(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業プロセス変数伝送器であって、
プロセス変数を検知するよう構成されているプロセス変数センサと、
前記プロセス変数センサに接続され、前記プロセス変数の関数として測定出力を与えるよう構成されている測定回路と、
出力回路を備え、
前記出力回路は、
プロセス制御ループに接続するよう構成されているループ接続部と、
前記測定回路より前記測定出力を受け取るよう構成されている光センサと、
前記光センサからの出力に応答して前記プロセス制御ループにパルスを加えるように構成されているスイッチングデバイスと、
前記プロセス制御ループ及びループ接続部を通じて電源より受信した電力を用いて、前記光センサへと電力供給するよう構成されている電力供給回路を備え、
前記電力供給回路は、
本質安全標準(Intrinsic Safety standards)に準拠する電流を提供するための抵抗を通じて前記プロセス制御ループに接続されている電流源と、
前記スイッチングデバイスがオフ状態にある場合に前記電流源により充電され、前記スイッチングデバイスがオン状態にある場合に前記光センサへと電力供給するように構成されているキャパシタを備える、産業プロセス変数伝送器。
【請求項２】
前記測定回路より前記測定出力を受け取るよう構成されている第２光センサを含む請求項１に記載の産業プロセス変数伝送器。
【請求項３】
前記光センサ及び前記第２光センサがプッシュ／プル構成で動作するよう構成されている請求項２に記載の産業プロセス変数伝送器。
【請求項４】
前記光センサ及び前記第２光センサが、前記スイッチングデバイスを駆動するコンパレータへと出力信号を与える請求項２に記載の産業プロセス変数伝送器。
【請求項５】
前記電力供給回路が備える前記キャパシタは、前記スイッチングデバイスがオン状態にある場合に前記コンパレータへと電力供給するように構成されている請求項４に記載の産業プロセス変数伝送器。
【請求項６】
前記電流源が温度補償されている請求項１に記載の産業プロセス変数伝送器。
【請求項７】
前記電力供給回路は、前記スイッチングデバイスがオン状態にある場合に、前記キャパシタに蓄積されている電力の放電を防止するダイオードを含む請求項１に記載の産業プロセス変数伝送器。
【請求項８】
前記出力回路から前記プロセス制御ループへと加えることのできる電力を制限する少なくとも一つの抵抗を含む請求項１に記載の産業プロセス変数伝送器。
【請求項９】
プロセス流体の流れに対して磁場を印加するよう構成されている磁気コイルを含み、
前記プロセス変数センサは流量に関係する起電力を検知するように構成されている一対の電極を備える請求項１に記載の産業プロセス変数伝送器。
【請求項１０】
プロセス変数伝送器のプロセス変数を通信する方法であって、
プロセス変数センサを用いてプロセス変数を検知することと、
前記検知したプロセス変数に関する測定出力信号を与えることと、
光センサを用いて前記測定出力信号を受信することと、
スイッチングデバイスを用いて、前記光センサからの出力に応答してプロセス制御ループにパルスを加えることと、
前記プロセス制御ループから受信した電力を用いて前記光センサに電力供給することを有し、
前記光センサに電力供給することは、
前記スイッチングデバイスがオフ状態にある場合に、本質安全標準(Intrinsic Safety standards)に準拠する電流を提供するための抵抗を通じて前記プロセス制御ループに接続されている電流源によりキャパシタを充電し、前記スイッチングデバイスがオン状態にある場合に、前記キャパシタから前記光センサへと電力供給することを含む方法。
【請求項１１】
前記測定出力信号を受信するよう構成されている第２光センサを提供することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記光センサ及び前記第２光センサがプッシュ／プル構成で動作するよう構成されている請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光センサおよび第２光センサからの出力を用いて、前記スイッチングデバイスを駆動するコンパレータを駆動することを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記スイッチングデバイスがオン状態にある場合に、前記キャパシタから前記コンパレータに電力供給することを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記スイッチングデバイスがオン状態にある場合に、前記キャパシタに蓄積されている電力の放電を防止することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
