プロセス診断法
産業プロセスで用いられる診断装置（１００）は、産業プロセス内の状態あるいは他の出来事を分析または識別するように形成された監視電子機器あるいは診断回路を含む。システムは、流量計などのプロセス装置内、および１つの例である音響式流量計内で実施される。変換器も使用され、共振周波数などの周波数レスポンスが観察される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業プロセスで使用される診断法に関し、特に、産業プロセス内の汚れおよび腐食を検知するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
腐食および汚れは、多くの産業において長年の問題であった。プロセス産業では、腐食および汚れは、流れ領域壁の狭小および縮小の原因となり、狭小および縮小の両方が、管、導管、シリンダ、タンク、圧力容器およびその他類似の構成要素の性能に有害である。さらに、腐食および汚れは、システムに取り付けられた固定装置の破壊および故障の原因となる。システムによっては、このような故障を修理するには非常に費用がかかる。
【０００３】
様々な技術が、装置が故障する前に腐食および／または汚れを検知するために採用されてきた。１つの技術は、プロセス構造の外側に専用の腐食および／または汚れ検知装置を取り付けること、プロセス構造の壁を通る流れの向きに対して垂直な超音波信号を送出すること、および詰まりまたは汚れを示す壁の厚さの変化を測定するための反射超音波信号を経時的に検知することである。別の技術は、流体が充満されたコンテナの壁に超音波信号を送出することである。超音波信号は、送信変換器から受信変換器に伝搬する。受信波の分析によって、内壁の腐食の存在が判断される。第３の技術は、流体の流れの中に音響装置を挿入することである。音響装置は適所に固定されてもよいし、流体内に残屑のように浮かべてもよい。この音響装置からパイプ壁の音響サイン（acoustic signature）を引き出すことができる。
【０００４】
さらに、いくつかの外部に取り付けられた検知装置が、固定装置のノイズサイン（noise signature）の変化を検知するために提供されてきた。様々なタイプの固定装置（ボイラ、混合器、熱交換器、バルブおよびその他類似の構成要素）のうちのいずれかを通ってプロセス流体が流れると、プロセスノイズサインが生成されることが、従来技術において知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
詰まり、汚れ、あるいは腐食が生じると、プロセスノイズサインつまりプロセスノイズパターンが変化する。残念なことには、従来の汚れおよび腐食検知装置および検知技術は、既存の監視および制御装置とは分離した専用の検知装置を必要とする。既存の監視および制御システムに前述のような装置を追加することは費用がかかる。当業者は、専用装置を必要としない固定装置の汚れおよび／または腐食を検知するためのシステムおよび装置を必要とし続けている。本発明の実施例は、これらおよび他の問題の解決策を提供し、従来技術以上の利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
産業プロセスで使用する診断装置は、産業プロセスの状態あるいは他の出来事を分析または識別するように構成された監視電子機器または診断回路を含む。システムは、流量計などのプロセス装置内、および１つの例である音響式流量計内で使用される。変換器も使用され、共振周波数などの周波数レスポンスが観察される。診断方法もまた提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
従来の既知の流量計は、一般的に、パイプ内を流れる流体から自然に起きる渦の発生および伝播を検知するために音響センサを利用している。外部パイプ壁に沿って配置された音響センサは、渦によって発生した音響パターンに基づいて前述のような渦を識別して追跡し、パイプを通る流量がそれらのパターンに基づいて計算される。通常は、前述のような音響検知システムは、少なくとも毎秒３フィートの速度を有する乱流を必要とする。
【０００８】
さらに、産業プロセス内の装置が、プロセスノイズを発生させる傾向にあることは従来技術において知られている。典型的には、現場装置は、測定される音響データから所望の測定値を抽出するために、センサにプロセスノイズが入らないようにするか、プロセスノイズをフィルタするように設計されている。本発明は、固定装置、または（タービン、ポンプ、ロータ、混合器、および他の回転または往復運動装置、熱交換器、バルブ、温度計保護管、配管およびその他類似の構成要素などの）プロセス装置の健全性を監視するために、バックグラウンドノイズまたはプロセスノイズを利用する。一般的には、これらの装置が汚染または腐食されると、それらのノイズに変化が生ずる。より重要なことには、プロセス装置が故障し始める時に、その故障している装置に関連したプロセスノイズに微妙な変化が検知される。このようなプロセスノイズの変化は、人間の可聴範囲のかなり上か下で生じるが、音響的には検知可能である。
【０００９】
１つの態様では、本発明は、システムの汚れおよび腐食を示す音響または圧力の変化の経過を監視するために、典型的には、フィルタされたバックグラウンドノイズ（background noise）を利用する。音響式流量計は、マイクロプロセッサを含む関連回路を有するので、バックグラウンドノイズ処理用のアルゴリズムを含むファームウェアをアップグレードすることで、既存の音響式流量計を、汚れおよび腐食を監視するように構成することができる。新しい音響式流量計システムでは、回路および／またはソフトウェアが、汚れおよび腐食を示すバックグラウンドノイズの変化を監視し検知するために付加される。
【００１０】
図１は、本発明の実施例によるプロセス診断システム１００の概略ブロック図である。診断システム１００は、パイプ１０２を含み、パイプ１０２には固定装置１０４が連結されている。パイプ１０２内の流体流量は、典型的には３つまたはそれ以上の音響センサを含む音響検知器１０６を使用して、流体内の渦によって発生した音響パターンを検知する音響式流量計１１２を用いて測定される。本明細書に使用される「音響（acoustic）」とは、可聴範囲内の周波数で生じるかどうか分らないが、検知可能な、反復または非反復の圧力信号あるいは変動を意味する。
【００１１】
音響検知器１０６は、リード線１１０を介して監視電子機器１０８に接続される。監視電子機器１０８は、（有線または無線の）通信リンク１１６を介してコントロールセンター１１４に接続される。一般的には、通信リンク１１６は、ＨＡＲＴ、ＦＩＥＬＤＢＵＳあるいは他の通信規格などの通信規格を介して標準現場装置通信を行うための標準的な２、３、または４線式ループなどの標準配線である。いくつかの実施例では、リンク１１６などのプロセス制御ループを通じて供給された電力で、診断システムが完全に給電される。
【００１２】
一般的には、パイプ１０２の壁が、パイプ１０２内を流れる流体内に渦を形成する。パイプ１０２の外部に連結された音響検知器１０６は、渦によって発生した音響パターンを検知する。パイプ１０２を通る流量が、検知された音響パターンから計算される。渦を識別および追跡する過程において、音響検知器１０６が流れ内の音響信号を検知する。一般的には、プロセスノイズは、物理的なプロセス構成要素および流体の流れの両方を介して伝えられる。本発明は、渦と無関係な情報を廃棄するのではなく、渦と無関係な情報を基線サインに対して処理する。本発明中では、プロセス装置の汚れおよび／または腐食を予測するために、測定された情報が基線とどの程度異なるかの程度が利用される。
【００１３】
一般的には、診断機能は、正常に作動している固定装置を通って流れているプロセス流体によって生じる音響ノイズサインを測定することによって実行される。この音響ノイズサインは記憶され、基線サインとして使用される。基線からの偏差は、固定装置の汚れおよび／または腐食の程度を予測するために使用される。
【００１４】
音響式流量計１００は、固定装置１０４に隣接してパイプ１０２に取付けられる。流量計１００の音響センサは、プロセスの流れ内の渦によって発生した音響パターン、および固定装置１０４を通って流れるプロセスの流れによって発生した音響ノイズサインの両方を感知するために用いられる。
【００１５】
この音響ノイズサインは、組み込み時、またはユーザが定める他の時に、基準値としてサンプリングされて記憶される。作動中には、対象装置またはパイプの詰まりまたは汚れの状態が、プロセスノイズの変化に注目することによって検知される。プロセスノイズの変化が予め定められた閾値と一致するかそれを越える場合には、警報または警告が出力信号上に設定される。
【００１６】
プロセスノイズサインは、任意数の信号処理または統計アルゴリズムを用いて確定される。１つの実施例においては、測定された音響信号からノイズサインを確定するために、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が用いられる。
【００１７】
１つの実施例においては、電子機器は単一のパッケージ内に配置される。これらの電子機器は、それ自身の音響パターンに基づいて個別の渦を識別するだけでなく、音響センサ信号を入力し検査する。さらに、電子機器は、不揮発性メモリにセットアップ値を記憶する。電子機器１０８は、最低限でも、デジタル処理能力を有する。
【００１８】
１つの実施例では、監視電子機器１０８は、高ノイズ環境から信号を抽出し、センサおよび関連する監視機能を較正およびセットアップし、出力信号を生成すると共に、音響センサ信号を検査するように構成されたマイクロプロセッサを含んでいる。さらに、監視電子機器１０８は、ＦＦＴアルゴリズムによってノイズ信号測定値を変換するように構成された適切なソフトウェアを備えたデジタル計算能力、およびＦＦＴアルゴリズムによって生じるノイズサインを参照ノイズサイン（基線サイン）と比較するための比較機能を有する。他の実施例では、これらの機能は、別の回路または別のソフトウェアアルゴリズムによって処理される。
【００１９】
１つの実施例では、音響式流量計１００は、固定装置の上流に配置される。この実施例では、音響式流量計１００は、反射ノイズサインを感知する。このサインの振幅および／または周波数プロファイルが、流量計１００によって測定された既知の流量レートに対して、予め定められた量以上に変化している場合、コントロールセンター１１４に警報を出すために、警報または警告が流量計の出力信号上に設定される。
【００２０】
監視電子機器１０８は、外部装置によって、あるいは現場に必ず存在するオペレータインタフェースによって、初期値を設定するための入力機能を含む。好ましい実施例では、監視電子機器１０８は、ＨＡＲＴ、Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｂｕｓ、ＣＡＮ、あるいは他のデジタル媒体などのデジタルバスによって双方向通信を行う。別の実施例では、監視電子機器１０８は、無線規格８０２．１１（ｂ）等の無線プロトコル、赤外線信号、セルまたは無線リンクによる単純テキストメッセージ、および類似のものによって双方向通信を行う。この通信能力は、初期値を設定し、様々なレベルの警報を出力するために利用される。さらに、音響センサの健全性が、通信機能によって報告される。この種のメータ用には、電子機器は、典型的には４−２０ｍＡループで電力供給されない。しかしながら、メータがバーストモード（burst mode）で稼働される場合、ループからの電力供給が実現可能である。
【００２１】
本発明の実施例によって監視される、あるタイプの固定装置の一例は、回転式固定装置である。完全に故障する直前に回転装置の音響サインが変化することは、従来技術において既知である。例えば、流路の老朽化によって故障しそうなベアリングは、正常なプロセスサインと非常に異なる、特有のスクイーリング音（squealing sound）を発する。回転式固定装置の１つの例は、回転し、そのことによって特有のノイズサインを発するポンプおよびそれに付随のモータである。この代表的なノイズサインは、流量計１００と一体の音響センサによって感知され、較正中または作動中、あるいはオペレータの要求に応じて、基準ノイズサインとして流量計１００に記憶される。回転式装置のベアリングに問題が発生するか、例えば、ポンプ羽根が壊れた場合には、ノイズサインは著しく変化する。（コントロールセンター１１２からの、あるいは送信機ハウジング上のキーパッドおよび表示装置などの現場のオペレータインタフェース経由の要求により）バックグラウンドノイズサインを周期的に監視することによって、音響式流量計１００は、ノイズサインの変化を検知し、（高速フーリエ変換（ Fast Fourier Transform）などの）アルゴリズムを介してノイズ信号を処理し、処理されたノイズ信号を記憶されたサインと比較し、それらが予め定められた量と異なる場合、警報を発生させる。高速フーリエ変換が適用された後で、サインを比較することによって、高振幅の新しい周波数帯が直ちに識別される。
【００２２】
触媒分解器（「接触分解器（cat cracker）とも呼ばれる）においては、接触分解器構体上の薄片部のポートに連結されたパイプ部分１０２に接続される音響式流量計１００は、薄片部の流量を測定し、接触分解器の健全性を監視するのに用いられる。ノイズパターンあるいは短く高い振幅のノイズイベントに変化が生じる場合（１つのセラミック片が接触分解器構体からはずれる時のように）、音響式流量計の出力信号上に警報が設定される。接触分解器の詰まりまたは汚れの状態は、ノイズ振幅が基準値から予め定められた値を超えて減少する場合に検知される。
【００２３】
したがって、本発明は、流量計の機能を固定装置内あるいは配管内の汚れあるいは詰まりを検知するか予測できるように拡張した点に、従来技術の音響式流量計以上の利点がある。流量計１００は、容易に使用可能で、基本的な流量計以外に追加の装置や配線を必要としない。さらに、流量計１００は、対象装置および付随する配管の両方の詰まりおよび汚れ（または腐食）を監視することができる。
【００２４】
図２は、本発明の実施例によるプロセス診断システム２００の展開ブロック図である。診断システム２００は、パイプ部分２０２およびパイプ部分２０２に連結された固定装置２０４を含む。（複数の音響センサで構成される）音響検知器２０６は、パイプ部分２０２の外部壁に取り付けられ、その検知範囲は固定装置２０４の音響範囲内である。一般的には、音響検知器２０６が、固定装置２０４などの装置によって発生したノイズを監視する範囲は、プロセス流体の音響伝導レート、音響検知器２０６内のセンサの感度、およびプロセスノイズの大きさによって変化する。したがって、検知器２０６は、検知器２０６が固定装置２０４によって引き起こされた検知可能なノイズ信号を音響的に受信するために、固定装置２０４に十分隣接して配置される。
【００２５】
音響検知器２０６は、監視電子機器２０８に連結される。該監視電子機器２０８は、音響検知器と同じハウジング内に含まれてもよいし、または含まれなくてもよい。音響検知器２０６と監視電子機器２０８とは、リード線２１０を介して接続される。
