專利名稱：帶有診斷的壓力變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來測量工業(yè)過程的過程變量的類型的變送器。更具體地，本發(fā)明涉及基于檢測到的過程變量診斷工業(yè)過程的狀態(tài)。
背景技術(shù)：
工業(yè)過程控制變送器用來監(jiān)測工業(yè)過程的操作。例如，化學(xué)煉油廠、食品生產(chǎn)廠、紙漿處理設(shè)備等等是工業(yè)過程的例子。在這些工業(yè)過程中，必須監(jiān)測過程的操作。監(jiān)測例如可以用于清查目的，以及作為至控制過程的操作的控制系統(tǒng)的輸入。過程變送器測量過程流體的過程變量，如溫度、壓力等等。進一步，測量到的過程變量又可以用來計算其它的過程變量。例如，通過測量壓力，如壓差，可以確定通過導(dǎo)管的流量或箱中的流體的液位。當工業(yè)過程的部件出現(xiàn)故障時，過程可能需要關(guān)掉，以修理出現(xiàn)故障的部件。如果未檢測到故障，則會導(dǎo)致差的控制過程。進一步，迫近故障的提前通知可以向操作人員提供時間以在其最終出現(xiàn)故障之前更換或修理正在出現(xiàn)故障的部件。多種診斷技術(shù)已經(jīng)用來診斷工業(yè)過程或過程變送器的狀態(tài)。一種技術(shù)基于對測量到的過程變量的標準偏差的計算。

發(fā)明內(nèi)容
一種壓力變送器，用于測量工業(yè)過程中的過程流體的壓力。該壓力變送器包括具有與過程流體的壓力相關(guān)的壓力輸出的壓力傳感器。測量電路被配置為基于壓力輸出計算過程流體的過程變量。診斷電路基于壓力輸出的過程參數(shù)診斷工業(yè)過程的操作。過程參數(shù)計算電路基于壓力輸出計算過程參數(shù)并減小壓力輸出中的突變對計算出的過程參數(shù)的影響。


圖1為包括過程變量變送器的工業(yè)過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)的簡化示意圖。圖2和3為方差表。圖4為根據(jù)本發(fā)明的過程變量變送器的簡化框圖。圖5為圖示基于壓差的流量測量系統(tǒng)中的壓力和所產(chǎn)生的標準偏差計算值的圖表。圖6示出了類似于圖5的圖表，用于采用壓差測量包括攪拌器的箱中的過程流體的液位的系統(tǒng)。
具體實施例方式本發(fā)明提供了包括用于診斷工業(yè)過程的狀態(tài)的診斷功能的變送器。所述狀態(tài)可以為工業(yè)過程中的其它設(shè)備的狀態(tài)、過程操作的狀態(tài)，或者可以為變送器本身的狀態(tài)。如在背景技術(shù)部分中描述的那樣，變送器用在工業(yè)過程監(jiān)測和控制系統(tǒng)中以測量過程流體的過程變量。在多種情況中，希望診斷過程的設(shè)備的操作、過程操作和/或變送器。多種技術(shù)已經(jīng)用來通過監(jiān)測檢測到的過程變量診斷工業(yè)過程。不同類型的算法已經(jīng)用來基于檢測到的過程變量的變化確定過程的狀態(tài)。優(yōu)選地，診斷算法能夠區(qū)分由于過程的正常操作引起的過程變量的變化和由于過程設(shè)備的故障或迫近的故障、正出現(xiàn)故障過程變量傳感器、過程本身的不希望的狀態(tài)等等引起的過程變量的變化。一種這樣的技術(shù)是計算過程變量的標準偏差并識別可歸因于工業(yè)過程的特定診斷狀態(tài)的計算出的標準偏差中的變化。然而，如下文更詳細地描述的那樣，過程變量的突變可能導(dǎo)致診斷狀態(tài)的錯誤檢測。本發(fā)明提供了用于解決這種錯誤檢測的技術(shù)。圖1為示出工業(yè)過程100的簡化框圖。在圖1中，變送器102示出為連接至被圖示為過程管道104的過程容器。該變送器包括過程變量信號106，如壓力傳感器，其被設(shè)置為以允許檢測過程變量的方式連接至容器104中的過程流體108。例如，差壓可以被檢測并與通過過程管道104的過程流體108的流量相關(guān)聯(lián)。變送器102與諸如控制室112之類的遠程位置通信。在圖1中圖示的實施例中，圖示了二線式過程控制回路110。二線式過程控制回路110可以根據(jù)任何希望的技術(shù)運行，包括諸如二線式過程控制回路之類的通信標準，在二線式過程控制回路中電流電平在4mA的低值和20mA的高值之間的范圍內(nèi)。二線式過程控制回路的其它示例包括其中數(shù)字信號疊加在模擬電流電平上的HART 通信鏈路，以及全數(shù)字格式，如基于Fieldbus的協(xié)議。其它示例性實施例包括無線通信技術(shù)。