CN1097722C

CN1097722C - 用简化过程提供表示经差压发生器的流量信号的变送器

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Publication number: CN1097722C
Application number: CN96195623.2A
Authority: CN
Inventors: 戴维·E·维克隆德
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1995-07-17
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 2003-01-01
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: JP3715322B2; DE69638284D1; US6182019B1; JPH11509326A; EP0839316A1; WO1997004288A1; EP0839316B1; BR9609752A; CN1192270A; CA2227420A1

Abstract

变送器(10)提供一个表示经过管道(12)的流体的质量流量率的输出信号。变送器10包括一个温度传感器(34)提供一个表示流体温度的温度信号。一个静态压力传感器(30)提供一个表示管道内静态压力的静态压力信号。一个差压发生器(32)提供一个压力差信号。变送器(10)还包括一个提供表示经过管道的流体的质量流量的输出信号的控制器(66)。

Description

用简化过程提供表示经差压发生器的流量信号的变送器

发明的技术领域

本发明涉及一种在过程控制工业中的变送器。尤其是，本发明涉及一种简化的过程，用在一个变送器中，用于提供一个表示经过压差发生器的流量的输出信号。

检测流经管道的流体的各种特性的变送器是已知道的。这些变送器一般用于检测和测量压力差，线性压力(或静态压力)和过程流体的温度。这些变送器一般安装在精炼厂的现场，或其它过程控制工业设备。现场安装的变送器在功率的消耗上有很大地限制。这类变送器一般提供一个表示被测变量的电流形式的输出。该电流的变化幅度在4-20mA之间且作为检测过程变量的函数。因此，可以用来运行变送器的电流是小于4mA。

流量计算的一种方法是在例如象过程控制工业和石油工业的一些工业中是使用专用计算机实现的。这些器件或使用分开的压力，压力差和温度变送器或使用安装在大外壳内有检测功能的机械设备。这些器件一般都比较大并且消耗的功率比4mA多。此外，他们经常被限制使用在一些特定场合，例如象保管传送碳氢化合物的监视或者用在井口监视气井或油井的输出。

流量计算的另一种方法是通过本地控制系统来实现，经常称为可编程环路控制器(PLC)。可编程环路控制器典型地接收来自分开的压力，压力差和温度变送器的输入，并且基于这些输入计算流量。这些器件经常执行其他的本地控制任务，例如在工厂的控制中所需其他变量的计算或者对于报警目的的过程变量的监视。在这些器件中流量的计算需要用户进行编程。

第三种计算流量的方法是通过控制整个工厂的大型计算机实现，经常称为分布式控制系统(DCS)。分布式控制系统一般执行一个宽范围任务，范围从接收来自现场安装的变送器的输入到计算如流量或液面的中间过程变量，到发送定位信号给最终控制部件如阀门，到执行厂里的监视和报警功能。因为宽范围任务的需要以及典型的高消耗的分布式控制系统的输入输出能力，存储器和计算时间，所以一般做一个流量计算而不对所有由于改变过程状态的影响做补偿校正。

在过程控制工业中一种共同测量流量率的手段是测量管道内固定限制装置两端的压力降，经常被称为一个差压发生器或基本部件。用于计算通过差压发生器流量率的普通方程式可写为：

Q = N C_{d} E Y_{1} d^{2} \sqrt{ρh}

方程式1式中：

Q＝质量流量率(质量/单位时间)

N＝单位转换系数(单位变化)

Cd＝流量输出系数(无量纲)

E＝接近系数的速率(无量纲)

Y₁＝气体膨胀系数(无量纲)

d＝差压发生器的孔径(长度)

ρ＝流体密度(质量/单位体积)

h＝压力差(力/单位面积)

在这个式中的各项中，只有单位转折系数为一个常数，对计算来说是简单的。方程式所描述的其他项范围从相对简单到非常复杂。该表达式某些包含许多项并且需要数的自乘到非整数幂。这是一种计算地增强操作。

以外，希望使这个变送器工作与尽可能多的差压发生器类型兼容。为了确定基于一差压发生器(不用说一个多元不同类型的差压发生器)输出的流量，对常规的流量方程所有所需的计算和方程的执行需要由一个具有高运算速度和强运算能力的处理器合理地执行计算。这个处理器工作导致在变送器中功率消耗及存储器需求的增加。这大大地不合乎给定的4mA功率限制或常规变送器的所能要求的。因此，基于微处理器的电流型变送器，在给定的上述功率和存储器限制下，在任何合适的时间周期内完全没有能力执行这些计算。

