CN102654410B - 基于差压的流量测量 - Google Patents

Abstract

本申请涉及基于差压的流量测量。一种用于在工业过程中测量经过过程管道的过程流体的流量的系统，包括过程管道中的流量限制元件。第一差压变送器被配置为：测量响应于过程流体的流量的所述流量限制元件上的第一差压。第二差压变送器被配置为：测量所述流量限制元件上所述过程流体中的第二差压。电路基于第一差压和第二差压来执行诊断。

Description

基于差压的流量测量

技术领域

本发明涉及工业过程控制或监视系统。更具体地，本发明涉及在工业过程中测量过程流体的流量的系统。

背景技术

许多工业过程使用各种类型的流体或对其进行操作。在过程的操作期间，流体可以通过过程管道从一个位置传送至另一位置。在许多实例中，期望监视这种经过过程管道的流体的流量。该监视可以仅用于测量目的，或者可以用在控制系统中。例如，可以基于所测量的过程流体的流量的量来对阀门(valve)进行控制。

过程变量变送器用于测量工业过程的过程变量。一种这样的过程变量是以上讨论的过程流体的流量。可以使用各种技术来测量这种流量。一种这样的技术基于置于过程管道中的限制元件上展现(develop)的差压来测量流量。差压可以由差压变送器测量并用于计算过程流体的流量。如Richard Steven的、名称为“IMPROVEMENTS IN OR RELATING TOFLOW METERING”、国际申请日为2006年8月29日的WO2008/025935中所描述，置于流中的限制元件使得各种压力得以展现。

发明内容

一种用于在工业过程中测量经过过程管道的过程流体的流量的系统，包括过程管道中的流量限制元件。第一差压变送器被配置为：测量响应于过程流体的流动而在所述流量限制元件上出现的第一压降。第二差压变送器被配置为：测量穿过所述流量限制元件的过程流体中的第二差压。电路基于第一差压和第二差压来执行诊断。

附图说明

图1A是具有限制和所得到的压差的流管的简化示意图。

图1B是针对图1A所示的配置，压力相对于位置的曲线图。

图2是示出了与过程管道耦合的两个差压变送器的图。

图3是示出了图2的压力变送器的简化框图。

具体实施方式

本发明涉及基于在置于过程管道中的限制元件上产生的差压来测量经过过程管道的流量。

如以下更详细讨论的，该限制元件产生多个不同的差压。一个差压(被称作“传统”差压(ΔP_t))是在该限制元件上直接测量的差压。恢复压力(ΔP_r)是该限制元件处的最小压力与最大下行流压力之间产生的差压。永久压力损失(ΔP_PPL)是从该限制元件的上行流和压力已完全恢复的位置下行流测量的差压。

在传统的差流量测量应用中，在基本元件(限制元件，例如孔板、调节孔、文丘里管或V锥等)上安装差压变送器。流体的流速与传统差压(ΔP_t)的平方根成比例。此外，可以测量温度和绝对压力以动态地计算过程流体的密度。所计算出的密度可以用于基于过程流体密度的改变来补偿质量流量测量。

已经在差过程变量变送器中实现各种诊断技术。与差过程流量测量相关的许多技术基于监视所检测到的压力的统计变化，以便识别与将差压变送器耦合至过程流体的“引压管(impulse line)”相关联的问题。例如，如果引压管中的一条或两条变为被塞住，则可以检测到差压信号的标准差的改变。然而，对被塞住的引压管的精确检测还通常取决于其他因素，例如流速、孔板Beta比、困在引压管中的气体的量，等等。

如在Richard Steven的、名称为“IMPROVEMENTS IN ORRELATING TO FLOW METERING”、国际申请日为2006年8月29日的WO2008/025935中以及在2008年10月21至24日的第26届国际北海测量工作研讨会上提出的Diagnostic Methodology for Generic DifferentialPressure Flow meters中讨论的，“基本元件”在流动的过程流体中产生多个差压。三个独特的可用差压测量包括：传统压降(ΔP_t)、恢复后的压力(ΔP_r)和永久压力损失(ΔP_PPL)。图1A和1B示出了由于过程管道的横截面视图(图1A)和沿过程管道的压力相对于位置的曲线图(图1B)所示的基本元件而由流柱(flow post)产生的三个差压。尽管基本元件被示作文丘里管，但是可以将这里讨论的方法应用于任何基本元件。

