(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２線プロセス制御ループ（１６）から受信した電力を、送信機（１２）の構成要素に分配するために、２線プロセス制御ループ（１６）に結合することのできる電力分配モジュール（２０）と、
該電力分配モジュール（２０）に結合され、該２線プロセス制御ループ（１６）に結合でき、該２線プロセス制御ループ（１６）を経て通信するように構成されたループ発信機（２２）と、
熱電対の信号を受信するために、熱電対（３２）に結合できる入力端子（２４）と、
前記電力（分配）モジュール（２０）と入力端子（２４）に結合され、該入力端子（２４）の両端電圧を測定するのに適合するように構成された測定回路（２６）と、
前記電力分配モジュール（２０）と入力端子（２４）に結合され、診断状態の間に、該入力端子（２４）を経て、前記熱電対（３２）に、互い違いの方向に診断電流を流し、通常状態においては、該入力端子（２４）を経て実質的に電流を通さなくするのに適合するように構成された電流源（２８）と、
前記電力分配モジュール（２０）、ループ発信機（２２）、測定回路（２６）、および電流源（２８）に結合されたコントローラ（３０）を具備し、
前記コントローラ（３０）は、通常状態の間は前記測定回路（２６）から測定信号を受信し、診断状態の間は前記測定回路（２６）から前記入力端子（２４）の両端の抵抗と関連する前記互い違いの方向に流れる診断電流から生じる電圧を受信し、この電圧の絶対値の平均を求めることによりゼーベック電圧に依存しない診断信号を得、前記診断信号と測定信号の少なくとも一方に関連する出力をループ発信機に供給するようにすることを特徴とする、
流体プロセス制御システム（１０）に使用される２線温度送信機（１２）。
【請求項２】
前記出力が前記診断信号と測定信号とからなることを特徴とする請求項１の送信機（１２）。
【請求項３】
前記診断電流が少なくとも１マイクロアンペアであることを特徴とする請求項１の送信機（１２）。
【請求項４】
前記電流源（２８）が、診断状態の間互い違いの方向に診断電流を流すのに適合するように構成され、
前記診断信号が互い違いの方向に流れる診断電流から生じる電圧に関係することを特徴とする請求項１の送信機（１２）。
【請求項５】
前記診断電流は、受容できる熱電対使用残期間の予測を示すことを特徴とする請求項１の送信機（１２）。
【請求項６】
さらに、前記コントローラ（３０）に結合され、前記診断信号を示すデータを周期的に蓄積するのに適合するよう構成されたメモリ回路（３４）を具備していることを特徴とする請求項１の送信機（１２）。
【請求項７】
前記メモリ回路（３４）は、所定時間を超えて、複数の診断信号を示すデータを蓄積するのに適合するよう構成されていることを特徴とする請求項６の送信機（１２）。
【請求項８】
前記診断信号は、予め選択された閾値を越える熱電対の抵抗であることを示すユーザへの通告であることを特徴とする請求項１の送信機（１２）。
【請求項９】
前記プロセス制御ループ（１６）は、４〜２０ｍＡプロセス制御ループであることを特徴とする請求項１の送信機（１２）。
【請求項１０】
前記ループ発信機（２２）は、前記診断信号をデジタルで通すことを特徴とする請求項１の送信機（１２）。
【請求項１１】
前記電流源（２８）は、半導体電流源であることを特徴とする請求項１の送信機（１２）。
【請求項１２】
請求項１の２線温度送信機で熱電対の劣化を測定する方法であって、
ゼーベック電圧に依存しない熱電対の抵抗の初期値を獲得し（６２）、
温度送信機で、ゼーベック電圧に依存しない熱電対の抵抗値を次々と測定し（６４）、
前記熱電対の抵抗の初期値と、前記次々に測定した熱電対の抵抗値との比較に関連する診断出力を発生し（６６）、
前記次々と抵抗値を測定することが、該熱電対を通って第１の方向に既知の電流を流している間に第１の発生電圧を測定し、前記熱電対を通って前記第１の方向とは逆方向に既知の電流を流している間に第２の発生電圧を測定することを含み、
前記診断出力が前記第１と第２の発生電圧の絶対値の平均に関連していることを特徴とする、熱電対の劣化を測定する方法（６０）。
【請求項１３】
前記熱電対の抵抗値の次々の測定と前記診断出力の発生とが繰り返されることを特徴とする請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記繰り返しが、予め選択された間隔でなされることを特徴とする請求項１３の方法。
【請求項１５】
前記繰り返しがランダムな間隔でなされることを特徴とする請求項１３の方法。
【請求項１６】
前記熱電対の抵抗の初期値を獲得することが、前記温度送信機で熱電対の抵抗の初期値を測定することからなることを特徴とする請求項１２の方法。