【００２６】
一般的には、音響検知器２０６は、パイプ部分２０２の壁を通過するプロセスに関連するノイズだけでなく、流体の流れ内の渦によって発生したノイズパターンも監視する。測定情報は、リード線２１０を介して監視電子機器２０８のデータ入力部２２０に送信され、入力バッファ２２１に書込まれる。信号抽出・整形ブロック２２２は、バッファ２２１から測定情報を検索し、測定情報から流量情報を抽出する。その後、信号抽出・整形ブロック２２２は、流量を示す出力信号を発生する。出力信号は、通信リンク２１６を介してコントロールセンター２１４に送信されるためにトランシーバ２２６に送られる。
【００２７】
測定情報は、アルゴリズムによって測定情報を処理する変換ブロック２２３によってバッファ２２１から読み出される。好ましい実施例では、アルゴリズムは高速フーリエ変換である。変換ブロック２２３は、測定情報をプロセスノイズを示す音響サインに加工する。音響サインは、音響サインをメモリ２２８からのセットアップ時に初期化された基準サインと比較する、比較器ブロック２２４に送信される。１つの実施例では、測定情報をメモリ２２８に記憶された基線データと相関させるために、ニューラルネットワーク２３０がコンパレータ２２４に作用する。この方法では、バックグラウンドノイズ、あるいは特定装置に関連するノイズの音響変化が分離される。変化の大きさは、システムあるいは特定装置の汚れおよび／または腐食の大きさを示す。
【００２８】
したがって、音響式流量計は、特別な汚れ／腐食検知器システムを要せずに、流量測定に加えて、プロセスの監視および診断を行うのに適するように構成される。つまり、音響センサを含む現場装置は、大規模な変更を要せずに、２つの機能（流量測定およびプロセス診断）を行うように構成される。１つの実施例では、コントロールセンター２１４がニューラルネットワーク２３０およびメモリ２２８を提供し、マイクロプロセッサ２２４は、バックグラウンドノイズから渦流測定値を除去し、汚れおよび／または腐食がシステム内に生じたかどうかを決定するために基線信号に対して処理するための二つの信号部分をコントロールセンター２１４に返す。これにより、回路配列を変えることなく、監視電子機器の回路中のソフトウェアを調節することができる。
【００２９】
図１および２のシステムは、流体の流れによって発生したプロセスノイズを受動的に監視するものであることを、当業者は理解するであろう。さらに、固定装置（１０４／２０４）が、（携帯用センサおよび類似のものとは異なり）適所に固定されたシステム１００／２００の物理的な要素に関連することも理解されるであろう。固定装置１０４／２０４は、ポンプ、触媒分解器、混合器、バルブ、熱交換器、ボイラあるいは産業プロセスに取り付けられた他の装置を含む。固定装置は、さらに容器、導管、配管、およびタンク、あるいはプロセスに連結された他の構成も含む。
【００３０】
図３Ａおよび３Ｂは、能動的な腐食／汚染検知システムを有するプロセス診断システム３００の概略ブロック図である。システム３００は、プロセス流体を内部に有するパイプ部分３０２を含む。（触媒分解器、混合器およびその他類似のものなどの）固定装置３０４は、パイプ部分３０２に連結される。音響検知器３０６は、パイプ部分３０２内のプロセス流体の流量を測定するために、固定装置３０４付近のパイプ部分３０２に取り付けられる。音響検知器３０６は、リード線３１０を介して監視電子機器３０８に接続される。監視電子機器３０８は、有線または無線の通信リンク３１４を介してコントロールセンター３１２との間で情報の送受信を行う。
【００３１】
機械的ピンギング装置（mechanical 'pinging' device）または音響インパルス発生器３１６（以下「音響発生器３１６」という）は、パイプ部分３０２に取り付けられ、音響信号３１８を発生するように構成される。パイプ部分３０２が、ピングングされるか、励起されるかすると、音響検知器３０６の音響センサが、パイプ部分３０２の周波数応答特性を測定する。パイプ壁に沿った被膜の堆積および腐食が、検知された共振周波数の変化に基づいて検知される。
【００３２】
監視電子機器３０８のデジタル処理機能は、パイプ部分の共振周波数および振幅減衰を測定するために用いられる。メータ設置の初期の段階で、パイプ部分を励起させて周波数応答特性を測定することによって、基準共振周波数および振幅減衰値が設定され記憶される。現在の共振周波数の測定値および減衰値が、それぞれの初期値と比較される。初期値に比べて予め定められた量以上に変化すると、音響式流量計３００は、汚れおよび／または腐食の可能性を示す警報信号を発生する。
【００３３】
音響発生器は、音響インパルス発生器３１６以外にも、圧電振動子要素を用いることができる。このような実施例においては、所定の周波数範囲以上に音響変換器を駆動することによって、共振周波数が得られる。さらに、周波数応答特性を測定するために音響検知器３０６の音響センサを使用することによって、メータ部分の共振周波数および振幅減衰を測定することができる。
【００３４】
音響発生器３１６をパイプ部分３０２に恒久的に固定する必要がなく、音響発生器３１６を隣接したパイプ部分に単に移動させるだけで、隣接したパイプ部分を調べることができるということは注目されるべきである。パイプ部分の重要領域には、数個の音響発生器あるいは変換器が装着可能であり、配管の個々の重要部分には１個の音響発生器あるいは変換器を装着できる。音響式流量メータ３００は、特定時に各発生器３１６を励起し、その発生器３１６が装着された配管部分の共振周波数および振幅減衰を測定するように構成されている。共振周波数が予め定められた値以上にそれた場合、音響式流量計３００は、そのパイプ部分３０２内の腐食または浸食損傷の可能性を示す警報または警告を発生する。
【００３５】
好ましい実施例では、流量計３００は、流体の流れ内に引き起こされた渦によって発生した音響パターンを検知するように構成された３個以上の音響センサを含む。流量は、引き起こされた渦がセンサを通るのに要する時間に基づいて測定される。
【００３６】
他の実施例では、音響発生器３１６は、固定装置３０４へ向かう流体内に音響信号を送信する。固定装置３０４の表面がぬれていることを示す反射信号３２０が、固定装置から反射される。音響検知器３０６は、送信された音響信号３１８と反射信号３２０の両方を検知する。あるいは、検知器３０６は、反射信号３２０だけを測定する。いずれの場合も、監視電子機器３０８は、検知された信号を処理し、基線測定値からの変化量を決定する。そして、この変化量の大きさが、固定装置３０４の汚れおよび／または腐食を示す。
【００３７】
図３Ａでは、音響信号発生器３１６は、固定装置３０４および音響検知器３０６の上流に配置されている。しかし、音響信号発生器３１６は、検知器３０６の下流に配置されても、あるいは同じハウジング内に配置されてもよい。好ましい実施例では、信号発生器３１６が図のように配置されるので、検知器３０６は、信号（すなわち装置の共振周波数）の反射部分の周波数および位相変化だけでなく、送信された信号３１８の周波数および位相を測定することができる。
【００３８】
図３Ｂでは、音響信号発生器３１６（すなわち励起装置）は、固定装置３０４を挟んで音響検知器３０６の反対側に配置される。音響信号発生器３１６は、固定装置３０４を通して音響信号３１８を送信するか、あるいはシステムを励起して共振させる。音響検知器３０６は、（前述のように）送信された信号を検知するか、システムの共振周波数を測定する。送信された信号３１８の一部は、（音波３２０で示されるように）反射され、固定装置３０４を通して送信される。送信された信号３２２は、パイプ３０２内の流体流量を測定し、さらに固定装置３０４を通過する送信された信号３２２を検知するように構成された音響検知器３０６に向ってパイプ３０２内のプロセス流体を通って伝播する。
【００３９】
前述のように、送信された信号３２２は、音響検知器３０６によって測定され、監視電子機器３０８によって記憶された音響サインと比較される。他の実施例では、未処理の測定データがコントロールセンター３１２に送信され、そこでデータが処理され、蓄積されている基線情報と比較される。
【００４０】
一般的に、当初の設置状態では、固定装置３０４は、反射伝達機能および送信伝達機能の２つの伝達機能を有するとしてモデル化することができる。各伝達機能は、特定装置に特有のものであり、検知された反射または送信波形は装置に特有のサインである。後で測定された波形が、（位相、振幅、周波数などにおいて）特有のサインと異なるならば、測定された反射／送信波は、汚れあるいは腐食に起因する固定装置３０４内の変化を反映する。したがって、検知された音響サインは、システム３００内の汚れまたは腐食状態を予測する根拠を提供する。
【００４１】
対象パイプ部分の共振周波数に変化を生成し、これを検知するためのシステムは、非常に短い時間の間、パイプに共振を励起させる手段を含むことができる。共振周波数の変化を検知することができる圧力および／または音響装置が、その変化に基づいて汚れを検知するために用いられる。好ましい実施例では、「リスニング（listening）」装置は、圧力センサあるいは音響式流量計である。ピンギングあるいは音響信号発生器は、パイプを励起して振動させるのに用いられる圧電駆動機械式発信器、あるいはパイプに穏やかな衝動を送るための「ハンマー」タイプの装置である。これらの装置は、磁気ソレノイド技術、または振動モードで用いられる圧電ドライバに基礎をおいている。共振チェックは、単一のメータで多数の部分を評価できるように多重化された、時間、周波数あるいはコードを含む。メータの主要または補助の電子機器のいずれかが診断機能を実施するために利用される。
【００４２】
従来では、毎秒３フィートかそれ以上のレートで正確に流量測定できる音響式流量計が提供されている。このような大きなレートでしか正確に測定できない主な理由は、低流量速度で発生する渦が低エネルギであるということである。このことにより、バックグラウンドプロセスノイズからそれら特有のオーディオ信号を分離することがより難しくなる。
【００４３】
図４Ａは、本発明の実施例による、プロセス流体内に渦を引き起こすための渦流板４００の正面図である。好ましくは、渦流板４００は、開口部４０４を画定するリング形本体４０２を有する。流体の流れの中で渦を発生させるために、開口部４０４内に２つの障害物４０６が配置されている。プロセス内に板４００を固定するための固定手段として、ファスナ開口部４０７が本体４０２内に設けられている。２つの障害物４０６は、開口部の一部に延びる部分的な障害物であってよい。第２の実施例では、２つの障害物４０６は、（破線で示されるように）開口部全体に延びている。第３実施例では、障害物が１つだけ設けられる。音響検知器の上流の流体の流れに渦流板４００を挿入することによって、音響検知器は、毎秒１フート以下の低流量レートでの機能を果たすことができる。
【００４４】
図４Ｂは、それぞれパイプ部分４１０および４１６に連結されたフランジ要素４１２および４１４に挟まれた渦流板４００を有する音響検知器アセンブリ４０８の概略斜視図である。ファスナ４１８は、渦流板４００とフランジ要素４１２、４１４とを固定する。流れの方向に沿って配置された３つの音響センサ４２０で構成された音響検知器４２２は、パイプ部分４１６の外部表面上に配置される。音響検知器４２０は、流量を示す出力信号と、検知器４２２に隣接するシステムの健全性を示す診断信号とを生成するように構成された電子機器４２４に接続される。
【００４５】
この実施例では、流量レートは、渦が各センサを通過する時に検知される渦の伝達時間に基づいて検知される。各センサ４２０間の時間差および既知の距離は、流量レートを計算するための、毎秒３フィートより低い流量レートでさえ正確となる信頼できる基礎を提供する。測定のために用いられるパイプ部分内のオーディオセンサの上流に、小さな歯状のものあるいは他の小さな渦発生物を挿入することによって、はるかに強い特有のオーディオ信号をもつ渦を生成することが可能になる。これにより、音響式流量計技術を、毎秒約１フート以下の流量レートにまで拡張することができる。
【００４６】
図５Ａおよび５Ｂは、熱交換器システム５００の２つの実施例を示す。図５Ａでは、熱交換器システム５００は、一方の端部で蒸気トラップ５０４に、他方の端部でボイラ５０８に連結される熱交換器５０２を含む。凝縮貯蔵タンク５０６は、蒸気トラップ５０４とボイラ５０８との間に連結される。最後に、音響検知器５１０は、熱交換器５０２の流体出口端部に連結される。
【００４７】
一般的に、ボイラ５０８は、システム５００内の液体を、高温の蒸気にまで加熱する。この高温の蒸気は、パイプを通って熱交換器５０２まで送られる。熱交換器５０２は、隣接したプロセス（図示せず）で熱交換し、交換器内の蒸気を冷却する。冷却された蒸気は、蒸気トラップ内で液体状に凝縮し、音響検知器５１０を通過して、凝縮水貯蔵タンク５０６内に流れ、再加熱のために、ボイラ５０８の中にポンプで戻される。システム５００が単純化されることが理解されるであろう。「補給（makeup）」水の注入のためだけでなく、廃棄のためのバルブ、および自動または手動のブローダウン（blowdown）などの産業用の熱交換器システムに共通のいくつかの要素は、説明を明確化するために省略されている。
【００４８】
ボイラ５０８および熱交換器５０２の両方が、流体中にプロセスノイズを起す原因となる。ボイラ５０８は、プロセスにノイズを起すバーナを使用して水を加熱している。蒸気がパイプを通って流れると、蒸気自身がノイズを発生し、蒸気が流れ込む熱交換器５０２が、反射ノイズサインを発生する。音響検知器５１０は、システムの特定のノイズサインを測定するために、これらの音響信号を検知する。特に、交換器５０２は汚れおよび／または腐食を知るのに最適な要素なので、多くの場合音響検知器５１０が注目されるべき装置になる。この音響検知器５１０は２つ以上の装置を監視することができる。
【００４９】
能動的な汚れおよび腐食検知器を完成するために、熱交換器５０２と下流の要素との間に音響変換器５０３（破線で示される）が挿入される。好ましい実施例では、音響変換器５０３は、変換器がプロセス流体のすぐ近くに位置するように、交換器の壁面に連結される。変換器５０３は、これを腐食から保護するために、これとプロセス流体との間に、被膜および／または隔離材を有する。音響検知器５１０内の電子機器は、変換器５０３を駆動するために１つ以上の周波数を含む信号を発生する。変換器５０３に戻された信号は、送信変換器５０３の全体の健全性だけでなく、プロセス流体特性を評価するために検知される。
【００５０】
音響検知器５１０は、発生した音響信号を検知する。この信号は、流体特性情報および汚れ／詰まりの情報の両方を含んでいる。音響検知器５１０の電子機器は、検知された信号からプロセス流体特性情報を取り除き、汚れ／詰まりの情報のみを残す。その後、交換器を介して等価音響インピーダンスまで減衰することによって、汚れ／詰まりの情報が評価される。音響インピーダンスが閾値を越えて増大している場合、音響検知器５１０は、（図１〜３Ｂに示される）コントロールセンターに警報信号を発する。
