CN101946217B - 质量流控制的诊断 - Google Patents

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Abstract

一种流控制系统(10，20)包括：流传感器(12)、阀控制器(13)、信号处理器(14，16)、控制处理器(14，16)以及接口(14，17)。流传感器(12)生成表征流率的传感器信号。阀控制器(13)根据控制输出来控制流率。信号处理器(14，16)将传感器信号转换为流信号，所述流信号将流率表征为时间的函数，以及控制处理器(14，16)生成作为设定点和流信号的函数的控制输出。接口(14，17)接收代表设定点的输入，发送代表流信号的流输出，并发送直接指示流控制系统(10，20)工作状况的诊断输出。

Description

质量流控制的诊断
技术领域
本发明一般地涉及流体处理，具体地涉及用于流控制系统的诊断技术。诊断技术针对流阻塞、腐蚀、机电阀部件的磨损和撕裂、以及其他形式的机电劣化或流控制损伤(impairment)。
背景技术
安全、准确以及具有成本效率的流控制对于大量工业、工程和科学过程而言是关键的。基于质量(mass)的流控制系统在这些领域中具有重大应用，特别是在诸如半导体制造和药物制造之类的应用中，在这些应用中需要精确和绝对的流控制。基于质量的流控制系统的主要优点在于其基本上独立于压力和温度效应而工作，这使得这种系统较少受到环境偏置和相关系统因素的影响，而其他更为传统的流控制技术典型地遭受此种影响。
典型的质量流控制系统包括上游热质量流量计(thermal massflow meter)和下游阀控制器。热质量流量计包括沿传感器管设置的热源以及(通常两个)温度传感器，例如热电耦或电阻温度器件(RTD)。阀控制器典型地包括阀线圈组件或类似结构，被配置为通过对阀进行定位或激励来控制过程流。
热源和温度传感器热耦合至传感器管，传感器管典型地是与主过程流并行延伸的旁路流管。热源向传感器管中的流体提供热能，从而在温度传感器上建立了差分信号。通过传感器管的流是温度差分的函数，并且总过程流是通过传感器管的流的函数。因此，温度差分信号表征了总过程流率(flow rate)。过程流由阀线圈组件控制，其中阀线圈组件对流传感器下游的阀柱塞(plunger)进行定位。
质量流率和温度差分之间的函数关系由热能守恒以及流传感器的几何形状确定。该关系基本上与流体的压力和温度无关，从而可以对过程流体流进行精确和绝对校准的控制。具体地，基于质量的流控制系统与基于体积、差分压力或速度的系统相比内在地对环境偏置以及其他系统效应不那么敏感。
然而，质量流控制器容易受到与其精确测量和控制机制相关的特定工作损伤。这些损伤包括流阻塞和腐蚀(例如，在传感器管中)，以及机电部件的劣化(特别是在阀控制器中)。因此，质量流控制系统需要定期维护，这在常规上基于运行时间(service hour)、阀循环(cycle)或行程(excursion)次数、以及其他寿命预期相关的测量。
不幸的是，这些测量是系统实际工作状况的间接指标而非直接指标。尽管运行时间和阀循环可能与工作损伤在统计上相关联，即，它们对于任一特定设备的实际物理状况几乎不提供直接指示。这迫使在维护成本和故障风险之间进行折衷，就如同理想化工作寿命预期所表达的那样。
为了找到实际上遭受到工作损伤的设备，这种折衷必定也要求定期更换其他完全能够工作的部件。这不仅是基于工作时间和阀循环的维护程序的特征，而且也是依赖于间接工作指标而非直接工作指标的任意诊断技术的特征。间接技术还可能不能处理大范围可变的工作状况的真实性，而这会严重影响故障概率。
因此，需要更加直接的指示实际工作状况且能够有助于高效、具有成本效率的维护程序的流诊断技术。该技术应直接指示具体的工作状况如流阻塞、腐蚀、磨损和撕裂、机电劣化及其他工作损伤，并应该独立于基于工作寿命预期的间接指标。这种诊断技术还应该可单独应用，而无需参照其他过程设备，并应该容易集成到现有过程控制系统中，而无需实质的修改。
