CN102405446B - 具有测量精度报告的现场设备 - Google Patents

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Abstract

现场设备[10]包括用于感测过程参数的传感器[12]，用于依据感测到的过程参数产生测量值的处理器[16]，以及用于基于测量值传输输出的通信接口[26]。处理器[16]还计算与测量值相关联的测量精度值。

Description

具有测量精度报告的现场设备
技术领域
本发明总体上涉及用于工业过程控制系统的现场设备。更具体地，本发明涉及能够提供测量值和测量精度值的现场设备，测量值表示测量的过程参数，测量精度值表示过程参数的测量不确定性。
背景技术
现场设备包括范围广泛的过程管理设备，过程管理设备被设计为测量和控制诸如压力、温度、流率、液面、传导性和PH之类的过程参数例如。这些设备在多种工业中具有广泛的应用，所述应用包括制造、烃加工、水力压裂、其它液态烃提取技术、散装(bulk)流体处理、食物和饮料准备、水和空气分配、环境控制、以及用于制药、胶合剂、树脂、薄膜和热塑的精密制造应用。
现场设备包括过程变送器(被配置为测量或感测过程参数)和过程控制器(被配置为修改或控制这样的参数以获得目标值)。更通用的现场设备包括诸如压力/温度变送器之类的多传感器变送器以及具有传感器和控制功能的集成控制器。这些通用设备包括集成流量控制器和静压式油罐计量系统，所述这些通用设备对大量相关的过程压力、温度、流体液面和流率进行测量和调整。
流量计和关联的变送器在流体处理中充当了重要的角色，它们采用了大量不同的技术。这些流量计和关联的变送器包括但不限于，涡轮流量计、差压传感器、质量流量计、涡流或科里奥利流量计、以及磁流量计，所述涡轮流量计依据机械传动表征流量，所述差压传感器依据压力表征流量，所述质量流量计依据热传导性表征流量，所述涡流或科里奥利流量计根据振动效应(vibrational effect)表征流量，所述磁流量计依赖于过程流体(例如，包括离子的水)的传导性和在流体流经磁场区域时施加于流体之上电动势。
常常期望对过程控制回路进行检查或诊断，以对控制回路中的每个现场设备的操作和性能进行验证。更具体地，期望对远离控制室的每个变送器的性能进行验证，而不用在对控制回路执行侵入式(invasiVe)过程，或以物理方式将变送器从控制回路和工业过程控制系统中去除。目前，诊断能力限于获取仅与控制回路性能和变送器电子设备相关的信息。例如，控制室能够发起起源于变送器电子设备的测试信号，并且将测试信号在整个控制回路中传送。控制室(知道发起的测试信号的幅度和质量)可以适当地响应于测试信号而验证这个控制回路和变送器。从而控制室模仿传感器的输出，并响应于真实传感器输出检查电子设备和控制回路。但是，控制回路不能验证受外部影响和时间影响的传感器的功能性。例如，如果传感器没有被损坏，并且产生了有效的压力信号，则不能验证所模仿的测试信号。
通常存储对现场设备进行的测量加以表示的数据，使得稍后可以查看这些数据。例如，可以使用将纸图表来示出依据时间的一个或多个过程参数。也可以使已编译数据可用于政府监管团体或商业团队(例如，公益公司、日用品消费者、政府机构监管的化学用品制造商以及机构(例如食品和药品管理局和环境保护机构)监管的客户)。然而，在进行测量时，已编译数据不表示变送器的精度。
在性能方面，一般地，工程师和买方基于现场设备的公开参考精度来选择现场设备(例如过程变送器)。当安装现场设备时，来自现场设备的测量值精度除了参考精度之外还依赖于多个因素。这些因素可以包括与现场设备相关联的误差和与基本元件(例如，孔板或非流线形体)相关的误差，所述基本元件用于创建由现场设备感测的可测量信号。这些误差可以由温度效应、管线压力效应、长期漂移和影响校准的越界的(例如超压)暴露引起。
结果，当现场设备在服务中时，不知道实际操作精度。虽然过程应该具有与过程参数的测量相关的所需性能(或可允许的误差)，但是，在任何指定时间都很难确定现场设备是否在那些限制下工作。
发明内容
现场设备包括用于感测过程参数的传感器、用于依据感测到的过程参数产生测量值的处理器、以及用于基于测量值发送输出的通信接口。处理器还计算与测量值相关联的测量精度值。
