CN1853098A - 过程诊断 - Google Patents

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Abstract

一种用于工业过程的诊断装置(100)，包括监测电子设备或者诊断电路，其被构造以诊断或者识别条件或者工业过程中的其它的事件。所述系统可以用诸如流量计的过程装置实施，以及在一个示例中是声学流量计。变送器也可以被使用，以及可以观察诸如共振频率的频率响应。

Description

过程诊断
技术领域
本发明涉及用于工业过程中的诊断，特别在一些实施例中，涉及用于检测工业过程中的结垢(fouling)和腐蚀的系统和方法。
背景技术
腐蚀和结垢在许多工业中都是很长时间以来的关注的问题。在过程工业中，腐蚀和结垢导致壁变薄以及流动区域的减小，二者对管、导管、气缸、箱、压力容器等的性能都是有害的。此外，腐蚀和结垢可能导致连接到所述系统的固定设备出故障和失效。根据所述系统，这样的故障成本很高。
采纳了不同的技术，试图在设备发生故障之前用于检测腐蚀和/或者结垢。一种技术涉及将专门的腐蚀和/或者结垢检测装置连接到过程结构的外部，通过所述结构的壁横过流的方向指引超声信号，并检测所反射的超声信号以测量壁厚随时间的改变，这可以是堵塞或者结垢的指示。另外的技术涉及将超声信号指引到填充流体的容器的壁内。超声信号从发射变送器(transduer)传播到接收变送器。所接收的波的分析确定内壁上腐蚀的存在。第三种技术涉及将声学装置引入到流体流中，所述声学装置可以是固定在位或者如在流体中的杂质那样浮动，从所述声学装置可以获得管壁的声波特征(signature)。
此外，一定数目的外部安装的检测装置被提出用于检测固定设备中的噪音特征的改变。本领域公知的是当过程流体流经任何类型的固定设备(锅炉、混合器、换热器、阀门等)，产生过程噪音特征。当发生堵塞、结垢或者腐蚀时，过程噪音特征(noise signature)改变。
不幸的是，传统的结垢和腐蚀检测装置和技术需要专门的设备，所述设备从现有的监测和控制设备分开。这样的设备在添加到现有的监测和控制系统时可能比较昂贵。在本领域内存在对用于检测固定设备的腐蚀和/或者结垢的系统和方法的需求，所述系统和方法不需要专门的设备。本发明的实施例提供了对这些和其它问题的解决方案，并比现有技术提供了其它的优点。
发明内容
一种用于工业过程的诊断装置，包括监测电子设备或者诊断电路，其被构造以诊断或者识别工业过程中的情况或者其它的事件。所述系统可以以诸如流量计(flowmeter)的过程装置所实施，以及在一个示例中是声学流量计。变送器也可以被使用，以及可以观察诸如共振频率的频率响应。也提供了一种方法。
附图说明
图1是根据本发明的实施例检测工业过程之内的固定设备的结垢的具有腐蚀和结垢功能性的声学流量计的简化方框图；
图2是图1的声学流量计的监测电子设备的简化方框图；
图3A、3B显示了根据本发明的实施例的具有声学信号发生器的结垢和腐蚀检测器的简化方框图；
图4A是根据本发明的实施例用于方便低流动过程的声学测量的涡流分离(vortex shedding)板的简化主视图；
图4B是根据本发明的实施例包括图4A的涡流分离板的腐蚀和结垢检测系统的简化透视图；
图5A、5B显示了根据本发明的实施例包括换热器的过程中的腐蚀和结垢检测器的变化；
图6是根据本发明的实施例热电偶套管(thermowell)的外表面上设有用于检测结垢和腐蚀的变送器的热电偶套管的简化横截面视图；
图7A是根据本发明的实施例的具有诊断功能的气动阀的简化方框图；
图7B是用于图7A的气动阀的控制电路的简化方框图；
图7C是根据本发明的实施例用图7A、7B的系统检测阀故障的过程的简化流程图；
图8是根据本发明的实施例在单个装置中执行过程测量和诊断的过程的简化流程图。
具体实施方式
通常，流量计是公知技术，所述流量计利用声学传感器来检测流经管之内的流体中的即时涡流产生和传播。沿着外管壁定位的声学传感器基于通过涡流所产生的声学图案识别和跟踪这样的涡流，并且经过管的流可以基于这些图案进行计算。传统上，这样的声学检测系统需要具有至少每秒3英尺的速度的湍流(turbulent flow)。
本领域公知的是工业过程中的装置趋于产生过程噪音。典型地，现场装置被设计以将传感器从过程噪音隔离或者过滤出现场噪音以从所测量的声学数据取出所需的测量。本发明利用背景或者过程噪音来监测固定设备或者过程装置(诸如涡轮、泵、转子、混合器和其它旋转或者往复设备、换热器、阀、热电偶套管、管路等)的健康状况。通常，由于这样的装置变得有结垢或者被腐蚀，它们的噪音分布改变。更为重要地，当过程装置开始出现故障，在与故障装置相关的过程噪音中检测中有一些不是很明显的改变。这样的过程噪音改变可能在人听觉的可听范围远之上或者远之下的频率范围上开始，但是毫无疑问是声学可检测的。
在一个方面上，本发明典型地利用了被过滤的背景噪音来监测用于声学或者压力变化的过程，这可以是系统的结垢和腐蚀的一种指示。声学流量计具有相关的电路，所述电路包括微处理器、包括用于处理背景噪音的算法的固件升级对于将现有的声学流量计适于监测结垢和腐蚀已经足够。在一种新的声学流量计系统中，电路和/或者软件被提供以监测和检测背景噪音的改变，所述背景噪音可以是结垢和腐蚀的指示。
图1是根据本发明的实施例的过程诊断系统100的简化方框图。诊断系统100包括管102，所述管102具有连接到管102的固定设备104。管102之内的流体流使用声学流量计112测量，所述声学流量计112使用声学检测器106检测通过流体流之内的涡流所产生的声学图案，所述声学检测器106典型地包括三个或者更多的声学传感器。如此处所使用，术语“声学”指的是重复或者非重复压力信号或者振动，其可能或者不能产生在可听的范围之内的频率上，但是毫无疑问是可以检测的。
