Компенсация изолирующего узла передатчика процесса - RU2717743C1

Чертежи

Описание

Область изобретения

[0001] Настоящее изобретение относится к измерению параметров процесса, например, промышленного процесса, с помощью датчика процесса. Более конкретно, варианты настоящего изобретения относятся к компенсации постоянной времени изолирующего устройства, через который параметр передается на датчик процесса, при измерениях процесса, выполняемых датчиком процесса.

[0002] Промышленные процессы используются для производства и транспортировки материалов многих типов. В таких системах часто требуется измерять разные параметры внутри процесса. Одним из таких параметров является давление, например, дифференциальное давление. Дифференциальное давление - это разница давления между одной точкой в процессе и другой точкой в процессе. Измерение такого дифференциального давления может быть полезно для определения расхода текучей среды в трубопроводе процесса или для измерения уровня текучей среды в контейнере или для измерений другого параметра процесса.

[0003] В промышленных процессах датчики процесса, например, датчики давления, обычно находятся в передатчике процесса или соединены с ним. Передатчик процесса обычно расположен дистанционно и передает информацию, связанную с измерениями процесса на центральный пункт, например, в диспетчерскую. Передача часто осуществляется по контуру управления процессом. Например. часто используют двухпроводной контур управления процессом, в котором два провода используются и для передачи информации, и для подачи питания на передатчик. Можно также использовать беспроводные контуры управления процессом.

[0004] Передатчики процесса, такие как передатчики давления, типично содержат изолирующий узел, который разделяет датчик процесса ил измеряемого процесса. Он защищает датчик процесса от условий процесса, которые могут повредить датчик, и/или неблагоприятно влиять, например, на измерение параметра процесса.

[0005] Такие изолирующие блоки привносят задержки в измерения параметра процесс из-за используемой среды, конструкции изолирующего устройства и, возможно, других факторов. Такая задержка непосредственно влияет на время отклика измерений параметра процесса датчиком процесса. Кроме того, такая задержка изменяется в зависимости от условий работы передатчика процесса. В результате, конструкторы системы управления должны конструировать или настраивать систему на наихудший отклик передатчика процесса. Это может привести к неэффективности процесса, что может снизить прибыльность процесса, которым управляет такая система.

Краткое описание изобретения

[0006] Варианты настоящего изобретения относятся к передатчикам процесса и способам компенсации постоянной времени в сигналах процесса в изолирующем устройстве, через которое передаются сигналы процесса. Некоторые варианты передатчика процесса включают изолирующее устройство, датчик процесса, компенсирующую схему и выходную схему. Изолирующее устройство выполнено с возможностью входить в контакт с процессом и содержит промежуточную среду. Датчик процесса выполнен с возможностью создавать сигнал процесса, который является функцией параметра процесса, который передается через промежуточную среду. Компенсирующая схема выполнена с возможностью компенсировать время отклика изолирующего устройства и выводить компенсированный сигнал процесса. Выходная схема выполнена с возможностью выводить выходной сигнал как функцию компенсированного сигнала процесса.

[0007] Некоторые аспекты способа включают способ создания выходного сигнала передатчика процесса. В некоторых вариантах создается сигнал процесса, который является функцией параметра процесса, который передается через промежуточную среду в изолирующем устройстве передатчика процесса с использованием датчика процесса. Время отклика изолирующего устройства в сигнале процесса компенсируют и генерируют компенсированный сигнал с помощью компенсирующей схемы. Выходной сигнал передатчика процесса создают как функцию компенсированного сигнала процесса с помощью выходной схемы.

[0008] Настоящее краткое описание приведено для того, чтобы в упрощенной форме представить ряд концепций, которые описаны ниже в разделе "Подробное описание изобретения". Настоящее краткое описание не предназначено для определения ключевых или существенных признаков изобретения и не служит руководством для определения объема заявленного изобретения. Заявленное изобретение не ограничено вариантами, которые устраняют некоторые или все из недостатков прототипа.

Краткое описание чертежей

[0009] Фиг. 1 - упрощенная блок-схема передатчика процесса, сформированного по одному или более из вариантов настоящего изобретения и взаимодействующего с процессом.

[0010] Фиг. 2 - упрощенная блок-схема системы измерений процесса по вариантам настоящего изобретения.

