Измеритель скорости потока, работающий по принципу дифференцированного давления, с резервными датчиками давления, позволяющими обнаружить отказ датчиков и снижение производительности

Измеритель скорости потока, работающий по принципу дифференцированного давления, с резервными датчиками давления, позволяющими обнаружить отказ датчиков и снижение производительности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится к системам управления и контроля процесса производства того типа, который применяется для измерения и контроля процессов производства. В частности, данное изобретение относится к измерению скорости потока в процессах производства по принципу дифференцированного давления.

[0002] Измерители с переменными процесса используются для измерения переменных процесса различных технических жидкостей в процессе производства. Типичные переменные процесса включают в себя давление, температуру или уровень технической жидкости в баке, скорость потока, pH и т.п. Данные измерения могут использоваться для контроля производства процесса и в дальнейшем в качестве основы для управления процессом. Как правило, измерители расположены удаленно и передают измеренную переменную процесса в централизованный пункт.

[0003] Один метод, используемый для измерения скорости потока в процессах производства, основывается на дифференцированном давлении. Ограничительный элемент размещается в середине потока, например штуцер меньшего размера в технологическом трубопроводе. Таким образом, создается дифференцированное давление вокруг ограничителя, который связан со скоростью потока. Датчик дифференцированного давления может применяться для измерения дифференцированного давления вокруг ограничительного элемента. Такое дифференцированное давление может быть соотнесено со скоростью потока посредством измерителя, или исходные данные могут быть переданы для обработки в централизованный пункт. В другой конфигурации, в отличие от датчика дифференцированного давления используются два отдельных датчика абсолютного или манометрического давления. Затем два измеренных давления могут быть вычтены, например, при помощи цифровой схемы, для определения дифференцированного давления.

[0004] В системе измерения скорости потока, которая применяет два датчика давления для определения дифференцированного давления, могут быть допущены погрешности, если один из датчиков давления выйдет из строя или если его точность будет иметь значительное отклонение. Такая неисправность может привести к нарушению контроля процесса или может вызвать сбор неверных данных.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Система измерения скорости потока технической жидкости в технологическом трубопроводе включает ограничитель потока в технологическом трубопроводе, создающий дифференцированное давление между входной стороной ограничителя и выпускной стороной ограничителя. Дифференцированное давление зависит от скорости потока технической жидкости. Измерители первичного и вторичного давления на входе соединены с технологическим трубопроводом на входной стороне ограничителя потока и измеряют соответствующее первичное и вторичное давление на входе. Измерители первичного и вторичного давления на выходе соединены с технологическим трубопроводом на выходной стороне ограничителя потока и измеряют соответствующее первичное и вторичное давление на выходе технической жидкости. Скорость потока технической жидкости рассчитывается на основании, по меньшей мере, одного давления на входе и одного давления на выходе. Кроме того, снижение производительности, по меньшей мере, одного из измерителей давления обнаруживается на основании результатов, по меньшей мере, двух измерений давления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] На рисунке 1 представлена упрощенная блок-схема, показывающая систему измерения скорости потока по принципу дифференцированного давления.

[0007] На рисунке 2 показана упрощенная блок-схема измерителя давления по рисунку 1.

[0008] На рисунке 3 показано боковое поперечное сечение датчика давления измерителя по рисунку 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Как указано в разделе «Уровень техники изобретения», дифференцированное давление представляет собой известный метод измерения скорости потока технической жидкости. Данное дифференцированное давление может быть измерено посредством одного датчика, который имеет конфигурацию для измерения дифференцированного давления, или может быть измерено путем применения двух датчиков давления. В случае применения двух датчиков, разница давления между двумя датчиками рассчитывается или в противном случае измеряется и используется для установления соотношения со скоростью потока. В некоторых случаях, датчики подвергаются воздействию особо суровых условий, таких как высокое давление или предельные значения температуры. Кроме того, датчики давления могут находиться удаленно, что затрудняет возможность их контроля или иного обслуживания. Например, измерение скорости потока масла под водой может быть затруднено и требует от датчика давления способности применения чрезвычайно высокого давления в трубопроводе, например 20 тыс. фунт/кв. дюйм. В такой конфигурации, два датчика давления в трубопроводе могут быть предпочтительным методом измерения дифференцированного давления. Датчики давления в трубопроводе могут иметь конфигурацию для работы на высоком давлении, в то же время предоставляя больше данных, чем один датчик дифференциального давления. Один датчик давления, который особенно хорошо подходит для работы при таком высоком давлении, представлен в патенте США №6,089,097 под названием «УДЛИНЕННЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ», переданном компании Rosemount Inc.