发明内容
流控制系统生成直接指示系统工作状况的诊断输出。该流控制系统包括：流传感器、阀控制器、信号处理器、控制处理器以及接口。流传感器生成表征过程流率的模拟传感器信号，阀控制器根据控制输出来控制流率。信号处理器将模拟传感器信号转换为流信号，所述流信号将流率表征为时间的函数。信号处理器还可生成直接指示流传感器工作状况的流诊断信号。
控制处理器生成作为目标流率或“设定点”的函数的控制输出，并且还可以生成直接指示阀控制器工作状况的控制诊断信号。接口接收代表设定点的输入，发送代表流信号以及代表流诊断信号、控制诊断信号或这两种诊断信号的输出。
流诊断信号可以生成为对流信号进行的统计分析的函数。统计分析典型地包括均值和标准差，且直接代表流阻塞、腐蚀和其他流损伤。控制诊断信号可以生成为相对于流信号针对设定点进行的控制/补偿算法的函数。算法典型地包括比例-积分-微分(PID)例程，并生成诊断信号如阀响应函数，其直接代表阀线圈部件上的磨损和撕裂、机电劣化和其他工作损伤。
流传感器可以是质量流传感器，并且具体地可以是热质量流传感器，其将过程流表征为通过旁路管或传感器管的流的函数。流控制器可以是阀定位器或阀激励器，并且具体地可以是阀线圈组件，其通过定位柱塞来控制过程流。流控制器也可以是科里奥利(Coriolis)质量流量计。
信号处理器和控制处理器可以同模数(A/D)转换器、数模(D/A)转换器、微处理器和接口一起包括在电子模块中。A/D在由微处理器提供时钟时将模拟传感器信号数字化，且微处理器生成作为数字化传感器信号的函数的流信号。微处理器还生成作为设定点和流信号的函数的数字控制信号，向D/A提供时钟以生成(模拟)控制输出，并生成流诊断信号和控制诊断信号中至少之一。
一种流控制的方法包括：生成流信号，所述流信号将过程流率表征为时间的函数；接收代表流率设定点的输入；根据设定点和流信号，控制流率；生成直接指示流控制工作状况的诊断信号；以及发送输出，所述输出代表流信号和诊断信号。诊断信号可以结合有流信号的逆信噪比，或者由对与流信号相比的设定点执行的比例-积分-微分(PID)例程生成的响应函数，或者该比率和响应函数的组合。
附图说明
图1是流控制系统的方框图，该流控制系统被配置为生成直接指示流控制器工作状况的诊断信号。
图2是图示图1中流控制系统的集成质量流控制器实施例的截面示意图。
图3是图示用于图1中流控制系统的控制/补偿算法的流程图。
图4是流信号相对于时间的图，示出了直接指示流阻塞的时间相关噪声分量。
具体实施方式
图1是流控制系统10的方框图，该流控制系统10被配置为生成直接指示流控制器工作状况的诊断信号。在该实施例中，流量计(flowmeter)10包括外壳11、流传感器12、阀控制器13、和电子模块14。
外壳11典型地由耐用材料制成，如金属或耐用塑料，或这些材料的组合。外壳包括安装结构，安装结构配置来紧固内部部件包括流传感器12、阀控制器13、和电子模块14，并将流传感器和阀控制器耦合到过程流体所流经的过程设备。外壳11还隔离内部部件，保护其免受不利环境状况如潮气和腐蚀性或爆炸性药剂的影响，并使其免于与过程机械、工具、坠落物体和其他潜在危险相接触。
流传感器12被配置来生成对通过传感器管的流率(flow rate)进行表征的模拟传感器信号。在一个实施例中，流传感器12包括热质量流量计，且传感器管包括旁路流管。在其他实施例中，传感器管也可以是主流通道，从而仅存在一条过程流路径通过设备，如科里奥利(Coriolis)流量计中的情况。
阀控制器13被配置来通过定位或激励阀，对过程流率进行控制。在一个实施例中，阀控制器13包括被配置为对柱塞进行定位的阀线圈组件。在备选实施例中，阀控制器可以包括其他形式的阀定位器或阀激励器。阀控制器13可以位于流传感器的下游，或者流传感器12的上游。