[0011] Фиг. 3 - упрощенный вид сбоку иллюстративного передатчика процесса, где изолирующее устройство показано в сечении, по вариантам настоящего изобретения.

[0012] Фиг. 4 - диаграмма, иллюстрирующая эффект изменения устойчивости конструкции изолирующего устройства на ступенчатый отклик двух разных изолированных датчиков давления.

[0013] Фиг. 5 - диаграмма, иллюстрирующая роль, которую играет температура во влиянии на ступенчатый отклик датчика давления, использованного для генерирования диаграммы на фиг. 4.

[0014] Фиг. 6 - Диаграмма, иллюстрирующая изменение вязкости в иллюстративной текучей среде с изменением температуры.

[0015] Фиг. 7 - упрощенная блок-схема части передатчика процесса по вариантам настоящего изобретения.

[0016] Фиг. 8 и 9 - диаграммы, иллюстрирующие иллюстративные процессы и компенсированные сигналы по вариантам настоящего изобретения.

Подробное описание иллюстративных вариантов

[0017] Далее следует более подробное описание вариантов настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи. Одинаковые позиции на разных чертежах обозначают одинаковые или сходные элементы. Разные варианты настоящего изобретения, однако, могут быть реализованы в разных формах и их не следует толковать как ограниченные показанными элементами. Эти варианты приведены для всестороннего и полного описания изобретения и полностью передают для специалистов объем настоящего изобретения.

[0018] В нижеследующем описании приведены конкретные детали, дающие глубокое понимание вариантов изобретения. Однако, специалистам должно быть понятно, что эти варианты могут быть реализованы без этих конкретных деталей. Например, схемы, системы, сети, процессы, рамки, опоры, соединители, двигатели, процессоры и другие компоненты могут быть не показаны или показаны в форме блок-схем, чтобы не усложнять описание ненужными деталями.

[0019] Используемая терминология предназначена только для описания конкретных вариантов и не ограничивает настоящее изобретение. Используемая здесь форма единственного числа также включает и множественное число, если контекст явно не требует иного. Далее, следует понимать, что термины "содержит" и/или "содержащий", используемые в настоящем описании, определяют наличие указанных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более из других признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.

[0020] Следует понимать, что, когда упоминается, что элемент "соединен", "подключен" или "прикреплен" к другому элементу, он может быть соединен, подключен или прикреплен непосредственно к такому другому элементу или он может быть соединен, подключен или прикреплен к другому элементу через вставленный или промежуточный элемент. Наоборот, если указано, что элемент "непосредственно соединен", "непосредственно подключен" или "непосредственно прикреплен" к другому элементу, промежуточные элементы отсутствуют. Чертежи, иллюстрирующие непосредственное соединение, подключение или крепление, также охватывают и варианты, в которых элементы соединены, подключены или прикреплены друг к другу опосредованно.

[0021] Следует понимать, что хотя в настоящем описании для описания различных элементов могут использоваться термины "первый", "второй" и т.п., эти элементы такими терминами не ограничиваются. Поэтому первый элемент может быть назван вторым элементом, не выходя за пределы идеи настоящего изобретения.

[0022] Если не определено иное, все термины (включая технические и научные термины), используемые в настоящем описании, имеют значение, обычно понимаемое специалистами в той отрасли, к которой относится настоящее изобретение. Далее, следует понимать, что термины, например, такие, значение которых определено в обычно используемых словарях, следует толковать, как имеющие значение, соответствующее их значению в контексте соответствующей отрасли, и не должны толковаться в идеализированном или чрезмерно формальном смысле, если это прямо не определено в настоящем описании.

[0023] Варианты настоящего изобретения могут описываться со ссылками на диаграммы последовательности и блок-схемы. Хотя диаграмма последовательности может описывать операции как последовательный процесс, многие операции можно выполнять параллельно или одновременно. Дополнительно, порядок выполнения операция может быть изменен. Процесс заканчивается, когда его операции выполнены, но может иметь дополнительные этапы, не показанные на чертеже или не упомянутые в описании.

