專利名稱：用簡化過程提供表示經(jīng)差壓發(fā)生器的流量信號的變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在過程控制工業(yè)中的變送器。尤其是，本發(fā)明涉及一種簡化的過程，用在一個變送器中，用于提供一個表示經(jīng)過壓差發(fā)生器的流量的輸出信號。
檢測流經(jīng)管道的流體的各種特性的變送器是已知道的。這些變送器一般用于檢測和測量壓力差，線性壓力(或靜態(tài)壓力)和過程流體的溫度。這些變送器一般安裝在精煉廠的現(xiàn)場，或其它過程控制工業(yè)設(shè)備?，F(xiàn)場安裝的變送器在功率的消耗上有很大地限制。這類變送器一般提供一個表示被測變量的電流形式的輸出。該電流的變化幅度在4-20mA之間且作為檢測過程變量的函數(shù)。因此，可以用來運行變送器的電流是小于4mA。
流量計算的一種方法是在例如象過程控制工業(yè)和石油工業(yè)的一些工業(yè)中是使用專用計算機實現(xiàn)的。這些器件或使用分開的壓力，壓力差和溫度變送器或使用安裝在大外殼內(nèi)有檢測功能的機械設(shè)備。這些器件一般都比較大并且消耗的功率比4mA多。此外，他們經(jīng)常被限制使用在一些特定場合，例如象保管傳送碳氫化合物的監(jiān)視或者用在井口監(jiān)視氣井或油井的輸出。
流量計算的另一種方法是通過本地控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，經(jīng)常稱為可編程環(huán)路控制器(PLC)?？删幊汰h(huán)路控制器典型地接收來自分開的壓力，壓力差和溫度變送器的輸入，并且基于這些輸入計算流量。這些器件經(jīng)常執(zhí)行其他的本地控制任務(wù)，例如在工廠的控制中所需其他變量的計算或者對于報警目的的過程變量的監(jiān)視。在這些器件中流量的計算需要用戶進行編程。
第三種計算流量的方法是通過控制整個工廠的大型計算機實現(xiàn)，經(jīng)常稱為分布式控制系統(tǒng)(DCS)。分布式控制系統(tǒng)一般執(zhí)行一個寬范圍任務(wù)，范圍從接收來自現(xiàn)場安裝的變送器的輸入到計算如流量或液面的中間過程變量，到發(fā)送定位信號給最終控制部件如閥門，到執(zhí)行廠里的監(jiān)視和報警功能。因為寬范圍任務(wù)的需要以及典型的高消耗的分布式控制系統(tǒng)的輸入輸出能力，存儲器和計算時間，所以一般做一個流量計算而不對所有由于改變過程狀態(tài)的影響做補償校正。
在過程控制工業(yè)中一種共同測量流量率的手段是測量管道內(nèi)固定限制裝置兩端的壓力降，經(jīng)常被稱為一個差壓發(fā)生器或基本部件。用于計算通過差壓發(fā)生器流量率的普通方程式可寫為

式中Q＝質(zhì)量流量率(質(zhì)量/單位時間)N＝單位轉(zhuǎn)換系數(shù)(單位變化)Cd＝流量輸出系數(shù)(無量綱)E＝接近系數(shù)的速率(無量綱)Y1＝氣體膨脹系數(shù)(無量綱)d＝差壓發(fā)生器的孔徑(長度)ρ＝流體密度(質(zhì)量/單位體積)h＝壓力差(力/單位面積)在這個式中的各項中，只有單位轉(zhuǎn)折系數(shù)為一個常數(shù)，對計算來說是簡單的。方程式所描述的其他項范圍從相對簡單到非常復(fù)雜。該表達式某些包含許多項并且需要數(shù)的自乘到非整數(shù)冪。這是一種計算地增強操作。
以外，希望使這個變送器工作與盡可能多的差壓發(fā)生器類型兼容。為了確定基于一差壓發(fā)生器(不用說一個多元不同類型的差壓發(fā)生器)輸出的流量，對常規(guī)的流量方程所有所需的計算和方程的執(zhí)行需要由一個具有高運算速度和強運算能力的處理器合理地執(zhí)行計算。這個處理器工作導(dǎo)致在變送器中功率消耗及存儲器需求的增加。這大大地不合乎給定的4mA功率限制或常規(guī)變送器的所能要求的。因此，基于微處理器的電流型變送器，在給定的上述功率和存儲器限制下，在任何合適的時間周期內(nèi)完全沒有能力執(zhí)行這些計算。
在獲取一簡化流量輸出系數(shù)方程中有許多工作已完成。然而，這僅僅是流量方程的一小部分。即使假設(shè)該流量輸出系數(shù)是相當簡化的，在給定限制的基于微處理器的電流型變送器中精確地執(zhí)行流量方程還是很難的。
為簡化流量方程其它的嘗試都已試過了。然而，為了使流量方程簡化得足以使它能在基于微處理器的變送器中執(zhí)行，這些簡化的流量方程是不完全準確的。例如，一些簡化的流量方程不能計算流量輸出系數(shù)。其他不能計算壓縮性，或粘滯性影響。
因此，普通的由4-20mA環(huán)路供電的基于微處理器變送器完全不能準確地計算流量。說的準確點，他們提供橫截孔板流量計的壓力差，靜態(tài)線性壓力和溫度的輸出指示，這些變量提供給上面所述的控制室內(nèi)的流量計算機，接下來計算流量。這對流量計算機是一個明顯的處理負擔。