在這種配置中，圖1中圖示的連接110包括無線通信鏈路，并且可以包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)或其它通信技術(shù)。一種示例是根據(jù)IEC 62591標準的無線HART 通信協(xié)議。在一個方面中，提供診斷用于評估壓力變送器中被測量的過程動態(tài)(如，標準偏差)。一些診斷技術(shù)采用用于計算過程變量的標準偏差的算法。一些簡單的濾波技術(shù)用來去除由于過程設(shè)定點的變化引起的標準偏差的變化的影響。然而，如果存在非?？斓乃查g壓力峰值、快速的壓力變化或壓力峰值，這仍然可能對計算出的標準偏差具有明顯的影響。這種影響可能持續(xù)與用戶配置的抽樣周期一樣長或比用戶配置的抽樣周期長的時間。這對終端用戶來說是有問題的，因為它增加了異常診斷狀態(tài)的錯誤檢測的可能性。本發(fā)明采用計算標準偏差的技術(shù)解決該問題，該技術(shù)能夠濾出壓力中的突然的、但瞬時的波動或變化的影響，同時保持在連續(xù)時間周期期間出現(xiàn)的壓力波動的效果。這提供帶有先進的診斷的壓力變送器，其將較少受到僅由于瞬間壓力變化引起的異常情況的錯誤檢測的影響。先進的壓力診斷是用于操作和維持工業(yè)過程的強功能工具。當壓力變送器評估過程動態(tài)(如，標準偏差)且隨后經(jīng)由數(shù)字通信協(xié)議使該測量可用于主機系統(tǒng)時，工廠人員可以檢測很多異常情況(如，塞緊的脈沖管線、帶走的氣體/液體、爐火焰不穩(wěn)定性、蒸餾塔溢流等等)，只采用傳統(tǒng)壓力測量檢測將無法觀察這些異常情況。在多種情況中，如目前在現(xiàn)有技術(shù)變送器中被計算的標準偏差提供用于檢測異常情況的過程動態(tài)的非常好的測量。然而，存在標準偏差的目前計算可能"峰值(spike)"時間的狀態(tài)，導(dǎo)致異常情況的錯誤檢測。錯誤檢測的問題在由裝置產(chǎn)生警報時和標準偏差正在系統(tǒng)中成為趨勢時出現(xiàn)。例如，標準偏差中的瞬間峰值將引起"高變化"的檢測。這種警報可以保持有效，直到用戶用手進入它們的系統(tǒng)并清除它。錯誤檢測在標準偏差正在系統(tǒng)中成為趨勢時也是問題。在該情況中，標準偏差中的峰值將存儲在過程歷史中。如果用戶在標準偏差上設(shè)定簡單的閾值用于產(chǎn)生警報，這會以相同方式產(chǎn)生錯誤警報。一些系統(tǒng)允許終端用戶在警報上配置死區(qū)、延遲和提前邏輯，并且因此這些將用來補救標準偏差中引起錯誤警報的峰值問題。然而，這將要求控制工程師一方付出相當大的努力。標準偏差中的峰值也可能在標準偏差成為趨勢時引起問題,因為它們會引起更加困難的離線分析。理想地，工廠工程師應(yīng)當能夠?qū)藴势畹淖兓c異常情況的出現(xiàn)相關(guān)聯(lián)。然而，如果標準偏差中的一些變化是由于壓力中快速變化，終端用戶可能需要采用先進的腳本或濾波以從標準偏差中延長的變化中區(qū)分出這些類型變化，在異常情況出現(xiàn)時這些類型變化更加可能。這種終端用戶需要的額外努力對他們采取和利用診斷是一種阻止因素。本發(fā)明提供用于計算壓力變送器中的標準偏差的新技術(shù)。該新技術(shù)提供濾出標準偏差中由壓力中的非常快的波動引起的這些峰值的能力。同時，保留了在延長的時間周期內(nèi)出現(xiàn)的過程動態(tài)的變化的效果。例如，如果由于流速變化而在壓力中引起非常快的變化，則這將不影響標準偏差。然而，如果過程動態(tài)變化并且隨后在一時間長度內(nèi)保持在這種新的水平(例如，如果存在塞緊的脈沖管線)，則標準偏差將相應(yīng)地變化。提供了兩種用來獲得標準偏差和濾出這些突然但瞬間的壓力變化的技術(shù)。在第一實施例中，在不影響突然的壓力變化的情況下計算標準偏差。更具體地，如果下一個測量值比預(yù)定的極限更大地變化，則不將該壓力測量值包括在標準偏差計算中。丟棄無關(guān)的(或異常的)壓力值，并且抽樣次數(shù)減一。這種算法的變形是在壓力變化極限違背的情況中。壓力值的用戶可配置數(shù)量j被丟棄，并且抽樣次數(shù)減少相同的數(shù)量j。隨后，采用剩余的抽樣計算總標準偏差。更具體地，該算法的順`序如下步驟1:以對應(yīng)抽樣窗口尺寸的N次抽樣開始例如，I分鐘的窗口尺寸和45ms的抽樣率近似對應(yīng)于1333次抽樣(N)步驟2 :根據(jù)原始壓力信號(X k)連續(xù)地計算差分過濾信號(yk)。
Xk - Xk^l等式1: — ~2~
