CN204960916U - 流量计和过程控制变送器 - Google Patents
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Abstract
一种流量计，包括过程传感器配件，该过程传感器配件提供传感器信号；以及滤波级，该滤波级与过程传感器配件相连，该滤波级包括低通滤波器和高通滤波器，并且根据传感器信号提供滤波的信号。诊断模块与该滤波级相连，并且确定滤波的信号指示针对第一流体的低流量状况，响应于该低流量状况而改变低通滤波器的至少一个参数以及高通滤波器的至少一个参数，使得滤波级提供新的滤波的信号，确定新的滤波的信号未指示针对第二流体的低流量状况，并且响应于新的滤波的信号未指示针对第二流体的低流量状况而生成警报。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于2014年5月9日提交的美国临时专利申请No.61/991,215的优先权，并且要求其权益，其内容通过引用的方式完整地并入本文。
背景技术
油井使矿物燃料从地下来到地面。在很多井中，井的输出包括油、天然气、水和诸如沙或淤泥等的固体物料的组合。分离器位于陆上井场和近海平台上，并且用于将油和天然气彼此分离以及将油和天然气与水和固体碎片分离。
存在很多类型的密度分离器，但是它们均通过使用重力和乳化剂层分离井输出的组成部分来以相同的方式工作。具体地，分离器减慢流体流动以允许更重的沙和水与油分离。水和固体物料通过乳化剂层，而油保持在乳化剂层的顶部。在油上方设置允许天然气与油分离的空间。可以设置一个或多个雾转化器以收集可能在天然气中悬浮的油滴。
分离器包括使井的输出进入分离器的流入管、天然气输出管、油输出管和水输出管。如果油位或水位下降太慢，则天然气可能流入油输出管或水输出管。为了防止这种情况，一些分离器在油输出管和水输出管上放置阀门，该阀门被设计为当油位或水位太低时闭合。然而，由于在分离器的流入物中存在沙或其他碎片，因此这些阀门容易卡住。有用的是，确定气体是否存在于场流中，使得可以采取步骤以防止天然气进入油输出管。
实用新型内容
本实用新型的实施例解决了与流过导管的流体的某些异常相关联的问题。更具体地，本实用新型的实施例解决了以下情形：导管被设计用于承载一种类型的流体，但该导管在第二类型的流体流过时容易受到影响。本实用新型的实施例检测被设计用于承载一种类型的流体的导管何时承载第二类型的流体。例如，本实用新型的实施例能够确定被设计用于承载液体的导管何时承载气体，或者被设计用于承载气体的导管何时承载液体。
一种流量计，包括：过程传感器配件，该过程传感器配件提供传感器信号；以及滤波级，该滤波级与过程传感器配件相连，该滤波级包括低通滤波器和高通滤波器，并且根据传感器信号提供滤波的信号。诊断模块与该滤波级相连，并且确定滤波的信号指示针对第一流体的低流量状况；响应于该低流量状况，改变低通滤波器的至少一个参数和高通滤波器的至少一个参数，使得滤波级提供新的滤波的信号；确定新的滤波的信号未指示针对第二流体的低流量状况；以及响应于新的滤波的信号未指示针对第二流体的低流量状况，生成警报。
一种过程控制变送器，包括：传感器配件，该传感器配件基于过程环境中的流体状况生成传感器信号。滤波级从传感器配件接收传感器信号，并且向传感器信号应用低通滤波器和高通滤波器以产生滤波的信号。诊断模块从滤波级接收滤波的信号，并且基于滤波的信号的改变来改变低通滤波器和高通滤波器，使得滤波级产生新的滤波的信号。然后，当新的滤波的信号指示在过程环境中存在不需要的流体时，诊断组件设置警报状态。
本实用新型的实施例产生了以下效果：能够确定被设计用于承载某种流体的导管中是否存在不同种类的流体。
提供了实用新型内容和摘要，从而以简化的形式介绍构思的选择，下面将在详细描述中进一步描述构思。该实用新型内容和摘要并不旨在详细说明要求保护的主题的关键特征或实质特征，也不旨在用于帮助确定要求保护的主题的范围。
附图说明
图1是分离器的横截面图。
图2是根据一个实施例的流量计的框图。