电子模块14包括模数转换器(A/D)15A、数模转换器(D/A)15D、微处理器16和接口(I/F)17。电子模块还可以包括前置放大器部件用于对来自流传感器12的模拟信号进行前置放大。
在系统10的集成流控制器实施例中，外壳11和电子模块14是单一的部件，并且流传感器12、阀控制器13和电子模块14包括单一外壳11内的单个流控制装置(参见下图2)。在其他实施例中，系统10可以包括单独的流传感装置和单独的阀控制装置，或者若干单独的处理装置。可从明尼苏达州钱哈森(Chanhassen)的罗斯蒙德公司(艾默生过程管理公司的分公司)、以及其他供应商购得多种这样的装置，包括流量计、阀控制器和集成流控制器。
A/D 15A对来自传感器模块12的模拟信号进行数字化。A/D 15A可以包括适于流传感器12的具体刻度范围和灵敏度的线性A/D、双线性A/D或非线性A/D。A/D 15A可以进一步包括闪速A/D，或者可以利用∑-Δ调制或其他常用模数转换架构。
D/A转换器15D生成针对阀控制器13的控制输出。类似于A/D转换器15A，D/A转换器15D可以利用多种数模转化架构。在阀控制器13包括阀线圈组件的实施例中，例如，D/A转换器15D可以生成包括脉冲宽度调制电流输出的控制输出。在备选实施例中，D/A转换器15D可以生成模拟电流输出，例如约四至四十毫安(4-40mA)的标准模拟输出，或者模拟电压输出。D/A转换器15D可以进一步与机电装置相耦合，以生成其他形式的控制输出，如气压。
微处理器16向A/D 15A和D/A 15D提供时钟，并生成将过程流率表征为时间函数的流信号。微处理器也可以生成指示流传感器工作状况的流诊断信号，或者指示阀控制器工作状况的控制诊断信号。微处理器16可以进一步提供A/D和D/A转换因子如转换比例(conversion scale)或双线性断点(break point)，可以生成日期/时间戳信息，并可以对传感器信号进行线性化、重新划定流量计的范围、或者调节流控制算法的阻尼(damping)特性(参见如下对图3的描述)。
接口(I/F)17发送过程输出并接收过程输入。过程输出代表流信号、以及流诊断信号或控制诊断信号至少之一。过程输入代表设定点(setpoint)、以及配置参数如对流进行测量的单位。
I/F 17可以经由手持控制器与远程操作员或者与自动化过程控制系统来通信过程输入和过程输出。接口可以利用标准4-20mA模拟通信协议、数字现场总线或Profibus协议，或者混合协议如HART，其中数字输出叠加在标准模拟输出上。I/F 17也可以经由无线射频(RF)信号，例如与可从艾默生过程管理公司购得的基于HART的1420无线网关相兼容的902-928MHz信号，进行通信。
在控制系统10工作时，流传感器12生成表征过程流率的模拟传感器信号SNS-A。微处理器16通过时钟信号CLK-A向A/D 15A提供时钟，A/D 15A生成数字传感器信号SNS-D。微处理器16然后生成作为数字传感器信号SNS-D的函数的流信号，使得流信号将过程流率表征为时间的函数。
微处理器16也生成代表流信号的流输出FLO，并可以生成作为对流信号进行的统计分析的函数的流诊断输出DGN-F。统计分析典型地结合均值(mean)和标准差(standard deviation)，并且诊断输出可以表示将标准偏差与均值相关联的逆信噪比。
接口(I/F)17接收过程输入PR-IN，该过程输入包括配置输入CNFG和控制输入CTRL。配置输入CNFG代表确定过程流率的单位，并且也可以表示其他配置参数。控制输入CTRL代表过程流的目标流率或设定点。
微处理器16生成作为设定点的函数的数字流控制信号CTRL-D，并通过时钟信号CLK-D向D/A 15D提供时钟，使得D/A生成针对阀控制器13的控制输出CTRL-A。微处理器也可以生成控制诊断输出DGN-C，该控制诊断输出作为对与流信号相比的设定点执行的闭环控制/补偿算法的函数。I/F 17然后发送过程输出PR-OUT，该过程输出包括流输出FLO以及流诊断输出DGN-F或控制诊断输出DGN-C至少之一。