發(fā)明內(nèi)容
一種變送器，它提供一個表示流經(jīng)管道流體的質(zhì)量流量率的輸出信號。變送器包括一個提供表示流體溫度的溫度信號的溫度傳感器。一個靜態(tài)壓力傳感器，它提供表示管道內(nèi)靜態(tài)壓力的靜態(tài)壓力信號。一個差壓發(fā)生器提供壓力差信號。變送器還包括一個基于多元簡化方程式提供表示流經(jīng)管道流體的質(zhì)量流量的輸出信號。


圖1顯示與引導(dǎo)流體流過的管道連接的本發(fā)明的一個變送器。
圖2是一個根據(jù)本發(fā)明的變送器的部分結(jié)構(gòu)形式方框圖。
圖3A-3C圖解說明根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)所用的流量輸出系數(shù)曲線擬合精度。
圖4A和4B圖解說明根據(jù)本發(fā)明所用粘滯度的曲線擬合精度。
圖5顯示根據(jù)本發(fā)明所用Ed2項的曲線擬合精度。
圖6圖解說明根據(jù)本發(fā)明所用氣體膨脹系數(shù)的曲線擬合精度。
圖7A和7B圖解說明根據(jù)本發(fā)明所用液體的流體密度的曲線擬合精度。
圖8A和8B圖解說明根據(jù)本發(fā)明所用氣體的流體密度的曲線擬合精度。
最佳實施例的詳細描述圖1是一個依據(jù)本發(fā)明的變送器10的圖解。變送器10通過管道裝配件或法蘭盤14與管道12連接。管道12沿箭頭16的方向?qū)б环N流動的流體，既可以是一種氣體也可是一種液體。
變送器10包括變送器電子組件18和傳感器組件22，它們都集中裝在一個變送器盒內(nèi)，圖2給出全面的圖解。變送器電子組件18最好還包括一個夾持器20用于接收來自電阻溫度器件(RTD)的輸入，更可取地是有一個典型直插入管道或者插入一個插入管道的熱電偶套管去測量流體的溫度。來自RTD的導(dǎo)線連接到一個溫度傳感器外殼24內(nèi)的接線盒的一邊。接線盒的另一邊連接經(jīng)過電導(dǎo)線管26的導(dǎo)線并連接到夾持器20。
傳感器組件22包括一個壓力差傳感器和一個絕對壓力傳感器。壓力差傳感器和絕對壓力傳感器提供壓力信號給調(diào)整和數(shù)字化電路，和到一個線性和補償電路。該補償?shù)摹⒕€性的和數(shù)字化信號被提供給電子組件18。變送器10中的電子組件18提供一個輸出信號表示過程流體流經(jīng)管道12到遠程場地的過程狀態(tài)，最好是使用經(jīng)過軟導(dǎo)線管28的雙絞導(dǎo)線形成一個4-20mA的雙線環(huán)路。在這個最佳實施例中，變送器提供依據(jù)HART或幀總線標準表示三個過程變量(溫度、靜態(tài)壓力和壓力差)的信號。還有，根據(jù)本發(fā)明變送器10還提供一個表示流量的輸出信號。依據(jù)本發(fā)明確定流量的方法是被明顯地簡化到超過以前的方法并使變送器10的電子模塊中的微處量器能夠計算流量且微處理器不會超出功率限制，并且是在可接受地快速更新次數(shù)上。
圖2是一個更詳細的變送器10的傳感器組件22和電子組件18的方框圖。傳感器組件22包括一個應(yīng)變壓力傳感器30，壓力差傳感器32和溫度傳感器34。應(yīng)變儀傳感器30檢測流經(jīng)管道12的流體的線性壓力(或靜態(tài)壓力)。壓力差傳感器32最好是構(gòu)成為金屬盒電容基片壓力差傳感器，該傳感器測量管道12管孔差分壓力。溫度傳感器34，如上所述，是一個用于測量管道12中流體的過程溫度的100歐姆RTD傳感器。同時圖1中傳感器34和傳感器外殼24示出在變送器10的流體下游，這僅僅是一個較佳的實施例，而溫度傳感器34的任何合適的安裝位置是可以預(yù)料到的。
傳感器組件22最好還包括一個模擬電子部分36，和一個傳感器處理器電子部分38。電子組件18包括輸出電子部分40。在傳感器組件22中的模擬電子部分36包括信號調(diào)節(jié)和電源濾波電路42，模擬/數(shù)字(A/D)變換電路44和PRT46。自傳感器30、32和34接收的模擬信號被提供給模擬信號調(diào)節(jié)和電源濾波電路42。該模擬信號被調(diào)節(jié)(如放大)并且被調(diào)節(jié)的信號提供給A/D變換電路44。
在一最佳實施例中，A/D變換電路44包括多個電壓-數(shù)字變換器，或電容-數(shù)字變換器，或兩者都有(如合適)去數(shù)字化模擬輸入信號。這些變換器最好是依據(jù)與本發(fā)明指定同樣代理人的美國專利號為4,878,012；5,083,091；5，119,033；和5，155,455的專利技術(shù)而構(gòu)造的。在圖2中所示實施例中，三個電壓-數(shù)字變換器48，50和52，以及一個電容-數(shù)字變換器54被顯示出。電壓-數(shù)字變換器48和50被用于將來自傳感器30和34的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。電容-數(shù)字變換器54被用于轉(zhuǎn)換來自電容壓力傳感器32的信號到數(shù)字信號。
PRT46是更好地形成如一個價格低廉、硅基的PRT定位貼近壓力傳感器30和32。PRT46提供一個表示貼近傳感器30和32的溫度的溫度信號。這個溫度信號被提供給進行數(shù)字化的電壓-數(shù)字變換器52。該數(shù)字信號然后用于補償由于溫度變化影響的差分和線性壓力信號。模擬信號調(diào)節(jié)和電源濾波電路42，A/D變換器44和PRT46全部最好是實際地安裝貼近于在變送器10盒內(nèi)的一塊單獨的電路板或在其上。