图3是液体的传感器信号的频率响应、气体的传感器信号的频率响应、针对液体设置的滤波级的频率响应、以及针对气体设置的滤波级的频率响应的图形。
图4是根据一个实施例设置警报的方法的流程图。
图5是根据第二实施例的流量计的框图。
图6是根据第二实施例设置警报的方法的流程图。
具体实施方式
下面所述的实施例提供了一种诊断模块，当诊断模块检测到被指定为运送一种流体的导管实际上运送第二种液体时，触发警报。例如，诊断模块能够确定被指定为运送液体的导管何时正在运送气体，并且能够确定被指定为运送气体的导管何时正在运送液体。诊断模块通过以下方式来做出这些确定：监控滤波的信号以确定针对被指定给导管的液体是否存在低流量状况。当感测到低流量状况时，诊断模块改变用于对传感器信号进行滤波的滤波器参数。具体地，诊断模块使用被设计用于隔离与第二流体相关联的传感器信号的滤波器参数。如果使用新的滤波器参数移除了低流量状况(这将在第二流体正在导管中流动的情况下发生)，则诊断模块生成指示导管正在运送第二流体而不是指定给导管的流体的警报。
图1提供了可以在其中利用各个实施例的流量计102和104的示例性环境100。环境100包括分离器油箱106，分离器油箱106能够将流入物108分离为各种组成部分，包括：水110、油112、以及气体114。在一些实施例中，流入物108可以来自井口。
分离器油箱106包括进口挡板116和消声挡板118，进口挡板116和消声挡板118用于减小流入物108的速度以允许流入物108的组成部分相互分离从而形成气体层122、油层124和水层126。雾垫120收集气体层122中存在的水和油滴，并且使所收集的油和水落入油层124和水层126。油层124和水层126流向堰128，堰128将油层124与水层126分离。具体地，油层124在堰128的顶部流入储油室130。水层126在储油器130下方流入储水室132。
储油室130中的油位是由液位控制器134和阀门136来控制的。当液位控制器134下降时，阀门136闭合以防止流体流过阀门136。液位控制器134的示例包括机械控制器、气动控制器和电子控制器。当正确操作时，液位控制器134应当在油位下降至下导管138的进入口以下时完全闭合阀门136，从而防止气体114流过输出导油管140。防止气体流过导管140是重要的，这是因为这种气体是宝贵的并且如果未被正确处理则可能是危险的。
储水室132中的水位是由液位控制器142和阀门144来控制的。当储水室132中的水位下降时，液位控制器142闭合阀门144以防止流体流过输出导水管146。液位控制器142可以是机械控制器、气动控制器、或电子控制器。通过闭合阀门144，液位控制器142防止气体114在室132中的水110下降至下导管148的进入口以下时流过导管146。这防止气体进入储水箱，从而防止损失宝贵的气体并且防止爆炸气体在储水箱内增长。
由于流入物108中的沙和正常的磨损，阀门136和144可能在开口位置处卡住。当该情况发生时，气体流过导管140和146。在下面所述的实施例中，流量计102和104检测该气体流量并且提供警报使得位控制器和/或阀门可以得到修复。
图2提供了根据一个实施例的流量计的框图。在图2的实施例中，流量计是涡流流量计210，涡流流量计210包括用于调节传感器信号233的电子设备220。电子设备220增加信号233的信噪比，并且产生表示流量的4-20mA电流形式的模拟信号和频率与传感器信号233的频率成正比的方波输出Fout。
电子设备220可应用于必须对宽动态输入频率范围做出响应的现场安装的过程控制仪器。电子设备220特别适合于响应于输出表示的变量的功率来感测物理参数的测量计。例如，涡流流量计和涡流式流量计通过感测频率与流量成正比的幅度调制压力信号来测量流体流量，并且输出表示流速的信号。