图2是图示流控制器20的截面示意图，其中流控制器20是流控制系统10的集成质量流控制器实施例。流控制器20包括外壳11、流传感器12、阀控制器13和电子模块14。
外壳11由耐用材料如金属或耐用塑料、或这些材料的组合制成。外壳11包括电子件盖11A、安装块11B和阀线圈组件盖11C。
安装块11B包括入连接器21和出连接器22。连接器21、22可以包括螺纹压制接头(fitting)、螺纹管接头、埋入(flush mount)连接器、或其他形式的流连接器。连接器可以是如图4所示的公型、或母型，并且可以具有各种尺寸。连接器21、22可以进一步位于安装块11B的侧面上(如图2所示)、安装块11B的底面上、或者在流量计20的其他表面上。
流传感器12包节流器23、主流通道24、旁路流管(或传感器管)25和传感器元件26。过程流体流27在节流器23处分成通过旁路流管/传感器管25的旁路流27A以及通过主流通道24的主流27B。传感器元件26沿传感器管25分布，并被配置为生成模拟传感器信号SNS-A。传感器信号SNS-A将总过程流表征为通过传感器管25的旁路流27A的函数。
在图2的实施例中，阀控制器13包括阀线圈组件，该阀线圈组件又包括阀线圈28和阀柱塞29。阀线圈组件根据控制输出CTRL-A，控制总过程流27(即，旁路流27A加上主流27B)。具体地，控制输出CTRL-A激励阀线圈28，阀线圈28定位柱塞29并对流进行节制。
电子模块14包括微处理器、A/D转换器和D/A转换器，它们均如以上参考图1所述。这些部件又包括信号处理器和控制处理器，其中信号处理器对传感器信号SNS-A进行处理以生成流输出FLO，控制处理器对控制输入CTRL进行处理以生成控制输出CTRL-A。信号处理器和控制处理器也生成流诊断信号或控制诊断信号至少之一，如以下参照图2和3详细所述。
电子模块14也包括接口(I/F)。接口接收包括控制输入CTRL和配置输入CNFG的过程输入PR-IN，并发送包括流输出FLO以及诊断输出DGN-F和DGN-C至少之一的过程输出PR-OUT。
对于集成质量流控制器20，传感器元件26包括测量上游温度T1的上游温度传感器、测量下游温度T2的下游温度传感器、以及加热元件或加热线圈。加热元件向传感器管25中的旁路流27A提供热能，在上游和下游传感器之间建立温度差分ΔT＝T1-T2。温度差分由于热能守恒而与旁路流27A的速率相关。
在流控制器工作时，通过模拟传感器信号SNS-A，将温度差分ΔT提供给电子模块/信号处理器14。信号处理器将传感器信号SNS-A转换为流信号，该流信号将总过程流27(旁路流27A加上主流27B)表征为时间的函数。该转换采用一组校准参数，例如，校准参数考虑模数转换比例以及通过传感器管25的旁路流27A与通过主流通道24的主流27B之间的几何关系。
热传感器可以耦合到传感器管25的外表面，如图2所示，热源典型地位于上下游温度传感器之间。多种备选几何关系也是可以的，包括传感器元件直接位于流中的配置，以及传感器管25包括主流通道24从而仅有一条过程流路径通过流控制器的配置。
流控制器20和系统10与现有技术在电子模块14的配置方面不同，电子模块14提供流诊断输出DGN-F或控制诊断输出DGN-C至少之一。具体地，这些诊断输出不限于诸如工作时间或阀循环之类的间接测量，而是表示流控制器实际工作状况的更为直接的指标。流诊断输出DGN-F例如可以表示直接指示流阻塞、腐蚀或流控制器的其他工作损伤的逆信噪比。类似地，控制诊断DGN-C可以表示直接指示机电磨损和撕裂、机电劣化或其他流控制器损伤的响应函数。
另外，电子模块14提供配置用于标准模拟、HART、现场总线或其他广泛使用过程通信协议的接口。该接口有助于将流控制器20(或者，备选地，流控制系统10)集成到现有过程控制系统中，而无需另外的硬件修改或交叉引用其他外部过程信号。从而得到了反映过程设备实际工作状况而非其理想化剩余工作时间预期的独立和个别化诊断工具。这有助于实现高效的维护程序，能够减少不必要的停工时间且更具成本效率地利用系统资源。