一旦這模擬信號由A/D變換器44數(shù)字化，該數(shù)字信號被以四個分別是16位寬的輸出在任何合適的連接或總線56上提供給傳感器處理器電子部分38。
傳感器處理器電子部分38最好包括一個微處理器58，時鐘電路60和存儲器62(最好是電可擦寫可編程的只讀存儲器EEPROM)。微處理器58補償和線性化自模擬電子部分36接收的各種誤差和非線性源的過程變量。例如，在變送器10的制作中，壓力傳感器30和32分別地特性化溫度和壓力范圍，并被確定合適的修正常數(shù)。這些修正常數(shù)存儲在EEPROM62中。在變送器10工作期間，存在EEPROM62中的常數(shù)由微處理器58恢復(fù)出來并且由微處理器58用在計算多項式中，該多項式依次用于補償該數(shù)字壓力差和靜態(tài)壓力信號。
時鐘電路60是在傳感器處理器電子部件38內(nèi)提供的，并且它提供時鐘信號給微處理器58，A/D變換電路44和其它合適的電子部件，以理完成所期望的操作。還應(yīng)該注意到部件36和38的功能可以通過使用應(yīng)用特殊集成電路(ASIC)技術(shù)結(jié)合在一起做成一個單獨的集成電路芯片。
在來自傳感器30，32和34的模擬信號被數(shù)字化，補償和修正后，這個過程變量經(jīng)過一系列外設(shè)接口(SPI)總線64提供到電子組件18中的輸出電子部件40。SPI總線64最好包括電源信號，兩個交換信號和用于典型SPI信號設(shè)備必需的三個信號。
輸出電子組件最好包括微處理器66，非易失性存儲器68，穩(wěn)壓器72，調(diào)制器74，哈特(HART)協(xié)議接收器76和環(huán)路電流控制器78，此外，輸出電子部件40可以選擇地連接到一個電池備份電路，該電路在雙線環(huán)路提供的電源發(fā)生故障時提供電池電源到輸出電子部件。
微處理器66接收通過SPI總線64的數(shù)字化的，補償?shù)倪^程變量。相應(yīng)的，在這個說明書后面將給出更詳細的描述，微處理器66基于接收來自總線64的過程變量計算通過管道12的流體的質(zhì)量流量。該信息存儲在非易失性存儲器68中，該存儲器最好能適合于存儲達35天的有價值的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)。
當需要時，微處量器66設(shè)置輸出電子部件40經(jīng)過雙線環(huán)路82提供存儲在非易失性存儲器68中的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)。因此，輸出電子部件40在正負端84和86處連接到包括控制器88(設(shè)計為一個電源和一個電阻)的環(huán)路82。在最佳的實施例中，輸出電子部件40依據(jù)HART通信協(xié)議經(jīng)過雙線環(huán)路82通信，其特點是控制器88設(shè)置為主機而變送器10被設(shè)置為從機，其它的對于過程控制工業(yè)通用的通信協(xié)議也可采用，需要對微處理器66使用的編碼和對于編碼電路進行合適的修改。使用HART協(xié)議的通信是由應(yīng)用HART接收器76來完成的。HART接收器76提出從控制器88經(jīng)環(huán)路82接收的數(shù)字信號并且提供這數(shù)字信號給電路74，該電路依次根據(jù)HART協(xié)議調(diào)制該信號并將他們提供給微處理器66。
電路74從微處理器66接收數(shù)字信號(它們將要經(jīng)過環(huán)路82被發(fā)送)。電路74變換該數(shù)字信號到模擬信號，為發(fā)送調(diào)制它們，并且提供這調(diào)制的信號給電路76，電路74最好包括一個與貝爾(Bell)22兼容的調(diào)制解調(diào)器。環(huán)路電流控制電路78接收一個來自電路74中的D/A變換器的模擬電壓信號。相應(yīng)地，環(huán)路電路控制電路78提供一個表示由微處理器66通過環(huán)路82傳送的特別信息的4～20毫安的輸出(如過程變量，或計算的流量)。
還有，穩(wěn)壓器72最好提供3.5伏和其它合適的參考電壓給輸出電子電路40，傳感器處理器電子部件38，和模擬電子部件36。
為了計算經(jīng)過差壓發(fā)生器(如孔板)的流量信息需要三件事，所需要的信息有關(guān)于過程狀態(tài)，有關(guān)于差壓發(fā)生器的幾何形狀和有關(guān)于流體的物理特性。關(guān)于過程狀態(tài)信息是從傳感器信號獲得，如來自傳感器30、32和34的信號。關(guān)于差分產(chǎn)生器的幾何形狀和流體的物理特性信息由使用者提供。
通經(jīng)差壓發(fā)生器的流量常規(guī)地利用上述方程式1來計算。流量一般是以質(zhì)量單位計算，但如果需要也可以容量單位計算。單位的選擇取決于單位轉(zhuǎn)換系數(shù)N的值。
流量輸出系數(shù)Cd是一個無量綱，經(jīng)驗系數(shù)，它可以對管道內(nèi)流體的速度斷面，管道內(nèi)零能量損失的假設(shè)，和壓力孔的位置的影響校正理論流量。Cd涉及到差壓發(fā)生器的幾何形狀并且能以下面看上去簡單的關(guān)系描述

