專利名稱：采用基于相位診斷的流體流測量的制作方法
采用基于相位診斷的流體流測量
背景技術(shù)：
壓力差和流量測量在寬范圍的流體過程中具有重要的應(yīng)用，包括食品和飲料生產(chǎn)、水處理、醫(yī)藥品、烴類燃料提取、石化處理、制造、輸送和能量生產(chǎn)。在這些應(yīng)用的每一種中，過程測量和控制系統(tǒng)利用一定范圍的獨立壓力傳感器、變送器和現(xiàn)場設(shè)備以監(jiān)測和控制過程壓力和相關(guān)的參數(shù)，包括質(zhì)量和體積的流量。在多種流體過程中，流動不限于單種組分或相位。例子包括粉煤、煤泥、水力采礦、 油/水/氣提取物和用于超臨界提取或碳封存的(X)2基流動。其中基于壓力的測量用來確定體積或質(zhì)量流量，而且，這些測量還取決于流體密度。所述密度隨著過程溫度和壓力以及每種單獨的流動組分的相位和成分而變化，并且這些因數(shù)中的每一種都對整體精確度起作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明關(guān)注于用于測量流體流并用于產(chǎn)生與流體流的特性相關(guān)的基于相位的診斷的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括壓力差傳感器、過程壓力傳感器、溫度傳感器和具有基于相位的軟件診斷模塊的微處理器。壓力差傳感器定位為感測沿著過程流體流的壓力差，其中所述流體的流體特性具有第一(如，液)相和沿著飽和線或其它轉(zhuǎn)變曲線從第一相分開的第二(如，汽)相。過程壓力傳感器和溫度傳感器定位為分別地感測過程壓力和過程溫度。微處理器連接至壓力差傳感器、過程壓力傳感器和溫度傳感器，以確定流量。診斷模塊基于過程壓力和過程溫度產(chǎn)生作為與轉(zhuǎn)變曲線相比較的診斷。


圖1為具有基于相位的診斷的流量測量系統(tǒng)的示意圖。圖2A為用于根據(jù)作為過程溫度T的函數(shù)的過程壓力P描繪用于過程流體的飽和線的診斷模塊的示意圖。圖2B為根據(jù)作為過程溫度T的函數(shù)過程壓力P描繪用于過程流體的流體特性的相位圖的診斷模塊的示意圖。圖3為用于采用基于相位的診斷產(chǎn)生流量測量的基于變送器的系統(tǒng)的示意圖。圖4用于采用基于相位的診斷產(chǎn)生流量測量的多變量變送器的示意圖。圖5為圖示用于產(chǎn)生流量測量和基于相位的診斷的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1為具有基于相位的診斷的質(zhì)量流量測量系統(tǒng)10的示意圖。系統(tǒng)10包括用于感測過程壓力P的壓力傳感器12、用于感測壓力差DP的壓力差傳感器13、用于感測溫度T 的溫度傳感器14，以及具有用于產(chǎn)生流量信號FL和流體相位診斷DG的軟件模塊18的微處理器(μ P) 16。
流量信號FL將過程流量描述為壓力差DP的函數(shù)。典型地，流量還取決于過程壓力P和溫度T，其通過流體密度(P)和粘性(μ)進入，并經(jīng)過幾何考慮和膨脹因素，包括熱膨脹以及壓力和溫度對等熵冪的影響。當(dāng)與飽和線或描述過程流體的其他相位函數(shù)相比時，診斷模塊18產(chǎn)生作為過程壓力P和溫度τ的函數(shù)的診斷信號DG。診斷信號DG與過程流動F的流體特性相關(guān)聯(lián)，特別地與相變相關(guān)聯(lián)，所述相變至少由于它們影響流體密度P的原因而影響流量測量精確度。 在一些實施方式中，診斷信號DG還指示相變或相位混合，或過程壓力傳感器12、DP傳感器 13或溫度傳感器14中的校準(zhǔn)誤差或硬件故障。取決于實施方式，傳感器12，13和14或者以獨立(單獨)模塊形式設(shè)置，或者它們結(jié)合到一個或多個現(xiàn)場設(shè)備或變送器20中。例如，如圖1所示，變送器20結(jié)合過程壓力傳感器12、壓力差(DP)傳感器13和溫度傳感器14的元件以及用于微處理器16、診斷模塊 18和接口(I/F) 22的存儲器和數(shù)據(jù)處理部件。過程壓力傳感器12、DP傳感器13和溫度傳感器14定位成與流動管(或管道)26 中的過程流動F熱力學(xué)接觸，以分別地產(chǎn)生表示過程壓力P、壓力差DP和過程溫度T的信號。例如，在圖1的特定實施方式中，DP傳感器13跨接諸如孔板觀之類的流動限制裝置， 以產(chǎn)生與流量相關(guān)的壓力差(DP)信號。過程壓力(P)傳感器12連接至DP傳感器13的上游管線，以產(chǎn)生與過程壓力相關(guān)的信號，例如表壓力(GP)或絕對壓力(AP)?？商鎿Q地，過程壓力傳感器12連接至DP傳感器13的下游管線，或者傳感器12利用獨立的過程流體連接來感測過程壓力P。