CN105068565A - 具有快速响应流量计算的多变量流体流量测量设备 - Google Patents

Abstract

一种过程流体流量设备(12)包括过程通信电路(20)、处理器(26)和测量电路(28)。过程通信电路(20)配置为与至少一个附加过程设备通信。处理器(26)耦接至过程通信电路，并配置为执行提供多个周期的指令，其中每个周期包括多个流量相关计算。测量电路(28)可操作地可耦接至多个过程变量传感器，以获得每个周期期间对差压的指示，并获得静压和过程流体温度。处理器(26)配置为使用当前的差压传感器指示以及在先前周期期间计算的至少一个流量相关值，来计算过程流体流量值。过程通信电路(20)将所计算的过程流体流量值通信至所述至少一个附加过程设备。

Description

具有快速响应流量计算的多变量流体流量测量设备

分案申请说明

本申请是优先权日为2008年10月27日、申请日为2009年10月27日、申请号为200980142721.3(国际申请号PCT/US2009/062177)、题为“具有快速响应流量计算的多变量流体流量测量设备”的发明专利申请的分案申请。

背景技术

在工业设置中，控制系统用于监视和控制工业和化学过程等的存量。典型地，控制系统使用在工业过程中关键位置处分布的现场设备来执行这些功能，工业过程通过过程控制回路耦接至控制室中的控制电路。术语“现场设备”指的是在测量、控制和监视工业过程时使用的分布式控制或过程监视系统中执行功能的任何设备。典型地，现场设备的特征在于它们能够在户外运行很长一段时间(例如，若干年)的能力。因此，现场设备能够工作在多种气候极端情况下，包括严峻的极限温度和极限湿度。此外，现场设备能够在存在显著振动(例如来自邻近机器的振动)的情况下进行操作。此外，现场设备还可以在存在电磁干扰的情况下进行操作。

现场设备的一个示例是多变量过程流体流量设备，例如由艾默生过程控制有限公司(EmersonProcessManagement，Chanhassen，Minnesota)销售的商标为Model3051SMV的多变量变送器。多变量过程流体流量设备能够计算经过液体和气体的差分产生器的质量流量速率。

对于差分产生器，质量流量速率由以下等式给出：

$Q_m=N\×C_d\×{\mathrm{Ed}}^2\×Y_1\×\sqrt{\mathrm{\ρ}}\×\sqrt{\mathrm{\Δ}P}$ 等式1

对于该流量等式，一般接受下列命名：

Q_m＝质量流量速率(质量/时间)

Q_E＝能量流量速率(能量/时间)

Q_V＝体积流量速率(长度³/时间)

P＝静压(力/长度²)

T＝温度(度)

ΔP＝主元素上的差压(力/长度²)

N＝单位换算因子(单位变化)

C_d＝主元素排放系数(无量纲)

d＝主元素喉口直径(长度)

D＝管道直径(长度)

E＝速度渐近因子，(1/(1-(d/D)⁴)^1/2)(无量纲)

Y₁＝气体膨胀因子，对于液体，＝1.0(无量纲)

ρ＝流体密度(质量/长度³)

μ＝流体粘度(质量/长度-时间)

R_D＝管道雷诺数(无量纲)

H＝焓(能量/质量)

许多流量量值取决于其他量。例如，排放系数C_d依据雷诺数。雷诺数依据质量流量速率、流体粘度和管道直径。热膨胀效应Ed²依据温度。气体膨胀因子Y₁依据差压ΔP除以管道直径。流体密度ρ和压缩性因子Z依据静压和温度。流体粘度μ依据温度。焓H依据静压和温度。

由于流量等式的复杂性和相关关联依赖，流量速率的计算一般需要某种迭代算法。一种实现方式是使用AGAReportNo.3，Part4中概述的直接代入方法，其中记载了第一步骤是推测排放系数值。然后，基于一组静压(P)、差压(DP)和温度(T)值，来求解流量速率或雷诺数。使用得到的雷诺数，计算新的排放系数值并将其与初始推测相比较。如果该比较的结果在预定界限内，则认为所计算的新的排放系数是最终值。如果不是这种情况，则计算雷诺数的新值，随后计算新的排放系数值，并将其与先前值相比较。重复该过程，直到排放系数的相继计算的结果在预定容限内为止。然后，针对下一组压力、差压和温度值，重复这整个过程，包括初始推测。该方法的优点在于编程简单。它的主要缺陷在于达到流量方程的收敛解所需的迭代的数目可能较大。