【請求項１７】
前記次々と抵抗値を測定することが、前記熱電対を通って既知の電流を流し、該熱電対の両端電圧を測定することであることを特徴とする請求項１２の方法。
【請求項１８】
前記既知の電流が１マイクロアンペアであることを特徴とする請求項１７の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
プロセス産業は、固体、スラリ、液体、蒸気、化学中の気体、パルプ、石油、薬剤、食物、および他のプロセスプラントのような物質に関するプロセス変数をモニタするための、プロセス変数送信機を具備している。プロセス変数は、圧力、温度、流量、レベル、濁度、密度、濃度、化学組成、および他の特性を含む。処理流体温度送信機は、感知されたプロセス物体の温度に関係する出力を提供する。温度送信機の出力は、プロセス制御ループを経て制御室へ伝送されることができる。又は、該出力は、プロセスをモニタまたは制御できるような、他のプロセス装置へ伝送されることができる。プロセス流体温度をモニタするために、送信機は、熱電対のような温度センサを含んでいる。
【０００２】
熱電対は、ビスマスおよびアンチモンのような二つの異種金属を接合することによって作成される。二つの異種金属の接合は、その温度に関係する小さな電圧を発生する。これは、ゼーベック（Seebeck）効果として知られている。熱電対センサを具備するプロセス流体温度送信機は、熱電対の小さな電圧を計測し、それから該熱電対電圧に基づいて、プロセス流体温度を計算する。重要な熱電対の一次変数は、（温度を示す）電圧であるが、それは、熱電対の抵抗がその状態を示すことが知られている。熱電対は長年使用されると、または劣化すると、抵抗が変化する。このため、熱電対の抵抗測定は、該熱電対の状態を評価するために使用される。抵抗を測定するために、テスト電流が熱電対を通って流され、それによる電圧が測定され、抵抗の計算に使用される。
【０００３】
２線プロセス制御装置においては、温度送信機のようなプロセス測定装置はデータ通信に使用されるのと同じ２線を経て全ての必要な電力を受けることができる。該ループで利用される電力量は、固有の安全要求を満足させるために制限されている。該ループ電流は、プロセス変数を示すために、４〜２０ｍＡの間を変化する。このため、ループから電力を供給される装置は、４ｍＡまたはそれ以下で動作しなければならない。そのような小さな電力は、与えられたプロセス装置の計算上の容量を制限し、また、診断装置に使用できる電力量を同様に制限する。このため、２線温度送信機の便利さと、正確な診断情報を提供するために熱電対を経て診断電流の適量を提供する能力との間に、トレードオフの関係がある。
【０００４】
プロセス制御がより正確になるにつれて、プロセス変数を提供するだけでなくそれら自身の健全性を示すプロセス装置を提供する必要が増加してくる。増強されたプロセス装置の診断装置を提供することにより、プロセス変数情報は、プロセス装置の状態によって、その信頼性は大きくなったり小さくなったりする。そのような装置を提供することは、プロセス制御を増強し、予測メンテナンスの効率を向上させる。
【０００５】
要約
２線温度送信機は、熱電対が劣化したかどうか、または劣化した程度を判断するために、送信機に付けられた熱電対診断装置の働きをする。該送信機は、熱電対の抵抗値を検知するために、熱電対を通る診断電流を流す。この抵抗値は、それから熱電対劣化に関係する診断出力を計算するのに使用される。熱電対の抵抗値を検知するための種々の方法がまた提供される。
【０００６】
図面の簡単な説明
図１は、プロセス流体温度送信機の外観図である。
図２は、プロセス流体温度送信機１２の説明図である。
図３は、プロセス流体温度送信機のシステムブロック図である。
図４は、プロセス流体温度送信機のシステムブロック図である。
図５は、プロセス流体温度送信機のシステムブロック図である。
図６は、図５に示されている送信機の一部の概念図である。
図７は、２線温度送信機を備えた熱電対劣化の測定方法を示すブロック図である。
【０００７】
詳細な説明
本発明は、２線プロセス流体温度送信機の実施例および熱電対の劣化が評価される方法を参照して説明されるが、当業者は、本発明の精神および範囲を逸脱することなしに、形式および詳細について本発明を変更することができることを認識するであろう。
【０００８】