溫度(T)傳感器14包括定位成與過程流動F熱接觸的熱敏元件，例如位于熱電偶套管30中的熱電偶或電阻式溫度裝置(RTD)，熱電偶套管30安裝在孔板觀下游的流動管 26中。下游熱電偶套管配置降低在對孔板觀處的DP傳感器13的伴流影響，但上游安裝也是可行的?？商鎿Q地，溫度傳感器14利用至流動管沈的外部熱聯(lián)接器，或者內(nèi)部或嵌入的主元件配置。在這些實施方式中的一些中，傳感器12，13和14利用直接法蘭或管安裝配置，或者諸如脈沖管道之類的間接聯(lián)接器，或其組合。在系統(tǒng)10的運行中，微處理器16利用柏努利原理或相關(guān)的壓力/流量關(guān)系，以基于壓力差DP和流體密度P以及諸如粘性μ之類的其它參數(shù)來確定流量。流體密度P又取決于過程壓力P和溫度Τ，其中壓力依賴性對諸如水之類的基本不可壓縮流體來說相對較小，對包括蒸汽、天然氣和其它氣體之類的可壓縮流體來說相對較大。當(dāng)與描述過程流體的相位的相位數(shù)據(jù)以及其流體特性相比較時，微處理器16結(jié)合診斷軟件模塊18以基于壓力P和溫度T產(chǎn)生診斷信號DG。可替換地，診斷模塊18以獨立形式設(shè)置，具有獨立存儲器和處理部件。接口 22提供功率輸入和變送器20與和分布式控制系統(tǒng)(DCS)M之間的通信，或與本地或遠程操作人員的通信。根據(jù)實施方式，這些通信包括模擬信令、模擬控制和數(shù)字信令和控制。例如，在圖1的特定實施方式中，接口 22將模擬流量信號FL和數(shù)字診斷信號DG 從微處理器16傳送至DCS模塊Μ，例如作為疊加在模擬流量信號的數(shù)字診斷信號?？商鎿Q地，流量信號和診斷信號都是數(shù)字的，或都是模擬的。流量信號FL表征過程流動F的體積流量或質(zhì)量流量，或者流速，或其組合。診斷信號DG表征過程流動F的相位，且特別地，指示過程流體中相變的可能性，如與流量精確性相關(guān)聯(lián)。取決于實施方式，診斷信號DG還指示潛在的傳感器錯誤或硬件故障，例如過程壓力傳感器12、DP傳感器13或溫度傳感器14中的校準(zhǔn)誤差或傳感器故障。相變與系統(tǒng)10和變送器20的運行相關(guān)，因為基于壓力的流量測量依賴流體密度 P來確定流量，并且流體密度P不僅取決于過程壓力P和溫度T，而且取決于過程流體的相位。雖然額定流量計精確度通常取決于用于過程流體的單相，而且(即，全液態(tài)、全蒸汽或全氣態(tài))，并不總是這種情況。基于水的流體處理易于冰凍和蒸發(fā)，而蒸汽和氣體流通常涉及混合的液態(tài)和蒸汽相。天然氣和(X)2應(yīng)用還涉及多相流動，不僅處于液態(tài)和蒸汽狀態(tài)， 而且處于超臨界相。相位因素不僅影響直接取決于流體密度P的質(zhì)量流量，而且影響通過 Bernoulli (伯努利)方程以及相關(guān)的動力和熱力關(guān)系間接取決于密度的體積流量。因此精確的流量測量不僅取決于過程變量P和T如何與流體密度P相關(guān)(假設(shè)特定的流體相)， 而且取決于這些變量如何與相位本身相關(guān)，當(dāng)通過使用診斷模塊18以比較過程壓力P和溫度T與飽和線或其它與相位相關(guān)的數(shù)據(jù)來確定時。圖2A為實施方式中的診斷模塊18的示意圖，描述用于特定過程流體的飽和線32。 飽和線32根據(jù)過程溫度T (在垂直軸線上)限定作為過程壓力P (在水平軸線上)的函數(shù)的飽和點(或冷凝點)。飽和線32將相位標(biāo)圖分成不同的液態(tài)和蒸汽狀態(tài)，液相處于相對低的溫度T和較高的壓力P，汽相位于通常較高的溫度τ和較低的壓力P。沿著飽和線32發(fā)生相變，在飽和線32中的過程溫度T近似等于冷凝溫度(或沸點溫度)，如為特定過程壓力P限定的那樣。如圖2A所示，當(dāng)過程溫度T小于飽和線32的值時，過程流體通常存在于液相中， 如在壓力P(如，點33A)處所限定，并且當(dāng)溫度T大于飽和線32的值時(如，點33C)在汽相中。然而，當(dāng)過程條件落到飽和線上時，相變和液體/蒸汽混合是可能的。這例如在點3 處發(fā)生，溫度T近似等于飽和線32的如在壓力P處限定的值，壓力P近似等于飽和線32的如在溫度T處限定的值。通過將過程壓力P和過程溫度T與飽和線32或相關(guān)的相變函數(shù)進行比較，可以產(chǎn)生大量不同的診斷。當(dāng)過程壓力P和過程溫度T落在飽和線32上時，例如，如上文為點33B 所描述，診斷指示可能的液體/蒸汽相變或多相流動情況。在水和其它液體流動中，這對應(yīng)于蒸發(fā)或沸騰，并且在蒸汽和氣體流動中，這對應(yīng)于冷凝。