[0024] Варианты настоящего изобретения направлены на компенсацию измерений параметра передатчиком процесса для улучшения времени отклика передатчика процесса. По существу, это достигается за счет компенсации сигнала процесса, вырабатываемого датчиком процесса, который является функцией измеряемого параметра процесса, на время отклика изолирующего устройства, который разделяет датчик процесса и процесс. Улучшенное время отклика передатчика процесса может повысить эффективность процесса и позволяет использовать передатчик процесса в тех процессах, где требуется измерять параметр с высокой скоростью.

[0025] На фиг. 1 представлена упрощенная блок-схема передатчика 100 процесса, сформированного в соответствии с одним или более из вариантов настоящего изобретения и взаимодействующего с процессом 102. В некоторых вариантах процесс 102 включает промышленный процесс, в котором используется материал, например, текучая среда, движущийся по трубам и резервуарам для преобразования менее ценных материалов в более ценные и полезные продукты, такой как нефть, химикаты, бумага, пищевые продукты и пр. Например, на нефтеперегонном заводе выполняется процесс переработки сырой нефти в бензин, топочный мазут и другие нефтехимические продукты. В системах управления промышленными процессами применяются устройства процесса, такие как передатчики процесса, работающие как измерительные приборы для определения и измерения параметров процесса, таких как давление, расход, температура, уровень и другие параметры, в комбинации, например, с управляющими устройствами, такими как клапаны, насосы и двигатели, для управления потоком материалов во время их обработки.

[0026] В некоторых вариантах передатчик 100 процесса содержит изолирующее устройство 104, датчик 106 процесса, компенсирующую схему 108, и выходную схему 110. Изолирующее устройство 104 выполнено с возможностью взаимодействия с процессом 1032 и изолирует датчик 106 процесса от процесса 102. Изолирующее устройство 104 передает параметр процесса 102 на датчик 106 процесса для измерения через соответствующую среду 1111, например, текучую среду или другую подходящую среду. Датчик 106 процесса выполнен с возможностью создавать сигнал 112 процесса, который является функцией измеренного параметра процесса 102, который передается через среду 111 изолирующего устройства 104.

[0027] Изолирующее устройство 104 передает параметр процесса на датчик 106 процесса не мгновенно. Наоборот, изолирующее устройство 104 вводит задержку в передачу и измерение параметра процесса. Эта задержка связана с временем отклика изолирующего устройства 104. В некоторых вариантах время отклика изолирующего устройства 104 зависит от одной или более переменной, например, температуры среды 111, давления, структур изолирующего устройства 104 (например, мембран), материалов, из которых создано изолирующее устройство и/или других переменных.

[0028] Эффекты задержки в передаче и измерении переменной процесса с использованием датчика 106 включают ограничение на полосу измерений отслеживаемого параметра процесса. Более конкретно, эта задержка действует как фильтр нижних частот, у которого граничная частота падает в ответ на увеличение задержки или уменьшение времени отклика. В результате, изменения переменной процесса, возникающие выше граничной частоты, считаются необнаружимыми датчиком 106 процесса. Варианты настоящего изобретения предназначены для уменьшения или устранения задержки за счет уменьшения времени отклика, тем самым уменьшая граничную частоту и потерю потенциально важной информации.

[0029] Компенсирующая схема 108 выполнена с возможностью компенсировать сигнал 112 процесса на время отклика изолирующего устройства 104 и выводить компенсированный сигнал 114 процесса, в котором задержка, соответствующая времени отклика, уменьшена. Выходная схема 110 выполнена с возможностью создавать выход 116 передатчика как функцию компенсированного сигнала 114 процесса. В некоторых вариантах компенсирующая схема 108 выполнена с возможностью компенсировать сигнал 112 процесса на время отклика изолирующего устройства 104, которое зависит от одной или более из переменных, например, тех, что упомянуты выше.

[0030] Компенсирующая схема 108 может содержать аналоговые схемы и/или цифровые схемы. В некоторых вариантах компенсирующая схема 108 представляет один или более процессор, выполненный с возможностью выполнения команд, которые могут храниться в локальном запоминающем устройстве компенсирующей схемы 108, или в запоминающем устройстве, удаленном от передатчика 100, чтобы выполнять одну или более из описываемых функций.

[0031] В некоторых вариантах время отклика изолирующего устройства 104 зависит от температуры среды 111, по которой параметр процесса передается на датчик 106 процесса. В некоторых вариантах передатчик 100 процесса содержит датчик 117 температуры, выдающий сигнал 118 температуры, указывающий на температуру среды 111 изолирующего устройства 104 и используемый компенсирующей схемой для компенсации сигнала 112 процесса на время отклика изолирующего устройства 104.