Yk = z只要值yk不違背用戶可配置壓力變化極限(α )，則存儲該值yk用于標準偏差計算。壓力變化極限(α)可以為絕對值或可以為百分比。進一步，壓力變化極限(α)可以具有沿一個方向的值，即當壓力增加時，并且具有沿相反方向的不同值，即當壓力減小時。更進一步地，壓力變化極限(α)的值可以作為壓力的函數(shù)變化。換句話說，壓力變化極限可以具有用于低壓的一個值和用于高壓的不同值。這種變化可以為階躍變化或可以為連續(xù)函數(shù)。壓力變化極限(α)的值可以存儲在存儲器中(例如參見圖4中示出的存儲器254)。如果它確實違背該極限，則丟棄用戶可配置數(shù)量的值j。則窗口中的抽樣的總次數(shù)減去j。等式2 :M = N-j步驟3 :采用保存的值yk的陣列計算總標準偏差等式3 :σ =該實施例的一個優(yōu)點是它非常靈活。用戶可配置參數(shù)α和j允許終端用戶使這種濾波適應(yīng)寬范圍的情況。然而，這也意味著可能需要其它用戶設(shè)置。通常，期望的是，診斷算法盡可能簡單和容易使用。然而，終端用戶可能需要其它支持來在不同情況下調(diào)整參數(shù)α和j。在第二實施例中，通過將總抽樣窗口尺寸分成多個較小的"存儲段"而計算標準偏差，每個存儲段具有其自己單獨的標準偏差。隨后僅采用所述單獨的標準偏差的某個中間百分比計算總標準偏差，并丟棄任何無關(guān)的單獨的標準偏差。通過去除這些"異常的"過程噪聲測量值，標準偏差不傾向于由過程變化中瞬間增加引起的峰值。而且，該實施例具有的優(yōu)點在于，可以將所有的參數(shù)設(shè)置為應(yīng)當適合所有診斷應(yīng)用的值。因此，不存在任何用戶可配置參數(shù)。接下來是用于計算標準偏差的這種第二種算法的步驟步驟1:以對應(yīng)抽樣窗口尺寸的N次抽樣開始示例1分鐘一約1333次抽樣步驟2 :將抽樣次數(shù)N分成每個具有η次抽樣的m個存儲段，使得mXn = N示例對于I分鐘,采用m = 16個存儲段和η = 83次抽樣(mXn = 1328)給存儲段加標號B1, B2, ... Bm
權(quán)利要求
1.一種用于測量工業(yè)過程中的過程流體的壓力的壓力變送器，包括 壓力傳感器，具有與過程流體的壓力相關(guān)的壓力輸出； 測量電路，被配置為基于所述壓力輸出計算過程流體的過程變量； 診斷電路，被配置為基于標準偏差診斷工業(yè)過程的操作；和 標準偏差計算電路，被配置為基于所述壓力輸出計算標準偏差并減小所述壓力輸出中的突變對計算出的標準偏差的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力變送器，其中標準偏差電路還包括差分濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力變送器，其中標準偏差電路在標準偏差的計算期間丟棄所述壓力輸出的一些抽樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力變送器，其中如果壓力輸出的抽樣值超過壓力變化極限(α),則丟棄該壓力輸出的抽樣值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力變送器，其中壓力變化極限(α)包括絕對值。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力變送器，其中壓力變化極限(α)包括百分比值。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力變送器，其中壓力變化極限(α)為測量壓力的函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力變送器，其中丟棄的抽樣的數(shù)量大于I。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力變送器，其中標準偏差電路將所述壓力輸出的多個抽樣值分成多個抽樣存儲段。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力變送器，其中所述存儲段中的至少一個在標準偏差計算中被丟棄。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的壓力變送器，其中被丟棄的存儲段處于所述標準偏差的高端或低端。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力變送器，其中標準偏差電路計算用于所述多個存儲段中的每一個的方差。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的壓力變送器，其中基于計算出的方差從標準偏差計算中丟棄所述存儲段中的至少一個。