プロセス流体の流れに対して磁場を印加することを含み、
前記プロセス変数は流量に関係する起電力である請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセス変数を測定して出力を与えるプロセス変数伝送器に関する。より詳細には、本発明はプロセス変数を表すパルス出力を与えるプロセス変数伝送器に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業プロセス変数伝送器は、産業プロセスにおけるプロセス変数を検知するのに利用されている。プロセス変数の例には、流量、温度、レベル（水位）、圧力などが含まれる。こうしたプロセス変数伝送器は通常、プロセス制御ループに接続し、当該ループを用いることによって、検知されたプロセス変数が中央集中ロケーションへと伝送して返される。プロセス制御ループの１つのタイプとして、検知されたプロセス変数に関係した電気パルスを伝送するものがある。例えば、いくつかのタイプの流量計では、パルス出力回路を用いて流量に関する情報を伝送する。各パルスは単位流量に対応するよう校正（キャリブレート）することができる。従って、全体としての流量を、当該プロセス制御ループ上で伝送されているパルス数をカウントすることにより監視することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許7619418号（US 7619418 B2）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多くの場合、プロセス変数伝送器は、回路の様々な側面に対して設計上の制約を与える本質安全（IS; Instrinsic Safety）標準に準拠して動作する必要がある。本質安全標準は機器に対して設計上の制約を課すことで、点火（イグニッション）につながりかねないエネルギーを制限することにより、危険エリア内における電子機器が安全に動作できるようにする。こうした制約は回路に多くの制限を設け、産業プロセス変数伝送器の回路設計に多くの工学上の挑戦的な課題を課すものとなっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
産業プロセス変数伝送器は、プロセス変数を検知するよう構成されているプロセス変数センサを含む。測定回路はプロセス変数センサに接続され、プロセス変数の関数として測定出力を与える。出力回路はプロセス制御ループに接続するよう構成されているループ接続部を含む。光センサは測定回路より測定出力を受け取る。スイッチングデバイスは、光センサからの出力に応答してプロセス制御ループへとパルスを加える。電力供給回路は、光センサ、コンパレータ、及び／又はスイッチングデバイスに対して、プロセス制御ループ及びループ接続部より受信した電力によって電力供給する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】磁気流量計の部分断面図である。
【図２】図１の磁気流量計の簡略化された電気回路図である。
【図３】測定されたプロセス変数に応答して、プロセス制御ループにパルスを与えるよう構成されている、パルス出力回路の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
種々の態様において、産業プロセス変数伝送器が、プロセス制御ループ上にパルス出力を与えるよう構成された出力回路を含むものとして、与えられる。当該出力回路は電力供給回路を含み、当該電力供給回路はプロセス制御ループより受信した電力を用いて当該出力回路に電力供給するよう構成されている。以下の説明は、印加された磁場を用いて流れを測定するタイプの流量計を対象とする。しかしながら本発明は、渦、差圧、コリオリ力その他といったような他の流量測定技術を用いるその他のタイプの流量伝送器にも適用可能であり、また、その他のプロセス変数にも適用可能である。
【０００８】