通常，蒸發(fā)(或其它相變)的潛熱趨于使過程變量沿著轉(zhuǎn)變曲線穩(wěn)定。因此，相關(guān)的相位含量(或“純度”)沒有必要單獨地限定為過程壓力P和溫度T的函數(shù)，而不需要獨立地測量流體密度P。當(dāng)過程溫度T大致小于(低于)飽和線32的值時(如，點33A)，診斷指示液相流動，或者具有實質(zhì)液體成分的流動。雖然這對水和其它液體流動是額定條件，但它指示氣體、蒸汽和其它汽相流動的潛在的或?qū)嶋H的冷凝，這會影響流量精確性。冷凝和相關(guān)的濕氣影響是問題，即使在其它方面高純度流動(如，90%<Q< 100%)中相對低水平冷凝處，和在低純度流動(如，Q <90%)中相對高水平的冷凝處。冷凝還是非均勻影響，趨向于沿著垂直鋪設(shè)管的側(cè)面和在水平鋪設(shè)管的底部積聚，并且這對流量測量產(chǎn)生附加的影響。如果過程溫度T大致大于(高于)飽和線32的值(如，點33C)，診斷指示汽相流動，或具有實質(zhì)汽相成分的流動。對于蒸汽和氣體應(yīng)用，這將是額定條件，但對于水和其它液相流動，診斷指示潛在的或?qū)嶋H的相變，如沸騰和蒸發(fā)?；谙辔坏脑\斷還能夠應(yīng)用于天然氣和其它碳氫化合物流動中以及二氧化碳流動中的其它多相條件?；谙辔坏脑\斷不同于單變量和基于范圍的技術(shù)，例如，如圖2A所示，基于用于溫度T的Tmin-Tmax的和用于過程壓力P的Pmin-Pmax的工作范圍的診斷。特別地，基于相位的診斷涉及過程流體的物理狀態(tài)，如由過程壓力P和溫度T之間的特定函數(shù)關(guān)系所描述，并且因此提供的信息比從相位變量單獨獲得的信息多。這種方法還以客觀條件限定了相位關(guān)系；也就是說，基于與轉(zhuǎn)變函數(shù)相比較的相位變量的值，而不是相位標(biāo)圖本身的主觀(如， 上下或左右)定向。更具體地，當(dāng)溫度T近似等于(點33B)或大于(點33C)飽和線32的分別地如在特定壓力P下限定的值時，溫度τ落在飽和線32上或上方。相反地，當(dāng)壓力P小于飽和線 32的值時，溫度T落在飽和線32的下方；即，小于如為特定過程壓力P(如，點33B)限定的飽和點。因為這些限定取決于過程變量的客觀值，而不是相位標(biāo)圖的主觀定向，因此它們可等同地適用于沿著水平溫度軸線表示的相變(如，參見圖2B，如下文描述的那樣)。類似地， 當(dāng)過程壓力P近似等于飽和線32的如在特定溫度T (點33B)處限定的值時，過程壓力P落在飽和線32上，并且當(dāng)壓力P大于(點33A)或小于(點33C)該值時，過程壓力P分別地落在飽和線32的上方或下方。過程變量P和T的容差取決于傳感器校準(zhǔn)、變送器配置和運行條件，并且可以以絕對或相對條件限定。對于溫度T，根據(jù)應(yīng)用和用戶喜好，典型的容差為士 1-2° F或士 1-2°C。 可替換地，使用相對溫度容差，例如0. 5%或1. 0%。壓力容差通常稍微較小，例如0. 04%或 0. 2%，但在一些系統(tǒng)中，壓力和溫度容差相當(dāng)?；谌莶?，因此當(dāng)溫度T在曲線的如為特定過程壓力P限定的值的士 1-2度(° F 或。C)內(nèi)，或者在該值的0.04%、0.2%、0.5(%或1.0(%內(nèi)時，據(jù)說過程條件落在特定的轉(zhuǎn)變曲線上。類似地，當(dāng)壓力P例如在該曲線的如為特定過程溫度T限定的值的0. 04%,0.2%, 0. 5%或1. 0%內(nèi)時，過程壓力P落在轉(zhuǎn)變曲線上。根據(jù)運行條件，大致落在特定轉(zhuǎn)變曲線的上方或下方(即，在特定轉(zhuǎn)變曲線的額定容差之外)的過程變量還指示傳感器誤差或其它硬件故障，而不是相變。這例如與RTD、 熱敏電阻、熱電偶和熱電偶套管有關(guān)，特別是經(jīng)受磨蝕性或腐蝕性流動、快速或重復(fù)的溫度循環(huán)以及流動引起的振蕩時。當(dāng)過程變量P和T的特定組合產(chǎn)生不實際或不合規(guī)格的導(dǎo)出量(例如流體密度P或流量)的值時，指示其它傳感器誤差。固態(tài)相變還通過引入懸浮組分會或流動障礙物而影響流量測量，超臨界相變與天然氣、有機流體和基于(X)2的過程相關(guān)。在這些實施方式中，提供附加的相位數(shù)據(jù)，以便基于更普遍的相變和如應(yīng)用于單組分和多組分(或多部分)過程流體流那樣來產(chǎn)生附加的診斷。圖2B為描述用于特定過程流體組分的一般化相位圖的實施方式中的診斷模塊18 的示意圖。在該圖示中，相位圖基于過程壓力P(在垂直軸線上)限定固體、液體和蒸汽狀態(tài)(相位)的作為過程溫度T(水平軸線)的流體特性。如圖2B所示，固相、液相和汽相共存于在三相點壓力P3和三相點溫度T3下限定的三相點34處。