[0032] В некоторых вариантах время отклика изолирующего устройства 104 зависит от рабочего давления, действию которого изолирующее устройство 104 подвергается во время работы. В некоторых вариантах компенсирующая схема 108 использует рабочее давление для компенсации сигнала 112 процесса на время отклика изолирующего устройства 104. В некоторых вариантах рабочее давление вводится в компенсирующую схему 108 как фиксированная переменная, например, когда рабочие условия изолирующего устройства 104 известны. В некоторых вариантах можно использовать датчик давления, например, датчик линейного давления или датчик дифференциального давления, чтобы определить рабочее давление изолирующего устройства и передать на компенсирующую схему 108 сигнал давления, который указывает на рабочее давление. В некоторых вариантах датчик 106 процесса или другой датчик работает как датчик давления, который передает на компенсирующую схему 108 рабочее давление изолирующего устройства 104.

[0033] В некоторых вариантах передатчик 100 является аналоговым устройством, в котором сигналы 112, 114 и 116 являются аналоговыми сигналами. В некоторых вариантах компенсирующая схема 108 содержит микропроцессор, выполненный с возможностью обрабатывать сигнал 112 процесса в цифровой форме. В некоторых вариантах передатчик 100 процесса содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 119, который оцифровывает аналоговый сигнал 112 процесса в цифровой сигнал 112' процесса для обработки компенсирующей схемой 108. В некоторых вариантах компенсированный сигнал 114 является цифровым сигналом, а передатчик 100 процесса содержит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 120, который преобразует компенсированный сигнал 114 процесса в аналоговый компенсированный сигнал 114' процесса, который подается на выходную схему 110.

[0034] В некоторых вариантах выходная схема 110 выполнена с возможностью передавать выходной сигнал 116 передатчика на соответствующий контроллер, который использует этот выходной сигнал 116 для управления аспектами процесса 102. В некоторых вариантах выходная схема 110 передает выходной сигнал 116 передатчика на котроллер, расположенный удаленно от передатчика 100 процесса, например, на удаленный пульт управления.

[0035] В некоторых вариантах выходная схема 110 соединена с контроллером 122 двухпроводным контуром 121, как показано в системе 124 измерения процесса на фиг. 2. В некоторых вариантах двухпроводной контур 121 выполнен с возможностью передавать все питание на передатчик 100 процесса. В некоторых вариантах выходная схема 110 передает выходной сигнал 116 передатчика по двухпроводному контуру на контроллер 122, модулируя ток, который изменяется между 4 и 20 мА. Альтернативно, выходная схема 110 может быть выполнена с возможностью передавать выходной сигнал 116 передатчика на контроллер 122 по беспроводной связи в двухточечной конфигурации, по сети с сетчатой структурой, или в другой подходящей конфигурации, где передатчик 100 процесса имеет собственный источник питания.

[0036] В некоторых вариантах передатчик 100 процесса выполнен в форме передатчика давления, иллюстративный вариант которого показан на фиг. 2 и 3. На фиг. 3 в упрощенном виде сбоку представлен иллюстративный передатчик 100 давления и, в сечении, иллюстративное изолирующее устройство 104 по вариантам настоящего изобретения. В некоторых вариантах в процессе 102 измеряют давление текучей среды или другого материала, находящегося в трубе 130 к которой прикреплен передатчик 100 процесса, как показано на фиг. 2.

[0037] В некоторых вариантах передатчик 100 содержит корпус 131, в котором может находиться, например, компенсирующая схема 108 и выходная схема 110, как показано на фиг 3. В некоторых вариантах изолирующее устройство 104 содержит корпус 132, который может быть прикреплен к корпусу 131. В некоторых вариантах корпус 132 содержит одно или более окно 134 (см. фиг. 3), которые соединены с процессом 102 через соответствующее соединение, например, через импульсные линии 136 (фиг. 2). Давление процесса 102 принимается на каждом из окон 134.

