CN103453947A - 具有冗余传感器的压差变送器 - Google Patents

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Abstract

具有冗余传感器的压差变送器。一种用于测量通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装置，产生所述限制装置的上游一侧和所述限制装置的下游一侧之间的压差。所述压差与过程流体的流量相关。第一和第二上游压力变送器与流量限制装置的上游一侧上的过程管道相连，并且测量相应的第一和第二上游压力。第一和第二下游压力变送器与流量限制装置的下游一侧上的过程管道相连，并且测量所述过程流体的相应第一和第二下游压力。基于至少一个上游压力和一个下游压力来计算所述过程流体的流速。另外，基于至少两个压力测量来识别至少一个压力变送器的退化。

Description

具有冗余传感器的压差变送器
技术领域
本发明涉及工业过程控制以及用于测量和控制工业过程型的监测系统。更具体地，本发明涉及基于压差对工业过程中的流量测量。
背景技术
过程变量变送器用于工业过程中测量各种过程流体的过程变量。示例过程变量包括压力、温度、容器中过程流体的液面或高度、流速、pH等。这些测量可以用于监测过程的操作，并且进一步可以用作控制过程的基础。所述变送器典型地位于远程位置，并且将测量的处理变量传送至中央位置。
一种用于测量工业过程中流量的技术是基于压差。将限制元件(restrictive element)放置在流体内，例如过程管道中的小孔。这在限制(restriction)两端产生了与流速有关的压差。压差传感器可以用于测量限制元件两端的压差。可以通过变送器将这种压差与流速相关，或者可以将原始数据传送至中央位置进行处理。在另一种结构中，除了使用压差传感器之外，使用两个单独的绝对压力传感器或者计示压力传感器。然后例如使用数字电路减去两个测量的压力以确定压差。
在使用两个压力传感器来确定压差的流量测量系统中，如果压差传感器之一故障或者如果压力传感器精度显著偏移则可能引入误差。这种故障可以使得错误地控制过程，或者可能导致收集错误的数据。
发明内容
一种用于测量通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装置，产生所述限制装置的上游一侧和所述限制装置的下游一侧之间的压差。所述压差与过程流体的流量相关。第一和第二上游压力变送器与流量限制装置的上游一侧上的过程管道相连，并且测量相应的第一和第二上游压力。第一和第二下游压力变送器与流量限制装置的下游一侧上的过程管道相连，并且测量所述过程流体的相应第一和第二下游压力。基于至少一个上游压力和一个下游压力来计算所述过程流体的流速。另外，基于至少两个压力测量来识别至少一个压力变送器中的退化。
附图说明
图1是用于基于压差来测量流量的系统的简化框图。
图2是图1的压力变送器的简化框图。
图3是图2的变送器的压力传感器的侧面截面图。
具体实施方式
如在背景技术部分中所讨论的，压差是用于测量过程流体的流量的已知技术。可以使用配置用于测量压差的单独传感器来测量这种压差，或者可以使用两个压力传感器来测量这种压差。当使用两个传感器时，计算或者测量所述两个传感器之间的压力差，并且将所述压力差用于与流量相关。在一些情况下，将所述传感器暴露到特别苛刻的条件，例如高压或者极限温度。另外，这些压力传感器可以位于难以监测或服务的远程位置。例如，可能难以测量海面下位置的石油流量，并且要求压力传感器能够处理极端的管线压力，例如20Kpsi。在这种结构中，两个管线压力传感器可以是用于测量所述压差的优选技术。管线压力传感器可以配置为在高压力下操作，同时也提供比单一压差传感器更多的信息。在转让给罗斯蒙德公司的题为“用于压力变送器的伸长压力传感器(ELONGATED PRES SURE SENSOR FOR A PRES SURETRANSMITTER)”的美国专利6,089,097中说明了特别适用于在这种高压力下工作的一种压力传感器。
本发明提出了一种用于测量压差的方法和设备，同时也提供可以用于识别故障传感器的诊断信息。例如，如果压力传感器之一故障或者返回不精确的读数，流量计算将是不精确的。通过将传感器输出的各个级别进行比较或者通过观察过大的压差来实现有限的诊断。然而，这没有提供与哪个传感器故障有关的信息。本发明提出了一种用于检验测量完整并且隔离有缺陷传感器的技术。
利用本发明，使用四个绝对计示压力变送器，并且设置为冗余结构。两个变送器位于流量限制装置的高压一侧上游，并且两个变送器位于流量限制装置的低压一侧下游。