在AGAReportNo.3中概述的备选方法是使用更加复杂的算法，例如Newton-Raphson算法。这整个方法仍然要求以初始推测开始，但是Newton-Raphson算法需要附加的计算，并且比直接代入方法收敛地更快。该方法的缺陷在于需要附加的计算。包括3095MV在内的现有多变量变送器使用上述算法的一些版本。

上述两种技术在求解得到流量输出之前都需要指定界限内的某种形式的迭代和收敛。因此，求解流量计算以及随后提供流量输出所需的总时间可以是迭代的次数。现有设备一般能够提供每400毫秒量级上的流量输出值。在控制过程流体的流量时，提供过程流体值(例如流量)中的任何延迟会给整个过程流体控制增加不稳定性或其他有害效果。因此，需要尽可能快地提供例如质量流量、体积流量和能量流量等过程流体流量值。

一般需要以有限功率预算操作的双线现场变送器来最小化计算。功率预算限制的原因在于希望过程设备可以仅仅以通过过程通信回路接收的功率来操作。电流可以小到3.6mA，电压一般也是受限的(限制到大约10伏特)。如果使用(例如根据可寻址远程传感器高速通道(HART)协议的)数字信号收发，电流实际上可以略小于3.6mA。因此，一般要求过程流体流量变送器可操作在小到30毫瓦的功率上。因此，一般方法是以计算速度和整体流量计响应为代价，使用更简单的计算算法。

发明内容

一种过程流体流量设备包括过程通信电路、处理器和测量电路。过程通信电路配置为与至少一个附加过程设备通信。处理器耦接至过程通信电路，并配置为执行提供多个周期的指令，其中每个周期包括多个流量相关计算。测量电路可操作地耦接至多个过程变量传感器，以获得每个周期期间对差压的指示，并获得静压和过程流体温度。处理器配置为使用当前的差压传感器指示以及在先前周期期间计算的至少一个流量相关值，来计算过程流体流量值。过程通信电路将所计算的过程流体流量值通信至所述至少一个附加过程设备。

附图说明

图1是本发明实施例可具体实施的过程流体流量设备的图示；

图2是本发明实施例可具体实施的过程流体流量设备的框图；

图3-7是示出了根据本发明实施例的计算过程流体流量的方法的单个流程图的各个部分。

图8a是带有斜坡的流量相对于时间的图表，示出了(根据本发明实施例)的延迟解与根据已知迭代技术的流量方程的完全解之间的输出相似性。

图8b是示出了在图8a所示实验期间本发明实施例的流量误差的图表。

具体实施方式

本发明实施例总体上来源于对过程流体变量发生改变的速率的利用。这些变量不会瞬间改变。典型地，过程流体温度变化得非常慢，静压变化地稍微快一些。差压一般变化地最快，但是仍然比商用差压传感器的响应时间慢。因此，流量速率Q和雷诺数R_D不会瞬间变化。通过使用快速的差压传感器更新速率(在该量级上或45毫秒)，提供了准确跟踪流量的流量结果。

不同于求解流量方程的先前方法，本发明实施例能够提供流量输出，而无需等待流量相关量的收敛。本文描述的实施例采用在当前测量迭代期间利用流量相关参数获得的差压测量，基于在先前迭代期间测量的温度和静压计算所述流量相关参数。因为对于多个流量相关量需要先前值，所以对于第一周期采用缺省或启动量。通过基于当前的差压传感器测量以及先前的温度和静压测量来提供流量输出计算，可以非常快速地求解流量方程。虽然第一个流量输出很可能具有最多的误差，但是能够快速求解方程的速度使得在少量测量周期内就可以使输出达到高度精确值。例如，实验已经表明了对于流量的快速斜坡输出可能产生流量的8x10^-3％的量级上的最大误差，但是该误差在几个周期内就显著减小(参见图8a)。

图1是其中本发明实施例非常有用的多变量过程流体流量设备的图示。流量设备12是多变量现场设备，其能够测量多个过程流体变量。优选地，经由歧管16测量压力，经由温度换能器18测量过程流体温度。由于耦接至例如孔板等适合的差压产生器，可以根据已知技术将在过程流体流经孔板时在孔板的相对侧面测量的压力与过程流体流量速率相关联。