兩種流體相位(液體和蒸汽狀態(tài))沿著蒸發(fā)曲線36分開，蒸發(fā)曲線36實質(zhì)上是上文中的圖2A的飽和線32的反函數(shù)(functional inverse)。蒸發(fā)曲線36從三相點34延伸至臨界壓力P。和臨界溫度T。處的臨界點38，在該臨界點之上，流體轉(zhuǎn)變成超臨界或超流體狀態(tài)。固相和汽相沿著從圖2B中的三相點34向下延伸的升華曲線40分開，固相和液相沿著從三相點34向上延伸的熔化曲線42A和42B分開。正常的熔化曲線42A(實線)示出為具有正的斜率，如根據(jù)過程壓力P與溫度T之比限定的那樣，不規(guī)則的熔化曲線42B (虛線)具有負(fù)的斜率，如與水或基于水的溶液或懸浮物的特性一樣。蒸發(fā)曲線36限定過程流體的蒸發(fā)點和冷凝點，沿著曲線36的液體/蒸汽相變與沿著上文中的圖2A的飽和線32限定的蒸汽/液體相變互補。按照過程壓力P，在等于或大于蒸發(fā)曲線36的如為特定溫度T限定的值(上或上方)的壓力P處指示從汽相到液相的轉(zhuǎn)變，在等于或小于蒸發(fā)曲線36的值(上或下方)的壓力P處指示從液相到汽相的轉(zhuǎn)變。 這對應(yīng)于氣體或其它汽相過程流體中的冷凝或液滴形成，和有機液體、水和其它液相過程流體中的蒸發(fā)、沸騰或起泡。還可以根據(jù)溫度T限定相變，如上文為圖2A描述的那樣。對于液相過程流體，即， 蒸發(fā)曲線36還根據(jù)過程壓力P限定蒸發(fā)溫度，在曲線36上或上方的溫度T處蒸發(fā)(或沸騰)。蒸發(fā)曲線36還為汽相流體限定冷凝溫度，再次作為過程壓力P的函數(shù)，在曲線36上或下方的溫度T處冷凝和形成液滴。固/汽相變沿著升華曲線40限定，升華曲線40限定從三相點34向下延伸的升華點或升華溫度函數(shù)。從固相至汽相的升華出現(xiàn)在等于或大于升華曲線40(上或上方)的如為過程壓力P彡P(guān)3限定的值的溫度T處，且在等于或小于升華曲線40 (上或下方)的如為溫度T < T3限定的值的過程壓力P處出現(xiàn)。相反地，固相沉積(結(jié)霜)在如在過程壓力 P彡P(guān)3處限定的升華曲線40上或下方的溫度T處，且在如在溫度T ^ T3處限定的升華曲線40的上或上方的過程壓力P < P3處出現(xiàn)。固/液相變沿著從三相點34向上延伸的熔化曲線42A和42B限定，曲線42A和 42B在三相點34處分別限定正常和異常流體的熔點和凝固點。特別地，熔化在等于或大于熔化點(處或上方)的溫度T處出現(xiàn)(如沿著熔化曲線42A和42B在過程壓力P>P3處限定的那樣)，并且凝固和固化在等于或小于熔點(或凝固點)(處或下方)的溫度T處出現(xiàn)。根據(jù)過程壓力P，固/液相變?nèi)Q于熔化曲線是正常(實線42A)或者異常(虛線 42B)。對于正常流體，熔化在近似等于或小于正常熔化曲線42A(上或下方)的壓力P處出現(xiàn)(如為過程溫度T > T3限定的那樣)，并且固化(凝固)在P近似等于或大于正常熔化曲線42A (上或上方)的壓力P處出現(xiàn)。然而，對于異常流體，為溫度T <T3限定固/液轉(zhuǎn)變，并且熔化在異常曲線42Β上或上方的壓力P處出現(xiàn)，凝固在曲線42Β上或下方的壓力P 處出現(xiàn)。超流體相變在臨界點38上方的壓力P > Pe且溫度T > Tc處出現(xiàn)。更具體地，氣態(tài)流體傾向于在超臨界溫度T > Tc下表現(xiàn)為過熱蒸汽，且過熱蒸汽在壓力P > Pc處變?yōu)槌R界流體。液體在超臨界壓力P > Pe處傾向于變?yōu)楦涌蓧嚎s的，且在溫度T > Tc處轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)。然而，與固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)相反，超臨界相變通常是連續(xù)的或本質(zhì)上是二階的，而不是離散的。特別地，到涉及很少的潛熱或不涉及潛熱的程度，沿著明確的超臨界轉(zhuǎn)變線或曲線穩(wěn)定壓力P和溫度T的趨勢很小。雖然如此，包括密度的超臨界流體特性大體上隨著壓力P和溫度T改變，并且基于臨界點38的基于相位的診斷與包括超臨界萃取、有機超流體、基于C02的碳氫燃料萃取和碳沉(carbon sequestration)的大量流體過程相關(guān)。如上文為圖2A描述的那樣，過程變量P和T與轉(zhuǎn)變曲線36、40和42 (或三相點34 和臨界點38)之間的關(guān)系通常根據(jù)特定的容差限定。具體地，當(dāng)壓力P近似等于如在溫度 T處限定的曲線或點的值時，或者當(dāng)壓力P在曲線或點的特定容差(例如，0. 