CN101512298A - 带密度测量的过程设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过程变量变送器(10)，用于测量容器中的过程流体的过程变量，该变送器包括设置以接收容器中的过程流体的第一压强P₁和第二压强P₂的压强联接(166，168)。这些压强与过程流体的密度有关。传感器(204)提供与容器中的过程流体有关的传感器输出。测量电路(202)构造成基于所述第一和第二压强P₁和P₂以及感测到的过程变量来计算容器中的过程流体的算得的过程变量。

Description

带密度测量的过程设备

技术领域

本发明涉及在过程变量的测量中的工业过程控制和监控系统以及这样的系统。特别是，本发明涉及对和流体密度有关的过程流体的过程变量的测量。

背景技术

工业过程用于监控及/或控制工业过程的运行。例如，使用过程变量变送器来测量工业过程的过程变量。过程变量的例子包括温度、压强、液面和流量。在流经导管的过程流体(例如质量流)的箱中的液面通常不是直接测出的，而是由许多过程变量算出的。

例如，在工业过程中，测量流量(Q)的变送器放置在过程控制系统范围中的边远位置。这些变送器将流量信息发送到控制室。该流量信息被用于控制过程的运行。如这里所使用的，过程流体既指液体流体也指气体流体。

在过程控制工业中，一种常见的测量流量的手段是测量越过导管中固定限制件的压降，通常称为差分发生器或一次元件。计算通过差分发生器的流量的一般方程可以写做：

$Q={\mathrm{NC}}_{d}E{Y}_1{d}^2\sqrt{\mathrm{\ρh}}$                   方程1

其中：

Q＝质量流量(质量/单位时间)

N＝单位换算系数(单位改变)

C_d＝流量系数(无量纲)

E＝逼近因子的速度(无量纲)

Y₁＝气体膨胀因子(无量纲)

d＝差分发生器的孔径(长度)

ρ＝流体密度(质量/单位体积)

h＝压差(力/单位面积)

在这个表达式中的各项中，只有作为常数的单位换算系数容易计算。其他项则由较简单到非常复杂的方程所表达。一些表达式包含许多项，并且要求数字提高到非整数幂。这是计算强度很大的工作。

有许多种仪表可以用作测量流量。压差流量计(head meter)是最常见的一种用于测量流体流量的仪表。它们通过借助于对流体流动的阻碍产生和测量压差来间接测量流体流动。使用依赖于所用压差流量计的类型和导管的直径而恰当确定的转换系数，测得的压差可以被转化为质量或体积流量。

一种用于测量压差以确定流量的技术是通过一种平均皮托管型一级元件。一般，用于指示流量的平均皮托管型一级元件由两个感测导管内不同位置处的压强的中空管组成。这些管可以单独安装在导管内或者作为单一器件一起安装在一个壳体内。在序号为4154100，发明名称为“用于稳定带有面向下游的端口的皮托管的流量系数的方法和装置(METHODAND APPARATUS FOR STABILIZING THE FLOW COEFFICIENT FORPITOT-TYPE FLOW METERS WITH A DOWNSTREAM-FACING PORT)”的美国专利中示出平均皮托管的例子。该设计包括测量总压强(P_TOT)的前向管。第二管测量下游压强。如方程2所给出那样，在两个管之间的压差与流量的平方成正比。

$Q={\mathrm{NKD}}^2{Y}_1\sqrt{\mathrm{\ρh}}$                     方程2

其中：

N＝单位换算系数

K＝平均皮托管的流量系数(无量纲)

D＝管直径(英寸)

Y₁＝气体膨胀系数(无量纲)

ρ＝气体密度(lb_m/ft³)

h＝压差(英寸H₂)

基于压强测量的流量的精确计算要求精确测量静压，以便确定方程1中所用的密度(ρ)和气体膨胀系数(Y₁)。然而，在现有技术中的感测静压(P_STAT)的附加传感器笨重、不方便、昂贵并且产生额外的误差源。

发明内容

一种用于测量经过容器的过程流体的过程变量的过程变送器，包括第一和第二压强联接，其安排为接受容器中的过程流体的第一压强和第二压强。这些压强与过程流体的密度有关。二级传感器提供与经过容器的过程流体的过程变量有关的二级输出。测量电路构造成基于所述第一和第二压强以及所述二级输出计算经过容器的过程流体的算得的过程变量。

