CN110631646A - 支持流动不稳定性检测的漩涡流量计 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量过程流体的流速的漩涡流量计，包括：漩涡发生器，被布置成在过程流体的流动中产生漩涡；漩涡传感器，被布置成感测过程流体的流动中的漩涡并且响应地提供与过程流体的流速相关的传感器输出；测量电路，被配置为接收传感器输出并提供数字输出；存储器，被配置为基于数字输出存储测量结果；诊断电路，耦合到存储器，被布置成基于存储在存储器中的测量结果来检测过程流体的流动中的不稳定性。

Description

支持流动不稳定性检测的漩涡流量计
技术领域
本发明涉及流量计，例如响应于流体流动的漩涡脱落计或漩涡计。更具体地，本发明涉及通过这种流量计检测流动不稳定性。
背景技术
流量计感测管道中的液体或气体的流动并产生指示流动的信号。在流动管道中存在障碍物(可替代地称为脱落杆、阻流体或漩涡发生器)在流动中引起周期性漩涡。这些漩涡的频率与流量计中的流速成正比。脱落的漩涡在阻流体上产生交替的压差。该压差通过压电晶体或其他差压设备转换成电信号。差压或电信号的大小与ρV2成正比，其中ρ是流体密度，V是流体速度。漩涡流量计产生具有与流速成比例的频率的脉冲。
漩涡流量计是测量变送器，其通常安装在过程控制工业设施的场地中，其中功耗是一个问题。漩涡流量计可以提供代表流速的电流输出，其中在电流回路上电流的大小在4-20mA之间变化。还希望漩涡流量计完全由电流回路供电，从而不需要使用额外的电源。
已知将微处理器结合到漩涡流量计中。微处理器接收来自漩涡传感器的输出信号的数字表示，并基于数字表示的参数计算所需的输出量。
过程流体流过流量计的某些状况可能导致流量计的流速测量中的误差。期望检测这样的状况和/或校正由这些状况引起的误差。
发明内容
一种用于测量过程流体的流速的漩涡流量计，包括：漩涡发生器，被布置成在过程流体的流动中产生漩涡。漩涡传感器被布置成感测过程流体的流动中的漩涡，并且响应地提供与过程流体的流速相关的传感器输出。测量电路用于接收传感器输出并提供数字输出。存储器被配置为基于数字输出存储测量结果。耦合到存储器的诊断电路基于存储在存储器中的测量结果来检测过程流体的流动中的不稳定性。
附图说明
图1是根据本发明的一种配置的漩涡流量计的框图。
图2是漩涡传感器的输出与时间的关系曲线图。
图3是图2中所示信号的频谱图。
图4是漩涡传感器的幅度与时间的关系曲线图。
图5是如图4所示的稳态漩涡流动信号的幅度与频率的关系曲线图。
图6是计算的流速与时间的关系曲线图。
图7是示出使用如图2所示的信号的脱落循环的数量与每个脱落循环的频率的关系直方图。
图8示出示出了漩涡流量计中识别流动不稳定性的步骤的简化框图。
具体实施方式
本发明涉及一种检测不稳定的过程流体的流动的漩涡计诊断。特别地，足够不稳定的流动导致可以检测到的错误测量。大多数流动技术需要稳定或缓慢变化的流速。通过确定每个脱落循环的周期的变化，当流速在周期上变化太快而不能获得准确的流动测量时，设备可以警告操作员。
图1示出了本发明的漩涡流量计10的实施例。通常，漩涡流量计10包括漩涡传感器11，所述漩涡传感器11感测流过管道16的流体14中的漩涡15。漩涡传感器11可操作地耦合到电子回路，该电子回路在电流回路17上产生指示流动的4-20mA电流以及具有与流体流动成比例的频率的可选方波输出Fout(未示出)。
漩涡流量计10包括漩涡计壳体22，阻流体24位于漩涡计壳体22中。当流体14流过阻流体24时，产生具有指示流速的频率的脱落漩涡15。优选地位于阻流体24处的漩涡传感器26感测与脱落漩涡15相关联的压力差。漩涡传感器26可包括例如压电传感器。传感器26具有由电位源Es和串联电容器Cs近似的特性。来自压电传感器26的输出信号的大小与压差成比例，压差与ρV2成比例，其中ρ是流体密度，V是流体14的速度，并且也与ρD2F2成比例，其中D是仪表壳体22的内径并且F是漩涡15的脱落频率。