【００５１】
この実施例では、音響検知器５１０は、流体速度を測定し、音響変換器５０３（圧電振動子であってもよい）を駆動し、返還信号を評価し、かつ詰まりまたは汚れが検知された時に警報状態を送信するように構成された電子機器を含む。
【００５２】
さらに、このタイプの能動的（駆動された変換器）汚れおよび腐食検知システムは、プロセス流体の主な特性の変化を評価する。あるプロセスについては、例えばプロセス流体の中に、浮遊物片やより上部に固体層が一時的に存在するような例外が時々発生する。この例外が存在したままだと、直ちに交換器が汚れる。基準音響サインは、この種の重大なイベントを検知し、検知されたイベントに特有の警報をユーザ（あるいはコントロールセンター）に提供するために用いられる。
【００５３】
このタイプの装置は、交換器５０２内のチューブ群のそれぞれが送信変換器５０３を具備するように構成されている。好ましい実施例では、これらの変換器は、ほとんどの音響エネルギが対象のチューブ群を通り抜けるように指向されている。各チューブ群は、異なる時間間隔で評価される。汚れ／詰まりはゆっくり（少なくとも数時間をかけて）生じるので、これらの時間間隔は、数秒間隔でよく、これにより検知の迅速性を失うことはない。タブ（容器）のグループを監視することによって、領域特有の汚れ／腐食を容易に検知することができる。
【００５４】
音響検知器５１０を備えた音響式流量計により、ノイズ信号の振幅および周波数分布を測定できることが理解されるであろう。交換器または反応器が詰まると、音響検知器５１０とは反対側の交換器の端部にある音響変換器５０３で発生するプロセスノイズが減衰される。検知器５１０は、減衰の程度を検知することによって、交換器および付随する配管内の汚れあるいは腐食の程度を予測することができる。詰まりが、事前に設定された限度を越えると、警報か警告が発生され、これは例えば制御システムに送られる。
【００５５】
感度を向上させるために、付加的な上流・下流の変換器が用いられる。流量計の音響検知器５１０は、プロセスノイズの減衰量をより正確に測定するために変換器信号を利用することができる。
【００５６】
変換器５０３は、その中に自己診断できる電子機器を有している。送信された信号の一部は、システム内の構成部分から反射される。反射信号は、変換器の音響出力信号の強さを監視するために用いられる。変換器５０３が老化するか、劣化するか、または壊れると、この信号は退化するかまたは消える。このことが起こると、変換器５０３に付随した電子機器は、それが故障しているという警告を出力する。複数の変換器５０３が使用される場合、各変換器５０３は、自己診断の電子機器を含んでいる。
【００５７】
この実施例は、音響式流量計５１０のオプションの診断能力として交換器の汚れの程度を測定する、高感度の予測方法を提供する。本発明は、導入および設置が容易で、汚れおよび詰まりの情報を提供するために、多くの圧力／体積分析を必要としない。変換器５０３および音響検知器５１０の音響センサのメンテナンスは、交換器５０２が点検または修理される時に行われる。この実施例の特別な利点の１つは、交換器５０２の被膜および汚れが、二次的な圧力量測定をすることなく、直接検知されるということである。さらに、音響変換器５０３を利用するシステムでは、プロセス流体特性が、信号の減衰に基づいて評価される。既存の音響式流量計技術を利用するので、この方法で診断システムを実行する費用は、安価であり、その費用は、主にノイズ処理用の付加的なボードなどのオリジナルの流量メータに小規模なハードウェアを付加するためのものである。
【００５８】
図５Ｂは、ボイラ５０８と音響検知器５１０の間に配置された温度センサ５１２を有する交換器システム５００を示す。さらに、温度センサ５１４が、音響検知器５１０と交換器５０２の間に配置され、温度センサ５１６が、交換器と凝縮貯蔵タンク５０６の間に配置される。
【００５９】
温度値は、交換器５０２に生じた詰まり／汚れの程度を測定するために監視される。３つの温度センサ５１２、５１４、５１６は、熱交換媒体（温度センサ５１２）の入口温度だけでなく、交換器５０２（温度センサ５１４および５１６）を通過することによるプロセス流体温度の変化を測定する。流量レートと結合されたこれらの温度センサ信号が、被覆、汚染、または詰まりに起因する交換器効レートの変化を検知するために用いられる。与えられた流量値と与えられた熱交換媒体入口温度の組み合わせに対して、交換器の両側の温度差（Ｔ２−Ｔ３）とボイラ５０８から交換器５１４の入口までの温度差（Ｔ１−Ｔ２）が測定される。初期値が、不揮発性メモリに記憶されて、次々に次の値と比較される。交換器５０２の両側の温度差の測定値が、記憶された差とかなり異なる温度変化を示すならば、詰まりまたは汚れが推測され、警報が発せられる。
【００６０】
清潔で適切に作動する交換器の伝熱特性は、温度低下の変化がシステム内の予定の温度変化に相当するものであるかどうかを評価する基礎になる。一定のプロセス流体特性が与えられると、測定値が期待値と著しく異なる場合、装置は警告か警報を発することができる。
【００６１】
音響検知器５１０は、音響信号を検知することにより、交換器の汚れ／詰まりを長期的にチェックすることができる。プロセス流体特性が、特定の装置に対応して大きく変わる場合には、交換器５０２の両側の期待温度低下についての密度変化の影響を修正するために、流体密度センサ５１８が用意される。１つの実施例では、音響式流量計は、（渦メータと同様に）プロセス流体密度を直接測定できるように構成されている。代わりに、交換器の両側の圧力差が測定されてもよい。交換器を通る温度と流量と共に、この差圧が、流体密度を推定するために用いられる。ほとんどの液体については、流体特性の流量への影響は、詰まり／汚れに比べて小さいので、流体密度は、大抵無視することができる。しかしながら、気体については、流体特性の変化は、交換器の両側の温度差に著しい変化を生ずる。交換器の性能の重要な変化をテストする場合には、このような流体特性の変化も詰まり／汚れを示す信号として考慮に入れられなければならない。
【００６２】
音響検知器５１０に付随する電子機器は、温度センサ信号を受信して整形するだけでなく、音響検知器信号５１０を受信して、流量センサ信号を整形する。電子機器は、不揮発性メモリ内に基準値を記憶している。電子機器は最低限でもデジタル処理能力を有し、現在の感知流量値、入口温度、および交換器５０４の両側の温度差を基準値と比較する。交換器性能が予め定められた限度より低下すると、詰まり／汚れの発生の可能性を表わす警報あるいは警告が発せられる。
【００６３】
冗長的な測定ではあるが、診断機能が正常であるかどうかは、交換器を通って流れるプロセス流体から、正常に作動している交換器の音響ノイズサインを測定することによって確認される。流量計音響センサは、流体内の渦によって発生した音響パターンを測定し、かつプロセス流体が交換器を通って流れる時に、プロセス流体によって生成された音響ノイズサインを感知するために用いられる。組み込み時、あるいはユーザが定める他の時に、流量ノイズが基準としてサンプリングされ記憶される。動作中には、交換器または付随の配管の詰まりまたは汚れの状態が、ノイズ振幅の変化が予め定められた閾値を越えることによって検知される。
【００６４】
交換器汚染検知システムは、流量メータのオプションの診断機能として、交換器の汚れの程度を測定するための高感度の予測手段を提供する。流量計は、導入が簡単で容易であり、診断は、汚れ／腐食の一次表示として交換器の両側の温度差を監視することにより行われる。交換器が点検される時に、流量計およびセンサが点検される。複数の温度センサが使用される場合には、複数の温度差が測定され、温度測定値の変化が、システム内の汚染領域を正確に検知するために利用される。適切な流量計技術あるいは追加のセンサを用いることによって、プロセス流体特性を評価することができる。さらに、濡れた構成要素は、標準センサ／送信機であるので、流量計に付随する電子機器だけが特別なものである。
【００６５】
図６は、本発明の実施例による温度計保護管６００の概略断面図である。一般に、温度センサ、特に温度計保護管の共通の故障状態は、温度計保護管またはセンサの外部の表面の被膜または汚れである。この被膜または汚れは、センサの熱時定数の変化を引き起こし、それにより、制御システムを「脱調（detuning）」する。ひどく被膜された温度センサは、プロセス内の温度が限界を超えても、被膜による時定数の増加によって、温度が範囲外であることの報告が遅れるため、監視を行うのに問題が生じる。
【００６６】
温度計保護管６００は、被膜または汚れが許容できない厚みになった時を検知するための手段を含む。温度計保護管６００は、温度センサ６０４を固定するための空間を形成する円筒状の本体６０２を含む。温度センサリード線６０６は、送信機（図示せず）から空間を通って、温度センサに延びている。温度計保護管６０２の外部表面６０８が被膜／汚染されると、時定数が変化する。
【００６７】
許容範囲外の被膜の堆積または汚れを検知するために、圧電変換器６１０が、温度計保護管６００の内部に固定される。他の実施例では、変換器は磁気式、静電気式、あるいはその他の方式の変換器であってもよい。温度計保護管６００は、変換器６１０が温度計保護管６００を駆動して共振させることができるような形状に作られている。変換器の駆動周波数は、温度計保護管６００の最大の振幅が測定され記憶されるまで、付随の電子部機器によって変更される。温度計保護管６００が被膜されるか汚れると、温度計保護管６００の質量が増加し、その共振周波数が変化する。共振周波数のこの変化が予め定められた限度を越えると、温度計保護管６００に連結された送信機は、この測定場所のプロセス処理担当部（一般的にはコントロールセンター）に警報あるいは「注意」信号を送る。
【００６８】
温度計保護管６００を被覆したり汚したりしない浸食性のプロセス流体においては、温度計保護管６００の質量は、侵食性のプロセス流体が温度計保護管６００を侵食するにつれて、徐々に変化する。侵食性のプロセス流体が、温度計保護管６００の表面に穴をあけるか、そうでなければ腐食（浸食）する時には、温度計保護管６００の質量が減少して、それにより共振周波数に変化が起きる。この共振周波数の変化の限度は、基線からの（プラスまたはマイナスの）偏差により予め設定されるか定められている。
【００６９】
図７Ａは、本発明の実施例による診断機能を有する、空気アクチュエータバルブ７００の概略ブロック図である。プロセスプラントの性能の低下の原因である共通の故障状態とは、バルブが動かなくなるか、つかえるか、または（プラグタイプバルブにおける）軸のプラグからの離脱といったバルブの機能不良である。別の故障状態は、バルブの内部形状がひどく腐食されるような、バルブの空洞化を含む。空洞化は、バルブとポンプとにわたる圧力変化に関連する問題であり、空洞化が生じると、プロセス流体が装置を通って流れる時に、圧力および温度の状態がプロセス流体の影響を受け、小さな気泡が生じて、激しくつぶれる。泡の崩壊は、たとえ短時間でも、装置を厳しく浸食する。空洞化に関連する周波数が２０キロヘルツ以上に上がることを除いて、空洞化の発生を検知するのは難しい。当業者は、対象装置に耳を傾けるか、変化を検知するように構成された音響センサおよび特別な電子機器を用いることによって、ほとんどの空洞化を検知することができる。圧力および／または音響センサは、プロセスから出る音を検知して、空洞化に関連するパターンを検知するように構成される。空洞化現象が検知されると、ユーザに通知される。空洞化は、２０ＫＨｚ以上の周波数範囲の装置サインの変化によって検知される。圧力センサおよび／または音響センサがより高い周波数を測定できるようにすることによって、空洞化が検知され、報告されるようにすることができる。バルブの空洞化は、ぶつかり合うビー玉のような音を発生する。さらに、Ｉ／ＰあるいはＩ／ポジショナ（Positioner）が故障すると、バルブの機能不良を引き起こす。
【００７０】
バルブ７００は、空気駆動制御バルブ７０４、位置決め要素７０６、空気アクチュエータ７０８およびオンラインバルブ診断装置７１０を備えたハウジング７０２を含む。一般的には、位置決め要素７０６（Ｉ／ＰまたはＩ／ポジショナ）は、制御バルブ７０４の位置を決める。アクチュエータ７０８は、位置決め要素を制御する。
【００７１】
空気アクチュエータバルブ７００は、フランジ要素７１４を有するパイプ部分７１２に取り付けられ、フランジ要素７１４は、隣接パイプ７１８のフランジ要素７１６と対の連結される。バルブ７００は、３つの圧力センサ、７２０、７２２、および７２４を含む。（圧力Ｐ１に対応する）圧力センサ７２４は、空気アクチュエータの圧力を測定するように構成される。（それぞれ圧力Ｐ２およびＰ３に対応する）圧力センサ７２０および７２２は、制御バルブ７０４とこれに隣接したパイプ部分７１２との間に配置される。一般的には、圧力センサ７２０および７２２は、制御バルブ７０４の一方側に配置された圧力タップを備えたガスケット内に配置される。
【００７２】
上流圧力（Ｐ２）、下流圧力（Ｐ３）、および空気アクチュエータ圧力（Ｐ１）を測定することによって、診断装置７１０は、バルブが機能不良かとどうかの診断出力を提供することができる。特に、上流圧力（Ｐ２）およびバルブ間の圧力差（Ｐ２−Ｐ３）は、バルブの作動点を測定するために監視される。空気アクチュエータに対する圧力も監視される。適切に（正常に）作動中のバルブにおいては、始動圧力（Ｐ１）が変化すると、バルブ作動点（Ｐ２−Ｐ３）も変化する。アクチュエータ圧力（Ｐ１）は、プロセスの擾乱による制御ループ変化の結果として、あるいは異なる作動点でプロセスを実行する時に変化する。
【００７３】
下流圧力センサ７２２は、高帯域幅を有するように選択されるので、キロヘルツ（ＫＨｚ）内の音響周波数を感知することができる。別の実施例として、（点線で示された）付加的な音響センサ７２６を備えた圧力センサ７２２を、圧力センサ７２２用のタップに連結してもよい。この音響センサ７２６は、高周波数を検知する機能を有するので、空洞化を予測／検知するために用いられることができる。
【００７４】
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、ＨＡＲＴによって、または診断装置７１０を通る制御ループの配線によって、バルブ７００への制御信号が、診断装置７１０に利用可能になると、診断装置７１０は、駆動圧力に変化を与える制御信号を監視する。駆動圧力に変化が生じない場合には、診断装置７１０は、位置決め要素７０６の機能不良の可能性を報告する。
【００７５】
図７Ｂは、図７Ａのオンラインバルブ装置７１０の概略拡大図である。図示されるように、ゲージ圧力（ＧＰ）センサ（Ｐ２）７２０は、制御バルブ７０４の上流に設けられたガスケット内の圧力タップを介してプロセス圧力を測定する。一方、ゲージ圧力センサ（Ｐ３）７２２は、制御バルブ７０４の下流に設けられたガスケット内の圧力タップを介してプロセス圧力を測定する。ゲージ圧力センサ（Ｐ１）７２４は、バルブアクチュエータ圧力を測定する。アクチュエータ圧力、上流圧力、下流圧力の各測定値は、未加工のアナログデータをデジタル出力に変換するＡ／Ｄ変換器７３０に送られる。その後、デジタル出力は、バルブの健全性を示す信号に対してデジタル出力加工を行うマイクロプロセッサおよびメモリ（診断論理）回路７３２に送られる。その後、信号は、診断出力を送信する出力回路７３４に送られる。
