具有对固体的自动指示的工业现场设备的制作方法

文档序号:6122581
专利名称:具有对固体的自动指示的工业现场设备的制作方法
具有对固体的自动指示的工业现场设备背景技术在天然气或油井的生产过程中,利用含砂显著的物质撞击液囊并 不罕见。由于众多原因,砂是非常不希望有的。砂会填满井的钻孔; 砂会填满过程系统;或者砂会严重降低井和/或生产操作的生产力。此 外,砂会引起管道系统组件(尤其是在弯管处)、或收缩管以及诸如孔 板、液体流动测量器、或锥形流量计之类的阀门及差压发生器的不希 望损耗。因此,砂在天然气或油井的生产过程中的存在可以导致管道 和阀门腐蚀以及在生产过程中所使用的多种设备发生故障的可能。此 外,砂流可以在差动发生器中产生校准移位。因此,在天然气或油井 的生产过程中,在实质上能够立即检测到任意砂流是非常重要的,从 而可以在现场本地或远程地快速且有效地解决问题。这种补救有时可 以包括暂时关闭油井,调整井头操作,或改变油井或现场管理(改变 喷射、井深等)。当流体中所夹带的固体撞击在生产机器(例如管道、阀门、差动 发生器等)上时,撞击产生声音。固体通常是砂,而流体是烃类流体。 然而,该流体中所夹带的固体的其它示例包括诸如浆料、矿泥浆、泥 浆和污水之类的悬浮体。已知使用声音传感器来感应烃类生产系统中 的砂。这种传感器通常是被调谐到普通频带的专用设备,撞击的声能 落入频带之中的。尽管这种设备可用,但是这种设备为整体生产操作 提供了额外的复杂度和成本。此外,即使最新的声井检声器也无法提 供能够容易集成到整个过程测量和控制系统中的信号传输。发明内容一种工业现场设备提供了指示过程变量的信息。该现场设备包括 控制器、通信电路、过程变量传感器以及测量电路。该通信电路连接 至控制器。该过程变量传感器具有基于过程流体的变量而改变的电特 性。该测量电路连接至过程变量传感器,并连接至控制器。控制器被配置用于相对于过程变量而经由通信电路产生通信,并被配置用于提 供对砂流的指示。


图1是本发明的实施例在其中特别有用的过程测量系统的图示。图2是根据本发明的实施例的被配置用于检测砂流的过程压力变 送器(transmitter)的图示。图3是根据本发明的另一实施例的被配置用于检测砂流的过程压 力变送器的图示。图4是根据本发明的另一实施例的被配置用于检测砂流的过程压 力变送器的图示。图5是根据本发明的实施例的用于提供过程压力和砂流警报的方 法的流程图。
具体实施方式
诸如压力变送器之类的工业现场设备是任意天然气或油井生产装 置中的常见设备。规格(gauge)的压力变送器用于监控井口压力、以 及分离器周围的操作和下向钻眼压力。将差压变送器与上面所提到的 差动发生器一并用于检测所生产的石油或天然气的流动速率。另一种 工业现场设备已知为过程流体流量计。过程流体流量计的示例包括涡 流计和Coriolis流量计。工业现场设备是非常普遍的,且通常具有通过诸如高速可寻址远 程传感器(HART )协议、或经由有线过程通信连接或经由无线技术 的FOUNDATION Fieldbus协议来传送附加信息的能力。根据本发 明的实施例,诸如成压力变送器或流量计之类的工业现场设备不仅适 用于感知它们的主要过程变量,而且适用于感知天然气或油井生产过 程中的砂的压力。这双重任务在以下方面提供重要的协同作用能够 降低物理系统的整体复杂性和成本,以及能够容易地将砂检测信号集 成到已知过程通信体制。图1是对本发明的实施例在其中特别有用的针对天然气和/油井 的过程控制系统的图示。图1示出了可操作用于连接至图示为框12的天然气或油井生产过程的过程压力变送器10。实际上,生产12可 以包括布置在相对大区域上(大约为数英亩)的工业机械的大量作业量。图1示出了可操作用于经过线14连接至天然气/石油生产12的压 力变送器IO。典型地,在物理上将压力变送器布置在用于传送天然气 或石油液体的管道系统上(或近似)。然而,可以使用任意适当的连接。 压力变送器10经由过程通信回路18连接至控制室16。