図１は、本発明の実施形態が特に役立つ磁気流量計20の部分断面図である。磁気流量計20は、低い透磁率の材質で形成されていると共に電気絶縁ライナー23を有する流管22と、コイルによって形成されている電磁石26と、強磁性コア又はシールド28と、電極30,32と、を含む。電磁石26及び電極30,32は、伝送器回路34へと配線されている。動作時には、伝送回路は電流により電磁石26を駆動し、電磁石26は流管22内部に矢印として示されているような磁場36を発生させる。プロセス液体21は当該流管22内の磁場を貫通して流れることで、当該流れによって当該液体21内に起電力（EMF、電圧）が誘導される。絶縁ライナー23により当該起電力が液体21から金属の流管22へとリーク（漏出）してしまうことが防止される。電極30,32は液体21に接触していることによって当該起電力をピックアップ又は検知するが、当該起電力はファラデーの法則により、流管22内における液体21の流量に比例するものとなる。
【０００９】
図２は、磁気流量計20の回路を示す図である。磁気流量計20は流管22を含み、当該流管22は流れている導電性の液体21を輸送するようになっている。コイル26は流管22に近接して配置されることで、駆動回路152からの駆動信号に応答してプロセス流体に磁場を印加する。電極30及び32は流体21内に発生した起電力を検知する。当該起電力は流体21の流れ及び印加された磁場36に関係するものとなっている。電極30及び32は、差動アンプ150を通じて測定回路154へと接続されている。測定回路154は既存技術に従って流れに関する出力を与える。測定回路154は例えば、適切にプログラムされた又は設定されたマイクロプロセッサ（単数又は複数）又はデジタル信号処理（DSP）回路を含んでよい。
【００１０】
測定回路154の出力は出力回路158へと与えられることで、磁気流量計20からリモートに存在する制御又は監視回路へと伝送される。出力回路158は、パルス出力を与える。出力回路158の当該出力は、図示される通りプロセス制御ループ160へと接続される。図３に示されるように、ループ160は電流ループであってよく、当該電流ループ上においてパルス出力が、流量計20から一般にリモート配置されている制御又は監視回路180へと伝送される。
【００１１】
本質安全の設計要件に従い、測定された流れに関する情報は測定回路154から出力回路158へと、光接続の技術を用いて送信される。詳細には、２つのオプトカプラがプッシュ／プル構成で利用される。単方向通信が示されているが、双方向通信もまた、追加のオプトカプラを利用することにより実装可能である。第１のオプトカプラは光源196によって形成され、当該光源196は光信号204を光センサ200へと伝送する。第２のオプトカプラは光源198によって形成され、当該光源198は光信号206を光センサ202へと伝送する。当該オプトカプラの利用により、２つの回路154,158の間において当該間に電気的接続を設けることなく、データの伝送が可能となる。いくつかの従来技術の構成においては、本質安全要件を満たすために、出力回路158は、個別の絶縁された電源、及び／又は、測定回路154からのその他の絶縁技術を必要とする。しかしながら、本明細書で説明する構成においては、出力回路158はループ160を通じて受信した電力によって電力供給がなされる。これにより、回路設計及び設置の要件が簡略化される。
【００１２】
図３は、プロセス制御ループ160によってロケーション180へと接続される出力回路158を示す電気回路図である。ロケーション180は、磁気流量計20から空間的に離れた任意のロケーション（配置）であってよい。当該例には、リモートロケーション、中央制御室、監視ステーションなどが含まれる。出力回路158はループ接続部（コネクタ）172及び174を通じてループ160へと接続する。リモートロケーション180にある回路は、プルアップ抵抗182及びループ160に電力供給する電圧源184としてモデル化されている。パルスカウンタ186はループ160上で伝送されるパルスを監視するように構成されており、当該パルスとはすなわち、出力回路158によって伝送されるものであり、且つ、測定されたプロセス変数に関するものとなっている。
【００１３】