【００７６】
図７Ｃは、図７Ａおよび７Ｂの実施例による空気アクチュエータバルブ７００の動作の概略フローチャートである。スタートと同時に、診断装置は、アクチュエータバルブ圧力（Ｐ１）、上流圧力（Ｐ２）、下流圧力（Ｐ３）およびバルブ制御信号（Ｃ１）に対する基準値を初期化する（ブロック７５０）。基準値が初期化されると、装置は、バルブの不作動または故障をチェックする（ブロック７５２〜７７４）。
【００７７】
装置は、アクチュエータバルブ圧力（Ｐ１）を調べて、値が２シグマ以上に変化したかどうかを調べる（ブロック７５２）。値が２シグマ以上変化しない場合、装置は、バルブが変化するまで２秒毎にアクチュエータ圧力（Ｐ１）を再テストする。値が２シグマ以上変化すると、装置はバルブ間の圧力を安定させるために１、２秒待機する（ステップ７５４）。その後、装置は上流および下流の圧力（それぞれＰ２およびＰ３）を測定し、バルブ間の圧力差（Ｐ２−Ｐ３）を計算する（ステップ７５６）。バルブ作動圧力が変化する（ステップ７５８）と、装置は、アクチュエータバルブ圧力（Ｐ１）、上流圧力（Ｐ２）、下流圧力（Ｐ３）、およびバルブ制御信号（Ｃ１）の基準値を再初期化する（ブロック７５０）。基準値が初期化されると、装置は、バルブの不作動または故障をチェックする（ブロック７５２−７７４）。
【００７８】
バルブ作動圧力が変化しなければ、装置は、アクチュエータ圧力（Ｐ１）の変化が２シグマ以上のままかどうかをテストする（ブロック７６０）。もしそうでなければ、装置は、アクチュエータバルブ圧力（Ｐ１）、上流圧力（Ｐ２）、下流圧力（Ｐ３、）およびバルブ制御信号（Ｃ１）の基準値を再初期化する（ブロック７５０）。基準値が初期化されると、装置は、バルブの不作動または故障をチェックする（ブロック７５２−７７４）。
【００７９】
アクチュエータ圧力（Ｐ１）が、ノイズの２シグマ以上変化したままであれば（ブロック７６０）、装置はバルブ間の圧力を安定させるために待機する（ブロック７６２）。装置は、上流・下流の圧力（Ｐ２およびＰ３）を再測定し、差圧（Ｐ２−Ｐ３）を計算する（ブロック７６４）。装置は、バルブ作動圧力が変化したかどうかをテストする（ブロック７６６）。作動圧力が変化するならば、空気バルブは恐らく詰まっている。（ブロック７６８）。バルブ作動圧力が、変化していないならば（ブロック７６６）、これが４回目の再テストであるかどうか、あるいは、アクチュエータ圧力（Ｐ１）が最低値または最高値のどちらかであるかをチェックする（ブロック７７０）。どちらかが真ならば、バルブは恐らく不作動であるか故障している（ブロック７７２）。故障の場合、装置は、圧力が安定するまで（大抵数秒で十分である）待機して（ブロック７７４）、アクチュエータ圧力（Ｐ１）がノイズの２シグマ以上変化したままであるかどうかを調べるために再テストする（ステップ７６０）。
【００８０】
図７Ａ−７Ｃの実施例は、バルブが動かなくなりつつあるか、またはつかえて動かなくなっているかどうか、あるいはその軸が壊れているかどうかを決定するためのオンライン方法を提供し、またバルブが空洞であるかどうか予測／決定するオンライン方法を提供する。システムは、タップを伴う３つの単純なガスケット板を含むので、診断バルブシステムは、取り付けが簡単で、（バルブ本体の取り付けは、別の実施可能な実施例であるけれども）バルブ本体の修正やタッピングの必要がない。診断は、継続的に更新されるバルブ作動点および空気駆動圧力に基づくので、部分的なセットアップが簡単である。装置は、既存のシステム上に追加することができ、ＤＣＳ、バルブＩ／Ｐあるいは位置決め制御データにアクセスすることなく作動する。さらに、継続的な操作の必要がないので、電力消費が低くなる。バルブが機能不良かどうかを評価するのに、数秒毎に一度の診断チェックを実施すれば十分である。装置が、制御ループから電力供給される必要はない。独立した電源が実施可能であり、通信は、ローカル、アナログ、ＨＡＲＴ、ＦＦＢ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、あるいは他のデジタルバスによって可能である。診断装置７００は、設定点情報が診断装置に利用可能な場合に、Ｉ／ＰおよびＩ／位置決めの機能不良チェックを提供する。圧力センサは、高機能である必要はないが、かなり信頼性が高いことが必要である。最終的に、診断システム７００は、任意のメーカーのフランジ付きバルブの全てに利用可能であり、バルブ本体が圧力ポートに取り付けられていれば、フランジなしのバルブに使用することができる。
【００８１】
一般的には、本発明は、プロセス流量装置内の問題に特有な音響スペクトルの内容および振幅の変化を利用するという利点を有している。音響式流量計および圧力センサの両方が、このスペクトルの内容および振幅を検知するように構成される。これにより、圧力および／あるいは音響感知能力を用いた交換器の詰まり／汚れの診断、圧力および／あるいは音響感知能力を用いた空洞化の検知診断、毎秒３フィート以下の低流量での音響式流量診断、パイプを稼働させることによる汚れや詰まりの評価、および基準値に対する共振周波数のテストを実施することができる。
【００８２】
図８は、本発明の実施例による産業プロセス内の汚れあるいは腐食を検知する方法の概略フローチャートである。産業プロセスのプロセス流体内で、ノイズ信号が測定される（ブロック１０００）。診断回路は、バックグラウンドノイズから渦に関連した音響パターンを分離する（ブロック１００２）。診断装置は、音響パターンに基づいて流量レートを計算し、バックグラウンド（プロセス）ノイズに基づいてプロセスノイズサインを計算する（ブロック１００４）。前述のように、バックグラウンドノイズサインは、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform）などのアルゴリズムを用いて計算される。
【００８３】
計算されたプロセスノイズサインが、状態がよい既知のシステムのプロセスノイズサインに対応する記憶された基準値と比較される（ブロック１００６）。計算されたノイズサインが、記憶された基準値から予め定められた限度以上異なるならば、流量測定信号に警報の信号または表示が付加されて、コントロールセンターに送信される（ブロック１００８）。
【００８４】
本発明は好ましい実施例に関して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱しないで、形状および細部において変形できることを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施例による産業プロセス内の固定装置の汚れを検知するための汚れおよび腐食検知機能を有する音響式流量計の概略ブロック図である。
【図２】図１の音響式流量計の監視電子機器の概略ブロック図である。
【図３Ａ】本発明の実施例による音響信号発生器を有する汚れおよび腐食検知器の概略ブロック図である。
【図３Ｂ】本発明の実施例による音響信号発生器を有する汚れおよび腐食検知器の概略ブロック図である。
【図４Ａ】本発明の実施例による低流量プロセスの音響測定を助けるための渦流板の概略正面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施例による図４Ａの渦流板を含む腐食および汚れ検知システムの概略斜視図である。
【図５Ａ】本発明の実施例による熱交換器を含むプロセス内の腐食および汚れ検知器の変形を示す。
【図５Ｂ】本発明の実施例による熱交換器を含むプロセス内の腐食および汚れ検知器の変形を示す。
【図６】本発明の実施例による温度計保護管の外表面上の汚れおよび腐食を検知するための変換器に取り付けられた温度計保護管の概略横断面図である。
【図７Ａ】本発明の実施例による診断機能を備えた空気弁の概略ブロック図である。
【図７Ｂ】図７Ａの空気弁用の制御回路の概略ブロック図である。
【図７Ｃ】本発明の実施例による図７Ａおよび７Ｂのシステムを備えたバルブ故障検知プロセスの概略フローチャートである。
【図８】本発明の実施例による１つの装置内でプロセス測定および診断を実行するプロセスの概略フローチャートである。
【符号の説明】
【００８６】
１００……プロセス診断システム
１０２……パイプ
１０４……固定装置
１０６……音響検知器
１０８……監視電子機器
１１０……リード線
１１２……音響式流量計
１１４……コントロールセンター
１１６……通信リンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業プロセスで使用される診断法に関し、特に、産業プロセス内の汚れおよび腐食を検知するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
腐食および汚れは、多くの産業において長年の問題であった。プロセス産業では、腐食および汚れは、流れ領域壁の狭小および縮小の原因となり、狭小および縮小の両方が、管、導管、シリンダ、タンク、圧力容器およびその他類似の構成要素の性能に有害である。さらに、腐食および汚れは、システムに取り付けられた固定装置の破壊および故障の原因となる。システムによっては、このような故障を修理するには非常に費用がかかる。
【０００３】
様々な技術が、装置が故障する前に腐食および／または汚れを検知するために採用されてきた。１つの技術は、プロセス構造の外側に専用の腐食および／または汚れ検知装置を取り付けること、プロセス構造の壁を通る流れの向きに対して垂直な超音波信号を送出すること、および詰まりまたは汚れを示す壁の厚さの変化を測定するための反射超音波信号を経時的に検知することである。別の技術は、流体が充満されたコンテナの壁に超音波信号を送出することである。超音波信号は、送信変換器から受信変換器に伝搬する。受信波の分析によって、内壁の腐食の存在が判断される。第３の技術は、流体の流れの中に音響装置を挿入することである。音響装置は適所に固定されてもよいし、流体内に残屑のように浮かべてもよい。この音響装置からパイプ壁の音響サイン（acoustic signature）を引き出すことができる。
【０００４】
さらに、いくつかの外部に取り付けられた検知装置が、固定装置のノイズサイン（noise signature）の変化を検知するために提供されてきた。様々なタイプの固定装置（ボイラ、混合器、熱交換器、バルブおよびその他類似の構成要素）のうちのいずれかを通ってプロセス流体が流れると、プロセスノイズサインが生成されることが、従来技術において知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
詰まり、汚れ、あるいは腐食が生じると、プロセスノイズサインつまりプロセスノイズパターンが変化する。残念なことには、従来の汚れおよび腐食検知装置および検知技術は、既存の監視および制御装置とは分離した専用の検知装置を必要とする。既存の監視および制御システムに前述のような装置を追加することは費用がかかる。当業者は、専用装置を必要としない固定装置の汚れおよび／または腐食を検知するためのシステムおよび装置を必要とし続けている。本発明の実施例は、これらおよび他の問題の解決策を提供し、従来技術以上の利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
産業プロセスで使用する診断装置は、産業プロセスの状態あるいは他の出来事を分析または識別するように構成された監視電子機器または診断回路を含む。システムは、流量計などのプロセス装置内、および１つの例である音響式流量計内で使用される。変換器も使用され、共振周波数などの周波数レスポンスが観察される。診断方法もまた提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
従来の既知の流量計は、一般的に、パイプ内を流れる流体から自然に起きる渦の発生および伝播を検知するために音響センサを利用している。外部パイプ壁に沿って配置された音響センサは、渦によって発生した音響パターンに基づいて前述のような渦を識別して追跡し、パイプを通る流量がそれらのパターンに基づいて計算される。通常は、前述のような音響検知システムは、少なくとも毎秒３フィートの速度を有する乱流を必要とする。
【０００８】
さらに、産業プロセス内の装置が、プロセスノイズを発生させる傾向にあることは従来技術において知られている。典型的には、現場装置は、測定される音響データから所望の測定値を抽出するために、センサにプロセスノイズが入らないようにするか、プロセスノイズをフィルタするように設計されている。本発明は、固定装置、または（タービン、ポンプ、ロータ、混合器、および他の回転または往復運動装置、熱交換器、バルブ、温度計保護管、配管およびその他類似の構成要素などの）プロセス装置の健全性を監視するために、バックグラウンドノイズまたはプロセスノイズを利用する。一般的には、これらの装置が汚染または腐食されると、それらのノイズに変化が生ずる。より重要なことには、プロセス装置が故障し始める時に、その故障している装置に関連したプロセスノイズに微妙な変化が検知される。このようなプロセスノイズの変化は、人間の可聴範囲のかなり上か下で生じるが、音響的には検知可能である。
【０００９】
１つの態様では、本発明は、システムの汚れおよび腐食を示す音響または圧力の変化の経過を監視するために、典型的には、フィルタされたバックグラウンドノイズ（background noise）を利用する。音響式流量計は、マイクロプロセッサを含む関連回路を有するので、バックグラウンドノイズ処理用のアルゴリズムを含むファームウェアをアップグレードすることで、既存の音響式流量計を、汚れおよび腐食を監視するように構成することができる。新しい音響式流量計システムでは、回路および／またはソフトウェアが、汚れおよび腐食を示すバックグラウンドノイズの変化を監視し検知するために付加される。
【００１０】
図１は、本発明の実施例によるプロセス診断システム１００の概略ブロック図である。診断システム１００は、パイプ１０２を含み、パイプ１０２には固定装置１０４が連結されている。パイプ１０２内の流体流量は、典型的には３つまたはそれ以上の音響センサを含む音響検知器１０６を使用して、流体内の渦によって発生した音響パターンを検知する音響式流量計１１２を用いて測定される。本明細書に使用される「音響（acoustic）」とは、可聴範囲内の周波数で生じるかどうか分らないが、検知可能な、反復または非反復の圧力信号あるいは変動を意味する。
【００１１】
音響検知器１０６は、リード線１１０を介して監視電子機器１０８に接続される。監視電子機器１０８は、（有線または無線の）通信リンク１１６を介してコントロールセンター１１４に接続される。一般的には、通信リンク１１６は、ＨＡＲＴ、ＦＩＥＬＤＢＵＳあるいは他の通信規格などの通信規格を介して標準現場装置通信を行うための標準的な２、３、または４線式ループなどの標準配線である。いくつかの実施例では、リンク１１６などのプロセス制御ループを通じて供給された電力で、診断システムが完全に給電される。
