具有可变孔的过程流体设备的制作方法

专利名称：具有可变孔的过程流体设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业过程控制和测量设备。更具体地，本发明涉及一种控制通过其中的流体流速的集成设备。
背景技术：
多个行业都使用诸如过程可变发送器之类的现场设备来遥感或遥控过程变量。这种变量通常与诸如泥浆、液体、蒸汽、气体、化学药品、浆、石油、药物、食品和其它流体加工厂相关联。过程变量可包括压力、温度、流速、浊度、密度、浓度、化学成分以及气体属性。现场设备的其它示例包括阀、致动器、加热器和控制器。
过去，工业过程流体流速控制系统通常需要多个组件。例如，诸如过程可变流体流速发送器之类的第一现场设备可在流体流中具有流体阻碍设备，例如孔板。流发送器然后测量流体流设备两端的压差，并计算通过其中的流体的大量流。流发送器然后向过程控制器传递流体流速信息，过程控制器可以是位于控制室内的计算机，甚至是安装在现场的另一个现场设备。控制器然后对从过程流体流发送器接收到的流体测量信息和所提供的或控制器已知的已知流设定点应用控制算法。控制器然后产生流体流速输出，将该流体流速输出传递给通常为阀的另一个现场设备，阀根据所应用的控制算法，来修改通过系统的流体流速。这种闭环流体流速控制系统是现有技术已知的。
近年来，虹膜光圈(iris-diaphragm)控制阀结合流速测量已经用于提供可调整流体流速的系统。可变光圈控制阀在概念上与摄像机的光学快门类似。光圈通常包括三个或多个延伸到流动区域并阻挡通过流动区域的流体流速的指状物。一个这种可变光圈控制阀是由瑞士的Emile Eggar和Ciesa PumpandMachine Manufacturers出售的可变光圈控制阀。尽管使用可变光圈控制阀提供了闭环流体流速控制系统，显然需要改进。例如，流速控制系统中的每个不同设备引入了附加成本以及可能出现故障的附加过程流体密封。此外，用在流速控制系统中的每个过程设备还需要附加的技术时间来安装和/或维修。

发明内容
提供了提供总流体流速控制的过程设备。该设备包括位于流管道中的闭合机构。该闭合机构优选地是虹膜式的光圈，提供可变内部参数。该设备包括压差传感器，用于感测光圈的相对面两端的压差。控制器接收压差的表示，并为致动器产生控制信号，致动器用于激励闭合机构。闭合机构、压差传感器和控制器在单个过程设备中产生了闭环流速控制器。


图1是根据本发明实施例的过程流体流设备的透视图。
图2A是根据本发明实施例的过程流体流速控制设备的前视图。
图2B是根据本发明实施例的过程流体流速控制设备的前视图。
图3是根据本发明实施例的过程流体流速控制设备的示意图。
具体实施例方式
图1和2A分别是根据本发明实施例的过程流体流速设备的透视图和前视图。设备10是完全集成的过程流体流速控制系统，包括致动器，用于改变通过其中的流体流速；传感器，用于感测通过其中的流体流速；以及控制器，用于根据感测的流速信号和控制算法，产生致动器信号。为了简化流体流速计算，优选地流体控制机构是可变光圈流速阀。随着用于产生光圈的指状物的数目增加，有关开口的内部形状变得越来越圆。因此，一旦使用足够数目的指状物，例如六个，则设备的流速特性开始足够接近孔板。已知通过孔板的流体流速，并且与孔板有关的流速特性已知且广泛在记载于文献中。然而，本发明的实施例可利用诸如挡板之类的其它种类的阀来实现。虹膜式流体阀12包括延伸到流管道16中的多个(图1中是六个)指状物或叶片14。叶片14延伸到管道16中的程度控制了可流过其中的流体的量。设备10还包括电子设备盒18和位于阀12的相对面上的压力传感器20、22。
电子设备盒18包括适当的电子电路，以根据工业标准过程通信协议，与过程通信环路24相连并在其上进行通信。这种协议的示例包括HART协议以及all-digital FOUNDATIONFieldbus协议。然而，根据本发明的实施例，可采用任意其它发布的过程工业标准通信协议。优选地，过程工业标准协议是可给设备10供电的协议。因此，设备10可在与用于通信的导线相同的导线上接收所有的电功率。
优选地，流体流速控制机构12是虹膜光圈式的阀，通常提供基本上与管道16同轴的可变孔。同轴孔使设备10具有与孔板近似的流速特性。在以下文献中描述了各种孔板和喷嘴板以及与之有关的计算和方程Liptak，Beto，Instrument Engineer’s HandbookProcessMeasurement and Analysis，Third Edition，Chilton Book Company(1995)以及Miller，Richard，Flow Measurement EngineeringHandbook，Third Edition，McGraw-Hill，Inc.，(1996)。