在获取一简化流量输出系数方程中有许多工作已完成。然而，这仅仅是流量方程的一小部分。即使假设该流量输出系数是相当简化的，在给定限制的基于微处理器的电流型变送器中精确地执行流量方程还是很难的。

为简化流量方程其它的尝试都已试过了。然而，为了使流量方程简化得足以使它能在基于微处理器的变送器中执行，这些简化的流量方程是不完全准确的。例如，一些简化的流量方程不能计算流量输出系数。其他不能计算压缩性，或粘滞性影响。

因此，普通的由4-20mA环路供电的基于微处理器变送器完全不能准确地计算流量。说的准确点，他们提供横截孔板流量计的压力差，静态线性压力和温度的输出指示，这些变量提供给上面所述的控制室内的流量计算机，接下来计算流量。这对流量计算机是一个明显的处理负担。

发明内容

一个与引导流体经过的管道连接的过程控制变送器，该变送器包括：一个检测该管道内线性压力并提供表示该线性压力的一线性压力信号的第一压力传感器；一个检测管道内横跨小孔的压力差并提供表示该压力差的一个压差信号的第二压力传感器；一个设计为去接收一个表示流体温度的温度信号的温度接收电路；一个微计算电路，它连接到第一和第二压力传感器和温度接收电路并且经过一个环路供电，并基于线性压力信号，压力差信号和温度信号计算流经管道的流体流量以及提供表示流量的输出信号；其中该微计算电路依据一个通常用乘数多项式形式表示的方程式计算流量Q：

Q = N [C_{d}] [{Ed}^{2}] [Y_{1}] [\sqrt{ρ}] \sqrt{h}

其中微计算电路被设计为以致至少有两个被乘数的每一个是被近似为至少为温度，静态压力和压力差之一的函数；以及

其中N是单位转换因数，C_d是流量输出系数，E是逼近系数速率，d是第二压力传感器的孔径，Y₁是气体膨胀系数，ρ是工作温度和压力情况下的流体密度，h是压力差。

在本发明的一个实施方案中，流量系数Cd的实质形式为：

C_{d} = Σ_{i = 0}^{n} {(\frac{1}{\sqrt{{Re}_{D}}})}^{i} b_{i}

其中bi是已知的雷诺数校正项，Re_D是雷诺数。

在本发明的另一个方案中，其中Ed²实质形式为：

{Ed}^{2} = Σ_{i = 0}^{n} C_{i} {(\frac{1}{T})}^{i}

其中T是温度，C_i是曲线拟合系数。

在本发明的另一个方案中，其中气体膨胀系数Y₁的实质形式为：

Y_{1} = Σ_{i = 0}^{n} {(\frac{h}{p})}^{i} d_{i}

其中h是压力差，p是静态压力，d_i是曲线拟合系数。

在本发明的另一个方案中，其中对于液体，流体密度ρ实质形式为：

\sqrt{ρ} = Σ_{i = 0}^{n} {(\frac{1}{T})}^{i} e_{i} .

其中T是温度，e_i是曲线拟合系数。

在本发明的另一个方案中，其中对于气体，流体密度ρ的实质形式为：

\sqrt{ρ} = {[\frac{144 M_{W}}{R}]}^{. 5} {[\frac{P}{T}]}^{. 5} Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} P^{i} {(\frac{I}{T})}^{i} f_{ij} .