【００１２】
一般的には、パイプ１０２の壁が、パイプ１０２内を流れる流体内に渦を形成する。パイプ１０２の外部に連結された音響検知器１０６は、渦によって発生した音響パターンを検知する。パイプ１０２を通る流量が、検知された音響パターンから計算される。渦を識別および追跡する過程において、音響検知器１０６が流れ内の音響信号を検知する。一般的には、プロセスノイズは、物理的なプロセス構成要素および流体の流れの両方を介して伝えられる。本発明は、渦と無関係な情報を廃棄するのではなく、渦と無関係な情報を基線サインに対して処理する。本発明中では、プロセス装置の汚れおよび／または腐食を予測するために、測定された情報が基線とどの程度異なるかの程度が利用される。
【００１３】
一般的には、診断機能は、正常に作動している固定装置を通って流れているプロセス流体によって生じる音響ノイズサインを測定することによって実行される。この音響ノイズサインは記憶され、基線サインとして使用される。基線からの偏差は、固定装置の汚れおよび／または腐食の程度を予測するために使用される。
【００１４】
音響式流量計１００は、固定装置１０４に隣接してパイプ１０２に取付けられる。流量計１００の音響センサは、プロセスの流れ内の渦によって発生した音響パターン、および固定装置１０４を通って流れるプロセスの流れによって発生した音響ノイズサインの両方を感知するために用いられる。
【００１５】
この音響ノイズサインは、組み込み時、またはユーザが定める他の時に、基準値としてサンプリングされて記憶される。作動中には、対象装置またはパイプの詰まりまたは汚れの状態が、プロセスノイズの変化に注目することによって検知される。プロセスノイズの変化が予め定められた閾値と一致するかそれを越える場合には、警報または警告が出力信号上に設定される。
【００１６】
プロセスノイズサインは、任意数の信号処理または統計アルゴリズムを用いて確定される。１つの実施例においては、測定された音響信号からノイズサインを確定するために、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が用いられる。
【００１７】
１つの実施例においては、電子機器は単一のパッケージ内に配置される。これらの電子機器は、それ自身の音響パターンに基づいて個別の渦を識別するだけでなく、音響センサ信号を入力し検査する。さらに、電子機器は、不揮発性メモリにセットアップ値を記憶する。電子機器１０８は、最低限でも、デジタル処理能力を有する。
【００１８】
１つの実施例では、監視電子機器１０８は、高ノイズ環境から信号を抽出し、センサおよび関連する監視機能を較正およびセットアップし、出力信号を生成すると共に、音響センサ信号を検査するように構成されたマイクロプロセッサを含んでいる。さらに、監視電子機器１０８は、ＦＦＴアルゴリズムによってノイズ信号測定値を変換するように構成された適切なソフトウェアを備えたデジタル計算能力、およびＦＦＴアルゴリズムによって生じるノイズサインを参照ノイズサイン（基線サイン）と比較するための比較機能を有する。他の実施例では、これらの機能は、別の回路または別のソフトウェアアルゴリズムによって処理される。
【００１９】
１つの実施例では、音響式流量計１００は、固定装置の上流に配置される。この実施例では、音響式流量計１００は、反射ノイズサインを感知する。このサインの振幅および／または周波数プロファイルが、流量計１００によって測定された既知の流量レートに対して、予め定められた量以上に変化している場合、コントロールセンター１１４に警報を出すために、警報または警告が流量計の出力信号上に設定される。
【００２０】
監視電子機器１０８は、外部装置によって、あるいは現場に必ず存在するオペレータインタフェースによって、初期値を設定するための入力機能を含む。好ましい実施例では、監視電子機器１０８は、ＨＡＲＴ、Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｂｕｓ、ＣＡＮ、あるいは他のデジタル媒体などのデジタルバスによって双方向通信を行う。別の実施例では、監視電子機器１０８は、無線規格８０２．１１（ｂ）等の無線プロトコル、赤外線信号、セルまたは無線リンクによる単純テキストメッセージ、および類似のものによって双方向通信を行う。この通信能力は、初期値を設定し、様々なレベルの警報を出力するために利用される。さらに、音響センサの健全性が、通信機能によって報告される。この種のメータ用には、電子機器は、典型的には４−２０ｍＡループで電力供給されない。しかしながら、メータがバーストモード（burst mode）で稼働される場合、ループからの電力供給が実現可能である。
【００２１】
本発明の実施例によって監視される、あるタイプの固定装置の一例は、回転式固定装置である。完全に故障する直前に回転装置の音響サインが変化することは、従来技術において既知である。例えば、流路の老朽化によって故障しそうなベアリングは、正常なプロセスサインと非常に異なる、特有のスクイーリング音（squealing sound）を発する。回転式固定装置の１つの例は、回転し、そのことによって特有のノイズサインを発するポンプおよびそれに付随のモータである。この代表的なノイズサインは、流量計１００と一体の音響センサによって感知され、較正中または作動中、あるいはオペレータの要求に応じて、基準ノイズサインとして流量計１００に記憶される。回転式装置のベアリングに問題が発生するか、例えば、ポンプ羽根が壊れた場合には、ノイズサインは著しく変化する。（コントロールセンター１１２からの、あるいは送信機ハウジング上のキーパッドおよび表示装置などの現場のオペレータインタフェース経由の要求により）バックグラウンドノイズサインを周期的に監視することによって、音響式流量計１００は、ノイズサインの変化を検知し、（高速フーリエ変換（ Fast Fourier Transform）などの）アルゴリズムを介してノイズ信号を処理し、処理されたノイズ信号を記憶されたサインと比較し、それらが予め定められた量と異なる場合、警報を発生させる。高速フーリエ変換が適用された後で、サインを比較することによって、高振幅の新しい周波数帯が直ちに識別される。
【００２２】
触媒分解器（「接触分解器（cat cracker）とも呼ばれる）においては、接触分解器構体上の薄片部のポートに連結されたパイプ部分１０２に接続される音響式流量計１００は、薄片部の流量を測定し、接触分解器の健全性を監視するのに用いられる。ノイズパターンあるいは短く高い振幅のノイズイベントに変化が生じる場合（１つのセラミック片が接触分解器構体からはずれる時のように）、音響式流量計の出力信号上に警報が設定される。接触分解器の詰まりまたは汚れの状態は、ノイズ振幅が基準値から予め定められた値を超えて減少する場合に検知される。
【００２３】
したがって、本発明は、流量計の機能を固定装置内あるいは配管内の汚れあるいは詰まりを検知するか予測できるように拡張した点に、従来技術の音響式流量計以上の利点がある。流量計１００は、容易に使用可能で、基本的な流量計以外に追加の装置や配線を必要としない。さらに、流量計１００は、対象装置および付随する配管の両方の詰まりおよび汚れ（または腐食）を監視することができる。
【００２４】
図２は、本発明の実施例によるプロセス診断システム２００の展開ブロック図である。診断システム２００は、パイプ部分２０２およびパイプ部分２０２に連結された固定装置２０４を含む。（複数の音響センサで構成される）音響検知器２０６は、パイプ部分２０２の外部壁に取り付けられ、その検知範囲は固定装置２０４の音響範囲内である。一般的には、音響検知器２０６が、固定装置２０４などの装置によって発生したノイズを監視する範囲は、プロセス流体の音響伝導レート、音響検知器２０６内のセンサの感度、およびプロセスノイズの大きさによって変化する。したがって、検知器２０６は、検知器２０６が固定装置２０４によって引き起こされた検知可能なノイズ信号を音響的に受信するために、固定装置２０４に十分隣接して配置される。
【００２５】
音響検知器２０６は、監視電子機器２０８に連結される。該監視電子機器２０８は、音響検知器と同じハウジング内に含まれてもよいし、または含まれなくてもよい。音響検知器２０６と監視電子機器２０８とは、リード線２１０を介して接続される。
【００２６】
一般的には、音響検知器２０６は、パイプ部分２０２の壁を通過するプロセスに関連するノイズだけでなく、流体の流れ内の渦によって発生したノイズパターンも監視する。測定情報は、リード線２１０を介して監視電子機器２０８のデータ入力部２２０に送信され、入力バッファ２２１に書込まれる。信号抽出・整形ブロック２２２は、バッファ２２１から測定情報を検索し、測定情報から流量情報を抽出する。その後、信号抽出・整形ブロック２２２は、流量を示す出力信号を発生する。出力信号は、通信リンク２１６を介してコントロールセンター２１４に送信されるためにトランシーバ２２６に送られる。
【００２７】
測定情報は、アルゴリズムによって測定情報を処理する変換ブロック２２３によってバッファ２２１から読み出される。好ましい実施例では、アルゴリズムは高速フーリエ変換である。変換ブロック２２３は、測定情報をプロセスノイズを示す音響サインに加工する。音響サインは、音響サインをメモリ２２８からのセットアップ時に初期化された基準サインと比較する、比較器ブロック２２４に送信される。１つの実施例では、測定情報をメモリ２２８に記憶された基線データと相関させるために、ニューラルネットワーク２３０がコンパレータ２２４に作用する。この方法では、バックグラウンドノイズ、あるいは特定装置に関連するノイズの音響変化が分離される。変化の大きさは、システムあるいは特定装置の汚れおよび／または腐食の大きさを示す。
【００２８】
したがって、音響式流量計は、特別な汚れ／腐食検知器システムを要せずに、流量測定に加えて、プロセスの監視および診断を行うのに適するように構成される。つまり、音響センサを含む現場装置は、大規模な変更を要せずに、２つの機能（流量測定およびプロセス診断）を行うように構成される。１つの実施例では、コントロールセンター２１４がニューラルネットワーク２３０およびメモリ２２８を提供し、マイクロプロセッサ２２４は、バックグラウンドノイズから渦流測定値を除去し、汚れおよび／または腐食がシステム内に生じたかどうかを決定するために基線信号に対して処理するための二つの信号部分をコントロールセンター２１４に返す。これにより、回路配列を変えることなく、監視電子機器の回路中のソフトウェアを調節することができる。
【００２９】
図１および２のシステムは、流体の流れによって発生したプロセスノイズを受動的に監視するものであることを、当業者は理解するであろう。さらに、固定装置（１０４／２０４）が、（携帯用センサおよび類似のものとは異なり）適所に固定されたシステム１００／２００の物理的な要素に関連することも理解されるであろう。固定装置１０４／２０４は、ポンプ、触媒分解器、混合器、バルブ、熱交換器、ボイラあるいは産業プロセスに取り付けられた他の装置を含む。固定装置は、さらに容器、導管、配管、およびタンク、あるいはプロセスに連結された他の構成も含む。
【００３０】
図３Ａおよび３Ｂは、能動的な腐食／汚染検知システムを有するプロセス診断システム３００の概略ブロック図である。システム３００は、プロセス流体を内部に有するパイプ部分３０２を含む。（触媒分解器、混合器およびその他類似のものなどの）固定装置３０４は、パイプ部分３０２に連結される。音響検知器３０６は、パイプ部分３０２内のプロセス流体の流量を測定するために、固定装置３０４付近のパイプ部分３０２に取り付けられる。音響検知器３０６は、リード線３１０を介して監視電子機器３０８に接続される。監視電子機器３０８は、有線または無線の通信リンク３１４を介してコントロールセンター３１２との間で情報の送受信を行う。
【００３１】
機械的ピンギング装置（mechanical 'pinging' device）または音響インパルス発生器３１６（以下「音響発生器３１６」という）は、パイプ部分３０２に取り付けられ、音響信号３１８を発生するように構成される。パイプ部分３０２が、ピングングされるか、励起されるかすると、音響検知器３０６の音響センサが、パイプ部分３０２の周波数応答特性を測定する。パイプ壁に沿った被膜の堆積および腐食が、検知された共振周波数の変化に基づいて検知される。
【００３２】
監視電子機器３０８のデジタル処理機能は、パイプ部分の共振周波数および振幅減衰を測定するために用いられる。メータ設置の初期の段階で、パイプ部分を励起させて周波数応答特性を測定することによって、基準共振周波数および振幅減衰値が設定され記憶される。現在の共振周波数の測定値および減衰値が、それぞれの初期値と比較される。初期値に比べて予め定められた量以上に変化すると、音響式流量計３００は、汚れおよび／または腐食の可能性を示す警報信号を発生する。
【００３３】
音響発生器は、音響インパルス発生器３１６以外にも、圧電振動子要素を用いることができる。このような実施例においては、所定の周波数範囲以上に音響変換器を駆動することによって、共振周波数が得られる。さらに、周波数応答特性を測定するために音響検知器３０６の音響センサを使用することによって、メータ部分の共振周波数および振幅減衰を測定することができる。
【００３４】
音響発生器３１６をパイプ部分３０２に恒久的に固定する必要がなく、音響発生器３１６を隣接したパイプ部分に単に移動させるだけで、隣接したパイプ部分を調べることができるということは注目されるべきである。パイプ部分の重要領域には、数個の音響発生器あるいは変換器が装着可能であり、配管の個々の重要部分には１個の音響発生器あるいは変換器を装着できる。音響式流量メータ３００は、特定時に各発生器３１６を励起し、その発生器３１６が装着された配管部分の共振周波数および振幅減衰を測定するように構成されている。共振周波数が予め定められた値以上にそれた場合、音響式流量計３００は、そのパイプ部分３０２内の腐食または浸食損傷の可能性を示す警報または警告を発生する。
【００３５】
好ましい実施例では、流量計３００は、流体の流れ内に引き起こされた渦によって発生した音響パターンを検知するように構成された３個以上の音響センサを含む。流量は、引き起こされた渦がセンサを通るのに要する時間に基づいて測定される。
【００３６】
他の実施例では、音響発生器３１６は、固定装置３０４へ向かう流体内に音響信号を送信する。固定装置３０４の表面がぬれていることを示す反射信号３２０が、固定装置から反射される。音響検知器３０６は、送信された音響信号３１８と反射信号３２０の両方を検知する。あるいは、検知器３０６は、反射信号３２０だけを測定する。いずれの場合も、監視電子機器３０８は、検知された信号を処理し、基線測定値からの変化量を決定する。そして、この変化量の大きさが、固定装置３０４の汚れおよび／または腐食を示す。
【００３７】