图3是图示了用于流控制系统10或集成流控制器20的闭环控制/补偿算法30的流程图。算法30包括过程输入(步骤31)、传感器输入(步骤32)、信号处理(步骤33)、控制处理(步骤34)、流控制(步骤35)、以及过程输出(步骤36)。
过程输入(步骤31)包括经由接口(I/F)接收过程输入PR-IN。过程输入PR-IN包括控制输入CTRL和配置输入CNFG。控制输入CTRL代表设定点s0，即过程流率的目标值。配置输入CNFG代表流的测量单位，或其他配置参数如数字设备地址、日期和时间戳信息、或与过程流体相关的物理特性。配置输入也可以表示与零过程流状态相对应的流控制器重归零(re-zeroing)配置。
传感器输入(步骤32)包括通过流传感器生成模拟传感器信号SNS-A。模拟传感器信号SNS-A将过程流率表征为通过传感器管的流率的函数，如以上参考图2的流传感器12所述。
信号处理(步骤33)包括通过信号处理器生成流信号，其中流信号将过程流率表征为时间的函数。信号处理器向A/D转换器提供时钟以对模拟传感器信号SNS-A进行数字化，并生成作为数字化传感器信号以及校准参数组的函数的流信号。校准参数考虑模数转换比例以及总过程流率与通过传感器管的流之间的几何关系。信号处理也生成代表流信号的流输出FLO，并可以生成代表对流信号执行的统计分析的流诊断输出DGN-F。
控制处理(步骤34)包括通过控制处理器生成控制输出CTRL-A。控制处理器生成作为设定点的函数的数字控制信号，并向D/A转换器提供时钟以将数字控制信号转换为(模拟)控制输出CTRL-A。控制处理也可以生成控制诊断输出DGN-C，该控制诊断输出DGN-C代表对设定点s0和流信号执行的控制/补偿算法。
流控制(步骤35)包括通过阀控制器来控制过程流率。阀控制器可以包括阀线圈组件且控制输出可以包括脉冲宽度调制电流输出，或者它们可以采取以上针对图2的阀控制器13所述的其他形式。
过程输出(步骤36)包括通过接口发送过程输出PR-OUT。过程输出包括流输出FLO，以及流诊断输出DGN-F或控制诊断输出DGN-C至少之一。流输出FLO代表流信号，并且例如可以表示代表流信号分析窗口的子集{si}的均值<s>(即，流信号在分析窗口上的均值)、子集{si}中时间上最后(last-in-time)的流信号sn、或者流信号的其他代表函数。诊断输出DGN-F和DGN-C直接指示流量计的工作状况。诊断输出例如可以代表逆信噪比或阀响应函数。过程输出(步骤36)和过程输入(上述步骤31)均可以通过标准4-20mA模拟协议、数字协议如Profibus或现场总线、混合协议如HART、或无线协议来完成，如以上参照图1的I/F 17所述。
在功能上，传感器输入(步骤32)、信号处理(步骤33)、控制补偿(步骤34)和流控制(步骤35)包括闭环子例程。过程输入(步骤31)可以相对于该闭环子例程同步或异步执行；例如，在启动、重启时，或在控制输入CTRL异步改变时。过程输出(步骤36)典型地与控制补偿(步骤34)同步，如图3所示，但是也可以相对于闭环子例程中的其他步骤同步执行，或者相对于该子例程异步执行。
在信号处理(步骤33)中，基于校准参数组，从模拟传感器信号SNS-A生成流信号(参见对图2的描述)。典型地，校准参数表示在电子模块内的存储缓冲器或类似装置中存储的出厂校准。备选地，配置输入CNFG可以代表额外的工作定义校准参数，从而提供额外的基于现场的校准功能。
流诊断输出DGN-F代表对分析窗口/子集{si}执行的统计分析，其中在离散的时间从流信号中对各个元素si进行采样。分析窗口{si}典型地包括在与A/D时钟速率(模拟信号SNS-A被数字化的速率；见上述图1)相比相对大、且与过程响应时间刻度(实现流率改变所需的时间；见下述图4)相比相对小的时间跨度上采样的单独信号si的准连续子集。