压电传感器26的输出耦合到放大器28，放大器28包括电容器CF和电阻器RF。放大器28在线路30上提供模拟输出信号。线路30上的信号被提供给输入电路60，输入电路60包括抗混叠滤波器62和以64表示的模拟-数字(西格玛-德尔塔)转换器。抗混叠滤波器62对来自线路30的信号滤波以去除不需要的高频噪声并执行抗混叠滤波。
模数转换器64对来自滤波器62的信号进行采样，并输出指示漩涡15的幅度和频率的单比特数据流。1和0的相对数量，有时称为比特密度，表示漩涡15的幅度。数字数据流通过电传感器所需的电隔离屏障66传输，传感器接地或具有漏电流到地。
数字滤波器68是可选组件，并且可以用于对来自模数转换器64的数字数据流进行数字预处理。微处理器70可以用于使用在背景部分中讨论的方程计算与流体流动有关的输出信号。微处理器70根据存储在存储器81中的指令操作。微处理器70向数模转换器83提供所需的输出值，以将数字值转换成过程流体流动的4-20mA电流表示。该电流水平被应用于双线过程控制回路17。也可以采用数字通信电路85来使用已知格式在与流动相关的过程控制回路17上发送信息。通信电路85可用于发送和接收数据。显示器73为漩涡流量计10提供用户界面。电源90连接到回路17并且可用于向流量计10提供电力。
如背景技术部分中所讨论的，某些状况和通过过程管路16的过程流体的流动可能导致流动测量的误差。一个这样的状况是工艺流程的不稳定性。例如，在启动操作期间，由于过程流体的不稳定流动，一些漩涡流量计可能产生错误的读数。当观察流量计的输出时，这种不稳定性可能很明显。然而，在某些情况下，在稳态操作期间，即使流动本身正在经历不稳定性，流量计也可能错误地产生稳定的输出。例如，如果在稳态操作期间流动变化很大，则如果流动变化在某个频率范围内，则流量计可能不会检测到这种不稳定性。例如，4Hz的不稳定性可能就检测不到。这种不稳定性会导致流量计报告明显小于实际流速的流动测量结果。引入这种类型的误差与用于测量漩涡脱落的技术(例如压电传感器、差压传感器、光学或声学传感器等)无关。
图2是漩涡传感器的输出的曲线图，并且是信号幅度与时间的关系曲线图。图2示出了幅度调制中的显著频率，所述幅度调制以循环的方式进行，时间周期约0.3秒。
图3是图2的信号转换为时域的图示，并且是幅度与频率的关系曲线图，并且示出了具有大致相同幅度的多个峰值。微处理器70可以使用这种检测到许多峰值的频域特征来提供输出，所述输出指示流动不稳定性的发生。(如图5所示，频域中的输出信号应该具有单个峰值。)
与图2相反，图4是由漩涡传感器感测的过程流体的稳定稳态流动的幅度与时间的关系曲线图。图5示出了来自图4的信号的频谱，并且是幅度与频率的关系曲线图。如图5所示，流动信号在约50Hz处很明显。
图6示出了使用图2中所示的数据样本计算的每个脉冲的流速。如图6所示，计算出的流速在样品之间变化很大。使用该数据，创建如图7所示的在30秒内收集的脱落循环的直方图。图7清楚地示出了每个脱落循环的频率的双模态分布。因此，显然流速14始终处于瞬态。然而，由微处理器70确定的输出是稳定的，因为平均值在1到2秒的测量范围内大致一致。这会在测量的流速中引入误差。
由于这种变化可能引入错误的测量结果，因此希望警告操作者漩涡传感器可能正在提供这种错误的读数。在一种配置中，为了提供关于流速周期性变化的警报，测量脱落循环周期并且将多个这样的测量结果存储在存储器81中，如图1所示。然后可以使用任何数量的统计和/或信号处理技术检查这些存储的周期，并且可以设置标记以指示流动不稳定性。例如，如果达到阈值，则流量计10可以使用数字通信电路85来提供警报。可以通过例如
Figure BDA0001848996290000041
现场总线、Modbus或其他通信技术提供这种警报。类似地，在SIF(安全仪表功能)应用中，可以提供警报以指示流量计10正在安全精度范围之外操作。
在一个特定配置中，微处理器70将漩涡脱落周期信息存储在存储器81中。使用该存储的信息，微处理器70使用集合样本计算周期的标准偏差。在典型的稳态操作期间，漩涡脱落周期的标准偏差应在约百分之四到百分之七之间变化，这取决于特定的仪表主体设计和流动状态。其他流量计配置的标准偏差可在百分之八到百分之十之间。