在一个实施例中，测量精度值包括总概率误差和稳定性误差。处理器将测量精度值与存储的所需性能限制相比较，并且通信接口提供测量精度值是否在所需性能限制内的指示。
附图说明
图1是现场设备的框图，所述现场设备能够实时计算总概率误差和稳定性误差，并且基于计算报告测量精度值，作为实际操作精度的指示。
图2是示出了现场设备对总概率误差和稳定性误差进行计算的流程图。
具体实施方式
图1是示出了现场设备10的框图，所述现场设备10包括过程传感器模块12、信号处理电路14、中央处理单元(CPU)16、非易失性存储器18、随机访问存储器(RAM)20、温度传感器22、时间参考电路24、通信接口26、调压器28和终端模块30。现场设备10在终端模块30处与通信介质32相连。通信介质32可以是双线式双绞线，所述双线式双绞线能够承载对感测到的过程参数加以表示的4到20毫安的模拟电流，以及例如使用HART通信协议的数字通信。备选地，通信介质32可以是通信总线，可以在所述通信介质32上使用诸如Foundation现场总线之类的通信协议来提供双向数字通信。通信还可以通过诸如无线HART之类的无线通信协议来提供。
过程传感器模块12感测过程参数(或过程变量)，并且向信号处理电路14提供传感器信号。例如，过程参数可以是差压、计示(gage)压、绝对压力、温度、流率、液位、传导性、PH或其它感兴趣的过程参数。在一些情况下，过程传感器模块12可以包括对多个过程参数进行感测的多个传感器。
典型地，信号处理电路14包括模数转换电路以及滤波和其它信号处理，以将传感器信号置为CPU 16可以使用的格式。例如，信号处理电路14可以包括一个或多个西格玛-德尔塔模数转换器和数字滤波器，以向CPU 16提供数字化和滤波的传感器信号。
CPU 16协调现场设备10的操作。CPU 16处理接收到的数据；接收和存储过程传感器模块和信号处理电路14产生的传感器信号；并且产生通过通信接口26和终端模块30提供到通信介质32上的测量值。测量值表示由过程传感器模块12感测的过程参数值。此外，CPU 16使用来自温度传感器22的温度数据和来自时间参考电路24的时间参考连同存储在非易失性存储器18中的系数，以计算测量精度值，例如与测量值相关联的总概率误差(TPE)和稳定性误差(SE)。基于从控制室接收到的请求，可以在通信介质32之上报告总概率误差或稳定性误差，或将总概率误差或稳定性误差在每次通信时作为次变量进行通信。此外，CPU 16可以将另一测量精度值、总计算误差(表示总概率误差与稳定性误差之和)与存储在非易失性存储器18中的所需性能限制进行比较。如果总计算误差超过了所需性能，那么CPU 16可以产生警报或警告，并且在通信介质32之上传输该警报或警告。确定是否产生警报或警告可以是存储在非易失性存储器18中的用户选择。
CPU 16也可以监测传感器信号，以确定是否发生了影响测量不确定性的越界条件。例如，将压力传感器暴露在高过压条件下会影响校准，从而使得可以比普通期望更早地需要再次对现场设备10的进行校准。
典型地，CPU 16是具有关联存储器(例如非易失性存储器18和RAM20)的微处理器。也可以将其它形式的存储器(例如闪存)与CPU16连同使用。
非易失性存储器18存储由CPU16使用的应用程序设计，所述应用程序设计包括执行诊断例程以确定精度所需的设计。非易失性存储器18对在总概率误差和稳定性误差的计算中所使用的系数和常量以及所需性能限制进行存储。此外，非易失性存储器18还对配置数据、校准数据和CPU 16所需的其它信息进行存储，以控制现场设备10的操作。
温度传感器22感测现场设备10外壳内的温度。CPU 16使用温度传感器22感测的温度来确定温度效应，所述温度效应是总概率误差的分量。
时间参考24提供在稳定性误差的计算中使用的操作时间参考。时间参考24可以提供实时时钟值，或可以提供时间参考值，所述时间参考值表示自现场设备10的最后校准以后的时间或自安装完现场设备以后的时间(服务寿命)。
通信接口26用作与通信介质32形成的回路或网络的现场设备10的接口。通信接口26可以基于从CPU 16接收到的数据提供模拟输出和数字输出。通信接口26还从通信介质32接收消息，并且向CPU 16提供这些消息。
