JP3182807B2 - 多機能流体計測伝送装置及びそれを用いた流体量計測制御システム - Google Patents

多機能流体計測伝送装置及びそれを用いた流体量計測制御システム

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は化学プラント等で流量，
圧力，液面を検出する計測器として多用されている差圧
伝送器の機能とループコントローラ等の制御機能を併せ
持つ新たな多機能流体計測伝送装置及びプラント流体計
測制御伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の差圧伝送器はセンサの保護のた
め、大型で重く作られ被測定流体の配管に直接設置でき
ず、また信頼性が低かったため定期点検し易いように着
脱自在とし、配管容器から離して専用のポストに別に取
付けられていた。このため高圧導圧管とバルブが必要と
なり、さらにガス，ドレイン抜きが必要でコスト高の要
因となっていた。
【０００３】一方、流量を検出するには被測定流体の温
度Ｔと静圧Ｐｓを検知する必要があるため、同一のパイ
プライン中に温度伝送器と圧力伝送器を併設して測定
し、上位の制御装置に伝送しここで演算することにより
流量を計測していた。すなわち圧力，差圧，温度を検知
する３台の伝送器をを用いて質量流量の演算，計測を行
っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】最近製品化されたイン
テリジェント差圧伝送器もこの慣用に従って使用されて
いるため、差圧と静圧、及び温度センサが一つの基板上
に構成された複合センサを備えていても、導圧管部で冷
されるので被測定流体の温度を測定できず、温度センサ
は差圧伝送器の特性補正のために用いられているのが現
状である。
【０００５】そこで、流量を検出するには上記のように
同一のパイプライン中に温度伝送器と圧力伝送器を併設
して測定し、被測定流体の温度Ｔと静圧Ｐｓを検知し上
位の制御装置に伝送して演算することにより流量を計測
していた。このため特に変化の早い質量流量の計測制御
が難しい、また３台の伝送器を必要とするため費用が掛
るという問題があった。
【０００６】また、従来の差圧伝送器は大型で重かった
ため被測定流体の配管に直接設置できず、また信頼性が
低く定期点検が必要なため着脱容易なように配管容器か
ら離して専用のポストに別取付けされていた。このため
高圧導圧管とバルブが必要となり、さらにガス，ドレイ
ン抜きが必要でコスト高の要因となっていた。
【０００７】本発明の目的は、１台の装置で差圧，圧力
に加えて被測定流体の温度，質量流量，容器流体の液
面，質量を計測できる多機能流体計測装置を提供するに
ある。すなわち、従来の差圧，圧力，温度伝送器の３台
の機能を備えた多機能流体計測装置を提供することであ
る。
【０００８】本発明の他の目的は、経済的で信頼性が高
く保守の不要な配管，容器直載型の多機能流体計測装置
を提供することにある。
【０００９】他の目的は前記３つの計測機能を備えた多
機能流体計測装置に加え、ループコントローラなど上位
の制御装置の機能を併せ持ち、計測値と目標値との偏差
演算に基づいてアクチュエータを制御する多機能流体計
測装置を提供するにある。
【００１０】本発明の他の目的は、上記制御機能を持つ
多機能流体計測装置を用いた流体プラントの温度，圧
力，質量流量，液面，質量を流体計測制御伝送するシス
テムを提供するにある。
【００１１】本発明の他の目的は、上記制御機能を持つ
多機能流体計測装置を用いて応答性の良い経済性の高い
流体プラントの制御管理システムを提供するにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、配管，容器直載型受圧部構造を取ることによって、
これに設けた複合センサから差圧，圧力に加えて被測定
流体の温度を検知でき、さらに予め記憶手段であるメモ
リに用意した被測定流体の特性マップから管内質量流
量，容器内流体の液面，質量を演算し計測する。
【００１３】さらに、他の目的を達成するため従来の伝
送器に用いられていた部品を半導体ＩＣ化の技術を用い
て部品数低減と小型化，軽量化することにより経済性と
信頼性を同時に高め、併せてディジタル通信を用いた遠
隔設定，診断，校正による保守の不要化と信頼度の向上