声学检测器106通过导线110连接到监测电子设备108。监测电子设备108通过通信线路(communication link)116(可以是有线或者无线线路)连接到控制中心114。通常，通信线路116可以是用于通过诸如HART、FIELDBUS或者其它通信标准来进行标准现场装置通信的标准的电缆，诸如标准的2、3或者4线路环(wire loop)。在一些实施例中，诊断系统完全用在诸如线路16的过程控制环之上所接收的功率所提供功率。
通常，管102的壁导致在管102内流动的流体之内形成涡流。连接到管102的外部的声学检测器106检测通过涡流所产生的声学图案。经过管102的流可以从所检测的声学图案来计算。在识别和跟踪涡流的过程中，声学检测器106监测流之内的声学信号。通常，过程噪音通过物理过程结构和流体流承载。不是丢弃与涡流不相干的信息，而是本发明相对基线特征(baseline signature)处理非涡流相关的信息，被测量信息与基线(baseline)不同的程度被用在本发明中以预测过程设备的腐蚀和/或者结垢。
通常，诊断功能通过确定流经正常操作的固定设备的过程流体产生的声学噪音特征来实现。此声学噪音特征可以被存储和用作基线特征。从基线的偏离可以用于预测固定设备的结垢和/或者腐蚀的程度。
声学流量计100连接到与固定设备104相邻的管路102。流量计100的声学传感器被用于传感通过过程流中涡流所产生的声学图案以及通过流经固定设备104的过程流体所产生的声学噪音特征。
在安装时，或者在通过用户所确定的其它时间上，此声学噪音特征被取样并存储作为参考。在操作的过程中，目标装置或者管路的堵塞或者结垢状况可以通过提示过程噪音中的改变检测。如果过程噪音中的改变达到或者超过预定的阈值，可以将警报或者警告放置在输出信号上。
过程噪音特征可以使用任何数目的信号处理或者统计算法来建立。在一个实施例中，快速傅立叶变换(FFT)被用于从所测量的声学信号建立噪音特征。
在一个实施例中，电子设备被共同安置(co-locate)在单个封装中。这些电子设备输入和调节声学传感器信号，以及基于它们的声学图案来识别单个涡流。此外，电子设备提供了在非易失存储器中存储设置值(set-upvalues)的能力。电子设备108最小包括数字处理能力。
在一个实施例中，监测电子设备108包括适于调节声学传感器信号的微处理器，包括抽取来自高噪音环境的信号、校正和设置传感器和相关的监测功能，并产生输出信号。此外，监测电子设备108包括：数字计算能力，具有适当的软件适于通过FFT算法将噪音信号测量进行转换；以及用于将通过FFT算法产生的噪音特征和参考噪音特征(基线特征)进行比较的比较器功能。在可选的实施例中，这些功能通过单独的电路或者软件算法来处理。
在一个实施例中，声学流量计100从固定设备的上游定位，在此实施例中，声学流量计100传感反射的噪音特征。如果特征振幅和/或频率轮廓对于通过流量计100所测量的给定流速改变大于预定量，警报或者警告可以放置在流量计输出信号上以警告控制中心114。
监测电子设备108包括通过外部装置或者通过局部、一体操作人员接口用于设置初始值的输入功能。在优选实施例中监测电子设备108通过数据总线诸如HART、Foundation Field Bus、CAN或者其它数字介质支持双向通信。在另外的实施例中，监测电子设备108通过诸如无线标准802.11(b)、红外信号的无线协议，通过无线电话或者无线链接的简单文本消息等支持双向通信。此通信能力可以被用于设置初始值并输出不同级别的警告危险程度。此外，声学传感器健康程度可以通过通信能力来进行报告。对于此类型的仪表，电子设备典型地不是4-20mA环路供电(looppowered)。但是，如果仪表以触发模式(burst mode)操作，那么环路供电是可行的。
根据本发明的实施例可以被监测的一种类型的固定设备的示例是可旋转固定设备。本领域公知的是旋转设备的声学特征在发生完全故障很短时间之前改变。例如，由于套圈的疲劳而要失效的轴承发出典型的啸声，这和正常的过程特征极大地不同。旋转固定设备的一个示例是泵，以及其连接电机，所述电机旋转，由此发出特征噪音特征。此典型的噪音特征通过集成到流量计100的声学传感器传感，并通过流量计100记录作为在测量、试运行或者操作请求过程中的参考噪音特征。如果旋转设备轴承发生问题，或者如果例如，泵叶片断裂，噪音信号将显著改变。通过周期地监测背景噪音特征(诸如通过来自控制中心112或者通过本地操作人员接口的请求，诸如发射器壳体上的小键盘或者显示器)，声学流量计100可以检测噪音特征中的改变，通过算法(诸如快速傅立叶变换)处理噪音信号，将所处理的噪音信号和所存储的特征比较，如果它们区别大于预定的量，产生警告。在应用了快速傅立叶变换之后通过比较特征，可以很容易识别较高振幅的新频带。
在催化裂化设备(有时也称为“cat cracker”)中，连接到管段(pipesegment)102的声学流量计100可以被用于测量轻馏分流并监测催化裂化设备的健康度，所述管段102连接到催化裂化设备结构上的轻馏分(lightfractions)端口。当噪音图案发生改变或者发生短暂、高振幅噪音事件(诸如当一件陶瓷从催化裂化设备结构断裂时)，警告可以放入到声学流量计的输出信号上。催化裂化设备的堵塞或者结垢状况可以随着从参考值超过预定变化的噪音振幅的减小而被检测。