微处理器70可以将计算的标准偏差与可接受的阈值进行比较。如果标准偏差超过这样的阈值，则可以提供警告。在另一示例配置中，如果样本的标准偏差大于样本的均值的一定百分比，例如12％，则可以设置指示流动不稳定性的诊断标记。
在另一示例配置中，测试收集的周期数据以确定其是否是单模态的。在本领域中已知用于检测数据集是否是单模态的各种测试，包括使用图7中所示的直方图。然而，可以采用任何适用于单模态的适当测试。如果通过测试未检测到单模态，则可以提供指示过程流动稳定的警告。
在另一示例配置中，在频域中分析所收集的数据，例如，使用由微处理器78执行的快速傅里叶变换。在这样的配置中，来自漩涡传感器的数字样本被存储在存储器81中并被用于执行快速傅里叶变换。使用频域数据，可以观察到相对于超过阈值水平的频率而言脱落频率的随时间变化。例如，可以在可测量的频率范围内采用最高峰值的25％的阈值。这种配置避免结构共振导致可能的误报警。比阈值更快的变化，例如，信号的标准偏差的三倍，可以用于触发流动不稳定性诊断警告。
图8是简化框图100，示出了由微处理器70根据存储在例如存储器81中的指令实现的步骤，用于使用上述技术检测流动不稳定性。框图100开始于框102，并且在框104处获得漩涡脱落周期数据。在框106处，将获得的周期数据存储在存储器81中。框104-106可以如虚线箭头所示独立地操作，从而连续地收集周期数据。在框108处，使用统计或其他分析技术(包括使用时域和/或频域实现的技术)分析存储在存储器81中的周期数据。然后在框110处将分析的数据与基线进行比较。基线比较可以通过简单阈值、动态阈值或更复杂的基线(包括特定签名、数据峰值配置、图形分析等)进行。在框112处，基于该比较，在框114处提供输出警告或者将控制传递到框108以进行进一步分析。该配置允许在后台收集数据并对存储的数据执行滚动分析。数据的存储和分析可以连续操作或者可以基于某些事件被触发，例如，周期性地、响应于观察到来自漩涡传感器的数据中的异常峰值或其他签名、接收到来自过程控制回路的命令、或用于启动程序的其他一些机制被触发。
尽管在一种配置中，诊断由流量计10内的微处理器70和可选地数字滤波器68执行，但在另一示例配置中，计算在远程位置执行，例如在控制室。在这样的配置中，流量计可以被配置为输出原始数据。这可以允许执行更高级的诊断，因为远程位置不会遭遇诸如流量计10之类的现场设备中存在的功率限制。在另一示例配置中，诊断仅周期性地或根据需要执行。这允许现场设备10进入高功率模式以执行这种诊断。在这样的配置中，电源90可以包括某种类型的电力存储单元，例如电容器或电池，其用于在珍断计算期间提供额外的电力。
如果收集了足够量的漩涡脱落信息，则可以将其与已知签名进行比较。该比较可用于识别流动不稳定的可能原因。例如，过大的调节器可能导致特定类型的流动不稳定性。在这样的配置中，由仪表10提供的诊断输出还可以包括与流动不稳定的可能原因有关的信息，从而允许操作者改变过程配置。例如，随机分布的信号可以是“噪声”控制方案中的阀的指示。
尽管已经参考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情况下，可以在形式和细节上进行改变。如本文所讨论的，漩涡流量计布置成使得其通过检测不稳定流动状况来提供警报。测量和存储各个脱落周期。存储的周期可用于计算样本的标准偏差并将存储的周期与阈值进行比较。在另一种配置中，在存储器81中存储来自漩涡传感器的输出和对存储的数据执行快速傅立叶变换。峰值查找算法可用于确定是否存在多个频率并用于提供不稳定流动状况的指示。在另一个示例中，测量的脱落循环周期用于形成直方图并且与已知的分布模型进行比较以寻找双模态分布或其他不稳定的系统。在另一示例配置中，存储在微处理器中的存储器81中的漩涡传感器的输出实现曲线拟合以确定不稳定性的驱动模式，并通过数字警报向客户提供关于不稳定的可能来源的指导。在另一示例配置中，微处理器校正由于漩涡不稳定性导致的测量流速的误差。这可以通过例如曲线拟合、基于不稳定性的分布或幅度的加权函数或其他技术进行。微处理器70提供用于检测过程流体流动不稳定性的诊断电路的一个示例。在一种配置中，图1中所示的元件60被配置为输出电路，所述输出电路将与模拟信号30相关的输出提供给远程位置。在这样的配置中，位于远程位置的微处理器(诊断电路)70可以根据任何通信协议或标准。示例包括过程控制回路、无线过程通信技术或通过一些其他手段。