控制室16也 可以连接至诸如过程变量变送器、过程制动器、或任意其它适当设备 之类的大量其它过程设备。图2是本发明的实施例在其中有用的过程压力变送器的图示。变 送器10包括回路通信模块20、电源模块22、控制器24、测量电路26、 以及压力传感器28。回路通信电路可操作地连接至过程通信回路18, 且被配置用于根据适当的工业标准通信协议进行通信。适当的工业标 准通信协议的示例包括但不局限于HART 、 FOUNDATIONTM、 Fieldbus、 Profibus-PA以及控制器区域网络(CAN)。许多过程通信回 路己知具有向附着的过程设备提供操作电源的能力。同样地,根据己 知技术,电源模块22可操作地连接至过程通信回路18并从通信回路 上所提供的电源处获得针对变送器10的工作电源。如图2所示,电源 模块22可操作地连接至回路通信模块20、控制器24以及测量电路26。控制器24可操作地连接至回路通信模块20以及测量电路26。优 选地为低功率微处理器的控制器24为变送器10提供执行大量复杂分 析的能力。因此,尽管变送器IO可以提供过程压力输出,然而变送器 10与现有变送器一样也可以提供对诸如在压力变送器10附近的表面 上撞击的固体(例如砂)的指示。下面将更为详细地描述控制器24 检测砂撞击的实际方式。控制器24可以包括或连接至任意适当形式的 存储器,包括非易失存储器和/或易失存储器。此外,存储在适当存储 器上的指示可以使得控制器24执行有助于检测砂流的数字信号处理 算法。测量电路26可操作地连接至压力传感器28以及控制器24。测量 电路26优选地包括模数转换器。在一个实施例中,该模数转换器己知 为每秒提供22次转换的Sigma-Delta模数转换器。在本实施例中,对 过程压力的每次转换后的数字表示都变成数字信号处理的数据点。例如,将快速傅立叶变换(FFT)应用于数字过程数据点,以产生表示的存在的信息。适当分析的示例可以包括使用以已知方式操作的已知模数转换器进行操作的功率谱密度(PSD)分析。在这点上,可以利 用软件在压力变送器10内完全实现本发明的至少一个实施例。因此, 可以将本发明的实施例应用于当前实地安装地或早已制造出而无需修 改其电路的过程变量变送器。由于Sigma-Ddta转换器的快速转换时间和高精度,通常将其用 于过程测量和控制行业。Sigma-Delta转换器通常采用内部电容器充电 泵方案,该方案产生通常通过计算固定间隔期间内的正1的数目来分 析的数字比特流。例如,当前所使用的Sigma-Delta转换器提供了由 50%的1组成的比特流信号来指示最小压力测量,以及提供了由75% 的1组成的比特流信号来指示最大压力测量。对该数字比特流进行滤 波,以便在确定过程变量之前移除或减弱波动分量。然后将该滤波数 据与公知的方程式一并用于计算过程变量。根据本发明的另一实施例,将模数转换器内的数字比特流直接用 于诸如功率谱密度分析之类的数字信号处理。该比特流通常具有作为 高于转换频率的幅值的多阶。例如, 一种已知的Sigma-Delta转换器 提供了具有大约57kHz频率的数字比特流。尽管本领域的技术人员将 认识存在可以用于对该数字比特流执行PSD分析的多种方式,这里遵 循一种适当的方法。对于给定间隔(例如10秒),收集并保存来自比 特流的数字数据。在上述示例中,57kHz数据在10秒内产生570, 000 个存储比特。可选地,可以通过从每个存储比特中移除平均比特值(1 的数目除以比特总数)来从存储数据中移除DC分量。接下来,计算 调整后的数据的功率谱密度。上述优选地通过使用65536点的FFT和 65536大小的Hanning窗来实现。FFT的大小是由于这是靠近采样比 特频率的2的幂并假定IO秒的持续时间而选定的,其提供了对频谱的 可接受平均。然而,根据本发明的实施例可以使用其它大小。压力传感器28是具有随着所施加的压力而改变的电特性(例如电 容)的已知设备。通常,经由隔离液体将诸如压力传感器28之类的压 力传感器液连接至过程压力源。