附图说明

图1示出依照本发明的流量变送器的图示；

图2示出依照本发明的包括用于测量密度的传感器的流量变送器的简化图；

图3示出图1所示的过程管道的前横断面图；

图4示出图1所示的过程管道的侧横断面图；

图5示出用于基于从压差得出的密度测量结果来测量流量的变送器的简化图；

图6示出液面测量构造的侧横断面图；

图7示出图6的联接的前平面图。

具体实施方式

在工业过程中，为了监控和控制应用，经常希望测量与过程流体的密度有关的过程变量。质量流量和产品液面测量是两个此类过程变量。在化学反应控制中，反应物的质量配平和质量流量的配平产生更好的生成物质量控制并提高生产量。针对这一点，发展了许多技术来测量质量流量。但它们都具有某种类型的限制。一种较受欢迎的质量流量技术，例如，科里奥利仪表，其线尺寸较大时实体上较大并且昂贵。这些仪表通常尺寸无法超过6英寸。另一种受欢迎的技术，多变量DP(压差)，要求使用者了解并加入要被测量的产品的状态方程。所需要的是一种质量流量仪表，其使用简单、尺寸按比例增大并且不要求对状态方程的了解。

本发明提供一种用于直接测量过程流体的密度的方法和装置。这种直接测量可以提高液面和质量流量测量的精度，同时还降低对计算的要求。并且，这种结构不要求使用者加入质量流量测量的状态方程。

图1示出控制系统2或过程测量的过程变送器，例如流量变送器10的典型环境。变送器10通过过程控制环14(示出为电压源6和电阻8)联接到控制室24。变送器10通过管道配件或法兰14联接到过程流体容器，例如导管12。导管12在箭头16所指方向上引导流体(例如气体或液体)的流动。

在这个例子中，变送器10提供指示通过导管12流到控制室4的过程流体的流量的输出信号，优选使用最好用穿过柔性线管28的双绞线导体形成的4-20mA双线环14。传送可以依照例如，高速可寻址远程变换器(HART)协议，Foundation^TM Fieldbus，Profibus或者其他标准。可选择的，可以为过程控制环使用各种无线技术。如下面讨论所述，基于密度测定使用已知技术可以确定流量。压差联接24联接到通过脉冲管道30装在变送器10中的压差传感器(在图1中示出)。

在操作期间，如下面要详细讨论那样，变送器10基于过程流体的密度和过程流体的速度而测量经过管道12的过程流体的流量。使用压强联接24确定过程流体的密度。在图1所示的例子中，基于压差确定过程流体的速度，所述压差由放置在过程流体的流路中的障碍物产生。然而，本发明并不限于这种结构。

图2示出过程变送器100的简化结构图，变送器100联接到速度传感器130和密度传感器132(在一些实施例中，元件130和132每个表示多个传感器)，这些传感器可以在变送器100的外壳的内部或外部。来自传感器130和132的输出120被模拟-数字转换器104数字化，并提供给微处理器106。微处理器106在时钟108确定的速率下运行并依照存储在存储器110中的指令运行。存储器110也可以储存永久或临时变量。通过连接124，微处理器联接到与环114联接的环通信器112。

变送器100被用于测量过程变量。速度传感器130和密度传感器132构造成联接到过程，例如图1所示的导管12中包含的过程流体，并提供传感器输出120到模拟-数字转换器104。模拟-数字转换器104提供数字化输出122到微处理器106，所述微处理器106提供过程变量输出124到变送器输出电路，例如环通信器116。过程变量输出124是传感器输出120的函数。

提供图2是用于说明的目的，实际的变送器结构可以改变。例如，由微处理器106完成的功能可以由多个不同的微处理器或电路来完成。在由模拟-数字转换器104进行模拟-数字转换之前，可以处理来自传感器130或132的输出。可以使用数字电路进行附加的补偿步骤。许多功能用硬件或软件，或其结合而实现。图2中所描述的特定结构不应限制本发明的范围，本领域技术人员应认识到该结构可以改变。

如上所述，变送器联接到过程控制环114。双线过程控制环的一个示例输送电流I，其最小值为4mA而最大值为20mA。可以以数字及/或模拟格式传输数据。环通信器116也被微处理器106用于接收来自环114的数据。使用从环114接收到的电力，电源模块118被用于提供电力到变送器100中的部件。在某些类型的变送器中，变送器完全由从环114接收到的电力供电。