04%,0.2%, 0.5%或1%)內(nèi)時，過程壓力P據(jù)說落在(或靠近)轉(zhuǎn)變曲線上。相反，當(dāng)壓力P的值分別大于或小于如在溫度T處限定的曲線或點的值時，或者當(dāng)壓力P與曲線或點的值之間的差等于或超過給定容差時，過程壓力P落在特定的曲線或點的上方或下方。類似地，當(dāng)溫度T近似等于如在特定過程壓力P處限定的曲線或點的值時，或者當(dāng)溫度T在曲線或點的特定容差內(nèi)(例如，在士 1-2° F(或。C)內(nèi)，或者在0.04^^0.2%, 0.5%或1%內(nèi))時，據(jù)說過程溫度T落在特定轉(zhuǎn)變曲線或點上或靠近特定轉(zhuǎn)變曲線或點。 當(dāng)溫度大于或小于如在特定過程壓力P處限定的曲線或點的值時，或者當(dāng)溫度T的值超過所述曲線或點的值大于容差時，或當(dāng)溫度T的值降低所述曲線或點的值以下大于容差時， 溫度T落在所述曲線或點的上方或下方。如上文說明的那樣，相對蒸汽含量(或純度)不是沿著轉(zhuǎn)變曲線的單值，而是從0 到1變化。而且，在僅測量過程壓力P或過程溫度T的裝置中，通常假設(shè)特定的相位條件， 例如假設(shè)流動飽和且處于100%純度。相反，基于過程壓力P和過程溫度T二者的測量的診斷在單相和多相流動條件之間提供了明確的測試。特別地，通過將過程溫度T與用于過程流體的如在過程壓力P處限定的實際飽和點進行比較，而不是僅基于過程溫度T簡單地假設(shè)飽和壓力，或僅基于過程壓力P簡單地假設(shè)飽和溫度，可以定量測試飽和。過熱或過濾液態(tài)還存在于多種處理應(yīng)用中。過熱液體是具有大于如沿著蒸發(fā)曲線 36為特定壓力P限定的沸點或大于如沿著圖2A的飽和線32限定的飽和點的溫度T的液相流體。這例如在過熱水和過熱蒸汽之間區(qū)分開，其中過熱蒸汽在飽和點上方，當(dāng)存在于汽相中，而不是液相中。相反地，過冷液體是被冷卻到低于如沿著熔化曲線42A或42B限定的凝固點之下的溫度T的液體。過熱和過冷液體都與流量測量和基于相位的診斷方法有關(guān)，因為它們指示意外的或不需要的相位條件。過熱和過冷液體狀態(tài)也是不穩(wěn)定的，并且，當(dāng)過程流動變?yōu)橥牧骰蚝宋恢帽灰霑r，經(jīng)受快速的相變。關(guān)于基于上文的圖2A的飽和線32的診斷，壓力和溫度的異常值還指示硬件或校準(zhǔn)問題，以及實際的相變。特別地，傳感器誤差由明顯高于或低于特定相變的壓力值和溫度值指示，所述特定相變?nèi)鐬榱髁坑嫷恼Ｒ合嗷蚱嘈?zhǔn)狀態(tài)限定，并且當(dāng)相位變量P和 T(或壓力差DP)為諸如流體密度和體積或質(zhì)量流量之類的導(dǎo)出量產(chǎn)生不實際的或不合規(guī)格的結(jié)果時。圖3為基于變送器的實施方式中的系統(tǒng)10的示意圖，該系統(tǒng)利用脈沖管道44將變送器20連接至流動管沈內(nèi)部的過程流動F。在這個特定實施方式中，變送器20測量過程流動F的作為在孔板觀上產(chǎn)生的壓力差的函數(shù)的速度，其中孔板觀在法蘭46處安裝在流動管26的內(nèi)部?？商鎿Q地，變送器20跨接文丘里管或用于基于流量產(chǎn)生壓力差降的其它裝置，并且如上所述，壓力和溫度連接是間接的或直接的。
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變送器20提供體積或質(zhì)量流量格式的流量輸出FL，并利用診斷模塊18以產(chǎn)生診斷DG。在圖3的特定實施方式中，診斷模塊18設(shè)置為外部獨立組件，但在其它實施方式中， 診斷模塊18結(jié)合在變送器20內(nèi)，如下文緊接著參照圖4描述的那樣。圖4為用于產(chǎn)生流量測量值FL和流體相位診斷DG的變送器20的示意圖。在這個特定實施方式中，變送器20包括多變量變送器，如從Minnesota州Chanhassen市的 Rosemount 公司(Emerson Process Management 公司)買至Ij的 3051SMV。可替換地,使用離散的組件，如上文參照圖1的系統(tǒng)10和圖3的變送器20描述的那樣，或使用單變量和多變量變送器的組合。如圖4所示，變送器20包括過程壓力傳感器12、DP傳感器13和溫度傳感器14，它們中的每一個都具有結(jié)合在單個(整體)變送器殼體48內(nèi)的組件。在這個多變量變送器實施方式中，殼體48還包圍微處理器16、診斷模塊18和接口 22，并提供流體和壓力密封， 以防止?jié)駳狻㈦娬?、爆炸劑或腐蝕劑、以及其它運行危險。傳感器12、13和14連接至過程流動，例如采用法蘭適配器50，以提供與過程流體進行熱動力接觸。