(57)【要約】工業用プロセス制御又は監視システムで用いられるプロセス変数トランスミッタ（１２）は、トランスミッタハウジングと、プロセス変数に関するセンサ出力を有するプロセス変数センサ（７２）とを含む。加速度計（８０）は、トランスミッタに結合され、加速度に関する加速度出力を提供する。診断回路（８２）は、センサ出力と加速度出力との関数として、診断出力を提供する。
2010536092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業用プロセス制御又は監視システムで用いられるプロセス変数トランスミッタであって、
プロセス変数に関するセンサ出力を有するプロセス変数センサと、
トランスミッタに結合され、加速度に関する加速度出力を有する加速度計と、
センサ出力と加速度出力との関数として、診断出力を有する診断回路と、
を含む、プロセス変数トランスミッタ。
【請求項２】
トランスミッタハウジングを含み、加速度計がトランスミッタハウジングに結合される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
加速度計が、プロセス変数センサに近接している、請求項１記載の装置。
【請求項４】
加速度計が、三軸加速度計を含む、請求項１記載の装置。
【請求項５】
プロセス変数センサが、圧力センサを含む、請求項１記載の装置。
【請求項６】
プロセス制御ループに結合されるように構成された通信回路を含む、請求項１記載の装置。
【請求項７】
診断回路からの診断出力が、プロセス制御ループ上で送信される、請求項６記載の装置。
【請求項８】
診断出力が、プロセス構成要素の故障に関する、請求項６記載の装置。
【請求項９】
診断出力が、プロセス構成要素の性能の劣化に関する、請求項６記載の装置。
【請求項１０】
診断出力が、プロセス構成要素の差し迫った故障に関する、請求項６記載の装置。
【請求項１１】
診断出力が、プロセス変数を補償するために用いられる、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
診断出力が、ルールに基づく、請求項１記載の装置。
【請求項１３】
診断回路が、ニューラルネットワーク、又はファジー論理を実行する、請求項１記載の装置。
【請求項１４】
加速度センサが、容量式、電動式、圧電方及び微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）を含む加速度センサ群から選択される、請求項１記載の装置。
【請求項１５】
診断回路が、プロセス制御トランスミッタに与えられた加速度を制御するように構成される、請求項１記載の装置。
【請求項１６】
トランスミッタを打撃するように構成されたストライカを含む、請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
加速度計が、操作者によって与えられた加速度を検知するように構成される、請求項１記載の装置。
【請求項１８】
加速度計が、トランスミッタによって与えられた較正された加速度を検知するように構成される、請求項１記載の装置。
【請求項１９】
診断回路が、加速度を、トランスミッタに与えられた１以上の較正された加速度と比較するように構成される、請求項１記載の装置。
【請求項２０】
プロセス変数トランスミッタが、検知された加速度に基づいてプロセス変数の出力を制御するように構成される、請求項１記載の装置。
【請求項２１】
加速度計が、周囲加速度を検知するように構成される、請求項１記載の装置。
【請求項２２】
周囲加速度が、ウォータハンマ、ポンプ脈動及び機械的加速の少なくとも１つからである、請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
診断回路が、検知された静的加速度に基づいてプロセス変数からの出力を補償するように構成される、請求項１記載の装置。
【請求項２４】
加速度計が、診断、プロセス変数補償、又は動作の検証のうち１つで用いられるための出力を提供する、請求項１記載の装置。
【請求項２５】
プロセス変数を記憶するように構成されたメモリを含み、プロセス変数トランスミッタが、検知された加速度の関数としてメモリに記憶されたプロセス変数に基づいて出力を提供する、請求項１記載の装置。
【請求項２６】
診断出力が、検知出力と加速度計出力との間の履歴の関係の関数である、請求項１記載の装置。
【請求項２７】
工業用プロセス制御システム内のトランスミッタの動作を診断する方法であって、
加速度計を用いて、トランスミッタに与えられた加速度を検知することと、
プロセス変数を測定することと、
検知された加速度に基づいて、トランスミッタの動作又はプロセス妨害を診断することと、
を含む方法。
【請求項２８】
加速度計が、トランスミッタハウジングに結合される、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
加速度計が、プロセス変数センサに近接している、請求項２７記載の方法。
【請求項３０】
加速度計が、三軸加速度計を含む、請求項２７記載の方法。