を達成する。
【００１４】上記他の目的を達成するために、流体量の
計測値を受発信伝送する双方向通信回路を伝送器に設
け、上位の制御装置または可搬通信器の指令により設
定，記憶された目標値と現在の計測値との偏差を演算，
記憶手段を用いて求め、所定のアルゴリズムに従ってア
クチュエータへ直接制御量を伝送することにより、圧
力，質量，液面，流量，温度の流体量制御を行う。
【００１５】また、ディジタル通信により上位の制御装
置または可搬通信器によって、上記流体量の計測制御の
計測値や計測条件，制御状態及び機器の自己診断結果を
遠隔から監視を行う。また流体量計測制御装置にこれら
のデータや結果を表示する手段を設けているのでフィー
ルドでも機器とシステムの状態を監視することができ
る。
【００１６】上記他の目的を達成するために、上記流体
量計測装置の演算，記憶手段内に上位の制御装置または
可搬通信器による目標値の設定変更の優先指令が来るま
では、既設定目標値に対応しフィールド内で流体量制御
を行うアルゴリズムを記憶しておき、これに従ってアク
チュエータへ直接制御量を伝送しその結果である流体量
を再び計測する。上位の制御装置とのやり取りを不要と
しその分だけ通信にかかる時間を少なくしフィールド内
で閉じた応答が早い制御システムを提供する。
【００１７】
【作用】多機能流体計測装置を被測定流体に直接接する
ように、管路または容器に受圧部を直接形成することに
より、受圧部内部に形成した静圧，差圧，温度センサの
信号から被測定流体の静圧，差圧に加えて温度を検知で
きる。
【００１８】多機能流体計測装置に設けた双方向通信回
路により、上位の制御装置または可搬通信器と相互にデ
ィジタル通信できるようにすることにより、上位の制御
装置または可搬通信器の指令で設定，記憶された目標値
と現在の計測値との偏差を演算，記憶手段を用いて求
め、所定のアルゴリズムに従ってアクチュエータへ直接
制御量を伝送することにより、圧力，流量，温度の流体
量制御を行う。
【００１９】また、同様に上位の制御装置または可搬通
信器によって、上記流体量の計測制御の計測値や計測条
件，制御状態及び機器の自己診断結果を遠隔から監視が
できる。また流体量計測装置にこれらのデータや結果を
表示する手段を設けることにより、フィールドでも装置
とシステムの状態を監視できるようにすることにより装
置及びシステムの信頼性が向上できる。
【００２０】上記流体量計測装置の演算，記憶手段内に
上位の制御装置または可搬通信器による目標値の設定変
更の優先指令が来るまでは、既設定目標値に対応しフィ
ールド内で閉じた流体量制御を行うアルゴリズムを記憶
させておき、これに従ってアクチュエータへ直接制御量
を伝送しその結果である流体量を再び計測する。上位の
制御装置とのやり取りが不要となりその分だけ通信にか
かる時間が少なくなるのでフィールド内で閉じた応答の
早い制御システムを提供することができる。
【００２１】
【実施例】以下、本発明を実施するための装置の実施例
を図１から図１３を用いて説明する。
【００２２】一般に、加圧ポンプによって圧送された液
体がパイプライン中に設けられたオリフィスを通過する
ときに生じる圧力差ΔＰを測定して、次式により流量を
検出することが行われている。
【００２３】
【数１】
【００２４】
【数２】
【００２５】ここで、Ｑは体積流量、Ｃは流出係数、β
は絞りの径と管路の径との比、εは気体の膨張係数、ρ
1 密度（上流側）の補正係数（気体の場合には温度，圧
力に比例）、Ｆｒは絞り穴の面積である。差圧センサ出
力は、静圧Ｐｓや温度Ｔが大きく変動するとその影響を
受けるため、流量を測定する場合にもパイプラインに加
わる静圧Ｐｓや、周囲の温度変化は外乱となり、この影
響を極力取り除く必要がある。すなわち伝送器の特性を
補正するため、差圧と静圧、及び温度センサが一つの基
板上に構成された複合センサを用いたインテリジェント
差圧伝送器が用いられている。
【００２６】図１は、本発明の化学プラント等の流体量
計測制御システムの一例である。図２は前記図１の変形
例である。図３は計測制御のアルゴリズムを示すフロー
チャートである。本発明の流体計測伝送装置３００は図
４以下に後述するようにパイプラインや容器に直接設置
し、被測定流体の量を計測制御するものである。
【００２７】以下、流量を計測制御する場合を例として