图1是工业过程控制或监测系统100的简化图，所述工业过程控制或监测系统配置用于监测通过过程管道102的过程流体的流量。限制装置(限制元件)108放置在流体中。例如，这可以包括文氏管、流量喷嘴、孔板等。当流体移动通过限制装置108时，利用限制装置的上游一侧上的高压PH和限制装置108的下游一侧上的低压PL产生了压差。在图1的结构中，四个绝对压力传感器设置用于测量四个压力。低压变送器104A包括低压传感器106A，所述低压传感器106A配置用于测量第一低压PLA。第二冗余低压变送器104B包括压力传感器106B，所述压力传感器106B设置用于测量第二低压PLB。类似地，第一高压变送器104C包括第一高压传感器106C，所述第一高压传感器106C设置用于测量PHC的第一高压片段。包括高压传感器106D在内的冗余高压变送器104D设置用于测量PHD的第二高压片段。如图1所示，这允许四个不同压差的测量。DP1是传感器106C和106A之间，DP2是传感器106D和106B之间，DP3是106D和106A之间，以及DP4是106C和106B之间。
压力变送器104A-D可以与分离的微处理器相连，所述微处理器能够执行幂级数数学运算。如果高压一侧上的两个变送器(104C和104D)以及低压一侧上的两个变送器(104A和104B)的特征在于压差，它们将提供压差测量的质量的表示。更具体地，四个不同压差测量之间的变化可以用于给出对于压差测量的质量或精度的表示。在理想情况下，压差DP1和DP2应该总是相同。然而，四个传感器(106A-D)的任一个中的偏移将导致这两个压差之间的差异。两个压差测量DP1和DP2之间的差异大小提供了在压差测量中的预期误差的表示。因此，这种差异提供了所获得的测量质量的表示。类似地，可以通过观察分别由传感器106A和106B测量的压力PLA和PLB之间的差异以及分别通过传感器106C和106D测量的压力PHC和PHD之间的差异来获得这种质量表示。另外，可以在成对的上游和下游传感器之间执行零检验(zero checks)。具体地，应该像来自变送器104C和104D的输出之间的差异那样，变送器104A和104B的输出之间的差异应该为零。
图2是绝对压力变送器104的简化图。如上所述，变送器104包括绝对压力传感器106。也可以提供附加的可选传感器200。这些传感器可以包括附加的压力传感器、温度传感器或者其他类型的传感器，所述附加的压力传感器包括压差传感器、绝对压力传感器。测量电路202配置用于接收来自所述压力传感器的输出，并且向微处理器208提供与所感测的压力有关的输出。例如，所述测量电路可以对来自传感器的信号进行放大，将所述信号转换为数字信号，补偿所述压力测量等等。微处理器208根据在存储器206中存储的指令操作，并且配置为使用输入/输出电路210通信。这种输入/输出电路可以配置为例如与另一个变送器104的本地通信，和/或可以配置为与远程位置通信。所述通信可以在通信链路212上进行，所述通信链路可以是有线的、无线的或者其组合。示例的有线通信技术包括例如根据
Figure BDA00002231157800041
通信标准工作的双线过程控制回路。也可以使用例如根据IEC62591标准的通信协议之类的无线技术。变送器104可以可选地包括用于向设备供电的内部电源214。所述内部电源可以是电池、诸如太阳能发电机热发电机、机械发电机之类的发电单元等等。在另一种结构中，从外部源提供功率，例如所述外部源可以通过通信链路212接收功率。在这些结构中，微处理器208提供根据本发明的控制器，并且可以配置为基于至少一个上游压力和至少一个下游压力来计算过程流体的流量。所述微处理器还可以配置为基于至少两个分离的压力测量来识别压力变送器104A-D的至少一个中的退化。还应该理解的是微处理器可以使用来自所有四个压力传感器的测量来计算和比较四个分离的不同压力(参见图1)，以识别所述压力传感器的至少一个中的退化。
在一个结构中，所述微处理器208能够如上所述地计算压差并且执行诊断。在另一个示例中，任意个数的单独变送器104A-D只包括配置用于发射感测的压力的基本电路。可以通过分离的设备执行实际的压差确定和/或诊断。在这种结构中，图2所示的电路可以包括这种远程压差/诊断系统。在这种结构中，不必要求压力传感器106和测量电路202。代替地，通过输入/输出电路210在通信链路212上从各个压力变送器得到单独的压力信号。
所述单独的压力传感器106可以是根据任意技术。在一个优选结构中，所述压力传感器106由诸如蓝宝石之类的易碎材料形成。例如，图3示出了由易碎材料形成的压力传感器106的结构，其包括两个二等分传感器250、252在内。在两个二等分部分250、252之间形成腔体254。当向传感器106施加压力时，腔体254的尺寸略微变形。这可以使用各种感测技术来感测这种变形。在一个示例结构中，在腔体254中承载了电容板256和258。所述板256、258之间的电容表示腔体254的变形，并且因此可以与所施加的压力相关。电连接器260为板256、258提供耦合。在题为“用于压力变送器的伸长压力传感器(ELONGATED PRESSURE SENSOR FOR APRESSURE TRANSMITTER)”的美国专利No.6,089,097中示出和描述了这种传感器。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，本领域普通技术人员应该理解的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。在一个示例中，在多于一个传感器之间类似的噪声信号可以用于对过程中的其他部件以及设备本身执行诊断。

