CN111465826B - 利用用于模拟流体参数的系统的增强流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监测经过流量计的流体的物理参数的流量计。该流量计安装在工厂中，并且通过网关装置通信地连接到具有虚拟模型的服务器。所述流量计包括：处理单元，所述处理单元用于计算与由所述流量计测量的所述流体相关联的物理参数的第一处理数据。该流量计从具有虚拟模型的服务器接收第二处理数据，其中该虚拟模型通过基于第一处理数据和来自工厂中提供的至少一个传感器的数据计算第二处理数据来提供第二处理数据。本发明还提供了用于利用流量计监测经过工厂中的管道的流体的物理参数的系统。

Description

利用用于模拟流体参数的系统的增强流量计
技术领域
本发明一般涉及监测过程工业中的流体参数，并且更特别地涉及一种利用用于模拟流体参数的系统的增强流量计。
背景技术
对通过管线的流特性的监测对于如同油和气、材料加工和发电的许多工业是重要的。为了保持过程质量、优化性能、提高安全标准并且最小化由于意外故障而导致的停机时间，需要以可靠、准确和全面的方式来进行对过程工业中的流特性的监测。流量计和其它传感器通常用于其中流体经过管线的过程工业中，以用于监测流体的流动和流体的其它流特性。
然而，当正处理流体时，关于在处理工业中使用流量计或传感器来监测流特性，暴露出来（surface）若干诊断挑战。首先，安装用于尤其是在挑战性环境中测量关键参数的传感器的可靠性是重要的，并且需要对其进行监测和验证。例如，由于流场中的污泥沉积而导致的流量传感器的堵塞可能很大程度上影响测量精度，并且实际上可能产生错误的读数。此外，由于固定粘合剂在温度循环下的劣化，装配到加热表面的热电偶可能被移位。
其次，流体的某些重要参数（如流体粘度和核心流体温度）是具有挑战性的测量。粘度通常通过对液体取样来测量。然而，这不是连续的过程。虽然测量管道表面温度相对容易，但是大块或核心流体温度测量是一种挑战。这是因为，传感器可能由于高温而被损坏。而且，安装在管道内的传感器可能对流体的平滑流动施加阻碍。在如同食品加工的许多应用中，传感器插入可能造成卫生问题。
因此，存在对于一种流量计的需要，所述流量计可以利用用于模拟流体参数的计算系统来增强，以便提高流量计的性能，包括验证安装在处理管线/设备中的传感器的可靠性。
发明内容
本文解决了上述短处、缺点和问题，这将通过阅读和理解以下说明书来理解。
在一个方面中，本发明提供了一种流量计，所述流量计用于监测经过安装在工厂中的流量计的流体的物理参数。所述流量计通过网关装置通信地连接到具有虚拟模型的服务器。所述流量计包括：处理单元，所述处理单元用于计算与由所述流量计测量的所述流体相关联的物理参数的第一处理数据，其中所述流量计从具有所述虚拟模型的所述服务器接收第二处理数据。其中所述虚拟模型通过基于所述第一处理数据和来自提供在所述工厂中的至少一个传感器的数据计算所述第二处理数据来提供所述第二处理数据。
在实施例中，如本文上面所述的流量计包括存储器，所述存储器用来存储第一处理数据、测量数据和第二处理数据。
在另一个实施例中，流量计通信地连接到至少一个人机接口。
在如本文上面所述的流量计的实施例中，虚拟模型是有限元多重物理量（Multiphysics）模型。
在流量计的实施例中，第二处理数据是在服务器处执行的计算的报告和/或模拟的报告，和/或计算的结果和/或模拟的一个或多个结果。
在流量计的实施例中，第二处理数据是粘度的计算值。
在流量计的实施例中，第二处理数据是流过流量计的流体的温度的估计。
在另一方面中，本发明提供了一种用于监测经过工厂中的管道的流体的物理参数的系统。所述工厂具有流量计，所述流量计通过网关装置通信地连接到包括在系统中的具有虚拟流量计模型的服务器。所述流量计接收来自包括在流量计中的处理单元的基于测量的第一处理数据。所述流量计还从传感器接收数据，所述传感器连同所述流量计一起连接，以用于测量与经过所述流量计的流体相关联的物理参数；并且其中所述服务器使用所述虚拟模型基于来自所述流量计的所述第一处理数据和来自所述至少一个传感器的所述数据来计算第二处理数据，并且所述服务器将所述第二处理数据提供给所述工厂以用于监测。