説明する。図１に示したシステムは、パイプライン５５
０の途中に設けたオリフイスなどの差圧発生器５６０の
両端に発生する差圧ΔＰ,静圧Ｐｓ,温度Ｔを計測し、パ
イプライン中の流量Ｑを演算する流体計測伝送装置３０
０により、当該装置で検出した検出値を電気信号として
制御装置５００へ送信すると同時に、偏差値ΔＱを計算
し制御量Δｖをバルブアクチュエータ２００へ送り、バ
ルブアクチュエータ２００では送られてきた制御量に応
じてバルブを制御してパイプライン５５０中の流量を制
御する。その手順は、図３に示すように、 （１）統括制御装置５００または可搬通信器４００から
の割込み指令に対し、 （２）流体計測伝送装置３００は自己診断を行い異常の
有無の報告と （３）計測演算した流量Ｑ，静圧Ｐｓ，温度Ｔ等を統括
制御装置や可搬通信器に伝送する。
【００２８】（４）流体計測伝送装置は流量の制御目標
値、制御条件（例えばＰＩＤ制御，ファジー制御パラメ
ータ等）、レンジなどの測定条件に対する変更指令が統
括制御装置等からなければ、 （５）偏差値ΔＱを計算し （６）バルブアクチュエータへ制御量Δｖを電気信号と
して送る。
【００２９】（７）バルブアクチュエータは送信されて
きた制御量に基づいてバルブの開閉を行ないパイプ中の
流量を制御する。
【００３０】（８）流体計測伝送装置は再び差圧ΔＰ，
静圧Ｐｓ，温度Ｔを測定し （９）流量Ｑを演算して （１０）偏差値ΔＱを計算し目標値に流量を制御する。
【００３１】通常はフィールド内のマイナーループで
（５）から(１０)までの流量制御を行っているが、上位
からの割込みがかかったときはこれを優先して（１）か
ら（４）までの指令，診断及び監視に応答する。
【００３２】また、可搬通信器４００は、システムの状
態を人がフィールドで監視し、制御量の変更等を指令す
るため、入出力用のキーボード及び表示装置付のもので
ある。
【００３３】従来のシステムは静圧による流体圧縮と温
度上昇による膨張の影響を補正するため、差圧，圧力伝
送器のほか、温度伝送器を同一のパイプラインに設けて
測定していた。しかし、本発明の流体量計測装置によれ
ば以下に説明するように被測定流体の差圧と静圧及び温
度を１台で検出するので、流量の検出精度と応答性が向
上し、フィールド内で閉じた制御を行い従来上位の制御
機で行っていた機能の一部を分担して行うので、システ
ムの簡略化を図ることができるうえ効率的にプラント全
体を稼働することができる。
【００３４】図２は上記流体量計測装置１００のうち温
度センサ１５０のみ別設し、温度センサの出力を前記流
体量計測装置１００に出力して前記図３の処理手順にて
測定制御するシステムである。
【００３５】本発明の流体量計測装置３００の構造の例
を図４から図９に示す。
【００３６】同図４において、１０００は受圧部で、差
圧発生器５６０とともに被測定流体が流れる管路５５０
の一部に設置されフランジ部１０８で気密に取り付けら
れている。１０３ａ，１０３ｂは外部環境と装置内部の
センサを隔て、これを保護するシールダイアフラムで被
測定流体に直接接触し圧力を受ける。被測定流体の圧力
は、差圧発生器５６０の上流側と下流側に設けたシール
ダイアフラム１０３ａ，１０３ｂで受け、圧力伝達媒体
のシリコンオイル１０７を介して複合センサ１６の両側
にそれぞれ加えられる。複合センサ１６はシリコンチッ
プ上に差圧センサ，静圧センサ及び温度センサが構成さ
れている。各センサは圧力，差圧及び温度を電気信号に
変換し気密端子１０９から取り出す、信号処理部１０６
ではこれを増幅しディジタル量に変換した後、マイクロ
プロセッサにより予めプログラムされた補正，演算を行
ない出力ケーブル１２５から流量，静圧及び温度の計測
値を上位の制御装置に伝送するとともに液晶パネルなど
のディスプレイ２５に表示する。このように、被測定流
体に直接シールダイアフラムを介してシリコンオイルが
接触するためシリコンオイルの温度はほぼ被測定流体の
温度になり、前記温度センサの検出温度は被測定流体の
温度となるため温度センサを別設する必要が無くなる。
また、本実施例では信号処理部１０６を受圧部１０００
に直接取付け複合センサ１６の出力を短い信号線１０９
で信号処理部１０６に接続しているため信号にノイズが
入りにくく精度良い測定が可能となる。
【００３７】しかし、前記のように受圧部１０００に直