其中p是静态压力，T是温度，e_i是曲线拟合系数，M_w是流体分子重量，R是气体常数，f_ij是曲线拟合系数。

在本发明的另一个方案中，其中流量输出系数Cd的实质形式为：

C_{d} = Σ_{i = 0}^{n} {(\frac{1}{\ln \sqrt{{Re}_{D}}})}^{i} b_{i}

其中Re_D是雷诺数，b_i是已知的雷诺数校正项。

附图说明

图1显示与引导流体流过的管道连接的本发明的一个变送器。

图2是一个根据本发明的变送器的部分结构形式方框图。

图3A-3C图解说明根据本发明系统所用的流量输出系数曲线拟合精度。

图4A和4B图解说明根据本发明所用粘滞度的曲线拟合精度。

图5显示根据本发明所用Ed²项的曲线拟合精度。

图6图解说明根据本发明所用气体膨胀系数的曲线拟合精度。

图7A和7B图解说明根据本发明所用液体的流体密度的曲线拟合精度。

图8A和8B图解说明根据本发明所用气体的流体密度的曲线拟合精度。

最佳实施例的详细描述

图1是一个依据本发明的变送器10的图解。变送器10通过管道装配件或法兰盘14与管道12连接。管道12沿箭头16的方向导引一种流动的流体，既可以是一种气体也可是一种液体。

变送器10包括变送器电子组件18和传感器组件22，它们都集中装在一个变送器盒内，图2给出全面的图解。变送器电子组件18最好还包括一个夹持器20用于接收来自电阻温度器件(RTD)的输入，更可取地是有一个典型直插入管道或者插入一个插入管道的热电偶套管去测量流体的温度。来自RTD的导线连接到一个温度传感器外壳24内的接线盒的一边。接线盒的另一边连接经过电导线管26的导线并连接到夹持器20。

传感器组件22包括一个压力差传感器和一个绝对压力传感器。压力差传感器和绝对压力传感器提供压力信号给调整和数字化电路，和到一个线性和补偿电路。该补偿的、线性的和数字化信号被提供给电子组件18。变送器10中的电子组件18提供一个输出信号表示过程流体流经管道12到远程场地的过程状态，最好是使用经过软导线管28的双绞导线形成一个4-20mA的双线环路。在这个最佳实施例中，变送器提供依据HART或帧总线标准表示三个过程变量(温度、静态压力和压力差)的信号。还有，根据本发明变送器10还提供一个表示流量的输出信号。依据本发明确定流量的方法是被明显地简化到超过以前的方法并使变送器10的电子模块中的微处量器能够计算流量且微处理器不会超出功率限制，并且是在可接受地快速更新次数上。

图2是一个更详细的变送器10的传感器组件22和电子组件18的方框图。传感器组件22包括一个应变压力传感器30，压力差传感器32和温度传感器34。应变仪传感器30检测流经管道12的流体的线性压力(或静态压力)。压力差传感器32最好是构成为金属盒电容基片压力差传感器，该传感器测量管道12管孔差分压力。温度传感器34，如上所述，是一个用于测量管道12中流体的过程温度的100欧姆RTD传感器。同时图1中传感器34和传感器外壳24示出在变送器10的流体下游，这仅仅是一个较佳的实施例，而温度传感器34的任何合适的安装位置是可以预料到的。

传感器组件22最好还包括一个模拟电子部分36，和一个传感器处理器电子部分38。电子组件18包括输出电子部分40。在传感器组件22中的模拟电子部分36包括信号调节和电源滤波电路42，模拟/数字(A/D)变换电路44和PRT46。自传感器30、32和34接收的模拟信号被提供给模拟信号调节和电源滤波电路42。该模拟信号被调节(如放大)并且被调节的信号提供给A/D变换电路44。

在一最佳实施例中，A/D变换电路44包括多个电压-数字变换器，或电容-数字变换器，或两者都有(如合适)去数字化模拟输入信号。这些变换器最好是依据与本发明指定同样代理人的美国专利号为4,878,012；5,083,091；5,119,033；和5,155,455的专利技术而构造的。在图2中所示实施例中，三个电压-数字变换器48，50和52，以及一个电容-数字变换器54被显示出。电压-数字变换器48和50被用于将来自传感器30和34的信号转换为数字信号。电容-数字变换器54被用于转换来自电容压力传感器32的信号到数字信号。

PRT46是更好地形成如一个价格低廉、硅基的PRT定位贴近压力传感器30和32。PRT46提供一个表示贴近传感器30和32的温度的温度信号。这个温度信号被提供给进行数字化的电压-数字变换器52。该数字信号然后用于补偿由于温度变化影响的差分和线性压力信号。模拟信号调节和电源滤波电路42，A/D变换器44和PRT46全部最好是实际地安装贴近于在变送器10盒内的一块单独的电路板或在其上。

