(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス流体の流れを受け容れるようにアレンジされたフローチューブと、
前記フローチューブに近接し、交流のコイル駆動電流に応答してプロセス流体に磁界を作用させるコイルと、
作用された磁界に応答して、フローチューブを流れるプロセス流体の流量を示す当該フローチューブ内の電位を検知する第１および第２の電極と、
前記コイルに接続され、前記駆動電流に関連したセンサ出力を有するセンサと、
コイルを通って流れる電流が方向を変えた後のセンサ出力の過渡的な変化の相違を識別する関数である診断出力を備える診断回路とを含む磁気フローメータ。
【請求項２】
流量の計測結果が、コイル電流を減少させる過渡的な変化に基づいて補償される請求項１の装置。
【請求項３】
前記補償が前記過渡変化の大きさに基づく請求項２の装置。
【請求項４】
コイル電流の計測結果をデジタル化するA/D変換器を含む請求項１の装置。
【請求項５】
前記センサが検知抵抗から構成された請求項１の装置。
【請求項６】
前記診断回路が、前記過渡変化に基づいて流量の計測結果を補償する請求項１の装置。
【請求項７】
第１の電流パスを通して磁気フローメータの磁気コイルにコイル駆動電流を供給し、
第１の電流パスを通る電流を検知し、
第２の電流パスを通して前記磁気コイルにコイル駆動電流を供給し、
第２の電流パスを通る電流を検知し、
コイル駆動電流が第１の電流パスから第２の電流パスに切り替った後に検知された電流内で観測された過渡変化の相違に基づいて診断出力を供給することを含む磁気フローメータの故障を検知する方法。
【請求項８】
流量の計測結果を過渡的な変化に基づいて補償することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記補償が前記過渡変化の大きさに基づくことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記対称の過渡変化は、コイル、コイル配線および／またはフローチューブの故障を示す請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
センサ出力をデジタルのフォーマットに変換することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記検知が検知抵抗を利用する請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記過渡変化に基づいて流量の計測結果を補償することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
第２の検知された電流内で観測された過渡変化に基づいて診断出力を供給することを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセス流体の流量を計測するために利用されるタイプの磁気フローメータに係り、特に、このようなフローメータの診断に関する。
【０００２】
磁気フローメータは、磁界を通過する流体の速度を検知することにより、導電性流体の容積流量を計測する。磁気フローメータシステムは、一般的にフローチューブアッセンブリとトランスミッタアッセンブリとを含む。フローチューブアッセンブリは、プロセスパイプラインに垂直または水平に挿管され、パイプ部分、コイル部分および電極を含む。コイルはパイプ断面で対向する側面に配置される。コイルはトランスミッタから供給されるコイル駆動電流により付勢され、パイプの断面に沿って磁界を生じさせる。２つの電極が、磁界に対して一般的には垂直なラインに沿って相互にパイプと交差するように配置される。パイプを流れる流体は電気導電性である。導体が磁界を通過するように移動することで、電位あるいはEMF (electromotive force) が流体内に生じ、電極と交差することで検知される。動作はファラデーの電磁誘導の法則に基づく。
【０００３】
磁気フローメータには、コイルと並列な電流パスを生じさせる各種の故障が起こり得る。この並列な電流パスは、コイルを短絡させる電流を生じさせ、これによりプロセス流体に作用する磁界が減少する。このように磁界が減少すると、センサ電極により検知されるEMFが減少してしまう。電流ロスの量に応じて検知される流量が低下する。このような並列電流パスを生じさせるかもしれない各種の状況がある。例えば、磁気フローメータのフローチューブ内のコイルは、コイルコンパートメント内に漏れ出したプロセス流体によって機能の低下を引き起こすであろう。これはコイルと並列に電気パスを生じさせることができる。同様に、コイルに流れる電流を切り替えるスイッチに用いられるトランジスタの一つが故障すると、並列パスを通してコイルを短絡させるいくらかのコイル電流を生じさせるかもしれない。これは作用するEMFを減少させ、これに対応する検知電極の出力を減少させる。これは流量計測の精度を低下させるであろう。