【請求項３１】
検知されたプロセス変数が、圧力を含む、請求項２７記載の方法。
【請求項３２】
プロセス制御ループ上で診断情報を送信することを含む、請求項２７記載の方法。
【請求項３３】
診断された動作が、プロセス構成要素の差し迫った故障に関する、請求項２７記載の方法。
【請求項３４】
診断のステップに基づいて、プロセス変数を補償する、請求項２７記載の方法。
【請求項３５】
診断が、ルールに基づく、請求項２７記載の方法。
【請求項３６】
診断が、ニューラルネットワーク、又はファジー論理に基づく、請求項２７記載の方法。
【請求項３７】
加速度センサが、容量式、電動式、圧電方及び微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）を含む加速度センサ群から選択される、請求項２７記載の方法。
【請求項３８】
トランスミッタに与えられた加速度を制御することを含む、請求項２７記載の方法。
【請求項３９】
操作者によって与えられた加速度を検知することを含む、請求項２７記載の方法。
【請求項４０】
トランスミッタに与えられた較正された加速度を検知することを含む、請求項２７記載の方法。
【請求項４１】
プロセス変数を記憶することと、検知された加速度の関数として、記憶されたプロセス変数に基づいて出力を提供することとを含む、請求項２７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセス変数トランスミッタに関する。より具体的には、本発明は、工業用プロセスを制御して監視するために用いられるタイプのトランスミッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
工業用プロセスは、工業生産で用いられる。さまざまなタイプのフィールドデバイスがあり、これらを用いてプロセスを監視する。たとえば、圧力、流れ、温度等のプロセス変数を検知することができる。この情報をプロセスの監視に用いることに加え、プロセス変数を用いてプロセスを制御することができる。
【０００３】
プロセス変数は、一般にプロセス変数トランスミッタとして知られるフィールド装置を用いて検知される。多くの場合、工業用プロセスの動作を診断して、プロセス及び関連機器の状態を特定することが望ましい。たとえば、診断機能を用いて、工業用プロセスの故障を特定し、たとえば、故障した構成要素を交換することができる。診断機能の他の使用は、差し迫った故障をその発生前に特定することを含む。これにより、所望のときに、必ずしもプロセスをシャットダウンすることなく、構成要素を交換又は修理することが可能になる。
【０００４】
振動の検知は、プロセス制御装置を診断するために用いられる１つの方法である。たとえば、加速度計等の振動センサは、制御装置上に直接配置することができ、装置によって生成される振動ノイズ信号を検知するために用いることができる。たとえば、ポンプモータによって生成されるノイズを監視することができる。振動は、振幅閾値を越えるか又は異常な周波数を有するものを識別することによって、分離されて評価される。これにより、実際のまたは差し迫った故障を示すことができる。具体例は、ポンプ又はモータハウジング上に配置されたセンサ、放出弁、又は制御装置に付随するフランジを含む。別の既知の診断方法は、手作業による検査であり、オペレータは制御装置からの異常音を聞き取る。工業用プロセス制御における改善された診断技術、又は故障した構成要素および劣化したまたは故障しつつある構成要素の監視システムに対する継続的な要望がある。２００３年７月２９日出願の米国特許第６，６０１，００５号、発明の名称"Process Device Diagnostics Using Process Variable Sensor Signal"、２００５年４月７日出願の米国特許出願公開第２００５／００７２２３９号、発明の名称"Process Device with Vibration Based Diagnostics"、２００６年３月７日発行の米国特許第７，０１０，４５９号、発明の名称"Process Device Diagnostics Using Process Variable Sensor Signal"には、さまざまな手法が示される。
【発明の概要】
【０００５】
工業用プロセス制御又は監視システムで用いられるプロセス変数トランスミッタは、トランスミッタハウジングと、プロセス変数に関するセンサ出力を有するプロセス変数センサとを含む。加速度計は、トランスミッタ、たとえばトランスミッタハウジング、プロセス変数センサ又は他の構成要素に関連付けられ、加速度に関する加速度出力を提供する。診断回路は、センサ出力と加速度出力との関数として、診断出力を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】プロセス配管に結合されたプロセストランスミッタを含む工業用プロセスの図である。
【図２】図１のプロセストランスミッタ内の回路及び構成要素のブロック図である。
【図３】本発明で用いるプロセス装置の簡略化されたブロック図である。