式中雷諾數(shù)ReDn=KQμD;]]>C∞＝在無限雷諾數(shù)處的流量輸出系數(shù)；b＝已知雷諾數(shù)校正項；n＝已知階數(shù)項；和M＝流體粘滯度這個關(guān)系對于不同類型的差壓發(fā)生器，在這樣激勵上壓力孔的位置，以及β比變化的。典型方程式定義Cd和上面其它項都有一個復(fù)雜的寬范圍并且被描述在表1中，對于與一個孔板類差壓發(fā)生器相關(guān)的Cd的計算在工業(yè)中是最普通的。
接近系數(shù)的速度E是一個幾何項，并且使差壓發(fā)生器的管頸中流體速度與管道剩余部分有關(guān)。接近系數(shù)的速度是溫度的函數(shù)表示如下

式中，對一個孔板流量計

dr＝在參考溫度Tr處孔直徑；Dr＝參考溫度Tr處流量計管直徑；α1＝孔板的熱膨系數(shù)；和α1＝流量計管的熱膨系數(shù)氣體膨脹系數(shù)Y1是一個無量綱與幾何形狀、流體物理特性和過程狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。氣體膨脹系數(shù)認為是流體通過一個差壓發(fā)生器的密度變化。對具有直徑突然變化的初級元件氣體膨脹系數(shù)，如孔板流量計，是由下面經(jīng)驗關(guān)系式給出

