具有快速響應(yīng)流量計算的多變量流體流量測量設(shè)備的制造方法
【專利說明】具有快速響應(yīng)流量計算的多變量流體流量測量設(shè)備
[0001] 分案申請說明
[0002] 本申請是優(yōu)先權(quán)日為2008年10月27日、申請日為2009年10月27日、申請?zhí)枮?200980142721. 3(國際申請?zhí)朠CT/US2009/062177)、題為"具有快速響應(yīng)流量計算的多變 量流體流量測量設(shè)備"的發(fā)明專利申請的分案申請。
【背景技術(shù)】
[0003] 在工業(yè)設(shè)置中，控制系統(tǒng)用于監(jiān)視和控制工業(yè)和化學(xué)過程等的存量。典型地，控制 系統(tǒng)使用在工業(yè)過程中關(guān)鍵位置處分布的現(xiàn)場設(shè)備來執(zhí)行這些功能，工業(yè)過程通過過程控 制回路耦接至控制室中的控制電路。術(shù)語"現(xiàn)場設(shè)備"指的是在測量、控制和監(jiān)視工業(yè)過程 時使用的分布式控制或過程監(jiān)視系統(tǒng)中執(zhí)行功能的任何設(shè)備。典型地，現(xiàn)場設(shè)備的特征在 于它們能夠在戶外運行很長一段時間（例如，若干年）的能力。因此，現(xiàn)場設(shè)備能夠工作在 多種氣候極端情況下，包括嚴(yán)峻的極限溫度和極限濕度。此外，現(xiàn)場設(shè)備能夠在存在顯著振 動（例如來自鄰近機器的振動）的情況下進行操作。此外，現(xiàn)場設(shè)備還可以在存在電磁干 擾的情況下進行操作。
[0004] 現(xiàn)場設(shè)備的一個示例是多變量過程流體流量設(shè)備，例如由艾默生過程控制有限公 司（Emerson Process Management，Chanhassen，Minnesota)銷售的商標(biāo)為Model 3051 SMV 的多變量變送器。多變量過程流體流量設(shè)備能夠計算經(jīng)過液體和氣體的差分產(chǎn)生器的質(zhì)量 流量速率。
[0005] 對于差分產(chǎn)生器，質(zhì)量流量速率由以下等式給出：
[0007] 對于該流量等式，一般接受下列命名：
[0008] Qm=質(zhì)量流量速率（質(zhì)量/時間）
[0009] Qe=能量流量速率（能量/時間）
[0010] Qv=體積流量速率（長度3/時間）
[0011] P=靜壓（力/長度2)
[0012] T=溫度（度）
[0013] AP =主元素上的差壓（力/長度2)
[0014] N =單位換算因子（單位變化）
[0015] Cd=主元素排放系數(shù)（無量綱）
[0016] d =主元素喉口直徑（長度）
[0017] D=管道直徑（長度）
[0018] E =速度漸近因子，（lAl_(d/D)4)1/2)(無量綱）
[0019] Y1 =氣體膨脹因子，對于液體，=1.0(無量綱）
[0020] P=流體密度（質(zhì)量/長度3)
[0021] y =流體粘度（質(zhì)量/長度-時間）
[0022] Rd =管道雷諾數(shù)（無量綱）
[0023] H=焓（能量/質(zhì)量）
[0024] 許多流量量值取決于其他量。例如，排放系數(shù)Cd依據(jù)雷諾數(shù)。雷諾數(shù)依據(jù)質(zhì)量流 量速率、流體粘度和管道直徑。熱膨脹效應(yīng)Ed 2依據(jù)溫度。氣體膨脹因子據(jù)差壓AP 除以管道直徑。流體密度P和壓縮性因子Z依據(jù)靜壓和溫度。流體粘度y依據(jù)溫度。焓 H依據(jù)靜壓和溫度。
[0025]由于流量等式的復(fù)雜性和相關(guān)關(guān)聯(lián)依賴，流量速率的計算一般需要某種迭代算 法。一種實現(xiàn)方式是使用AGA Report No. 3, Part 4中概述的直接代入方法，其中記載了第 一步驟是推測排放系數(shù)值。然后，基于一組靜壓（P)、差壓（DP)和溫度（T)值，來求解流量 速率或雷諾數(shù)。使用得到的雷諾數(shù)，計算新的排放系數(shù)值并將其與初始推測相比較。如果 該比較的結(jié)果在預(yù)定界限內(nèi)，則認(rèn)為所計算的新的排放系數(shù)是最終值。如果不是這種情況， 則計算雷諾數(shù)的新值，隨后計算新的排放系數(shù)值，并將其與先前值相比較。重復(fù)該過程，直 到排放系數(shù)的相繼計算的結(jié)果在預(yù)定容限內(nèi)為止。然后，針對下一組壓力、差壓和溫度值， 重復(fù)這整個過程，包括初始推測。該方法的優(yōu)點在于編程簡單。它的主要缺陷在于達到流 量方程的收斂解所需的迭代的數(shù)目可能較大。