図１及び２は本発明の実施例による２線プロセス流体温度送信機の外観を示している。図１は、プロセス流体温度送信機１２を含むプロセス流体制御システム１０を示す。図２は、２線プロセス制御ループ１６を経て（電圧源および抵抗としてモデル化された）制御室１４に電気的に結合されたプロセス流体温度送信機１２を含むプロセス制御システム１０を示す。送信機１２は、パイプ１８のようなプロセス流体容器上に装着され、かつ該容器に結合されている。送信機１２は、プロセスパイプ１８中のプロセス流体の温度をモニタし、ループ１６を経て制御室１４へ温度情報を伝送する。送信機１２は、（図３に示されている）端子１７を経てループ１６に結合されることができる。
【０００９】
図３は、本発明の一実施例によるプロセス流体温度送信機１２のシステムブロック図である。送信機１２は、電力モジュール２０，ループ発信機２２，熱電対入力２４，測定回路２６，電流源２８，およびコントローラ３０を含む。送信機１２は、該送信機１２が熱電対３２から電圧測定値を獲得することができ、かつ該測定値を計算されたプロセス流体温度に関連付けられるように、（電圧源としてモデル化された）熱電対３２に結合されることができる。それから、送信機１２は、２線プロセス制御ループ１６上に、計算されたプロセス流体温度を提供する。
【００１０】
電力モジュール２０は送信機１２内に配置され、２線プロセス制御ループ１６に結合されることができる。モジュール２０は、送信機１２の種々の要素に対して、ループ１６から受信した電力を適当に調節する。電力モジュール２０を利用すると、送信機１２は、プロセス制御ループ１６から受信した電力だけで動作させることができるようになる。モジュール２０は、例えば、ＤＣ−ＤＣ電力レギュレータのような既知の電子部品から構成することができる。数個の実施例では、ループ１６上で４〜２０ｍＡのアナログ信号を用いており、これらの実施例では、モジュール２０は、送信機１２内の他の構成要素に提供するために、４ｍアンペア以下に調整するように動作する。さらに、モジュール２０は、ループ１６から受信した電気ノイズが他の構成要素に到着するのを防止するようにすることができる。
【００１１】
ループ発信機２２は、２線プロセス制御ループ１６に結合されることができ、ループ１６を経て通信するように構成されることができる。発信機２２は、既知の形式であってよい。例えば、発信機２２は、アナログ通信、デジタル通信、またはこれらを結合した通信を提供するするために適当に選択することができる。アナログとデジタル通信を結合したものは、ハイウェイ  アドレッサブル  リモート変換器（ＨＡＲＴ（登録商標））プロトコルとして既知である。ＨＡＲＴ（登録商標）の一つは、４〜２０ｍＡアナログ信号上にデジタル信号を重畳するものである。そのようなプロトコルでは、重要な一次変数は、一つのモード、例えばアナログモードで提供されることができ、一方診断信号は他のモードで提供されることができる。しかし、本発明は、純粋なアナログ通信、または（“FOUNDATION”フィールドバスによって提供される如き）純粋なデジタル通信を用いて実施されることができる。
【００１２】
送信機１２は、また熱電対入力部２４を含む。入力部２４は、熱電対３２に結合する可動電気部品を提供する。さらに、入力部２４は、もし所望なら、送信機１２が冷接点補償（cold junction compensation）の提供を許すように、第２の熱電対を収容するように構成することができる。さらに、入力部２４の実際の温度は、既知の数学的アルゴリズムによって、冷接続補償を提供するために、既知の方法で、感知されることができる。熱電対３２は、タイプＪ、タイプＫ、または同様な任意の熱電対であることができる。本明細書中で後に詳述されるように、熱電対３２の抵抗値は、熱電対の使用可能性を指示するために検知される。しかし、熱電対の重要な一次変数はその電圧であり、また電流は電圧検知の間熱電対回路を通って実質的に流れないから、熱電対は、２線のみを利用する。しかし、もっと正確な抵抗測定を提供するために、４線熱電対を使用することが検討されている。その場合には、入力部２４は、４線を受信し、ケルビン接続を生成するのに適合するように構成される。
【００１３】
測定回路２６は、送信機１２内に配置され、熱電対の両端の電圧を測定するのに適合するように構成される。回路２６は、熱電対電圧の適当な電気的指示を提供できる回路である。一実施例では、回路２６は、既知のアナログ−デジタル変換器から構成することができる。回路２６は、入力部２４、電力モジュール２０、およびコントローラ３０に結合される。回路２６は、コントローラ３０へ、好ましくはデジタル形式の出力、つまり熱電対３２の両端の感知電圧を示す出力を提供する。
【００１４】