在上面所述的系统的实施例中，其中第二处理数据在工厂中被提供给流量计、控制室、移动/手持装置中的至少一个。
在系统的实施例中，其中使用基于OPC-UA的协议和数据模型来传递所述第一处理数据和所述第二处理数据。
附图说明
附图图示了如本文所公开的示范性实施例，并且不被认为是对范围的限制。在附图中：
图1示出了用于监测经过流量计的流体的物理参数的系统，以及
图2示出了在远程服务器中使用模型进行粘度计算的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种利用用于模拟流体参数的系统的增强流量计。本发明涉及在如同油和气、材料加工、发电等的工业中对通过管线的流体的物理参数进行监测。对这类工业来说，可靠、准确和全面地监测通过管线的流特性是重要的。这是为了保持过程质量、优化性能、提高安全标准并且最小化由于意外故障而导致的停机时间。
本发明公开了一种流量计，所述流量计监测经过流量计的流体的物理参数，所述流量计安装在工厂中，并且通过安装在工厂中的至少一个网关装置通信地连接到远程服务器。远程服务器利用多个模型，包括用于电磁场和流体流模拟的有限元模型，所述流体流模拟使用由流量计和安装在工厂中的其它测量仪器和传感器测量的物理参数，所述其它测量仪器和传感器正监测与经过流量计的流体相关的一个或多个物理参数。服务器具有进行如所需要的若干计算的能力，以执行与流量计相关的测量相关功能(例如，场/流量分布报告、验证、与不直接被测量的流体相关的参数的软计算估计等)。安装在工厂中的流量计能够从服务器接收模拟/计算信息/数据，并将这些数据用于另外的目的，例如显示或传递给控制系统中的控制器或其它装置，或者工厂中的控制室。本地流量计和具有模型的远程服务器系统的这样的系统在若干方面是有用的。下面图示一些示范性用例。
如上所述，存在当正处理流体时暴露出来的若干诊断挑战。首先，如同流场中的污泥沉积、流量传感器的堵塞等问题可很大程度上影响现场数据的正确表示的可靠性。而且，由于固定粘合剂在温度循环下劣化，装配到加热表面的热电偶可能移位。因此，存在对于一种用来确保安装在处理管线/设备中的传感器的可靠性的系统和增强流量计的需要。其次，本发明还提供了克服与测量如同流体粘度和核心流体温度的某些参数相关联的挑战。
在本发明中，提出使用如同CFD (计算流体动力学)模型的有限元模型以监测和诊断/研究与流过流量计的流体相关的过程。作为第一步，通过管线的流体的模型利用采用流量计测量的参数来创建并且定制为工厂中的一个或多个条件。使用实验室实验或根据在现场处进行的测量(一次或周期性)验证该模型。验证的模型是灵活的，以模拟过程工业中的任何子系统(例如，管道和/或设备，诸如测量装置、传感器、换能器、沿着管道的值)。将通过比较模型和实际测量之间的总体趋势来解决上述第一个挑战，即，传感器可靠性。第二个挑战(由于不可接近性而不可能被测量的参数的估计)将通过使用迭代算法、使用几个测量来操作模型而被解决。换句话说，该模型将被嵌套在迭代算法中，以用于确定诊断参数。参数不限于粘度和压力，而可以是对于诊断重要的任何参数。
该模型将是通用的，以适应系统设计(例如特征的结合、形状/尺寸变化)以及过程参数(例如流速、入口温度的变化)的任何变化。另外，模型将具有用来预测参数随时间的变化的能力，以便使校正动作能够以最小停机时间为代价被采取。该模型在远程服务器中可用，并且用于在服务器中对工厂中的条件进行模拟。
在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了可以被实践的特定实施例。这些实施例被足够详细地描述以使本领域技术人员能够实践实施例，并且要理解，可以利用其它实施例。因此，以下详细描述不要在限制的意义上被进行。