调压器28与终端模块30相连，并且获取用于向现场设备10所有组件供电的稳定电压。在图1示出的实施例中，现场设备10通过有线通信介质发送和接收信息，还从通信介质32接收电力。在其它实施例中，现场设备10可以是无线现场设备，在这种情况下，可以通过与现场设备10相关联的电池或能量提取(scavenging)设备，或从不承载通信的有线功率总线提供向调压器28提供电力。在这种情况下，通信接口26包括无线收发机。
可以周期性地或响应于特定事件(例如每次新测量值为可用时)，对与来自现场设备10的测量值相关联的测量精度值进行计算。CPU 16使用存储在非易失性存储器18中的系数来计算总概率误差TPE和稳定性误差SE。在制造的时候，可以在CPU 16的ROM中硬编码这些系数，或者可以将这些系数加载到非易失性存储器18中。
现场设备10的总概率误差(TPET)可以表示为：
TPE T = ( Rf . Acc ) 2 + ( Temp . Effect ) 2 + ( Static . Effect ) 2 方程1
Rf.Acc是现场设备的参考精度。参考精度是存储在非易失性存储器中的传感器特定值，所述传感器特定值依赖于现场设备的电流操作范围。在对现场设备10进行配置期间，可以根据存储在非易失性存储器18中的上范围界限和范围跨度来对电流操作范围进行限定。
Temp.Effect是依据现场设备的温度而变化的误差分量。温度传感器22向CPU 16提供温度值。对存储在非易失性存储器18中的系数应用温度读数，以获得误差分量Temp.Effect。
Static.Effect是与静态管线压力相关的误差分量。例如，在提供与压力或流体流量相关的测量值的现场设备中存在该误差分量。在其它类型的现场设备(例如，温度变送器)中，在对总概率误差(TPET)的计算中，并不存在该静态效应分量。对于具有多个参数感测能力(包括对静态管线压力的感测)的现场设备，可以通过将来自非易失性存储器18的所存储的系数乘以18倍所测量的静态管线压力来计算Static.Effect。对于不能感测静态管线压力的现场设备，Static.Effect可以是基于预输入的用户范围值，所述用户范围值表示期望用于现场设备的操作静态管线压力范围。典型地，在对现场设备进行配置期间，输入这个用户范围值，并且将它存储在非易失性存储器18中。备选地，如果在与现场设备10相同的网络上存在计示压力变送器，那么在网络上从计示压力变送器接收静压作为输入。
对于结合基本元件一起使用的那些现场设备，还可以进行计算以获得与基本元件相关联的总概率误差(TPEP)。在一些情况下，基本元件的总概率误差(TPEP)可以大于现场设备的总概率误差(TPET)。例如，如果现场设备10对差压进行感测，那么典型地可以将孔板形式的基本元件用于创建被感测的差压。可以使用与方程式1(包括放电系数CD)相似的方程来进行基本元件的计算TPE。与用于计算现场设备的总概率误差TPET的那些系数相比，计算TPEP中用于Rf.Acc，Temp.Effect和Static.Effect的特定系数可以不同。
基于存储在非易失性存储器18中的稳定性误差系数以及CPU 16从时间参考24读取的自最后一次校正以后的操作时间，来计算稳定性误差(SE)。如下计算稳定性误差：
SE＝(Stability_Error_Coefficient)x(Operating_Time_since_last_calibration)
                                    方程2
可以响应于通过通信介质32接收的请求来报告现场设备的总概率误差TPET、基本元件的总概率误差TPEP和稳定性误差SE，或者可以结合每个测量值来报告现场设备的总概率误差TPET、基本元件的总概率误差TPEP和稳定性误差SE。此外，也可以计算总计算误差TCE，并将总计算误差TCE与所需性能限制进行比较，所述所需性能限制表示使用现场设备10特定过程的可接受误差。
总计算误差TCE是总概率误差和稳定性误差之和：
TCE＝TPET+TPEP+SE    方程3
在一些情况下，并不使用基本元件，或并不计算与基本元件相关联的分离的总概率误差。在这种情况下，总计算误差TCE是TPET和SE之和。
所需性能限制是用户选择的，并且可以在配置现场设备10时输入所需性能限制。所需性能限制对使用现场设备10的特定过程是特定的，并且所需性能限制可以与制造商指定的现场设备精度不同(例如没有那么严格)。
如果总计算误差大于所需性能限制，则现场设备10将提供警报或警告形式的输出。用户可以对确定是否应该产生警报或警告进行选择，其中，选择被存储在非易失性存储器中以供CPU 16使用。