【０００４】
コイル駆動信号の供給に用いられるコンポーネントが故障、あるいはコイル駆動信号の電流パス内の故障や機能低下は、プロセス流体に作用する磁場を減少させる。これは流量計測に誤差を生じさせる。このような問題を検知する様々な診断技術が用いられている。例えば、特許文献１には特別な診断技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】U.S. Patent No. 7,921,733
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
磁気フローメータは、プロセス流体の流れを受け容れるようにアレンジされたフローチューブを含む。コイルは、フローチューブに近接し、交流のコイル駆動電流に応答してプロセス流体に磁界を作用させる。第１および第２の電極は、作用された磁界に応答して、フローチューブを流れるプロセス流体の流量を示すフローチューブ内の電位を検知する。センサは、前記駆動電流に関連したセンサ出力を有する第１および第２の電流路に接続される。診断回路は、コイルを通って流れる電流が方向を変えるときのセンサ出力の過渡的な変化の関数である診断出力を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】2線式通信ループにおける磁気フローメータの簡単化したブロック図である。
【図２】図１の磁気フローメータ用のブリッジパルスで制御される電流ドライバの模式図である。
【図３Ａ】磁気コイルに接続されるドライブ回路の第１の構成を示した簡単化したブロック図である。
【図３Ｂ】磁気コイルに接続されるドライブ回路の第２の構成を示した簡単化したブロック図である。
【図４】ドライブ回路のトランジスタの故障を説明する簡単化したブロック図である。
【図５】検知抵抗の電流と時間との関係を示したグラフである。
【図６】並列電流パスを検知する診断回路の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１において、磁気フローメータ２は、電流Iを供給する２線式の4-20mA通信ループおよび外部電力源（図示せず）に接続する。フローチューブ４はプロセス流体を流す。トランスミッタ９は、フローチューブ４の近傍でプロセス流体内に磁界を発生させるコイル２６へコイル駆動電流ILを供給する。フローチューブ４には、流体の流れおよび与えられた磁界によって生じるEMFを検知する電極６，８が、流体内の磁界に垂直なラインに沿って取り付けられている。トランスミッタ９は電極６，８間のEMFを検知する。そして、検知されたEMFを代表し、今度は流体の流れに比例する直流電流出力Iを制御する。トランスミッタ９は、4-20mA電流ループを介して電流Iを遠隔受信ステーション１１へ送信する。トランスミッタ９は、4-20mA電流ループに限らず、あらゆる適宜の技術を利用して通信できる。他の例では、通信技術としてHART（登録商標）やFOUNDATIONTMフィールドバスのようなプロセス産業の分野で標準的なプロトコルも利用できる。さらにプロセス制御ループは、IEC62591標準に準拠したWirelessHART（登録商標）のように、情報が無線で伝送される無線プロセス制御ループで構成しても良い。
【０００９】
図２は、トランスミッタ９のHブリッジドライバ回路１０を示している。磁気フローメータ２のHブリッジドライバ回路１０は、コイル２６へ供給する交流駆動電流ILを発生する。Hブリッジドライバ回路１０において、電源１２はトランジスタブリッジ回路１４を付勢する。ブリッジ回路１４において、制御回路２８，３０はFET１６，１８，２０および２２のゲートに接続され、コイル２６を介して交流電流を供給するために各FETをペアでスイッチングする。電源１２はFET１６，１８のドレイン端子に接続される。FET１６のソース端子およびFET２０のドレイン端子はコイル２６の一端に接続される。同様に、FET１８のソース端子およびFET２２のドレイン端子はコイル２６の他端に接続される。制御回路２８，３０は、入力の「H」および「L」のロジックレベルを、各FET１６，１８，２０，２２をON状態とOFF状態とに切り替えるゲート電圧と互換性のある所望の電圧バイアスレベルに変換する。
【００１０】