图1示出了用于监测经过流量计110的流体的物理参数的系统100。图1示出了安装在工厂120中的系统，该工厂120可以是采用管线的例如油和气、材料加工、发电、食品加工等的工业的一部分。传感器130在安装的工厂120中。安装在工厂中的传感器130、流量计110和其它装置(例如，其它现场装置、智能I/O和控制系统中的控制器)通过网关装置通信地连接到远程服务器140。远程服务器140可以是远程托管的基于云的系统服务器场/数据中心或数字平台。流量计110还包括存储器170，所述存储器170用于存储来自测量的信息、处理的信息或从服务器接收的任何数据。
本领域技术人员可能知道的是，网关装置和流量计以及传感器可以通过通常用于现场装置通信的协议(HART、Profibus等)以及用于过程控制的对象链接和嵌入——统一架构(OPC-UA)协议来通信。除了现场装置级连接之外，网关装置还可以能够在其它通信层(例如，连接控制系统的控制器的控制网络层，以及连接操作员/工程站的企业层)处通信地连接。在其中网关连接在不同于现场装置层的层中的情况下，通过部署在控制系统中的控制器/服务器来传递(发送和接收)流量计和传感器数据。
服务器140使用虚拟模型150执行模拟。服务器140接收基于由流量计执行的测量的流量计数据(第一处理数据)。流量计数据可以作为由流量计产生的直接测量数据而获得，或者/和还可以在使用包括在流量计110中的处理单元160的一些处理(例如参数化、降噪、诸如平均之类的简单统计分析等)之后获得。服务器140还从安装在工厂120中的流量计110附近的一个或多个传感器130接收数据，所述一个或多个传感器130还参与测量流过流量计110的流体的流体相关参数。服务器140使用模型150来执行各种模拟和计算，稍后利用示范性用例来说明这些模拟和计算中的一些。为了模拟和计算的目的，模型被提供有来自流量计110的数据(第一处理数据)和/或来自安装在工厂中的传感器130的数据。在服务器处执行的模拟和计算的一个或多个结果和/或报告(第二处理数据)被传递到流量计。一个或多个结果还可以被传递到工厂中的控制室160或任何其它装置(例如，可以是手持/移动装置的HMI170)。
本发明的工作利用一些示范性用例来说明：
1. 非侵入性粘度测量：图2提供了在远程服务器中使用模型(计算流体动力学(CFD)模型)进行粘度计算的流程图。该模型用于模拟和计算。使用用于计算粘度(第二处理数据)的嵌套迭代算法来执行模拟。压降和速度数据(第一处理数据)在安装在工厂中的流量计中被测量/处理(步骤210)。使用流体粘度的初始值(推测值)进行使用模型的模拟(步骤220)。将由模型计算的压力与测量/处理的数据(压降和速度)（即第一处理数据）进行比较。在任何不匹配的情况下，粘度的推测值被细化，并且模型被重新运行。此外，将从CFD模型获得的模拟数据(压降/速度)与利用工厂中的流量计获得的测量/处理值进行比较。这样，循环继续，直到误差减小到零或最小化到可接受的水平(步骤230)。当误差减小到零或最小化到可接受的水平时的粘度值是流经工厂中的流量计的流体的粘度或流体粘度的估计。可以以规则的时间间隔执行该模型，并且可以在服务器中监测/报告粘度随时间的变化，或者将其传递到工厂中的流量计或控制室。
2. 非侵入式温度测量：该用例示出了迭代温度测量算法，其结合了在远程服务器中使用的CFD模型。流体速度(第一处理数据)利用工厂中的流量计测量，并且管道表面温度(传感器数据)还利用工厂中的传感器测量，并且可用于服务器中的模型。类似于用于粘度测量的上述用例情形，流体入口温度(第二处理数据)可使用CFD模型来估计，其中模拟从猜测值开始执行。而且，CFD模型可以用于自动计算管道中的流体核心温度或跨管道的横截面或沿着管道几何形状的任何其它温度分布(管道和现场基础设施CAD模型被用作供由CFD模型进行的模拟的输入)，其可以用于如针对任何工业用途所需的诊断。第二处理数据(温度估计)可以被提供给工厂中的一个或多个装置(例如，流量计)。