一旦这模拟信号由A/D变换器44数字化，该数字信号被以四个分别是16位宽的输出在任何合适的连接或总线56上提供给传感器处理器电子部分38。

传感器处理器电子部分38最好包括一个微处理器58，时钟电路60和存储器62(最好是电可擦写可编程的只读存储器EEPROM)。微处理器58补偿和线性化自模拟电子部分36接收的各种误差和非线性源的过程变量。例如，在变送器10的制作中，压力传感器30和32分别地特性化温度和压力范围，并被确定合适的修正常数。这些修正常数存储在EEPROM62中。在变送器10工作期间，存在EEPROM62中的常数由微处理器58恢复出来并且由微处理器58用在计算多项式中，该多项式依次用于补偿该数字压力差和静态压力信号。

时钟电路60是在传感器处理器电子部件38内提供的，并且它提供时钟信号给微处理器58，A/D变换电路44和其它合适的电子部件，以理完成所期望的操作。还应该注意到部件36和38的功能可以通过使用应用特殊集成电路(ASIC)技术结合在一起做成一个单独的集成电路芯片。

在来自传感器30，32和34的模拟信号被数字化，补偿和修正后，这个过程变量经过一系列外设接口(SPI)总线64提供到电子组件18中的输出电子部件40。SPI总线64最好包括电源信号，两个交换信号和用于典型SPI信号设备必需的三个信号。

输出电子组件最好包括微处理器66，非易失性存储器68，稳压器72，调制器74，哈特(HART)协议接收器76和环路电流控制器78，此外，输出电子部件40可以选择地连接到一个电池备份电路，该电路在双线环路提供的电源发生故障时提供电池电源到输出电子部件。

微处理器66接收通过SPI总线64的数字化的，补偿的过程变量。相应的，在这个说明书后面将给出更详细的描述，微处理器66基于接收来自总线64的过程变量计算通过管道12的流体的质量流量。该信息存储在非易失性存储器68中，该存储器最好能适合于存储达35天的有价值的质量流量数据。

当需要时，微处量器66设置输出电子部件40经过双线环路82提供存储在非易失性存储器68中的质量流量数据。因此，输出电子部件40在正负端84和86处连接到包括控制器88(设计为一个电源和一个电阻)的环路82。在最佳的实施例中，输出电子部件40依据HART通信协议经过双线环路82通信，其特点是控制器88设置为主机而变送器10被设置为从机，其它的对于过程控制工业通用的通信协议也可采用，需要对微处理器66使用的编码和对于编码电路进行合适的修改。使用HART协议的通信是由应用HART接收器76来完成的。HART接收器76提出从控制器88经环路82接收的数字信号并且提供这数字信号给电路74，该电路依次根据HART协议调制该信号并将他们提供给微处理器66。

电路74从微处理器66接收数字信号(它们将要经过环路82被发送)。电路74变换该数字信号到模拟信号，为发送调制它们，并且提供这调制的信号给电路76，电路74最好包括一个与贝尔(Bell)22兼容的调制解调器。环路电流控制电路78接收一个来自电路74中的D/A变换器的模拟电压信号。相应地，环路电路控制电路78提供一个表示由微处理器66通过环路82传送的特别信息的4～20毫安的输出(如过程变量，或计算的流量)。

还有，稳压器72最好提供3.5伏和其它合适的参考电压给输出电子电路40，传感器处理器电子部件38，和模拟电子部件36。

为了计算经过差压发生器(如孔板)的流量信息需要三件事，所需要的信息有关于过程状态，有关于差压发生器的几何形状和有关于流体的物理特性。关于过程状态信息是从传感器信号获得，如来自传感器30、32和34的信号。关于差分产生器的几何形状和流体的物理特性信息由使用者提供。

通经差压发生器的流量常规地利用上述方程式1来计算。流量一般是以质量单位计算，但如果需要也可以容量单位计算。单位的选择取决于单位转换系数N的值。

流量输出系数Cd是一个无量纲，经验系数，它可以对管道内流体的速度断面，管道内零能量损失的假设，和压力孔的位置的影响校正理论流量。Cd涉及到差压发生器的几何形状并且能以下面看上去简单的关系描述：

C_{d} = c_{\infty} + \frac{b}{{Re}_{D}^{n}}

方程式2式中雷诺数：

{Re}_{D}^{n} = \frac{KQ}{μD};