然而,已知直接将过程压力连接至压 力传感器。已知多种压力传感器。 一种是利用导电可偏转图将充满了绝缘液体的腔体隔开。可偏转图的每一侧的绝缘液体可操作地连接至 压力源。通过该可偏转图,压力传感器内的一个或多个电极形成了可 变电容器。随着压力改变及图偏转,该电容据此改变。另一种已知压力传感器是基于半导体的压力传感器。这种压力传感器在转让给本申请的受托人的美国专利5, 637, 802中提出。这种 基于半导体的压力传感器通常提供随半导体传感器的一部分的偏转而 改变的电容。该偏转响应于所施加的压力。基于半导体的传感器具有 极其有利的磁滞现象,并具有极高的频率响应。与基于半导体的压力 传感器相关的附加信息可以在美国专利6, 079, 276; 6, 082, 199; 6, 089, 907; 6, 484, 585;以及6, 520, 020中找到,所有这些专 利都转让给了本申请的权力受让人。在本实施例中,基于半导体的压 力传感器作为压力传感器28的使用结合上述所列出的关于测量电路 的比特流分析提供了基于对相对高频率信号(否则其在一般过程变量 计算中可以被简单地丢弃)的分析来确定或检测在过程流体中流动的 固体的存在。图3是本发明的实施例可以实践于其中的过程压力变送器30的图 示。压力变送器30中的一些组件与压力变送器10中的组件类似,并 且类似地对相似的组件进行标记。压力变送器30与压力变送器10之 间的最大差别是压力变送器30操作为无线设备。因此,压力变送器 30的电源模块32通常包括能量模块(例如电池)、或可以连续或周期 性地可操作地连接至再充电源的电容器(例如太阳电池板)。无线压力 变送器30包括无线收发机34来代替回路通信模块20。无线收发机34 可操作地连接至控制器24,并从电源模块32接收电源。无线收发机 34连接至控制器24,并基于来自控制器24的命令和/或数据经由天线 36与外部无线设备交互。根据本应用,无线收发机34可适用于根据 任意适当的无线通信协议来进行通信,该无线通信协议包括但不局限 于无线网络技术(例如通过Irvine, California的Linksys所建立的 IEEE 802.11b无线接入点和无线网络设备)、蜂窝或数字网络技术(例 如San Jose, California的Aeris Communications股份有限公司的 MiCr0bUrst )、超宽带、自由光通信、全球移动通信系统(GSM)、码 分多址(CDMA)、扩频技术、红外通信技术、SMS (短消息服务/文本消息收发)或任意适当的无线技术。此外,可以使用已知的数据冲 突技术,以便多个变送器30可以在彼此的无线工作范围内共存。这种 冲突防止可以包括使用多个不同的无线电频率信道和/或扩频技术。无线收发机34还可以与压力变送器IO—并使用,以便向压力变送器10 提供无线通信能力。在这点上,压力变送器IO可以在有线过程通信回 路上提供可变信息,但是通过无线通信提供砂流检测信息。图4是根据本发明的实施例的过程压力变送器40的图示。压力变 送器40中的一些组件与压力变送器30中的组件类似,并且类似地对 相似的组件进行标记。压力变送器40包括连接至测量电路26的声音 传感器50。尽管将传感器50演示为变送器40的组件,实际上传感器 50可以布置在远离变送器40的位置处(例如安装在管道上),并通过 适当的电缆连接电连接至测量电路26。传感器50可以是诸如压电式 换能器或麦克风之类的任意适当的传感器。此外,关于本发明的实施 例的信号处理技术同样可应用于来自传感器50的信号。如上所述,诸如砂之类的固体在弯管、收缩管或过程管道系统内 的差动发生器上的撞击产生经由该管道系统传导的声能,并从撞击点 开始在管道中上下流动。这种声能由根据上面所提出的多种配置中的 任意一种所配置的压力变送器来检测。该声能通常可以由以下三种方 法中的一种或多种检测到。砂的噪声信号附加于规格或差压信号,从而引起测量压力信号的 较高变导性。