14.一種用來測量工業(yè)過程中的過程流體的壓力的類型的過程變送器中的方法，該方法用于診斷工業(yè)過程的操作，包括下述步驟 從連接至過程流體的壓力傳感器接收壓力信號； 基于所述壓力信號計算過程流體的過程變量； 計算所述壓力信號的標準偏差并減小突變對計算出的標準偏差的影響；以及 基于計算出的標準偏差診斷工業(yè)過程的操作。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中標準偏差電路還包括差分濾波器。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中標準偏差電路在標準偏差的計算期間丟棄所述壓力輸出的一些抽樣。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中如果壓力輸出的抽樣值超過壓力變化極限(α),則丟棄該壓力輸出的抽樣值。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中壓力變化極限(α)包括絕對值。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中壓力變化極限(α)包括百分比值。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中壓力變化極限(α)為測量壓力的函數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中丟棄的抽樣的數(shù)量大于I。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中標準偏差電路將所述壓力輸出的多個抽樣值分成多個抽樣存儲段。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述存儲段中的至少一個在標準偏差計算中被丟棄。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中標準偏差電路計算用于所述多個存儲段中的每一個的方差。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中基于計算出的方差從標準偏差計算中丟棄所述存儲段中的至少一個。
26.一種用于測量工業(yè)過程中的過程流體的過程變量壓力的過程變量變送器，包括 過程變量傳感器，具有與過程流體的被檢測變量相關(guān)的過程變量輸出； 測量電路，被配置為基于所述過程變量輸出計算過程流體的過程變量； 診斷電路，被配置為基于過程變量的過程參數(shù)診斷工業(yè)過程的操作；和過程參數(shù)計算電路，被配置為基于所述過程變量輸出計算過程參數(shù)并減小所述壓力輸出中的突變對計算出的過程參數(shù)的影響； 其中所述過程參數(shù)基于采用所述過程變量輸出的數(shù)量減少的抽樣計算的多個單獨的過程參數(shù)計算結(jié)果來計算。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的過程變量變送器，其中所述單獨的過程參數(shù)中的至少一個在計算所述過程參數(shù)之前被丟棄。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的過程變量變送器，其中被丟棄的過程參數(shù)基于計算出的方差確定。
29.一種用來測量工業(yè)過程中的過程流體的過程變量的類型的過程變量變送器中的方法，該方法用于診斷工業(yè)過程的操作，包括下述步驟 從連接至過程流體的過程變量傳感器接收過程變量信號； 基于所述過程變量信號計算過程流體的過程變量； 計算所述過程變量信號的過程參數(shù)并減小突變對計算出的過程參數(shù)的影響，其中所述計算包括將過程變量傳感器輸出的多個抽樣分成多個存儲段并基于所述存儲段計算多個單獨的過程參數(shù)，并且進一步包括丟棄所述單獨的過程參數(shù)計算中的至少一個；以及基于計算出的過程參數(shù)診斷工業(yè)過程的操作。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，包括基于計算出的方差丟棄所述至少一個過程參數(shù)。
全文摘要
一種壓力變送器，用于測量工業(yè)過程中的過程流體的壓力。該壓力變送器包括具有與過程流體的壓力相關(guān)的壓力輸出的壓力傳感器。測量電路被配置為基于壓力輸出計算過程流體的過程變量。診斷電路基于壓力輸出的過程參數(shù)診斷工業(yè)過程的操作。過程參數(shù)計算電路基于壓力輸出計算過程參數(shù)并減小壓力輸出中的突變對計算出的過程參數(shù)的影響。
文檔編號G01L13/00GK103033309SQ20121006381
公開日2013年4月10日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者約翰·P·米勒, 邁克爾·扎克 申請人:羅斯蒙德公司