにより、レベルスイッチ１１０および１２０によって得られた測定値を、自動または定期的検証のためにこれら第２の測定値と比較することが可能となる。容器１５０内に収容される液体の密度（ρ）もまた、流体測定およびプロセス制御操作に関連して、システム１０で処理できるようにされる。
【００１７】
　低レベルスイッチ１２０および高レベルスイッチ１１０の出力は、ＳＩＳサブシステム２００に供給される。ＳＩＳサブシステム２００はまた制御システム３００にも接続され、これによりシステム１０が監視され、容器１５０内の流体レベルに基づいて制御される。制御システム３００はまた、計算装置４００にも接続されることが好ましい。計算装置４００は、例えば、パーソナルコンピュータ、または利用者がキーボードおよび／または他の入力装置によって入力することができ、且つディスプレイスクリーンによって利用者に情報を表示することができる他の商用計算システムであってもよく、また装置４００および制御システム３００は、例えば制御システム３００が、ハードウェアと、計算装置４００に常駐するソフトウェアの組み合わせからなる場合などのように、同様であってもよい。
【００１８】
　低レベルスイッチ１２０において、下方の分離タップ１７６における静圧は下記式：
　　静圧（ＳＰ）＝Ｐ＋ρ＊ｇ＊Ｌ
（式中、ｇは万有引力定数であり、ＰおよびＬは容器の動作変数（センサ３１０および３２０によって個別に測定することができ、必要であれば制御システム３００によって処理される）である）
によって与えられる。
【００１９】
　レベルスイッチは、（大気に対して）開放されたプロセス容器および閉鎖されたプロセス容器の両方において用いることができる。閉鎖されたプロセス容器の場合、静圧（ＳＰ）は容器動作圧（Ｐ）によって左右され得る。更に、プロセス容器は、最初に低圧（大気圧）で作動する「始動」モードを経て、引き続きより高い動作圧における「運転」に上昇することができる。動作圧は、例えば最小動作圧１５００ｋＰａＡ〜最大動作圧２２００ｋＰａＡの場合には、１８５０ｋＰａＡであってもよい。本発明のレベルスイッチの自己診断原理は静圧の揺れに依存しており、考慮すべき圧力範囲が正常動作範囲に限られている場合には、この特性の感度は最大となる。従ってスイッチは、プロセスがその正常動作範囲に達した時に、診断能のスイッチが入るという特徴を組み込むものとすべきである。
【００２０】
　正常動作範囲未満の圧力（「始動」中）においては、スイッチは診断能を持たない単なるスイッチとして作動する。装置が最小動作圧に達すると診断能のスイッチが入るようにすることにより、装置の低レベルおよび高レベルスイッチ実施形態の両方に適用することができる。プロセスが正常動作圧に達したときのみ診断能のスイッチが自動的に入るようにすることにより、始動段階中、迷惑な警報が作動する可能性を削減する。装置の最小動作圧および最大動作圧は、設置前に装置にプログラムされることが好ましい。コンフィギュレーションメニューを用いて、プロセスが最小動作圧に達したときに診断能の「スイッチを入れる」ことができる。
【００２１】
　低レベルスイッチ１２０において、２つのタップ１７４と１７６間の圧力差は下記式：
　　圧力差（ｄＰ）＝ｘ＊ｄＬ＊ｇ＊ρ
（式中、ｘは液体に覆われる距離ｄＬの割合である）
によって得られる。
【００２２】
　静圧値および圧力差値は、装置の出力値を決定するためのアルゴリズムへの入力値として、以下のように提供される。
　　Ｐが最小動作圧より小さいとき、出力値＝関数（ｄＰ）
　　Ｐが最小動作圧より大きいとき、出力値＝関数（ＳＰ，ｄＰ）
　従って、正常動作中、低レベルスイッチ１２０からの出力値（経時的に変化）は、２つの入力値、下方のプロセス分離タップ１７６によって測定される静圧ＳＰおよび２つのタップ１７６と１７４間で測定される圧力差の関数である。
【００２３】
　高流体レベル状態の検出の他、高レベルスイッチ１１０の動作検証にも、以下のように、高レベルスイッチ１１０に関連して同様の計算が行われる。高レベルスイッチ１１０において、下方の分離タップ１７２における静圧は下記式：
