專利名稱：在過程變量變送器中的多相過度讀取校正的制作方法
在過程變量變送器中的多相過度讀取校正
背景技術(shù)：
在許多過程裝置中，過程流體流經(jīng)如過程管道之類的導(dǎo)管。過程 流體可能是液體、氣體或兩者的結(jié)合。在過程流體完全是液體或完全 是氣體的應(yīng)用中，如質(zhì)量流之類的流參數(shù)的計算相對簡單。然而，在 過程流體是液體和氣體的組合的應(yīng)用中，流參數(shù)的計算要更加復(fù)雜。
一般地，液體與氣體混合(例如多相(multiphasic))的過程流體的示 例包括濕蒸汽和天然氣。
在許多天然氣井源應(yīng)用中，有大量的液體夾帶在氣流中。液體的 存在會造成氣體流測量中的明顯誤差。 一種誤差有時被稱為過度讀取 (overreading)。過度讀取發(fā)生在差壓傳感器過度讀取真正的氣體流的 時候。過度讀取的量通常與Lockhart Martinelli參數(shù)相關(guān)聯(lián)，Lockhart Martinelli參數(shù)是使總氣體質(zhì)量流與總流體質(zhì)量流相關(guān)聯(lián)的數(shù)。當(dāng)可能 測量許多參數(shù)，并利用強大的處理器來計算流參數(shù)時，這樣的計算典 型地包含專用的硬件、專門技術(shù)人員的時間和/或測試，或兩者的組合。 一般地，過程流體控制裝置采用過程變量變送器。提供這樣的具 有校正過度讀取的能力的過程變量變送器，而不增加額外的硬件或包 含設(shè)備的復(fù)雜的初始特性化或校準(zhǔn)，將帶來顯著的益處。

發(fā)明內(nèi)容
將過程變量變送器可操作地與多相過程流體流的源耦合。將過程 變量變送器配置為..在多相過程流中，獲得與溫度、參考壓力、以及
差壓產(chǎn)生器兩端的差壓有關(guān)的信息。將過程變量變送器配置為基于 參考壓力、差岳以及溫度計算和/校正過度讀取。


圖l是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多變量多相流體流變送器的示意
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多變量多相過程流變送器的框圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于提供多相過程流體流信息的過 程測量系統(tǒng)的示意圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于為多相過程流體流計算氣體流 速的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1是與管道14中的差壓產(chǎn)生器12耦合的多變量差壓變送器10的 示意圖。差壓變送器10使用任意適當(dāng)?shù)倪B接(包括有線或無線連接) 可操作地耦合至控制室16。適當(dāng)?shù)挠芯€連接的示例包括Highway Addressable Remote Transducer (HART )協(xié)議，F(xiàn)OUNDATION FiddbusProtocol或其他協(xié)議。此外，或備選地，也可以采用無線數(shù)據(jù) 傳輸協(xié)議。在一些有線的實施例中，差壓變送器io能夠完全由通過其 進行通信的有線過程通信線所接收到的能量來供電。
多變量變送器10包括與傳感器模塊20耦合的電子隔室18，該傳感 器模塊20進一步與歧管(manifold) 22耦合。歧管22將傳感器模塊20 耦合到差壓產(chǎn)生器12。產(chǎn)生器12的相反側(cè)上的端口將上游和下游過程 流體的壓力傳遞給歧管22。歧管22將過程流體與傳感器模塊20隔離， 但將上游和下游過程流體的壓力傳遞給設(shè)置在傳感器模塊20內(nèi)的差壓
傳感器。
因為變送器10通常能夠被安裝在現(xiàn)場，所以將變送器10視為現(xiàn)場 設(shè)備。 一般地，"現(xiàn)場"是指過程裝置的外部區(qū)域，其可能遭受氣候極 限、振動、濕度變化、電磁或射頻干擾或其他環(huán)境挑戰(zhàn)。因此，過程 壓力變送器10的魯棒性物理封裝為過程壓力變送器10提供了在"現(xiàn)場"
中每次長時間運行(例如幾年)的能力。
在本實施例中，因為多變量變送器10能夠轉(zhuǎn)換(transduce)多個 過程變量，所以多變量變送器10被視為"多變量的"。例如，如上所述， 變送器10感應(yīng)產(chǎn)生器12兩端產(chǎn)生的差壓。此外，變送器10耦合至溫度 傳感器24，并且被適配為經(jīng)由傳感器24測量過程流體的溫度。優(yōu)選地，