3. 检查现有传感器的可靠性/验证：如在使用虚拟模型和来自工厂的测量/处理数据(第一处理数据)进行粘度和温度估计的早期用例中所图示的，可以通过本发明中描述的系统来确定与流体相关联并且由模型支持的任何参数(即，使用模型进行的模拟可以利用作为输入提供给模型的测量/处理数据来执行，以估计感兴趣的参数)。通过将来自工厂中使用的流量计/传感器的测量/处理数据与使用模型获得的模拟数据进行比较，通过模拟进行的这种估计(第二处理数据)也可以用于验证工厂中使用的传感器的性能或传感器的可靠性，以验证和交叉检查工厂中使用的流量计/传感器的可靠工作。模拟也可以针对复杂的管道结构(例如弯管)执行，并且可以获得感兴趣的参数(第二处理数据)的处理/模拟的估计。第二处理数据被传递到工厂中的一个或多个装置(例如，流量计)。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来描述本文主题，并且还使本领域的任何技术人员能够制作和使用所述主题。本主题的可取得专利范围由权利要求书来限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们处于权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种流量计(110)，所述流量计(110)用于监测经过安装在工厂(120)中的所述流量计(110)的流体的物理参数，并且通过至少一个网关装置通信地连接到具有虚拟模型(150)的服务器(140)，所述流量计(110)包括：
至少一个处理单元(160)，所述至少一个处理单元(160)用于计算与由所述流量计(110)测量的所述流体相关联的至少一个物理参数的第一处理数据，其中所述流量计(110)从具有所述虚拟模型(150)的所述服务器(140)接收第二处理数据；
其中所述虚拟模型(150)通过基于所述第一处理数据和来自所述工厂(120)中提供的至少一个传感器130的数据而计算所述第二处理数据来提供所述第二处理数据。
2.根据权利要求1所述的流量计，还包括存储器，所述存储器用来存储第一处理数据、测量数据和所接收的第二处理数据中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的流量计，所述流量计通信地连接到至少一个人机接口。
4.根据权利要求1所述的流量计，其中所述虚拟模型是有限元多重物理量模型。
5.根据权利要求1所述的流量计，其中所述第二处理数据是在所述服务器处执行的计算的报告和/或模拟的报告，和/或计算的结果和/或模拟的一个或多个结果。
6.根据权利要求1所述的流量计，其中所述第二处理数据是粘度的计算值。
7.根据权利要求1所述的流量计，其中所述第二处理数据是流过所述流量计的流体的温度的估计。
8.一种用于监测经过具有流量计的工厂中的管道的流体的物理参数的系统，所述流量计通过至少一个网关装置通信地连接到包括在所述系统中的具有虚拟流量计模型的服务器，其中所述服务器接收：
来自包括在所述流量计中的至少一个处理单元的基于测量的第一处理数据，以及
来自至少一个传感器的数据，所述至少一个传感器连同所述流量计一起连接，以用于测量与经过所述流量计的所述流体相关联的物理参数；
并且其中所述服务器使用所述虚拟模型基于来自所述流量计的所述第一处理数据和来自所述至少一个传感器的所述数据来计算第二处理数据，并且所述服务器将所述第二处理数据提供给所述工厂以用于监测。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二处理数据在所述工厂中被提供给流量计、控制室、移动/手持装置中的至少一个。
10.根据权利要求8所述的系统，其中使用基于OPC-UA的协议和数据模型来传递所述第一处理的数据和所述第二处理的数据。
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