如图1B的曲线图所示，如果已知任何两个差压，则可以基于以下关系来计算第三个差压：

ΔP_t＝ΔP_r+ΔP_PPL 等式1

可以使用如下三个DP测量中的任一个来计算流体的质量流速：

${\stackrel{\·}{m}}_t={\mathrm{EA}}_{t}K\sqrt{2\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\Δ}{P}_t}$ 等式2

${\stackrel{\·}{m}}_r={\mathrm{EA}}_t{K}_r\sqrt{2\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\Δ}{P}_r}$ 等式3

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{PPL}}=A_i{K}_{\mathrm{PPL}}\sqrt{2\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{PPL}}}$ 等式4

其中：

E＝离开速度( 其中β是喉道(throat)的横截面积与管道的横截面积之比)

A_t＝喉道的横截面积

A_i＝管道的横截面积

K＝传统流量计系数

K_r＝扩展流量系数

K_PPL＝PPL流量系数

ρ＝流体的密度

ΔP_t、ΔP_PPL和ΔP_r均是相关的并可以用于精确测量过程流体的流量。已知，在正常操作期间，根据这些差压测量中的每一个而计算出的质量流量应当在任何不确定的测量内近似相等。然而，如果在过程中存在异常情况，则三个质量流量读数将彼此有显著区别。已知，通过监视这三个质量流量计算，可以在所定义的阈值内识别这种区别，并且这种区别可以用于提供在系统中指示某种类型的问题或故障的诊断。已经描述，这些区别可以用于检测被塞住的压力端口、不正确的差压变送器读数、变形的或磨损的孔板或者对基本元件的部分阻挡。这些诊断不能够确定故障的准确来源。

图2是包括用于测量经过过程管道106的过程流体104的流量的系统102在内的工业过程100的简化图。系统102包括管道106中承载的阻碍过程流体104的流量的孔板110。第一(或传统)差压变送器通过脉冲管道122和124耦合至管道106。第一压力变送器120被配置为如上所述测量ΔP_t。第二差压变送器130被布置为测量永久压力损失(ΔP_PPL)并通过脉冲管道122和132耦合至过程管道106。在图2所示的实施例中，变送器120和130被示出为通过本地数据总线140进行通信，而且变送器130通过双线过程控制环144耦合至控制室142。双线过程控制环144可以被配置为给变送器130和/或120供电以及承载信息。示例双线过程控制环包括根据通信协议或诸如FieldBus协议之类的其他协议进行操作的过程控制环。在这些配置中，可以将控制室142建模为电源150和电阻152。其他类型的过程控制环包括无线通信环，在该无线通信环中，在现场设备和/或诸如控制室142之类的中央位置之间以无线方式共享数据。在这些配置中，变送器120或130均不连接至控制环144。在其他配置中，变送器120、122中的一个或两个通过有线或无线连接而连接至控制环144。本地数据连接140自身可以包括过程控制环，或者可以包括其他类型的数据通信连接(如控制域网络(CAN)总线、基于数字通信的数据总线或其他技术)，并且可以是有线或无线连接。

图3是示意了差压变送器120和130的简化框图。如图3所示，差压变送器120通过脉冲管道122耦合至压力P₁(见图1A)并通过脉冲导管124耦合至压力P_t。差压传感器200耦合至脉冲管道122和124，并被配置为提供与压差P₁和P_t相关的测量电路202的输入。压力传感器200可以根据任何适当的感测技术，并可以由多于一个压力传感器形成。测量电路202向微处理器(或微控制器)204提供输出，该输出指示所测量的差压(ΔP_t)。微处理器204根据存储器206中存储的指令进行操作，并耦合至本地输入/输出电路210。如以上所讨论，本地I/O电路210可以根据任何技术，并被配置为与第二差压变送器130进行通信。该通信是通过本地数据总线140进行的。第二差压变送器130被示意为包括大部分相似的组件。差压传感器230耦合至脉冲管道122和132以测量P₁与P_d(见图1A)之间的差压。差压传感器230耦合至测量电路232，该测量电路232向微处理器(或微控制器)234提供差压输出。微处理器234根据存储器238中存储的指令进行操作，并使用本地输入/输出电路240与第一过程差压变量变送器120进行通信。此外，第二差变送器130包括用于通过过程控制环144进行通信的环输入/输出电路241。该通信可以与过程控制室142或其他现场设备进行，并且可以是有线的或无线的。