这样，本发明通过延伸流量计的能力以检测或者预测固定设备或者管路中结垢或者堵塞而比现有技术的声学流量计提供了优点。流量计100使用简单并不需要额外的装置或者超过基本的流量计之外的布线。此外，流量计100可以监测目标装置和用于堵塞和结垢(或者腐蚀)的相关的管路。
图2显示了根据本发明的实施例的过程诊断系统200的详述方框图。诊断系统200包括管段202和连接到管段202的固定设备204。声学检测器206(可以包括多个声学传感器)连接到管段202的外壁并在固定设备204的声学范围之内。通常，声学检测器206可以监测通过诸如固定设备204的装置所产生的噪音的范围根据过程流体的声学可导性、声学检测器206之内的传感器的敏感性以及过程噪音的程度而变化。这样，检测器206相对固定设备204充分靠近地安置，所述检测器206接收通过固定设备204所导致的声学可检测噪音信号。
声学检测器206连接到监测电子设备208，所述监测电子设备208可以或者不容纳在与声学检测器相同的壳体之内。声学检测器206和监测电子设备208通过导线210连接。
通常，声学检测器206监测通过流体流之内的涡流所产生的噪音图案，以及通过管段202的壁的与过程相关的噪音。测量信息经过导线210通至监测电子设备208的数据输入部220并写到输入缓冲221中。信号分离和修饰(grooming)块222从缓冲221中获得测量信息，并从测量信息中获取流信息。信号分离和修饰块222然后产生指示流的输出信号。输出信号被传送到收发器(transceiver)226用于通过通信线路216传输到控制中心214。
测量信息通过变换块223从缓冲221读出，所述变换块223根据算法处理所测量的信息。在优选的实施例中，算法是快速傅立叶变换。变换块223将测量信息处理为表示过程噪音的声学特征。声学特征被传送到比较器块224，所述比较器块224将声学特征与来自存储器228的参考特征进行比较，所述存储器在设置(setup)的过程中被初始化。在一个实施例中，神经网络230与比较器224交互以将所测量的信息与存储在所述存储器228中的基线数据相关联。这样，背景噪音或者与特定的装置相关的噪音的声学改变可以被隔离。改变的幅度是系统或者特定装置的结垢和/或者腐蚀程度的指示。
这样，除了流测量之外，声学流量计可以适于提供过程监测和诊断，而不需要单独的结垢/腐蚀检测器系统。换言之，包括声学传感器的现场装置适于执行两个功能(流测量和过程诊断)，而不需要较大程度的改变。在一个实施例中，神经网络230和存储器228可以通过控制中心214提供，由此允许微处理器224将流的涡流测量从背景噪音隔离并将两部分信号返回到控制中心214用于相对基线信号处理，以确定所述系统中是否发生结垢和/或者腐蚀。这使得可以在监测电子设备中进行软件调节，而不需要改变电路布置。
普通技术人员必须理解图1、2的系统被动地监测在流体流中所产生的过程噪音。此外，必须理解，固定设备(104/204)指的是固定在位(与便携传感器等相对)的系统100/200的物理元件。固定设备104/204可以包括泵、催化裂化设备、混合器、阀、换热器、锅炉或者其它任何连接到工业过程的装置。固定设备也可以指的是容器、导管、管路和箱，或者任何其它与过程相关的结构。
图3A、3B显示了具有主动(active)腐蚀/结垢检测系统的过程诊断系统300的简化方框图。所述系统300包括容纳过程流体的管段302。固定设备304(诸如催化裂化设备、混合器等)连接到管段302。声学检测器306连接到靠近固定设备304的管段302，用于测量管段302之内的过程流体流。声学检测器306通过导线310连接到监测电子设备308。监测电子设备308将信息通过可以是有线或者无线的通信线路314发送到控制中心312和从控制中心312接收信息。
机械‘震性’装置或者声学冲击发生器316(此后称为“声学发生器316”)连接到管段302并适于产生声学信号318。管段302被爆震(pinged)或者被激发，声学检测器306的声学传感器测量管段302的频率响应。沿着管壁的堵塞(build up)和腐蚀可以基于共振频率中所检测的改变而被检测。
监测电子设备308的数字处理功能被用于确定共振频率范围和管部分的阻尼。在初始仪表安装的过程中，参考共振频率和阻尼值通过激励管部分并测量频率响应被建立和存储。本共振频率的测量值和阻尼可以与初始值进行比较。如果初始值改变大于预定的量，声学流量计300产生指示管部分可能的结垢和/或者腐蚀的警告信号。
除了声学冲击发生器316之外，声学发生器316可以是压电换能器元件。在这样的实施例中，共振频率可以在感兴趣的频率范围之上通过驱动声学变送器获得。再次，通过使用声学检测器306的声学传感器来测量频率响应，就可以确定仪表部分的共振频率和阻尼。
必须注意，声学发生器316不需要永久地固定到管部分302，这样相邻的管部分可只通过将声学发生器316移动到相邻的管部分来测试。对于管部分的关键部分，可以安装几个声学发生器或者变送器，这样管路的各关键部分具有声学发生器或者附着到其上的变送器。声学流量计300可以被构造以在单独的时间激励各发生器316，并确定与那个发生器316相关联的管路部分的共振频率和阻尼。如果共振频率偏离大于预定的量，声学流量计300产生那个管部分302中的可能的腐蚀或者侵蚀损坏的警报或者警告。
在优选的实施例，流量计300包括声学检测器，所述声学检测器具有三个或者更多适于倾听流体流之内产生的涡流的声学图案的声学传感器。流基于产生的涡流通过传感器所需的时间而被测量。
在可选的实施例中，声学发生器316将声学信号朝向固定设备304发送到流体流中。表示固定设备304的润湿表面的被反射信号320从固定设备反射回。声学检测器306可以监测被发射声学信号318和被反射信号320。可选地，检测器306可以只测量被反射信号320。在任一情况下，监测电子设备308处理所检测的信号以确定从基线测量的变化。变化的程度然后指示固定设备304的结垢和/或者腐蚀。