可以通过实时监控变导性来检测变导性的上升。如果测 量的压力信号的变导性超过预先选定的值,则认为检测到了砂流。己 知的统计过程监控技术通常包括通过滤波以及计算过程压力的平均和 标准偏差来表征信号。通常需要滤波(例如高通滤波)来移除信号中 的较慢变化,例如由于井口操作变化所引起的那些变化。如果标准偏 差的值大于预先选定的值,则产生警报,并经由包括模拟和/或数字通 信的任意适当装置将其发送至本地或远程操作者。备选地,可以产生 PlantWd/或其它警报指示,并经由数字通信将其发送至本地或远程操 作者。为了使这种计算的值最大化,过程压力变送器优选地具有良好 的频率响应以及相对高的更新速率。上述所列出的22Hz的更新速率 对于Chanhassen, Minnesota的Rosemount股份有限公司所销售的型号3051S或3051C是标准的,此外这个更新速率被认为是足以满足对 声音信号的精确检测。实现检测的另一种方式涉及数字信号处理。砂流所产生的声音信 号导致特定频率处或可以由压力变送器经由传统数字信号处理装置检 测到的频率范围内的噪音的显著增长。例如,除了正常压力计算以外, 压力变送器通过有限冲击响应(FIR)或无限冲击响应(IIR)数字滤 波器在优选地从lHz到llHz变动的频率范围(针对上面所列出的3052 变送器的Nyquist频率)上执行滤波。测量滤波信号的幅度,如果测 量到的幅度大于预设值,则向本地或远程操作者产生警报或 Plant Web o可以检测砂流的又一方式是通过利用上述所公开的任意一种高频 测量技术。上面所提到的3051系列压力变送器当前使用基于 Sigma-Delta技术的模数转换器。这提供了可以使用一位A/D转换器 以明显较高的速率(例如50kHz)对信号进行采样以及下采样和滤波 的技术,以便以较低更新速率产生明显较高的分辨率(即,22Hz的 24比特或更高的分辨率)。己知应用于压力测量的这种技术。因此, 通过使用高频压力传感器和/或来自Sigma-Delta转换器的高频比特流 数据,基于数字采样和处理技术根据高频信号来确定关于砂流的状态 的有用信息。图5是根据本发明的实施例的用于提供对砂流的指示连同过程变 量的方法的流程图。方法100开始于框102,在框102处获得原始压 力传感器信号信息。优选地,上述信号信息是来自Sigma-Ddta模数 转换器的原始比特流数据。可以对该数据进行高通滤波104,以移除 低频信号,并且可以将残余信号的幅度与已知阈值进行比较(如框106 所示)。如果该信号大于阈值,则控制经过框108以产生如框110所示 的砂警报。然而,如果测量信号小于阈值,则控制沿着线112返回框 102。此外,该原始传感器信号可选地经过低通滤波器(如虚框114 所示)。该低频信号可用于根据已知技术计算过程压力(如框116所 示)。然后,如框118所示,基于所计算的过程压力产生过程压力值。 最后,在框120处输出任意警告以及过程变量信息。如上所述,可以 以数字的形式在任意适当的过程通信回路上或使用无线技术来传送这两个信息段。此外,可以根据一项技术来传送一个信息段,而以不同 的方式来传送另一个信息段。此外,砂警报可以采取多种形式,例如 不仅可以以数字形式在过程通信回路上传送,而且可以突然出现警报 或过程压力变送器自身产生声音警报。尽管参考优选实施例描述了本发明,本领域的技术人员将认识到 在不背离本发明的精神和范围的前提下可以在形式和细节上进行改 变。
权利要求
1.一种用于提供指示过程变量的信息的工业现场设备,所述工业现场设备包括控制器;通信电路,连接至所述控制器;过程变量传感器,具有与过程流体的变量相关地改变的电特性;测量电路,连接至所述过程变量传感器,并连接至所述控制器;其中,所述控制器被配置用于相对于过程变量而产生经由所述通信电路的通信,并且所述控制器被配置用于提供过程流体内的固体流的指示。
2. 根据权利要求1所述的工业现场设备,其中,所述固体是砂。