[0010] Настоящее изобретение предусматривает метод и приспособление для измерения дифференцированного давления, вместе с тем предоставляя диагностические данные, которые могут применяться для обнаружения неисправного датчика. Например, если один из датчиков давления выходит из строя или выводит неточные показания, расчет скорости потока будет неточным. Ограниченное обнаружение неисправностей может осуществляться путем сравнения отдельных уровней выходных сигналов датчика или путем определения чрезмерно высокого дифференцированного давления. Однако это не дает информацию о том, какие из датчиков вышли из строя. Настоящее изобретение представляет метод проверки надежности измерений и изоляции неисправного датчика.

[0011] В соответствии с настоящим изобретением используются четыре измерителя абсолютного манометрического давления, которые приведены в резервной конфигурации. Два измерителя установлены на входной стороне высокого давления ограничителя потока и два измерителя установлены на выходной стороне низкого давления ограничителя потока.

[0012] На рисунке 1 представлена упрощенная схема процесса производства, сконфигурированная система управления или контроля 100 для контроля скорости потока технической жидкости в технологическом трубопроводе 102. Ограничитель (ограничительный элемент) 108 расположен в потоке. Он может включать, например, мерное сопло, расходомер, измерительную диафрагму и т.п. Так как поток перемещается через ограничитель 108, создается дифференцированное давление с высоким давлением Дв на входной стороне ограничителя и низким давлением Дн на стороне низкого давления ограничителя 108. В конфигурации согласно рис. 1, четыре датчика абсолютного давления установлены для измерения четырех давлений. Измеритель низкого давления 104А включает датчик низкого давления 106А, предназначенный для измерения первичного низкого давления Дн А. Резервный измеритель вторичного низкого давления 104В включает в себя датчик давления 106В, установленный для измерения вторичного низкого давления Дн В. Аналогичным образом, измеритель первичного высокого давления 104С включает датчик первичного высокого давления 106С, установленный для измерения части первичного высокого давления Дв С. Резервный измеритель высокого давления 104D, включающий датчик высокого давления 106D, установлен для измерения части вторичного высокого давления Дв D. Как показано на рис. 1, это позволяет выполнять измерения четырех различных дифференцированных давлений: Дд 1 между датчиками 106С и 106А, Дд 2 между датчиками 106D и 106В, Дд 3 между датчиками 106D и 104А и Дд 4 между датчиками 106С и 106В.

[0013] Измерители давления 104A-D могут быть подключены к отдельному микропроцессору, который выполняет математические соотношения степенного ряда. Если два измерителя на стороне высокого давления (104С и 104D) и два измерителя на стороне низкого давления (104А и 104В) характерны для дифференцированного давления, они указывают качество измерения дифференцированного давления. В частности, вариации между четырьмя различными измерениями дифференцированного давления могут применяться для указания качества или точности измерения дифференцированного давления. В идеале, дифференцированные давления Дд 1 и Дд 2 всегда должны быть одинаковыми. Однако любое смещение одного из четырех датчиков (106A-D) приведет к разнице между этими двумя дифференцированными давлениями. Величина разницы между двумя измерениями дифференцированного давления Дд 1 и Дц 2 указывает на ошибку, которая может присутствовать в измерении дифференцированного давления. Таким образом, данная разница дает представление о качестве полученных измерений. Аналогичным образом, такое указание качества может быть получено путем наблюдения разницы между давлениями Дн А и Дн В, измеренными датчиками 106А и 106В, соответственно, а также давлением Дв С и Дв D, измеренным датчиками 106С и 106D, соответственно. В дополнение к этому, между парами датчиков на входе и выходе может осуществляться контроль нуля. В частности, разницы между выходными сигналами измерителей 104А и 104В должны равняться нулю, как и разница между выходными сигналами измерителей 104С и 104D.

