CN102331281B

CN102331281B - 采用基于相位诊断的流体流测量

Info

Publication number: CN102331281B
Application number: CN201110139271.1A
Authority: CN
Inventors: 戴尔·斯科特·戴维斯; 大卫·尤金·韦克伦德
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2031-05-23
Also published as: US8812253B2; CN202329713U; CN102331281A; US20110301867A1

Abstract

一种采用基于相位诊断的流体流测量系统，包括压力差传感器、过程压力传感器、温度传感器和微处理器。压力差传感器定位为感测沿着流体流的压力差，其中所述流体流的流体特性具有第一相和沿着转变曲线从第一相分开的第二相。过程压力传感器定位为感测流体流的过程压力，并且温度传感器定位为感测流体流的过程温度。微处理器连接至压力差传感器、过程压力传感器和温度传感器，以确定所述流体流的流量，并且诊断模块用于基于过程压力和过程温度产生作为与转变曲线相比较的诊断。

Description

采用基于相位诊断的流体流测量

技术领域

本发明涉及一种采用基于相位诊断的流体流测量的系统和方法。

背景技术

压力差和流量测量在宽范围的流体过程中具有重要的应用，包括食品和饮料生产、水处理、医药品、烃类燃料提取、石化处理、制造、输送和能量生产。在这些应用的每一种中，过程测量和控制系统利用一定范围的独立压力传感器、变送器和现场设备以监测和控制过程压力和相关的参数，包括质量和体积的流量。

在多种流体过程中，流动不限于单种组分或相位。例子包括粉煤、煤泥、水力采矿、油/水/气提取物和用于超临界提取或碳封存的CO₂基流动。其中基于压力的测量用来确定体积或质量流量，而且，这些测量还取决于流体密度。所述密度随着过程温度和压力以及每种单独的流动组分的相位和成分而变化，并且这些因数中的每一种都对整体精确度起作用。

发明内容

本发明关注于用于测量流体流并用于产生与流体流的特性相关的基于相位的诊断的系统。该系统包括压力差传感器、过程压力传感器、温度传感器和具有基于相位的软件诊断模块的微处理器。

压力差传感器定位为感测沿着过程流体流的压力差，其中所述流体的流体特性具有第一(如，液)相和沿着饱和线或其它转变曲线从第一相分开的第二(如，汽)相。过程压力传感器和温度传感器定位为分别地感测过程压力和过程温度。微处理器连接至压力差传感器、过程压力传感器和温度传感器，以确定流量。诊断模块基于过程压力和过程温度产生作为与转变曲线相比较的诊断。

附图说明

图1为具有基于相位的诊断的流量测量系统的示意图。

图2A为用于根据作为过程温度T的函数的过程压力P描绘用于过程流体的饱和线的诊断模块的示意图。

图2B为根据作为过程温度T的函数过程压力P描绘用于过程流体的流体特性的相位图的诊断模块的示意图。

图3为用于采用基于相位的诊断产生流量测量的基于变送器的系统的示意图。

图4用于采用基于相位的诊断产生流量测量的多变量变送器的示意图。

图5为图示用于产生流量测量和基于相位的诊断的方法的流程图。

具体实施方式

图1为具有基于相位的诊断的质量流量测量系统10的示意图。系统10包括用于感测过程压力P的压力传感器12、用于感测压力差DP的压力差传感器13、用于感测温度T的温度传感器14，以及具有用于产生流量信号FL和流体相位诊断DG的软件模块18的微处理器(μp)16。

流量信号FL将过程流量描述为压力差DP的函数。典型地，流量还取决于过程压力P和温度T，其通过流体密度(ρ)和粘性(μ)进入，并经过几何考虑和膨胀因素，包括热膨胀以及压力和温度对等熵幂的影响。

当与饱和线或描述过程流体的其他相位函数相比时，诊断模块18产生作为过程压力P和温度T的函数的诊断信号DG。诊断信号DG与过程流动F的流体特性相关联，特别地与相变相关联，所述相变至少由于它们影响流体密度ρ的原因而影响流量测量精确度。在一些实施方式中，诊断信号DG还指示相变或相位混合，或过程压力传感器12、DP传感器13或温度传感器14中的校准误差或硬件故障。