【図４】本発明の１つの構成の、簡略化された工程を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明は、故障を検出するか、差し迫った故障もしくはプロセス装置又はプロセス構成要素の性能の低下を、故障又は性能低下が発生する前に予測するための診断手法を提供する。本発明により、プロセス及び／又はプロセス装置の振動が監視される。振動が検出され、これを用いて、検知された振動信号に応じて、さらには検知されたプロセス変数に応じて、故障、差し迫った故障又はプロセス装置又はプロセス構成要素の性能低下を予測する。
【０００８】
図１は、プロセス管１６に接続されたトランスミッタ１２を含むプロセス制御システム１０の図である。トランスミッタ１２は、フィールドバス（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）、プロフィバス（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ）又はＨＡＲＴ（登録商標）規格に従って動作する２線式プロセス制御ループ１８に結合される。しかし、本発明はこれらの規格又は２線式構造に限定されない。２線式プロセス制御ループ１８は、トランスミッタ１２と制御室２０との間に延び、携帯型構成ユニット２２６は、ループ１８がＨＡＲＴ(登録商標）プロトコルに従って動作する実施形態に図示され、ループ１８は、検知されたプロセス変数を表す電流Ｉを伝送することができる。加えて、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルは、ディジタル信号がループ１８を通して電流に重畳されることを可能にし、ディジタル情報は、トランスミッタ１２に送られるか又はトランスミッタ１２から受信されることができる。フィールドバス規格に従って動作する場合、ループ１８は、ディジタル信号を伝送し、複数のフィールド装置、たとえば他のトランスミッタに結合されることができる。１つの構成では、ループ１８は、無線ループを含み、トランスミッタ１２は、さらなる配線の必要なく通信する。
【０００９】
通常、プロセス変数は、プロセス内で制御されている一次変数である。本明細書で用いられるプロセス変数は、プロセスの状態、たとえば圧力、流れ、温度、製品レベル、ｐＨ、濁度、振動、位置、モータ電流、プロセスの任意の他の特性等を表現する任意の変数を意味する。制御信号は、プロセスを制御するために用いられる任意の信号（プロセス変数以外）を意味する。制御信号は、プロセスを制御するために用いられる任意の信号（プロセス変数以外）を意味する。たとえば、制御信号は、たとえば所望の温度、圧力、流れ、製品レベル、ｐＨ又は濁度等の、コントローラによって調節されるか又はプロセスを制御するために用いられる所望のプロセス変数値（すなわち設定点）を意味する。加えて、制御信号は、較正値、警告、警告状態、バルブアクチュエータに与えられるバルブ位置信号等の制御要素に与えられる信号、加熱要素に与えられるエネルギレベル、ソレノイドオン／オフ信号等、又はプロセスの制御に関連する任意の他の信号を意味する。本明細書で用いられる診断信号は、プロセス制御ループ内の装置及び要素の動作に関連する情報を含むが、プロセス変数又は制御信号を含まない。たとえば、診断信号は、バルブステム位置、加えられたトルク又は力、アクチュエータ圧力、バルブを作動させるために用いられる加圧ガスの圧力、電圧、電流、電力、抵抗、静電容量、インダクタンス、装置温度、静摩擦、摩擦、フルオン及びオフ位置、移動量、周波数、振幅、スペクトル及びスペクトル成分、剛性、電界又は磁界強度、期間、強さ、動き、電動機逆起電力、モータ電流、ループ関連パラメータ（たとえば制御ループ抵抗、電圧、又は電流）又はシステムで検出又は測定することがある任意の他のパラメータを含む。さらに、プロセス信号は、プロセス又はプロセス内の要素、たとえばプロセス変数、制御信号、又は診断信号に関連する任意の信号を意味する。プロセス装置は、プロセス制御ループの一部を形成するか又はプロセス制御ループに結合し、プロセスの制御又は監視に用いられる任意の装置を含む。
【００１０】
ループ１８は１つの構成で示され、任意の適切なプロセス制御ループ、たとえば４−２０ｍＡループ、２線、３線又は４線式ループ、マルチドロップループ、及びＨＡＲＴ（登録商標）に従って動作するループ、フィールドバス又は無線通信プロトコルを含む他のディジタル又はアナログ通信プロトコルに従って動作するループを用いてもよいことが理解される。動作中、トランスミッタ１２は、センサ２１を用いてプロセス変数、たとえば流れを検知し、検知されたプロセス変数を、ループ１８を介して伝送する。
【００１１】