统计分析通常包括在分析窗口/子集{si}上确定的流信号的均值和标准差。均值由下式给出：
< s > = &Sigma; i s i n - - - [ 1 ]
其中，求和对子集/分析窗口{si}中的n个单独元素si进行。标准差被确定为均值的函数；即，
&sigma; = < s 2 > - < s > 2 - - - [ 2 ]
其中，<s>2是均值<s>的平方，且<s2>是均值平方，如下定义：
< s 2 > = &Sigma; i s i 2 n - - - [ 3 ]
同样，求和对分析窗口{si}中的n个元素进行。
流诊断信号的目的在于直接指示流控制系统的工作状况，例如阻塞的流、腐蚀或其他工作损伤。典型地，这种损伤由相对大的噪声分量来显现，使得逆信噪比成为合适的诊断信号。逆信噪比例如可以简单地为标准差σ与均值<s>之比；即：
R-1＝σ/<s>[4]
控制处理(步骤34)优选地被执行为比例-积分-微分(PID)控制/补偿例程的组件。PID例程对与流信号相比的设定点s0来执行。具体地，PID例程将控制输出确定为差(或“误差”)sE的函数，该差sE由设定点s0与代表流信号相比来确定。例如，
sE＝s0-sn  [5]
其中，代表流信号sn是时间上最后的流信号；即，分析窗口{si}中的第n个元素。在备选实施例中，误差sE可以相对于在分析窗口上确定的均值<s>来确定，相对于时间延迟的流信号来确定，或者相对于流信号的其他代表函数来确定。
PID函数包括比例分量、积分分量和微分分量。比例分量与误差sE直接成比例，并考虑设定点s0与代表流信号sn之间的任何差值。积分分量与误差sE在算法30的闭环子例程部分的多次迭代上的积分成比例，并考虑过程流中的任何稳态项(与比例分量相反，比例分量随误差sE而变为零，而积分分量随稳态项而变为零)。微分分量与sE的改变率成比例，并提供阻尼(damping)功能，可以对阻尼功能进行调节以在要超过设定点的任何趋势下来平衡响应时间。
PID例程典型地得到数字控制信号(CTRL-D)，该数字控制信号可以转换为模拟控制输出CTRL-A，如以上针对图1中的D/A 15D所述。控制输出CTRL-A的幅度根据一组D/A校准参数来确定，该组D/A校准参数与信号处理(上述步骤32)中A/D转换所用的校准参数互补。
控制诊断信号的目的同流诊断信号的目的一样，在于直接指示流控制系统的工作状况。在控制诊断信号的情况下，这可以是阀控制器上的机电磨损和撕裂、机电劣化、或其他损伤如阀粘着或阀不稳定的状况。典型地，这些状况由阀响应函数中的变化来显现，其中阀响应函数将控制输出和过程流率的设定点相关联，这由PID例程所确定。因此，例如，控制诊断信号可以包括作为脉冲宽度调制控制输出与设定点s0之比的响应函数，或者这些量之间的另一函数关系。可选地，响应函数可以将控制输出与代表流信号而非设定点相关联。
过程输出PR-OUT包括流诊断输出DGN-F或控制诊断输出DGN-C中至少之一。过程输出例如可以包括指示流诊断信号或控制诊断信号与相应标称工作范围的偏离的逻辑输出D。标称范围可以先验地确定，或者可选地，通过在学习期间确定的基线(baseline)响应函数或阈值函数f0来确定。因此，
D＝D(f，f0)      [6]
其中，f是一般化诊断函数，包括流诊断信号或控制诊断信号或这两者，f0是在学习期间确定的诊断阈值函数。
诊断函数f例如可以表示逆信噪比R-1或响应函数。在这些实施例中，当逆信噪比或响应函数实质上超过由f0表征的其相应阈值时，逻辑输出D可以返回真值(true value)。与现有技术不同，该诊断输出直接指示受损工作状况，而独立于诸如工作时间或阀循环次数之类的间接测量。