將傳感器24嵌入產(chǎn)生器12內(nèi)，并且傳感器24可以是包括電阻溫度設(shè)備 (RTD)、熱電偶、熱控管、或任何其它適當(dāng)?shù)募夹g(shù)在內(nèi)的任何適當(dāng)?shù)?設(shè)計。優(yōu)選地，將傳感器24布置在產(chǎn)生器12內(nèi)部的溫度計套管 (thermowell)內(nèi)。此外，如將要參考圖2更詳細(xì)描述的，多變量變送 器10還能夠測量管道14內(nèi)的過程流體的參考(絕對或表)壓力。存在 實驗證據(jù)差壓變送器的過度讀取的量是操作壓力、氣體速度以及差 壓元件的幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)。根據(jù)變送器10能夠轉(zhuǎn)換多個參數(shù)的優(yōu)點， 變送器10可以在存儲的儀表配置文件中、測量的過程變量中、或通過 計算來獲得所有這些信息片段。將參考圖4，更詳細(xì)地描述一種用于提 供改進的氣體流速校正的方法。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多變量變送器10的框圖。變送器IO 包括電源模塊30，電源模塊30可操作地耦合至過程通信環(huán)路32。優(yōu)選 地，變送器10包括環(huán)路通信模塊34，環(huán)路通信模塊34也可操作地耦合 至過程通信環(huán)路32。環(huán)路通信模塊34被配置為根據(jù)特定過程工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 協(xié)議(例如HART⑧協(xié)議和FOUNDATIONTMFieldbus Protocol)提供信 令。變送器10包括控制器36，控制器36優(yōu)選地包括低功率微處理器。 控制器36從電源模塊30接收電力，并與環(huán)路通信模塊34進行雙向通信。
差壓產(chǎn)生器12經(jīng)由脈沖線40和42可操作地耦合至差壓傳感器38。 在一個實施例中，差壓傳感器38通常包括可移動隔膜(membrane), 其響應(yīng)于線40和42內(nèi)的差壓而移動。差壓傳感器38可以包括傳導(dǎo)振動 膜(conductive diaphragm )，在振動膜的任 一 側(cè)的板上分別形成電容器。 因此，當(dāng)傳導(dǎo)振動膜移動時，電容發(fā)生變化，該變化可以用于指示差 壓。其他形式的差壓傳感器也可以用于差壓傳感器38。適當(dāng)?shù)氖纠?br> 括基于應(yīng)變儀的傳感器、基于壓阻的傳感器或其他傳感器。
差壓傳感器38電耦合至測量電路44，測量電路44被配置為測量差 壓傳感器38的電氣特性的變化。優(yōu)選地，測量電路44包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 45和多路轉(zhuǎn)換器47。模數(shù)轉(zhuǎn)換器45可操作地耦合至壓力傳感器38、 41 和溫度傳感器24，并基于壓力傳感器38、 41和溫度傳感器24的電氣特 性向控制器36提供數(shù)字指示。
壓力傳感器41可操作地耦合至脈沖線40和42之一。在圖2中，壓
力傳感器41可操作地耦合至脈沖線40。因為壓力傳感器器41是能夠提 供脈沖線"內(nèi)的壓力的指示(表示過程管道14內(nèi)的壓力)的表(gage)、 大氣、或絕對壓力傳感器，所以壓力傳感器41是參考壓力傳感器。除 了差壓傳感器38，附加壓力傳感器41的提供使得多變量傳感器10不僅 能夠測量產(chǎn)生器12兩端的差壓，還能夠測量過程管道內(nèi)的參考壓力。 盡管圖2示出了差壓傳感器38和絕對壓力傳感器41，然而其它布置也可 用于感應(yīng)差壓和參考壓力。例如，可以使用一對參考壓力傳感器，其 中每一各自的參考壓力傳感器耦合至脈沖線。因此，每個壓力傳感器 測量脈沖線內(nèi)的壓力的參考壓力值，然后將差壓作為兩次測量的算術(shù) 差進行計算。測量電路44采用多路轉(zhuǎn)換器47，多路轉(zhuǎn)換器47選擇性地 將壓力傳感器4K壓力傳感器38或溫度傳感器24中的一個耦合至模數(shù) 轉(zhuǎn)換器45。然后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器45產(chǎn)生與關(guān)聯(lián)傳感器所呈現(xiàn)的模擬電量 相關(guān)的數(shù)字指示。在使用多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器45的實施例中，可以潛在地 省略多路轉(zhuǎn)換器47。