図３Ａでは、音響信号発生器３１６は、固定装置３０４および音響検知器３０６の上流に配置されている。しかし、音響信号発生器３１６は、検知器３０６の下流に配置されても、あるいは同じハウジング内に配置されてもよい。好ましい実施例では、信号発生器３１６が図のように配置されるので、検知器３０６は、信号（すなわち装置の共振周波数）の反射部分の周波数および位相変化だけでなく、送信された信号３１８の周波数および位相を測定することができる。
【００３８】
図３Ｂでは、音響信号発生器３１６（すなわち励起装置）は、固定装置３０４を挟んで音響検知器３０６の反対側に配置される。音響信号発生器３１６は、固定装置３０４を通して音響信号３１８を送信するか、あるいはシステムを励起して共振させる。音響検知器３０６は、（前述のように）送信された信号を検知するか、システムの共振周波数を測定する。送信された信号３１８の一部は、（音波３２０で示されるように）反射され、固定装置３０４を通して送信される。送信された信号３２２は、パイプ３０２内の流体流量を測定し、さらに固定装置３０４を通過する送信された信号３２２を検知するように構成された音響検知器３０６に向ってパイプ３０２内のプロセス流体を通って伝播する。
【００３９】
前述のように、送信された信号３２２は、音響検知器３０６によって測定され、監視電子機器３０８によって記憶された音響サインと比較される。他の実施例では、未処理の測定データがコントロールセンター３１２に送信され、そこでデータが処理され、蓄積されている基線情報と比較される。
【００４０】
一般的に、当初の設置状態では、固定装置３０４は、反射伝達機能および送信伝達機能の２つの伝達機能を有するとしてモデル化することができる。各伝達機能は、特定装置に特有のものであり、検知された反射または送信波形は装置に特有のサインである。後で測定された波形が、（位相、振幅、周波数などにおいて）特有のサインと異なるならば、測定された反射／送信波は、汚れあるいは腐食に起因する固定装置３０４内の変化を反映する。したがって、検知された音響サインは、システム３００内の汚れまたは腐食状態を予測する根拠を提供する。
【００４１】
対象パイプ部分の共振周波数に変化を生成し、これを検知するためのシステムは、非常に短い時間の間、パイプに共振を励起させる手段を含むことができる。共振周波数の変化を検知することができる圧力および／または音響装置が、その変化に基づいて汚れを検知するために用いられる。好ましい実施例では、「リスニング（listening）」装置は、圧力センサあるいは音響式流量計である。ピンギングあるいは音響信号発生器は、パイプを励起して振動させるのに用いられる圧電駆動機械式発信器、あるいはパイプに穏やかな衝動を送るための「ハンマー」タイプの装置である。これらの装置は、磁気ソレノイド技術、または振動モードで用いられる圧電ドライバに基礎をおいている。共振チェックは、単一のメータで多数の部分を評価できるように多重化された、時間、周波数あるいはコードを含む。メータの主要または補助の電子機器のいずれかが診断機能を実施するために利用される。
【００４２】
従来では、毎秒３フィートかそれ以上のレートで正確に流量測定できる音響式流量計が提供されている。このような大きなレートでしか正確に測定できない主な理由は、低流量速度で発生する渦が低エネルギであるということである。このことにより、バックグラウンドプロセスノイズからそれら特有のオーディオ信号を分離することがより難しくなる。
【００４３】
図４Ａは、本発明の実施例による、プロセス流体内に渦を引き起こすための渦流板４００の正面図である。好ましくは、渦流板４００は、開口部４０４を画定するリング形本体４０２を有する。流体の流れの中で渦を発生させるために、開口部４０４内に２つの障害物４０６が配置されている。プロセス内に板４００を固定するための固定手段として、ファスナ開口部４０７が本体４０２内に設けられている。２つの障害物４０６は、開口部の一部に延びる部分的な障害物であってよい。第２の実施例では、２つの障害物４０６は、（破線で示されるように）開口部全体に延びている。第３実施例では、障害物が１つだけ設けられる。音響検知器の上流の流体の流れに渦流板４００を挿入することによって、音響検知器は、毎秒１フート以下の低流量レートでの機能を果たすことができる。
【００４４】
図４Ｂは、それぞれパイプ部分４１０および４１６に連結されたフランジ要素４１２および４１４に挟まれた渦流板４００を有する音響検知器アセンブリ４０８の概略斜視図である。ファスナ４１８は、渦流板４００とフランジ要素４１２、４１４とを固定する。流れの方向に沿って配置された３つの音響センサ４２０で構成された音響検知器４２２は、パイプ部分４１６の外部表面上に配置される。音響検知器４２０は、流量を示す出力信号と、検知器４２２に隣接するシステムの健全性を示す診断信号とを生成するように構成された電子機器４２４に接続される。
【００４５】
この実施例では、流量レートは、渦が各センサを通過する時に検知される渦の伝達時間に基づいて検知される。各センサ４２０間の時間差および既知の距離は、流量レートを計算するための、毎秒３フィートより低い流量レートでさえ正確となる信頼できる基礎を提供する。測定のために用いられるパイプ部分内のオーディオセンサの上流に、小さな歯状のものあるいは他の小さな渦発生物を挿入することによって、はるかに強い特有のオーディオ信号をもつ渦を生成することが可能になる。これにより、音響式流量計技術を、毎秒約１フート以下の流量レートにまで拡張することができる。
【００４６】
図５Ａおよび５Ｂは、熱交換器システム５００の２つの実施例を示す。図５Ａでは、熱交換器システム５００は、一方の端部で蒸気トラップ５０４に、他方の端部でボイラ５０８に連結される熱交換器５０２を含む。凝縮貯蔵タンク５０６は、蒸気トラップ５０４とボイラ５０８との間に連結される。最後に、音響検知器５１０は、熱交換器５０２の流体出口端部に連結される。
【００４７】
一般的に、ボイラ５０８は、システム５００内の液体を、高温の蒸気にまで加熱する。この高温の蒸気は、パイプを通って熱交換器５０２まで送られる。熱交換器５０２は、隣接したプロセス（図示せず）で熱交換し、交換器内の蒸気を冷却する。冷却された蒸気は、蒸気トラップ内で液体状に凝縮し、音響検知器５１０を通過して、凝縮水貯蔵タンク５０６内に流れ、再加熱のために、ボイラ５０８の中にポンプで戻される。システム５００が単純化されることが理解されるであろう。「補給（makeup）」水の注入のためだけでなく、廃棄のためのバルブ、および自動または手動のブローダウン（blowdown）などの産業用の熱交換器システムに共通のいくつかの要素は、説明を明確化するために省略されている。
【００４８】
ボイラ５０８および熱交換器５０２の両方が、流体中にプロセスノイズを起す原因となる。ボイラ５０８は、プロセスにノイズを起すバーナを使用して水を加熱している。蒸気がパイプを通って流れると、蒸気自身がノイズを発生し、蒸気が流れ込む熱交換器５０２が、反射ノイズサインを発生する。音響検知器５１０は、システムの特定のノイズサインを測定するために、これらの音響信号を検知する。特に、交換器５０２は汚れおよび／または腐食を知るのに最適な要素なので、多くの場合音響検知器５１０が注目されるべき装置になる。この音響検知器５１０は２つ以上の装置を監視することができる。
【００４９】
能動的な汚れおよび腐食検知器を完成するために、熱交換器５０２と下流の要素との間に音響変換器５０３（破線で示される）が挿入される。好ましい実施例では、音響変換器５０３は、変換器がプロセス流体のすぐ近くに位置するように、交換器の壁面に連結される。変換器５０３は、これを腐食から保護するために、これとプロセス流体との間に、被膜および／または隔離材を有する。音響検知器５１０内の電子機器は、変換器５０３を駆動するために１つ以上の周波数を含む信号を発生する。変換器５０３に戻された信号は、送信変換器５０３の全体の健全性だけでなく、プロセス流体特性を評価するために検知される。
【００５０】
音響検知器５１０は、発生した音響信号を検知する。この信号は、流体特性情報および汚れ／詰まりの情報の両方を含んでいる。音響検知器５１０の電子機器は、検知された信号からプロセス流体特性情報を取り除き、汚れ／詰まりの情報のみを残す。その後、交換器を介して等価音響インピーダンスまで減衰することによって、汚れ／詰まりの情報が評価される。音響インピーダンスが閾値を越えて増大している場合、音響検知器５１０は、（図１〜３Ｂに示される）コントロールセンターに警報信号を発する。
【００５１】
この実施例では、音響検知器５１０は、流体速度を測定し、音響変換器５０３（圧電振動子であってもよい）を駆動し、返還信号を評価し、かつ詰まりまたは汚れが検知された時に警報状態を送信するように構成された電子機器を含む。
【００５２】
さらに、このタイプの能動的（駆動された変換器）汚れおよび腐食検知システムは、プロセス流体の主な特性の変化を評価する。あるプロセスについては、例えばプロセス流体の中に、浮遊物片やより上部に固体層が一時的に存在するような例外が時々発生する。この例外が存在したままだと、直ちに交換器が汚れる。基準音響サインは、この種の重大なイベントを検知し、検知されたイベントに特有の警報をユーザ（あるいはコントロールセンター）に提供するために用いられる。
【００５３】
このタイプの装置は、交換器５０２内のチューブ群のそれぞれが送信変換器５０３を具備するように構成されている。好ましい実施例では、これらの変換器は、ほとんどの音響エネルギが対象のチューブ群を通り抜けるように指向されている。各チューブ群は、異なる時間間隔で評価される。汚れ／詰まりはゆっくり（少なくとも数時間をかけて）生じるので、これらの時間間隔は、数秒間隔でよく、これにより検知の迅速性を失うことはない。タブ（容器）のグループを監視することによって、領域特有の汚れ／腐食を容易に検知することができる。
【００５４】
音響検知器５１０を備えた音響式流量計により、ノイズ信号の振幅および周波数分布を測定できることが理解されるであろう。交換器または反応器が詰まると、音響検知器５１０とは反対側の交換器の端部にある音響変換器５０３で発生するプロセスノイズが減衰される。検知器５１０は、減衰の程度を検知することによって、交換器および付随する配管内の汚れあるいは腐食の程度を予測することができる。詰まりが、事前に設定された限度を越えると、警報か警告が発生され、これは例えば制御システムに送られる。
【００５５】
感度を向上させるために、付加的な上流・下流の変換器が用いられる。流量計の音響検知器５１０は、プロセスノイズの減衰量をより正確に測定するために変換器信号を利用することができる。
【００５６】
変換器５０３は、その中に自己診断できる電子機器を有している。送信された信号の一部は、システム内の構成部分から反射される。反射信号は、変換器の音響出力信号の強さを監視するために用いられる。変換器５０３が老化するか、劣化するか、または壊れると、この信号は退化するかまたは消える。このことが起こると、変換器５０３に付随した電子機器は、それが故障しているという警告を出力する。複数の変換器５０３が使用される場合、各変換器５０３は、自己診断の電子機器を含んでいる。
【００５７】
この実施例は、音響式流量計５１０のオプションの診断能力として交換器の汚れの程度を測定する、高感度の予測方法を提供する。本発明は、導入および設置が容易で、汚れおよび詰まりの情報を提供するために、多くの圧力／体積分析を必要としない。変換器５０３および音響検知器５１０の音響センサのメンテナンスは、交換器５０２が点検または修理される時に行われる。この実施例の特別な利点の１つは、交換器５０２の被膜および汚れが、二次的な圧力量測定をすることなく、直接検知されるということである。さらに、音響変換器５０３を利用するシステムでは、プロセス流体特性が、信号の減衰に基づいて評価される。既存の音響式流量計技術を利用するので、この方法で診断システムを実行する費用は、安価であり、その費用は、主にノイズ処理用の付加的なボードなどのオリジナルの流量メータに小規模なハードウェアを付加するためのものである。
【００５８】
図５Ｂは、ボイラ５０８と音響検知器５１０の間に配置された温度センサ５１２を有する交換器システム５００を示す。さらに、温度センサ５１４が、音響検知器５１０と交換器５０２の間に配置され、温度センサ５１６が、交換器と凝縮貯蔵タンク５０６の間に配置される。
【００５９】
温度値は、交換器５０２に生じた詰まり／汚れの程度を測定するために監視される。３つの温度センサ５１２、５１４、５１６は、熱交換媒体（温度センサ５１２）の入口温度だけでなく、交換器５０２（温度センサ５１４および５１６）を通過することによるプロセス流体温度の変化を測定する。流量レートと結合されたこれらの温度センサ信号が、被覆、汚染、または詰まりに起因する交換器効レートの変化を検知するために用いられる。与えられた流量値と与えられた熱交換媒体入口温度の組み合わせに対して、交換器の両側の温度差（Ｔ２−Ｔ３）とボイラ５０８から交換器５１４の入口までの温度差（Ｔ１−Ｔ２）が測定される。初期値が、不揮発性メモリに記憶されて、次々に次の値と比較される。交換器５０２の両側の温度差の測定値が、記憶された差とかなり異なる温度変化を示すならば、詰まりまたは汚れが推測され、警報が発せられる。
【００６０】
清潔で適切に作動する交換器の伝熱特性は、温度低下の変化がシステム内の予定の温度変化に相当するものであるかどうかを評価する基礎になる。一定のプロセス流体特性が与えられると、測定値が期待値と著しく異なる場合、装置は警告か警報を発することができる。
【００６１】
音響検知器５１０は、音響信号を検知することにより、交換器の汚れ／詰まりを長期的にチェックすることができる。プロセス流体特性が、特定の装置に対応して大きく変わる場合には、交換器５０２の両側の期待温度低下についての密度変化の影響を修正するために、流体密度センサ５１８が用意される。１つの実施例では、音響式流量計は、（渦メータと同様に）プロセス流体密度を直接測定できるように構成されている。代わりに、交換器の両側の圧力差が測定されてもよい。交換器を通る温度と流量と共に、この差圧が、流体密度を推定するために用いられる。ほとんどの液体については、流体特性の流量への影響は、詰まり／汚れに比べて小さいので、流体密度は、大抵無視することができる。しかしながら、気体については、流体特性の変化は、交換器の両側の温度差に著しい変化を生ずる。交換器の性能の重要な変化をテストする場合には、このような流体特性の変化も詰まり／汚れを示す信号として考慮に入れられなければならない。
【００６２】
音響検知器５１０に付随する電子機器は、温度センサ信号を受信して整形するだけでなく、音響検知器信号５１０を受信して、流量センサ信号を整形する。電子機器は、不揮発性メモリ内に基準値を記憶している。電子機器は最低限でもデジタル処理能力を有し、現在の感知流量値、入口温度、および交換器５０４の両側の温度差を基準値と比較する。交換器性能が予め定められた限度より低下すると、詰まり／汚れの発生の可能性を表わす警報あるいは警告が発せられる。
【００６３】