在图2中，示出了速度传感器130和密度传感器132。使用例如，图1所示的联接24，密度传感器132可以联接到过程管道12。速度传感器130用于感测或测量经过管道12的过程流体的速度的任何形式的传感器布置。示例包括基于压差的技术，其包括基于越过障碍物或皮托管的压差测量的那些技术、基于科里奥利的技术，其中流中的科里奥利扰动被用于测量速度、基于磁通计的技术(其中向过程流体施加磁场并测量得到的电势以便确定流量)、以及任何其他适宜的技术。

下面要更详细地描述密度传感器132，其基于在过程管道12中两个垂直偏移的位置之间感测到的压差而提供与过程流体的密度有关的输出。在管道12中的过程流体的重量导致该压差产生。

图3、图4为流量变送器10的前横断面图和部分侧横断面图。在图3和4所示的实施例中，使用安装法兰150将变送器10联接到过程管道12中，孔板152位于安装法兰150内以在过程流体流经所述孔时产生压差。在图4中，脉冲管道156将孔板152任一侧上的压强耦合到变送器10内承载的压差传感器204(图5中示出)。

除了使用传感器204(参考图5)测量越过孔板152的压差，变送器10还构造成测量由于在过程管道12内的垂直偏移而由过程流体的重量产生的压差。隔离膜片160和162分别布置在过程导管12的底部和顶部。压差传感器164分别通过脉冲管道166和168联接在膜片160和162之间。脉冲管道166和168被填充隔离填充流体，例如基本上不可压缩的油。两个隔离膜片160和162位于压差发生器152的高侧(上游侧)。当导管中的流体经过下密封件时，流体的重量(或质量)施加力在膜片160上，该力直接被低量程压差传感器164测量。此外，上膜片162低偿在过程管道12内的管线压强并被应用到压差传感器164的相对侧。以此方式，基于感测到的压强和过程管道12的直径而直接测量过程流体的密度。然后在例如上面所讨论的标准质量流量方程中使用该密度以计算过程流体的质量流量。例如，在具有特定重力为0.8流量的碳氢化合物液体情况下以及当管道12的直径为6英寸时，为密度目的而测得的压差大约是4.8英尺w.c.(水柱)。具有低量程的压强传感器可以在该量程内提供0.1％的跨距精度，由此可以精确地确定流体的密度。

在图3和4中，压差传感器164示出为基于可偏转中心膜片。可以通过使用已知技术测量在膜片和压强传感器的侧壁之间的相对电容来测量该膜片的偏转。然而，可以使用任何适当的压强测量技术，本发明并不限于该可偏转膜片结构。此外，在图3和4中，压强变送器10示出为单件式组件。然而，在另一示例结构中，基于压差使用单独的变送器来测量过程流体的密度。类似地，为测量密度所使用的压差测量可以在沿过程管道12的任何位置上进行，进行该测量不需要靠近孔板152。在这样的结构中，测量结果可能需要补偿。此外，如上所述，可以使用任何类型的流体速度测量技术，本发明不限于所说明的基于越过流动限制件的压差的技术。

在图3和图4的结构中，低量程压差传感器164的安置必须使在毛细管166和168之间的油的体积均衡。然而，如果油不均衡(例如，如图3和4所示)，可以例如在变送器10内的软件中调整该差异。可以在例如校准变送器10的过程中进行上述调整。

图5为变送器10的简化的横断面图。在图5中，变送器10示出为包括I/O电路200，其用于在过程控制环14上通信。在一些结构中，I/O电路200还提供电力输出，其用于提供电力到变送器10。测量电路202联接到压差传感器164和压差传感器204。压差传感器164已在上面讨论过并用于测量与过程流体的密度有关的压差。该压差是基于施加到压强传感器164的相对侧的压强P₁和P₂之间的差异。压差传感器204构造成测量越过图3和4所示的孔板152产生的压差。如上面所讨论那样，基于两个不同的压差(在P₁和P₂之间的压差和在P₃和P₄之间的压差)，测量电路202根据从P₁和P₂得出的密度计算结果而确定经过过程管道12的过程流体的质量流量。

图6示出本发明的另一实施例的结构图，其中提供系统230用于测量在容器234(例如箱)中的过程流体232的液面。过程变量变送器236通过过程联接238联接到所述箱。变送器236包括构造成测量表压的测量电路202、压差传感器204和压强传感器164。背隔离器240构造成接收压强P₃而腹隔离器242构造成接收P₄。提供温度传感器244用于感测过程流体232的温度。在图6的结构中，压强传感器164接收与压强P₄相同的压强输入P₂以及压强输入P₁(通常P₁是连接到箱空隙(tank ullage)的管)。