圖2還示出了耦合至溫度傳感器24的測量電路。如上所述，溫度 傳感器24可以采用任何適當(dāng)?shù)男问?。多變量變送?0感應(yīng)與管道14內(nèi) 流動的多相過程流體相關(guān)的差壓和參考壓力以及管道14內(nèi)的流體的溫
度的能力，使得能夠進行相對于多相流體流的更高等級的計算。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的過程測量系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)100包 括差壓變送器102和溫度變送器104。圖3示出了本發(fā)明的實施例能夠
利用附加過程變量變送器的能力將過程變量信息傳達給諸如差壓過程 變量變送器之類的特定過程設(shè)備，從而使得差壓變送器102能夠計算校
正的多相流體參數(shù)。在圖3所示的實施例中，變送器102耦合至差壓產(chǎn) 生器12，并且變送器102與相對于圖1和2所描述的多變量變送器10具有
許多相似之處。將相同的組件相似地編號。此外，系統(tǒng)100包括耦合至 圖3所示的虛線中所例證的溫度傳感器24的過程溫度變送器104。過程
溫度變送器是本領(lǐng)域公知的，因此將不再對其進行更詳細(xì)的描述。根 據(jù)本發(fā)明的實施例，變送器102從溫度變送器104査詢或相反地獲得過 程流體溫度信息。然后，變送器102轉(zhuǎn)換差壓和參考壓力，并提供校正 后的多相流體流參數(shù)。此外，本發(fā)明的實施例還包括將另一過程變送
器用于轉(zhuǎn)換或相反地測量管道14內(nèi)的壓力。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例，過程變量變送器中的諸如控制器36之類
的控制器使用通常被稱為功能塊的組件來計算校正后的多相流體流 值，其中每個功能塊是整個控制例程的一部分(例如，子例程)，并且 與其它功能塊結(jié)合(經(jīng)由被稱作鏈接的通信)進行操作，以在過程控 制系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)過程控制環(huán)路。功能塊典型地執(zhí)行輸入功能(例如與過 程變量變送器、傳感器、或其它過程參數(shù)測量設(shè)備相關(guān)聯(lián)的輸入功能)、
控制功能(例如與執(zhí)行PID、模糊邏輯控制的控制例程相關(guān)聯(lián)的控制 功能)、或輸出功能(控制諸如闊門之類的一些設(shè)備的操作)中的一個， 以在過程控制系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行某些物理功能。當(dāng)然，存在混合及其它類型 的功能塊?？梢詫⒐δ軌K存儲在過程設(shè)備的控制器中，并且由過程設(shè)
備的控制器執(zhí)行，這典型地為以下情況當(dāng)這樣的功能塊用于或關(guān)聯(lián)
標(biāo)準(zhǔn)4-20 mA設(shè)備以及諸如HART設(shè)備之類的一些類型的智能現(xiàn)場設(shè) 備時，或可以將這樣的功能塊存儲在現(xiàn)場設(shè)備自身中并且由所述現(xiàn)場 設(shè)備自身來實現(xiàn)時，這可以是采用FOUNDATIONTM Fieldbus的情況。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于為多相過程流體流計算和校正 氣體流速參數(shù)的方法的流程圖。方法200結(jié)束于框202，在框202處，獲 得差壓(dp)、參考壓力(P)、以及氣體速度(Vg)的初始值。如上 所述，可以通過如上相對于圖1和2所描述的耦合至多變量過程設(shè)備的 適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽磙D(zhuǎn)換這些參數(shù)；經(jīng)由過程通信，從一個或更多個其它 現(xiàn)場設(shè)備獲得這些參數(shù)；或二者的組合。然后，控制前進至框204，在 框204處計算過度讀取(OR)。該計算基于為壓力(P)以及氣體速度 (Vg)測量的或獲得的值?？?04基于在框202中獲得的壓力和氣體速 度值，計算過度讀取。存在實驗證據(jù)過度讀取的量是操作壓力、氣 體速度、以及差壓基本元件的幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)。 一旦執(zhí)行了現(xiàn)場設(shè)備 的安裝和交付使用，差壓基本元件的幾何結(jié)構(gòu)就變?yōu)榧褐?。因此?該信息被視為與操作相關(guān)的先驗信息。然而，變送器IO、 102中的每一 個在存儲器中保存與差壓基本元件(產(chǎn)生器)12相關(guān)的信息。該信息 可以采取以下形式 一組方程的系數(shù)、査找表、或任何其它合適的形 式。在過度讀取與Lockhart Martindli參數(shù)(XLM)之間的一個特定的