冗長的な測定ではあるが、診断機能が正常であるかどうかは、交換器を通って流れるプロセス流体から、正常に作動している交換器の音響ノイズサインを測定することによって確認される。流量計音響センサは、流体内の渦によって発生した音響パターンを測定し、かつプロセス流体が交換器を通って流れる時に、プロセス流体によって生成された音響ノイズサインを感知するために用いられる。組み込み時、あるいはユーザが定める他の時に、流量ノイズが基準としてサンプリングされ記憶される。動作中には、交換器または付随の配管の詰まりまたは汚れの状態が、ノイズ振幅の変化が予め定められた閾値を越えることによって検知される。
【００６４】
交換器汚染検知システムは、流量メータのオプションの診断機能として、交換器の汚れの程度を測定するための高感度の予測手段を提供する。流量計は、導入が簡単で容易であり、診断は、汚れ／腐食の一次表示として交換器の両側の温度差を監視することにより行われる。交換器が点検される時に、流量計およびセンサが点検される。複数の温度センサが使用される場合には、複数の温度差が測定され、温度測定値の変化が、システム内の汚染領域を正確に検知するために利用される。適切な流量計技術あるいは追加のセンサを用いることによって、プロセス流体特性を評価することができる。さらに、濡れた構成要素は、標準センサ／送信機であるので、流量計に付随する電子機器だけが特別なものである。
【００６５】
図６は、本発明の実施例による温度計保護管６００の概略断面図である。一般に、温度センサ、特に温度計保護管の共通の故障状態は、温度計保護管またはセンサの外部の表面の被膜または汚れである。この被膜または汚れは、センサの熱時定数の変化を引き起こし、それにより、制御システムを「脱調（detuning）」する。ひどく被膜された温度センサは、プロセス内の温度が限界を超えても、被膜による時定数の増加によって、温度が範囲外であることの報告が遅れるため、監視を行うのに問題が生じる。
【００６６】
温度計保護管６００は、被膜または汚れが許容できない厚みになった時を検知するための手段を含む。温度計保護管６００は、温度センサ６０４を固定するための空間を形成する円筒状の本体６０２を含む。温度センサリード線６０６は、送信機（図示せず）から空間を通って、温度センサに延びている。温度計保護管６０２の外部表面６０８が被膜／汚染されると、時定数が変化する。
【００６７】
許容範囲外の被膜の堆積または汚れを検知するために、圧電変換器６１０が、温度計保護管６００の内部に固定される。他の実施例では、変換器は磁気式、静電気式、あるいはその他の方式の変換器であってもよい。温度計保護管６００は、変換器６１０が温度計保護管６００を駆動して共振させることができるような形状に作られている。変換器の駆動周波数は、温度計保護管６００の最大の振幅が測定され記憶されるまで、付随の電子部機器によって変更される。温度計保護管６００が被膜されるか汚れると、温度計保護管６００の質量が増加し、その共振周波数が変化する。共振周波数のこの変化が予め定められた限度を越えると、温度計保護管６００に連結された送信機は、この測定場所のプロセス処理担当部（一般的にはコントロールセンター）に警報あるいは「注意」信号を送る。
【００６８】
温度計保護管６００を被覆したり汚したりしない浸食性のプロセス流体においては、温度計保護管６００の質量は、侵食性のプロセス流体が温度計保護管６００を侵食するにつれて、徐々に変化する。侵食性のプロセス流体が、温度計保護管６００の表面に穴をあけるか、そうでなければ腐食（浸食）する時には、温度計保護管６００の質量が減少して、それにより共振周波数に変化が起きる。この共振周波数の変化の限度は、基線からの（プラスまたはマイナスの）偏差により予め設定されるか定められている。
【００６９】
図７Ａは、本発明の実施例による診断機能を有する、空気アクチュエータバルブ７００の概略ブロック図である。プロセスプラントの性能の低下の原因である共通の故障状態とは、バルブが動かなくなるか、つかえるか、または（プラグタイプバルブにおける）軸のプラグからの離脱といったバルブの機能不良である。別の故障状態は、バルブの内部形状がひどく腐食されるような、バルブの空洞化を含む。空洞化は、バルブとポンプとにわたる圧力変化に関連する問題であり、空洞化が生じると、プロセス流体が装置を通って流れる時に、圧力および温度の状態がプロセス流体の影響を受け、小さな気泡が生じて、激しくつぶれる。泡の崩壊は、たとえ短時間でも、装置を厳しく浸食する。空洞化に関連する周波数が２０キロヘルツ以上に上がることを除いて、空洞化の発生を検知するのは難しい。当業者は、対象装置に耳を傾けるか、変化を検知するように構成された音響センサおよび特別な電子機器を用いることによって、ほとんどの空洞化を検知することができる。圧力および／または音響センサは、プロセスから出る音を検知して、空洞化に関連するパターンを検知するように構成される。空洞化現象が検知されると、ユーザに通知される。空洞化は、２０ＫＨｚ以上の周波数範囲の装置サインの変化によって検知される。圧力センサおよび／または音響センサがより高い周波数を測定できるようにすることによって、空洞化が検知され、報告されるようにすることができる。バルブの空洞化は、ぶつかり合うビー玉のような音を発生する。さらに、Ｉ／ＰあるいはＩ／ポジショナ（Positioner）が故障すると、バルブの機能不良を引き起こす。
【００７０】
バルブ７００は、空気駆動制御バルブ７０４、位置決め要素７０６、空気アクチュエータ７０８およびオンラインバルブ診断装置７１０を備えたハウジング７０２を含む。一般的には、位置決め要素７０６（Ｉ／ＰまたはＩ／ポジショナ）は、制御バルブ７０４の位置を決める。アクチュエータ７０８は、位置決め要素を制御する。
【００７１】
空気アクチュエータバルブ７００は、フランジ要素７１４を有するパイプ部分７１２に取り付けられ、フランジ要素７１４は、隣接パイプ７１８のフランジ要素７１６と対の連結される。バルブ７００は、３つの圧力センサ、７２０、７２２、および７２４を含む。（圧力Ｐ１に対応する）圧力センサ７２４は、空気アクチュエータの圧力を測定するように構成される。（それぞれ圧力Ｐ２およびＰ３に対応する）圧力センサ７２０および７２２は、制御バルブ７０４とこれに隣接したパイプ部分７１２との間に配置される。一般的には、圧力センサ７２０および７２２は、制御バルブ７０４の一方側に配置された圧力タップを備えたガスケット内に配置される。
【００７２】
上流圧力（Ｐ２）、下流圧力（Ｐ３）、および空気アクチュエータ圧力（Ｐ１）を測定することによって、診断装置７１０は、バルブが機能不良かとどうかの診断出力を提供することができる。特に、上流圧力（Ｐ２）およびバルブ間の圧力差（Ｐ２−Ｐ３）は、バルブの作動点を測定するために監視される。空気アクチュエータに対する圧力も監視される。適切に（正常に）作動中のバルブにおいては、始動圧力（Ｐ１）が変化すると、バルブ作動点（Ｐ２−Ｐ３）も変化する。アクチュエータ圧力（Ｐ１）は、プロセスの擾乱による制御ループ変化の結果として、あるいは異なる作動点でプロセスを実行する時に変化する。
【００７３】
下流圧力センサ７２２は、高帯域幅を有するように選択されるので、キロヘルツ（ＫＨｚ）内の音響周波数を感知することができる。別の実施例として、（点線で示された）付加的な音響センサ７２６を備えた圧力センサ７２２を、圧力センサ７２２用のタップに連結してもよい。この音響センサ７２６は、高周波数を検知する機能を有するので、空洞化を予測／検知するために用いられることができる。
【００７４】
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、ＨＡＲＴによって、または診断装置７１０を通る制御ループの配線によって、バルブ７００への制御信号が、診断装置７１０に利用可能になると、診断装置７１０は、駆動圧力に変化を与える制御信号を監視する。駆動圧力に変化が生じない場合には、診断装置７１０は、位置決め要素７０６の機能不良の可能性を報告する。
【００７５】
図７Ｂは、図７Ａのオンラインバルブ装置７１０の概略拡大図である。図示されるように、ゲージ圧力（ＧＰ）センサ（Ｐ２）７２０は、制御バルブ７０４の上流に設けられたガスケット内の圧力タップを介してプロセス圧力を測定する。一方、ゲージ圧力センサ（Ｐ３）７２２は、制御バルブ７０４の下流に設けられたガスケット内の圧力タップを介してプロセス圧力を測定する。ゲージ圧力センサ（Ｐ１）７２４は、バルブアクチュエータ圧力を測定する。アクチュエータ圧力、上流圧力、下流圧力の各測定値は、未加工のアナログデータをデジタル出力に変換するＡ／Ｄ変換器７３０に送られる。その後、デジタル出力は、バルブの健全性を示す信号に対してデジタル出力加工を行うマイクロプロセッサおよびメモリ（診断論理）回路７３２に送られる。その後、信号は、診断出力を送信する出力回路７３４に送られる。
【００７６】
図７Ｃは、図７Ａおよび７Ｂの実施例による空気アクチュエータバルブ７００の動作の概略フローチャートである。スタートと同時に、診断装置は、アクチュエータバルブ圧力（Ｐ１）、上流圧力（Ｐ２）、下流圧力（Ｐ３）およびバルブ制御信号（Ｃ１）に対する基準値を初期化する（ブロック７５０）。基準値が初期化されると、装置は、バルブの不作動または故障をチェックする（ブロック７５２〜７７４）。
【００７７】
装置は、アクチュエータバルブ圧力（Ｐ１）を調べて、値が２シグマ以上に変化したかどうかを調べる（ブロック７５２）。値が２シグマ以上変化しない場合、装置は、バルブが変化するまで２秒毎にアクチュエータ圧力（Ｐ１）を再テストする。値が２シグマ以上変化すると、装置はバルブ間の圧力を安定させるために１、２秒待機する（ステップ７５４）。その後、装置は上流および下流の圧力（それぞれＰ２およびＰ３）を測定し、バルブ間の圧力差（Ｐ２−Ｐ３）を計算する（ステップ７５６）。バルブ作動圧力が変化する（ステップ７５８）と、装置は、アクチュエータバルブ圧力（Ｐ１）、上流圧力（Ｐ２）、下流圧力（Ｐ３）、およびバルブ制御信号（Ｃ１）の基準値を再初期化する（ブロック７５０）。基準値が初期化されると、装置は、バルブの不作動または故障をチェックする（ブロック７５２−７７４）。
【００７８】
バルブ作動圧力が変化しなければ、装置は、アクチュエータ圧力（Ｐ１）の変化が２シグマ以上のままかどうかをテストする（ブロック７６０）。もしそうでなければ、装置は、アクチュエータバルブ圧力（Ｐ１）、上流圧力（Ｐ２）、下流圧力（Ｐ３、）およびバルブ制御信号（Ｃ１）の基準値を再初期化する（ブロック７５０）。基準値が初期化されると、装置は、バルブの不作動または故障をチェックする（ブロック７５２−７７４）。
【００７９】
アクチュエータ圧力（Ｐ１）が、ノイズの２シグマ以上変化したままであれば（ブロック７６０）、装置はバルブ間の圧力を安定させるために待機する（ブロック７６２）。装置は、上流・下流の圧力（Ｐ２およびＰ３）を再測定し、差圧（Ｐ２−Ｐ３）を計算する（ブロック７６４）。装置は、バルブ作動圧力が変化したかどうかをテストする（ブロック７６６）。作動圧力が変化するならば、空気バルブは恐らく詰まっている。（ブロック７６８）。バルブ作動圧力が、変化していないならば（ブロック７６６）、これが４回目の再テストであるかどうか、あるいは、アクチュエータ圧力（Ｐ１）が最低値または最高値のどちらかであるかをチェックする（ブロック７７０）。どちらかが真ならば、バルブは恐らく不作動であるか故障している（ブロック７７２）。故障の場合、装置は、圧力が安定するまで（大抵数秒で十分である）待機して（ブロック７７４）、アクチュエータ圧力（Ｐ１）がノイズの２シグマ以上変化したままであるかどうかを調べるために再テストする（ステップ７６０）。
【００８０】
図７Ａ−７Ｃの実施例は、バルブが動かなくなりつつあるか、またはつかえて動かなくなっているかどうか、あるいはその軸が壊れているかどうかを決定するためのオンライン方法を提供し、またバルブが空洞であるかどうか予測／決定するオンライン方法を提供する。システムは、タップを伴う３つの単純なガスケット板を含むので、診断バルブシステムは、取り付けが簡単で、（バルブ本体の取り付けは、別の実施可能な実施例であるけれども）バルブ本体の修正やタッピングの必要がない。診断は、継続的に更新されるバルブ作動点および空気駆動圧力に基づくので、部分的なセットアップが簡単である。装置は、既存のシステム上に追加することができ、ＤＣＳ、バルブＩ／Ｐあるいは位置決め制御データにアクセスすることなく作動する。さらに、継続的な操作の必要がないので、電力消費が低くなる。バルブが機能不良かどうかを評価するのに、数秒毎に一度の診断チェックを実施すれば十分である。装置が、制御ループから電力供給される必要はない。独立した電源が実施可能であり、通信は、ローカル、アナログ、ＨＡＲＴ、ＦＦＢ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、あるいは他のデジタルバスによって可能である。診断装置７００は、設定点情報が診断装置に利用可能な場合に、Ｉ／ＰおよびＩ／位置決めの機能不良チェックを提供する。圧力センサは、高機能である必要はないが、かなり信頼性が高いことが必要である。最終的に、診断システム７００は、任意のメーカーのフランジ付きバルブの全てに利用可能であり、バルブ本体が圧力ポートに取り付けられていれば、フランジなしのバルブに使用することができる。
【００８１】
一般的には、本発明は、プロセス流量装置内の問題に特有な音響スペクトルの内容および振幅の変化を利用するという利点を有している。音響式流量計および圧力センサの両方が、このスペクトルの内容および振幅を検知するように構成される。これにより、圧力および／あるいは音響感知能力を用いた交換器の詰まり／汚れの診断、圧力および／あるいは音響感知能力を用いた空洞化の検知診断、毎秒３フィート以下の低流量での音響式流量診断、パイプを稼働させることによる汚れや詰まりの評価、および基準値に対する共振周波数のテストを実施することができる。
【００８２】
図８は、本発明の実施例による産業プロセス内の汚れあるいは腐食を検知する方法の概略フローチャートである。産業プロセスのプロセス流体内で、ノイズ信号が測定される（ブロック１０００）。診断回路は、バックグラウンドノイズから渦に関連した音響パターンを分離する（ブロック１００２）。診断装置は、音響パターンに基づいて流量レートを計算し、バックグラウンド（プロセス）ノイズに基づいてプロセスノイズサインを計算する（ブロック１００４）。前述のように、バックグラウンドノイズサインは、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform）などのアルゴリズムを用いて計算される。
【００８３】
計算されたプロセスノイズサインが、状態がよい既知のシステムのプロセスノイズサインに対応する記憶された基準値と比較される（ブロック１００６）。計算されたノイズサインが、記憶された基準値から予め定められた限度以上異なるならば、流量測定信号に警報の信号または表示が付加されて、コントロールセンターに送信される（ブロック１００８）。
【００８４】
本発明は好ましい実施例に関して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱しないで、形状および細部において変形できることを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施例による産業プロセス内の固定装置の汚れを検知するための汚れおよび腐食検知機能を有する音響式流量計の概略ブロック図である。