在其他实施例中，过程输出PR-OUT可以是包括DGN-F或DGN-C或这两者的模拟输出或准模拟数字输出。在这些实施例中，PR-OUT例如可以直接代表逆信噪比、阀响应函数、或这两者。这提供了流控制系统的工作状况的连续(或准连续)指标，其与受损工作状况如流阻塞、腐蚀以及机电磨损和撕裂或劣化直接相关。
过程输出PR-OUT也可以包括逻辑、模拟和数字输出的组合，代表诊断输出DGN-F、DGN-C和相关逻辑信号的任意组合。可选地，在过程输出PR-OUT包括单一标准模拟输出的实施例中，过程输出可以包括当D为假(false)时的流输出FLO、以及当D为真(true)时的误差输出。
图4是流信号41相对于时间的图，示出了由于受损流的状态而导致的时间相关噪声分量。图40中的流信号41由大量的单独元素si来表示，这些元素可以包括在若干分析窗口或子集{si}中。流信号跨过第一标称区域42A、第二标称区域42B和受损工作区域43。
图4采用每秒很多次的A/D时钟速率，但是时钟可以处于适于感兴趣的具体流体处理应用的任何速率。流信号41还相对于16位二进制范围(即，从0到65,535)以及标准模拟刻度(从4到20mA)示出，但是这些范围仅仅是示意性的。另外，虽然图4表示了数字传感器信号与模拟输出之间的一般线性关系，但是该关系也可以是双线性、对数或具有更一般的形式。
跨度在从约0秒到约7秒的区域中的第一标称区域42由与10mA和约15mA之间的模拟输出相对应的均值流信号<s>来表征。这表示相对恒定和适中过程流的时间段。由逆信噪比R-1表征的噪声分量在百分之十的量级上。
在约7秒到约18秒之间的第二标称区域42B中，均值信号<s>对应于16mA和约18mA之间的模拟输出。噪声分量与均值成比例(这是宽范围噪声贡献的特性)，使得逆信噪比保持大致恒定在约百分之十。可选地，噪声分量可能与均值信号的方根成比例，或者可以不与信号大小成比例。这种关系可以由基于均值信号方根大小的改进逆信噪比、或者备选地代表标准差的诊断输出自身来容纳。
受损区域43从约18秒延伸至该图的结束。在区域43中，均值信号降低而标准差增加，从而逆信噪比接近1。这种增加，特别是与均值信号大小降低相结合，是受损工作状况如传感器管中的流阻塞的直接指标。这种阻塞的发生可能独立于主通道中的流，导致工作偏置。该偏置显现在直接指标如逆信噪比中，而不会由间接指标如总工作时间来显现。类似地，异常的响应函数(即，对于给定流率的异常高控制输出)可以直接指示受损阀状况，而阀循环的次数则不能。
注意出现故障的阀控制器也可以对传感器信号产生串扰，并因此也可以在流诊断信号中予以指示。类似地，流传感器中的腐蚀或阻塞可以偏置阀控制器性能，因此可以在控制诊断信号中显现。更广泛的，阻塞和腐蚀可以影响流传感器和阀控制器两者，机电劣化也如此。因此，尽管流诊断信号和控制诊断信号名义上针对流控制的不同方面，但是这两者紧密相关，且每一个均独立且直接代表流控制系统的总体工作状况。
工作损伤也可能随时间流逝而出现，而非突然出现。例如，在传感器管的逐步腐蚀，或者阀线圈组件上的长期磨损和撕裂的情况中，可能尤其如此。在这种情况下，直接指示流控制器状况的诊断输出区分已经实际受到某种损伤的设备以及尚未受到损伤的设备，而无论工作时间或阀循环次数如何。这种直接诊断指标有助于具有成本效率的维护规划，并且通过在单独而非统计的基础上来引导资源，还可以在减少总停机时间的同时提升整体系统性能。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但是所使用的术语用于说明而非限制的目的。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，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (22)

1.一种流控制系统，包括：
流传感器，被配置为生成表征流率的传感器信号；
阀控制器，被配置为根据控制输出来控制流率；
信号处理器，被配置为将传感器信号转换为流信号，所述流信号将流率表征为时间的函数；