[0038] В некоторых вариантах изолирующее устройство содержит одну или более наполнительных или изолирующих трубок 138, расположенных в корпусе 132. В некоторых вариантах корпус 132 содержит гибкую мембрану 140 для каждой из наполнительных трубок 138, при этом мембрана уплотняет конец 142 трубки 138 и изолирует чувствительный элемент 146 от процесса 102. В некоторых вариантах каждая из наполнительных трубок 138 заполнена текучей средой, например, гидравлической заполняющей текучей средой.

[0039] В иллюстративном передатчике 100 давления датчик 106 процесса является датчиком давления, который содержит чувствительный элемент 146 и электронные компоненты 148. Чувствительный элемент 146 расположен на конце 150 одной или более наполнительной трубки 138. Каждая мембрана 140 отклоняется в ответ на давление процесса 102, принятого через соответствующее окно 134, в результате чего давление передается на заполняющую текучую среду в изолирующей трубке и передается на чувствительный элемент 146. Чувствительный элемент 146 воспринимает давление и вырабатывает сигнал 112 процесса как функцию давления процесса, используя электронные компоненты 148.

[0040] Чувствительный элемент 146 может быть любым подходящим чувствительным элементом для определения линейного или дифференциального давления. Сигнал 112 процесса или давления может генерироваться электронными компонентами на основе изменений в электрической емкости, сопротивлении, резонансной частоте или с использованием других подходящих способов.

[0041] Когда передатчик 100 давления выполнен в форме передатчика дифференциального давления, как показано на фиг. 3, элемент 146, чувствительный к давлению, имеет форму элемента, чувствительного к дифференциальному давлению, который может иметь пару чувствительных элементов и принимать два давления от процесса 102 через отдельные наполнительные трубки 138, как показано на фиг. 3. Электронные компоненты 148 датчика 106 давления генерируют сигнал 112 процесса в ответ на разницу между этими двумя давлениями в соответствии с известными способами.

[0042] Как описано выше, сигнал 112 процесса передается на компенсирующую схему 108, которая компенсирует сигнал 112 процесса на время отклика изолирующего устройства 104, и создает компенсированный сигнал 114 процесса. Нижеследующий пример относится к передатчику 100 процесса, в котором для передачи давления процесса на датчик 106 процесса применяется промежуточная текучая среда 111 в наполнительных трубках 138.

[0043] Можно показать, что в идеальной системе для эффекта промежуточной текучей среды 111 в наполнительной трубке 138 изолирующего устройства 104 можно построить модель как неизменяющуюся во времени линейную систему первого порядка во временной области, как:

[0044] Уравнение 1)

[0045] где P_in (t) - давление процесса 102 (входной сигнал давления), а P_s (t) -давление на датчике 106. τ можно смоделировать как:

[0046] Уравнение 2)

[0047] где R - сумма полных сопротивлений гидравлическому потоку в изолирующем устройстве 104, например, в наполнительных трубках 138, а S - сумма жесткостей изолирующей мембраны 140 и чувствительного элемента 146, показанных на фиг. 3.

[0048] В частотной области уравнение 1 принимает форму:

[0049] Уравнение 3)

[0050] где s - комплексная переменная jω. Выражение

, таким образом, является передаточной функцией текучей среды 111 на входной сигнал давления.

[0051] Соответственно, оригинальный сигнал P_in (s) можно восстановить, применив обратную величину гидравлической передаточной функции 1+sτ к P_s (s):

[0052] Уравнение 4)

[0053] где

представляет компенсированный сигнал 114 давления. Этот результат показывает, что, зная постоянную времени промежуточной текучей среды 111, τ, эффект гидравлики первого порядка можно полностью компенсировать.

[0054] Как показано в уравнении 2, имеется два первичных фактора, влияющих на переменную τ: S, сумма жесткостей изолирующей диафрагмы 140 и чувствительного элемента 146, и R, сумма полных сопротивлений гидравлическому потоку. Жесткости диафрагмы 140 и чувствительного элемента 146 являются в большой степени функцией величины абсолютной величины измеряемого давления и фиксируются посредством конструкции. Большие величины давления используют большие величины жесткости диафрагмы 140 и чувствительного элемента 146 и, поэтому, проявляют меньшую постоянную времени. На фиг. 4 приведена диаграмма, иллюстрирующая влияние изменения жесткости на отклик на ступенчатое воздействие двух разных изолированных датчиков давления 106. Оба датчика 106 принимают одинаковую величину для R.