接信号処理回路１０６を取り付けると、計測流体が高温
の場合、信号処理部と受圧部間を断熱構造とする必要が
あるという問題がある。
【００３８】図５は本発明の他の実施例を示したもの
で、図４と同一番号は同一部品を示している。図１と異
なる点は信号処理部１０６を受圧部１０００から離間し
て設置し、お互い接続部１１０，１２０の間を引出線１
１５で接続した部分である。この構成をとれば管内，容
器内の被測定流体の温度が１００℃を越える場合にも耐
熱性の低い電子部品の誤動作を防ぐことができる。ただ
し、装置を製造する場合の精度のばらつきは、工場出荷
時に行う受圧部の特性測定結果を、個々の受圧部特性マ
ップとしてメモリに記憶させることで吸収するため、前
記メモリは受圧部側に設ける。前記メモリは温度上昇に
よる誤動作を防ぐため外気の冷却効果がある接続部１１
０の近くに設ける。またＡ／Ｄ変換器までを受圧部の一
部に設ければ引出線１１５はディジタル信号だけが通る
ので外部ノイズの影響を小さくできる引出線を長くする
ことができる。
【００３９】図６は本発明の別の実施例である。従来オ
リフィスなど差圧発生器５６０を用いた流量の計測が工
業プラントなどで広く用いられる理由は、実流試験の結
果にもとづいてオリフィスの形状寸法が世界的に規格化
整備されていることにある。オリフィスの上流側，下流
側の圧力取り入れ位置によって得られる差圧の値は異な
る。さらに、図に示したように管路の一部にタップ穴１
００１ａ，ｂを設けてこの寸法を規定することも必要で
ある。図のようにオリフィスからそれぞれ１インチ（２
５.４mm ）の等しい距離の位置に穴を持つ場合はフラン
ジタップと呼ばれる方式であり、この他にも縮流タッ
プ，コーナタップ方式等がある。これらの方式に応じ
て、前述の式(数１)で示した流量係数αの実測値がＪＩ
Ｓ，ＡＳＭＥやＤＩＮ規格により標準値として整備され
ている。本実施例は、受圧部を前述のような種々のタッ
プ方式に対応できる取付け構造にしたものである。な
お、本発明のように被測定流体の温度を、必要とする精
度で計測するためには極力シールダイアフラムが管路に
近接している方がよく、実用的には被測定流体の温度を
±１℃以内で測定できればよい。実用的に１℃以上温度
が低下しないように設計する場合には被測定流体の種類
や外気温度によって異なるが、装置の材質が金属の場合
約１０mm位になる。
【００４０】
【００４１】
【００４２】図８は本発明の他の実施例である。この例
は、差圧発生器としてベンチュリー管５６０を用いた例
である。図６との違いは差圧発生器５６０自身が流体量
計測制御装置の受圧部１０００と一体になって点である
が作用に本質的な違いは無い。装置の寸法は若干大きく
なるが、被測定流体に与える圧力損失を小さくする必要
がある場合に適する。
【００４３】図９は本発明を液面の計測制御に用いた実
施例である。図のように流体Ｌを溜める容器５７０下部
に受圧部１０００を設置し、上部の流体が無い部分にシ
ールダイアフラム１０３ａを付けたフランジ１００１を
設置しキャピラリ管１０７で複合センサ１６の片側にシ
リコーンオイル１０７を導く。受圧部１０００にはシー
ルダイアフラム１０３ｂを隔てて近くに複合センサ１６
が設けられており被測定流体Ｌの圧力Ｐｓ，差圧ΔＰ及
び温度Ｔが直接計測できる。差圧センサの出力から差圧
が検出できればΔＰ、容器外径が分かれば体積を、流体
の比重ρが分かれば重量を演算で求めることができ、最
終的に液面ｈを数３により求めることができるものであ
る。また静圧センサ及び温度センサの出力を用いて膨張
収縮の補正計算ができる。容器外径ｄ，流体の比重ρ，
容器及び流体膨張収縮率などは予めメモリに記憶させて
おく。
【００４４】
【数３】
【００４５】ここでρ：流体の比重 ｇ：重力の加速度 ｈ：液面 以上の計測演算結果は、伝送線路１２５ａで上位の制御
装置に送信される。また液面の制御目標値との偏差を計
算し制御量を電気信号として伝送線路１２５ｂでバルブ
アクチュエータ５００，５０１に伝送し液面の制御を行
う。
【００４６】以上述べたように、本システムの計測制御
装置は制御の対象によって複数のアクチュエータを関連
ずけながら制御しており、その状況を上位の制御装置に
送信する。本装置は各検出端の計測演算など機能を行う
ので上位の制御装置は、より多くの複数システムの監視