图2是过程流体流量设备12的框图。设备12包括可操作地耦接至过程通信回路14的通信电路20。通信回路14典型地使用4-20mA的模拟信号，该信号用在控制系统中。通信电路20允许设备12根据适合的过程工业通信协议进行通信，协议例如可寻址远程传感器高速通道()协议、FOUNDATION^TMFieldbus协议或其他任何适合的有线或无线过程工业协议。通信电路20提供的通信允许设备12与位于现场或控制室中的其他过程设备进行通信。设备12还包括电源模块22，其优选地也是可耦接至过程通信回路14。通过耦接至过程通信回路14，设备12能够完全以通过过程通信回路接收到的功率来进行操作。然而，在一些实施例(例如无线应用)中，电源模块22可以是功率存储设备，例如电池或超级电容器，并且在这种实施例中，电源模块22不需要耦接至过程通信回路14。电源模块22配置为向设备12的所有部件提供合适的电功率，如附图标记24所示。在一些实施例中，设备12可操作在小到30毫瓦的功率上。此外，特定的低功率实施例可以将设备在睡眠模式和测量模式之间循环，以节省功率。

设备12还包括处理器26，其优选地是微处理器，可操作地耦接至通信电路20和电源模块22。微处理器26执行存储器30中存储的指令，以从测量电路28获得测量值并基于这些测量值计算信息。例如，处理器26优选地获得关于过程流体静压(P)、过程流体差压(DP)和过程流体温度(T)的测量值，并且能够提供或计算相对于流经差压产生器的过程流体的质量流量速率。

对于差压、静压和过程温度输入的更新速率可以是相同的，或者可以是不同的。因为针对差压应用用于计算流量速度的方程是直接与差压(DP)的平方根相关的，所以最重要的是尽可能快地更新DP。作为流量方程中其他项的流体特性或值的变化，静压和过程温度的变化对流量速率的影响是次要的。因为它们对流量速率的影响不是直接的，并且因为静压以及特别是过程流体温度一般比差压变化地慢，因此P和T的更新速率可以低于差压的更新速率。还可接受的是静压和过程流体温度的更新速率与差压的更新速率相同。

本发明实施例总体上提供在下一差压更新之前的流量速率的计算。一般由处理器26基于存储器30中存储的系数和软件指令，来执行具体计算和计算顺序。本发明实施例一般还针对排放系数(C_d)、流体密度(ρ)、流体粘度、流体焓、平方根函数和log₂函数这些项，有利地采用Chebychev近似。图中的括号[]指示了Chebychev曲线拟合近似，例如转让给罗斯蒙德公司(RosemountInc.)的美国专利6,643,610中记载的。使用常规的多项式来近似其他项。这些近似连同整数数学的使用是非常重要的，因为它们使用功率相对较低、复杂度相对较低的处理器26来提供对这些项的快速计算。然而，本发明实施例可应用于更加强大的处理器，如果处理器26的时钟速度足够高，只要可以在下一差压传感器更新之前完成计算，就可以使用针对多个项的完全方程。

图3-7提供了根据本发明实施例的可以提供流量速率的一种具体方法的详细描述。图3-7中多个方框的附图标记一般指示多个计算或步骤执行的顺序。

图3是根据本发明实施例的提供流量速率计算的方法50中第一步骤的图示。方法50开始于方框80，在此测量差压传感器读数。然后控制传递至方框100，具体是方框100内的方框102。在方框102，将差压传感器读数与低流量截止值(LFC)相比较，如果ΔP小于LFC，则控制沿着线104前进，这里，在方框106将ΔP_C设为等于LFC，并如方框108所示，将ΔP_C提供给方框200和300。此外，将C_L设为等于0，这将流量计算设定为0，如方框110所示。然后控制沿着线112前进至方框114。在方框114，将量C_L提供给方框1000。如果ΔP大于或等于量LFC，则控制沿着线116和方框118前进，并将ΔP_C设为等于测量的ΔP读数。然后，经由方框108将该输出提供给方框200和300。此外，将C_L设为等于1，这允许流量速率不为0，如方框120所示，并且将C_L值提供给方框1000，如在方框114所示。C_L是本发明实施例使用的低流量参数。当差压小于低流量截止值(LFC)时，C_L＝0，当差压大于或等于LFC时，C_L＝1。