在图3A中，声学信号发生器316从固定设备304和从声学检测器306上游定位。声学信号发生器316可以安置在声学检测器306的下游，或者甚至在相同的壳体之内。在优选的实施例中，信号发生器316如图所示安置，以允许检测器306测量所发射的信号318的频率和相位，以及信号的被反射部分的频率和相移(或者设备的共振频率)。
在图3B中，声学信号发生器316(或者激励装置)被定位在从声学检测器306的固定设备304的相对侧面上。声学信号发生器316将声学信号318通过固定设备304发射或者将所述系统激励为共振。声学检测器306或者检测所发射的信号或者测量所述系统的共振频率(如前所述)。所发射的信号318部分反射(如声波320所指示)，并部分通过固定设备304所传输。所传输的信号322朝向声学检测器306传输通过管302之内的过程流体，所述声学检测器306适于测量管302之内的流体流，并且也检测所传输的信号322，所述信号322通过固定设备304。
如前所指示，所传输的信号322通过声学检测器306测量并通过监测电子设备308与所存储的声学特征进行比较。在可选的实施例中，原始的测量数据被传输到控制中心312，在所述控制中心312，数据被处理和与所存储的基线信息进行比较。
通常，在原始的安装状态中，固定设备304可以被形成具有两个传送功能(transfer function)：反射传送功能和透射(transmission)传送功能。各传送功能对于特定的装置是唯一的，所检测的反射或者透射的(transmitted)波形是所述装置的特性特征。结果，所测量的波形可以从特性特征(相位、振幅、频率等)变化，这样所测量的反射/透射反应了固定设备304中的变化，这可能归因于结垢或者腐蚀。这样，所检测的声学特征可以提供用于预测系统300中的腐蚀或者结垢条件的基础。
用于产生和检测主体管部分的共振频率中的改变的系统可以包括用于激发所述管共振非常短的时间周期的装置。基于这样的改变，能够检测共振频率中的改变的压力和/或者声学装置可以用作检测结垢。在优选的实施例中，“收听”装置是压力传感器或者声学流量计。震性或者声学信号发生器是压电驱动机械振荡器，所述振荡器可以被用于激励管共振，或者用于将轻微冲击传递给管的“锤”类型装置。这些装置可以基于磁性螺线管技术或者用于脉冲模式中的压电驱动器。共振检查可以包括被复用(multiplexed)的时间、频率或者码以允许多个部分通过单个仪表评估。任一仪表的主或者辅助电子设备可以用于执行诊断功能。
传统地，在每秒3英尺的速率上或者在超过每秒3英尺的速率上，声学流量计提供了比较合理准确流测量。此限制较大部分是因为这样的事实：在较低流速上所产生的涡流具有较低的能量。这使得它们的特征声音信号更难于从背景过程噪音中分离。
图4A显示了根据本发明的实施例用于在过程流体中引起涡流的分离板400的主视图。分离板400优选地具有环形体402，所述环形体402限定开口404。两个阻挡物406被设置在开口404之内以导致在流体流中产生涡流。固定件开口407可以设置在体402内以在所述过程中提供用于固定板400的固定装置。两个阻挡物406可以是部分阻挡物。在第二实施例中，两个阻挡物406可以横过整个开口(如图中虚线所示)延伸。在第三实施例中，只提供了一个阻挡物。通过将分离板400从声学检测器的上游插入到流体流，声学检测器可以在较低的流速上诸如在每秒1英尺之下保留功能。
图4B显示了具有夹持在凸缘元件412、414之间的分离板400的声学检测器组件408的简化透视图，所述凸缘元件412、414分别连接到管部分410、416。固定件418固定分离板400和凸缘元件412、414。包括三个与流的方向安置成一条线的声学传感器420的声学检测器422被设置在管部分416的外表面上。声学传感器420连接到电子设备424，所述电子设备424适于产生作为流的指示的输出信号以及与检测器422相邻的系统的健康的指示的诊断信号。
在此实施例中，当涡流在其流经各传感器时，流速基于所检测的涡流的传输时间被检测。传感器420之间的时间差和已知的距离提供了计算流速的可靠的基础，所述流速即使在低于每秒3英尺的流速上也是准确的。通过在用于测量的管部分之内的声音传感器的上游引入小齿或者其它小的涡流产生几何形状，就可以用更强的特征声音信号产生涡流。这允许声学流量计技术被延展到较低的流速向下直至靠近每秒1英尺。
图5A、5B显示了换热器系统500的两个实施例。在图5A中，换热器系统500包括换热器502，所述换热器502连接到一端上的疏气器(steam trap)504，以及在另外一端上连接到锅炉508。冷凝物保持箱506在疏气器504和锅炉508之间连接。最后，声学检测器510连接到换热器502的流出口端。
通常，锅炉508将系统500中的液体加热到高温蒸汽，所述高温蒸汽通过管路传输并进入换热器502。换热器502与相邻的过程(未示出)换热，导致蒸汽在交换器内冷却。冷却的蒸汽在疏气器中冷凝为液体形式，流经声学检测器510，并流入冷凝物保持箱506，所述流从所述冷凝物保持箱506被泵回到锅炉508用于重新加热。必须理解所述系统500被简化。与工业热交换系统相同的部件数目出于简洁的目的被省略，诸如废物或者用于自动或者手工排污(blowdown)，以及用于引入“接通(makeup)”水的阀。