取決于實施方式，過程壓力、壓力差和溫度聯(lián)接器包括脈沖管道、熱電偶套管型和直接法蘭安裝式配置，如上文參照圖1和3描述的那樣，或者其組合。微處理器16電連接至傳感器12、13和14中的每一個，以基于過程壓力P、壓力差 DP和過程溫度T確定體積或質(zhì)量流量輸出FL。微處理器16還利用診斷模塊18，如與描述過程流體的相位數(shù)據(jù)進行比較，以產(chǎn)生作為壓力P和溫度T的函數(shù)的相位診斷DG。特別地， 如上文參照圖2A和2B描述的那樣，相位數(shù)據(jù)為一種或多種過程流體成分限定飽和線、蒸發(fā)曲線、冷凝曲線、熔化曲線、凝固曲線、升華曲線、三相點或臨界點。在圖4的特定實施方式中，診斷模塊18結(jié)合在微處理器16中?？商鎿Q地，診斷模塊18設(shè)置為獨立模塊，例如如上文在圖1和3中示出的那樣。變送器20利用二線式回路連接52A和52B或數(shù)據(jù)線/電源線、無線接口或其它過程通信硬件經(jīng)由接口 22連接至DCS模塊M或用戶/操作人員。變送器20以無線和硬連線配置支持多種低功耗模擬、混合模擬/數(shù)字和數(shù)字測量和控制協(xié)議，包括HART ， Fieldbus Foundation , PROFI BUS和PROFI NET,利用對應(yīng)范圍的硬連線和無線裝置配置。在一些實施方式中，變送器20還為直接用戶/操作人員通信提供本地接口，例如采用LCD屏、觸摸屏或其它顯示裝置。在圖4的二線式配置中，變送器20和DCS 24利用低功耗模擬或模擬/數(shù)字(混合)信號協(xié)議，其具有混合信號和小于約40mA或約4-20mA的電源電流(power current)。 在這些實施方式中的一些中，變送器20在約12V或約24V的最大(DC)電壓上運行，具有約 48-240毫瓦(mW)或小于約500mW的總功耗。功耗是關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)，因為在遠程位置和危險或易爆環(huán)境中需要利用多個變送器的擴展區(qū)域過程控制系統(tǒng)，其中標(biāo)準(zhǔn)(如，120VAC)電源連接成本高或不實際。功耗是關(guān)鍵的還由于將(如在此描述的)復(fù)雜的多變量流量和相位診斷計算結(jié)合在計算功率有限的低功耗變送器組件中的困難性。圖5為圖示用于采用流體相位診斷來測量過程流量的方法M的流程圖。方法M 包括感測沿著過程流體流的壓力差DP (步驟56)、感測過程流體的過程壓力P和溫度T (步驟58)、確定過程流量(步驟60)以及產(chǎn)生輸出(步驟62)。所述輸出包括以質(zhì)量或體積或其組合為單位的過程流量FL，具有基于相位的診斷DG。
取決于實施方式，感測壓力差(步驟56)包括限制過程流動(步驟64)和感測在流動限制上的壓力差DP。確定過程流量(步驟60)包括基于過程壓力P和過程溫度T確定流體密度(步驟66)。在體積流量實施方式中，從作為諸如管徑之類的幾何形狀因素的函數(shù)的壓力差 DP，通過伯努利原理間接根據(jù)流體密度P，確定流量輸出FL。在質(zhì)量流量實施方式中，有時將體積流量計算為內(nèi)部參數(shù)(步驟68)，其又用來基于流體密度P確定質(zhì)量流量?？商鎿Q地，如基于過程壓力P、壓力差DP、溫度T和流體密度P中的一個或多個，在內(nèi)部計算諸如流速之類的其它參數(shù)。通過將過程壓力P和過程溫度T與相位數(shù)據(jù)進行比較產(chǎn)生診斷DG (步驟70)，其中如上所述，相位數(shù)據(jù)包括用于一種或多種流體成分的飽和線、升華曲線、熔化和凝固曲線、 蒸發(fā)和冷凝曲線、三相點和臨界點。在一些實施方式中，診斷DG還基于導(dǎo)出量，如流體密度 P，或基于流量本身，例如以在傳感器誤差(步驟7 和相變或多相流動條件(步驟74)之間進行區(qū)分。雖然已經(jīng)參照示例性實施方式描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，在不偏離本發(fā)明的保護范圍的條件下，可以進行改變，并且可以更換等同物。此外，在不偏離本發(fā)明的實質(zhì)保護范圍的條件下，可以進行修改，以使特定的情況或材料適合本發(fā)明的教導(dǎo)。 因此本發(fā)明不限于本文中公開的特定實施方式，而是包括落入隨附權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)的所有實施方式。