CN101878415B - 具有压力瞬变检测的过程流体压力变送器 - Google Patents

Abstract

一种过程流体压力变送器(300)，包括：过程流体压力传感器(302)、测量电路(304)、控制器(308)和回路通信器(316)。过程流体压力传感器(302)具有随过程流体压力而变化的电特性。压力传感器(302)可耦合至过程流体压力的源。测量电路(304)耦合至过程流体压力传感器(302)，并提供指示过程流体压力传感器(302)的电特性的信号。控制器(308)耦合至测量电路(306)，接收信号并至少部分基于所述信号来计算过程流体压力。控制器还被配置为检测过程流体压力瞬变并存储与过程流体压力瞬变相关的至少一个参数。回路通信器(316)耦合至控制器(308)，并且被配置为基于过程流体压力通过过程通信回路(314)来提供信号。过程流体压力变送器(300)还被配置为提供与至少一个所存储的参数相关的指示。

Description

具有压力瞬变检测的过程流体压力变送器

背景技术

工业过程设备通常非常复杂，使用几百甚至几千英尺的过程流体压力管道以及大量的过程设备，例如，泵、阀、过程变量变送器以及许多其他设备。通常，在过程操作中这些设备外露于过程流体。

过程流体系统内的压力瞬变可能对管道的完整性、所连接的过程设备和/或管道操作不利。阀或泵的促动可能引起未检测到的瞬变(过程流体压力的相对短暂尖峰)。这些过程流体压力瞬变可能会破坏管道并最终导致灾难性故障。大多数压力瞬变在没有被注意到的情况下发生，并且每次瞬变发生时可能对管道结构、保护涂层、推力限制、垫圈或密封造成更大破坏。这种累积的破坏属性能够显著弱化传送过程流体的系统。

压力瞬变可能由多种原因引起。只要过程流体流动的速度发生变化，就会发生压力瞬变。过程流体压力瞬变的一些动因包括：客户传递速率的变化；控制阀或类似设备的促动；停电；以及过程流体泵的接合和/或脱离。一些过程流体压力瞬变可能甚至超过管道的设计压力。

已经尝试提供可以检测这些压力瞬变的系统。这样的系统通常已包含一个或多个动态压力传感器，所述动态压力传感器被安装在操作流体室内，并将它们的信号传送至信号处理器。然后信号处理器分析数据，并显示和输出给操作者。这样的系统看似完全针对检测和捕获与管道系统内的压力瞬变有关的数据。相应地，为了使用已知压力瞬变检测系统，需要购买或以其他方式获得这样的系统；当一个或多个动态压力传感器安装在该系统中时中断过程；以及此后重新接入该过程。此外，一旦过程流体压力瞬变研究完成，通常必须通过类似的中断从过程中移除这样的检测系统。这是因为，当前系统的设备类型通常不适合于长期外露于过程设备被设计用到的环境。

过程设备通常具有市场验证了的外壳，使得过程设备可以被安装在相对恶劣的户外环境中，并且能够经受温度、湿度、振动、机械冲击等气候极端情况。

提供的优点是，过程流体设备内先进的过程流体压力瞬变检测，而无需附加的资金投入以及先前方法的过程中断，这将在过程流体控制领域中表现出显著的先进性。

发明内容

一种过程流体压力变送器，包括：过程流体压力传感器、测量电路、控制器和回路通信器。过程流体压力传感器具有随过程流体压力而变化的电特性。压力传感器可耦合至过程流体压力的源。测量电路耦合至过程流体压力传感器，并提供表示过程流体压力传感器的电特性的信号。控制器耦合至测量电路，接收信号并至少部分基于所述信号来计算过程流体压力。控制器还被配置为检测过程流体压力瞬变并存储与过程流体压力瞬变相关的至少一个参数。回路通信器耦合至控制器，并且被配置为基于过程流体压力通过过程通信回路来提供信号。过程流体压力变送器还被配置为提供与至少一个所存储的参数相关的指示。