式中h＝水溫華氏68度時的壓力差英寸p＝絕對壓差中的上游壓力；和k＝氣體的等熵指數(shù)對于等強部件不傳熱的氣體膨脹系數(shù)描述如下

式中

K＝氣體的等熵指數(shù)；對于液體Y1的值是1.0。
差壓發(fā)生器的孔d與幾何形狀有關(guān)并且是如下的溫度的函數(shù)d＝dr[1+α1(T-Tr)]方程式8壓力差系數(shù)h是由常規(guī)壓力差傳感器所測得。
流體密度系數(shù)ρ是以每單位值質(zhì)量描述并且是流體的一個物理特性。對于典型的過程控制應(yīng)用，流體的密度僅僅是溫度的函數(shù)。對于水的密度可以用表達式例如PTB方程來描述ρ＝A+BT+CT2+DT3+ET4+FT5方程式9式中A-F是常數(shù)，或者由美國化學工程師協(xié)會(AIChE)給出的一般公式

式中a～d是流體獨立常數(shù)而M是分子重量。
氣體密度是由真實氣體定律給出的絕對壓力和絕對溫度的函數(shù)

式中Z＝壓縮性系數(shù)；R0＝通用氣體常數(shù)；和n＝克分子數(shù)氣體密度的壓縮性系數(shù)都可以用狀態(tài)方程式計算。一些狀態(tài)方程式，象AGA8，ASME蒸汽方程和MBWR，對于單一流體或限制數(shù)量的流體都是有用的。另外，象Redlich-kWong或者AICh狀態(tài)方程式實際上都是通用的，并且能夠用于許多種流體。AIChE方程如下

式中

式中a～e是流體依賴常數(shù)；和M＝流體的分子重量。
用上述方程式1～13執(zhí)行流量計算將產(chǎn)生一個高精度的結(jié)果。然而，功率消耗，計算速度和存儲器需求的限制使全部方程的執(zhí)行超出了基于微處理器的現(xiàn)行適用的變送器的能力范圍。因此，本發(fā)明的變送器計算流量基于一些簡化的方程式，同時在流量計算中保持高精度。
涉及到流量輸出系數(shù)的相關(guān)性如下Cd(β，ReD)ReD(Q，μ)μ是流體的粘滯度，和；μ(T)對于液體使用AIChE方程μ＝exp(a+b/T+c Ln(T)+d Te)；方程式14對于氣體使用AIChE方程

根據(jù)本發(fā)明，流量輸出系數(shù)Cd方程式通過近似的μ-1用含有T或1/T的一個多項式簡化。更可取地，這個近似是用一個三次多項式方程做的。還有，Cd是用一個六次冪多項式近似的，其含有1ReD]]>或1Ln(ReD)]]>大家已明顯看到較好的精確度獲得是使用具有獨立變量項的1Ln(ReD)]]>對于Cd的多項式，但這也增加了計算時間。因此，這個可能被使用或者其它的多項式也能用，取決于所期望的精度。
圖3A，3B和3C是一些使用上面方程的流量輸出系數(shù)的曲線擬合精度的例子。圖3A是一個對于具有直徑超過2.3英寸的ASME凸緣分接孔板流量計的流量輸出系數(shù)曲線擬合誤差與雷諾數(shù)關(guān)系曲線圖。該圖是通過做含有下面1ReD]]>的六次冪而獲得如下

+1ReD(b4+1ReD(b5+b6ReD)))))]]>并且使用了粘滯度的近似如下

圖3B是對于ASME彎管分接孔板流量計使用適于1ReD]]>六次冪的圖解流量輸出系數(shù)曲線擬合誤差與雷諾常數(shù)的關(guān)系曲線。
圖3C是對于ASME長半徑噴嘴使用適于1ReD]]>六次冪的圖解流量輸出系數(shù)曲線擬合誤差與雷諾常數(shù)的關(guān)系。
圖3A-3C圖解這類曲線擬合研究使流量輸出系數(shù)Cd接近好于±0.005％，類似的結(jié)果也可用其它的差壓發(fā)生器獲得。
圖4A和4B是關(guān)于粘滯度所獲曲線擬合精度的例子，圖4A對于粘滯度與溫度的關(guān)系用含有1/T的3次冪多項式的圖解曲線擬合精確度。圖4B對于粘滯度與溫度的關(guān)系用含有1/T的3次冪的多項式的圖解曲線擬合精確度。圖4A是基于水的而圖4B是對空氣計算的?？梢钥闯銮€擬合精度近似法使空氣的粘滯度接近到好于正負0.001％，而使水的粘滯度接近到好于正負0.2％。一個含1/T的高次冪多項式，如4或5次，將改進水的擬合精度。因為流量輸出系數(shù)Cd依賴雷諾數(shù)較弱，所以粘滯度由三次含有1/T的多項式提供的精度是可接受的，而加入高次多項式的復(fù)雜計算近似于不必要的。類似的結(jié)果也可為其它的液體和氣體獲得。
這逼近系數(shù)E的速率以及差壓發(fā)生器的孔d相關(guān)的相關(guān)性如下E(T)及d2(T)本發(fā)明的方法通過E和d2的結(jié)合以及用T或1/T的多項式近似Ed2的積來簡化Ed2計算。這個多項式最好是一個二次多項式。
圖5是一個Ed2項的曲線擬合精度的例子。圖5圖解地描述該項與溫度的關(guān)系曲線精度使用一個有T的二次多項式如下