本発明の１つの実施形態では、プロセス装置、たとえばトランスミッタ１２は、振動を検知するように構成された振動センサを含む。振動センサは、任意のタイプの振動センサ、たとえば加速度計であることができるが、本発明はそのようなセンサに限定されない。トランスミッタ１２内又は遠隔した場所にある診断回路は、検知された振動及び検知されたプロセス変数を監視し、故障又は差し迫った故障の診断が可能になる。トランスミッタ１２によって、たとえば２線式プロセス制御ループ１８を通じて制御室２０又は通信機２６に出力を提供することができ、これによりプロセス構成要素の故障又は差し迫った故障の表示を提供する。この情報を用いて、操作者は故障した構成要素を修理又は交換するか、又は根本的な故障の前に構成要素を修理又は交換することができる。これにより、プロセス１０の任意の保守を、予定された時間で又は所望のように行うことが可能になる。このことは、構成要素の修理又は交換のためにプロセス１０をシャットダウンする必要がある場合、特に有利となり得る。さらに、いくつかの構成要素は、壊滅的か、又は他の構成要素に破損を生じさせるように故障するか、又は環境に対して安全でない製品が放出される可能性がある。将来構成要素が故障するかもしれないことの表示を提供するか、又は根本的な故障時を予測することによって、根本的な故障の前に構成要素を修理又は交換することができる。
【００１２】
図２は、プロセス配管１６に結合されたプロセストランスミッタ１２を示す図である。振動７０は、工業用プロセスを通して伝わって示されている。たとえば、振動７０は、プロセス配管１６、配管１６内部のプロセス流体、又は他の物理的継手によって、トランスミッタ１２に伝送されることができる。
【００１３】
トランスミッタ１２は、プロセス変数センサ７２を含む。プロセス変数センサ７２は、任意のタイプのプロセス変数、たとえば流れ、圧力、温度やその他を検知するように構成することができる。プロセス変数センサ７２は、Ｉ／Ｏ回路７６にプロセス変数信号を提供する測定回路７４に結合する。Ｉ／Ｏ回路７６は、２線式プロセス制御ループ１８を通じて、検知されたプロセス変数に関する情報を送信するように構成される。いくつかの実施形態では、Ｉ／Ｏ回路７６は、トランスミッタ１２の回路及び構成要素に完全に電力供給するために用いられるプロセス制御ループ１８を通して、電力を受信することもできる。測定回路７４はまた、診断回路８２に結合されて、キャビティ８２に、検知されたプロセス変数に関する信号を提供する。
【００１４】
トランスミッタ１２の振動センサ８０は、振動７０を検知して、診断回路８２に振動センサ信号を提供するように構成される。診断回路８２は、測定回路７４によって提供された、センサ７２からの検知されたプロセス変数とともに、振動センサ８０によって検知された振動７０を監視して、プロセス構成要素の故障又は差し迫った故障の表示を提供するＩ／Ｏ回路７６を介して、出力を提供する。これに代えて、Ｉ／Ｏ回路は、トランスミッタが正しく作動していることを示すステータス出力を提供することができる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、本発明の振動診断を用いて、装置を交換又は修理する時間が引き続きある間に、測定器の、又は制御器の差し迫った損失を予測することによって、プラントのダウンタイムを回避するか又は減少させることができる。また、プロセス制御ループ１８と通信している他の装置に振動情報を提供することもできる。データ圧縮アルゴリズムは、そのような通信に用いることができる。２線式プロセス制御ループ１８上に診断表示を提供することができる。たとえば、ループ１８を通じて、ＨＡＲＴステータス、フィールドバスデータ又は他のアラートを送信することができる。制御室２０にそのようなアラートを提供することができる。
【００１６】
振動センサ８０は、任意のタイプの振動センサであることができる。多くの振動センサは、単一軸に沿って作動し、その軸に沿った振動のみを検知することが可能である。しかし、１つの実施形態では、付加的なセンサ又は多軸センサを使用して、１以上の軸に沿って振動を検知するか、又はプロセス装置内のさまざまな場所で振動をプロファイリングする。さらに検知された振動は、診断装置８２によって用いられて、さらなる診断を提供することができる。加えて、振動センサ８０は、プロセストランスミッタ１２内の１以上の場所に配置することができる。また、これらのさらなるセンサを用いて、検知されたプロセス変数とともに又はそれと組み合わせて、さらなる振動ベースのプロセス診断を提供することができる。診断の範囲は、プロセスシステム内に位置付けられた１以上のプロセス装置からの振動測定値を、検知されたプロセス変数単独で又はそれとともに比較又は分析することによって、拡大することができる。さらなる測定を用いて、プロセス又はプラントの全体的な健全性に関する情報を提供することができる。プロセス装置とプロセスとの接続付近で行われる振動測定を用いて、特定のプロセス破壊、たとえば突然の弁閉鎖による空気ハンマ、キャビテーション、強力な化学反応又は他のプロセス妨害に加え、ポンプ、回転機器の実際の又は差し迫った故障又は同様のタイプの故障に関する情報を提供することができる。
【００１７】