参见图4，方框200和300接收由图3中方框108提供的ΔP_C输入。方框200采用曲线拟合来估计ΔP_C的平方根。然后将该平方根量提供给方框400。方框300使用ΔP_C和静压来计算量Y₁。静压一般由方框1500(在图6中示出)提供，但是在启动期间，使用缺省值{P₁}。然后在圆圈301提供Y₁作为测试输出，并且还将量Y₁提供给方框400。方框400计算K₀为Y₁、K_a和ΔP_C的平方根的乘积。K_a是本发明实施例使用的中间项。然后将K₀(也是本发明实施例使用的中间项)提供至方框1000以及方框500。方框500计算Q_m1为K₀和C_d的乘积。C_d一般从方框900接收，并且在方框500之后计算。在方框500中使用C_d的先前更新值。因此，在启动期间，由于先前值不可获得，所以对于方框500的初始计算，使用C_d的缺省值{C_d1}。将Q_m1提供给方框600，在方框600，使用曲线拟合来近似log₂(Q_m1)。由于在微处理器中使用底数为2的幂来表示浮点数，所以使用log₂。然后将该值连同来自方框1700和方框2000的输入一起提供给方框700。由于在初始启动期间，尚未执行方框1700和方框2000，所以在启动期间提供初始缺省值。方框700计算R_D的对数，并在圆圈702提供该值作为测试输出。然后在方框800，对在方框700计算的值求逆，并将其作为输入提供给方框900。方框900基于由方框800提供的输入以及曲线拟合来估计排放系数C_d。将排放系数提供回方框500，并作为至方框1000的输入以及作为在圆圈902处的测试值。方框1000计算质量流量速率Q_m为K₀、C_d和C_L的乘积。然后在圆圈1002处提供Q_m作为测试值，并作为至方框1100和1200的输入。方框1100计算能量流量速率Q_e为Q_m和H的乘积。在圆圈1202处提供Q_e作为测试值。类似地，方框1200计算体积流量速率Q_v作为Q_m和ρ的商。也在圆圈1202处提供Q_v作为测试值。稍后使用量Q_m、Q_e和Q_v，并将它们提供给累计器，这将进一步参照图5进行详细描述。

图5示出了根据本发明实施例的计算流体流量的方法的附加步骤。该方法在方框1300继续，方框1300采用分别在方框1000、1200和1100计算的值Q_m、Q_e和Q_v作为输入。如果合适，Q等同于Q_m、Q_e或Q_v。将Q的值传递至方框1400，方框1400计算N2’并将该值提供给累计器，累计器是对频率周期求和的专用电路，这里，N2’设定频率。图4和5所示的所有步骤和计算均在下一差压传感器测量更新可用之前执行和完成。参照图6和7的附加步骤和计算允许计算静压和过程温度的影响。对这些多种影响的特征化和/或补偿改进了过程流量测量的值。如上所述，对于绝对压力和过程温度的更新速率需要与差压的更新速率一样快。

图6示出了测量静压读数并提供(作为P_a)给方框1500。方框1500还接收差压传感器测量值ΔP作为输入，并计算P，然后将P提供给方框300、1600、2100和2600。方框1500中示出的C_Ann是用于对皮托管(pitot)主元素进行平均化的无量纲校正项。也获得温度传感器读数T_a，并连同图3中从方框800提供的差压ΔP一起提供给方框1600。方框1600计算C_j和T_j。C_j是以度/ΔP为单位的Joule-Thomson校正项。将来自方框1600的输出提供给方框2200、1900、1700和1800。方框1900向方框2000、2100和2600提供量1/T_j。方框1700基于d₀加上d₁和T_j(从方框1600提供的)来计算log₂(22737.47/D)。方框1700中的常数22737.47来自于使用压力单位磅/英寸psia、温度单位度F、长度单位英寸、质量流量单位磅-质量/秒、粘度单位厘泊、以及对雷诺数的表达式的特定表示。将来自方框1700的输出提供给方框700。方框1800基于来自方框1600的输入，计算NEd²。将来自方框1800的输出提供给方框2500，并且还在圆圈1802处提供作为测试值。方框2200基于曲线拟合来计算P/T_j的平方根。方框2200的输出作为输入提供至方框2300，如参照图7描述的。方框2500基于来自方框1800的输出以及由方框2300提供的ρ，计算K_a。方框2500的输出K_a提供至方框400。