[0055] Жесткости являются характеристикой конструкции изолирующего устройства 104 и датчика 106 давления и, по существу, значительно не меняются в изменяющихся условиях окружающей среды. Поэтому, в некоторых вариантах, компенсирующая схема 108 использует постоянную величину S в уравнении 2 для системы 124, которую моно определить через конструкцию или тестами.

[0056] Вторым фактором, R, в уравнении 3 является сумма гидравлических сопротивлений. Этот термин, также, в значительной степен является функцией конструкции: он выводится из таких факторов, как площадь сечение канала для текучей среды, шероховатость поверхности и т.п. Различные формы гидравлического сопротивления принимают общую форму:

[0057] Уравнение 5)

[0058] где

представляет постоянную, связанную с i-м показателем сопротивления, - количество составляющих сопротивления, и - кинематическая вязкость промежуточной текучей среды 111. Из уравнения 5 видно, что сумма полных гидравлических сопротивлений фактически находится в линейной зависимости от кинематической вязкости текучей среды. Таким образом, в то время как составляющие остаются в основном постоянными при изменении условий окружающей среды, вязкость промежуточной текучей среды 111 играет значительную роль в определении R, поскольку она может в широких пределах изменяться в зависимости от температуры.

[0059] На фиг. 5 представлена диаграмма, иллюстрирующая роль температуры во влиянии на отклик на ступенчатый отклик того же датчика 196 давления, который использовался для генерирования отклика датчика меньшего давления на диаграмме на фиг. 4.

[0060] Это поведение можно отследить до вышеупомянутой чувствительности вязкости к температуре. Изменение вязкости с температурой для большинства текучих сред происходит в высшей степени нелинейноЮ демонстрируя логарифмическую зависимость. Вязкость текучей среды в условиях холода может быть в 5-20 раз (или больше) выше, чем при комнатной температуре (в зависимости от типа текучей среды). На фиг. 6 приведена диаграмма, иллюстрирующая изменение вязкости иллюстративной промежуточной текучей среды 111 в форме масла с вязкостью 5 сСт при изменении температуры. Соответственно, варианты передатчика 100 давления одержат датчик 117 температуры которые передает температуру текучей среды 111 на компенсирующую схему 108, которая использует температуру текучей среды 111 для точной компенсации гидравлических эффектов текучей среды 111 на основе температуры. Сигнал 118 температуры можно использовать для компенсации других температурных эффектов, связанных с неидеальным датчиком.

[0061] Предполагая, что влияние температуры на жесткость и компоненты

является пренебрежимо малым (относительно вязкости текучей среды), уравнению 2 можно придать следующий вид:

[0062] Уравнение 6

[0063] Передаточная функция

гидравлической компенсации из уравнения 4 может в этом случае принять следующий вид:

[0064] Уравнение 7

[0065] Таким образом, как показано на блок-схеме на фиг. 7, на передачу параметра давления процесса в процессе 102, измеренного датчиком 106 (т.е., на сигнал 112 процесса), влияет постоянная времени изолирующего устройства 104, которая задается температурой и вязкостью промежуточной текучей среды 111 и, возможно, жесткостью мембраны 140 и чувствительного элемента 146. Компенсирующая схема 108 работает для компенсации сигнала 112 процесса и генерирует компенсированный сигнал 114 процесса, в котором уменьшено влияние постоянной времени изолирующего устройства 104, такого как эффекты, основанные на температуре промежуточной среды 111, используя сигнал 118 температуры.

[0066] Передаточную функцию в уравнении 7 можно применять везде, после получения сигнала 112 датчика давления,

. Когда передатчик 100 процесса работает в аналоговой области, компенсирующая схема 1-8 может содержать соответствующий аналоговый фильтр верхних частот для требуемой компенсации сигнала 112 и выработки компенсированного сигнала 114. В некоторых вариантах температура промежуточной текучей среды 111 определяется датчиком 117 температуры и используется для определения вязкости промежуточной текучей среды 111 перед подачей на аналоговый фильтр для создания обоснованных уровней компенсации.

[0067] Предпочтительно, компенсирующая схема 108 работает в цифровой области и преобразует сигнал 112 давления от датчика 106 в цифровую форму, используя АЦП 119, перед выполнением необходимых компенсаций для создания компенсированного сигнала 114. Дополнительно, сигнал 118 температуры и других условий компенсации компенсирующей схемой 108 предпочтительно преобразуются в цифровую форму. Пример этого способа приведен ниже.

