一种过程流体流量设备(12)包括过程通信电路(20)、处理器(26)和测量电路(28)。过程通信电路(20)配置为与至少一个附加过程设备通信。处理器(26)耦接至过程通信电路，并配置为执行提供多个周期的指令，其中每个周期包括多个流量相关计算。测量电路(28)可操作地可耦接至多个过程变量传感器，以获得每个周期期间对差压的指示，并获得静压和过程流体温度。处理器(26)配置为使用当前的差压传感器指示以及在先前周期期间计算的至少一个流量相关值，来计算过程流体流量值。过程通信电路(20)将所计算的过程流体流量值通信至所述至少一个附加过程设备。
【技术实现步骤摘要】
【专利说明】具有快速响应流量计算的多变量流体流量测量设备 分案申请说明 本申请是优先权日为2008年10月27日、申请日为2009年10月27日、申请号为 200980142721. 3(国际申请号PCT/US2009/062177)、题为"具有快速响应流量计算的多变 量流体流量测量设备"的专利技术专利申请的分案申请。
技术介绍
在工业设置中，控制系统用于监视和控制工业和化学过程等的存量。典型地，控制 系统使用在工业过程中关键位置处分布的现场设备来执行这些功能，工业过程通过过程控 制回路耦接至控制室中的控制电路。术语"现场设备"指的是在测量、控制和监视工业过程 时使用的分布式控制或过程监视系统中执行功能的任何设备。典型地，现场设备的特征在 于它们能够在户外运行很长一段时间（例如，若干年）的能力。因此，现场设备能够工作在 多种气候极端情况下，包括严峻的极限温度和极限湿度。此外，现场设备能够在存在显著振 动（例如来自邻近机器的振动）的情况下进行操作。此外，现场设备还可以在存在电磁干 扰的情况下进行操作。 现场设备的一个示例是多变量过程流体流量设备，例如由艾默生过程控制有限公 司（Emerson Process Management，Chanhassen，Minnesota)销售的商标为Model 3051 SMV 的多变量变送器。多变量过程流体流量设备能够计算经过液体和气体的差分产生器的质量 流量速率。 对于差分产生器，质量流量速率由以下等式给出： 对于该流量等式，一般接受下列命名： Qm=质量流量速率（质量/时间） Qe=能量流量速率（能量/时间） Qv=体积流量速率（长度3/时间） P=静压（力/长度2) T=温度（度） AP =主元素上的差压（力/长度2) N =单位换算因子（单位变化） Cd=主元素排放系数（无量纲） d =主元素喉口直径（长度） D=管道直径（长度） E =速度渐近因子，（lAl_(d/D)4)1/2)(无量纲） Y1 =气体膨胀因子，对于液体，=1.0(无量纲） P=流体密度（质量/长度3) y =流体粘度（质量/长度-时间） Rd =管道雷诺数（无量纲） H=焓（能量/质量） 许多流量量值取决于其他量。例如，排放系数Cd依据雷诺数。雷诺数依据质量流 量速率、流体粘度和管道直径。热膨胀效应Ed 2依据温度。气体膨胀因子据差压AP 除以管道直径。流体密度P和压缩性因子Z依据静压和温度。流体粘度y依据温度。焓 H依据静压和温度。由于流量等式的复杂性和相关关联依赖，流量速率的计算一般需要某种迭代算 法。一种实现方式是使用AGA Report No. 3, Part 4中概述的直接代入方法，其中记载了第 一步骤是推测排放系数值。然后，基于一组静压（P)、差压（DP)和温度（T)值，来求解流量 速率或雷诺数。使用得到的雷诺数，计算新的排放系数值并将其与初始推测相比较。如果 该比较的结果在预定界限内，则认为所计算的新的排放系数是最终值。如果不是这种情况， 则计算雷诺数的新值，随后计算新的排放系数值，并将其与先前值相比较。重复该过程，直 到排放系数的相继计算的结果在预定容限内为止。然后，针对下一组压力、差压和温度值， 重复这整个过程，包括初始推测。该方法的优点在于编程简单。它的主要缺陷在于达到流 量方程的收敛解所需的迭代的数目可能较大。 在AGAR印ortNo. 3中概述的备选方法是使用更加复杂的算法，例如 Newton-Raphson算法。这整个方法仍然要求以初始推测开始，但是Newton-Raphson算法需 要附加的计算，并且比直接代入方法收敛地更快。该方法的缺陷在于需要附加的计算。包 括3095MV在内的现有多变量变送器使用上述算法的一些版本。 上述两种技术在求解得到流量输出之前都需要指定界限内的某种形式的迭代和 收敛。