關(guān)系是線性過度讀取模型。在線性過度讀取模型中，過度讀取對xlm 的圖的斜率等于截距加上乘以壓力值(P)的第一系數(shù)，加上乘以 氣體速度的第二系數(shù)，加上乘以表示差壓產(chǎn)生器的幾何結(jié)構(gòu)的值的第 三系數(shù)。更具體地，該關(guān)系采用以下形式
OR対Xlm的斜率-截距+ C1(P) + C2(Vg) + C3(P)
為了在框204處執(zhí)行的過度讀取的初始計算，可以使用適當(dāng)?shù)娜?省值來估計Lockhart Martinelli參數(shù)，或者將Lockhart Martinelli參數(shù)作
為在多相流體流變送器的交付使用期間輸入的初始值而取回。 一旦在 框204處執(zhí)行對過度讀取的初始計算，則基于在框204中計算的過度讀 取值，計算差壓值和氣體速度值。在框206處執(zhí)行對差壓和氣體速度的 計算?？?06還包括確定校正的差壓是否與在先前的迭代中獲得的校正
后的差壓足夠接近的測試。本質(zhì)上，這是一個收斂測試。在第一次通 過之后，將不存在收斂，并且框206將簡單地將控制傳遞給框208和210， 以根據(jù)在框206中計算的參數(shù)分別計算Lockhart Martinelli參數(shù)以及過
度讀取曲線。
在框208處，將Lockhart Martinelli參數(shù)(XLM)定義為
其中
(^是液體的質(zhì)量流速； Qg是氣體的質(zhì)量流速； p,是液體的流動密度； Pg是氣體的流動密度。
根據(jù)已知的液體密度、在多相流體流中出現(xiàn)的液體的百分比、以 及氣體的密度，計算LockhartMartinelli參數(shù)(XLM)。優(yōu)選地，基于將 要在管道14中出現(xiàn)的預(yù)期的過程流體，在交付使用或多相流體流儀的 維護期間，將液體密度作為先驗信息輸入。基于管道14中的氣體相位 的已知性質(zhì)以及測量的過程溫度和壓力，計算氣體密度。假設(shè)液體與 氣體相位質(zhì)量流速的比例是恒定的，通過使用測試分離器或者其它裝
置獨立地測量液體與氣體相位質(zhì)量流速的比率。
在框210中，基于在框202中測量的壓力、在框206中計算的氣體 速度、以及已知的儀器配置信息，計算或確定過度讀取曲線。將計算 的Lockhart Martindli參數(shù)和計算的過度讀取曲線都反饋至框204，利用 從框208和210最新計算的信息重復(fù)該方法。持續(xù)該過程，直到差壓收 斂至適當(dāng)?shù)牡燃?，在所述等級處定時控制從框206傳遞至框212。在框 212處，差壓用于為多相流體流計算校正后的氣體流速。優(yōu)選地，經(jīng)由 諸如環(huán)路32之類的過程通信環(huán)路，將該參數(shù)傳送給控制器或其它適當(dāng) 的過程設(shè)備。
本發(fā)明的實施例為多相過程流體流產(chǎn)業(yè)提供了顯著益處。現(xiàn)在， 己在許多過程裝置中使用的過程變量變送器甚至能夠在流條件改變時 提供有價值的多相過程流體信息。
盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員 將認(rèn)識到，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以在形式和細(xì) 節(jié)上進行改變。
權(quán)利要求
1、一種多相過程流體流量計，包括電源電路，被配置為給所述流量計提供電力；環(huán)路通信電路，被配置為耦合至過程通信環(huán)路，以提供過程通信輸出，所述過程通信輸出表示與多相過程流體流相關(guān)的流值；控制器，耦合至電源電路和環(huán)路通信電路；測量電路，可操作地耦合至控制器，所述測量電路耦合至第一過程變量傳感器；其中，將所述控制器配置為從所述測量電路獲得表示第一過程變量的信息，以及獲得與多相流體流相關(guān)的多個附加過程變量；以及其中，將所述控制器配置為基于所述第一過程變量和附加過程變量，提供校正后的多相流值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的流量計，其中，所述第一過程變量傳感器是 可操作地耦合至差壓產(chǎn)生器的差壓傳感器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l的流量計，其中，所述附加過程變量中的至少 一個包括多相過程流體的參考壓力。