図２では、Ｉ／Ｏ回路７６、測定回路７４及び診断回路８２は個別の構成要素として示されているが、これらの回路ブロックは、共用の回路及び／又はソフトウェアに組み込まれることができる。たとえば、これらの機能の多くが、ディジタルプロセッサに組み込まれることができる。プロセス変数と併せて検知された振動又は累積的に検知された振動を、規定閾値と比較することに加えて、診断回路８２によって他の診断技術を使用してもよい。たとえば、振動及び検知されたプロセス変数に基づいた診断動作で用いられるＩｆ／Ｔｈｅｎ規則を用いて、エキスパートシステム組み込むことができる。診断機能は、検知された振動及びプロセス変数の周波数スペクトルに基づくことができ、また、ニューラルネットワーク、ファジー論理等のより複雑な処理を使用することができる。
【００１８】
図３は、ループ１８の一部を形成するプロセス装置２４０のブロック図である。装置２４０はおおまかに示され、振動診断を実施するために用いられる任意のプロセス装置、たとえばトランスミッタ１２を含んでもよい。プロセス装置２４０は、端子２４４でループ１８に結合されたＩ／Ｏ回路２４２を含む。装置２４０は、Ｉ／Ｏ回路２４２に結合されたマイクロプロセッサ２４６と、マイクロプロセッサ２４６に結合されたメモリ２４８と、マイクロプロセッサ２４６に結合されたクロック２５０とを含む。プロセス信号入力ブロック２５２は、任意のプロセス信号の入力を知らせ、プロセス信号入力は、プロセス変数又は制御信号であってもよく、Ｉ／Ｏ回路２４２を用いてループ１８から受信されてもよいか、又はプロセス装置２４０内部で生成されてもよい。
【００１９】
プロセス装置２４０は、センサ入力チャネル２５４を含む。センサ入力チャネル２５４はセンサ２１を含み、センサ２１はプロセス変数を検知して、アナログ・ディジタル変換器２６０によってディジタル化された出力を有する増幅器２５８に、センサ出力を提供する。通常、チャネル２５４は、トランスミッタ、たとえばトランスミッタ１２内で用いられる。補償回路２６２は、ディジタル化された信号を補償して、マイクロプロセッサ２４５に、ディジタル化されたプロセス変数信号を提供する。
【００２０】
１つの実施形態では、Ｉ／Ｏ回路２４２は、ループ１８から受信された電力を用いて、プロセス装置２４０内のいくつかの又は全ての他の回路に完全に電力供給するために用いられる電力出力を提供する。通常、フィールド装置、たとえばトランスミッタ１２又はコントローラ２２は、ループ１８から電力供給される一方で、通信機２６又は制御室２０は、個別の電源を有する。上述のように、プロセス信号入力２５２は、マイクロプロセッサ２４６にプロセス信号を提供する。プロセス信号は、センサ２１からのプロセス変数、制御エレメントに提供された制御出力、センサ８０によって検知された診断信号、又はループ１８を通じて受信された制御信号、プロセス変数又は診断信号、もしくは他のいくつかの手段、たとえば別のＩ／Ｏチャネルによって受信されるか又は生成されたプロセス信号であってもよい。
【００２１】
さらに、ユーザＩ／Ｏ回路２７６は、マイクロプロセッサ２４６に接続され、装置２４０とユーザとの間の通信を提供する。通常、ユーザＩ／Ｏ回路２７６は、出力用のディスプレイ及び／又は音声と、入力用のキーパッド又は他のインターフェイスとを含む。Ｉ／Ｏ回路２７６を用いて、ユーザがプロセス変数等のプロセス信号、制御信号（設定点、較正値、警告、警告状態等）を監視するか又は入力することが可能になる。
【００２２】
図３は、個別のセンサにすることができるか、又は複数のセンサもしくは構成要素を含むことができる振動センサ８０をさらに図示する。１つの実施形態では、センサ８０は、たとえばアナログ・ディジタル変換器２９０及び増幅器２９２を通して、マイクロプロセッサ２４６に結合する。マイクロプロセッサ２４６は、プロセス信号、たとえば検知されたプロセス変数とともに、検知された振動を監視して、プロセス構成要素の故障又は差し迫った故障の表示を提供することができる。たとえば、マイクロプロセッサは、プロセス変数とともに検知された振動と、ベースライン値又は基準値との間で関係を比較することができる。同様に、プロセス変数出力は、検知された振動と比較されて、誤ったプロセス変数読み取り値を識別することができる。メモリ２４８内にこの情報を記憶することができる。ベースライン値及び基準値は、プロセスの動作モード又は他の要因に基づいて変更することができる。ベースラインは、特定の周波数スペクトル又はシグニチャにすることができ、プロセス動作の観察履歴に基づくことができる。さらに、マイクロプロセッサ２４６によって行われた診断機能は、検知された振動及び検知されたプロセス変数の傾向に基づくことができる。たとえば、検知された振動及び検知されたプロセス変数における、経時的な段階的あるいは突発的増大、又は周期的なスパイクもしくは他の異常は、プロセス構成要素の故障又は差し迫った故障として表示することができる。同様に、検知された振動と検知されたプロセス変数との間の関係が突発的に変化した場合、マイクロプロセッサ２４６は、プロセス構成要素が故障したか又は故障しているかもしれないことを示す診断出力を提供することができる。これらの値、傾向又はtrainingプロファイルもまた、メモリ２４８に記憶することができる。診断は、比較又はより複雑な数学的技術、たとえば平均値の観察又は測定値の平均値のrolling、ファジー論理技術、ニューラルネットワーク技術、又は一連の規則及び／又は閾値比較に基づくエキスパートシステムに基づくことができる。さまざまな実施形態で、修理要員に、根本的な故障の前にプロセス構成要素を補修するための時間を提供することができるので、予測診断を提供することができる本発明は有利である。