图2A是根据本发明实施例的过程流体流速控制设备的前视图。如图2A所示，六个指状物14延伸到设备10的内部通路16中。图2A中示出每个指状物14都具有基本直线的边缘26。指状物14可由任意适当的材料构成，包括金属、聚合物、塑料及其任意组合。例如，对于相对低速、清洁的应用，诸如HVAC或自动化应用，指状物14可由惰性且可能自密封的聚四氟乙烯(PTFE)构成。如果阀结构12的机械要求增加，则指状物14甚至可由例如不锈钢的涂覆PTFE的金属来构成，或者由其它适当的加强结构构成。随着指状物14进一步进入设备10的流动区域16，由指状物14的直线边缘26所限定的孔径变得越来越小。最终，随着指状物14移到最大闭合位置，设备像阀一样完全闭合。孔直径可在诸如百分之五增量的预先选择的闭合等级中改变，或者闭合等级可以是连续的。在预先选择闭合等级的实施例中，测量或计算并存储每个预先选择的闭合等级的精确比压(稍后将详细解释比压)。这使得可以非常精确地对这种闭合等级进行流速计算。优选地，指状物可偏斜，从而提供了顾客选择的失效模式。例如，指状物可向内偏，使得如果设备发生故障，则指状物将阻挡流体流。
为了近似流过设备10的流，测量流速控制机构12两端的压差。典型地，孔板的特性由其比压(beta ratio)表示，比压是孔板的内径的函数。因此，提供可变孔的本发明实施例当然具有变化的比压。需要比压，以基于压差来求解流过设备10的流速。因此，本发明的一些实施例包括利用变化内径下的已知流体流速(从设备10外部的设备测量的)来特征化或校准设备。在每个内径处，已知流速可与已知直径结合来计算该直径的比压。然后将多个直径/比压对存储在查找表中，以在操作期间使用。此外，如果内径和比压的函数可通过方程来近似，则可使用方程本身，来代替查找表。为了使变化的比压更好地符合机构12的变化的内径，本发明的实施例还包括修改边缘26的配置，使得更易于精确地估计比压。校准还可包括给设备提供表示存在零流速的表示，这使得可以对设备进行调零。此外，设备可通过在恒定流速期间改变孔大小来检查范围。除了该校准之外，设备还可以定期或按照需要来执行系统诊断。例如，具有改变流速和测量流速的能力使得设备能够通过暂时改变闭合等级并检测压差中的有关改变，来执行检查。如果未观察到预期的改变，则提供警报或其它适当的表示。
图2B是根据本发明实施例的过程流体流速控制设备30的前视图。设备30与设备10的相似之处在于其测量闭合机构32两端的压差来计算流过设备的流体流速。然而，与设备10不同，设备30包括每个都具有弯曲表面34的多个指状物36。图2B所示的八个指状物36与其弯曲表面34的组合提供了基本为圆形的内径38。通过提高内径38的圆特性，设备30更接近地近似了孔板的流速特性。因此，对于设备30而言，与孔板有关的方程和计算比设备10更加精确。如参考图2A所述的，每个指状物36可由任意适当的材料构成，例如由PTFE或涂覆PTFE的金属构成。
图3是根据本发明实施例的过程流体流速控制设备的示意图。设备100包括流通部分102，具有通过其中的内部通路104。可选高压截流阀103设置用于使通过104能够中断高压流。阀103可以手动地激励，或由来自致动器108的适当激励来激励。尽管截流阀103示出为设备100的一部分，但是阀103可选地可以远离设备100。在内部通路104附近，闭合部分106定位用于选择性地控制流过部分104的过程流体的量。闭合机构106经由一个或多个连接110与致动器驱动器108相连。优选地，闭合机构106是虹膜式的光圈，但是也可以是任意适当的闭合构件。基于从控制器112通过线114接收到的控制信号，致动器108使闭合机构106产生物理移位，以使闭合机构106提供适当的管道闭合量。
致动器108可包括任意适当类型的激励机构，包括但不局限于电动机、适当的齿轮减速、气动致动器以及能够将例如电或压缩空气的势能源转变为适用于驱动闭合机构106的物理移位的任意其它适当的设备。
设备100还包括压差传感器，以用于感测闭合机构106两端的过程流体的压差。压差传感器可由位于闭合机构106的对边上并与压差电池相连的一对脉冲线形成。然而，在一个实施例中，压差传感器由位于机构106的不同边上的两个分立的压力传感器120、122形成。优选地，压力传感器120、122由半导体材料形成。在转让给本发明的受让人的美国专利5,637,802中教导了这种压力传感器。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斜而改变的电容。偏斜是响应于所施加的压力的。使用半导体，具体地使用蓝宝石，提供了多个优点。蓝宝石是单晶材料的示例，当正确地熔融焊接时，在两个焊接部分之间没有材料干扰。因此，所产生的结构极其稳健。此外，基于半导体的传感器具有极其良好的滞后作用以及非常高的频率响应。此外，可在美国专利6,079,276、6,082,199、6,089,907、6,485,585以及6,520,020中找到与基于半导体的压力传感器有关的信息，所有这些专利均转让给了本发明的受让人。在图3所示的压力传感器暴露于过程流体的实施例中，使用基于蓝宝石的压力传感器是尤其有利的。蓝宝石抗蚀性非常强。