取决于实施方式，传感器12，13和14或者以独立(单独)模块形式设置，或者它们结合到一个或多个现场设备或变送器20中。例如，如图1所示，变送器20结合过程压力传感器12、压力差(DP)传感器13和温度传感器14的元件以及用于微处理器16、诊断模块18和接口(I/F)22的存储器和数据处理部件。

过程压力传感器12、DP传感器13和温度传感器14定位成与流动管(或管道)26中的过程流动F热力学接触，以分别地产生表示过程压力P、压力差DP和过程温度T的信号。例如，在图1的特定实施方式中，DP传感器13跨接诸如孔板28之类的流动限制装置，以产生与流量相关的压力差(DP)信号。过程压力(P)传感器12连接至DP传感器13的上游管线，以产生与过程压力相关的信号，例如表压力(GP)或绝对压力(AP)。可替换地，过程压力传感器12连接至DP传感器13的下游管线，或者传感器12利用独立的过程流体连接来感测过程压力P。

温度(T)传感器14包括定位成与过程流动F热接触的热敏元件，例如位于热电偶套管30中的热电偶或电阻式温度装置(RTD)，热电偶套管30安装在孔板28下游的流动管26中。下游热电偶套管配置降低在对孔板28处的DP传感器13的伴流影响，但上游安装也是可行的。可替换地，温度传感器14利用至流动管26的外部热联接器，或者内部或嵌入的主元件配置。在这些实施方式中的一些中，传感器12，13和14利用直接法兰或管安装配置，或者诸如脉冲管道之类的间接联接器，或其组合。

在系统10的运行中，微处理器16利用柏努利原理或相关的压力/流量关系，以基于压力差DP和流体密度ρ以及诸如粘性μ之类的其它参数来确定流量。流体密度ρ又取决于过程压力P和温度T，其中压力依赖性对诸如水之类的基本不可压缩流体来说相对较小，对包括蒸汽、天然气和其它气体之类的可压缩流体来说相对较大。

当与描述过程流体的相位的相位数据以及其流体特性相比较时，微处理器16结合诊断软件模块18以基于压力P和温度T产生诊断信号DG。可替换地，诊断模块18以独立形式设置，具有独立存储器和处理部件。

接口22提供功率输入和变送器20与和分布式控制系统(DCS)24之间的通信，或与本地或远程操作人员的通信。根据实施方式，这些通信包括模拟信令、模拟控制和数字信令和控制。例如，在图1的特定实施方式中，接口22将模拟流量信号FL和数字诊断信号DG从微处理器16传送至DCS模块24，例如作为叠加在模拟流量信号的数字诊断信号。可替换地，流量信号和诊断信号都是数字的，或都是模拟的。

流量信号FL表征过程流动F的体积流量或质量流量，或者流速，或其组合。诊断信号DG表征过程流动F的相位，且特别地，指示过程流体中相变的可能性，如与流量精确性相关联。取决于实施方式，诊断信号DG还指示潜在的传感器错误或硬件故障，例如过程压力传感器12、DP传感器13或温度传感器14中的校准误差或传感器故障。

相变与系统10和变送器20的运行相关，因为基于压力的流量测量依赖流体密度ρ来确定流量，并且流体密度ρ不仅取决于过程压力P和温度T，而且取决于过程流体的相位。虽然额定流量计精确度通常取决于用于过程流体的单相，而且(即，全液态、全蒸汽或全气态)，并不总是这种情况。基于水的流体处理易于冰冻和蒸发，而蒸汽和气体流通常涉及混合的液态和蒸汽相。天然气和CO₂应用还涉及多相流动，不仅处于液态和蒸汽状态，而且处于超临界相。

相位因素不仅影响直接取决于流体密度ρ的质量流量，而且影响通过Bernoulli(伯努利)方程以及相关的动力和热力关系间接取决于密度的体积流量。因此精确的流量测量不仅取决于过程变量P和T如何与流体密度ρ相关(假设特定的流体相)，而且取决于这些变量如何与相位本身相关，当通过使用诊断模块18以比较过程压力P和温度T与饱和线或其它与相位相关的数据来确定时。