マイクロプロセッサ４０は、検知された電流の関数として典型的には駆動周波数が5Hzの制御出力a，a'を生成する。出力a，a'は、それぞれ回路２８，３０へロジックレベルを供給する。マイクロプロセッサ４０は、メモリ４４，クロック４６，オペレータ用の入出力回路（I/O）４８およびループI/O回路４９に接続する。メモリ４４は、マイクロプロセッサ４０の動作を制御するプログラム命令を含む。マイクロプロセッサ４０は、クロック４７により決定されるスピードで動作する。I/O４８は、例えばプロセス制御ループへ出力接続を供給するために用いられる。
【００１１】
電源１２が出力する電流Isは、検知抵抗RSENSE５２を経由してリターンパス５０へ流れる。AD変換器(ADC)５８は検知抵抗５２に接続され、コイル２６を経由する電流を代表する出力値をマイクロプロセッサ４０へ提供する。ADC５８の出力は、検知抵抗RSENSE５２を流れる電流Isの大きさを代表する。マイクロプロセッサ４０は、以下に述べるように、電流Isの振幅を監視する。
【００１２】
図３Ａ、３Ｂは、FET１６〜２２の通常動作時の状態を簡易化したブロック図である。コイル２６は、インダクタ２６Ａおよび抵抗２６Ｂでモデル化されている。図３Ａでは、FET１８，２０がオープン状態であるのに対してFET１６，２２はクローズド状態である。これにより、電源２０からの電流はコイル２６を図示の方向に流れる。これに対して、図３Ｂでは、FET１８，２０がクローズド状態であるのに対してFET１６，２２はオープン状態にある。これにより、電源２０からの電流はコイル２６を図示の方向に流れる。
【００１３】
磁気フローメータの電気部品の各種の故障は、直ぐには検知できないエラーにつながる。例えば、ある種の故障は、電流の一部をコイル２６に沿って分路させ、コイル２６と電気的に並列な並列電流パスを通って流すように作用する。この並列電流パスは、電流の一部がコイル２６を流れないようにそらすので、プロセス流体に作用する磁界を減少させることになる。このような並列電流パスにより引き起こされる故障は、検知抵抗RSENSE５２を流れる電流を単純に計測するだけでは検知できない。並列電流パスを引き起こす故障例には、FET１６〜２２の１つないし複数の電気的な短絡あるいは部分的な短絡が含まれる。並列電流パスのもう一つの例は、コイル２６の配線内の電気的な短絡または部分的な短絡である。同様に、配線と接触するかもしれないプロセス流体も、電源１２から流れる電流の一部がコイル２６を通らない並列電流パスを生じさせる原因になり得る。
【００１４】
図４は、並列電流パスを生じさせる故障状態の一つの例を示している。図４において、FET２０は部分的かつ電気的に短絡し、スイッチオフの状態でも１０オームの抵抗を示す。これにより、オフ状態であっても、コイル２６を流れずにFET２０を流れる一部の電流（ILOSS）を生じさせる。図４の例では、もし、チューブの抵抗も１０オームならば、これは全電流の半分（すなわち、250mA）の電流損失に至る。検知抵抗５２を通って流れる電流は、依然として電源１２からの全電流（すなわち500mA）であることに注意すべきである。
【００１５】
典型的に、図４の示したタイプの故障は検知できない。しかしながら、単純な静的の電流レベルよりも、検知抵抗５２を通って流れる電流を時間領域で監視することにより、追加の診断情報が得られるかもしれない。具体的には、コイル２６を通って流れる電流が、図３Ａ、３Ｂに示した２つの電流パス間で切り替わるとき、過渡的な信号がコイル２６へ提供される。コイルのインダクタンス２６Ａは、この変化に抵抗して、検知抵抗５２に到達する電流にタイムラグやディレイを生じさせる。これは、図５に実線で示されている。具体的には、図５は正常動作中のコイル電流のグラフ（実線）と、抵抗が１４０オームの並列電流パスが存在する場合のコイル電流のグラフ（破線）とを示している。図５に示したように、並列電流パスを通る電流はインダクタンス２６Ａを迂回し、このタイムディレイに現れない。これは図５に破線で示されている。したがって、抵抗２０を通る並列電流パスは、２つの電流パスを切り替えるときに、検知抵抗５２を通る電流を十分に直ちに変化させる。図５に示したコイル電流の高速な遷移（過渡状態）は、コイルドライバ１２により供給されるソース電圧１２により、２つの電流通路間で電流が遷移するときに引き起こされる。図５のグラフにおいて、並列電流パスを通って流れる電流量ILOSSは、286mA単位の変化を生じさせるV/Rに匹敵する40V/140オームと等しく決定できるとも言える。本実施形態によれば、並列電流パスの抵抗が、例えコイル電流を１％減少させるだけの大きさであっても、検知抵抗５２間に現れるステップ変化は、検知回路により容易に検知できる29mAになると言える。
【００１６】