锅炉508和换热器502对所述流产生过程噪音。锅炉508使用燃烧器加热水，这也对过程产生噪音。蒸汽本身在其流经所述管时可能增加噪音，以及蒸汽进入交换器502的换热器502也增加反射噪音特征。这些声学信号可以通过声学检测器510检测以确定所述系统的特征噪音特征。典型地，交换器502是最可能经历结垢和/或者腐蚀的元件，以及因此也是声学检测器510最注意的装置；但是，声学检测器510能够监测多于一个的装置。
声学变送器503(如虚线部分所示)可以引入在换热器502和下游元件之间以建立主动的结垢和腐蚀检测器。在优选实施例中，声学变送器503连接到交换器壁，这样变送器与过程流体紧密相邻。变送器503在其和过程流体之间可以具有涂层和/或者绝缘材料用于保护防止腐蚀。声学检测器510中的电子设备产生包含一个或者更多的驱动变送器503的频率的信号。返回到变送器503的信号可以被检测以估计过程流体属性，以及发送变送器503的整体健康度。声学检测器510倾听所产生的声学信号。此信号包含流体属性信息和结垢/堵塞信息。声学检测器510的电子设备将过程流体属性信息从被检测的信号移除，只留下结垢/堵塞信息，然后所述结垢/堵塞信息通过将其减小到通过交换器的等同的声阻而被评估。如果声阻增加超过一阈值，声学检测器510将对控制中心(如图1-3B中所示)产生警报信号。
在此实施例中，声学检测器510包括适于确定流速的电子设备，以驱动声学变送器503(其可以是压电变送器)，以评估返回信号，以及用于当检测到堵塞或者结垢时连通警告状况。
这种类型的主动(变送器驱动)结垢和腐蚀检测系统也可以评估用于主要的属性改变的过程流体。对于一些过程，例如，在碎片的小片(slug)或者更高固体含量的层临时出现在过程流体中，发生了偶尔的不正常。此不正常，如果允许持续的话，可能导致迅速的交换器结垢。此参考声学特征可以被用于检测此属性的主要事件，并对用户(或者控制中心)提供对所检测的事件的特定警告。
这种类型的装置可以被制造这样交换器502中的管组每个包括发送变送器503。在优选的实施例中，这些变送器被取向，这样大多数声学能量被指引通过目标管组。各管组在不同的时间切片期间被评估。由于结垢/堵塞缓慢发生(至少超过多个小时)，这些时间切片可能至几秒而不损失检测的立即性。通过监测管组，区域特定的结垢/腐蚀的检测很容易实现。
必须理解具有声学检测器510的声学流量计可以确定噪音信号的振幅和频率分布。当交换器或者反应器堵塞时，从声学检测器510的交换器的另外一端处、在声学变送器503上产生的过程噪音被衰减。通过检测衰减的程度，检测器510可以预测在交换器以及相关的管路之内结垢或者腐蚀的程度。如果堵塞超过了预设的限度，警告或者警报被产生并例如发送到控制系统。
为了提高敏感性，可以利用额外的上游和下游变送器。流量计的声学检测器510可以利用变送器信号以更为准确地确定过程噪音衰减程度。
变送器503可以设有其自身的电子设备，并可以通过所述电子装置自诊断。传输的信号的一部分将从系统之内的结构反射。所反射的信号可以被用于监测变送器的声学输出信号的强度。当变送器503老化、损坏或者断裂时，此信号恶化或者消失。当此发生时，与变送器503相关的电子设备可以输出其出现故障的警告。如果使用多个变送器503，各变送器503可以包括自诊断电子设备。
此实施例提供了确定交换器结垢的程度作为声学检测器510的可选诊断能力的敏感、预测性方法。本发明允许很容易应用和安装并且不需要提供多个压力/体积分析以提供关于结垢和堵塞的信息。当交换器502服役时，可以执行变送器503和声学检测器510的声学传感器的维护。此实施例的一个特定的优点是交换器502的涂布和结垢被直接检测，而不是从辅助压力体积测量中推断出。此外，对于利用声学变送器503的系统，过程流体属性可以基于信号衰减评估。通过利用现有的声学流量计技术，以这种方式实施诊断系统的成本较低，并且对原始的流量计主要涉及小的增量硬件改变，诸如用于噪音处理的额外的板。
图5B显示了具有定位在锅炉508和声学检测器510之间的温度传感器512的交换器系统500。此外，温度传感器514被定位在声学检测器510和交换器502之间，温度传感器516被定位在交换器和冷凝物保持箱506之间。
温度值可以被监测以确定交换器502的堵塞/结垢已经发生的程度。三个温度传感器512、514、516提供了由于通过交换器502(温度传感器514和516)的过程流体温度以及热交换介质(温度传感器512)的入口温度的改变的测量。这些温度传感器信号，与流速组合，被用于检测交换器效率的改变，所述效率可能有助于涂布、结垢或者堵塞。对于用于流的给定组的值和给定的热交换介质入口温度，横过交换器(T2-T3)以及从锅炉508到交换器514(T1-T2)的入口测量温度差异。初始值被存储在非易失存储器中并随着时间与后续值比较。如果测量的值显示了横过大体上从所存储的差异改变的交换器502的温度变化，可以推断堵塞或者结垢并且可以产生警告。
清洁、适当操作的交换器的热传送特性提供了对于所述系统内任何给定的测量温度、温度下降的改变的评估基础。考虑到一致的过程流体属性，如果测量的值显著与所期望的值不同，那么所述装置可以提供警告或者警报。
声学检测器510也可以倾听声学信号，允许使用声学传感对交换器结垢/堵塞进行冗余检查。如果过程流体属性对于特定的安装变化较大，流体密度传感器518也可以被包括以为了密度改变的效果校正横过交换器502的所期望的温度下降。在一个实施例中，与涡流仪表相似，声学流量计适于直接确定过程流体密度。可选地，可以测量横过交换器的压力差。此压力差与所述温度和经过交换器的流一起被用于估计流体密度。对于大多数液体，与堵塞/结垢相比，流体属性只对流具有较小的影响，这样流体密度经常可以忽略。但是，对于气体，流体属性的改变可以横过交换器产生显著的温度差异改变。当测试作为堵塞/结垢的指示的交换器性能的显著改变时，必须考虑流体属性的这些改变。