や協調制御など本来やるべき上位の制御を行うことがで
きる。
【００４７】本発明の流体量計測装置は構造の単純化，
部品の小型軽量化を図り受圧部を管路５５０の一部に設
置して被測定流体に直接接触するようにしているので、
近くに設けた複合センサにより被測定流体の圧力，差圧
に加え温度を計測することができる。管内，容器内の流
体液面，質量、または管内を流れる流量を検知するには
その流体の体積と密度が必要であり、これらは温度に依
存するのでこの特性を予め計測し、本装置の記憶手段で
あるメモリに記憶しておく。従ってマイクロプロセッサ
により上記センサの信号と予め計測しメモリに記憶され
た流体の特性とから被測定流体の質量流量を演算し計測
することができる。また従来の差圧伝送器のように、高
耐圧のスリーバルブが無いため、受圧部に過負荷がかか
らないので保護機構が不要となりセンタダイアフラムが
無く受圧部の構造が極めて簡単である。
【００４８】図１０に本装置のブロック図を示す。複合
センサ１６の中の差圧，静圧，温度，密度センサの出力
は、マルチプレクサ１７に選択的に取り込まれ、プログ
ラマブルゲインアンプ１８で増幅され、次にＡ／Ｄ変換
器１９でデジタル信号に変換される。メモリ２０は差
圧，静圧，温度、密度センサの各特性を予めマップの形
で記憶したＭＳ、２０１〜２０４と被測定流体の密度な
どの特性が記憶されたマップＭＦ、２０５とからなって
いる。マイクロコンピュータ２１は図１１として後で示
すようにこのマップデータＭＳ１〜４を参照して温度，
静圧及び差圧さらにＭＦを用いて質量流量，重量を演算
する。これらの計測値はディスプレイ２５に表示すると
ともに上位の要求に応じてＩ／Ｏ回路２３の中の通信回
路を通じてディジタル信号として伝送する。アナログ制
御系に用いる場合はセンサ信号をＤ／Ａ変換器２２で再
びアナログ信号に変換し、電圧−電流変換器２３を介し
て制御装置へ出力する。更に、本装置は得られた計測値
を制御装置から与えられた目標値と比較しその偏差をバ
ルブアクチュエータに送り被測定流体の流量や液面を制
御する。目標値の設定は本装置に備えたキーボード２４
及び可搬型通信機２９でフィールドでも行うことができ
る。以上述べたように本装置は計測機能に加え流量，圧
力，液面等の流体量制御がフィールドで閉じた形で行え
るので応答性などの特性向上だけでなく、配線コストな
ど経済性にも優れた計測制御システムを実現することが
できる。
【００４９】図１１にセンサの補正演算の概略を示す。
図示はしていないが、補正マップＭＳは差圧センサ出力
Ｅｄ，静圧センサ出力Ｅｓ，温度センサ出力Ｅｔを三次
元的に表したものである。マイクロコンピュータ２１で
は図１２の処理手順に従って処理を行う。すなわち、ノ
ードで静圧センサのクロストークを除去した後、静圧
センサと温度センサの出力から補正マップ２０２を用い
て正確な静圧Ｐを求め、これを出力する。次に、差圧セ
ンサ出力Ｅｄを補正マップ２０３を用いて温度の補正を
行い、さらに、この静圧出力Ｐを用いて差圧出力の補正
を行い、正確な差圧出力ΔＰを得る。すなわち静圧及び
差圧センサは周囲の温度によってその特性が変るため温
度センサの信号によって正確に補正計算を行う。更に、
得られたこれらの計測値と被測定流体の密度ρ等の特性
が記憶されたマップＭＦ２０５を用いて質量流量や重量
及び液面を演算する。
【００５０】次に、上記複合センサの詳細構成を図１３
を用いて説明する。
【００５１】図１３（ａ）は複合センサの平面図であ
り、（ｂ）は前記平面図のＡ−Ａ断面図である。また、
（ｃ）は上記静圧センサと差圧センサを結線した時の結
線例である。（ａ）において１〜４はシリコン単結晶か
らなる半導体基板１０にイオン打ち込みや熱拡散により
不純物をドーピングした差圧検出用ゲージ抵抗である。
これらは、アルカリエッチングまたはドライエッチング
等で加工されたダイアフラム９の領域内に形成されてい
る。５〜８は静圧検出用のゲージ抵抗であり、６は静圧
用ダイアフラム１２ａ上に形成され、７はこれとは別の
静圧用ダイアフラム１２ｂ上に形成されている。また、
差圧負荷によってゲージ抵抗６と７に応力が発生する。
この応力と等しい大きさの応力が発生する位置にゲージ
抵抗５と８を形成している。ゲージ抵抗３０は温度ゲー
ジであり、固定部に配置されている。さらに、温度ゲー
ジ３０は応力による感度の無い＜１００＞方向に配置さ