Claims (25)

1.一种用于测量通过过程管道的过程流体的流量的设备，包括：
过程管道中的流量限制装置，产生所述限制装置的上游一侧和所述限制装置的下游一侧之间的过程流体中的压差，所述压差与所述过程流体的流量相关；
第一和第二上游压力变送器，每一个均与所述流量限制装置的上游一侧上的过程管道相连，所述第一和第二上游变送器分别测量所述过程流体的第一和第二上游压力，并且相应地传送与所测量的第一和第二上游压力有关的第一和第二上游变送器输出；
第一和第二下游压力变送器，每一个均与所述流量限制装置的下游一侧上的过程管道相连，所述第一和第二下游压力变送器测量所述过程流体的第一和第二下游压力，并且相应地传送与所测量的第一和第二下游压力有关的第一和第二下游变送器输出；
控制器，配置为基于至少一个上游压力和一个下游压力来计算所述过程流体的流量，并且还配置为基于至少两个压力测量结果来识别至少一个压力变送器中的退化。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少两个压力测量结果包括第一上游压力和第一下游压力。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少两个压力测量结果包括第一上游压力和第二下游压力。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少两个压力测量结果包括第一下游压力和第二上游压力。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少两个压力测量结果包括第二上游压力和第二下游压力。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器将使用第一和第二上游传感器以及第一和第二下游传感器计算的压差进行比较，以识别所述至少一个变送器中的退化。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述压力变送器每一个均包括通信电路，所述通信电路配置用于将各个测量压力传输给所述控制器。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述控制器位于至少一个压力变送器内。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述控制器位于远程位置。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述通信电路配置用于无线通信。
11.根据权利要求7所述的设备，其中所述通信电路配置用于有线通信。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器配置为在测量的第一上游压力和测量的第二上游压力之间执行零检验。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器配置为在测量的第一下游压力和测量的第二下游压力之间执行零检验。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述压力变送器包括压力传感器，所述压力传感器配置为直接暴露到所述过程流体。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述压力变送器包括由易碎材料形成的压力传感器，所述压力传感器中形成有腔体，其中所述腔体对于所施加的压力做出响应。
16.根据权利要求1所述的设备，其中至少一个压力变送器包括附加传感器。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述附加传感器包括温度传感器。
18.根据权利要求7所述的设备，其中所述压力变送器的功率由所述通信电路提供。
19.一种用于测量通过过程管道的过程流体的流量的方法，包括：
提供过程管道中的流量限制装置，产生所述限制装置的上游一侧和所述限制装置的下游一侧之间的过程流体中的压差，所述压差与过程流体的流量相关；
使用第一和第二上游压力变送器测量过程流体的第一和第二上游压力，所述第一和第二上游压力变送器每一个均与所述流量限制装置的上游一侧上的过程管道相连，所述第一和第二上游压力变送器分别测量所述过程流体的第一和第二上游压力，并且相应地传送与所测量的第一和第二上游压力有关的第一和第二上游变送器输出；
使用第一和第二下游压力变送器测量过程流体的第一和第二下游压力，所述第一和第二下游压力变送器每一个均与所述流量限制装置的下游一侧上的过程管道相连，所述第一和第二下游压力变送器测量所述过程流体的第一和第二下游压力，并且相应地传送与所测量的第一和第二下游压力有关的第一和第二下游变送器输出；
基于至少一个上游压力和一个下游压力来计算所述过程流体的流量，并且还基于至少两个压力测量结果来识别至少一个压力变送器中的退化。
20.根据权利要求19所述的方法，其中至少两个压力测量结果包括第一上游压力和第一下游压力。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少两个压力测量结果包括第一上游压力和第二上游压力。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少两个压力测量结果包括第一下游压力和第二下游压力。
23.根据权利要求19所述的方法，包括在测量的第一上游压力和测量的第二上游压力之间执行零检验。
24.根据权利要求19所述的方法，包括在测量的第一下游压力和测量的第二下游压力之间执行零检验。
25.一种用于测量通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装置，产生所述限制装置的上游一侧和所述限制装置的下游一侧之间的过程流体中的压差，所述压差与所述过程流体的流量相关；
第一和第二上游压力传感器，每一个均与所述流量限制装置的上游一侧上的过程管道相连，所述第一和第二上游传感器分别测量所述过程流体的第一和第二上游压力，并且相应地输出与所测量的第一和第二上游压力有关的第一和第二上游传感器输出；
第一和第二下游压力传感器，每一个均与所述流量限制装置的下游一侧上的过程管道相连，所述第一和第二下游压力传感器测量所述过程流体的第一和第二下游压力，并且相应地输出与所测量的第一和第二下游压力有关的第一和第二下游传感器输出；
控制器，配置为基于至少一个上游压力和一个下游压力来计算所述过程流体的流量，并且还配置为基于至少两个压力测量结果来识别至少一个压力传感器中的退化。
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