与声学检测器510相关联的电子设备接收声学检测器信号510、调节(condition)流传感器信号，以及接收和调节温度传感器信号。电子设备提供在非易失存储中存储参考值的能力。电子设备至少包括数字处理能力，这样流的现在所传感的值、入口温度以及横过交换器504的温度差可以与参考值进行比较。如果交换器性能的下降超过了预定的限值，产生可能发生堵塞/结垢的警报或者警告。
作为冗余措施，可以通过确定来自流经交换器的过程流体的适当操作的交换器的声学噪音信号验证诊断功能。流量计声学传感器都被用于测量通过流体中的涡流所产生的声学图案以及传感在其流经交换器时通过过程流体所产生的声学噪音特征。在安装时，或者其它通过用户所确定的时间上，流噪音被取样并存储作为参考值。在操作的过程中，交换器或者相关的管路的堵塞或者结垢状况可以通过提示噪音的振幅超过了预定的阈值而被检测。
交换器结垢检测系统提供了用于确定交换器结垢的程度的敏感、可预测手段，作为流量计的可选诊断能力。流量计简单并可以很容易实施，诊断通过监测横过交换器的温度差作为结垢/腐蚀的主要指示来实现。流量计和传感器可以在交换器工作时工作。如果使用多个温度传感器，可以进行多个不同的测量，以及温度测量中的变化可以被用于更为准确地检测所述系统之内的结垢区域。通过使用适当的流量计技术或者额外的传感器，可以估计过程流体属性。此外，润湿的组件可以是标准传感器/变送器，这样只有与流量计相关的电子设备是独特的。
图6是根据本发明的实施例热电偶套管600的简化剖视图。传统地，用于温度传感器、特别是用于热电偶套管的相同失效模式是热电偶套管或者传感器的外侧表面的涂布或者结垢。此涂布或者结垢导致传感器的热时间常量的改变，由此“失调”所述控制系统。较差涂布的温度传感器可能导致监测应用中的问题，在所述监测应用中，温度限值在所述过程中可能被超过，但是温度范围之外的报告由于涂布而使得时间常量增加的缘故被延迟。
热电偶套管600包括当涂布或者结垢已经进展到不可以接受的厚度时用于检测的装置。热电偶套管600包括限定用于固定温度传感器604的室的圆柱形体602。温度传感器导线606从变送器(未示出)通过所述室延伸并进入温度传感器。在热电偶套管602的外侧表面608上的涂布/结垢的积聚导致时间常数改变。
为了检测不可以接受的聚集或者结垢，压电变送器610被固定在热电偶套管600之内。在可选的实施例中，变送器可以是磁性、静电、或者其它任何的变送器类型。热电偶套管600的几何形状被构造这样变送器610可以激励热电偶套管600共振。变送器的激励频率通过变化相随的电子设备直到确定并存储热电偶套管600位移的最大振幅。如果热电偶套管600被涂布或者结垢，涂层增加了热电偶套管600的质量，改变了所述热电偶套管600的振荡频率。如果此振荡频率的改变超过了预定的限值，连接到热电偶套管600的变送器将警告或者“注意”信号发送到管理此测量点(或者通常至控制中心)的过程操作人员。
在没有对热电偶套管600涂布或者结垢的腐蚀过程流体中，热电偶套管600的质量在腐蚀过程流体攻击热电偶套管600时随着时间而改变。当腐蚀过程流体蚀痕(pits)或者腐蚀(侵蚀)热电偶套管600的表面时，热电偶套管600的质量减小，由此导致共振频率的改变。预设或者预定的限值可能从基线偏离(加或者减)。
图7A显示了根据本发明的实施例具有诊断功能的气动制动器阀700的简化方框图。对于过程工厂的容量的损失负责的相同失效模式是阀故障，诸如如果阀粘住(stick)、如果阀被粘住(stuck)，或者如果阀杆从插头断开(在插头类型阀中)。另外的失效模式涉及用了一段时间之后阀的气穴现象(cavitation)，这样阀的内部几何形状被严重侵蚀。气穴现象是与横过阀和泵中的压力改变相关的问题，其中形成很小的气泡，然后在流体流经所述装置时随着影响过程流体的压力和温度条件的改变而猛烈地破裂。气泡的破裂可能导致对所述装置的严重腐蚀，即使在较短的时间周期之上。当其发生时，难于检测气穴现象，除了当与气穴现象相关的频率上升到20千赫之上。大多数气穴现象可以通过普通技术人员倾听目标装置或者通过声音传感器或者适于检测变化的专门的电子设备来进行检测。压力和/或者声学传感器可以适于倾听所述过程并检测与气穴现象相关的图案。如果气穴现象事件被检测，用户可以被提醒。初始的气穴现象可能与大于20kHz的频率范围中的装置特征中的改变相关。通过让压力和/或者声学传感器能够测量更高的频率，可以检测并报告初始气穴现象。阀的气穴现象可以产生与大理石彼此撞击相似的声音。此外，I/P或者I/定位器也可能失效，导致看起来发生阀故障。
阀700包括容纳气动致动控制阀704、定位元件706、气动致动器708和在线(on-line)阀诊断装置的壳体702。通常，定位元件706(I/P或者I/定位器)定位控制阀704。致动器708控制定位元件。
气动致动器阀700被安装到每端上具有凸缘元件714的管段712，所述凸缘元件714与相邻的管路718上的凸缘元件716匹配。阀700包括三个压力传感器720、722和724。压力传感器724(对应压力P1)适于测量气动致动器压力。压力传感器720和722(分别对应压力P2、P3)被定位在控制阀704和相邻的管段712之间。通常，压力传感器720和722被定位在垫圈中，测压孔(pressure tap)被定位在控制阀704的任一侧。