图7示出了根据参照图3-6描述的实施例的多个步骤和计算。方框2100接收来自方框1900的1/T_j，作为输入，还接收来自方框1500的P。如果b₁等于0，指示了液体，则方框2100仅提供ρ的平方根至方框2300。如果b₁等于1，指示了气体，则方框2100使用P和1/T_j来计算(M/√Z)为曲线拟合近似。优选地，该近似是使用9x7个系数的Chebychev近似。将来自方框2100的输出提供给方框2300。方框2000从方框1900接收其输入，并计算log₂(1/μ)为1/T_j的曲线拟合。优选地，使用大约5个系数来执行曲线拟合。将方框2000的输出提供给方框700。方框2600估计H为从方框1500接收的P以及从方框1900接收的1/T_j的函数。优选地，使用5x5个系数的Chebychev近似来估计H。将方框2600的输出提供给方框1100。方框2300从方框2200和方框2100接收其输入，并提供ρ的平方根作为其至方框2400和2500的输出。方框2400对ρ的平方根进行平方，以提供ρ作为圆圈2402处的测试值以及作为至方框1200的输出。

图8a是带有斜坡的流量相对于时间的图表，示出了(根据本发明实施例的)延迟解与根据已知迭代技术的流量方程的完全解之间的输出相似性。虽然图8a关键示出了延迟解和完全解都是以圆圈绘制的，但是从图中明显可见，在斜坡期间所有圆圈成群地如此紧密以致无法在完全解和延迟解之间进行区分。如图8a所示，开始于稍微早于第一秒的时间处，流量在稍微晚于10秒标记的位置从10％的值斜坡上升到100％的流量值。

图8b是示出了在图8a所示实验期间本发明实施例的流量误差的图表。图8b示出了最大误差稍微小于流量的8.0x10^-3％，以及误差几乎紧随着斜坡变化的开始而发生。然而，误差快速减小，在大致2.5秒处减小到小于流量的1x10^-3。

本文描述的实施例一般允许非常快速地计算流量速率，并且不需要大量时间来等待收敛。通过使用在先前测量周期计算的流量相关值，结合当前的差压传感器读数，误差快速减小，并且流量输出非常快速地达到高度精确的值。在考虑到过程变量的响应以及传感器的采样速率时，本文公开的技术提供了显著的效率。过程变量，甚至是差压，也无法瞬间变化。传感器的响应时间也限制了能够多快读取过程变量。本发明实施例通过使用来自至少一个先前测量周期的一个或多个传感器读数，针对每个相继的读数来提供流量输出。此外，本发明实施例一般还针对排放系数(C_d)、流体密度(ρ)、流体粘度和流体焓这些项，有利地采用Chebychev近似。使用常规多项式来近似其他项。这些近似连同对整数数学的使用是重要的，因为它们使用功率相对较低、复杂度相对较低的处理器来提供对这些项的快速计算。

虽然参照优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将认识到在不背离本发明精神和范围的前提下可以进行形式和细节上的改变。

Claims (13)

1.一种过程流体流量设备，包括：

过程通信电路，可耦接至过程通信回路；

处理器，耦接至过程通信电路，并配置为执行提供多个周期的指令，其中每个周期包括多个流量相关计算；

测量电路，可操作性地耦接至多个过程变量传感器，以获得每个周期期间的差压指示、以及静压或过程流体温度中的至少一个；

其中，处理器配置为在第一周期期间，使用当前的差压传感器指示以及过程流体流量设备中存储的至少一个流量相关启动值，来计算过程流体流量值；以及

其中，处理器还配置为在后续周期期间，使用在当前测量迭代期间获得的差压传感器指示以及在先前周期期间基于在先前测量迭代期间测量的温度和静压而计算的至少一个流量相关参数，来计算过程流体流量值；

其中，过程通信电路配置为经由所述过程通信回路通信所计算的过程流体流量值。

2.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，处理器可操作性地耦接至包含多个系数的存储器，所述多个系数用于针对至少一个流量相关量的曲线拟合近似。

3.根据权利要求2所述的过程流体流量设备，其中，系数中的至少一部分是针对Chebychev曲线拟合的系数。

4.根据权利要求3所述的过程流体流量设备，其中，处理器使用浮点数学和整数数学来近似至少一个流量相关量。

5.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，处理器在计算静压之前计算过程流体流量值。

6.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，处理器配置为在获得差压指示的近似50毫秒内计算过程流体流量值。

7.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，处理器配置为在低功率睡眠模式和测量模式之前交替，以节省功率。

8.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，过程流体流量设备配置为完全基于从过程通信回路接收的功率来进行操作。

9.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，过程流体流量设备能够操作在30毫瓦。

10.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，差压更新速率高于过程流体温度更新速率。

11.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，过程流体流量值是过程流体质量流量。

12.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，过程流体流量值是体积过程流体流量。

13.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，在每个周期期间获得对静压和过程流体温度的指示。