[0068] После того как изолирующее устройство 104 и подсистема датчика 106 будут сконструированы, их конфигурация остается статичной. Поэтому, жесткость, гидравлические каналы и т.п., которые входят в эту подсистему, не подвергаются каким-либо фундаментальным физическим изменениям. В этом примере, в то время как могут иметься некоторые физические эффекты давления, эти эффекты будут считаться несущественными относительно влияния температуры на вязкость промежуточной текучей среды 111. Поэтому, термин

в уравнении 7 становится параметром, определенным конкретной конструкцией подсистемы датчика. Передаточную функцию в этом случае можно определит как:

[0069] Уравнение 8)

[0070] для представления постоянной времени τ в уравнении 7.

[0071] Компенсирующая схема 108 принимает сигнал 118 температуры, который указывает на температуру промежуточной текучей среды 111, и использует эту температуру для определения

согласовывая вязкость промежуточной текучей среды 111 с температурой, например, выполняя подбор кривой на фиг. 7. Это можно выполнять любым стандартным процессом подбора кривой (с помощью справочной таблицы, подбором многочлена и т.п.). Такой подбор может включать постоянную так, чтобы результаты подбора были бы желаемым τ для передаточной функции гидравлической компенсации. В зависимости от требуемой точности, для такой функции в некоторых вариантах можно применять "семейную" кривую, где коэффициенты подбора кривой представляли бы конкретное семейство подсистемы датчика. Там, где требуется предельная точность определение τ относительно Т можно проводить для каждой отдельной подсистемы датчика.

[0072] В то время как фильтр верхних частот по уравнению 7 компенсирует гидравлическое демпфирование, в некоторых вариантах этот коэффициент преобразования верхних частот ограничен величиной, меньшей чем число Найквиста для цифровой обработки, выполняемой АЦП 119 для устранения шума от наложения спектров в измерениях. Это требует применения фильтра нижних частот с граничной частотой, меньшей чем половина частоты дискретизации АЦП 119:

[0073] Уравнение 9)

[0074] где

- частота дискретизации сигнала 112 процесса АЦП 119. Комбинация этого фильтра нижних частот с передаточной функцией гидравлической компенсации дает окончательную применяемую передаточную функцию компенсации:

[0075] Уравнение 10)

[0076] Мы наложили на переменную

в уравнении 10 ограничение, согласно которому она должна быть меньше или равна π, чтобы соответствовать критерию Найквиста.

[0077] Передаточная функция уравнения 7 затем преобразуется в разностное уравнение с помощью хорошо разработанных способов Z-преобразования, которые подходят для реализации в микропроцессоре компенсирующей схемы 108. Результатом является фильтр бесконечной импульсной характеристики:

[0078] Уравнение 11)

[0079] где

- n-й замер компенсированного сигнала 114 процесса, а - n-й замер сигнала 112 процесса на датчике 106. В уравнении 11, если выбрать , последнее условие устраняется, и требование Найквиста удовлетворяется; это действие превращает фильтр в гарантировано стабильный фильтр конечной импульсной характеристики:

[0080] Уравнение 12)

[0081] Некоторые варианты направлены на способ создания выходного сигнала 116 передатчика процесса. В некоторых вариантах способа сигнал 112 процесса создается датчиком 106 процесса в ответ на параметр процесса (напр., давление, температура, влажность и пр.), передаваемый через промежуточную текучую среду 111 изолирующего устройства 104, и компенсирующая схема генерирует компенсированный сигнал 114 процесса. Выходной сигнал 116 передатчика процесса создается как функция компенсированного сигнала 114 процесса с помощью выходной схемы 110. В некоторых вариантах компенсирующая схема 108 компенсирует сигнал 112 процесса на время отклика изолирующего устройства 104 используя одно или более из уравнений, показанных выше, например, уравнение 12.

[0082] В некоторых вариантах способа сигнал 118 температуры создается как функция температуры промежуточной текучей среды 111 с помощью датчика 117 температуры. Сигнал 112 процесса компенсируется на время отклика изолирующего устройства 104 с использованием сигнала 118 температуры.