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括壓力差傳感器，定位為感測沿著流體流的壓力差，其中所述流體流的流體特性具有第一相和沿著轉(zhuǎn)變曲線與第一相分開的第二相；過程壓力傳感器，定位為感測流體流的過程壓力；溫度傳感器，定位為感測流體流的過程溫度；微處理器，連接至壓力差傳感器、過程壓力傳感器和溫度傳感器，以確定所述流體流的流量；和診斷模塊，用于基于過程壓力和過程溫度產(chǎn)生作為與轉(zhuǎn)變曲線相比較的診斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中診斷模塊產(chǎn)生指示第一相和第二相之間的轉(zhuǎn)變的診斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中微處理器基于過程壓力和過程溫度確定流體密度，并且其中微處理器基于壓力差和流體密度確定流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括多變量變送器，該多變量變送器用于提供所述壓力差傳感器、過程壓力傳感器、溫度傳感器、微處理器和診斷模塊，使得該多變量變送器確定所述流量并產(chǎn)生所述診斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，還包括用于向多變量變送器提供功率和通信的二線式接口，其中多變量變送器在500mW或更小的功率下運行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)過程溫度靠近如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線時，或者當(dāng)過程壓力靠近如在過程溫度處限定的轉(zhuǎn)變曲線時，診斷模塊產(chǎn)生指示第一相和第二相的混合的診斷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)過程溫度在如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線上或在如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線的下方時，診斷模塊產(chǎn)生指示第二相的冷凝的診斷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)過程溫度在如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線上或在如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線的上方時，診斷模塊產(chǎn)生指示第一相的蒸發(fā)的診斷。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)過程壓力或過程溫度處于轉(zhuǎn)變曲線的臨界點上或臨界點上方時，診斷模塊產(chǎn)生指示流體流中的二階轉(zhuǎn)變的診斷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)過程溫度大致高于或大致低于如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線時，診斷模塊產(chǎn)生指示溫度傳感器中的誤差的診斷。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)過程壓力大致高于或大致低于如在過程溫度處限定的轉(zhuǎn)變曲線時，診斷模塊產(chǎn)生指示過程壓力傳感器中的誤差的診斷。
12.—種方法，包括下述步驟感測沿著流體流的壓力差，其中所述流體流的流體特性具有液相和沿著轉(zhuǎn)變曲線與液相分開的汽相；感測所述流體流的過程壓力；感測所述流體流的過程溫度；基于壓力差、過程壓力和過程溫度確定所述流體流的流量；和基于過程壓力和過程溫度產(chǎn)生作為與轉(zhuǎn)變曲線相比較的診斷。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述診斷指示液相和汽相之間的轉(zhuǎn)變。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括基于過程壓力和過程溫度確定流體密度的步驟，并且其中所述診斷基于所述流體密度指示過程壓力傳感器或溫度傳感器中的誤差。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)過程溫度大致在如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線的上方或下方時，所述診斷指示溫度傳感器中的誤差。