通过测量上游压力(P2)、下游压力(P3)和气动致动器压力(P1)，如果阀出现故障，诊断装置710能够提供诊断输出。特别地，上游压力(P2)和横过阀的压力(P2-P3)被监测以确定阀的操作点。至气动致动器的压力也被监测。在适当的(正常的)操作阀中，如果致动压力(P1)被改变，阀操作点(P2-P3)也将改变。由于过程扰动或者需要在不同的操作点上运行所述过程的缘故改变控制环的结果，致动器压力(P1)可能改变。
下游压力传感器722可以被选择以具有较高的带宽，这样其可以以千赫(KHz)的范围传感声频。可选地，具有额外的声学传感器726(如虚线所示)的压力传感器722连接到设置用于压力传感器722的测压孔(tap)。此声学传感器726提供了高频能力，所述高频能力被用于预测/检测气穴现象。
如果至阀700的控制信号通过Foundation现场总线、HART或者将控制环布线通过诊断装置710而对诊断装置710可获得，诊断装置710可以监测用于改变的控制信号，以导致所述致动压力的改变。如果致动中没有发生改变，诊断装置710可以报告定位元件706可能发生故障。
图7B显示了图7A的在线(on-line)阀诊断装置710的简化放大图。如图所示，表压力(gage pressure；GP)传感器(P2)720通过设置在控制阀704的上游的垫圈中的测压孔(pressure tap)来测量过程压力。GP传感器(P1)724测量阀致动器压力。用于致动器压力、上游和下游压力的各所测量的值被提供到A/D转换器730，所述A/D转换器730将原始模拟数据转换为数字输出。数字输出然后传递到微处理器和存储器(诊断逻辑)电路732，所述电路732将数字输出处理为指示阀的健康度的信号。所述信号然后提供到输出电路734，所述输出电路734传输诊断输出。
图7C是根据图7A、7B的实施例的气动致动器阀700的操作的简化流程图。在开始时，诊断装置初始化用于致动器阀压力(P1)、上游压力(P2)、下游压力(P3)以及阀控制信号(C1)的参考值(块750)。一旦参考值被初始化，所述装置检测粘住或者断开的阀(块752-774)。
所述装置测试致动器阀压力(P1)以观察阀改变是否大于2西格马(2σ；sigma)(块752)。如果所述值没有改变超过2西格马(2σ；sigma)，所述装置继续每几秒重新测试致动器阀压力(P1)直到值改变。如果所述值被改变，所述装置等待一、两秒以允许横过阀的压力稳定(步骤754)。然后所述装置测量上游和下游压力(分别是P2、P3)，并计算横过阀的压力(P2-P3)(步骤756)。如果阀操作压力改变(步骤758)，所述装置再次初始化用于致动器阀压力(P1)、上游压力(P2)、下游压力(P3)以及阀控制信号(C1)的参考值(块750)。一旦参考值被初始化，所述装置检测粘住(stuck)或者断开的阀(块752-774)。
如果阀操作压力没有改变，所述装置测试致动器压力(P1)以观察所述致动器压力(P1)仍然改变大于2西格马(2σ；sigma)(块760)。如果不是，所述装置重新初始化用于致动器阀压力(P1)、上游压力(P2)、下游压力(P3)以及阀控制信号(C1)的参考值(块750)。一旦参考值被初始化，所述装置检测粘住(stuck)或者断开的阀(块752-774)。
如果致动器压力(P1)依然改变大于2西格马(2σ；sigma)噪音量(块760)，所述装置等待横过阀的压力的稳定化(块762)。所述装置重新测量上游和下游压力(P2、P3)，并计算压力差(P2-P3)(块764)。所述装置测试看阀操作压力是否已经改变(块766)。如果操作压力已经改变，那么气动阀可能粘住(块768)。如果阀操作压力没有改变(块766)，那么所述装置检查这是不是第四次重试或者致动器压力(P1)是在最小或者最大(块770)。如果任一情况是真，那么所述阀可能粘住或者断开(块772)。如果条件是假，那么所述装置等待一定的时间周期，以允许压力稳定(在大多数情况下几秒就已经足够)(块774)，然后重新测试致动器压力(P1)以看其是否依然改变大于2西格马(2σ；sigma)噪音量(步骤760)。
图7A-7C的实施例提供了确定阀是否粘住或者阀杆是否断开的在线方法(on-line method)，并提供了预测/确定阀是否被气穴化的在线方法。由于所述系统涉及具有取压孔(taps)的三个简单垫圈板，诊断阀系统安装简单并不需要阀体修改或者开孔(tapping)(尽管阀体的开孔是另外的可能实施例)。部分地，所述设置(set-up)是直接的，因为诊断是基于连续升级的阀操作点和气动致动压力。所述装置可以添加到现有的系统上，并可以不获取到DCS、阀I/P、或者定位器控制数据的情况下操作。此外，不需要连续的操作，由此允许较低的功率消耗。每几秒的诊断检查足以验证阀是否发生故障。所述装置不需要通过控制环提供功率。独立的电源是可能的，以及可以经由局部、模拟、HART、FFB、广域网或者任何其它数字总线来进行通信。如果设置点信息对于诊断装置可获得，诊断装置700提供I/P和I/定位器故障检查。压力传感器不需要高性能，但是只要是很可靠。最后，诊断系统700可以被用在任何制造商的所有的带凸缘的阀上，如果阀体被开孔用于压力端口，那么可以被用在无凸缘的阀上。
通常，本发明利用了声谱的内容和振幅的改变，这是过程流设备中的典型问题。声学流量计和压力传感器可以适于检测此声谱内容和振幅。这使得可以使用压力和/或者声学传感能力提供交换器堵塞/结垢诊断，使用压力和/或者声学传感能力来提供气穴现象诊断，在低于每秒3英尺的低流动范围上提供声学流量计量，通过主动地激励管段并将其共振频率与参考值测试来评估结垢或者堵塞。
图8是根据本发明的实施例在工业过程中用于检测结垢或者腐蚀的方法的简化流程图。噪音信号在工业过程的过程流体中测量(块1000)。诊断电路将与涡流相关的声学图案从背景噪音分离(块1002)。诊断装置基于声学图案计算流速以及基于背景(过程)噪音来计算过程噪音特征(块1004)。如前所讨论，背景噪音特征使用诸如快速傅立叶变换的算法来计算。