当总计算误差超出所需性能限制时，需要对现场设备10进行重新校准。一旦执行了重新校准，就重置在最后一次校准以后的操作时间，进而基于重新校准，重新初始化稳定性误差SE。
也会发生另一种状况，即，即使总计算误差不超过所需性能限制，也需要重新校准。现场设备10可以暴露在影响现场设备校准的越界(例如过压)的状况下。该越界状况是现场设备特定限制，而非过程特定限制。换句话说，越界压力可以引起过程警报，但是不需要重新校准现场设备。
当超过现场设备的特定越界限制时，CPU 16产生指示需要校准的警告或警报。该警告或警报可以与用于指示由于总计算误差超过所需性能限制而需要校准的警报或警告相同。
除了可以传输警报或警告之外，CPU 16还可以使通信接口26发送消息，所述消息指示所估计的到下一次校准的小时数。可以基于总计算误差与所需性能限制的比较，来估计到下一次校准的小时数。
在一些实施例中，现场设备10还可以包括本地显示器40(在图1中示出)。在本地显示器40上呈现的信息可以包括总计算误差、现场设备或基本元件(或两者)的总概率误差、稳定性误差和到下一次校准的小时数。本地显示器40还可以包括条状图和提供到下一次校准倒计时的指示器。这个倒计时可以基于总计算误差与所需性能限制的比较。本地显示器40还可以包括对越界状况的指示，所述越界状况需要立即对现场设备进行重新校准。
图2是示出了精度诊断100的一个实施例的流程图，所述精度诊断100由CPU 16执行以计算总概率误差、稳定性误差和总计算误差的测量精度值。精度诊断100周期性启动，或由于特定事件(例如，计算新测量值)而启动(步骤102)。
CPU 16获取现场设备10的上范围限制和现场设备10的范围跨度(步骤104)。上范围限制和范围跨度是存储在非易失性存储器18中的值，并且在制造时或在现场设备配置期间输入。
然后，CPU 16从非易失性存储器18获取标称误差(步骤106)。被存储的标称误差包括参考精度(Rf.Acc)系数、温度效应(Temp.Effect)系数、静压效应(Static.Effect)系数和稳定性误差(SE)系数。这些系数将被用于计算总概率误差和稳定性误差。
然后，CPU 16从温度传感器22获取温度值(步骤108)。温度值表示现场设备10的内部温度。温度值将被用于计算现场设备的总概率误差(TPET)的温度效应(Temp.Effect)分量。
然后，CPU 16获取可以是值或范围的静压(步骤110)。静压可以是来自传感器12中一个传感器的测量值，或来自对静态管线压力进行测量的另一变送器的值、或者用户配置现场设备10期间的范围集合。
然后，CPU 16计算总概率误差(步骤112)。在这个计算中，CPU 16使用不易变系数，例如，参考精度系数、温度效应系数、以及连同静压效应系数、静压、上范围限制和范围跨度的温度测量。在一些实施例中，不存在静态效应(例如，当现场设备10是温度变送器时)。如果结合现场设备10使用基本元件，则CPU 16进行两次计算，以计算现场设备的总概率误差TPET和基本元件的总概率误差TPEP。
然后，CPU 16从时间参考24获取操作时间(步骤114)。CPU 16于是使用从非易失性存储器18接收到的稳定性误差系数和自最后一次校准以后的总操作时间，来计算稳定性误差(SE)(步骤116)。
计算了总概率误差和稳定性误差，CPU 16然后将总概率误差和稳定性误差相加以获得总计算误差TCE。CPU 16然后将TCE与所需性能限制RPL进行比较(步骤118)。如果TCE大于所需性能限制，则CPU 16就产生警告或警报(步骤120)。确定产生警告还是产生警报依赖于存储在非易失性存储器18中的用户选择。
如果TCE小于或等于所需性能限制，则CPU 16确定是否发生了需要重新校准的越界(例如过压或过热温度)状况(步骤122)。如果发生了越界状况，则产生警告或警报(步骤120)。如果还没有发生越界，或者如果还没有产生警告或警报，则精度诊断100结束(步骤124)。