検知抵抗５２を通る最初の電流量は、コイル２６をバイパスして並列電流パスを通る電流量を評価するために利用される。したがって、検知された電極電圧の誤差は、並列路の電流を決定することにより補償できる。センサコイル２６Ｂおよび並列電流パスの合成抵抗は、波形の直流部分（図５の符号７０の部分）のコイル電圧およびコイル電流を計測することによって計算される。Rshortは、電流のステップ変化および印加電圧を計測することにより計算できる。Rshort =V/I=40Volt/286mA=40オームである。RTotalおよびRshortが一度求まれば、RCoilは次式で求まる。
【００１７】
【数１】
0006410805.tif 000002
【００１８】
これらの抵抗値が一度求まれば、センサコイルを通って実際に流れる電流量は次式(2)で求まる。
【００１９】
【数２】
0006410805.tif 000003
【００２０】
コイルを通って流れる実際の電流を利用して、適用される磁界が決定され、その結果、検知された電圧（EMF）は電流を正確に検知するために適正に補償される。これにより、装置を不完全なモード（limp mode）で動作させることが許容され、流量計測は装置を修理する前に得られるかもしれない。たとえば、プロセス流体により生じるコイル２６の電気ショートまたは部分的なショートは、影響するエリアからプロセス流体が蒸発あるいは流出する時間で自己修理しても良い。このような状況では、トランスミッタは問題が解決されるまで不完全モードで動作しても良い。
【００２１】
いくつかの故障は、２つの経路間での電流切替において検知抵抗の電流に非対称の変化を引き起こすかもしれない。２つの電流路のいずれが、検知抵抗５２を通って検知される電流に即座の増加を生じさせるかを監視することにより、どのトランジスタのペアに故障が存在するか、あるいは故障したトランジスタを識別できる。さらに、電流路間の電流が切り替わる導通サイクルにおいて即座の増加が同期して検知されると、トランジスタの故障以外の何かの故障と区別される。例えば、コイル２６内またはコイル２６への配線の電気的ショートや部分的なショートは、スイッチング中に検知抵抗５２を通る波形に対称の変化を生じさせる。この情報は、トランスミッタあるいはフローチューブの間での修理手順や交換手順をオペレータに教えるために用いられる。
【００２２】
図６は、並列電流パスを検知する診断回路８０を簡単化したブロック図である。検知抵抗５２はコイル電流の計測結果を診断回路８０へ提供する。診断回路８０は、検知抵抗５２の端子間電圧を増幅してフィルタリングする増幅／調節回路８２を含む。増幅／調節回路８２の出力は、マイクロプロセッサ４０に設けられたA/D変換器５８へ供給される。
【００２３】
それ以外にも、検知抵抗５２を通って流れる電流の波形サインが監視され、診断目的で使用される。例えば、基準またはベースのサインは、図２に示したメモリ４４に記憶される。診断は、パーセントの変化、閾値との比較、特有の波形サインあるいは検知抵抗を通る電流を用いた比較に基づく。
【００２４】
本発明が好ましい実施形態により説明されたが、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形式及び細部に変更を加えうることを理解されたい。本発明の診断は、検知抵抗を通る電流の一時的な変化に基づく。これらの変化は、磁気コイルから逸れた並列電流パスを通る電流の量を評価するために用いられる過渡電流あるいはステップ状の変化を識別するために監視される。検知抵抗を通る電流のステップ状の変化を、２つの電流路間での電流の遷移として計測することにより、並列電流パスを通る電流の量を決定することができる。他の例では、本発明の診断は、コイル駆動電流が磁気コイルを通る電流の向きを変えるときに、検知抵抗電流内に見られる過渡応答に基づく。この過渡信号のサイズは、磁気コイルのインダクタンスをバイパスする並列電流パスの抵抗に関連する。Hブリッジを通る電流を計測するために用いられる検知抵抗５２は、センサの単なる１つの例である。ホール効果センサを含む他の構成を用いることもできる。故障検知と同時に、診断回路はもう一つの場所へ出力を提供することができ、あるいはローカルのオペレータインタフェースで出力を提供しても良い。あるいはアラーム状態を告知するようにしても良い。
【符号の説明】
【００２５】
２…磁気フローメータ，４…フローチューブ，６，８…電極，９…トランスミッタ，１０…Hブリッジドライバ回路，１２…電源，１４…ブリッジ回路，１６，１８，２０，２２…FET，２６…コイル，２８，３０…制御回路，５２…検知抵抗RSENSE
【図１】
0006410805.tif 000004
【図２】
0006410805.tif 000005
【図３Ａ】
0006410805.tif 000006
【図３Ｂ】
0006410805.tif 000007
【図４】
0006410805.tif 000008
【図５】
0006410805.tif 000009
【図６】
0006410805.tif 000010