れている。１３ａ〜１３ｆは電極パッドである。なお本
図には後述する湿度センサ４０を付加してあるが通常液
体を測定するときは必要無い。図１３（ｃ）のように結
線（液体を測定する場合は図中の３１，４０，４１の抵
抗は必要なく１３ｇの端子から温度が測定される）した
後、１３ａ〜１３ｂ間に定電圧を印加して１３ｃ〜１３
ｄ間で差圧出力を、１３ｅ〜１３ｆ間で静圧を得る構成
となっている。更に本図には湿度検出用センサ４０を接
続した構成となっていが、この場合１３ｇの端子部には
ダミー抵抗３１を湿度センサの出力１３ｈにはダミー抵
抗４１をそれぞれ設ける。このダミー抵抗はセンサ基板
上に設ける必要がなく本実施例では別設している。
【００５２】また、図１３（ｂ）に記載されている１１
は、ほう珪酸ガラス等から成る半導体基板１０の固定台
である。この複合センサに差圧が負荷された場合、図１
３（ｃ）に示すようにゲージ抵抗５と６が抵抗値を増加
させたとすれば、ゲージ抵抗７と８は値が等しく逆符号
の変化を示す。従って、図５（ｃ）のようなブリッジ回
路を構成して差圧により変動しない静圧センサ出力を得
ることができる。
【００５３】湿潤な気体を差圧式で流体計測する場合に
は、前記静圧，温度の補正の他に水分補正が必要とな
る。
【００５４】図１３（ａ）には湿度センサ４０を示して
あるが、この湿度センサはポリマやセラミックスの薄膜
の抵抗が湿度に対して変化するタイプのもので、同図
(ｃ)に示すように静圧センサ及び差圧センサの抵抗ブリ
ッジ回路にダミー抵抗４１と共に結線し、端子１３ｇか
ら電圧信号として湿度を検出するものである。この場合
の実施態様は前述の図４または図５からシールダイアフ
ラムを取り除いた構造であり、複合センサが直接湿り気
体に接するので湿度センサ部を除き温度，差圧及び静圧
センサには保護用の防湿膜４２をコーティングし特性の
劣化を防止している。湿度センサを設けた複合センサ
は、図１０に示す複合センサに置き換えられ、演算処理
部２１で気体に含有する水分補正を行うことができるの
で、湿り気体に好適な流量計測装置を提供することがで
きる。すなわち、差圧信号から算出される体積流量に対
して温度，静圧センサの信号からの補正に加え、湿度セ
ンサの信号から水分補正を加えることができるので、従
来のように湿度計を別に設ける必要が無く、簡便に湿り
気体の流量を計測できる。補正計算の具体的方法は計量
便覧８３０〜８３７頁の１６.３ 節、しぼり流量計等に
記載されている。
【００５５】流量を求めるには、湿度のほかに密度の補
正が必要であり、通常は前述のように、別手段によって
予め流体の密度を測定し、記憶しておき演算処理部２１
で補正計算して求める。被測定流体が液体の場合は密度
は温度のみの関数であるが、気体の場合は圧力にも依存
するので、複合センサ上に更に密度センサが形成されれ
ば好都合である。従来用いられている密度センサは大型
で１チップ上に複合できるものが見当らなかったが、１
９８８年５月１６日発行のApplied PhysicsLetter，Ｐ
１６５３〜１６５５．に記載されているセンサの技術を
応用することによって図１３（ｄ）に示す密度センサ５
０を持つ複合センサを構成することができる。
【００５６】本複合センサは、センサのシリコン基板上
の一部に表面弾性波素子５１，５２を持つ密度センサを
形成したもので、電極間を伝搬する表面弾性波の周波数
が素子の表面に接する流体の密度によって変化すること
を利用したものである。本方式の密度センサは、静圧，
温度によってもその周波数が変化するためシリコン基板
上に形成した静圧５〜８，温度センサ３０の出力信号に
よってセンサの補正が必要であり、この方法は、前に図
１０，図１１で説明した差圧の特性補正方法に準じて行
う。本複合センサは近年の微細加工技術の進歩のよりシ
リコン上に小型で各センサを複合し、また必要に応じて
信号処理回路をも集積化することができるので量産性に
優れた、小型のセンサを提供することができる。
【００５７】
【発明の効果】本発明によれば、計測機能に加え制御機
能を具備しているので流量，圧力，液面，重量等の流体
量の計測と制御がフィールドで閉じた形で行え、このた
め静圧や温度の補正手順が簡略化され計測制御に関する
処理時間の短縮が図れ応答性などの特性向上ができる。
【００５８】本発明によれば、上位の制御装置の負担を