3. 根据权利要求1所述的工业现场设备,其中,所述过程变量传 感器是压力传感器。
4. 根据权利要求3所述的工业现场设备,其中,所述压力传感器 是基于半导体的压力传感器。
5. 根据权利要求1所述的工业现场设备,其中,所述控制器被配 置用于通过确定所述过程变量的统计参数是否超过预先选定的值来提 供固体流的指示。
6. 根据权利要求5所述的工业现场设备,其中,所述统计参数是 变异性。
7. 根据权利要求5所述的工业现场设备,其中,所述统计参数是 标准偏差。
8. 根据权利要求1所述的工业现场设备,其中,所述控制器被配 置用于通过观察频谱的幅度来提供固体流的指示,固体撞击期望发生 于所述频谱中。
9. 根据权利要求8所述的工业现场设备,其中,观察频谱的幅度 包括使用来自模数转换器的比特流数据。
10. 根据权利要求9所述的工业现场设备,其中,所述模数转换 器是Sigma-Ddta模数转换器。
11. 根据权利要求1所述的工业现场设备,还包括连接至所述测 量电路的声音传感器。
12. 根据权利要求1所述的工业现场设备,其中,所述通信电路 可连接至有线过程通信回路,并被配置用于根据过程行业标准协议进 行通信。
13. 根据权利要求12所述的工业现场设备,还包括连接至所述过 程通信回路的电源模块,所述电源模块被配置用于以接收自所述过程 通信回路的能量来为所述工业现场设备完全供电。
14. 根据权利要求1所述的工业现场设备,其中,所述通信电路 连接至天线,并被配置进行无线通信。
15. 根据权利要求14所述的工业现场设备,还包括具有可再充电 能源的电源模块。
16. —种使用工业现场设备来检测流体中的固体流的方法,所述 方法包括将传感器连接至暴露给所述流体的过程设备; 确定与所述流体相关的过程变量;以及 提供过程变量信息,并选择性地提供固体流的指示。
17. 根据权利要求16所述的方法,其中,所述过程变量是流体压力。
18. 根据权利要求16所述的方法,其中,所述过程变量是流体流。
19. 根据权利要求16所述的方法,其中,选择性地提供固体流的 指示包括确定所述过程变量的统计参数是否超过预先选定的值。
20. 根据权利要求19所述的方法,其中,所述统计参数是变异性。
21. 根据权利要求19所述的方法,其中,所述统计参数是标准偏差。
22. 根据权利要求16所述的方法,其中,选择性地提供固体流的 指示包括观察频谱的幅度,固体撞击期望发生于所述频谱中。
23. 根据权利要求22所述的方法,其中,观察频谱的幅度包括使 用来自模数转换器的比特流数据。
24. 根据权利要求23所述的方法,其中,所述模数转换器是Sigma-Ddta模数转换器。
25. —种用于提供指示过程变量的信息的工业现场设备,所述工 业现场设备包括控制器;通信电路,连接至所述控制器;过程变量传感器,具有与过程流体的变量相关地改变的电特性; 测量电路,连接至所述过程变量传感器,并连接至所述控制器;以及用于提供过程变量信息以及用于选择性地提供所述过程流体内的 固体流的指示的装置。
全文摘要
工业现场设备(10,30,40)提供了指示过程变量的信息。该现场设备(10,30,40)包括控制器(24)、通信电路(20,34)、过程变量传感器(28)、以及测量电路(26)。该通信电路(20,34)连接至控制器(24)。该过程变量传感器(28)具有基于过程流体的变量而改变的电特性。该测量电路(26)连接至过程变量传感器(28),并连接至控制器(24)。控制器(24)被配置用于相对于过程变量而产生经由通信电路的通信,并被配置用于提供对流体中的砂流或其它固体的指示。
文档编号G01N33/28GK101243318SQ200680030533
公开日2008年8月13日 申请日期2006年8月21日 优先权日2005年8月22日
发明者伊仁·俞里克, 大卫·维尔斯, 罗伯特·J·卡什尼亚 申请人:罗斯蒙德公司
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