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l的流量計，其中，所述附加過程變量中的至少 一個包括多相過程流體的溫度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l的流量計，其中，所述測量電路可操作地耦合至第二過程變量傳感器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5的流量計，其中，所述第二過程變量傳感器是壓力傳感器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5的流量計，其中，所述第二過程變量傳感器是 溫度傳感器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l的流量計，其中，通過過程通信環(huán)路將所述附 加過程變量中的至少一個傳送給流量計。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l的流量計，其中，所述流量計完全由從過程通 信環(huán)路接收到的能量來供電。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l的流量計，其中，所述控制器包括在其中 存儲程序指令的存儲器，所述程序指令被配置為使得所述控制器利 用所述第一和附加過程變量執(zhí)行迭代校正計算。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10的流量計，其中，所述指令組成功能塊。
12、 一種用于在多相過程流體流量計中提供校正后的流參數(shù)的方 法，所述方法包括獲得與差壓產(chǎn)生器兩端的差壓有關(guān)的差壓值，所述差壓產(chǎn)生器被 布置在傳送多相位過程流體的管道中；獲得與多相過程流體相關(guān)的參考壓力值； 獲得與多相過程流體相關(guān)的溫度值； 獲得多相過程流體的氣體速度； 基于差壓和氣體速度計算過度讀取值； 基于所述過度讀取值校正差壓；以及確定所述差壓是否收斂于所選的量，以及如果尚未收斂，則重復(fù)；基于已知的液體密度、流體中液體的百分比、計算的氣體速度以 及氣體的密度，計算Lockhart-Martinelli參數(shù)；基于參考壓力、溫度、氣體速度、以及產(chǎn)生器的幾何結(jié)構(gòu)信息， 獲得過度讀取關(guān)系；以及一旦所述差壓收斂于所選的量，則基于所述差壓提供多相流體流 值，但是如果所述差壓尚未收斂于所選的量，則反饋回 Lockhart-Martinelli參數(shù)和過度讀取關(guān)系。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，獲得所述差壓值包括采用 可操作地耦合至差壓產(chǎn)生器的差壓傳感器，所述差壓產(chǎn)生器被布置在 多相過程流體內(nèi)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，獲得所述參考壓力值包括采用可操作地耦合至多相過程流體的壓力傳感器。
15、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，獲得所述溫度包括采用可操作地耦合至多相過程流體的溫度傳感器。
16、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，通過過程通信環(huán)路將差壓值、參考壓力值以及溫度值中的至少一個傳送給流量計。
17、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，在功能塊內(nèi)執(zhí)行所述方法。
18、根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括完全利用過程通信環(huán)路來
全文摘要
過程變量變送器(10，102)可操作地耦合至多相過程流體流的源(14)。過程變量變送器(10，102)被配置為在多相過程流中，獲得與溫度、參考壓力、以及差壓產(chǎn)生器(12)兩端的差壓相關(guān)的信息。過程變量變送器(10，102)被配置為基于參考壓力、差壓和溫度，計算和/或校正過度讀取。
文檔編號G01F1/34GK101384884SQ200780005283
公開日2009年3月11日 申請日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月15日
發(fā)明者拉塞爾·N·埃文斯, 約翰·E·加尼特 申請人:羅斯蒙德公司