图2A为实施方式中的诊断模块18的示意图，描述用于特定过程流体的饱和线32。饱和线32根据过程温度T(在垂直轴线上)限定作为过程压力P(在水平轴线上)的函数的饱和点(或冷凝点)。

饱和线32将相位标图分成不同的液态和蒸汽状态，液相处于相对低的温度T和较高的压力P，汽相位于通常较高的温度T和较低的压力P。沿着饱和线32发生相变，在饱和线32中的过程温度T近似等于冷凝温度(或沸点温度)，如为特定过程压力P限定的那样。

如图2A所示，当过程温度T小于饱和线32的值时，过程流体通常存在于液相中，如在压力P(如，点33A)处所限定，并且当温度T大于饱和线32的值时(如，点33C)在汽相中。然而，当过程条件落到饱和线上时，相变和液体/蒸汽混合是可能的。这例如在点33B处发生，温度T近似等于饱和线32的如在压力P处限定的值，压力P近似等于饱和线32的如在温度T处限定的值。

通过将过程压力P和过程温度T与饱和线32或相关的相变函数进行比较，可以产生大量不同的诊断。当过程压力P和过程温度T落在饱和线32上时，例如，如上文为点33B所描述，诊断指示可能的液体/蒸汽相变或多相流动情况。在水和其它液体流动中，这对应于蒸发或沸腾，并且在蒸汽和气体流动中，这对应于冷凝。

通常，蒸发(或其它相变)的潜热趋于使过程变量沿着转变曲线稳定。因此，相关的相位含量(或“纯度”)没有必要单独地限定为过程压力P和温度T的函数，而不需要独立地测量流体密度ρ。

当过程温度T大致小于(低于)饱和线32的值时(如，点33A)，诊断指示液相流动，或者具有实质液体成分的流动。虽然这对水和其它液体流动是额定条件，但它指示气体、蒸汽和其它汽相流动的潜在的或实际的冷凝，这会影响流量精确性。冷凝和相关的湿气影响是问题，即使在其它方面高纯度流动(如，90％≤Q＜100％)中相对低水平冷凝处，和在低纯度流动(如，Q＜90％)中相对高水平的冷凝处。冷凝还是非均匀影响，趋向于沿着垂直铺设管的侧面和在水平铺设管的底部积聚，并且这对流量测量产生附加的影响。

如果过程温度T大致大于(高于)饱和线32的值(如，点33C)，诊断指示汽相流动，或具有实质汽相成分的流动。对于蒸汽和气体应用，这将是额定条件，但对于水和其它液相流动，诊断指示潜在的或实际的相变，如沸腾和蒸发。基于相位的诊断还能够应用于天然气和其它碳氢化合物流动中以及二氧化碳流动中的其它多相条件。

基于相位的诊断不同于单变量和基于范围的技术，例如，如图2A所示，基于用于温度T的T_min-T_max的和用于过程压力P的P_min-P_max的工作范围的诊断。特别地，基于相位的诊断涉及过程流体的物理状态，如由过程压力P和温度T之间的特定函数关系所描述，并且因此提供的信息比从相位变量单独获得的信息多。这种方法还以客观条件限定了相位关系；也就是说，基于与转变函数相比较的相位变量的值，而不是相位标图本身的主观(如，上下或左右)定向。

更具体地，当温度T近似等于(点33B)或大于(点33C)饱和线32的分别地如在特定压力P下限定的值时，温度T落在饱和线32上或上方。相反地，当压力P小于饱和线32的值时，温度T落在饱和线32的下方；即，小于如为特定过程压力P(如，点33B)限定的饱和点。因为这些限定取决于过程变量的客观值，而不是相位标图的主观定向，因此它们可等同地适用于沿着水平温度轴线表示的相变(如，参见图2B，如下文描述的那样)。类似地，当过程压力P近似等于饱和线32的如在特定温度T(点33B)处限定的值时，过程压力P落在饱和线32上，并且当压力P大于(点33A)或小于(点33C)该值时，过程压力P分别地落在饱和线32的上方或下方。