圖5描述的曲線擬合研究使Ed2項接近到好于正負0.00002％。氣體膨脹系數(shù)Y1的相關(guān)性如下Y1(β,K,hP);]]>和Y1(T)簡化這氣體膨脹系統(tǒng)的計算是用忽略T的相關(guān)性實現(xiàn)的，Y1項是使用一個含h/p的多項式被近似，其中h是壓力差而P是靜態(tài)壓力。這個多項式最好是一個二次冪多項多。對于一個孔，在Y1和h/p之間存在一個線性關(guān)系。
圖6是一個Y1與溫度關(guān)系曲線擬合精度的例子使用一個含h/p的二次冪多項式如下

這曲線是對一個輪廓元件差壓發(fā)生器的圖解。圖6根據(jù)本發(fā)明使用該系統(tǒng)，對于所有的β比輪廓元件圖解Y1項精確到好于正負0.002％。對于β比小于0.6的精確度好于正負0.0005％。對于正方形邊緣的孔也能獲得類似的結(jié)果。
對液體和氣體涉及到流體密度的相關(guān)性如下ρLiq(T)；和ρGas(P,T),specificallyρGas=(PRT)1Z]]>對液體的流體密度的計算根據(jù)本發(fā)明用提供的兩個曲線擬合值簡化。項是由T或1/T的多項式近似的。這最好是一個三次多項式并且對于一個低精度適合提供一個缺省方程式如下

相同項也最好是通過一個1/T的多項式用一個五次多項式近似作為適合較寬工作溫度范圍的一個較高的精度。
氣體流體密度的簡化計算是由再提供兩個曲線擬合值來完成。使一曲線符合于

而不是ρGas能改進曲線擬合精度，減少計算時間和改進這簡化的流量方程精度。根據(jù)本發(fā)明，

項是由含P和1/T的一個多項式近似的。在這最佳實施例中，缺省的多項式是一個3×2多項式并且是被用于一個較低精度的擬合。然而，

項還能由一個含P和1/T的多項式用一個8×6多項式對較高精度擬合和P與T的寬工作范圍來近似。對于所有氣體流體密度最佳的簡化方程如下

+1T((f4+P(f5+P(f6+Pf7)))+1T(f8+P(f9+P(f10+Pf11))))]]]>
圖7A圖解地描述一個對于水與溫度用含有1/T的三次多項式的的

曲線擬合精度的例子。圖7B圖解地描述氰乙烯與溫度關(guān)系的密度的曲線擬合精度。在兩種情況下，溫度范圍是50°F到110°F。圖7A和7B說明這曲線擬合處理對于這兩種液體和選定的溫度范圍使

接近到好于正負0.0002％。對于其它液體和其它溫度范圍也能獲得類似的結(jié)果。
圖8A和8B描述對兩種液體和兩個壓力溫度范圍

的曲線擬合精度的例子。圖8A描述符合二氧化碳氣用3×2多項式的曲線擬合精度。壓力和溫度范圍分別是15psia(絕對壓強(磅/平方英寸))到115psia和60°F到140°F。這結(jié)果顯示出曲線擬合處理精確地使

接近到好于正負0.0015％。圖8B描述符合乙烯氣體用3×2多項式的曲線擬合精度。壓力和溫度范圍分別是75psia到265psia和60°F到140°F。這結(jié)果顯示出曲線擬合處理精確地使