Claims (20)

1.一种用于测量过程流体的流速的漩涡流量计，包括：
漩涡发生器，被布置成在所述过程流体的流动中产生漩涡；
漩涡传感器，被布置成感测所述过程流体的流动中的漩涡，并且作为响应提供与所述过程流体的流速相关的传感器输出；
测量电路，被配置为接收所述传感器输出并且提供数字输出；
存储器，被配置为基于所述数字输出存储测量结果；以及
诊断电路，耦合到所述存储器，被布置成基于存储在所述存储器中的所述测量结果来检测所述过程流体的流动中的不稳定性。
2.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路通过将所述测量结果与阈值进行比较来检测不稳定性。
3.根据权利要求2所述的漩涡流量计，其中所述阈值包括动态阈值。
4.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中存储在所述存储器中的测量结果包括与频率有关的信息。
5.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路基于存储在所述存储器中的所述测量结果的分布来检测不稳定性。
6.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路计算所述测量结果的统计参数。
7.根据权利要求6所述的漩涡流量计，其中所述统计参数包括标准偏差。
8.根据权利要求6所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路通过将所述测量结果与所述统计参数进行比较来检测所述过程流体的流动中的不稳定性。
9.根据权利要求1所述的漩涡流量计，包括耦合到过程控制回路的输出电路。
10.根据权利要求9所述的漩涡流量计，其中所述漩涡流量计由从所述过程控制回路接收的功率供电。
11.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路基于检测到的所述过程流体的流动中的不稳定性来校正测量流速的误差。
12.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路确定存储在所述存储器中的测量结果的模态。
13.根据权利要求12所述的漩涡流量计，其中如果存储在所述存储器中的测量结果是多模态的，则所述诊断电路检测所述过程流体的流动中的不稳定性。
14.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路基于存储在所述存储器中的测量结果的频率的峰值来检测所述过程流体的流动中的不稳定性。
15.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路识别所述过程流体的流动中的不稳定性的可能原因。
16.根据权利要求15所述的漩涡流量计，包括输出，所述输出向操作者提供指示所识别的可能原因的输出。
17.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路响应于命令而操作。
18.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路响应于测量结果中的峰值而操作。
19.根据权利要求1所述的漩涡流量计，其中所述诊断电路响应于存储在所述存储器中的测量结果中的检测到的签名而操作。
20.根据权利要求1所述的漩涡流量计，包括输出，所述输出被配置为将与所述传感器输出有关的信息输出到远程位置，并且其中所述诊断电路位于所述远程位置。
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