　　静圧（ＳＰ）＝Ｐ
（式中、Ｐは容器の動作変数である（センサ３２０によって個別に測定することができ、必要であれば制御システム３００によって処理される））
によって得られ、高レベルスイッチにおいて、プロセス液体レベルは通常下方のタップの位置より下に位置するため、静圧のρ＊ｇ＊Ｌ成分は存在しない。更に、高レベルスイッチ１１０において、２つのタップ１７０と１７２間の圧力差は下記式：
　　圧力差（ｄＰ）＝ｘ＊ｄＬ＊ｇ＊ρ
（式中、ｘは液体に覆われる距離ｄＬの割合である）
によって得られる。
【００２４】
　低および高レベルスイッチの例において、低レベルスイッチと高レベルスイッチとの間の正常な液体レベルでは、低液体レベルスイッチにおいてｘは１（最大ｄＰ圧力）に等しく、高液体レベルスイッチにおいてｘは０（最小ｄＰ圧力）に等しい。
【００２５】
　高レベルスイッチ１１０において、静圧値および圧力差値は、状態出力値を決定するためのアルゴリズムへの入力として、以下のように提供される。
　　Ｐが最小動作圧より小さいとき、状態出力値＝関数（ｄＰ）
　　Ｐが最小動作圧より大きいとき、状態出力値＝関数（ＳＰ，ｄＰ）
　従って、正常動作中、高レベルスイッチ１１０からの状態出力値（経時的に変化）は、２つの入力値、下方のプロセス分離タップ１７２で測定される静圧ＳＰおよび２つのタップ１７０と１７２間で測定される圧力差の関数である。
【００２６】
　２つの信号、即ち静圧ＳＰおよび圧力差ｄＰは、高レベルスイッチ１１０または低レベルスイッチ１２０においてこれらの信号を結合することによって処理され、合成出力信号を形成する。
【００２７】
　さまざまな状況において、ＳＰ，ｄＰの成分値は、制御システム３００または他の計算装置４００でも得ることができる。ＳＰは、容器レベルＬ（３１０）および圧力Ｐ（３２０）を個別に測定して得られる。タップ間の距離ｄＬおよび液体密度の知識によって、ｄＰを計算することができる。これらの個別に生成されるＳＰおよびｄＰの値を結合することによって、レベルスイッチ出力の検証に用いることができる変数を生成する。また、この検証の計算を、例えば容器の液面計ガラスを通じて液体レベルを測定し、圧力計によって圧力を測定することによって、手動で行うこともできる。
【００２８】
　低レベルスイッチに関して以下の例において示されるように、ＳＰとｄＰとの結合に関する数式は乗算によるものである。従来の出力信号（４〜２０ｍＡ）を出すレベルスイッチ送信器に関し、以下の変数を仮定する。
　　最小動作圧＝Ｐｍｉｎ
　　最大動作圧＝Ｐｍａｘ
　　作動静圧＝ＳＰ
　　所望のレベルスイッチ点＝０．５ｄＬ（タップ間の中間）
【００２９】
　送信器からの従来の出力信号（４〜２０ｍＡ）では、出力信号は通常、検討中の測定値の最大値（最大範囲）に対する実際の測定変量の比を用いて生成される。４〜２０ｍＡの信号の場合、これは以下の形の一般式を生じる。
　出力＝（測定変量）／（測定変量の最大範囲）＊１６＋４ｍＡ
　圧力差測定の場合、測定変量はｘ＊ｄＬ＊ｇ＊ρであるのに対し、測定変量の最大範囲はｄＬ＊ｇ＊ρである（式中、ｘは液体に覆われる距離ｄＬの割合である）。上記の式から分かるように、測定変量が０から最大値まで変化するとき、出力値は４ｍＡから２０ｍＡに変化する。
【００３０】
　上記の一般式に基づき、また送信器における適切な倍率（当業者には明らか）を用いると、装置の低レベルスイッチ実施形態に適用可能な式の例は下記のものである。類似する一連の式の例は、高レベルスイッチ用途にも同様に適用される。
　ＰＳ＜Ｐｍｉｎのとき、
　　出力＝ｘ＊Ｋ１＋Ｋ３　（ｍＡ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
　ＰＳ＞＝Ｐｍｉｎのとき、
　　出力＝ｘ＊Ｋ１＊（１＋Ｋ２＊（ＳＰ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ））