液体或气体223流过管道222。在图1中，管道222是用于油的管道140和用于水的管道146。其中具有阻流体226的涡流计外壳225位于管道222中。当流体223流过主体226时，产生具有表示流量的频率的脱落涡流(sheddingvortices)228。阻流体226或其子部分响应于由于涡流脱落引起的阻流体两端的压力差而移动。例如，通过在229处示出的压电传感器来感测移动。通过电压源ES和串联电容器CS来对传感器229进行建模。压电传感器的输出信号的幅度与差分压力成正比，差分压力与ρV2成正比，其中，ρ是流体密度，V是流体223的速度，并且差分压力还与ρD2F2成正比(当脱落条(sheddingbar)的大小与管道直径之比保持恒定时)，其中，D是测量计外壳225的内径，F是脱落频率。
压电传感器输出耦合到电荷放大器232，电荷放大器232包括电容器CF和电阻器RF，并且输出涡流传感器信号233。涡流计外壳225、阻流体226、传感器229和电荷放大器232一起提供过程传感器配件。
传感器信号233被输入到滤波级235，滤波级235由低通滤波器234、高通滤波器236以及施密特触发器242构成。可调双极点低通(下文中的LP)滤波器234调节信号233以移除不期望的高频噪声。LP滤波器234的转折被设置在管道222中预期运送的流体期望的最低流频率或者略微低于该最低流频率。
因为涡流信号233的幅度实质上与流体223的速度的平方成正比地改变，并且滤波器234针对高于滤波器的低频转折的频率具有1/F2响应，在高于所选低频转折的频率处，滤波器234的输出实质上是恒定的或者平坦的。该平坦现象是期望的，这是因为其衰减了在比它衰减涡流传感器信号233的频率和幅度更高频率和更高幅度处出现的噪声，并且在给定流范围提供了更一致的信噪比。因此，由于平坦现象，LP滤波器234防止了流量计不必要地对在比信号233更高频率和更高幅度处的噪声做出响应。
高通滤波器236衰减LP滤波器234未衰减的低频噪声，并且产生信号241。由于滤波器234的两个极点在从LP转折到HP转折的频率范围内的有效损失，因此滤波器236的频率响应具有四个极点。HP转折频率通常大于LP转折频率，以针对低频噪声提供更大的抗扰度。在没有滤波器236的情况下，当低频噪声的幅度大于传感器信号的幅度时，存在于HP滤波器234的输出处的低频噪声在高流速时将特别麻烦。
施密特触发器242使HP滤波器236的输出成正方形以产生方波信号244，方波信号244的频率实质上等于传感器信号233的频率。触发器242的输出改变状态的电压是基于触发水平仪(triggerlevel)245来设置的，使得幅度低于触发水平仪245的信号241不会在施密特触发器242的输出处产生交变信号。
滤波级235可以在两种不同的模式下操作，一种模式针对第一流体，而另一种模式针对第二流体。例如，滤波级235可以在一个模式下针对液态水操作，并且在第二模式下针对烃气操作。在另一示例中，滤波级235可以在一个模式下针对油操作，并且在第二模式下针对烃气操作。在另一示例中，滤波级235可以在一个模式中针对水蒸气操作，并且在另一模式中针对液态水操作。在下面的讨论中，与第一操作模式相关联的流体被称作流体1，并且与第二操作模式相关联的流体是流体2。流体1和流体2可以均为液体，可以均为气体，或者一个可以为液体而另一个为气体。此外，如果流体1和流体2并非均为液体或均为气体，则它们可以表示相同物料的不同状态。例如，流体1可以是水蒸汽而流体2是液态水。通过调整低通滤波器参数存储设备238、高通滤波器参数存储设备240中的滤波器参数和触发水平仪245中的触发电平来设置滤波级235的模式。
图3提供了针对液态水和烃气的低通滤波器234和高通滤波器236的频率响应的图形。在图3中，沿着垂直轴300示出了信号幅度，并且沿着水平轴302示出了信号频率。频率和幅度均是以对数尺度示出的。图形304示出了针对液态水设置的低通滤波器234和高通滤波器236的组合的频率响应。在图形304中，部分306提供了高通频率响应，并且部分308提供了低通频率响应。线310提供了针对液态水的传感器信号233的预期频率响应。在图3中，当低通滤波器234和高通滤波器236均是针对液态水模式设置的时，通过低通滤波器234和高通滤波器236的组合来衰减传感器信号233的低于图形304的部分。