C_∞＝在无限雷诺数处的流量输出系数；

b＝已知雷诺数校正项；

n＝已知阶数项；和

M＝流体粘滞度

这个关系对于不同类型的差压发生器，在这样激励上压力孔的位置，以及β比变化的。典型方程式定义Cd和上面其它项都有一个复杂的宽范围并且被描述在表1中，对于与一个孔板类差压发生器相关的Cd的计算在工业中是最普通的。

接近系数的速度E是一个几何项，并且使差压发生器的管颈中流体速度与管道剩余部分有关。接近系数的速度是温度的函数表示如下：

E = \frac{1}{\sqrt{1 - β^{4}}}

方程式3式中，对一个孔板流量计

β = \frac{d_{r} [1 + α_{1} (T - T_{r})]}{D_{r} [1 + α_{2} (T - T_{r})}

方程式4

dr＝在参考温度Tr处孔直径；

Dr＝参考温度Tr处流量计管直径；

α₁＝孔板的热膨系数；和

α₁＝流量计管的热膨系数

气体膨胀系数Y₁是一个无量纲与几何形状、流体物理特性和过程状态有关的系数。气体膨胀系数认为是流体通过一个差压发生器的密度变化。对具有直径突然变化的初级元件气体膨胀系数，如孔板流量计，是由下面经验关系式给出：

Y_{1} = 1 - (. 41 + . 35 β^{4}) \frac{h}{27.73 PK}

方程式5

式中

h＝水温华氏68度时的压力差英寸

p＝绝对压差中的上游压力；和

k＝气体的等熵指数

对于等强部件不传热的气体膨胀系数描述如下：

Y_{1} = {[\frac{(1 - β^{4}) [K / K - 1)] {(P_{2} / P_{1})}^{2 / K} [1 - {(P_{2} / P_{1})}^{(K - 1 / K)}]}{[1 - β^{4} {(P_{2} / P_{1})}^{(2 / K)}] (1 - P_{2} / P_{1})}]}^{1 / 2}

方程式6

式中

\frac{P_{2}}{P_{1}} = 1 - \frac{h}{27.73 P}

方程式7

K＝气体的等熵指数；

对于液体Y₁的值是1.0。

差压发生器的孔d与几何形状有关并且是如下的温度的函数：

d＝d_r[1+α₁(T-T_r)] 方程式8

压力差系数h是由常规压力差传感器所测得。

流体密度系数ρ是以每单位值质量描述并且是流体的一个物理特性。对于典型的过程控制应用，流体的密度仅仅是温度的函数。对于水的密度可以用表达式例如PTB方程来描述：

ρ＝A+BT+CT²+DT³+ET⁴+FT⁵ 方程式9

式中A-F是常数，或者由美国化学工程师协会(AIChE)给出的一般公式：

ρ = \frac{aM}{b^{{1 + (1 - T / C)}^{d}}}

方程式10式中a～d是流体独立常数而M是分子重量。

气体密度是由真实气体定律给出的绝对压力和绝对温度的函数：

ρ = \frac{P}{nZ R_{0} T}

方程式11

式中Z＝压缩性系数；

R₀＝通用气体常数；和

n＝克分子数

气体密度的压缩性系数都可以用状态方程式计算。一些状态方程式，象AGA8，ASME蒸汽方程和MBWR，对于单一流体或限制数量的流体都是有用的。另外，象Redlich-kWong或者AICh状态方程式实际上都是通用的，并且能够用于许多种流体。AIChE方程如下：

ρ = M [- \frac{1}{2 B} - \frac{1}{2} {[\begin{matrix} \frac{1}{B^{2}} & \frac{4 P}{BRT} \end{matrix}]}^{1 / 2}]

方程式12式中

B = a + \frac{b}{T} + \frac{c}{T^{3}} + \frac{d}{T^{8}} + \frac{e}{T^{9}}

方程式13

式中a～e是流体依赖常数；和

M＝流体的分子重量。

用上述方程式1～13执行流量计算将产生一个高精度的结果。然而，功率消耗，计算速度和存储器需求的限制使全部方程的执行超出了基于微处理器的现行适用的变送器的能力范围。因此，本发明的变送器计算流量基于一些简化的方程式，同时在流量计算中保持高精度。

涉及到流量输出系数的相关性如下：

Cd(β，Re_D)