过程变量P和T的容差取决于传感器校准、变送器配置和运行条件，并且可以以绝对或相对条件限定。对于温度T，根据应用和用户喜好，典型的容差为±1-2°F或±1-2℃。可替换地，使用相对温度容差，例如0.5％或1.0％。压力容差通常稍微较小，例如0.04％或0.2％，但在一些系统中，压力和温度容差相当。

基于容差，因此当温度T在曲线的如为特定过程压力P限定的值的±1-2度(°F或℃)内，或者在该值的0.04％、0.2％、0.5％或1.0％内时，据说过程条件落在特定的转变曲线上。类似地，当压力P例如在该曲线的如为特定过程温度T限定的值的0.04％、0.2％、0.5％或1.0％内时，过程压力P落在转变曲线上。

根据运行条件，大致落在特定转变曲线的上方或下方(即，在特定转变曲线的额定容差之外)的过程变量还指示传感器误差或其它硬件故障，而不是相变。这例如与RTD、热敏电阻、热电偶和热电偶套管有关，特别是经受磨蚀性或腐蚀性流动、快速或重复的温度循环以及流动引起的振荡时。当过程变量P和T的特定组合产生不实际或不合规格的导出量(例如流体密度ρ或流量)的值时，指示其它传感器误差。

固态相变还通过引入悬浮组分会或流动障碍物而影响流量测量，超临界相变与天然气、有机流体和基于CO₂的过程相关。在这些实施方式中，提供附加的相位数据，以便基于更普遍的相变和如应用于单组分和多组分(或多部分)过程流体流那样来产生附加的诊断。

图2B为描述用于特定过程流体组分的一般化相位图的实施方式中的诊断模块18的示意图。在该图示中，相位图基于过程压力P(在垂直轴线上)限定固体、液体和蒸汽状态(相位)的作为过程温度T(水平轴线)的流体特性。

如图2B所示，固相、液相和汽相共存于在三相点压力P₃和三相点温度T₃下限定的三相点34处。两种流体相位(液体和蒸汽状态)沿着蒸发曲线36分开，蒸发曲线36实质上是上文中的图2A的饱和线32的反函数(functional inverse)。蒸发曲线36从三相点34延伸至临界压力P_C和临界温度T_C处的临界点38，在该临界点之上，流体转变成超临界或超流体状态。

固相和汽相沿着从图2B中的三相点34向下延伸的升华曲线40分开，固相和液相沿着从三相点34向上延伸的熔化曲线42A和42B分开。正常的熔化曲线42A(实线)示出为具有正的斜率，如根据过程压力P与温度T之比限定的那样，不规则的熔化曲线42B(虚线)具有负的斜率，如与水或基于水的溶液或悬浮物的特性一样。

蒸发曲线36限定过程流体的蒸发点和冷凝点，沿着曲线36的液体/蒸汽相变与沿着上文中的图2A的饱和线32限定的蒸汽/液体相变互补。按照过程压力P，在等于或大于蒸发曲线36的如为特定温度T限定的值(上或上方)的压力P处指示从汽相到液相的转变，在等于或小于蒸发曲线36的值(上或下方)的压力P处指示从液相到汽相的转变。这对应于气体或其它汽相过程流体中的冷凝或液滴形成，和有机液体、水和其它液相过程流体中的蒸发、沸腾或起泡。

还可以根据温度T限定相变，如上文为图2A描述的那样。对于液相过程流体，即，蒸发曲线36还根据过程压力P限定蒸发温度，在曲线36上或上方的温度T处蒸发(或沸腾)。蒸发曲线36还为汽相流体限定冷凝温度，再次作为过程压力P的函数，在曲线36上或下方的温度T处冷凝和形成液滴。

固/汽相变沿着升华曲线40限定，升华曲线40限定从三相点34向下延伸的升华点或升华温度函数。从固相至汽相的升华出现在等于或大于升华曲线40(上或上方)的如为过程压力P≤P₃限定的值的温度T处，且在等于或小于升华曲线40(上或下方)的如为温度T＜T₃限定的值的过程压力P处出现。相反地，固相沉积(结霜)在如在过程压力P≤P₃处限定的升华曲线40上或下方的温度T处，且在如在温度T≤T₃处限定的升华曲线40的上或上方的过程压力P≤P₃处出现。