[0014] На рисунке 2 представлена упрощенная схема измерителя абсолютного давления 104. Как указано выше, измеритель 104 включает в себя датчик абсолютного давления 106. Кроме того, также могут быть предусмотрены дополнительные датчики 200. Они могут включать в себя дополнительные датчики давления, которые включают в себя датчики дифференцированного давления, датчики абсолютного давления, датчики температуры или другие типы датчиков. Схема измерения 202 предназначена для приема выходного сигнала от датчика давления и передачи выходного сигнала микропроцессору 208, связанного с измеренным давлением. Например, схема измерения может усиливать сигнал от датчика, преобразовывать сигнал в цифровой сигнал, повышать качество измерения давления и т.п. Микропроцессор 208 работает в соответствии с командами, которые хранятся в запоминающем устройстве 206, и предназначен для установления связи посредством схемы входных/выходных сигналов 210. Эта схема входных/выходных сигналов может быть предназначена для локальной связи, например, с другим измерителем 104 и/или для установления связи с удаленным устройством. Связь устанавливается через канал связи 212, который может быть проводным, беспроводным или их сочетанием. Типовые технологии проводной связи включают двухпроводные контуры управления процессом, как те, которые работают в соответствии со стандартом связи HART®. Беспроводные технологии, такие как протокол связи HART®, также могут применяться в соответствии с требованиями стандарта IEC 62591. Измеритель 104 может дополнительно включать в себя внутренний источник питания 214 для электропитания устройства. Это может быть аккумулятор, генераторная установка, такая как генератор на солнечных батареях, тепловой генератор, механический генератор и т.п. В другой конфигурации питание подается от внешнего источника, который может включать в себя, например, прием питания через канал связи 212. В этих конфигурациях микропроцессор 208 предусматривает контроллер в соответствии с настоящим изобретением и может рассчитывать скорость потока технической жидкости на основании, по меньшей мере, одного давления на входе и одного давления на выходе. Микропроцессор может дополнительно определять снижение производительности, по меньшей мере, одного из измерителей давления 104A-D на основании результатов, как минимум, двух отдельных измерений. Также следует принять во внимание, что микропроцессор может использовать измерения от всех четырех датчиков давления и сравнивать четыре отдельных разных давления (см. рис. 1) для определения снижения производительности, по меньшей мере, одного из датчиков давления.

[0015] В одной из конфигураций микропроцессор 208 может рассчитывать дифференцированное давление и выполнять диагностику, как приведено выше. В другой типовой конфигурации, любое количество отдельных измерителей 104A-D включают в себя только основную схему, которая предназначена для передачи измеренного давления. Фактическое определение и/или диагностика дифференцированного давления производятся отдельным устройством. В такой конфигурации, схема представленная на рисунке 2, может содержать такую дистанционную систему дифференцированного давления/диагностирования. В данной конфигурации датчик давления 106 и схема измерения 202 могут быть необязательны. Между тем, отдельные сигналы датчика давления возвращаются от различных измерителей давления по каналу связи 212 через схему входных/выходных сигналов 210.

[0016] Отдельные датчики давления 106 могут соответствовать любой технологии. В одной предпочтительной конфигурации датчики давления 106 изготовлены из хрупкого материала, такого как сапфир. Например, рисунок 3 представляет конфигурацию датчика давления 106, изготовленного из хрупкого материала, включая две половины датчика 250, 252. Между двумя половинами 250, 252 образована полость 254. Так как на датчик 106 оказывается давление, размер полости 254 слегка деформируется. Эта деформация может быть измерена путем применения технологий измерения. В одной типовой конфигурации, в полости 254 применяются емкостные пластины 256 и 258. Емкостное сопротивление между пластинами 256, 258 указывает на деформацию полости 254 и поэтому может быть связано с прилагаемым давлением. Электрические соединители 260 предназначены для соединения с платами 256, 258. Такой датчик представлен и описан в патенте США №6,089,097 под названием «УДЛИНЕННЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ».

[0017] Хотя настоящее изобретение описано с учетом предпочтительных вариантов осуществления изобретения, специалисты в данной отрасли признают, что в форму и содержание можно вносить изменения без отступления от существа и объема настоящего изобретения. В одном примере шумовые сигналы, одинаковые в нескольких датчиках, могут использоваться для диагностики других компонентов в процессе, а также самого устройства.

1. Система измерения скорости потока технической жидкости в технологическом трубопроводе, включающая:ограничитель потока в технологическом трубопроводе, создающий в технической жидкости между входной стороной ограничителя и выходной стороной ограничителя дифференцированное давление, связанное со скоростью потока технической жидкости;измерители первичного и вторичного давления на входе, каждый из которых соединен с технологическим трубопроводом на входной стороне ограничителя потока, измеряющие первичное и вторичное давления на входе технической жидкости соответственно и быстро передающие выходные сигналы, связанные с измеренным первичным и вторичным давлениями на входе;измерители первичного и вторичного давления на выходе, каждый из которых соединен с технологическим трубопроводом на выходной стороне ограничителя потока, измеряющие первичное и вторичное давление на выходе технической жидкости и быстро передающие выходные сигналы, связанные с измеренным первичным и вторичным давлением на выходе;контроллер, предназначенный для расчета скорости потока технической жидкости на основании по меньшей мере одного давления на входе и одного давления на выходе и дополнительно предназначенный для определения снижения производительности по меньшей мере в одном из измерителей давления на основании результатов по меньшей мере двух измерений.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что результаты по меньшей мере двух измерений давления включают в себя первичное давление на входе и первичное давление на выходе.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что результаты по меньшей мере двух измерений давления включают в себя первичное давление на входе и вторичное давление на выходе.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что результаты по меньшей мере двух измерений давления включают в себя первичное давление на выходе и вторичное давление на входе.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что результаты по меньшей мере двух измерений давления включают в себя вторичное давление на входе и вторичное давление на выходе.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер сопоставляет дифференцированные давления, рассчитанные датчиками первичного и вторичного давлений на входе и датчиками первичного и вторичного давлений на выходе для определения снижения производительности по меньшей мере в одном из измерителей.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из измерителей давления включает схему связи, предназначенную для передачи соответствующего измеренного давления на контроллер.