【００２３】
図３は、マイクロプロセッサ２４６に結合されたストライカ２９１をさらに図示する。ストライカ２９１は、任意的な構成要素であり、トランスミッタ２４０に加速を与えるように構成された任意のエレメントを含むことができる。たとえば、ばね荷重ハンマは、マイクロプロセッサ、ソレノイド、オフセットされた重量を有するモータ等によって始動させることができる。これにより、トランスミッタ２４０に既知の加速度信号を提供し、診断のために、又は外部加速源が利用可能でない構成で用いることができる。
【００２４】
本発明の診断出力を用いて、出力信号を提供するか、操作者に場所の表示を提供するか、又は制御室への送信用の通信信号又は他の診断報知を提供することができる。
【００２５】
上述のように、診断機能は、検知された振動及び検知されたプロセス変数を使用する技術の機能である。たとえば、診断機能は、長期間にわたる信号間の関係の傾向を利用することができる。この情報は、プロセス変数信号に関して、ベアリング又はポンプ部品の磨耗と関連付けることができる。加えて、診断回路を用いて、振動信号及び検知されたプロセス変数を、工業用プロセスの動作中に生じるさまざまな工程又は事象と関連付けることができる。たとえば、強力な化学反応は、特定の振動シグネチャ及びプロセス変数の関連する変化を有する場合がある。いくつかの実施形態では、検知されたプロセス変数と振動との間の関係、たとえばそれら二者間の変化する関係は、診断状況、たとえば故障しているかあるいはある程度変化している構成要素の表示を提供することができる。
【００２６】
１つの態様では、振動センサからの出力を用いて、プロセス変数センサの動作を確認する。たとえば、圧力トランスミッタが受ける振動は、測定されたプロセス変数の変化に関連付けられてもよい。この関係を経時的に監視して、プロセス変数センサの正しい動作を確認するために用いてもよい。
【００２７】
振動センサ８０は、任意の適切な振動センサにすることができる。１つの既知の振動検出測定センサは、加速度計である。たくさんの異なる加速度計技術が現在使用されており、容量式、電動式、圧電型等を含む。加速度計は、検知された振動に関する出力信号を作り出す。出力信号は、振動又は振動の周波数に対して線形又は他の関係を有することができる。別の例の診断センサは、カンチレバーを利用して振動を検知するＭＥＭＳ構造に包含されることができる。
【００２８】
圧電型加速度計は、比較的頑丈であり、可聴域の大部分に及ぶ約数十キロヘルツの幅広い信号帯域幅を有する。センサの一例は、ＰＣＢ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓより入手可能であり、ＩＭＩ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｓｅｒｉｅｓ  ６６０として特定され、これは、低価格の組み込み可能な加速度計系列の１つである。信号処理を有するか又は有していない２線式及び３線式低電力を含むさまざまな構成が使用可能である。たとえば、低電力構造は、広範な温度範囲にわたって動作し、幅広い温度変化に耐えるプロセスに直接搭載することができる。励起電圧は、たとえば３〜５ボルトの直流を印加され、センサ全体の電流は、約７５０マイクロアンペアである。
【００２９】
加速度計の別例は、Ｍｏｔｏｌｏｒａより入手可能であるＭＭＡ  ｓｅｒｉｅｓである。これらの加速度計は、さまざまな構成、たとえば表面実装型集積回路パッケージ、温度補償、積分信号調整及びフィルタリング、自己試験及び障害ラッチ性能を含む。これらの加速度計は、間に配置された可動板を備える２枚の固定板としてモデリングできる容量式検知技術を用いる。中央板は、システムが加速を受けると、静止位置から撓む。
【００３０】
本発明とともに、いずれかの適切なタイプの加速度計を用いてもよい。たとえば、容量式加速度計は、加速に応じて変化する可変容量を作り出す金属ビーム又は微細加工機能を用いる。圧電センサは、装置に搭載された圧電モニタを用いる。圧電結晶からの電圧出力には、加速が関係している。ピエゾ抵抗センサは、たとえば加速に応じて変化する抵抗を有するビーム又は微細加工機能を用いることができる。Hall defectセンサは、磁界の変化を検知することによってその動きが電気信号に変換される構成を用いる。さまざまなタイプのtri-access加速度計を用いることができる。たとえば、１つのそのような加速度計は、沖データのＭＬ８９５０である。装置の別例は、ＡＶＸＬ３３０として、Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅより入手可能である。
【００３１】