　　　　＋Ｋ３　（ｍＡ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
　式中、Ｋ１およびＫ２は、高レベルスイッチ１１０および低レベルスイッチ１２０におけるプログラム可能な変数である。Ｋ３は「電流の流れているゼロ」の出力信号を与えるために用いられる定数値である。低レベルスイッチの例では、Ｋ３＝４ｍＡである。
【００３１】
　低レベルスイッチの場合には第１式（１）を考慮し、Ｋ１＝８ｍＡと想定する。レベルがレベルスイッチの上方のタップより上に位置する場合には、ｘ＝１であり、出力は８＋４＝１２ｍＡである。これは、４〜２０ｍＡ送信器の中間範囲である。レベルが低レベル状態まで下がるときには、２つのレベルタップの中間ではｘ＝０．５であり、出力は４＋４＝８ｍＡである。
　第２式（２）を考慮し、Ｋ１＝８、Ｋ２＝０．５と想定する。式の第１の部分は式（１）と同一であるのに対し、式の第２の部分は静圧検証成分を表す。
　ＳＰ＝Ｐｍｉｎのとき、出力＝１２ｍＡであり、
　ＳＰ＝Ｐｍａｘのとき、出力＝１６ｍＡである。
【００３２】
　従って、レベルが上方レベルスイッチタップ１７４より上に保たれている限り、出力は、下方のレベルスイッチタップ１７６での静圧測定値における揺れに応じて１２〜１６ｍＡの間で変化する。式（２）におけるＫ２因子を変更することによって、揺れの範囲を増大させることができる。例えば、Ｋ２＝０．７５のとき、出力は１２〜１８ｍＡの範囲である。Ｋ２＝１のとき、出力は１２〜２０ｍＡの範囲である。
【００３３】
　式（２）に関し、容器におけるレベルが容器中の２つのタップの中間（ｘ＝０．５）まで下降し、Ｋ１＝８、Ｋ２＝０．５である場合の出力を考える。
　ＳＰ＝Ｐｍｉｎのとき、出力＝８ｍＡであり、
　ＳＰ＝Ｐｍａｘのとき、出力＝１０ｍＡである。
　同様に、レベルが２つのタップ間の距離の１／４（ｘ＝０．２５）にまで下降した場合、
　ＳＰ＝Ｐｍｉｎのとき、出力＝６ｍＡであり、
　ＳＰ＝Ｐｍａｘのとき、出力＝７ｍＡである。
　最後に、レベルが下方の容器のタップ１７６まで下降した場合、出力は静圧ＳＰの値に関係なく４ｍＡである。これは、従来の４〜２０ｍＡ送信器信号における読取り値ゼロの状態と同等である。
【００３４】
　上記式から分かるように、装置の動作原理には、静圧およびレベル（容器中の２つのタップ間にある）と共に変化する出力信号がある。レベルが２つのタップの中間にある場合の出力信号は、一定の範囲の値を有することができる。
　　始動モード（圧力の影響がない）の場合には８ｍＡであり、
　　動作圧が最大値である場合には１０ｍＡであり、
　　動作圧が最小値である場合には８ｍＡである。
　動作範囲全体（Ｐｍｉｎ〜Ｐｍａｘ）にわたって完全に、レベルが容器タップ間の中点まで下降したとき、出力は４〜２０ｍＡ送信器の「中間範囲」の信号レベル１２ｍＡより下に下降する。
【００３５】
　一般的なレベルスイッチ用途において、「低レベル」が検出され、警報が出される絶対値は、通常は重要ではない。重要なことは、レベルが２つのプロセスタップ間まで下降したことをスイッチが検出することである。従ってシステム設計者は、低レベルを表す警報またはトリップ点として８ｍＡ信号を選択することができる。
【００３６】
　上記の式における因子を調整することによって、スイッチの出力値、特に静圧の変動によって生成される出力の割合を変動させることができる。原理を調整する因子は、式中のｘ＊Ｋ１部におけるＫ１因子、および式中の（１＋Ｋ２＊（ＳＰ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ））部におけるＫ２因子である。低レベルスイッチの例に適用される上記の式は、高レベルスイッチの実施例にも同様に適用することができる。
【００３７】