附图说明

图1是诊断压力变送器的典型流体处理环境的图示。

图2是在流体流量计中使用的差压变送器的实施例的图示。

图3是具体可应用本发明的实施例的过程流体压力变送器的框图。

图4是根据本发明实施例的允许用户查看过程流体压力瞬变信息的用户界面的图示。

图5是根据本发明实施例的允许用户设置过程流体压力瞬变阈值信息的用户界面的图示。

图6是示出了压力瞬变的线压对时间的曲线图。

图7是根据本发明实施例的与图6的压力瞬变相关的各种压力瞬变事件信息的图示。

图8是根据本发明实施例的操作过程流体压力变送器的方法的流程图。

具体实施方式

在图1中，在220处示出了针对压力测量的典型过程流体环境。在图1中，示出了连接至控制系统240的过程变量变送器，例如，流量计230、罐236上的液位(压力)变送器232、234以及积分孔板流量计238等。过程变量变送器可以被配置为监控与加工厂中的流体(如化学、纸浆、石油、气体、制药、食品以及其他流体处理加工厂中的泥浆、液体、蒸汽和气体)相关联的一个或多个过程变量。所监控的过程变量可以是压力、温度、流量、液位、pH、电导率、浊度、密度、浓度、化学成分或流体的其他特性。过程变量变送器包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器可以根据加工厂的安装需要，在变送器内部或在变送器外部。过程变量变送器产生表示所感测的过程变量的一个或多个变送器输出。变送器输出被配置为经由通信总线242远距离传输至控制器或指示器。在典型的流体加工厂中，通信总线242可以是为变送器供电的4-20mA电流回路、FOUNDATION^TM现场总线连接、或诸如可寻址远程传感器高速通道(HART)协议之类的混合协议。通信总线242提供过程设备之间的通信和/或与控制器或控制系统的通信。这些过程设备还典型地工作在相对低的功率下。例如，过程设备当前可用于从已知4mA电流回路中接收这些过程设备的所有工作功率。有时需要这种低功率操作来提供爆燃性空气的本质安全。

控制系统240可以被编程为向操作人员显示诊断信息，或可以被编程为当存在来自过程设备的诊断警告时改变该控制系统240的操作。控制系统240控制诸如控制阀244、泵电动机或其他控制设备之类的输出设备的操作。

在图2中，总体示出了典型过程流体压力变送器82的分解图。变送器82包括：用于接收差压的法兰83、差压传感器31、包括模数转换器84、微处理器系统88、数模转换器96和数字通信电路100在内的电子装置。变送器82螺栓连接至法兰适配器87。在这里所示的实施例中，传感器31可以包括绝对压力传感器、计量压力传感器(gauge pressuresensor)、差压传感器或其他类型的压力传感器。

本发明的实施例通常包括过程流体压力变送器(例如，绝对压力变送器、计量压力变送器或者甚至差压变送器)，所述过程流体压力变送器不仅被配置为测量和报告过程通信回路上的过程流体压力，还被配置为检测和记录与过程流体管道内的压力瞬变相关的信息。这允许已在过程工业中普遍存在的单个设备，来提供过程流体压力瞬变检测，从而无需附加的资金投入和技术人员时间。此外，相信可以使用传统硬件来实现本发明的实施例。具体地，可从Rosemount Inc.，ofChanhassen，Minnesota获得的3051S型号过程流体压力变送器可以被编程为提供这种附加功能，或者配备具有其自己的微处理器的特征板。3051S型号以每秒大约1-2次的速率，在过程通信回路上提供过程变量信息。然而，3051S型号实际每秒测量过程流体压力22次。因此，尽管查看3051S型号所报告的过程流体压力信息的过程控制器可能没有充分观察到压力瞬变，但是过程设备自身具有足够的分辨率来检测压力瞬变。即使压力变送器从压力传感器获得原始压力读数的速率非常快，该速率也不足以捕获真实的最大压力，这是因为最大压力可能出现在两个压力读数之间。然而，仍然可以显著增大紧邻最大读数之前和紧接最大读数之后的压力读数，从而允许检测压力瞬变。

如上所述，瞬变检测可以内置于过程压力变送器内，或随后使用特征板来添加该瞬变检测。特征板位于过程设备的电子外壳中，并且提供瞬变检测。以这种方式，可以检测和传送重要的压力瞬变信息而无需关闭或中断过程系统来安装附加的传感器。