軽減できシステムの計測制御に関する処理時間の短縮が
図れるので引いてはプラント全体からみた制御性能が向
上するという効果がある。
【００５９】本発明によれば、計測と制御がフィールド
で閉じた形で行えるため上位の制御装置との配線量が低
減し経済性に優れた計測制御システムを実現することが
できる。
【００６０】本発明によれば、被測定流体の温度，差圧
及び静圧を各々独立に検知することができ、これ予め計
測記憶した被測定流体の特性データを基に密度や温度補
正をして質量流量，重量，液面の演算計測ができる。
【００６１】さらに本発明によれば、被測定流体の温
度，差圧及び静圧を各々独立に高精度に検出できるた
め、温度伝送器の機能と差圧及び圧力伝送器の機能を１
台で達成できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多機能流体計測伝送装置を用いたプラ
ントシステム一実施例の構成図。
【図２】本発明の多機能流体計測伝送装置を用いたプラ
ントシステムの他の実施例。
【図３】本発明の制御手順の概略説明図。
【図４】本発明の多機能流体計測伝送装置の一実施例の
全体構成図。
【図５】本発明の多機能流体計測伝送装置の他の実施例
の全体構成図。
【図６】本発明の多機能流体計測伝送装置の他の実施例
の全体構成図。
【図７】本発明の多機能流体計測伝送装置の他の実施例
の全体構成図。
【図８】本発明の多機能流体計測伝送装置を液面計に用
いた実施例の全体構成図。
【図９】本発明の多機能流体計測伝送装置のブロック
図。
【図１０】本発明の装置に用いる複合センサの信号処理
の説明図。
【図１１】本発明の装置に用いる複合センサの信号処理
の補正のフローチャート。
【図１２】本発明の装置に用いる複合センサの一実施例
の構成図。
【符号の説明】
１〜４…差圧検出用ゲージ抵抗、５〜８…静圧検出用ゲ
ージ抵抗、９…差圧検出用ダイアフラム、１０…センサ
基板、１１…センサ基板固定台、１２…静圧検出用ダイ
アフラム、１６…複合センサ、３０…温度センサ、４０
…湿度センサ、５０…密度センサ、１０６…信号処理
部、２００…アクチュエータ、３００…多機能流体計測
伝送装置、４００…可搬通信機、５００…統括制御装
置、５６０…差圧発生器、１０００…受圧部、１００１
ａ、ｂ…タップ穴。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 芳己 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社 日立製作所 計測器事業部内 (56)参考文献 特開 昭60−220823（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−149520（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 1/42 G01F 1/44 G01F 15/02 G01F 23/14

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】被測定流体の流れる管路に設けられた差圧
    発生手段と、 当該差圧発生手段の上流側と下流側のそれぞれに設けら
    れ、且つ被測定流体に接液するシールダイアフラムと封
    入された封入液を介して圧力を受圧する 受圧室と、 静圧センサ，差圧センサ，温度センサを１チップ上に配
    置した複合センサを備え、前記何れかの受圧室内に配置
    された検出手段と、当該検出手段が配置されない受圧室から前記検出手段に
    対して圧力を伝達するための圧力伝達路と、 当該検出手段 からの信号を処理し計測値として出力する
    信号処理手段とを有したことを特徴とする多機能流体計
    測伝送装置。
  2. 【請求項２】請求項１において、 前記差圧発生手段は、オリフィスあるいはベンチュリー
    管によって構成されることを特徴とする多機能流体計測
    伝送装置。
  3. 【請求項３】請求項１において、 前記信号処理手段は、質量または流量を演算し出力する
    ことを特徴とする多機能流体計測伝送装置。
  4. 【請求項４】被測定流体を溜める容器の上部と下部のそ
    れぞれに設けられ、且つシールダイアフラムと封入され