　式（２）は、装置が「不良プロセス変数」信号を生成する能力を示す。式の圧力差成分が不足となるか、ゼロに達すると、装置の出力は４ｍＡ（ゼロ信号）となる。同様に、静圧（ＳＰ）測定値成分が不足となるか、またはゼロに達すると、式の「圧力の変動」の部分、即ちＫ２＊（ＳＰ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）は、出力計算値をゼロ（４ｍＡ）またはゼロ未満の値にする高い負の値となる。ゼロ信号への脱線を利用して、取り付けられた安全計装システム２００がシステム設計者の決定に応じた適切な応答（トリップまたは不良プロセス変数の警報）を生成するようにすることができる。
【００３８】
　所望の結果を実現するための３つの基本的な動作原理を以下に示す。第１の原理は、レベルスイッチ装置１１０または１２０中で静圧（ＳＰ）信号と圧力差（ｄＰ）信号を結合し、いずれかの変数の測定の失敗によりゼロまたは４ｍＡ以下の出力信号を確実に生じるようにすることである。このようなことは、低レベルスイッチ１２０、高レベルスイッチ１１０、またはタップ１７０、１７２、１７４または１７６のいずれかの検知性能のうちのいずれかが、何らかの原因で不良となった場合に生じることがある。更に、ＳＰまたはｄＰのいずれかがゼロであると測定される場合にも、結果として生じる出力信号が、やはりゼロまたは４ｍＡ未満のある値であることが好ましい。
【００３９】
　上述した場合のいずれにおいても、安全計装システム（ＳＩＳ）２００が「不良プロセス変数モード」または何らかの類似のモードに置かれるという結果になることが好ましい。この場合、このモードに入ることに応じてシステムＳＩＳ２００によって行われる作業は、システム設計者が決定し、予め設定することができる。
【００４０】
　システムの動作に関連する第２の主な原理は、静圧成分に課されたいかなる変化に対しても、出力信号に同様の変化を生じることである。従って、例えば、正弦波状の圧力の揺れが静圧成分に加えられるとき、出力信号は正弦波となり、その振幅および位相角は、静圧成分に課された信号と直接の相関性を有する。同様に、システム１０によって計算される、正常プロセス動作中の静圧に対する変化が、その変化と相関するように、出力信号に直接影響を及ぼすようにすべきである。静圧と出力信号の関係は、上記式（２）に明確に示されている。
【００４１】
　レベル検出システムの動作の第３の主な原理は、出力信号の決定において支配的な変数が確実に圧力差成分となるように、圧力差（ｄＰ）信号および静圧（ＳＰ）信号について倍率を用いることが好ましいことである。次に、３つの原理それぞれについて、本発明のシステム１０の動作およびレベルスイッチ１１０および１２０に関する以下の説明と共に、更に詳細に説明する。
【００４２】
　第１の原理は、作動中の定常水頭圧力における既知の変化に対するレベルスイッチ１１０および１２０の動作に基づき出力信号を検証することによって、システム、特にレベルスイッチ１１０および１２０の全体性能を検証することができることを保証するものである。圧力差ｄＰおよび静圧ＳＰの両方の測定および計算が正確であることを検証することによって、正確な動作を保証することが重要である。更に、レベルスイッチ１１０および１２０の不正確または不適切な動作が生じている状況において、是正措置が選択されることが重要である。これは、信号がない、またはｄＰまたはＳＰのいずれかについてゼロ信号となっている場合に、不良プロセス変数モードに入らせることによって行う。
【００４３】
　本発明の第２の原理は、出力変化を監視し、これを静圧における既知の変化と比較することによって、装置の検証を行うことを可能とする。制御システム３００および／または計算装置４００によって制御されるような連続ベースで、検証を行うことができる。これは、正常なプロセスにおける静圧の揺れを、対応するレベルスイッチ装置の出力と比較することによって行うことができる。或いは、定期的に静圧の変化（レベルの変化または容器圧力の変化）を課すことによって、検証を行うことができる。例えば、プロセスオペレータは、容器におけるレベルまたは静圧の、既知の大きさの変化を導入することができる。この変化はレベルスイッチ装置の出力変化を生じ、これは課されたレベルまたは圧力の変化から予測されるものと比較することができる。いずれの場合も、観察または従来の統計的相関技術によって、検証を行うことができる。統計的相関は、容器圧力およびレベルの変化とレベルスイッチ装置出力の変化を比較することにより、計算装置を用いて自動的に行うことができる。