[0026] 在AGAR印ortNo. 3中概述的備選方法是使用更加復(fù)雜的算法，例如 Newton-Raphson算法。這整個方法仍然要求以初始推測開始，但是Newton-Raphson算法需 要附加的計算，并且比直接代入方法收斂地更快。該方法的缺陷在于需要附加的計算。包 括3095MV在內(nèi)的現(xiàn)有多變量變送器使用上述算法的一些版本。
[0027] 上述兩種技術(shù)在求解得到流量輸出之前都需要指定界限內(nèi)的某種形式的迭代和 收斂。因此，求解流量計算以及隨后提供流量輸出所需的總時間可以是迭代的次數(shù)?，F(xiàn)有 設(shè)備一般能夠提供每400毫秒量級上的流量輸出值。在控制過程流體的流量時，提供過程 流體值（例如流量）中的任何延遲會給整個過程流體控制增加不穩(wěn)定性或其他有害效果。 因此，需要盡可能快地提供例如質(zhì)量流量、體積流量和能量流量等過程流體流量值。
[0028] -般需要以有限功率預(yù)算操作的雙線現(xiàn)場變送器來最小化計算。功率預(yù)算限制的 原因在于希望過程設(shè)備可以僅僅以通過過程通信回路接收的功率來操作。電流可以小到 3. 6mA，電壓一般也是受限的（限制到大約10伏特）。如果使用（例如根據(jù)可尋址遠程傳感 器高速通道（HART)協(xié)議的）數(shù)字信號收發(fā)，電流實際上可以略小于3. 6mA。因此，一般要求 過程流體流量變送器可操作在小到30毫瓦的功率上。因此，一般方法是以計算速度和整體 流量計響應(yīng)為代價，使用更簡單的計算算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029] 一種過程流體流量設(shè)備包括過程通信電路、處理器和測量電路。過程通信電路配 置為與至少一個附加過程設(shè)備通信。處理器耦接至過程通信電路，并配置為執(zhí)行提供多個 周期的指令，其中每個周期包括多個流量相關(guān)計算。測量電路可操作地耦接至多個過程變 量傳感器，以獲得每個周期期間對差壓的指示，并獲得靜壓和過程流體溫度。處理器配置為 使用當(dāng)前的差壓傳感器指示以及在先前周期期間計算的至少一個流量相關(guān)值，來計算過程 流體流量值。過程通信電路將所計算的過程流體流量值通信至所述至少一個附加過程設(shè) 備。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明實施例可具體實施的過程流體流量設(shè)備的圖示；
[0031]圖2是本發(fā)明實施例可具體實施的過程流體流量設(shè)備的框圖；
[0032]圖3-7是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的計算過程流體流量的方法的單個流程圖的 各個部分。
[0033] 圖8a是帶有斜坡的流量相對于時間的圖表，示出了（根據(jù)本發(fā)明實施例）的延遲 解與根據(jù)已知迭代技術(shù)的流量方程的完全解之間的輸出相似性。
[0034] 圖8b是示出了在圖8a所示實驗期間本發(fā)明實施例的流量誤差的圖表。
【具體實施方式】
[0035] 本發(fā)明實施例總體上來源于對過程流體變量發(fā)生改變的速率的利用。這些變量不 會瞬間改變。典型地，過程流體溫度變化得非常慢，靜壓變化地稍微快一些。差壓一般變化 地最快，但是仍然比商用差壓傳感器的響應(yīng)時間慢。因此，流量速率Q和雷諾數(shù)R d不會瞬 間變化。通過使用快速的差壓傳感器更新速率（在該量級上或45毫秒），提供了準(zhǔn)確跟蹤 流量的流量結(jié)果。
[0036] 不同于求解流量方程的先前方法，本發(fā)明實施例能夠提供流量輸出，而無需等待 流量相關(guān)量的收斂。本文描述的實施例采用在當(dāng)前測量迭代期間利用流量相關(guān)參數(shù)獲得的 差壓測量，基于在先前迭代期間測量的溫度和靜壓計算所述流量相關(guān)參數(shù)。因為對于多個 流量相關(guān)量需要先前值，所以對于第一周期采用缺省或啟動量。通過基于當(dāng)前的差壓傳感 器測量以及先前的溫度和靜壓測量來提供流量輸出計算，可以非?？焖俚厍蠼饬髁糠匠獭?雖然第一個流量輸出很可能具有最多的誤差，但是能夠快速求解方程的速度使得在少量測 量周期內(nèi)就可以使輸出達到高度精確值。例如，實驗已經(jīng)表明了對于流量的快速斜坡輸出 可能產(chǎn)生流量的8x10 3%的量級上的最大誤差，但是該誤差在幾