测量电路124与压力传感器120、122相连，并适用于驱动适当的激励信号通过压力传感器120、122，以便产生对压力可变的电响应的测量。例如，在压力传感器120、122是电容式压力传感器时，测量电路124能够驱动适当的信号通过传感器120、122，以便测量传感器120、122的相对电容。测量电路124与控制器112相连，并通过线路126向控制器112提供所测量压力的表示。优选地，测量电路124以数字形式提供所测量压力，但是可使用任意适当的形式。
控制器112优选地是微处理器，并且能够执行适当的控制算法，以使提供给致动器108的激励输出信号114与在闭合机构106两端测量到的压差相关联。控制算法可以是成比例、导数、积分控制算法或者其组合。
环路通信模块130使控制器112与环路通信终端132、134相连。环路通信模块130适用于根据过程工业标准通信协议，经由终端132、134，在过程通信环路上进行通信。该通信使得设备100能够从过程通信环路接收过程流体流速设定点。此外，通常是双向的通信使设备100能够报告与其操作或其任意子组件有关的信息。设备100还包括电源模块140，用于给设备100提供经由终端132、134接收的能量。因此，设备100可由与其进行通信的导线相同的导线来供电。然而，在一些实施例中，电源模块140可从不是通信介质的一个或多个源接收功率。因此，电源模块140可只与110伏特60赫兹的功率相连，或与任意其它适当的功率源相连。
根据本发明的实施例，设备100可有利地使用流过其中的过程流体的压差的间接表示。例如，如果闭合机构106是可变光圈阀，则由流体的压差施加在光圈表面上的压力可使光圈的指状物稍微合拢。合拢的程度可与压差相关联。因此，致动器108激励闭合机构106所需的能量的量可提供压差的间接表示。因此，感测电致动器机构的反电动势，或者气动机两端的压差，将提供过程流体压差的间接表示。尽管并不一定与使用传感器120、122一样精确，但是压差的间接表示可提供附加元素冗余和/或提供设备的增强诊断的能力。
根据本发明的另一实施例，设备可用作可变孔压差流量计。因此，代替控制流体流速，可采用孔改变以更好地测量流速。例如，设备可操作在第一闭合等级下并感测流过其中的流体流速。随着感测到流体流速下降到低阈值，此时测量精度变小，设备可提高闭合等级，从而增加可检测的压差和流速测量的整体精度。可以在所选低和高阈值处进行这种自动的调整。例如，无论何时读出在低或高DP测量限的10％内，则可按照需要分别增加或降低孔的闭合等级。
尽管参考优选实施例描述了本发明，本领域的技术人员可认识到，可在不背离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上进行改变。
权利要求
1.一种过程流体流速控制设备，包括闭合机构，位于流管道中，所述闭合机构提供通过流管道的所选程度的流体流速障碍物；致动器，与闭合机构相连，用于根据控制信号来控制所选程度的流体流速障碍物；压差传感器，放置用于感测流体流速障碍物两端的过程流体的压差；测量电路，与压差传感器相连，所述测量电路配置用于从压差传感器获得压差的表示；控制器，与测量电路以及致动器相连，所述控制器根据压差的表示来执行控制算法，以产生控制信号；以及环路通信模块，与多个环路终端以及控制器相连，所述环路通信模块适用于根据过程工业标准协议来进行通信。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，闭合机构是虹膜式的光圈。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，虹膜式光圈包括延伸到流管道中的多个指状物。
4.根据权利要3所述的设备，其中，所述多个指状物由聚四氟乙烯构成。
5.根据权利要3所述的设备，其中，所述多个指状物由涂覆聚四氟乙烯的金属构成。
6.根据权利要求2所述的设备，其中，每个指状物包括弯曲表面，用以产生弯曲的内径。
7.根据权利要求2所述的设备，其中，虹膜式光圈是自密封的。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，致动器包括电动机。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，电动机产生提供压差的间接表示的反电动势(emf)。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，致动器包括气动机。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，气动机两端的压差提供了闭合机构两端的过程流体的压差的表示。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，致动器包括手动致动器。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，控制器是微处理器。