图2和3所示的配置仅用于示意目的。例如，两个差压变送器可以使用其他装置或配置进行通信。该通信可以仅去往中心室(如控制室142)或者可以在其他现场设备之间进行。该通信可以是有线的或无线的或者任意组合。在完全无线的组合中，可以使用诸如网状网络之类的无线通信协议来形成本地连接140。类似地，通信链路140可以包括有线过程控制环。

如以上所讨论，已经使用了基本元件处的三个不同的差压测量(ΔP_t、ΔP_r和ΔP_PPL)。这可以用于三个不同的质量流量计算( 和 )。然而，由于差压测量以如下方式相关：

ΔP_t＝ΔP_r+ΔP_PPL 等式5

因此仅需要两个测量，并且可以计算第三个差压并使用第三个差压来执行诊断。如现有技术中所讨论，如果入口压力或喉道压力较低，则不同的质量流量计算不再相等，而是将遵循以下关系：

${\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{PPL}}<{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_t<{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_r$ 等式6

然而，利用本发明，仅需要两个质量流量计算(如 和 )以诊断相同问题。不需要第三个质量流量计算。可以执行类似的诊断以检测其他故障，包括漂移差压测量、损坏的孔板、部分阻塞的基本元件，等等。

可以在差压变送器120或130内本地执行诊断，或者可以在分离的现场设备或集中式位置(如控制室142)中执行诊断。在这种配置中，必须将压力测量提供给执行诊断的其他过程设备。

如现有技术中所讨论，定义了压力损失比(PLR)并使用PLR来提供诊断。PLR如下：

$\mathrm{PLR}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{PPL}}}{\mathrm{\&Delta;}{P}_t}$ 等式7

通过定义以下常量：

α_t＝E²A_t ²K² 等式8

α_PPL＝A_i ²K_PPL ² 等式9

可以以抛物线形式将两个质量流量等式重写为：

${{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_t}^2={\mathrm{\&alpha;}}_t\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{P}_t$ 等式10

${{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{PPL}}}^2={\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{PPL}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{PPL}}$ 等式11

在正常流量条件期间， 因此，可以将PLR写为：

$\mathrm{PLR}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{PPL}}}{\mathrm{\&Delta;}{P}_t}=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_t}{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{PPL}}}={\mathrm{PLR}}_0$ 等式12

这可以用于诊断系统中的问题，例如，假定流量系统中存在问题并且 ${\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_t>{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{PPL}}.$ 这得出：

${{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_t}^2>{{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_{\mathrm{PPL}}}^2$ 等式13

α_t·ΔP_t＞α_PPL·ΔP_PPL等式14

$\mathrm{PLR}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{PPL}}}{\mathrm{\&Delta;}{P}_t}<\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_t}{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{PPL}}}$ 等式15

如果当 时，PLR值被定义为PLR₁，那么这得出：

${\mathrm{PLR}}_1<\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_t}{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{PPL}}}={\mathrm{PLR}}_0$ 等式16

因此，显而易见，使得 的质量流量读数的改变是可以通过压力损失比(PLR)的减小来检测到的。

类似地，如果在流量系统中存在问题使得 那么这得出：

$\mathrm{PLR}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{PPL}}}{\mathrm{\&Delta;}{P}_t}<\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_t}{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{PPL}}}$ 等式17

如果该PLR值被定义为PLR₂，则可以看出：

PLR₂＞PLR₀ 等式18

因此，使得 的质量流量读数的改变是可以通过所计算出的压力损失比的增大来检测到的。

根据本发明，可以使用来自相同基本元件的两个差压测量来检测流量系统中的各种问题。质量流量计算对于诊断来说不是必要的。利用本发明，可以随时间计算和监视压力损失比。可以监视压力损失比的随时间变化(趋势)并使用该变化来识别发生了故障或正在发生故障的组件。在正常操作期间，压力损失比保持近似恒定。然而，如果系统中存在问题，则压力损失比将趋于增大或减小。这可以用于执行诊断，并且有利地，不需要执行完整的质量流量计算。这种质量流量计算需要校准来识别流量系数，例如K和K_PPL。