因此，求解流量计算以及随后提供流量输出所需的总时间可以是迭代的次数。现有 设备一般能够提供每400毫秒量级上的流量输出值。在控制过程流体的流量时，提供过程 流体值（例如流量）中的任何延迟会给整个过程流体控制增加不稳定性或其他有害效果。 因此，需要尽可能快地提供例如质量流量、体积流量和能量流量等过程流体流量值。 -般需要以有限功率预算操作的双线现场变送器来最小化计算。功率预算限制的 原因在于希望过程设备可以仅仅以通过过程通信回路接收的功率来操作。电流可以小到 3. 6mA，电压一般也是受限的（限制到大约10伏特）。如果使用（例如根据可寻址远程传感 器高速通道（HART)协议的）数字信号收发，电流实际上可以略小于3. 6mA。因此，一般要求 过程流体流量变送器可操作在小到30毫瓦的功率上。因此，一般方法是以计算速度和整体 流量计响应为代价，使用更简单的计算算法。
技术实现思路
一种过程流体流量设备包括过程通信电路、处理器和测量电路。过程通信电路配 置为与至少一个附加过程设备通信。处理器耦接至过程通信电路，并配置为执行提供多个 周期的指令，其中每个周期包括多个流量相关计算。测量电路可操作地耦接至多个过程变 量传感器，以获得每个周期期间对差压的指示，并获得静压和过程流体温度。处理器配置为 使用当前的差压传感器指示以及在先前周期期间计算的至少一个流量相关值，来计算过程 流体流量值。过程通信电路将所计算的过程流体流量值通信至所述至少一个附加过程设 备。【附图说明】 图1是本专利技术实施例可具体实施的过程流体流量设备的图示；图2是本专利技术实施例可具体实施的过程流体流量设备的框图；图3-7是示出了根据本专利技术实施例的计算过程流体流量的方法的单个流程图的 各个部分。 图8a是带有斜坡的流量相对于时间的图表，示出了（根据本专利技术实施例）的延迟 解与根据已知迭代技术的流量方程的完全解之间的输出相似性。 图8b是示出了在图8a所示实验期间本专利技术实施例的流量误差的图表。【具体实施方式】 本专利技术实施例总体上来源于对过程流体变量发生改变的速率的利用。这些变量不 会瞬间改变。典型地，过程流体温度变化得非常慢，静压变化地稍微快一些。差压一般变化 地最快，但是仍然比商用差压传感器的响应时间慢。因此，流量速率Q和雷诺数R d不会瞬 间变化。通过使用快速的差压传感器更新速率（在该量级上或45毫秒），提供了准确跟踪 流量的流量结果。 不同于求解流量方程的先前方法，本专利技术实施例能够提供流量输出，而无需等待 流量相关量的收敛。本文描述的实施例采用在当前测量迭代期间利用流量相关参数获得的 差压测量，基于在先前迭代期间测量的温度和静压计算所述流量相关参数。因为对于多个 流量相关量需要先前值，所以对于第一周期采用缺省或启动量。通过基于当前的差压传感 器测量以及先前的温度和静压测量来提供流量输出计算，可以非常快速地求解流量方程。 虽然第一个流量输出很可能具有最多的误差，但是能够快速求解方程的速度使得在少量测 量周期内就可以使输出达到高度精确值。例如，实验已经表明了对于流量的快速斜坡输出 可能产生流量的8x10 3%的量级上的最大误差，但是该误差在几当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种过程流体流量设备，包括：过程通信电路，可耦接至过程通信回路；处理器，耦接至过程通信电路，并配置为执行提供多个周期的指令，其中每个周期包括多个流量相关计算；测量电路，可操作性地耦接至多个过程变量传感器，以获得每个周期期间的差压指示、以及静压或过程流体温度中的至少一个；其中，处理器配置为在第一周期期间，使用当前的差压传感器指示以及过程流体流量设备中存储的至少一个流量相关启动值，来计算过程流体流量值；以及其中，处理器还配置为在后续周期期间，使用在当前测量迭代期间获得的差压传感器指示以及在先前周期期间基于在先前测量迭代期间测量的温度和静压而计算的至少一个流量相关参数，来计算过程流体流量值；其中，过程通信电路配置为经由所述过程通信回路通信所计算的过程流体流量值。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：洛厄尔·A·克莱文，大卫·E·韦克伦德，
申请(专利权)人：罗斯蒙德公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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