图3是本发明的实施例是具体与本发明实施例适合的过程流体压力变送器的图示。过程流体压力变送器300包括压力传感器302，压力传感器302可以是绝对压力传感器、计量压力传感器或差压传感器。压力传感器302以现有技术已知的方式操作耦合至过程流体压力的源(未示出)。过程流体压力传感器302的示例包括具有传导隔板的已知传感器，该传导隔板响应于过程流体压力而偏转，偏转的传导隔板产生反映压力的电容变化。

压力传感器302耦合至模数转换器304。模数转换器304可以是任何合适的模数转换器，但优选地是现有的西格玛-德尔塔转换器。模数转换器304在连接至微处理器系统308的线上产生反映压力传感器302的模拟电特性的数字值。微处理器系统308基于模数转换器304经由线306提供的数字信号来计算过程流体压力。此外，微处理器系统308可以根据已知技术来补偿和/或线性化过程流体变量。然后将过程流体变量传送至数模转换器310，数模转换器310根据已知技术在线路312上产生施加在过程通信回路314上的模拟信号。根据微处理器系统308的使用，认为变送器300是智能变送器。此外，如许多现代过程变量变送器一样，压力变送器300包括数字通信电路316，数字通信电路316可以经由线318从微处理器系统308接收信息并在过程通信回路314上产生数字信号。此外，数字通信电路316还可以被配置为从过程通信回路314接收数字通信信号，并将这些信号提供至微处理器系统308。以这种方式，过程流体压力变送器300可以经由使用数模转换器310施加的模拟信号来提供诸如过程流体压力之类的过程变量信息，但是可以使用数字通信电路316来提供附加的数字通信。这种混合通信的合适示例是已知的HART(可寻址远程传感器高速通道)过程通信协议。此外，已知可以传输所有信息(专门的数字格式的过程变量和附加信息)的其他过程通信协议。这种协议的示例包括FOUNDATION^TM现场总线过程通信协议。

微处理器系统308优选地包括存储器，或耦合至合适的存储器，所述存储器存储程序指令，当由微处理器系统308执行时，所述程序指令使微处理器系统308提供压力瞬变检测和/或通信。此外优选的是，使用用户提供的过程流体压力阈值来执行压力瞬变的检测。这样的阈值可以描述限定过程流体压力瞬变的上限和/或下限。可以由用户通过已知的手持现场维护工具(例如，可从Fisher-Rosemount Systems，Inc.，of Austin，Texas获得的375型号手持现场维护工具)来提供这些阈值，或可以使用合适的控制室软件(例如，可从Fisher-Rosemount Systems，Inc.获得的资产管理程序组合(asset mangement suite)(AMS))通过过程通信回路314来传送这些阈值。此外或备选地，过程瞬变检测可以包括时间阈值，所述时间阈值限定了过程流体压力必须以怎样的速度快速变化。因此，用户可以将瞬变限定为仅仅是超出所选阈值的过程流体压力偏移，或瞬变可以是超出在用户提供时间窗内返回的阈值的偏移。

因此，过程流体压力变送器不仅提供其精确测量和报告过程流体压力的普通功能，还提供过程流体压力瞬变检测功能。如果检测到瞬变，则微处理器系统308将记录或以其他方式存储与检测到的瞬变相关的事件信息。这种信息的示例包括：简单地设置指示已超出控制极限的标志，和/或可以在过程流体压力变送器300本地设置报警或通过过程通信回路314来传送该报警。此外，微处理器系统308可以开始计时器或存储时间指示，所述时间指示指示或可以用于提供自超过阈值起经过的时间。此外，还可以存储过程流体压力从其超过阈值的偏移返回的时间，以便提供或指示在超过压力阈值期间经过的总时间。可以检测和存储的另一参数是在瞬变期间测量的最大压力。此外，还可以存储测量到最大压力的时间，以提供自检测到最大压力起经过的时间的指示。可以存储的另一参数是自设备重置或上电起许多压力瞬变的运行计数(在最大阈值以上、在最小阈值以下或两者皆可)。压力变送器300可以存储和/或传送任何或所有这样的信息作为与检测到的压力瞬变相关的事件信息。可以根据需要将所存储的信息传送至控制室和/或手持现场维护工具。此外，通过存储与瞬变相关的参数的组合，可以在图形上重新创建瞬变的重要特征。可以使用已知的电子设备描述语言(EDDL)技术向资产管理系统或手持现场维护工具提供这种图形表示。此外，在一些实施例中，一旦检测到瞬变，压力变送器就可以将每个高速原始压力测量与时间戳一起存储。关于3051S型号压力变送器，这将意味着将每22Hz压力测量存储在存储器中，并保留这样的值，直到这些压力测量被用户重置或被重写为止。与仅使用所存储的参数的情况相比，这种存储使得用户能够更详细地查看瞬变。这种增强的细节可以帮助技术人员进行与瞬变相关的根本原因故障分析。