图3的图形312提供了当低通滤波器234和高通滤波器236均是针对烃气设置的时两个滤波器的组合的频率响应。图形312的部分314提供了由于高通滤波器236引起的频率响应，并且部分316提供了针对低通滤波器234的频率响应。在图3中，线318提供了烃气的传感器信号233的频率响应。线318的低于图形312的部分将被滤波以形成滤波的信号241。
图4提供了使用图2的流量计以在除了指定的流体之外的流体通过导管222时设置警报的方法的流程图。
在图4的步骤402，启用诊断模块260。诊断模块260接收施密特触发器242的输出244。输出244的频率指示流体流过导管222的流速。在步骤402，LP滤波器参数存储设备238、HP滤波器参数存储设备240中的滤波器参数以及触发水平仪245中的触发电平均是针对流体1设置的，流体1是已经被指定给导管222的流体。此类流体的示例包括液态水、液态油和水蒸汽。根据一个实施例，诊断模块260通过将低通滤波器参数存储设备238、高通滤波器参数存储设备240和触发水平仪245中的值设置为存储器262中存储的参数值来设置这些值。具体地，诊断模块260将流体1LP滤波器参数264置于LP滤波器参数存储设备238中、将流体1HP滤波器参数266置于HP滤波器参数存储设备240中、并且将流体1触发电平268置于触发水平仪245中。
在步骤404，诊断模块260基于施密特触发信号244的频率来检测低流量状况。根据一个实施例，诊断模块260将信号244的频率与存储在存储器262中的流体1低流量截止值270进行比较。流体1低流量截止值270与被指定存在于导管222中的流体相关联。注意，流体1触发电平268用于测试经滤波的传感器信号的幅度并且将在经滤波的传感器信号的幅度下降至触发电平268以下时使信号244的频率下降至0。因此，低流量状况基于经滤波的传感器信号的幅度和频率二者。
当在步骤404检测到低流量状况时，诊断模块260在步骤406调整滤波级235的滤波器设置和触发电平。具体地，诊断模块260使用存储器262中的流体2低通滤波器参数272来替换存储设备264中的流体1低通滤波器参数。诊断模块260还使用存储器262中的流体2高通滤波器参数274来替换存储设备266中的流体1高通滤波器参数。流体2低通滤波器参数272和流体2高通滤波器参数274与由于过程异常而可能在导管222中发现的流体相关联。例如，当导管222被指定用于运送油或水时，流体2低通滤波器参数272和流体2高通滤波器参数274可以是与烃气相关联的参数。备选地，当导管222被指定为运送水蒸汽时，流体2低通滤波器参数272和流体2高通滤波器参数274可以与液态水相关联。流体2低通滤波器参数272和流体2高通滤波器参数274不限于针对这些示例性流体的参数，并且可以基于可能在过程异常期间在导管222中发现的任何流体来选择滤波器参数。
诊断模块260还存储存储器262中的流体2触发电平276作为针对施密特触发器242的触发电平245。流体2触发电平276可以低于或高于流体1触发电平268。
在步骤408，诊断模块260通过选择流体2低流量截止278来选择新的低流量截止水平。流体2低流量截止278表示与针对导管222中的流体2的低流量状况相关联的信号244的频率。
因此，在步骤406和408之后，滤波级235和诊断模块260均被配置为对针对流体2的传感器信号233进行滤波，并且根据滤波的信号244来确定流体2的低流量状况。在步骤410，通过滤波级235对传感器信号233进行滤波以形成滤波的信号244，诊断模块260检查滤波的信号244以确定针对流体2是否存在低流量状况。在图2的实施例中，在步骤410滤波的传感器信号233是传感器信号的与在步骤404用于确定针对流体1的低流量状况的传感器信号的不同部分。因此，步骤404和410检查传感器信号233的不同时间部分而不检查传感器信号233的相同部分。
如果在步骤410针对流体2存在低流量状况，则如步骤412所指示的，在导管222中未检测到流体流动。注意，流体2触发电平276用于测试经滤波的传感器信号的幅度并且将在经滤波的传感器信号的幅度下降至触发电平276以下时使信号244的频率下降至0。因此，低流量状况基于经滤波的传感器信号的幅度和频率二者。