8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что контроллер расположен внутри по меньшей мере одного из измерителей давления.

9. Система по п. 7, отличающаяся тем, что контроллер находится удаленно.

10. Система по п. 7, отличающаяся тем, что схема связи имеет конфигурацию для беспроводной связи.

11. Система по п. 7, отличающаяся тем, что схема связи имеет конфигурацию для проводной связи.

12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер предназначен для выполнения контроля нуля между измеренным первичным давлением на входе и измеренным вторичным давлением на входе.

13. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер предназначен для выполнения контроля нуля между измеренным первичным давлением на выходе и измеренным вторичным давлением на выходе.

14. Система по п. 1, отличающаяся тем, что измерители давления включают в себя датчики давления, непосредственно подвергающиеся воздействию технической жидкости.

15. Система по п. 1, отличающаяся тем, что измерители давления включают в себя датчики давления, изготовленные из хрупкого материала, в котором имеется образованная полость, при этом полость адаптируется к прилагаемому давлению.

16. Система по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из измерителей давления включает в себя дополнительный датчик.

17. Система по п. 16, отличающаяся тем, что дополнительный датчик содержит датчик температуры.

18. Система по п. 7, отличающаяся тем, что электропитание для измерителей давления обеспечивается схемой связи.

19. Способ измерения скорости потока технической жидкости в технологическом трубопроводе, включающий:обеспечение ограничителя потока в технологическом трубопроводе, создающем между входной стороной ограничителя и выходной стороной ограничителя дифференцированное давление в технической жидкости, связанное со скоростью потока технической жидкости;измерение первичного и вторичного давлений на входе технической жидкости при помощи измерителей первичного и вторичного давлений на входе, каждый из которых соединен с технологическим трубопроводом на входной стороне ограничителя потока, измерители первичного и вторичного давлений на входе измеряют первичное и вторичное давления на входе технической жидкости соответственно и быстро передают выходной сигнал, связанный с измеренным первичным и вторичным давлением на входе;измерение первичного и вторичного давления на выходе технической жидкости при помощи измерителей первичного и вторичного давления на выходе, каждый из которых соединен с технологическим трубопроводом на входной стороне ограничителя потока, измерители первичного и вторичного давления на выходе измеряют первичное и вторичное давление на выходе технической жидкости и быстро передают выходные сигналы, связанные с измеренным первичным и вторичным давлением на выходе;расчет скорости потока технической жидкости на основании по меньшей мере одного давления на входе и одного давления на выходе и дополнительного определения снижения производительности по меньшей мере в одном из измерителей давления на основании результатов по меньшей мере двух измерений.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что результаты по меньшей мере двух измерений давления включают в себя первичное давление на входе и первичное давление на выходе.

21. Способ по п. 19, отличающийся тем, что результаты по меньшей мере двух измерений давления включают в себя первичное давление на входе и вторичное давление на входе.

22. Способ по п. 19, отличающийся тем, что результаты по меньшей мере двух измерений давления включают в себя первичное давление на выходе и вторичное давление на выходе.

23. Способ по п. 19, включающий выполнение контроля нуля между измеренным первичным давлением на входе и измеренным вторичным давлением на входе.

24. Способ по п. 19, включающий выполнение контроля нуля между измеренным первичным давлением на выходе и измеренным вторичным давлением на выходе.

25. Система измерения скорости потока технической жидкости в технологическом трубопроводе, включающая:ограничитель потока в технологическом трубопроводе, создающий в технической жидкости между входной стороной ограничителя и выходной стороной ограничителя дифференцированное давление, связанное со скоростью потока технической жидкости;датчики первичного и вторичного давления на входе, каждый из которых соединен с технологическим трубопроводом на входной стороне ограничителя потока, измеряющие первичное и вторичное давление на входе технической жидкости соответственно и быстро передающие выходные сигналы, связанные с измеренным первичным и вторичным давлением на входе;датчики первичного и вторичного давления на выходе, каждый из которых соединен с технологическим трубопроводом на выходной стороне ограничителя потока, измеряющие первичное и вторичное давление на выходе технической жидкости и быстро передающие выходные сигналы, связанные с измеренным первичным и вторичным давлением на выходе;контроллер, предназначенный для расчета скорости потока технической жидкости на основании по меньшей мере одного давления на входе и одного давления на выходе и дополнительно предназначенный для определения снижения производительности по меньшей мере в одном из датчиков давления на основании результатов по меньшей мере двух измерений давления.