[0083] В некоторых вариантах способа изолирующее устройство 104 содержит корпус 132, наполнительную трубку 138 с заполняющей текучей средой, и мембрану, уплотняющую конец 142 наполнительной трубки 138, как показано на фиг. 3. В некоторых вариантах датчик 106 процесса содержит датчик давления или чувствительный элемент 146 на конце 150 наполнительной трубки 138. В некоторых вариантах сигнал 112 процесса создается как функция давление, передаваемого на датчик 106 давления или чувствительный элемент 146 через промежуточную текучую среду 111 в трубке 138.

[0084] Ниже приводятся примеры компенсации, выполненной по вариантам настоящего изобретения. В первом примере ступенчатый отклик датчика 106 давления гидравлически изолирован от процесса 102 изолирующим устройством 104, имеющим постоянную времени 50 мс. Также, сигнал 112 процесса или давления оцифровывается АЦП 119 (фиг. 1) с частотой 100 Гц, и на фиг. 8 приведена диаграмма, иллюстрирующая давление на датчике 106 (т.е., давление согласно сигналу 112 процесса), и компенсированное давление, определенное компенсирующей схемой 108 (т.е. давление согласно компенсированному сигналу 114 процесса) с применением уравнения 12 к сигналу 112 процесса.

[0085] На фиг. 8 также приведена вложенная диаграмма, которая иллюстрирует несколько первых дискретных точек данных оцифрованного сигнала 112 процесса и компенсированного сигнала 114 процесса. Как показано, первые несколько точек данных компенсированного сигнала 114 могут быть неточно синхронизированы с входным давлением процесса 102 из-за частоты дискретизации. В этом примере задержка равна прибл. 7 мс и связана с временем затухания из-за частоты дискретизации. Однако второе дискретное значение компенсированного сигнала 114 процесса по существу синхронизировано с входным давлением в процессе 102. Увеличение частоты дискретизации позволяет уменьшить время затухания, связанное с дискретизацией и дополнительно улучшить синхронизацию с входным давлением в процессе 102.

[0086] Во втором примере используется система по первому примеру, но гидравлическая постоянная времени изолирующего устройства 104 увеличена на порядок из-за изменения температуры до 500 мс. Результаты компенсации показаны на фиг. 9, а на вложенной диаграмме показаны несколько первых дискретных точек данных компенсированного сигнала 114. Сравнение фиг. 8 и фиг. 9 ясно иллюстрирует, что компенсированный сигнал 114 по существу отражает входное давление в процессе 102 и по существу компенсирует (напр., в пределах 1, 3 или 10 точек данных) гидравлические постоянные времени изолирующего устройства 104.

[0087] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты, специалистам понятно, что в их форму и детали можно вносить изменения, не выходя за пределы изобретательской идеи и объема изобретения. Хотя были приведены конкретные примеры компенсации постоянной времени изолирующего устройства, которые связаны с передачей параметра процесса в форме давления через промежуточную срезу изолирующего устройства, понятно, что варианты настоящего изобретения относятся к компенсации постоянной времени изолирующего устройства и для других типов параметров процесса, которые передаются на датчик измерения процесса через среду изолирующего устройства. Дополнительно, хотя в иллюстративных вариантах передатчика процесса для передачи параметров процесса используется промежуточная текучая среда изолирующего устройства, понятно, что можно использовать и другие типы сред, способных передавать параметры процесса.

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров процесса, например промышленного процесса, с помощью датчика процесса. Передатчик (100) процесса, содержит изолирующее устройство (104), датчик (106) процесса, компенсирующую схему (108) и выходную схему (110). Изолирующее устройство (104) выполнено с возможностью взаимодействовать с процессом и содержит промежуточную среду (111). Датчик (106) процесса выполнен с возможностью создавать сигнал процесса, который является функцией параметра процесса, который передается через промежуточную среду (111). Компенсирующая схема (108) выполнена с возможностью компенсировать сигнал процесса на время отклика изолирующего устройства (104) и выводить компенсированный сигнал процесса. Выходная схема (110) выполнена с возможностью создавать выходной сигнал передатчика как функцию компенсированного сигнала процесса. Технический результат - повышение точности получаемых данных за счет компенсации постоянной времени посредством учета изменения физических характеристик изолирующей жидкости. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 9 ил.

Формула