Re_D(Q，μ)μ是流体的粘滞度，和；

μ(T)对于液体使用AIChE方程：

μ＝exp(a+b/T+cLn(T)+dT^e)；方程式14对于气体使用AIChE方程：

μ = \frac{a T^{b}}{1 + c / T + d / T^{2}}

方程式15

根据本发明，流量输出系数Cd方程式通过近似的μ^-1用含有T或1/T的一个多项式简化。更可取地，这个近似是用一个三次多项式方程做的。还有，Cd是用一个六次幂多项式近似的，其含有：

\frac{1}{\sqrt{{Re}_{D}}}

或

\frac{1}{Ln ({Re}_{D})}

大家已明显看到较好的精确度获得是使用具有独立变量项的

\frac{1}{Ln ({Re}_{D})}

对于Cd的多项式，但这也增加了计算时间。因此，这个可能被使用或者其它的多项式也能用，取决于所期望的精度。

图3A，3B和3C是一些使用上面方程的流量输出系数的曲线拟合精度的例子。图3A是一个对于具有直径超过2.3英寸的ASME凸缘分接孔板流量计的流量输出系数曲线拟合误差与雷诺数关系曲线图。该图是通过做含有下面：

\frac{1}{\sqrt{R e_{D}}}

的六次幂而获得如下：

c_{d} = b_{0} + \frac{1}{\sqrt{R} e_{D}} (b_{1} + \frac{1}{\sqrt{R} e_{D}} (b_{2} + \frac{1}{\sqrt{R} e_{D}} (b_{3}

方程式16

+ \frac{1}{\sqrt{R} e_{D}} (b_{4} + \frac{1}{\sqrt{R} e_{D}} (b_{5} + \frac{b_{6}}{\sqrt{R} e_{D}})))))

并且使用了粘滞度的近似如下：

μ^{- 1} = a_{0} + \frac{1}{T} (a_{1} + \frac{1}{T} (a_{2} + a_{3} \frac{1}{T}))

方程式17

图3B是对于ASME弯管分接孔板流量计使用适于

\frac{1}{\sqrt{R e_{D}}}

六次幂的图解流量输出系数曲线拟合误差与雷诺常数的关系曲线。

图3C是对于ASME长半径喷嘴使用适于

\frac{1}{\sqrt{R e_{D}}}

六次幂的图解流量输出系数曲线拟合误差与雷诺常数的关系。

图3A-3C图解这类曲线拟合研究使流量输出系数Cd接近好于±0.005％，类似的结果也可用其它的差压发生器获得。

图4A和4B是关于粘滞度所获曲线拟合精度的例子，图4A对于粘滞度与温度的关系用含有1/T的3次幂多项式的图解曲线拟合精确度。图4B对于粘滞度与温度的关系用含有1/T的3次幂的多项式的图解曲线拟合精确度。图4A是基于水的而图4B是对空气计算的。可以看出曲线拟合精度近似法使空气的粘滞度接近到好于正负0.001％，而使水的粘滞度接近到好于正负0.2％。一个含1/T的高次幂多项式，如4或5次，将改进水的拟合精度。因为流量输出系数Cd依赖雷诺数较弱，所以粘滞度由三次含有1/T的多项式提供的精度是可接受的，而加入高次多项式的复杂计算近似于不必要的。类似的结果也可为其它的液体和气体获得。

这逼近系数E的速率以及差压发生器的孔d相关的相关性如下：

E(T)及d²(T)

本发明的方法通过E和d²的结合以及用T或1/T的多项式近似Ed²的积来简化Ed²计算。这个多项式最好是一个二次多项式。

图5是一个Ed²项的曲线拟合精度的例子。图5图解地描述该项与温度的关系曲线精度使用一个有T的二次多项式如下：

{Ed}^{2} = c_{0} \frac{1}{T} (c_{1} + \frac{1}{T} c_{2})

方程式18图5描述的曲线拟合研究使Ed²项接近到好于正负0.00002％。气体膨胀系数Y₁的相关性如下：

Y_{1} (β, K, \frac{h}{P});

和

Y₁(T)

简化这气体膨胀系统的计算是用忽略T的相关性实现的，Y₁项是使用一个含h/p的多项式被近似，其中h是压力差而P是静态压力。这个多项式最好是一个二次幂多项多。对于一个孔，在Y₁和h/p之间存在一个线性关系。