接近到好于正負0.005％。根據(jù)這些結(jié)果表示，曲線擬合的精度是隨著液體改變以及工作壓力的范圍與/或溫度的變化而變化的。當壓力和/或者溫度的工作范圍導(dǎo)致使用3×2多項式得到不可接受的近似時，一個8×2多項式將改正這個結(jié)果使水平達到類似圖8A和8B表示的那些。
總之，由上面方程式1給定的傳統(tǒng)的流量計算根據(jù)本發(fā)明可以簡化如下

對于氣體這方程式能重寫為Q=KN[Cd][Ed2][Y1][1z]hPT]]>式中K=144MR]]>
M＝氣體的分子重量；R＝氣體常數(shù)；和P，h，T分別是以psia，水的英寸和絕對華氏溫度為單位。對于液體，方程式可重寫為Q=N[Cd][Ed2][Y1][ρ]h]]>式中括號內(nèi)的項都是曲線擬合近似值，用上述簡化的流量方程式，以微處理器66為基礎(chǔ)的變送器有能力每次它收到由總線64更新的傳感器信息時去更新流量的計算。在該曲線擬合近似值的一個或多于一個沒有被完全計算時那么先前的值被用在流量計算中。
在過程變量中變化的影響因為他們在流量方程中的出現(xiàn)在流量計算上有直接的影響。他們在曲線擬合項上有類似的影響。因此，用最新的更新過程變量信息以及最近地計算的曲線擬合近似值，其結(jié)果是流量計算即快又精確。在這樣有利的更新率上具有新的計算流量項允許變送器10利用快速的數(shù)字通信協(xié)議。
還有，用上述簡化的流量計算，微處理器66執(zhí)行相同的運算可以不管所用差壓發(fā)生器的類型，不管所用的β比例，以及不考慮是否使用者需要一個簡化的或完全校正過的流量。
還應(yīng)注意到該曲線擬合系數(shù)使用用戶已知的技術(shù)很容易計算。這些系數(shù)簡單地存在與微處理器66有關(guān)的存儲器中，并且用在執(zhí)行所期望的運算中。
這些簡化允許變送器10以一個高精度方式去實際地計算流量。與其需要變送器單單傳送過程變量回到一個控制室，并且在控制室有一臺流量計算機或裝置計算流量，不如根據(jù)本發(fā)明該變送器不僅有能力提供過程變量而且還提供流量計算給控制室。這緩和了控制室中流量計算機或其他處理器的處理工作超載，也并沒超過基于微處理器的變送器的負擔，或者不會需要基于微處理器的變送器使用超過它所適合的能量。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參考最佳實施例進行了描述，但是技術(shù)上熟練的人們應(yīng)認識到在形式和細節(jié)上可以做的一些改變并沒有離開本發(fā)明的精神和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于提供一個表示經(jīng)過管道流體的質(zhì)量流量率的輸出信號的變送器，其特征在于該變送器包括一個提供表示流體溫度的溫度信號的溫度傳感器；一個提供表示管道內(nèi)靜態(tài)壓力的靜態(tài)壓力信號的靜態(tài)壓力傳感器；一個提供壓力差信號的差壓發(fā)生器；和一個微計算電路，其連接到溫度傳感器、靜態(tài)壓力傳感器和差壓發(fā)生器、以接收溫度信號、靜態(tài)壓力信號和差分壓力信號，和基于使用至少與在每個多項式中是獨立變量的溫度、靜態(tài)壓力和壓力差中的一個多項曲線擬合的多個多項式提供一個表示經(jīng)過管道流體的流量的輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于微計算電路包括一個第一微處理器，其連接到溫度傳感器，靜態(tài)壓力傳感器和差壓發(fā)生器，并且用于非線性校正該靜態(tài)壓力信號，差壓發(fā)生器信號和溫度信號以及提供校正的輸出信號；和一個連接到第一微處理器，用于以校正的輸出信號為基礎(chǔ)計算流量的第二微處理器。
3.一個連接到引導(dǎo)流體經(jīng)過的管道的4-20mA過程控制變送器，其特征在于變送器包括一個檢測該管道內(nèi)線性壓力并提供表示線性壓力的一線性壓力信號的第一壓力傳感器；一個檢測管道內(nèi)橫跨小孔的壓力差并提供表示該壓力差的一壓差信號的第二壓力傳感器；一個檢測流體的溫度并提供表示該流體溫度的一溫度信號的溫度傳感器；和一個微計算電路，其連接到第一、第二壓力傳感器和溫度傳感器，并且由一個4-20mA的環(huán)路供電，基于線性壓力信號、壓力差信號和溫度信號計算流經(jīng)管道的流體流量以及提供表示該流量的輸出信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變送器，其特征在于控制器被設(shè)置為基于使用至少在該多項式方程中有溫度、靜態(tài)壓力和壓力差中的一個是與多項式曲線擬合的獨立變量的一個多項式以計算流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變送器，其特征在于控制器計算流量Q，一般依據(jù)一個方程形式Q=N[Cd][Ed2][Y1][ρ]h]]>其中N是一個單位變換系數(shù)，Cd是流量輸出系數(shù)，E是一接近系數(shù)的速率，d是第二壓力傳感器的孔徑，Y1是氣體膨脹系數(shù)，ρ是在工作溫度和壓力處的流體密度，h是壓力差，而且其中至少Cd，E，d2，Y1和ρ的一個由多項式方程曲線擬合近似。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的變送器，其特征在于控制器計算流量基于利用多項式曲線擬合的多個多項式方程與在這些多項式方程中獨立變量溫度，靜態(tài)壓力和壓力差中的至少一個去近似多元的Cd，E，d2，Y1和ρ。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變送器，其特征在于控制器基于Cd的近似值依據(jù)一多項式方程計算流量，該方程式形式為Cd=Σi=on(1ReD)ibi]]>