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)過程壓力大致在如在過程溫度處限定的轉(zhuǎn)變曲線的上方或下方時，所述診斷指示過程壓力傳感器中的誤差。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)過程壓力和過程溫度接近轉(zhuǎn)變曲線時，所述診斷指示多相流體流。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)過程溫度在如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線上的冷凝點處或下方時，所述診斷指示從汽相到液相的冷凝。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)過程溫度在如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線上的蒸發(fā)點處或上方時，所述診斷指示液相的蒸發(fā)。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)過程溫度在如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線上的凝固點處或下方時，所述診斷指示液相的凝固。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)過程溫度在如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線上的升華點處或下方時，所述診斷指示汽相的沉積。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)過程壓力或過程溫度在轉(zhuǎn)變曲線上的臨界點處或上方時，所述診斷指示二階轉(zhuǎn)變。
23.一種變送器，包括壓力差傳感器，用于感測流體流中的流動限制裝置上的壓力差，其中所述流體流的流體特性具有液相和沿著飽和線與液相分開的汽相；過程壓力傳感器，用于感測所述流體流的過程壓力；溫度傳感器，用于感測所述流體流的過程溫度；微處理器，用于基于過程壓力和過程溫度確定流體密度，并用于基于壓力差和流體密度確定流量；和診斷模塊，用于基于過程壓力和過程溫度產(chǎn)生作為與飽和線比較的診斷，其中該診斷與所述流體流的流體特性相關(guān)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的變送器，其中診斷模塊產(chǎn)生指示所述流體流中的相變的診斷。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的變送器，其中當(dāng)過程溫度大致在如在過程壓力處限定的轉(zhuǎn)變曲線的上方或下方時，診斷模塊產(chǎn)生指示溫度傳感器中的誤差的診斷。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的變送器，其中當(dāng)過程壓力大致在如在過程溫度處限定的轉(zhuǎn)變曲線的上方或下方時，診斷模塊產(chǎn)生指示過程壓力傳感器中的誤差的診斷。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的變送器，其中當(dāng)過程溫度在如在過程壓力處限定的飽和線上或下方時，診斷模塊產(chǎn)生指示從汽相至液相的冷凝。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的變送器，其中當(dāng)過程壓力接近如在過程溫度處限定的飽和線時，或者當(dāng)過程溫度接近如在過程壓力處限定的飽和線時，診斷模塊產(chǎn)生指示所述流體流中的多相含量的診斷。
全文摘要
一種采用基于相位診斷的流體流測量系統(tǒng)，包括壓力差傳感器、過程壓力傳感器、溫度傳感器和微處理器。壓力差傳感器定位為感測沿著流體流的壓力差，其中所述流體流的流體特性具有第一相和沿著轉(zhuǎn)變曲線從第一相分開的第二相。過程壓力傳感器定位為感測流體流的過程壓力，并且溫度傳感器定位為感測流體流的過程溫度。微處理器連接至壓力差傳感器、過程壓力傳感器和溫度傳感器，以確定所述流體流的流量，并且診斷模塊用于基于過程壓力和過程溫度產(chǎn)生作為與轉(zhuǎn)變曲線相比較的診斷。
文檔編號G01F1/88GK102331281SQ20111013927
公開日2012年1月25日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者大衛(wèi)·尤金·韋克倫德, 戴爾·斯科特·戴維斯 申請人:羅斯蒙德公司