控制处理器，被配置为生成作为设定点和流信号的函数的控制输出；以及
接口，被配置为接收代表设定点的输入，发送代表流信号的流输出、指示流控制系统工作状况的流诊断信号以及代表阀控制器工作状况的控制诊断信号，
其中，流诊断信号代表将流信号的标准差与流信号的均值相关联的逆信噪比，控制诊断信号代表将控制输出与设定点和流信号至少之一相关联的响应函数。
2.根据权利要求1所述的流控制系统，其中，流诊断信号指示流阻塞。
3.根据权利要求1所述的流控制系统，其中，响应函数包括对与流信号相比的设定点执行的比例-积分-微分例程。
4.根据权利要求3所述的流控制系统，其中，控制诊断信号指示阀控制器内的磨损和撕裂。
5.根据权利要求1所述的流控制系统，其中，流传感器包括质量流量计。
6.根据权利要求1所述的流控制系统，其中，流传感器包括科里奥利流量计。
7.根据权利要求1所述的流控制系统，还包括容纳流传感器、阀控制器、信号处理器、控制处理器和接口的外壳，其中，阀控制器包括阀定位器、阀激励器和阀线圈组件之一。
8.根据权利要求1所述的流控制系统，其中，流诊断信号指示流控制系统中的腐蚀。
9.根据权利要求1所述的流控制系统，其中，控制输出包括脉冲宽度调制控制输出，以及响应函数包括脉冲宽度调制控制输出与设定点之比。
10.根据权利要求9所述的流控制系统，其中，控制诊断信号指示阀控制器中的阀粘着或不稳定性。
11.一种流控制器，包括：
流传感器，用于生成模拟传感器信号；
模数转换器，用于将模拟传感器信号转换为数字传感器信号；
数模转换器，用于将数字控制信号转换为模拟控制输出；
阀控制器，用于根据模拟控制输出来控制阀；
微处理器，用于生成作为数字传感器信号的函数的流信号，用于生成作为设定点和流信号的函数的数字控制信号，并用于生成指示流控制器工作状况的第一和第二诊断信号，其中第一诊断信号代表将流信号的标准差与流信号的均值相关联的逆信噪比，第二诊断信号代表将控制输出与设定点和流信号至少之一相关联的响应函数；以及
接口，用于接收代表设定点的输入，并用于发送代表流信号以及第一和第二诊断信号的输出。
12.根据权利要求11所述的流控制器，其中，工作状况包括流控制器内的流阻塞和腐蚀中的一项或多项。
13.根据权利要求11所述的流控制器，其中，工作状况包括流控制器内的机电劣化。
14.根据权利要求11所述的流控制器，其中，还包括集成流控制器外壳，用以容纳模数转换器、数模转换器、阀控制器、微处理器和接口。
15.根据权利要求14所述的流控制器，其中，流传感器包括热质量流量计。
16.根据权利要求11所述的流控制器，其中，流传感器包括科里奥利流量计。
17.根据权利要求14所述的流控制器，其中，阀控制器包括阀线圈组件。
18.根据权利要求11所述的流控制器，其中，响应函数包括对与流信号相比的设定点执行的比例-积分-微分例程。
19.根据权利要求11所述的流控制器，其中，模拟控制输出包括脉冲宽度调制控制输出，以及响应函数包括脉冲宽度调制控制输出与设定点之比。
20.一种流控制的方法，包括：
生成流信号，所述流信号将过程流率表征为时间的函数；
接收代表过程流率的设定点的输入；
根据与设定点和流信号相关的响应函数，控制过程流率；
生成指示过程流率工作状况的流诊断信号，其中流诊断信号代表流信号的标准差与流信号的均值之比的逆信噪比；
生成指示过程流率工作状况的控制诊断信号，其中控制诊断信号代表所述响应函数；以及
发送输出，所述输出代表流信号、流诊断信号和控制诊断信号。
21.根据权利要求20所述的流控制的方法，其中，响应函数包括对与流信号相比的设定点执行的比例-积分-微分例程。
22.根据权利要求20所述的流控制的方法，其中，控制过程流率包括根据基于设定点和流信号的脉冲宽度调制控制输出来控制过程流率，以及响应函数包括脉冲宽度调制控制输出与设定点之比。
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