電流源２８は、入力部２４、電力モジュール２０およびコントローラ３０に結合されている。電流源２８は、入力部２４に結合された熱電対を通る既知の診断電流を通すことのできる適当な回路であり得る。１マイクロアンペア程度の診断電流を用いることができる。例えば、電流源２８は、精密半導体電流装置、あるいは同様の物でありうる。電流源２８は、熱電対３２を通って、直流（ＤＣ）または交流（ＡＣ）を流すのに適合するよう構成することができる。さらに、電流源２８は、既知の抵抗を通る未知の電流を提供する回路でありうる。この電流は、オプションで設けられる測定回路２６で測定されることができる。診断モードの間、電流源２８は熱電対３２を通って診断電流を流す。該診断電流は、熱電対３２を通って一方の方向に流され、また熱電対３２を通って他方の方向に流されることができる。診断電流が熱電対３２を通って流されている間、測定電流回路２６は熱電対の両端電圧に関係する信号、つまり熱電対３２の抵抗値に関係する信号をコントローラ３０へ提供する。後述の説明から明らかなように、診断モード中に測定される電圧は、ゼーベック効果による電圧要素を低減または削除するように補正されることができる。この結果、熱電対の抵抗値のみを実質的に示す診断信号を提供することができる。
【００１５】
コントローラ３０は、送信機１２内に配置され、電力モジュール２０，ループ発信機２２，測定回路２６，および電流源２８に結合される。コントローラ３０は、測定回路２６から受信された電圧情報をプロセス流体温度に関連付けることができ、また熱電対診断を提供することのできる適当な回路でありうる。特に、コントローラ３０は、マイクロプロセッサまたは同様なものでありうる。通常の動作中には、電流源２８は、電流を熱電対３２を通って流さない。このため、測定回路２６から受信された信号は、熱電対の電圧のみを示す。コントローラ３０は、測定回路２６から受信された情報を、適当な数式またはルックアップテーブルによりプロセス流体温度に関係付ける。コントローラ３０は、それから、プロセス変数が２線プロセス制御ループ１６を経て通信されるように、プロセス変数出力情報をループ発信機２２へ通す。
【００１６】
診断モードの間、コントローラ３０は電流源２８が熱電対３２を通って診断電流を流すように命令する。数個の実施例では、診断電流は反対方向に流されることができ、（各方向の熱電対の両端電圧を示す）測定回路２６から受信された電圧情報はゼーベック電圧に依存しない熱電対抵抗値を計算するのに使用されることができる。他の実施例では、ゼーベック電圧は、診断電流が熱電対を通って流されている間に測定される電圧から、単純に減算されることができる。診断測定値からゼーベック電圧を除去する他の技術が以下に説明されるであろう。
【００１７】
コントローラ３０は、熱電対抵抗値を診断出力に関係付けるのに適合するようにされることができる。そのような関係は、典型的には、現在の熱電対の抵抗値を、（送信機１２の初期設定の間に測定された）熱電対抵抗の初期値と比較する形式である。しかし、その関係は、また予め選択された閾値抵抗値との比較の形式、または長期間の稼働平均抵抗値との比較の形式であってもよい。さらに、長期間の平均は、寿命評価を提供するための傾向分析のために、コントローラ３０により使用されることができる。種々の診断測定値が蓄積されている実施例では、コントローラ３０はそのような蓄積のためにオプションのメモリ３４を利用することができる。
【００１８】
診断出力は、ループ１６を介して通信するために、ループ発信機２２に供給されることができる。診断出力は、多くの形式を採ることができる。出力は、単純に、熱電対の故障または故障が迫っていることを示すアラームであっても良い。しかし、該出力は、熱電対の出力がプロセス流体温度をもはや示さなくなる推定時刻を示す寿命予測の形式であっても良い。
【００１９】
診断出力の提供に加えて、コントローラ３０は、プロセス変数出力を提供している間に、熱電対３２の劣化状態を利用するように適合されることができる。そのような適合は、ハードウェア、ソフトウェアまたはこれらの結合の形式であることができる。このように、熱電対３２は劣化し、熱電対の電圧とプロセス流体温度との関係は変化するので、コントローラ３０は、プロセス変数出力を提供するとき、ある程度まで該劣化を補償することができる。劣化、プロセス流体温度、および電圧間の関係は、実験的に決定されることができ、補償方程式またはルックアップテーブルの形式でコントローラ３０に提供されることができる。例えば、もし測定回路の入力インピーダンスが既知であり、熱電対の抵抗が上記の説明のように測定されるなら、入力インピーダンスと熱電対抵抗との電圧の分圧作用により発生される測定誤差が計算され、実際のゼーベック電圧を補償するのに使用されることができる。
【００２０】