tri-access加速度計を用いて、本発明によるトランスミッタを、２つの別個の測定値を診断用に利用するように構成することができる。トランスミッタは、加速度計からの出力に加えて、プロセス変数センサ、たとえば圧力センサからの出力を利用することができる。これら２つの装置からの信号を比較して、固有のシステム診断を生成することができる。たとえば、圧力トランスミッタでは、加速度計を組み込むことができる。加速度計は、手動の入力、たとえばハンマ又は他の重い物体で操作者によって打撃して始動させることができる。衝撃は、圧力センサの検知ダイヤフラムの軸沿いに向けられることができる。この非較正の衝撃は、加速度計の加速度測定と、圧力センサの圧力パルス測定との両方を生じさせる。両方の出力が検出された場合、診断機能は、装置の正しい動作を確かめることができる。
【００３２】
上記の構成のさらなる実施形態として、プロセス変数センサ及び加速度計の出力の波形又は他の態様を比較することができる。たとえば、いくつかの構成では、線形関係は、トランスミッタへの打撃又は他の衝撃に応じて、圧力センサからの出力と加速度計からの出力との間で観察することができる。これらの反応の変動は、故障、たとえば充填液の損失の表示を提供することができる。
【００３３】
一例では、ばね荷重パンチを用いて、較正された打撃を装置に提供する。しかし、任意の所望のタイプの較正された打撃を用いることができる。そのような構成では、打撃の規模は、プロセス変数センサからの出力とともに、診断アルゴリズムで用いることができる。さらなる構成では、異なる規模の打撃を用いることができ、結果としてプロセス変数に生じる変化及び加速度計からの出力を比較することができる。
【００３４】
別の例の構成では、「打撃」源として周囲エネルギが用いられる。たとえば、ウォータハンマ効果、ポンプ脈動又は機械振動を用いることができる。たとえば、２つの異なるウォータハンマは、結果として、較正チェックとして用いることができる２つの異なる比較をもたらすことができる。さらに、トランスミッタが性能仕様に従って機能していることの表示も提供することができる。
【００３５】
別の例では、一定の振動は、センサプロセス変数のオフセット、たとえば検知された圧力のオフセットを生じさせる。たとえば、プロセスに圧力センサを結合するwet-legの振動は、圧力センサに、増大した圧力を表示させる。いくつかの構成では、圧力センサは、ローパスフィルタ及び整流器として機能し、脈動は圧力オフセットに見えるようになる。監視された加速度とともにプロセス変数を用いて、診断を行うことができる。また、監視された加速度をさらに用いて、プロセス変数を補償することができ、振動によって生じたオフセットは、たとえば図３に示されるマイクロプロセッサ２４６を用いてプロセス変数測定から取り除かれる。
【００３６】
加速度計８０は、任意の適切な場所に搭載することができる。加速度計は、トランスミッタのハウジングに、又は、たとえばプロセス変数センサに直接、たとえば圧力センサに直接搭載することができる。しかし、圧力センサは通常、圧力モジュールで隔離され、いくつかの構成では、振動、たとえばトランスミッタに与えられた打撃から隔離されてもよい。加速度計のハウジング及び配置は、特定のタイプの振動又は他の検討事項に対する感受性を高めるように設計することができる。高速データキャプチャリング技術を利用して、加速度センサによって検知された加速度の詳細なプロファイルを得ることができる。
【００３７】
図４は、本発明の１つの実施形態のステップの簡略化されたブロック図３００である。フローチャート３００は、ブロック３０２で開始され、ブロック３０４でプロセス変数が監視される。ブロック３０６では、加速度が監視される。ブロック３０４及び３０６は、連続して、平行して、反対の順序で、又は部分的に重複する監視期間を含む任意の時点で行うことができる。ブロック３０８では、監視されたプロセス変数に加えて、監視された加速度に応じて診断が行われる。これらの診断は、図３に示されたマイクロプロセッサ２４６で、メモリ２４８に記憶されたプログラミング命令に基づいて行うことができる。診断は任意の適切な技術に従うことができ、２つの監視された値が比較されて、プロセス構成要素の状態又は差し迫った状態、プロセス動作、装置又は構成要素の動作等が判定される。実施例には、ルールベース技術、ファジー論理技術、ニューラルネットワーク技術、人工知能技術他が含まれる。１つの構成では、監視された加速度は、マイクロプロセッサ２４６によって用いられて、トランスミッタ又はトランスミッタに結合された構成要素の加速度に起因して導入された、測定されたプロセス変数の誤差を補償する。たとえば、検知されたプロセス変数のオフセットは、いくつかの構成では、監視された加速度の使用によって取り除くことができる。ブロック３１０では、診断に関連して、任意の出力が提供される。この出力は、所望の離れた場所に、たとえば２線式プロセス制御ループ１８を通じて通信することによって、又は他の通信技術、たとえばＲＦ又は無線技術を用いて送信することができる。加えて、出力は、操作者に対して局所的に、又は試験機器等の機器の近傍に局所的に、有線又は無線接続を通して提供することができる。ブロック３１２では、手順が停止し、任意にブロック３０２に戻ることによって繰り返される。１つの構成では、監視加速ブロック３０６は、ストライカ３９１又は他の加速源を始動させることを含む。