如果现场设备(如变送器120或130)具有可用的压力损失比，则存在若干不同的方式来监视该值以诊断流量系统的问题。例如，可以使用例如根据 数字通信协议、通过有线或无线连接进行的数字传输来使PLR值可用。PLR值还可以由变送器直接计算。可以使用诸如数字传输值、无线通信技术、适配器、网关等适当技术来监视并以任何趋势观察PLR值。可以在正常操作条件期间观察趋势值，并使用趋势值来创建高和/或低阈值警报界限。如果PLR超过这些界限，则可以将警报提供给操作者或其他设备。在另一示例中，微处理器或其他设备可以在正常操作期间“学习”PLR值。这可以在特定变送器内部或者由外部设备进行。在处于学习模式时，现场设备可以识别压力损失比的基线值。通过学习过程，可以自动或通过用户配置确定阈值。例如，可以将在学习阶段期间PLR值的标准差三倍的值设置为警报阈值。一旦建立了基线PLR和阈值，变送器或其他设备就可以进入正常监视模式。如果PLR超出阈值之一之外，则可以触发警报并将该警报提供给主机系统或其他设备。

被发送至其他现场设备或中央位置的信息可以是直接测量出的值中的任一个或者可以包括所计算出的值。例如，可以提供来自变送器120和130的各个压力测量以及所计算出的值，如 压力损失比以及警告警报。

可以使用本地数据链路来提供第一和第二差压变送器之间的数据通信，使得一个压力变送器可以将差压信息提供给第二差压变送器。这可以根据任何通信技术。在一个具体示例中，本地数据总线包括CAN(控制域网络)。

本发明可以使用除这里具体讨论以外的其他类型的现场设备和其他通信协议而实现。例如，该配置可以使用基金会现场总线通信协议而实现。在这种实施方式中，ΔP_t和ΔP_PPL变送器可以位于相同的现场总线通信段上。一个变送器可以被配置为接收来自另一变送器(例如，AI块、AO块和链路)的测量。利用附加信息，可以计算压力损失比。然后，所计算出的PLR可以被传送至主机系统或者由例如处于学习模式的现场设备在过程的正常操作期间在内部使用。如果设备检测到PLR已经超过阈值，则可以将现场设备警报提供给主机系统。还可以使用其他通信协议。在无线网状网络类型配置中，一个变送器可以被配置为监视来自另一变送器的传输以计算压力损失比。

尽管参照优选实施例描述了本发明，但是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改变。

Claims (18)

1.一种用于测量通过工业过程中的过程管道中设置的流量限制元件的过程流体的流量的系统，包括：

第一差压变送器，被配置为测量由于过程流体流过所述流量限制元件而引起的所述过程流体中的第一差压；

第二差压变送器，被配置为测量由于过程流体流过所述流量限制元件而引起的所述过程流体中的第二差压；以及

电路，被配置为基于对根据第一和第二差压而计算出的参数与阈值的比较来执行诊断,其中，所述参数是压力损失比。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一差压包括传统差压ΔP_t，所述第二差压包括永久压力损失ΔP_PPL。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路位于所述第一差压变送器中。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一差压变送器和所述第二差压变送器中的至少一个与中央位置进行通信。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述电路位于所述中央位置。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述通信是在过程控制环上提供的。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述过程控制环包括有线过程控制环。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述过程控制环包括无线过程控制环。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一差压变送器和所述第二差压变送器在无线通信链路上进行通信。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一差压包括从由传统差压ΔP_t、恢复压力ΔP_r和永久压力损失ΔP_PPL构成的差压组中选择的差压。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路被配置为在学习模式下操作。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一差压变送器还被配置为计算所述过程流体的流量。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述流量通过过程控制环而被传送至中央位置。

14.一种在流量测量系统中执行诊断的方法，所述流量测量系统被配置为测量通过工业过程中的过程管道中承载的流量限制元件的过程流体的流量，所述方法包括：

使用第一差压变送器测量所述流量限制元件上的第一差压，所述第一差压变送器通过第一和第二脉冲管道耦合至所述过程管道；

使用第二差压变送器测量所述流量限制元件上的第二差压，所述第二差压变送器通过第一和第三脉冲管道耦合至所述过程管道；以及

基于根据所测量的第一差压和所测量的第二差压而计算出的参数与阈值的比较来诊断所述流量测量系统的操作，其中，所述参数是压力损失比。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一差压和所述第二差压是从由传统差压ΔP_t、恢复压力ΔP_r和永久压力损失ΔP_PPL构成的差压组中选择的。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一差压包括传统差压ΔP_t，所述第二差压包括永久压力损失ΔP_PPL。

17.根据权利要求14所述的方法，其中：通过无线通信链路在所述第一差压变送器与所述第二差压变送器之间进行通信。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一差压包括从由传统差压ΔP_t、恢复压力ΔP_r和永久压力损失ΔP_PPL构成的差压组中选择的差压。