出力回路158は一般に、出力トランジスタ190、電源192及び駆動回路194を含む。駆動回路194はプッシュ／プル方式で動作するように構成されており、光センサ200,202を含み、当該光センサ200,202は光アイソレータの受信部分であって測定回路154からの信号204及び206をそれぞれ受信するものである。当該プッシュ／プル構成により、測定回路154から出力回路158へと伝送される信号に対する大きなノイズ耐性が与えられる。光センサ200及び202は、それぞれ抵抗210及び212を通じて、電気的グランド208へと接続される。センサ200及び202は、コンパレータ214の反転入力及び非反転入力にそれぞれ接続されることにより、プッシュ／プル構成で動作するようになっている。抵抗216及び217はコンパレータ214に正のフィードバックを与えるように構成されている。コンパレータ214の出力は本質安全抵抗220を通じてトランジスタ190のゲートに与えられる。
【００１４】
電源192は電流源230を含み、当該電流源230は本質安全抵抗232及びPTC（正温度特性サーミスタ；Positive Temperature Coefficient Thermistor）234を通じてループ160へと接続する。電流源230はダイオード236及び238に対して必要な電流を供給する。ダイオード236及び238は電流源230をそれぞれキャパシタ240及び242へと接続するのに用いられる。キャパシタ240は光センサ200及び202への電力供給を与える。キャパシタ242はコンパレータ214へと電力供給を与えるよう配置されている。ダイオード236及び238により、パルスのオン時間の間にキャパシタ240及び242から電力が抜け出してしまうことが防止される。定電流源230は好ましくは温度補償されていることにより、見込まれる動作温度範囲に渡って必要な電流を提供できるようにする。
【００１５】
動作時には、信号204及び206は互いに逆転する関係にあり、センサ200及び202の間で交互にターンオンまたはターンオフさせることにより、コンパレータ214へと差動入力を与える。コンパレータ214からの出力がハイ（高）となる場合、キャパシタ242より供給される電力を用いることにより、ハイの信号レベルがトランジスタ190のゲートへと加えられることにより、トランジスタ190をターンオンさせる。当該状態においては、ループ160を流れる電流の実質的に全てが、トランジスタ190を通って流れる。コンパレータ214からの出力がロー（低）となる場合、トランジスタ190はターンオフされる。こうして、ループ160にパルスを加えることができる。トランジスタ190が導通状態（「オン」状態）にある場合は、電流源230を通って流れることで利用可能な電流は実質的に存在しないことに注意されたい。こうして、当該期間においては、センサ200及び202、コンパレータ214並びにトランジスタ190はキャパシタ240及び242に蓄積された電力によって電力供給される。一方、トランジスタ190を電流が流れていない場合（トランジスタ190が「オフ」の場合）、電流源230は電流供給が可能であり、従って、キャパシタ240及び242に対する充電を行う。こうして、ループ160が高電圧／低電流のパルス状態にある期間の間に、電力がループ160から「スカベンジングされる」（かき集められる；scavenged）こととなる。
【００１６】
トランジスタ190が閉状態にある場合、端子172,174間の出力電圧は可能な限り低いことが好ましい。これにより、パルスカウンタ186の設計及び動作に大きな柔軟性（フレキシビリティ）がもたらされる。端子172,174間の「オン」電圧は１ボルト未満であるようにすることが望ましい。
【００１７】
一つの特定の構成においては、コンパレータ214に対して電源192によって供給される電圧が5ボルトである。プルアップ抵抗182の値に依存して、パルスの間のトランジスタが「オン」の場合における、トランジスタ190による電圧降下が発生する。当該電圧降下は約100mV未満であることが好ましい。プルアップ抵抗182及び電圧184の組み合わせにより、トランジスタ190がオンの際にトランジスタ190を流れる電流の量が決定される。当該構成要素によりまた、ループ160の配線ケーブルに存在する全ての容量の影響が解消される速さが決定され、従って、トランジスタ190の次の「オン」サイクルとなるまでに、どれだけの量の電荷が出力回路158に到達可能であってこれにより電力供給電圧の補充を行えるようになるか、が決定される。プルアップ抵抗182の値が高すぎること、ケーブル容量が多すぎること、又は、電源184における電圧が低すぎること、は、回路158の機能を制限しかねない。
【００１８】