固/液相变沿着从三相点34向上延伸的熔化曲线42A和42B限定，曲线42A和42B在三相点34处分别限定正常和异常流体的熔点和凝固点。特别地，熔化在等于或大于熔化点(处或上方)的温度T处出现(如沿着熔化曲线42A和42B在过程压力P＞P₃处限定的那样)，并且凝固和固化在等于或小于熔点(或凝固点)(处或下方)的温度T处出现。

根据过程压力P，固/液相变取决于熔化曲线是正常(实线42A)或者异常(虚线42B)。对于正常流体，熔化在近似等于或小于正常熔化曲线42A(上或下方)的压力P处出现(如为过程温度T＞T₃限定的那样)，并且固化(凝固)在P近似等于或大于正常熔化曲线42A(上或上方)的压力P处出现。然而，对于异常流体，为温度T＜T3限定固/液转变，并且熔化在异常曲线42B上或上方的压力P处出现，凝固在曲线42B上或下方的压力P处出现。

超流体相变在临界点38上方的压力P＞P_C且温度T＞T_C处出现。更具体地，气态流体倾向于在超临界温度T＞T_C下表现为过热蒸汽，且过热蒸汽在压力P＞P_C处变为超临界流体。液体在超临界压力P＞P_C处倾向于变为更加可压缩的，且在温度T＞T_C处转变为超临界态。

然而，与固态、液态和气态相反，超临界相变通常是连续的或本质上是二阶的，而不是离散的。特别地，到涉及很少的潜热或不涉及潜热的程度，沿着明确的超临界转变线或曲线稳定压力P和温度T的趋势很小。虽然如此，包括密度的超临界流体特性大体上随着压力P和温度T改变，并且基于临界点38的基于相位的诊断与包括超临界萃取、有机超流体、基于CO2的碳氢燃料萃取和碳沉(carbon sequestration)的大量流体过程相关。

如上文为图2A描述的那样，过程变量P和T与转变曲线36、40和42(或三相点34和临界点38)之间的关系通常根据特定的容差限定。具体地，当压力P近似等于如在温度T处限定的曲线或点的值时，或者当压力P在曲线或点的特定容差(例如，0.04％、0.2％、0.5％或1％)内时，过程压力P据说落在(或靠近)转变曲线上。相反，当压力P的值分别大于或小于如在温度T处限定的曲线或点的值时，或者当压力P与曲线或点的值之间的差等于或超过给定容差时，过程压力P落在特定的曲线或点的上方或下方。

类似地，当温度T近似等于如在特定过程压力P处限定的曲线或点的值时，或者当温度T在曲线或点的特定容差内(例如，在±1-2°F(或℃)内，或者在0.04％、0.2％、0.5％或1％内)时，据说过程温度T落在特定转变曲线或点上或靠近特定转变曲线或点。当温度大于或小于如在特定过程压力P处限定的曲线或点的值时，或者当温度T的值超过所述曲线或点的值大于容差时，或当温度T的值降低所述曲线或点的值以下大于容差时，温度T落在所述曲线或点的上方或下方。

如上文说明的那样，相对蒸汽含量(或纯度)不是沿着转变曲线的单值，而是从0到1变化。而且，在仅测量过程压力P或过程温度T的装置中，通常假设特定的相位条件，例如假设流动饱和且处于100％纯度。相反，基于过程压力P和过程温度T二者的测量的诊断在单相和多相流动条件之间提供了明确的测试。特别地，通过将过程温度T与用于过程流体的如在过程压力P处限定的实际饱和点进行比较，而不是仅基于过程温度T简单地假设饱和压力，或仅基于过程压力P简单地假设饱和温度，可以定量测试饱和。

过热或过滤液态还存在于多种处理应用中。过热液体是具有大于如沿着蒸发曲线36为特定压力P限定的沸点或大于如沿着图2A的饱和线32限定的饱和点的温度T的液相流体。这例如在过热水和过热蒸汽之间区分开，其中过热蒸汽在饱和点上方，当存在于汽相中，而不是液相中。