图6是一个Y₁与温度关系曲线拟合精度的例子使用一个含h/p的二次幂多项式如下：

Y_{1} = d_{c} + \frac{h}{p} (d_{1} + \frac{h}{p} d_{2})

方程式19

这曲线是对一个轮廓元件差压发生器的图解。图6根据本发明使用该系统，对于所有的β比轮廓元件图解Y₁项精确到好于正负0.002％。对于β比小于0.6的精确度好于正负0.0005％。对于正方形边缘的孔也能获得类似的结果。

对液体和气体涉及到流体密度的相关性如下：

ρ_Liq(T)；和

ρ_Gas(P，T)，具体地

ρ_{Gas} = (\frac{P}{RT}) \frac{1}{Z},

对液体的流体密度的计算根据本发明用提供的两个曲线拟合值简化。

项是由T或1/T的多项式近似的。这最好是一个三次多项式并且对于一个低精度适合提供一个缺省方程式如下：

\sqrt{ρ} = e_{0} + \frac{1}{T} (e_{1} + \frac{1}{T} (e_{2} + \frac{1}{T} e_{3}))

方程式20

相同项也最好是通过一个1/T的多项式用一个五次多项式近似作为适合较宽工作温度范围的一个较高的精度。

气体流体密度的简化计算是由再提供两个曲线拟合值来完成。使一曲线符合于

而不是ρ_Gas能改进曲线拟合精度，减少计算时间和改进这简化的流量方程精度。根据本发明，

项是由含P和1/T的一个多项式近似的。在这最佳实施例中，缺省的多项式是一个3×2多项式并且是被用于一个较低精度的拟合。然而，项还能由一个含P和1/T的多项式用一个8×6多项式对较高精度拟合和P与T的宽工作范围来近似。对于所有气体流体密度最佳的简化方程如下：

\sqrt{ρ} = {[\frac{144 M_{W}}{R}]}^{. 5} {[\frac{P}{T}]}^{. 5} [f_{0} + P (f_{1} + P (f_{2} + P f_{3}))

+ \frac{1}{T} ((f_{4} + P (f_{5} + P (f_{6} + P f_{7}))) + \frac{1}{T} (f_{8} + P (f_{9} + P (f_{10} + P f_{11}))))]

方程式21图7A图解地描述一个对于水与温度用含有1/T的三次多项式的的曲线拟合精度的例子。图7B图解地描述氰乙烯与温度关系的密度的曲线拟合精度。在两种情况下，温度范围是50°F到110°F。图7A和7B说明这曲线拟合处理对于这两种液体和选定的温度范围使接近到好于正负0.0002％。对于其它液体和其它温度范围也能获得类似的结果。

图8A和8B描述对两种液体和两个压力温度范围的曲线拟合精度的例子。图8A描述符合二氧化碳气用3×2多项式的曲线拟合精度。压力和温度范围分别是15psia(绝对压强(磅/平方英寸))到115psia和60°F到140°F。这结果显示出曲线拟合处理精确地使接近到好于正负0.0015％。图8B描述符合乙烯气体用3×2多项式的曲线拟合精度。压力和温度范围分别是75psia到265psia和60°F到140°F。这结果显示出曲线拟合处理精确地使接近到好于正负0.005％。根据这些结果表示，曲线拟合的精度是随着液体改变以及工作压力的范围与/或温度的变化而变化的。当压力和/或者温度的工作范围导致使用3×2多项式得到不可接受的近似时，一个8×2多项式将改正这个结果使水平达到类似图8A和8B表示的那些。

总之，由上面方程式1给定的传统的流量计算根据本发明可以简化如下：

Q = N [C_{d}] [{Ed}^{2}] [Y_{1}] [\sqrt{ρ}] \sqrt{h}

方程式22

对于气体这方程式能重写为：

Q = KN [C_{d}] [{Ed}^{2}] [Y_{1}] [\frac{1}{\sqrt{z}}] \sqrt{\frac{hp}{T}}

式中

K = \sqrt{\frac{144 M}{R}}

M＝气体的分子重量；

R＝气体常数；和

P，h，T分别是以psia，水的英寸和绝对华氏温度为单位。对于液体，方程式可重写为：

Q = N [C_{d}] [{Ed}^{2}] [Y_{1}] [\sqrt{ρ}] \sqrt{h}

式中括号内的项都是曲线拟合近似值，用上述简化的流量方程式，以微处理器66为基础的变送器有能力每次它收到由总线64更新的传感器信息时去更新流量的计算。在该曲线拟合近似值的一个或多于一个没有被完全计算时那么先前的值被用在流量计算中。