响应于针对流体2的低流量状况，诊断模块260将低通滤波器参数存储设备238、高通滤波器参数存储设备240中的滤波器参数和触发水平仪245中的触发电平分别重置为流体1低通滤波器参数264、流体1高通滤波器参数266、和流体1触发电平268。此外，诊断模块260将低流量截止重置为流体1低流量截止270。进入状态412不是错误状况，而是取而代之地指示导管222的阀门(例如，针对导管140的阀门136或针对导管146的阀门144)已经闭合。
如果在步骤410已经移除低流量状况使得针对流体2不存在低流量状况，则图4的过程在步骤414继续，在步骤414，诊断模块260使用时钟248等待诊断等待时间280。提供诊断等待时间280以确保已经移除低流量状况并且流体2实际上正在流过导管222。在诊断等待时间280已经到时之后，诊断模块260在步骤416再次测试针对流体2的低流量状况。如果低流量状况再现，则在步骤418，诊断模块260将滤波级235重置为流体1低通滤波器参数264、流体1高通滤波器参数266和流体1触发电平268。诊断模块260还关闭诊断模块260已经设置的任何警报，如下文进一步描述的。此外，诊断模块260将低流量截止重置为流体1低流量截止270。
如果在步骤416不存在低流量状况，则流体2正在流过导管222，并且在步骤420诊断模块260指示输出电路252和脉冲调节电路250输出警报值。例如，诊断模块260可以指示输出电路252将模拟输出290上的电流设置为警报电流值，该警报电流值作为模拟警报状态294存储在存储器262中。诊断模块260可以指示脉冲调节电路250将脉冲输出292上的频率设置为警报频率，该警报频率作为脉冲警报状态296存储在存储器262中。此外，诊断模块260可以使表示警报的数字消息经由数字协议(例如包括数字信息被调制到4-20mA电流上的通信协议、基金会现场总线(FoundationFieldbus)或过程现场总线(Profibus)通信协议等)或通过无线通信协议(例如，符合IEC62591的通信协议)被发送。
在步骤422，如果诊断模块260被配置为锁存警报状态，则诊断模块260返回步骤420，使得诊断模块260将保持在警报状态，直到诊断模块260被外部重置为止。如果在步骤422诊断模块260未被配置为锁存警报状态，则诊断模块260返回步骤416以确定针对流体2的低流量状况是否已经发生。如果仍然不存在针对流体2的低流量状况，则诊断模块260返回步骤420以再断言警报并且重复步骤416、420和422，直到针对流体2存在低流量状况为止。当针对流体2存在低流量状况时，诊断模块260在步骤418继续，在步骤418，它移除由输出电路252和脉冲调节电路250提供的警报信号，并且将滤波级235恢复至流体1滤波器参数和触发电平。
图5提供了流量计510的备选实施例的框图，并且图6提供了使用流量计510设置警报的方法。在图5中，与图2公共的元件被类似地编号并且未单独地讨论。
在图5和图6中，在步骤600，不是向流体1滤波级和流体2滤波级提供传感器信号233的不同部分，而是向流体1滤波级535和流体2滤波级575并行地提供该传感器信号。流体1滤波级535包括流体1低通滤波器534、流体1高通滤波器536和流体1施密特触发器542，其均被配置为对由流体1通过导管222所产生的传感器信号进行滤波。流体2滤波级575包括流体2低通滤波器570、流体2高通滤波器572、和流体2施密特触发器574，其均被配置为对响应于流体2通过导管222而产生的传感器信号233进行滤波。
与在上面的示例中一样，流体1和流体2可以是包括任意类型的液体或气体的任何流体。在一个示例性实施例中，流体1是油或水，并且流体2是烃气。在另一示例性实施例中，流体1是水蒸汽，并且流体2是液态水。