相反地，过冷液体是被冷却到低于如沿着熔化曲线42A或42B限定的凝固点之下的温度T的液体。过热和过冷液体都与流量测量和基于相位的诊断方法有关，因为它们指示意外的或不需要的相位条件。过热和过冷液体状态也是不稳定的，并且，当过程流动变为湍流或核位置被引入时，经受快速的相变。

关于基于上文的图2A的饱和线32的诊断，压力和温度的异常值还指示硬件或校准问题，以及实际的相变。特别地，传感器误差由明显高于或低于特定相变的压力值和温度值指示，所述特定相变如为流量计的正常液相或汽相校准状态限定，并且当相位变量P和T(或压力差DP)为诸如流体密度和体积或质量流量之类的导出量产生不实际的或不合规格的结果时。

图3为基于变送器的实施方式中的系统10的示意图，该系统利用脉冲管道44将变送器20连接至流动管26内部的过程流动F。在这个特定实施方式中，变送器20测量过程流动F的作为在孔板28上产生的压力差的函数的速度，其中孔板28在法兰46处安装在流动管26的内部。可替换地，变送器20跨接文丘里管或用于基于流量产生压力差降的其它装置，并且如上所述，压力和温度连接是间接的或直接的。

变送器20提供体积或质量流量格式的流量输出FL，并利用诊断模块18以产生诊断DG。在图3的特定实施方式中，诊断模块18设置为外部独立组件，但在其它实施方式中，诊断模块18结合在变送器20内，如下文紧接着参照图4描述的那样。

图4为用于产生流量测量值FL和流体相位诊断DG的变送器20的示意图。在这个特定实施方式中，变送器20包括多变量变送器，如从Minnesota州Chanhassen市的Rosemount公司(Emerson Process Management公司)买到的3051SMV。可替换地，使用离散的组件，如上文参照图1的系统10和图3的变送器20描述的那样，或使用单变量和多变量变送器的组合。

如图4所示，变送器20包括过程压力传感器12、DP传感器13和温度传感器14，它们中的每一个都具有结合在单个(整体)变送器壳体48内的组件。在这个多变量变送器实施方式中，壳体48还包围微处理器16、诊断模块18和接口22，并提供流体和压力密封，以防止湿气、电震、爆炸剂或腐蚀剂、以及其它运行危险。

传感器12、13和14连接至过程流动，例如采用法兰适配器50，以提供与过程流体进行热动力接触。取决于实施方式，过程压力、压力差和温度联接器包括脉冲管道、热电偶套管型和直接法兰安装式配置，如上文参照图1和3描述的那样，或者其组合。

微处理器16电连接至传感器12、13和14中的每一个，以基于过程压力P、压力差DP和过程温度T确定体积或质量流量输出FL。微处理器16还利用诊断模块18，如与描述过程流体的相位数据进行比较，以产生作为压力P和温度T的函数的相位诊断DG。特别地，如上文参照图2A和2B描述的那样，相位数据为一种或多种过程流体成分限定饱和线、蒸发曲线、冷凝曲线、熔化曲线、凝固曲线、升华曲线、三相点或临界点。

在图4的特定实施方式中，诊断模块18结合在微处理器16中。可替换地，诊断模块18设置为独立模块，例如如上文在图1和3中示出的那样。

变送器20利用二线式回路连接52A和52B或数据线/电源线、无线接口或其它过程通信硬件经由接口22连接至DCS模块24或用户/操作人员。变送器20以无线和硬连线配置支持多种低功耗模拟、混合模拟/数字和数字测量和控制协议，包括FieldbusFoundation^TM，BUS和NET，利用对应范围的硬连线和无线装置配置。在一些实施方式中，变送器20还为直接用户/操作人员通信提供本地接口，例如采用LCD屏、触摸屏或其它显示装置。