【００４４】
　センサ１１０および１２０の出力に関する式には、出力信号の揺れを変化させる既知の時間を組み込むことができる。この既知の揺れは、例えば、既知の大きさおよび周期を有する周期的正弦波関数であってもよい。ＳＩＳ２２０または制御システム３００において、この周期的出力の大きさおよび周波数を測定し、センサ装置の正確な動作の更なる検証に用いることができる。要するに、センサは既知の周波数成分および振幅成分によって「評価」される。制御システム３００はこの「評価」を監視し、センサの有効性を確認する。
【００４５】
　第３の原理は、システム１０の重要な機能、即ち出力信号における著しい変化を生じる高レベルまたは低レベルの検出を保証し、ＳＩＳ２００および／または制御システム３００が範囲外状態に適切に反応することができるようにするものである。
【００４６】
　動作定常水頭圧力または動作レベルに既知の調整を行い、出力における変化を静圧に課された変化に対応する計算値と比較することによって、システム１０、特にレベルスイッチ１１０および１２０の動作をいつでも更に検証することができる。
【００４７】
　システムを変化させて、レベルスイッチ１１０および１２０からのフィールドバスまたは「ＨＡＲＴ」デジタルプロトコル出力を提供し、ＳＩＳ２００において圧力差信号および絶対圧力信号を個別に得られるようにすることによって、強化された検証機能を実現することができる。フィールドバスまたは他のデジタルプロトコル伝送システムは、合成信号（圧力差および静圧を合成）の伝送に加えて、個々の成分測定値、即ち圧力差および静圧の伝送を行うことができる。このデジタルデータ伝送モードにおいて、レベルスイッチ装置１１０および１２０の静圧成分を、装置３２０および３１０からの容器圧力およびレベルと比較することによって、これらを個別に検証することができる。フィールドバスまたは他のデジタル通信構成はまた、センサ装置１１０および１２０と、それらと接続されたＳＩＳ２００、制御システム３００または計算装置４００との間の双方向通信を提供することができる。双方向通信は、オンライン検証ルーチンの一部として変数Ｋ１および／またはＫ２を調整するために、計算装置のいずれかにおける用途を実現することができる。Ｋ１およびＫ２が既知量に調整されると、計算装置は、合成出力（ＳＰおよびｄＰ）において予測される変化を計算することができるようになる。計算された出力を実際の出力と比較することによって、自動装置検証ルーチンを確立することができる。
【００４８】
　このようなセンサの計算式における変数を修正するためのフィールドセンサとの双方向通信能と、この双方向通信を行うことは、センサ装置における計算部分の正確な機能が、本発明のシステム１０の１つの主要な態様であることを確証するものである。センサ出力に変化を強制するためのセンサ変数の修正、並びに、センサ変数の変化の大きさの知識に基づく変化の計算値と、センサ出力変化との比較は、システムの更なる検証技術であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】高レベルおよび低レベル検出能を提供するために用いられる２個の自己検証レベルスイッチを示す概略図である。
【符号の説明】
【００５０】
　１０　プロセス容器構成システム
　１１０　高レベルスイッチ
　１２０　低レベルスイッチ
　１５０　プロセス容器
　１７０　分離ブロックバルブ
　１７２　分離ブロックバルブ
　１７４　分離ブロックバルブ
　１７６　分離ブロックバルブ
　２００　安全計装サブシステム（ＳＩＳ）
　３００　デジタル制御システム
　３１０　レベルセンサ
　３２０　圧力センサ
　４００　計算装置
【図１】
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