图4是在经由过程通信回路314(如图3所示)与过程流体压力变送器300(如图3所示)交互时呈现给控制站(例如，控制站240(如图1所示))的用户的示例用户界面400的图示。如图4所示，用户能够优选地查看自上一次重置起通过过程流体压力变送器观察到的最小和最大压力。具体地，图4示出了在时间窗404上方、显示值0.011223psi的最小压力窗402，所述时间窗404示出了自记录最小压力事件起经过的时间。如所示的，用户界面单元406允许用户可以重置最小压力。类似地，最大压力窗408示出了自上一次重置或上电条件起检测到的最大压力。由于获得原始压力传感器读数的最大速率不够快，以至于无法捕获压力瞬变的精确最大压力，所以读数可以仅反映显著增大的读数，该显著增大的读数仍可以提供重要的信息。此外，用户界面400包括时间窗410，时间窗410指示自接收到在窗408中记录的最大压力起的时间。最后，用户界面单元412允许用户可以选择性地重置最大压力信息。图4还示出了，可以记录和显示传感器上限以上所花费的总时间，如窗414所示。此外，在方框416中显示自首次高压过压起经过的时间。此外，方框418示出了低压阈值以下所花费的总时间。方框420显示对自低压阈值以下的首次偏移起经过的时间加以描述的信息。此外，可以使用用户界面单元422来重置“自……起的时间”值，和/或使用针对所有压力事件的全局重置来重置“自……起的时间”值，当用户按下或另外接合用户界面单元424时，可以将所述全局重置发送至过程流体压力变送器。

图5是用户界面500的屏幕截图，所述用户界面500呈现在诸如控制器240(如图1所示)之类的控制器上，以允许用户可以经由过程通信回路314(如图3所示)与过程流体压力变送器300(如图3所示)交互。如图5所示，用户界面500使用户能够选择性地接合下拉方框502所示的压力报警模式，以及针对高压报警方框和低压报警方框504和506分别插入阈值。此外，用户界面500允许用户可以查看如用户界面500上呈现的压力对时间图508所示的时间刻度表上的压力报警。

尽管关于过程控制器的用户界面描述了图4和图5，然而显然可以经由耦合至过程流体压力变送器的手持现场维护设备向用户呈现各种信息和/或可选参数。

图6是示出了如可以在过程流体控制工业遇到的压力瞬变的压力对时间图。如图6所示，标称近似100psi的线压在2.20秒之后立刻开始下降。所述下降在2.50秒处突然结束并在大约0.1秒的时间帧内迅速从0psi上升到超过1000psi的值。随后，压力迅速减小并在0.2秒内从1000psi以上下降到接近100psi的值。相应地，超过1000psi的压力变化可以发生在小于或等于大约0.3秒的时间间隔内。

图7示出了根据本发明实施例的与图6所示的瞬变相结合使用的各种度量。具体地，图7示出了在大约200psi处的用户配置过程极限。当达到箭头700处指示的点时超过该极限。该点还起动定时器，或使微处理器存储时间指示，所述时间指示测量自发生报警起经过的时间。此后，如箭头702所指示的立即测量并记录最大压力。此外，如参考数字704所示，另外地或备选地获取时间指示。最后，一旦压力返回用户提供的阈值，就观察到从第一定时器启动开始的点处的时间并将该时间存储为“过程极限以上所花费的时间”。