在图4的二线式配置中，变送器20和DCS 24利用低功耗模拟或模拟/数字(混合)信号协议，其具有混合信号和小于约40mA或约4-20mA的电源电流(power current)。在这些实施方式中的一些中，变送器20在约12V或约24V的最大(DC)电压上运行，具有约48-240毫瓦(mW)或小于约500mW的总功耗。功耗是关键的设计参数，因为在远程位置和危险或易爆环境中需要利用多个变送器的扩展区域过程控制系统，其中标准(如，120VAC)电源连接成本高或不实际。功耗是关键的还由于将(如在此描述的)复杂的多变量流量和相位诊断计算结合在计算功率有限的低功耗变送器组件中的困难性。

图5为图示用于采用流体相位诊断来测量过程流量的方法54的流程图。方法54包括感测沿着过程流体流的压力差DP(步骤56)、感测过程流体的过程压力P和温度T(步骤58)、确定过程流量(步骤60)以及产生输出(步骤62)。所述输出包括以质量或体积或其组合为单位的过程流量FL，具有基于相位的诊断DG。

取决于实施方式，感测压力差(步骤56)包括限制过程流动(步骤64)和感测在流动限制上的压力差DP。确定过程流量(步骤60)包括基于过程压力P和过程温度T确定流体密度(步骤66)。

在体积流量实施方式中，从作为诸如管径之类的几何形状因素的函数的压力差DP，通过伯努利原理间接根据流体密度ρ，确定流量输出FL。在质量流量实施方式中，有时将体积流量计算为内部参数(步骤68)，其又用来基于流体密度ρ确定质量流量。可替换地，如基于过程压力P、压力差DP、温度T和流体密度ρ中的一个或多个，在内部计算诸如流速之类的其它参数。

通过将过程压力P和过程温度T与相位数据进行比较产生诊断DG(步骤70)，其中如上所述，相位数据包括用于一种或多种流体成分的饱和线、升华曲线、熔化和凝固曲线、蒸发和冷凝曲线、三相点和临界点。在一些实施方式中，诊断DG还基于导出量，如流体密度ρ，或基于流量本身，例如以在传感器误差(步骤72)和相变或多相流动条件(步骤74)之间进行区分。

虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，在不偏离本发明的保护范围的条件下，可以进行改变，并且可以更换等同物。此外，在不偏离本发明的实质保护范围的条件下，可以进行修改，以使特定的情况或材料适合本发明的教导。因此本发明不限于本文中公开的特定实施方式，而是包括落入随附权利要求的保护范围内的所有实施方式。

Claims

1.一种用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，包括：

压力差传感器，定位为感测沿着流体流的压力差，其中所述流体流的流体特性具有第一相和沿着转变曲线与第一相分开的第二相；

过程压力传感器，定位为感测流体流的过程压力；

温度传感器，定位为感测流体流的过程温度；

微处理器，连接至压力差传感器、过程压力传感器和温度传感器，以确定所述流体流的流量；和

诊断模块，用于基于过程压力和过程温度产生作为与转变曲线相比较的诊断；

其中所述诊断表征过程流动的相位，并且包括相变的可能性的指示。

2.根据权利要求1所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，其中诊断模块产生指示第一相和第二相之间的转变的诊断。

3.根据权利要求1所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，其中微处理器基于过程压力和过程温度确定流体密度，并且其中微处理器基于压力差和流体密度确定流量。

4.根据权利要求1所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，还包括多变量变送器，该多变量变送器用于提供所述压力差传感器、过程压力传感器、温度传感器、微处理器和诊断模块，使得该多变量变送器确定所述流量并产生所述诊断。

5.根据权利要求4所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，还包括用于向多变量变送器提供功率和通信的二线式接口，其中多变量变送器在500mW或更小的功率下运行。

6.根据权利要求1所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，其中当过程温度靠近在过程压力处限定的转变曲线时，或者当过程压力靠近在过程温度处限定的转变曲线时，诊断模块产生指示第一相和第二相的混合的诊断。

7.根据权利要求1所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，其中当过程温度在在过程压力处限定的转变曲线上或在在过程压力处限定的转变曲线的下方时，诊断模块产生指示第二相的冷凝的诊断。

8.根据权利要求1所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，其中当过程温度在在过程压力处限定的转变曲线上或在在过程压力处限定的转变曲线的上方时，诊断模块产生指示第一相的蒸发的诊断。