来自流体1施密特触发器542的滤波的信号544和来自流体2施密特触发器574的滤波的信号576均被提供给诊断模块560。在步骤602，诊断模块560使用存储器262中的流体1低流量截止270和流体2低流量截止278来确定是否针对流体1而非针对流体2存在低流量状况。在步骤602，诊断模块560可以使用时钟248在诊断等待时间280期间检查流体1和流体2的低流量状况。因此，针对流体1而非针对流体2的低流量状况必须在整个诊断等待时间280持续，以在步骤604使诊断模块560设置警报。
注意，流体1触发电平用于测试经滤波的传感器信号的幅度，并且将在经滤波的传感器信号的幅度下降至流体1触发电平以下时使信号544的频率下降至0。类似地，流体2触发电平用于测试经滤波的传感器信号的幅度，并且将在经滤波的传感器信号的幅度下降至流体2触发电平以下时使信号576的频率下降至0。因此，低流量状况基于经滤波的传感器信号的幅度和频率二者。
如果在步骤602针对流体1而非针对流体2存在低流量状况，则诊断模块560在步骤604中通过脉冲调节电路250和输出电路252在脉冲输出292和模拟输出290中设置警报。此外，诊断模块260可以使表示警报的数字消息经由数字协议(例如包括数字信息被调制到4-20mA电流上的通信协议、基金会现场总线或过程现场总线通信协议等)或通过无线通信协议(例如，符合IEC62591的通信协议)被发送。如果在步骤606诊断模块560被配置为锁存警报状态，则诊断模块560返回步骤604，直到诊断模块560被外部重置为止。如果诊断模块560未被配置为锁存警报，则它返回步骤602以确定是否针对流体1而非流体2存在低流量状况。如果在步骤602针对流体1而非流体2的低流量状况持续，则诊断模块560返回步骤604并且再断言警报。
当在步骤602针对流体1的低流量状况停止存在和/或者针对流体2的低流量状况出现，则在步骤608如果已经设置了警报，则诊断模块560移除该警报。然后，诊断模块560返回步骤600。
流量计210可以使存储器262中的任意值被外部设置，使得流量计210可以被外部编程以与如流体1等的任何流体以及如流体2等的任何流体一起工作。类似地，流量计510的存储器262中的值可以被外部设置。
上文在图2和图5中所述的低通滤波器、高通滤波器和施密特触发器可以用硬件来实现或者可以用处理器来实现。诊断模块260和560也可以用硬件来实现，或者可以用执行计算机可读指令的处理器来实现。
虽然已经参照优选实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员将认识到，可以在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下在形式和细节上进行改变。
Claims (4)
1.一种流量计，包括：
过程传感器配件，所述过程传感器配件提供传感器信号；
滤波级，所述滤波级与所述过程传感器配件相连，所述滤波级包括低通滤波器和高通滤波器并且根据所述传感器信号提供滤波的信号；
诊断模块，所述诊断模块与所述滤波级相连并且被配置为：
确定所述滤波的信号指示针对第一流体的低流量状况；
响应于所述低流量状况，改变所述低通滤波器的至少一个参数和所述高通滤波器的至少一个参数，使得所述滤波级提供新的滤波的信号；
确定所述新的滤波的信号未指示针对第二流体的低流量状况；以及
响应于所述新的滤波的信号未指示针对所述第二流体的低流量状况，生成警报。
2.根据权利要求1所述的流量计，其中，所述流量计是涡流流量计。
3.一种过程控制变送器，包括：
传感器配件，所述传感器配件基于过程环境中的流体状况生成传感器信号；
滤波级，所述滤波级从所述传感器配件接收所述传感器信号，并且向所述传感器信号应用低通滤波器和高通滤波器以产生滤波的信号；
诊断模块，所述诊断模块从所述滤波级接收所述滤波的信号并且被配置为基于所述滤波的信号的改变进行以下操作：
改变所述低通滤波器和所述高通滤波器，使得所述滤波级产生新的滤波的信号；以及
当所述新的滤波的信号指示在所述过程环境中存在不需要的流体时，设置警报状态。
4.根据权利要求3所述的过程控制变送器，其中，所述过程环境包括导管。
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