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變送器，其特征在于Cd是如下計算Cd=b0+1ReD(b1+1ReD(b2+1ReD(b3]]>+1ReD(b4+1ReD(b5+b6ReD)))))]]>
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變送器，其特征在于控制器依據(jù)一個多項式方程基于一個Ed2的近似值計算流量，該多項式方程形式為Ed2=Σi=0nCi(1T)i]]>
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述變送器，其特征在于Ed2是如下計算的Ed2=C0+1T(C1+1TC2)]]>
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變送器，其特征在于控制器依據(jù)一多項式方程基于一個Y1的近似值計算流量，該方程形式為Y1=Σi=0n(hp)idi]]>
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的變送器，其特征在于Y1是如下計算的Y1=d0+hp(d2+hpd2)]]>
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變送器，其特征在于控制器依據(jù)一多項式方程基于一個對液體的ρ近似值計算流量，該方程形式為ρ=Σi=0n(1T)iei]]>
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變送器，其特征在于對于液體的ρ是如下計算的ρ=e0+1T(e1+1T(e2+e31T))]]>
15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變送器，其特征在于對于氣體的ρ是如下計算的ρ=[144MWR]·5[PT]·5Σi=0nΣj=0mPi(1T)jfij]]>
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的變送器，其特征在于對于氣體ρ被計算為ρ=[144MWR]·5[PT]·5[f00+P(f10+P(f20+f30P))]]>+1T((f01+P(f11+P(f21+f31P)))+1T(f02+P(f12+P(f22+f32P))))]]]>
17.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變送器，其特征在于Cd通常是用一個方程形式計算Cd=Σi=0n(1ln(ReD))ibi]]>
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的變送器，其特征在于Cd被計算為Cd=b0+1ln(Red)(b1+1ln(ReD)(b2+1ln(ReD)]]>b3+1(ReD)(b4+1ln(ReD)(b5+b6ln(ReD))))))]]>
19.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變送器，其特征在于Ed2Y1項用一個下面形式的方程式計算Ed2Y1=a0+1T(a1+a2T)]]>+hP[a3+1T(a4+a5T)+hP(a6+1T(a7+a3T))]]]>
20.用一個由4-20mA控制環(huán)路供電的過程控制變送器提供流經(jīng)管道的流體流量的指示的一種方法，它包括檢測靜態(tài)壓力并提供表示該靜態(tài)壓力的靜態(tài)壓力信號；檢測壓力差并提供一個表示該壓力差的壓力差信號；檢測溫度并提供一個表示該溫度的溫度信號；和基于該靜態(tài)壓力信號，壓力差信號和溫度信號計算經(jīng)過管道流體的流量并提供一個表示該流量的輸出信號。
全文摘要
變送器(10)提供一個表示經(jīng)過管道(12)的流體的質(zhì)量流量率的輸出信號。變送器10包括一個溫度傳感器(34)提供一個表示流體溫度的溫度信號。一個靜態(tài)壓力傳感器(30)提供一個表示管道內(nèi)靜態(tài)壓力的靜態(tài)壓力信號。一個差壓發(fā)生器(32)提供一個壓力差信號。變送器(10)還包括一個提供表示經(jīng)過管道的流體的質(zhì)量流量的輸出信號的控制器(66)。
文檔編號G01F15/00GK1192270SQ96195623
公開日1998年9月2日 申請日期1996年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月17日
發(fā)明者戴維·E·維克隆德 申請人:羅斯蒙德公司