9.根据权利要求1所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，其中当过程压力或过程温度处于转变曲线的临界点上或临界点上方时，诊断模块产生指示流体流中的二阶转变的诊断。

10.根据权利要求1所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，其中当过程温度大致高于或大致低于在过程压力处限定的转变曲线时，诊断模块产生指示温度传感器中的误差的诊断。

11.根据权利要求1所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的系统，其中当过程压力大致高于或大致低于在过程温度处限定的转变曲线时，诊断模块产生指示过程压力传感器中的误差的诊断。

12.一种用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，包括下述步骤：

感测沿着流体流的压力差，其中所述流体流的流体特性具有液相和沿着转变曲线与液相分开的汽相；

感测所述流体流的过程压力；

感测所述流体流的过程温度；

基于压力差、过程压力和过程温度确定所述流体流的流量；和

基于过程压力和过程温度产生作为与转变曲线相比较的诊断，其中产生诊断包括：

表征过程流动的相位；和

指示相变的可能性；

产生包括流量和诊断的输出；和

将输出传输到数字控制系统。

13.根据权利要求12所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，其中所述诊断指示液相和汽相之间的转变。

14.根据权利要求12所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，还包括基于过程压力和过程温度确定流体密度的步骤，并且其中所述诊断基于所述流体密度指示过程压力传感器或温度传感器中的误差。

15.根据权利要求12所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，其中当过程温度大致在在过程压力处限定的转变曲线的上方或下方时，所述诊断指示温度传感器中的误差。

16.根据权利要求12所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，其中当过程压力大致在在过程温度处限定的转变曲线的上方或下方时，所述诊断指示过程压力传感器中的误差。

17.根据权利要求12所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，其中当过程压力和过程温度接近转变曲线时，所述诊断指示多相流体流。

18.根据权利要求12所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，其中当过程温度在在过程压力处限定的转变曲线上的冷凝点处或下方时，所述诊断指示从汽相到液相的冷凝。

19.根据权利要求12所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，其中当过程温度在在过程压力处限定的转变曲线上的蒸发点处或上方时，所述诊断指示液相的蒸发。

20.根据权利要求12所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，其中当过程温度在在过程压力处限定的转变曲线上的凝固点处或下方时，所述诊断指示液相的凝固。

21.根据权利要求12所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，其中当过程温度在在过程压力处限定的转变曲线上的升华点处或下方时，所述诊断指示汽相的沉积。

22.根据权利要求12所述的用于采用基于相位诊断的流体流测量的方法，其中当过程压力或过程温度在转变曲线上的临界点处或上方时，所述诊断指示二阶转变。

23.一种变送器，包括：

压力差传感器，用于感测流体流中的流动限制装置上的压力差，其中所述流体流的流体特性具有液相和沿着饱和线与液相分开的汽相；

过程压力传感器，用于感测所述流体流的过程压力；

温度传感器，用于感测所述流体流的过程温度；

微处理器，用于基于过程压力和过程温度确定流体密度，并用于基于压力差和流体密度确定流量；和

诊断模块，用于基于过程压力和过程温度产生作为与饱和线比较的诊断；其中该诊断与所述流体流的流体特性相关，表征过程流动的相位，并且包括相变的可能性的指示。

24.根据权利要求23所述的变送器，其中诊断模块产生指示所述流体流中的相变的诊断。

25.根据权利要求23所述的变送器，其中当过程温度大致在在过程压力处限定的转变曲线的上方或下方时，诊断模块产生指示温度传感器中的误差的诊断。

26.根据权利要求23所述的变送器，其中当过程压力大致在在过程温度处限定的转变曲线的上方或下方时，诊断模块产生指示过程压力传感器中的误差的诊断。

27.根据权利要求23所述的变送器，其中当过程温度在在过程压力处限定的饱和线上或下方时，诊断模块产生指示从汽相至液相的冷凝。

28.根据权利要求23所述的变送器，其中当过程压力接近在过程温度处限定的饱和线时，或者当过程温度接近在过程压力处限定的饱和线时，诊断模块产生指示所述流体流中的多相含量的诊断。