【００３８】
１つの構成では、図４に図示されたステップは、ユーザ入力に基づいて始動させることができる。たとえば、操作者は、２線式プロセス制御ループ１８か、あるいは他の技術かを用いて、トランスミッタ３４０に適切な信号を提供することによって、ブロック図３００の動作を開始させることができる。そのような構成では、装置は、加速度が監視されている間、ブロック３６０でトランスミッタ２４０に加速度を与えるように操作者に命令するように構成することができる。たとえば、操作者は、特定の場所で、又は特定の軸に沿ってトランスミッタを打撃するように命令されることができる。
【００３９】
本発明は、プロセス制御監視システムのプロセス装置における診断及び補償を行うための数多くの技術を提供する。たとえば、ハンマ打撃等の人工的あるいはウォータハンマ又は機械振動等の周囲的な外的影響は、装置の加速を生じさせ、加速度計を用いて測定することができる。この加速度の作用は、加速度計、たとえば単軸、二軸、三軸加速度計、及びプロセス変数センサ、たとえば圧力センサを用いて測定される。これら２つの測定値を用いて、動作を診断すること、たとえばトランスミッタの正しい動作を確認することができる。他の構成では、２つの測定信号が処理され、たとえば２つの信号の比率が観察されて、較正された外的影響の規模と比較され、トランスミッタの動作を検証することができる。２つの信号の比率を２つの信号の規模とともに用い、外的影響の規模を外的影響の規模の比率とともに用いて、トランスミッタの動作を検証するためにさらなる技術を用いることができる。動作の検証に加えて、加速度信号を用いて、リアルタイムで較正及び補償を行うことができる。信号を監視及び分析することによって、トランスミッタは、ステータスに関する通知又は警告を提供することができる。加速度計は、所望のように位置付けることができ、たとえば圧力センサ等のプロセス変数センサ、又はセンサに関連する電子機器に近接して組み立てることができる。たとえば、容量ベースの加速度計は、既存の又は改変されたアナログ・ディジタル変換器、たとえば容量／ディジタル集積回路に組み込まれることができる。三軸加速度計を用いて、診断ツールとして振動の測定、圧力測定におけるヘッド効果を自動的に較正するための手段として装置の傾斜の測定、プロセス変数センサに対する影響と比較した送信検証で用いるための装置への影響の測定、及び／又は加速度圧力オフセットを較正するための加速度の測定を含む、複数の機能を行うことができる。加速源は、たとえばばね荷重パンチ機構等の装置に組み込まれることができる。この機構は、操作者によって始動されることができるか、又はトランスミッタの電気回路によって自動的に始動されることができる。別の構成では、機械的又は圧力の外的影響は、工業用プロセスにトランスミッタを結合させるプロセス接続に組み込まれる。加速度計は、プロセス変数センサに直接取り付けられて、２つの信号間により予測可能な関係を生み出すことができる。
【００４０】
１つの構成では、加速度計は、時間ベースの加速度入力の周期を測定するように構成することができる。加速度がプロセス変数測定、たとえば圧力測定、精度に影響する場合、「静穏」期間中に取得された測定値は、より高い精度を提供すると考えることができる。そのようなシステムは、たとえば、加速度計が、測定に誤差が生じる場合がある大きな加速度入力を測定しているとき、最も直近の「良好な」値を保持することができる。別の例では、いくつかの構成において、測定されたプロセス変数の増大、たとえば流量の増大は、振動の増大、たとえばポンプ脈動の増大又はより大きな規模の管振動にも対応する。加速度計内のプロセス変数「圧力」センサからの信号は、さらなる診断として比較されて、測定されたプロセス変数により高い信頼性を提供する。
【００４１】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形状及び詳細に変更を加えてもよいことが認識されよう。いくつかの実施形態では、本発明は、任意のタイプのプロセス装置に組み入れることができる。任意のタイプのプロセッサを用いることができ、加速度に関連する容量の変化を作り出す金属ビーム又は微細加工機能を用いる容量ベースの加速度計、塊に載せられた結晶を用いる圧電センサ、たとえばビームが加速度に基づいて変化する抵抗を有する圧電センサ、磁界の変化に基づくＨａｌｌ効果ベースのセンサ等を含む。本発明の診断回路は、任意の適切な構成要素に組み入れることができる。たとえば、回路は、マイクロプロセッサ及び関連する構成要素に、プログラミング命令とともに組み入れることができるか、又は他の構成要素もしくは実施形態を含むことができる。加速度センサの例は、容量式、電動式、圧電型及び微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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