图8是根据本发明实施例的操作过程流体压力变送器的方法的流程图。方法800在方框802处开始，在方框802处根据已知技术来测量过程流体压力。然后，在方框804，过程流体压力变送器将所测量的压力与一个或多个压力阈值相比较。如果所测量的压力等于或超过所述一个或多个压力阈值，则沿着线808向方框806传送控制。在方框806，过程流体压力变送器获得事件信息。这可以包括：仅本地设置报警或通过过程通信回路远程地传送报警，和/或如以上关于图7所描述的获得事件信息的各种参数中的一个或多个。一旦获得并存储事件信息，就向方框810传送控制，在方框810，通过过程通信回路来传送所测量的压力。类似地，如果在方框802处测量的压力没有超过一个或多个压力阈值，则也向方框810传送控制，并通过过程通信回路来传送所测量的压力。一旦通过过程通信回路传送了压力，方法800就通过返回到方框802而循环进行，其中在方框802处再次测量压力。

尽管参照优选实施例描述了本发明，然而本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以进行形式和细节上的修改。

Claims (22)

1.一种过程流体压力变送器，包括：

过程流体压力传感器，具有随过程流体压力而变化的电特性，所述压力传感器可耦合至过程流体压力的源；

测量电路，耦合至过程流体压力传感器，所述测量电路以传感器测量速率来提供表示过程流体压力传感器的电特性的信号；

控制器，耦合至测量电路，用于接收信号并至少部分基于所述信号来计算过程流体压力，所述控制器被配置为，基于所述信号来检测过程流体压力瞬变并存储与过程流体压力瞬变相关的至少一个参数；

回路通信器，耦合至控制器，所述回路通信器被配置为以低于传感器测量速率的变送器输出速率，基于过程流体压力通过过程通信回路来提供变送器输出；以及

其中，过程流体压力变送器被配置为提供与至少一个存储的参数相关的指示，并且

过程流体压力瞬变的检测包括将过程流体压力与至少一个由用户提供的压力阈值相比较。

2.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，过程流体压力传感器是绝对压力传感器。

3.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，过程流体压力传感器是计量压力传感器。

4.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，过程流体压力传感器是差压传感器。

5.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，过程流体压力和瞬变检测均是基于来自单个压力传感器的测量而执行的。

6.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，在布置于压力变送器电子外壳内的特征板上实现控制器。

7.根据权利要求1所述的过程流体压力变送器，其中，回路通信器根据过程工业标准协议来传送过程流体压力。

8.根据权利要求7所述的过程流体压力变送器，其中，协议是4-20mA协议。

9.根据权利要求7所述的过程流体压力变送器，其中，协议是数字/模拟混合协议。

10.根据权利要求9所述的过程流体压力变送器，其中，以4-20mA信号的形式来提供过程流体压力，通过过程通信回路以数字的方式来传送与所述至少一个存储的参数相关的指示。

11.根据权利要求7所述的过程流体压力变送器，其中，通过过程通信回路以数字的方式来传送过程流体压力以及与所述至少一个存储的参数相关的指示。

12.一种操作过程流体压力变送器的方法，所述方法包括：

将压力传感器耦合至过程流体的源；

使用压力传感器来重复测量过程流体压力，并通过过程通信回路来传送与每个测量相关的信号；

使用压力传感器来检测过程流体压力瞬变；

在过程流体压力变送器中存储与压力瞬变相关的至少一个参数；以及

提供与所述至少一个参数相关的指示，

其中，以第一速率来传送与每个测量相关的信号，以高于第一速率的第二速率来测量过程流体压力，并且

所述使用压力传感器来检测过程流体压力瞬变包括：将每个压力测量与用户提供的压力阈值相比较。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过使过程流体压力变送器通过过程通信回路进行通信，来提供指示。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，通过使过程流体压力变送器与耦合至过程流体压力变送器的手持现场维护设备进行通信，来提供指示。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，用户提供的压力阈值是最大压力阈值。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，用户提供的压力阈值是最小压力阈值。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，存储与压力瞬变相关的至少一个参数包括：存储对检测到瞬变的时间加以指示的值。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，存储与压力瞬变相关的至少一个参数包括：存储对瞬变期间测量到的最大压力加以指示的值。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，存储与压力瞬变相关的至少一个参数包括：存储对超出用户提供的压力阈值的总时间加以指示的值。

20.根据权利要求12所述的方法，其中，存储与压力瞬变相关的至少一个参数包括：存储对检测到的瞬变的数目加以指示的值。

21.根据权利要求12所述的方法，其中，存储与压力瞬变相关的参数包括：存储在瞬变期间以第二速率测量到的至少一个压力测量值。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：针对在压力瞬变期间以第二速率测量到的每个压力测量值存储时间戳。

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