トランジスタ190の仕様は所望の通りに選択されるべきものである。一つの特定の構成においては、トランジスタ190はMOSFETである。当該選択されたトランジスタに影響しうる様々な基準があるが、この中に、ゲート電荷QGの少なさという基準が含まれる。当該電荷が少ないことで、各スイッチングサイクルにおいて必要となるエネルギー量が低減され、従って、低電力且つ高速における機能性を向上させることができる。トランジスタ190のオン抵抗は好ましくは例えば2オーム未満といったように低いものである。ゲート閾値電圧は好ましくは2ボルト未満であることにより、当該回路を非常に低電圧で動作可能とする。しかしながら、ゲート閾値電圧は約0.5ボルトよりも大きい値であることにより、トランジスタ190を確実にターンオフさせるようにする必要がある。特に、コンパレータ214のグランド位置に起因して、本質安全抵抗246はトランジスタ190のゲートに直流電圧を発生させる。さらに、ドレイン-ソース間電圧の定格は少なくとも30ボルトであることにより、供給電圧184の値に柔軟性（フレキシビリティ）を持たせることができるようにする必要がある。
【００１９】
本質安全抵抗220、232及び246は本質安全（IS）要件を満たすように所望のものを選択することができる。抵抗220、232及び246が動作することにより、誤った状態において伝送器20がループ160へと放電しうる最大エネルギーを制限することができる。考慮する必要がある種々の設計制約には、誤った状態における電流が取りうる電流経路（電流パス）や、こうした誤った状態の各々における各々の抵抗のより悪いケースにおける電力消散などが含まれる。本質安全抵抗232は好ましくは、充分に低い値のものとして選択することにより、外部の電源184と出力回路158との間における電圧降下を減らすようにすることができる。同様に本質安全抵抗246もまた、上記理由のために、及びまた、トランジスタ190のゲートにおける直流バイアスを減らすために、充分に低い値を有する必要がある。本質安全抵抗220は、幾分かの容量を有するトランジスタ190のゲートに単に電圧を接続するだけに用いられるものであるため、比較的高い値を有していてもよい。抵抗220の値を増すことによりトランジスタ190のスイッチング速度が減ることで、ループ160のケーブル長がより長い際のリンギングを低減させるという追加メリットが得られる。
【００２０】
当該構成により、オン電圧が100mV未満であり同時に本質安全も提供するパルス出力が与えられる。さらに、パルスは5500Hzの定格（レート）で伝送できる。電力はパルスのオフ時間の間にスカベンジングされることにより、パルスのオン時間の間のためのパルス回路への給電がなされる。一つの構成においては、トランジスタ190の通常（ノーマル）状態がオフ状態であることにより、キャパシタ240及び242が充電できるのに充分な電圧が端子172及び174間に現れるようにする。パルスをループ160へと加える場合は、トランジスタ190が一時的にターンオンすることで、当該箇所においてループ電流を導通させ、パルスカウンタ186にパルスを記録させる。ここで、トランジスタのオン時間の間に渡ってパルス回路に電力供給できるための充分な電圧をキャパシタ240及び242が蓄積できるか否かを決定する際には、周波数、デューティーサイクル、抵抗182の値及び電圧源184の値の全てを考慮する必要があることに注意されたい。
【００２１】
本発明は好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明の考え方及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更を加えうることを理解できるはずである。本明細書にて説明した磁気流量計は例示の目的で用いられているものであり、他のタイプのプロセス変数センサを採用してもよい。その他の接続技術を採用してもよく、本発明は本明細書にて説明したオプトカプラ又はプッシュ／プル技術に限定されない。上記ではパルス生成のためにトランジスタを説明したが、任意のタイプのスイッチングデバイスを採用してよい。
【符号の説明】
【００２２】
20…産業プロセス変数伝送器、30,32…プロセス変数センサ、154…測定回路、158…出力回路、160…プロセス制御ループ、200…光センサ、190…スイッチングデバイス、192…電力供給回路、214…コンパレータ
【図１】
0006378754.tif 000002
【図２】
0006378754.tif 000003
【図３】
0006378754.tif 000004