図４は、本発明の他の実施例による送信機のシステムブロック図を示す。送信機４０は、多くは送信機１２に類似しており、同じ構成要素には同じ符号が付されている。送信機４０は、送信機４０が熱電対３２を含む点で送信機１２とは異なる。熱電対３２は送信機４０内に配置されるから、入力部２４のような入力部は含まれない。その代わりに、熱電対３２は測定回路２６と電流源２８に直接結合される。
【００２１】
図５は、本発明の他の実施例の送信機５０のシステムブロック図である。送信機５０は送信機１２に類似しており、同じ構成要素には同じ符号が付されている。送信機１２と送信機５０との主たる違いは、送信機５０は電流源を含まないが、その代わりに、既知の抵抗負荷５２を含むことである。負荷５２は、コントローラ３０に結合され、コントローラ３０から受信された制御信号に応答して、熱電対回路を選択的に短絡する。熱電対回路中の負荷５２の回路図が図６に示されている。測定回路がかなり正確であり、適した入力インピーダンスをもつ実施例では、負荷５２を使用すると、必ずしも熱電対を通って診断電流を流すことなしに診断を行うことができる。負荷５２は既知の抵抗であるから、熱電対回路を短絡する負荷５２の効果は、熱電対抵抗値を示すのに使用される。
【００２２】
図７は、２線温度送信機における、熱電対劣化を測定する方法６０のシステムブロック図である。この方法は、２線送信機が、熱電対３２のような、熱電対の抵抗の初期値を得るブロック６２で開始する。送信機６０は、種々の方法で抵抗の初期値を得ることができる。例えば、抵抗の初期値は、初期設定の間に、送信機によって測定されることができる。他方、該抵抗値が（熱電対製造者）のような他の所で測定された後、抵抗の初期値は２線プロセス制御ループを経て、送信機に送られることができる。
【００２３】
ブロック６４では、次々に熱電対抵抗が測定される。その測定は、上記した方法で行われることができる。ゼーベック電圧の影響は、正確さを増すために、次々に測定された抵抗の測定値から除去又は低減されることができる。そのような補償は、診断電流が熱電対を通って流れる方向を逆転し、各電流方向に対して、電圧の平均絶対値を測定することにより、なされることができる。該補償は、また、診断電流が熱電対を通って流されている間に測定される電圧から、ゼーベック電圧を単に減算されることにより、なされることができる。さらに、該補償は、また、診断電流がゼーベック電圧より著しく大きい熱電対の両端の電位差を発生することを保証し、これによりゼーベック電圧の影響を低減することにより、なされることができる。例えば、診断電流は１ミリアンペアと同じほどに大きくすることができる。または、もっと大きくすることができる。
【００２４】
ブロック６６では、診断出力は、熱電対の抵抗の初期値と次々と測定される抵抗値との比較に関連して発生される。診断出力は、上記の種々の形式のいずれであっても良い。診断出力が発生された後、該診断出力は２線プロセス制御ループを経て伝送されることができる。ブロック６６は、多くの繰り返しがなされるように、ブロック６４に対する制御を通ることができる。該繰り返しは、例えば１／２時間のような、予め選択された遅延の後行われることができる。該遅延は、またランダムであっても良いし、最近の既知の熱電対の劣化値の関数であってもよい。熱電対が劣化するにつれて、診断方法３２は、より頻繁に行われることができる。さらに、方法６２は、診断モードに入るために、（局所的またはプロセス制御ループを通って）送信機によって受信された適当なコマンドにより発動されることができる。
【００２５】
本発明は特定のモジュールおよび機能ブロックを引用して説明されたけれど、そのような説明は明確にするためである。種々のブロックのいくつか、または全てが、Application  Specific  Integrated  Circuit  （ＡＳＩＣ）のように、結合されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図３】  プロセス流体温度送信機のシステムブロック図である。
【図４】  プロセス流体温度送信機のシステムブロック図である。
【図５】  プロセス流体温度送信機のシステムブロック図である。
【図６】  図５に示されている送信機の一部の概念図である。
【図７】  ２線温度送信機を備えた熱電対劣化の測定方法を示すブロック図である。
【符号の説明】
１２……送信機、１６……２線プロセス制御ループ、１７……端子、２０……電力モジュール、２２……ループ発信機、２４……熱電対入力、２６……測定回路、２８……電流源、３０……コントローラ、３２……熱電対、３４……メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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