在过程变量中变化的影响因为他们在流量方程中的出现在流量计算上有直接的影响。他们在曲线拟合项上有类似的影响。因此，用最新的更新过程变量信息以及最近地计算的曲线拟合近似值，其结果是流量计算即快又精确。在这样有利的更新率上具有新的计算流量项允许变送器10利用快速的数字通信协议。

还有，用上述简化的流量计算，微处理器66执行相同的运算可以不管所用差压发生器的类型，不管所用的β比例，以及不考虑是否使用者需要一个简化的或完全校正过的流量。

还应注意到该曲线拟合系数使用用户已知的技术很容易计算。这些系数简单地存在与微处理器66有关的存储器中，并且用在执行所期望的运算中。

这些简化允许变送器10以一个高精度方式去实际地计算流量。与其需要变送器单单传送过程变量回到一个控制室，并且在控制室有一台流量计算机或装置计算流量，不如根据本发明该变送器不仅有能力提供过程变量而且还提供流量计算给控制室。这缓和了控制室中流量计算机或其他处理器的处理工作超载，也并没超过基于微处理器的变送器的负担，或者不会需要基于微处理器的变送器使用超过它所适合的能量。

虽然本发明已经参考最佳实施例进行了描述，但是技术上熟练的人们应认识到在形式和细节上可以做的一些改变并没有离开本发明的精神和内容。

Claims

1、一个与引导流体经过的管道连接的过程控制变送器，其特征在于变送器包括：

一个检测该管道内线性压力并提供表示该线性压力的一线性压力信号的第一压力传感器；

一个检测管道内横跨小孔的压力差并提供表示该压力差的一个压差信号的第二压力传感器；

一个设计为去接收一个表示流体温度的温度信号的温度接收电路；

一个微计算电路，它连接到第一和第二压力传感器和温度接收电路并且经过一个环路供电，并基于线性压力信号，压力差信号和温度信号计算流经管道的流体流量以及提供表示流量的输出信号；

其中该微计算电路依据一个通常用乘数多项式形式表示的方程式计算流量Q：

Q = N [C_{d}] [{Ed}^{2}] [Y_{1}] [\sqrt{ρ}] \sqrt{h}

2、根据权利要求1所述的变送器，其特征在于流量系数Cd的实质形式为：

C_{d} = Σ_{i = 0}^{n} {(\frac{1}{\sqrt{{Re}_{D}}})}^{i} b_{i}

其中bi是已知的雷诺数校正项，Re_D是雷诺数。

3、根据权利要求1所述的变送器，其特征在于Ed²实质形式为：

{Ed}^{2} = Σ_{i = 0}^{n} C_{i} {(\frac{1}{T})}^{i}

其中T是温度，C_i是曲线拟合系数。

4、根据权利要求1所述的变送器，其特征在于气体膨胀系数Y₁的实质形式为：

Y_{1} = Σ_{i = 0}^{n} {(\frac{h}{p})}^{i} d_{i}

其中h是压力差，p是静态压力，d_i是曲线拟合系数。

5、根据权利要求1所述的变送器，其特征在于对于液体，流体密度ρ实质形式为：

\sqrt{ρ} = Σ_{i = 0}^{n} {(\frac{1}{T})}^{i} e_{i} .

其中T是温度，e_i是曲线拟合系数。

6、根据权利要求1所述的变送器，其特征在于对于气体，流体密度ρ的实质形式为：

\sqrt{ρ} = {[\frac{144 M_{W}}{R}]}^{. 5} {[\frac{P}{T}]}^{. 5} Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} P^{i} {(\frac{I}{T})}^{i} f_{ij} .

7、根据权利要求1所述的变送器，其特征在于流量输出系数Cd的实质形式为：

C_{d} = Σ_{i = 0}^{n} {(\frac{1}{\ln \sqrt{{Re}_{D}}})}^{i} b_{i}

其中Re_D是雷诺数，b_i是已知的雷诺数校正项。