【図２】図１の音響式流量計の監視電子機器の概略ブロック図である。
【図３Ａ】本発明の実施例による音響信号発生器を有する汚れおよび腐食検知器の概略ブロック図である。
【図３Ｂ】本発明の実施例による音響信号発生器を有する汚れおよび腐食検知器の概略ブロック図である。
【図４Ａ】本発明の実施例による低流量プロセスの音響測定を助けるための渦流板の概略正面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施例による図４Ａの渦流板を含む腐食および汚れ検知システムの概略斜視図である。
【図５Ａ】本発明の実施例による熱交換器を含むプロセス内の腐食および汚れ検知器の変形を示す。
【図５Ｂ】本発明の実施例による熱交換器を含むプロセス内の腐食および汚れ検知器の変形を示す。
【図６】本発明の実施例による温度計保護管の外表面上の汚れおよび腐食を検知するための変換器に取り付けられた温度計保護管の概略横断面図である。
【図７Ａ】本発明の実施例による診断機能を備えた空気弁の概略ブロック図である。
【図７Ｂ】図７Ａの空気弁用の制御回路の概略ブロック図である。
【図７Ｃ】本発明の実施例による図７Ａおよび７Ｂのシステムを備えたバルブ故障検知プロセスの概略フローチャートである。
【図８】本発明の実施例による１つの装置内でプロセス測定および診断を実行するプロセスの概略フローチャートである。
【符号の説明】
【００８６】
１００……プロセス診断システム
１０２……パイプ
１０４……固定装置
１０６……音響検知器
１０８……監視電子機器
１１０……リード線
１１２……音響式流量計
１１４……コントロールセンター
１１６……通信リンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプ部分に連結され、プロセスノイズを測定するように構成された音響感知装置、および
前記音響感知装置に結合され、前記測定されたプロセスノイズからプロセス流体内の渦によって発生した音響パターンを分離するように構成され、産業プロセス内の装置の故障または老朽化を示す、前記測定されたプロセスノイズの変化を検知し、検知された変化に基づいて警報信号を発生するように構成された監視電子機器を具備する、
前記産業プロセスのパイプ部分のプロセス流体の流量レートを測定するための音響式流量計。
【請求項２】
前記監視電子機器が、
前記測定されたプロセスノイズをプロセスサインに変換するように構成された変換ブロック、および
変化を識別するために、前記プロセスサインを記憶された基準サインと比較するように構成されたコンパレータを具備する請求項１の音響式流量計。
【請求項３】
前記パイプ部分に連結され、前記パイプ部分に音響信号を発するように構成された音響発生器を具備する請求項１の音響式流量計。
【請求項４】
前記音響発生器が前記電子機器に接続され、該電子機器が、前記音響発生器により、特定周波数で音響信号の生成を始めるように構成された請求項３の音響式流量計。
【請求項５】
さらに、前記パイプ部分に連結された固定装置であって、プロセス流体が前記固定装置を通って流れる時にプロセスノイズを生成する固定装置を含み、
前記変化が、前記固定装置の腐食あるいは汚れを示す請求項１の音響式流量計。
【請求項６】
さらに、前記産業プロセスの構成要素が正常に機能している時に、前記プロセスを通って流れるプロセス流体の変換されたプロセスノイズ信号を含む基準サインを記憶するように構成された不揮発性メモリバッファを含む請求項１の音響式流量計。
【請求項７】
前記プロセスノイズが、複数の周波数からなる信号を含む請求項１の音響式流量計。
【請求項８】
さらに、前記測定されたプロセスノイズと前記記憶された基準サインとの比較を監視し、前記基準サインからの偏差の程度に基づいて警報信号を発生させるかどうか決定するように構成されたニューラル・ネットワークを含む請求項１の音響式流量計。
【請求項９】
さらに、予め定められた限度を設定するための外部入力インタフェースまたは現地オペレータインタフェースを含む請求項１の音響式流量計。
【請求項１０】
前記パイプ部分が、熱交換器に連結されるように構成された請求項１の音響式流量計。
【請求項１１】
能動的変換器を含む請求項１の音響式流量計。
【請求項１２】
温度センサを含む請求項１の音響式流量計。
【請求項１３】
前記プロセス流体に渦を誘起する構造を含む請求項１の音響式流量計。
【請求項１４】
プロセス装置、
前記パイプ部分に接続された周波数レスポンスを測定するための少なくとも１つの検知器、
プロセス要素に連結されて、前記プロセス要素を駆動して共振を起こさせるように構成された変換器、および
前記少なくとも１つの検知器および前記変換器に連結され、前記変換器に送信されたコマンドによって前記プロセス要素をトリガし、かつ前記少なくとも１つの検知器からの測定された周波数レスポンスを処理するように構成され、前記測定された周波数レスポンスを記憶された基準周波数レスポンスと比較し、前記記憶された周波数レスポンスからの前記測定された周波数レスポンスの偏差に基づいてプロセス装置の健全性を示す診断信号を生ずるように構成された診断回路を含む、
プロセス装置内の汚れおよび腐食を検知するための診断装置。
【請求項１５】
前記測定された周波数レスポンスの偏差が、前記プロセス装置の質量変化を示す請求項１４の診断装置。
【請求項１６】
前記質量変化が、腐食を示す質量減少である請求項１５の診断装置。
【請求項１７】
前記質量変化が、堆積を示す質量増加である請求項１５の診断装置。
【請求項１８】
前記プロセス装置が、プロセス流体のプロセス温度を測定するための温度センサを備えた温度計保護管を含む請求項１４の診断装置。
【請求項１９】
前記プロセス装置が、パイプ部分を含む請求項１４の診断装置。
【請求項２０】
前記プロセス装置が、流体内に延びる障害物を含む請求項１４の診断装置。
【請求項２１】
産業プロセスのプロセス流体内のノイズ信号を測定すること、
前記測定されたノイズ信号内のプロセスノイズから渦に関連した音響パターンを分離すること、
前記音響パターンに基づいてプロセス値を、前記プロセスノイズに基づいてノイズサインを算出すること、
前記ノイズサインを記憶された基準サインと比較すること、および
前記ノイズサインが、予め定められた限度以上に前記蓄積された基準サインと異なる場合に、コントロールセンターに送信する流量測定信号に警報表示を追加することを含む、
産業プロセス内の固定装置の健全性を監視する方法。
【請求項２２】
プロセス変数を測定するように形成され、受動的あるいは能動的にプロセスノイズを検知するように構成された感知装置、および
前記感知装置に連結され、前記プロセスノイズの周波数変化を識別するように構成された監視回路を含む、
産業プロセス内の固定装置の汚れおよび腐食を検知するように構成された診断システム。
【請求項２３】
機械的装置を駆動して共振させること、
前記装置の共振周波数を測定すること、および
前記装置の共振周波数に基づいて前記装置の汚れあるいは腐食を示す警報信号を発することを含む、
産業プロセスのプロセス装置の汚れまたは腐食を検知する方法。
【請求項２４】
上流または下流圧力を測定するように構成された第１の圧力センサ、
バルブ位置を制御するために用いられる空気流体の圧力を測定するように構成された第２の圧力センサ、および
前記感知された圧力に基づいて前記バルブの動作を分析するように形成された診断回路を含む、
産業プロセスのバルブの動作を診断する装置。
【請求項２５】
前記第１の圧力センサが、前記プロセス流体内の音響周波数を感知するように構成された請求項２４の装置。
【請求項１】
パイプ部分に連結され、プロセスノイズを測定するように構成された音響感知装置、および
前記音響感知装置に結合され、前記測定されたプロセスノイズからプロセス流体内の渦によって発生した音響パターンを分離するように構成され、産業プロセス内の装置の故障または老朽化を示す、前記測定されたプロセスノイズの変化を検知し、検知された変化に基づいて警報信号を発生するように構成された監視電子機器を具備する、
前記産業プロセスのパイプ部分のプロセス流体の流量レートを測定するための音響式流量計。
【請求項２】
前記監視電子機器が、
前記測定されたプロセスノイズをプロセスサインに変換するように構成された変換ブロック、および
変化を識別するために、前記プロセスサインを記憶された基準サインと比較するように構成されたコンパレータを具備する請求項１の音響式流量計。
【請求項３】
前記パイプ部分に連結され、前記パイプ部分に音響信号を発するように構成された音響発生器を具備する請求項１の音響式流量計。
【請求項４】
前記音響発生器が前記電子機器に接続され、該電子機器が、前記音響発生器により、特定周波数で音響信号の生成を始めるように構成された請求項３の音響式流量計。
【請求項５】
さらに、前記パイプ部分に連結された固定装置であって、プロセス流体が前記固定装置を通って流れる時にプロセスノイズを生成する固定装置を含み、
前記変化が、前記固定装置の腐食あるいは汚れを示す請求項１の音響式流量計。
【請求項６】
さらに、前記産業プロセスの構成要素が正常に機能している時に、前記プロセスを通って流れるプロセス流体の変換されたプロセスノイズ信号を含む基準サインを記憶するように構成された不揮発性メモリバッファを含む請求項１の音響式流量計。
【請求項７】
前記プロセスノイズが、複数の周波数からなる信号を含む請求項１の音響式流量計。
【請求項８】
さらに、前記測定されたプロセスノイズと前記記憶された基準サインとの比較を監視し、前記基準サインからの偏差の程度に基づいて警報信号を発生させるかどうか決定するように構成されたニューラル・ネットワークを含む請求項１の音響式流量計。
【請求項９】
さらに、予め定められた限度を設定するための外部入力インタフェースまたは現地オペレータインタフェースを含む請求項１の音響式流量計。
【請求項１０】
前記パイプ部分が、熱交換器に連結されるように構成された請求項１の音響式流量計。
【請求項１１】
能動的変換器を含む請求項１の音響式流量計。
【請求項１２】
温度センサを含む請求項１の音響式流量計。
【請求項１３】
前記プロセス流体に渦を誘起する構造を含む請求項１の音響式流量計。
【請求項１４】
プロセス装置、
前記パイプ部分に接続された周波数レスポンスを測定するための少なくとも１つの検知器、
プロセス要素に連結されて、前記プロセス要素を駆動して共振を起こさせるように構成された変換器、および
前記少なくとも１つの検知器および前記変換器に連結され、前記変換器に送信されたコマンドによって前記プロセス要素をトリガし、かつ前記少なくとも１つの検知器からの測定された周波数レスポンスを処理するように構成され、前記測定された周波数レスポンスを記憶された基準周波数レスポンスと比較し、前記記憶された周波数レスポンスからの前記測定された周波数レスポンスの偏差に基づいてプロセス装置の健全性を示す診断信号を生ずるように構成された診断回路を含む、
プロセス装置内の汚れおよび腐食を検知するための診断装置。
【請求項１５】
前記測定された周波数レスポンスの偏差が、前記プロセス装置の質量変化を示す請求項１４の診断装置。
【請求項１６】
前記質量変化が、腐食を示す質量減少である請求項１５の診断装置。
【請求項１７】
前記質量変化が、堆積を示す質量増加である請求項１５の診断装置。
【請求項１８】
前記プロセス装置が、プロセス流体のプロセス温度を測定するための温度センサを備えた温度計保護管を含む請求項１４の診断装置。
【請求項１９】
前記プロセス装置が、パイプ部分を含む請求項１４の診断装置。
【請求項２０】
前記プロセス装置が、流体内に延びる障害物を含む請求項１４の診断装置。
【請求項２１】
産業プロセスのプロセス流体内のノイズ信号を測定すること、
前記測定されたノイズ信号内のプロセスノイズから渦に関連した音響パターンを分離すること、
前記音響パターンに基づいてプロセス値を、前記プロセスノイズに基づいてノイズサインを算出すること、
前記ノイズサインを記憶された基準サインと比較すること、および
前記ノイズサインが、予め定められた限度以上に前記蓄積された基準サインと異なる場合に、コントロールセンターに送信する流量測定信号に警報表示を追加することを含む、
産業プロセス内の固定装置の健全性を監視する方法。
【請求項２２】
プロセス変数を測定するように形成され、受動的あるいは能動的にプロセスノイズを検知するように構成された感知装置、および
前記感知装置に連結され、前記プロセスノイズの周波数変化を識別するように構成された監視回路を含む、
産業プロセス内の固定装置の汚れおよび腐食を検知するように構成された診断システム。
【請求項２３】
機械的装置を駆動して共振させること、
前記装置の共振周波数を測定すること、および
前記装置の共振周波数に基づいて前記装置の汚れあるいは腐食を示す警報信号を発することを含む、
産業プロセスのプロセス装置の汚れまたは腐食を検知する方法。
【請求項２４】
上流または下流圧力を測定するように構成された第１の圧力センサ、
バルブ位置を制御するために用いられる空気流体の圧力を測定するように構成された第２の圧力センサ、および
前記感知された圧力に基づいて前記バルブの動作を分析するように形成された診断回路を含む、
産業プロセスのバルブの動作を診断する装置。
【請求項２５】
前記第１の圧力センサが、前記プロセス流体内の音響周波数を感知するように構成された請求項２４の装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【公表番号】特表２００７−５３１８６８（Ｐ２００７−５３１８６８Ａ）
【公表日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２０３２７（Ｐ２００６−５２０３２７）
【出願日】平成１６年７月１６日（２００４．７．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２２７３６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０１０５２２
【国際公開日】平成１７年２月３日（２００５．２．３）
【出願人】（５９７１１５７２７）ローズマウント インコーポレイテッド (240)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１６日（２００４．７．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２２７３６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０１０５２２
【国際公開日】平成１７年２月３日（２００５．２．３）
【出願人】（５９７１１５７２７）ローズマウント インコーポレイテッド (240)
【Ｆターム（参考）】
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