通过对总概率误差和稳定性误差的实时计算，现场设备10能够结合现场设备10提供的测量值来提供测量精度值，作为对现场设备的实时操作精度的指示。现场设备10能够动态地计算与实际过程变量相比较的传感器误差。因此，过程的操作者不仅可以对测量是否指示过程在所描述的限制内进行评估，还可以对进行测量的现场设备是否在所需性能限制内操作进行评估。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但本领域普通技术人员应认识到，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的改变。

Claims (22)

1.一种现场设备，包括：
传感器，用于感测过程参数；
处理器，用于根据感测到的过程参数产生测量值，并且用于基于存储的系数以及与现场设备的操作条件相关的数据来计算测量值的测量精度值，所述测量精度值包括现场设备的总概率误差和稳定性误差，所述总概率误差基于存储的传感器参考精度、与现场设备的温度相关的温度效应和与静态管线压力相关的静态效应，所述稳定性误差基于稳定性误差系数和时间参考，并且时间参考表示自现场设备的最后校准以后的时间；以及
通信接口，用于发送基于测量值的现场设备测量输出以及基于测量精度值的诊断输出。
2.如权利要求1所述的现场设备，其中，诊断输出依据测量精度值与存储的所需性能限制之间的比较。
3.如权利要求1所述的现场设备，其中，诊断输出提供需要对现场设备进行校准的指示。
4.如权利要求3所述的现场设备，其中，处理器对传感器感测到的越界过程参数的出现进行识别，并且使诊断输出提供需要对现场设备进行校准的指示。
5.如权利要求4所述的现场设备，其中，越界过程参数是过压。
6.如权利要求1所述的现场设备，其中，诊断输出提供对需要校准现场设备之前经过的时间的指示。
7.如权利要求1所述的现场设备，还包括：
本地显示器，用于基于测量精度值来显示信息。
8.如权利要求7所述的现场设备，其中，本地显示器对包括现场设备总概率误差、与现场设备相关联的基本元件的总概率误差、稳定性误差以及总计算误差中的至少一个的信息进行显示。
9.如权利要求7所述的现场设备，其中，本地显示器对到现场设备下一次校准的倒计时进行显示。
10.如权利要求7所述的现场设备，其中，处理器对传感器感测到的越界过程参数的出现进行识别，并且使本地显示器显示需要对现场设备进行校准的指示。
11.如权利要求10所述的现场设备，其中，越界过程参数是过压。
12.如权利要求11所述的现场设备，其中，处理器基于存储的传感器参考精度以及与现场设备的温度相关的温度效应来计算总概率误差。
13.如权利要求12所述的现场设备，其中，过程参数是压力，并且处理器基于存储的参考精度、温度效应、以及与静态管线压力相关的静态效应来计算总概率误差。
14.如权利要求11所述的现场设备，其中，测量精度值还包括与现场设备相关联的基本元件的总概率误差。
15.如权利要求14所述的现场设备，其中，处理器基于存储的传感器参考精度以及与现场设备温度相关的温度效应，来计算基本元件的总概率误差。
16.如权利要求15所述的现场设备，其中，过程参数是压力，并且处理器基于存储的参考精度、温度效应、以及与静态管线压力相关的静态效应，来计算基本元件的总概率误差。
17.如权利要求1所述的现场设备，其中，将诊断输出作为每次传输测量值时的次变量来传输。
18.一种测量过程参数的方法，所述方法包括：
经由现场设备的过程传感器感测过程参数；
在现场设备处产生对感测到的过程参数加以表示的测量值；
基于所述测量值来提供测量输出；
基于存储的系数以及与现场设备的操作条件相关的数据来计算测量精度值，所述测量精度值包括现场设备的总概率误差和稳定性误差，所述总概率误差基于存储的传感器参考精度、与现场设备的温度相关的温度效应和与静态管线压力相关的静态效应，所述稳定性误差基于稳定性误差系数和时间参考，并且时间参考表示自现场设备的最后校准以后的时间；以及
基于测量精度值来提供测量精度诊断输出。
19.如权利要求18所述的方法，其中，提供测量精度诊断输出包括：
将测量精度值与所需性能限制进行比较；以及
根据所述比较产生测量精度诊断输出。
20.如权利要求18所述的方法，还包括：
对影响校准的任何越界条件的出现进行感测；以及
当感测到越界条件时，使测量精度诊断输出指示需要校准。
21.如权利要求20所述的方法，其中，测量值是压力值，并且越界条件是过压条件。
22.如权利要求18所述的方法，其中，测量精度诊断输出包括与测量输出一起传输的次变量。
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