所计算的过程噪音特征然后与被存储的参考值进行比较(块1006)，所述被存储的参考值与已知良好状态中的系统的过程噪音特征相对应。如果所计算的噪音特征从所存储的参考值偏离超过一个预定的限值，警报信号或者指示被添加到用于传输到控制中心的流测量信号上(块1008)。
尽管本发明参照了优选实施例进行了说明，但是普通技术人员可以认识到在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对形式和细节进行修改。

Claims (25)

1.一种声学流量计，用于测量工业过程中管部分中的过程流体的流速，所述流量计包括：
声学传感装置，所述声学传感装置被构造以连接到管部分并适于测量过程噪音；
监测电子设备，所述监测电子设备连接到声学传感装置的，并适于将过程流体中通过涡流所产生的声学图案从被测量的过程噪音分离，所述监测电子设备适于检测被测量的过程噪音中的改变并基于被检测的改变产生警报信号，所述改变指示工业过程中设备的故障或者恶化。
2.根据权利要求1所述的声学流量计，其中，所述监测电子设备包括：
变换块，所述变换块适于将被测量的过程噪音变换为过程特征；以及
比较器，所述比较器适于将过程特征与被存储的参考特征进行比较以识别所述改变。
3.根据权利要求1所述的声学流量计，还包括：
声学发生器，所述声学发生器连接到管部分并适于在管部分之内产生声学信号。
4.根据权利要求3所述的声学流量计，其中，声学发生器连接到监测电子设备，其中监测电子设备适于通过声学发生器在特定的频率上开始产生声学信号。
5.根据权利要求1所述的声学流量计，还包括：
固定设备，所述固定设备连接到管部分，固定设备在过程流体流经固定设备时产生过程噪音；
其中所述改变是固定设备的腐蚀或者结垢的指示。
6.根据权利要求1所述的声学流量计，还包括：
非易失存储器缓冲，适于存储参考特征，当工业过程的部件适当作用时所述参考特征包括流经工业过程的过程流体的被变换过程噪音信号。
7.根据权利要求1所述的声学流量计，其中，过程噪音包括：
信号，所述信号包括多个频率。
8.根据权利要求1所述的声学流量计，还包括：
神经网络，适于监测被测量的过程噪音和被存储的参考特征之间的比较以及适于确定是否基于从所述参考特征的偏离程度产生警报信号。
9.根据权利要求1所述的声学流量计，还包括：
用于配置预定的限值的外部输入或者局部操作人员接口。
10.根据权利要求1所述的声学流量计，其中，所述管部分被构造以连接到换热器。
11.根据权利要求1所述的声学流量计，其中，包括有源变送器。
12.根据权利要求1所述的声学流量计，其中，包括温度传感器。
13.根据权利要求1所述的声学流量计，其中，包括在过程流体中引入涡流的结构。
14.一种诊断装置，用于检测过程设备中的结垢和腐蚀，包括：
过程设备；
至少一个检测器，用于测量连接到管部分的频率响应；
变送器，所述变送器连接到过程元件并适于将过程元件激励共振；以及
诊断电路，所述诊断电路连接到至少一个检测器和变送器，所述诊断电路适于通过发送到变送器的命令将过程元件触发为共振，并适于处理从至少一个检测器所测量的频率响应，所述诊断电路适于将被测量的频率响应与被存储参考频率响应进行比较，并适于基于被测量的频率响应从被存储的频率响应的偏离产生指示过程设备的健康度的诊断信号。
15.根据权利要求14所述的诊断装置，其中，被测量的频率响应的偏离是过程设备的质量改变的指示。
16.根据权利要求15所述的诊断装置，其中，质量改变是指示腐蚀的质量损耗。
17.根据权利要求15所述的诊断装置，其中，质量改变是指示聚集物的质量的增加。
18.根据权利要求14所述的诊断装置，其中，所述过程设备包括：
热电偶套管，具有用于测量过程流体的过程温度的温度传感器。
19.根据权利要求14所述的诊断装置，其中，所述过程设备包括：
管部分。
20.根据权利要求14所述的诊断装置，其中，所述过程设备包括：
延伸到流体流内的阻挡物。
21.一种监测工业过程中固定设备的健康程度的方法，包括：
测量工业过程的过程流体中的噪音信号；
在被测量的噪音信号中将与涡流相关联的声学图案从过程噪音分离；
基于所述声学图案计算过程值以及基于所述过程噪音计算噪音特征；
将噪音特征与被存储的参考特征进行比较；以及
如果所述噪音特征从被存储的参考特征偏离大于预定的限值，将警报指示添加到用于传输至控制中心的流测量信号。
22.一种诊断系统，适于检测工业过程中固定设备的结垢和腐蚀，所述诊断系统包括：
传感装置，所述传感装置被构造用于测量过程变量并适于被动地或者主动地检测过程信号；以及
监测电路，所述监测电路连接到传感装置并适于识别过程噪音中的频率改变。
23.一种检测工业过程中的过程设备的腐蚀或者结垢的方法，包括：
将机械装置激励为共振；
测量所述装置的共振频率；以及
基于所述装置的共振频率产生指示所述装置的结垢或者腐蚀的警报信号。
24.一种用于工业过程中阀的诊断操作的装置，包括：
第一压力传感器，所述第一压力传感器适于测量上游或者下游压力；
第二压力传感器，所述第二压力传感器适于测量用于控制阀位置的气动流体的压力；以及
诊断电路，所述诊断电路被构造以基于被传感的压力诊断阀的操作。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，第一压力传感器适于传感过程流体中的声频。
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