    た封入液を介して圧力を受圧する受圧室と、 静圧センサ，差圧センサ，温度センサを１チップ上に配
    置した複合センサを備え、前記何れかの受圧室内に配置
    された検出手段と、当該検出手段が配置されない受圧室から前記検出手段に
    対して圧力を伝達するための圧力伝達路と、 当該検出手段 からの信号を処理し計測値として出力する
    信号処理手段とを有したことを特徴とする多機能流体計
    測伝送装置。
  5. 【請求項５】 請求項４において、前記信号処理手段は、 液面を演算し出力することを特徴
    とする多機能流体計測伝送装置。
  6. 【請求項６】 請求項１，４において、前記 静圧，差圧，温度センサはシリコン単結晶基板に形
    成され、静圧，差圧センサは該基板とは導電性の異なる
    ピエゾ抵抗素子からなる感歪ゲージ素子により構成さ
    れ、温度センサは非感歪ゲージ素子により構成されるこ
    とを特徴とする多機能流体計測伝送装置。
  7. 【請求項７】請求項６において、 前記シリコン単結晶基板上に、更に密度を検出する密度
    センサを形成したことを特徴とする多機能流体計測伝送
    装置。
  8. 【請求項８】 請求項１，４において、 信号処理手段は、温度変化に対する温度センサ，静圧セ
    ンサ及び差圧センサ出力の関係を各々マップデータとし
    て予め記録したメモリを有し、 前記検出手段からの 温度，静圧及び差圧の計測値を前記
    メモリに記憶されたマップデータに基づいて補正するこ
    とを特徴とする多機能流体計測伝送装置。
  9. 【請求項９】 請求項１，４において、信号処理手段は、被測定流体の温度又は静圧変化に対す
    る密度及び圧縮係数の関係をマップデータとして予め記
    録した メモリを有し、 質量，液面及び流量の計測値を前記メモリに記憶された
    マップデータに基づいて補正することを特徴とする多機
    能流体計測伝送装置。
  10. 【請求項１０】 圧力の異なる位置に設けられた第１およ
    び第２の 受圧室、第１の受圧室内部に形成した静圧，差
    圧，温度センサ、該センサからの信号を処理するための
    演算手段，被測定流体の特性データを予め記憶した記憶
    手段からなり、前記記憶手段に予め記憶されたデータ
    と、前記センサの信号とから被測定流体の静圧，差圧，
    温度，質量，液面及び流量の少なくとも一つを演算し、
    計測値として出力する多機能流体計測伝送装置と、被測
    定流体の流量を制御するアクチュエータとを備え、 前記多機能流体計測伝送装置は、上位の制御装置または
    可搬通信器からの設定目標値を受信し、前記演算，記憶
    手段を用いて現在の計測値との偏差から前記アクチュエ
    ータの制御量を求め、前記アクチュエータ及び制御装置
    に伝送する機能を有し、 前記アクチュエータは、前記制御量を受信し、前記受信
    した制御量に応じて流体量制御を行うことを特徴とする
    流体計測制御伝送システム。
  11. 【請求項１１】 請求項１０において、 前記多機能流体計測伝送装置は、複数の他の多機能流体
    計測伝送装置と信号の授受する機能を持ち、そのうちの
    １台の多機能流体計測伝送装置が統括制御装置としての
    機能を有することを特徴とする流体計測制御伝送システ
    ム。
  12. 【請求項１２】 請求項１０において、 前記多機能流体計測伝送装置は、複数のアクチュエータ
    へ直接制御量を伝送し、これらを制御することを特徴と
    する流体計測制御伝送システム。
  13. 【請求項１３】 請求項１０において、 各センサが複合形成されるシリコン単結晶基板上に信号
    処理回路の一部を構成することを特徴とする流体計測制
    御伝送システム。
  14. 【請求項１４】 請求項１０において、 前記多機能流体計測伝送装置は、上位の制御装置または
    可搬通信器からの信号により、前記記憶手段の一部に予
    め記憶された手順に従い、前記演算手段により装置の計
    測条件とシステムの制御条件設定，変更及び動作状態の
    診断，監視を行うことを特徴とする流体計測制御伝送シ
    ステム。
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