使用多种类型的远程密封结构来测量箱中的液面。该远程密封对过程提供(resent)标准化的大表面并且通常通过法兰保持在适当位置。这些密封系统通常用于测量单个过程变量、液压头。在一些变送器中，使用软件以提供箱形，其与液压头一起可以以长度单位或者产品体积是体积单位提供产品的液面。这些远程密封系统可以用在大气箱中或者密闭的箱中。然而，这些远程密封结构有许多变型。在一个方面中，本发明使用上面讨论的能力来测量多个变量以便为液面测量确定密度。

如图6所示，过程联接238联接到箱234并为变送器236提供联接以测量压强P₃和P₄。表压传感器164联接到压强P₄并进入压强P₁，压强P₁可以被例如在通风箱或容器的情况中与大气连通，或者在箱被包覆的情况中连到箱中。压差传感器工具应该是构造成测量较低压强范围的传感器。使用这样的结构，测量电路202可以使用流体静力学方程(TH-PL)/d或者DP/d测量产品密度，其中d是隔离器240和242之间的距离而DP是它们之间的压差。注意到这种测量仅提供在两个隔离器之间的过程流体的密度。然而，在许多应用中，产品密度并不会在箱的高度上分层。液压头(LH)由表压传感器164直接测量。使用这一信息，测量电路202可以使用方程LH/密度来确定液面。可以通过将确定的液面乘以箱的面积而计算产品体积。在一实施例中，温度传感器244测量温度，并且可以用来确定标准体积和标准密度。

图7是过程联接238的前平面图。联接238可以构造成安装在单个开口248内，如图6所示。密封250围绕包括用于安装到箱234上螺栓孔252的联接238延伸。

虽然图6示出变送器236位于联接238邻近位置，但是这两个部件可以分开并使用脉冲管道联接。另外，可以使用采用两个隔离器的系统。

尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节作出改变。可以确定包括测体积流量以及质量流量、液压头等在内的任何过程变量。虽然用于确定密度的对压差的压强联接示出为在过程容器的顶部和底部上，也可以使用其他布置。例如，隔离膜片可以从顶部和底部位置偏移并被相应地校准。该校准可以是通过特征方程或通过直接的校准测量来实现。

Claims (24)

1.一种用于测量在容器中的过程流体的过程变量的过程变量变送器，包括：

第一和第二压强联接，它们设置为接收与所述过程流体的密度有关的、在所述容器中的过程流体的第一压强和第二压强；

传感器，其具有与所述容器中的过程流体有关的、感测到的过程变量输出；以及

测量电路，其构造成基于与密度和所述感测到的过程变量有关的第一和第二压强计算在所述容器中的、所述过程流体的算得的过程变量。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器包括压差传感器。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述测量电路确定所述过程流体的体积流量。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述测量电路确定所述过程流体的质量流量。

5.根据权利要求2所述的装置，其中所述传感器包括压差发生器。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述压差发生器包括孔板。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二压强被联接到压差传感器，所述压差传感器提供压差输出到所述测量电路。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一压强联接位于所述容器的底部的邻近位置，所述第二压强联接位于所述容器的顶部的邻近位置。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述容器包括导管，所述导管包括限制件，所述第一和第二压强联接位于所述限制件的邻近位置。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二压强联接包括构造成将压强传感器与所述过程流体隔离开的隔离膜片。

11.根据权利要求8所述的装置，还包括压差传感器，其构造成测量在所述第一和第二压强联接之间的压差。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述压差传感器位于所述过程变量变送器的外壳的外部。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器感测由于施加的磁场而在所述过程流体中感应出的电势。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二压强联接承载在构造成安装到所述过程容器上的单件式法兰中。

15.根据权利要求1所述的装置，其中所述测量电路构造成基于所述密度的测量结果来测量过程流体的液面。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述传感器测量液压头。

17.根据权利要求15所述的装置，其中所述算得的过程变量还是测得的温度的函数。

18.一种用于测量容器中的过程流体的过程变量的方法，包括：

感测在所述容器中的所述过程流体的过程变量；

使用压差测量所述过程流体的密度；以及

基于所述测得的过程变量和所述测得的密度计算所述过程流体的算得的过程变量。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括在过程流体流中产生压差。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述压差使用孔板产生。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述压差使用构造成联接到上和下过程压强的过程联接来测量。

22.根据权利要求18所述的方法，其中计算过程变量包括计算质量流量。

23.根据权利要求18所述的方法，其中计算过程变量包括计算过程流体的液面。

24.根据权利要求18所述的方法，其中计算算得的过程变量包括测量所述过程流体的温度。

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