14.根据权利要求13所述的设备，还包括存储器，所述存储器包含闭合机构的比压与内径之间的关系。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述关系是数学关系。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，以存储在存储器中的查找表近似表示所述关系。
17.根据权利要求1所述的设备，还包括电源模块，与多个终端相连，并适用于给设备提供通过多个终端接收的能量。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，通过与设备进行通信的导线相同的导线对设备整体地进行供电。
19.根据权利要求1所述的设备，还包括与流管道相连的高压截流阀。
20.一种过程流体流速控制设备，包括用于选择性地阻碍流体流的装置；用于感测在用于选择性地阻碍流体流的装置两端的过程流体的压差的装置；以及控制装置，用于根据控制算法和所感测的压差来控制用于阻碍流体流的装置。
21.一种使用单个过程设备来控制过程流体流的方法，所述方法包括测量流过可变光圈的过程流体的压差；根据所选流体流设定点和所测量的压差来产生控制输出；以及根据控制输出来调整可变光圈。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，通过过程通信环路将设定点传达给设备。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括从过程通信环路向设备提供电功率。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，调整可变光圈包括在预先选定的闭合等级中进行选择。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，调整可变光圈包括选择连续的闭合等级。
26.一种测量过程流体流速的方法，所述方法包括引导过程流流过可变孔；测量可变孔两端的过程流体的压差；以及如果所测量的流体流速满足所选阈值，则调整可变孔。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，自动地进行对可变孔的调整。
28.一种验证过程流体流设备的操作的方法，所述过程流体流设备具有可变孔和压差传感器，压差传感器设置用于感测可变孔两端的压差，所述方法包括当可变孔设置为第一闭合等级时，测量可变孔两端的第一压差；将可变孔设置为与第一闭合等级不同的第二闭合等级；测量设置为第二闭合等级的可变孔两端的第二压差；以及将第一压差与第二压差相比较以产生验证输出。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括给过程流体流设备提供流体流速为恒定的表示，使得第一和第二所测量的压差可用于检查的范围内。
30.一种对过程流体流设备执行校准检查的方法，所述方法包括停止通过设备的过程流体的流动；以及在流动停止时对过程流体流设备进行调零。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，停止过程流体的流动包括闭合截流阀。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，截流阀是过程流体流设备的组件。
全文摘要
提供了一种提供总体流体流速控制的过程设备(10、100)。所述设备(10、100)包括位于流管道(16、104)内的闭合机构(12，106)。闭合机构(12、106)优选是虹膜式光圈，用于提供可变内径。设备(10、100)包括压差传感器(20、22；120、122)，用于感测光圈的对边上的压差。控制器(112)接收压差的表示并为致动器产生控制信号，致动器用于激励闭合机构(12、106)。闭合机构(12、106)、压差传感器(20、22；120、122)和控制器(112)构成了单个过程设备(10、110)中的闭环流控制器。
文档编号G05D7/06GK101061338SQ200580039999
公开日2007年10月24日 申请日期2005年11月18日 优先权日2004年12月1日
发明者罗伯特·C·海德克 申请人:罗斯蒙德公司