专利名称：采用能量流量计算的多变量过程流体流量设备的制作方法
采用能量流量计算的多变量过程流体流量设备背景技术
在工业设置中，使用控制系统来监控和控制工业和化学过程等的存量。典型 地，控制系统使用分布在工业过程的关键位置处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合至控制室中的控制电路。术语“现场设备”是指执行在工业过程 的测量、控制和监控中使用的分布式控制或过程监控系统中的功能。典型地，现场设备 的特点是它们能够长时间(例如，几年)在户外操作。因此，现场设备能够在各种极端气 候下操作，包括严酷的极限温度和湿度极限。此外，现场设备能够在存在明显振动(例 如，来自邻近机器的振动)的情况下工作。此外，现场设备还可以在存在电磁干扰的情 况下操作。
现场设备的一个示例是多变量过程流体流量设备，例如，在商业名称Mode 3051SMV Multivariable Transmitter 下 由 Emerson Process Management of Chanhassen, Minnesota售出的多变量过程流体流量设备。多变量过程流体流量设备可以计算通过液 体和气体差动产生器的质量流率(flow rate)。对于一些流量应用，期望知道能量流率和 质量流率或者知道能量流率而不知道质量流率。具体地，这些需要天然气流和汽流或水 流的面积增大。对于天然气，流体的能含量或热值完全由气体成分指定，并且表示在天 然气完全燃烧的情况下可用的能量。典型地，这种应用的期望单位是Btu/单位时间或兆 焦/单位时间。对于汽流或水流(在能量平衡计算中是有用的)，流体的能含量或热函 (enthalpy)表示使蒸汽或水处于流压力或温度条件所需的能量。热函通常参考压力和温 度条件的特定集合，例如，大气条件下水的熔点。典型地，这种应用的期望单位同样是 Btu/单位时间或兆焦/单位时间。发明内容
过程流体流量设备包括电源模块、过程通信模块、处理器以及测量电路。过程 通信电路耦合至电源模块和处理器。测量电路操作可耦合至多个过程变量传感器，以获 得差压、静压和过程流体温度的指示。处理器被配置为计算过程流体质量流量，以及使 用静压和过程流体温度来获得与过程流体有关的每单位质量能量值，并且提供能量流量 指示。
图1是过程流体流量设备的图示，所述过程流体流量设备耦合至用于初始配置 流量设备的计算机；
图2是可实现本发明实施例的过程流体流量设备的框图3是根据本发明实施例的过程流体流量设备的操作方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例总体上采用通用的每单位质量能量关系，每单位质量能量关系可以与质量流量相结合，以通过过程流体流量设备提供通用的能量流量指示。针对需要 流量信息的各种不同流体给出能量流量。
天然气应用的热值恒定，单位是Btu/标准立方英尺(备选地，Btu/lbm)或兆焦 /标准立方米(备选地，兆焦/kg)。为了在这种应用中计算能量流率，需要将质量流率 与恒定热值相乘。这种简单的乘法对于过程流体流量设备而言是微小的，并且可以容易 地在现代多变量流量设备中实现。
对于蒸汽或水应用，流体的能含量或热函是流体的压力和温度的函数。为了计 算能量流率，需要将质量流率与可变热函相乘。计算蒸汽或水热函的方程是复杂的，并 典型地使相对低功率的现场设备中可用的计算能力负担加重。因此，优选地，近似热函 以简化计算。这可以通过使用二维多项式近似或更优选地使用二维Chebychev多项式近 似来进行。应当注意，蒸汽或水的能量流率计算仍需要质量流率，这是由于对于主要元 素排量系数(discharge coefficient)计算需要雷诺数。因此，计算蒸汽能量流率的过程需 要如在现有多变量变送器中进行的质量流率(单位是Ibm/单位时间)的计算，以及热函 (Btu/lbm)的独立计算。这两项相乘给出了以Btu/单位时间为单位的能量流率。
为了使计算能量流量的过程保持尽可能简单和通用，采用与蒸汽的能量流率计 算方式相同的方式来进行天然气的能量流率计算。即，根据压力和温度的涉及热函(能 量)的通用过程用于所有情况。然后，对于天然气应用的能量流量的更简单情况，恒定 能量值(热值)变成更全面过程的普通实现。对于蒸汽应用，典型地，期望热函以Btu/ 单位时间为单位。这意味着，计算能量的最有效率的方式是每单位质量能量(即，Btu/ Ibm或兆焦/kg)。能量流率是通过将能量(Btu/lbm)与质量流率(Ibm/单位时间)相乘而 获得的每单位时间能量。由于天然气工业典型地偏好热值和能量/标准体积的单位(即， Btu/标准立方英尺或兆焦/标准立方米)，用质量流率单位来进行内部计算，但是现场设 备将热值的显示转换成Btu/标准体积的单位。这保持过程通用。
图1是通过链路14操作性地耦合至过程流体流量设备12的通用计算机10的图 示。通用计算机10可以是任何适合的计算设备，例如，台式计算机、膝上型计算机、或 移动设备。计算机10包括安装在其上以便于初始配置现场设备的软件。这种软件的一 个不例在商业名称 Engineering Assistant 下从 Emerson Process Management of Chanhassen, Minnesota售出的。Engineering Assistant软件采用过程通信适配器，例如，HART 调制 解调器或FOUNDATION 现场总线通信卡。计算机10中的适配器创建了过程通信链路 14，通过该过程通信链路14，计算机10允许用户或技术人员与流量设备12交互。流量设 备12是能够测量多个过程流体变量的多变量现场设备。优选地，经由集管(manifold) 16 来测量压力，经由温度换能器18来测量过程流体温度。耦合至诸如孔板之类的适合差压 产生器，根据已知技术，当过程流体从孔板中流过时在孔板相对侧测量的压力可以与过 程流体流率相关。
在流量设备12的设置期间，技术人员典型地配置现场设备的多个特征。这样 的特征可以包括先前在现有Engineering Assistant软件中配置的所有特征。此外，可以设 想，可以将特定流量特性映射至特定过程变量输出。例如，可以提供流率作为第一过程 变量输出；可以提供差压作为第二过程输出；可以提供静压作为第三过程输出；最后， 可以提供能量流量作为第四过程输出。此外，在过程流体流量设备12的配置期间，技术人员可以为质量流量和/或体积流量选择不同单位。此外，技术人员还可以为能量流量 选择期望单位，例如，Btu/h、Mjcmle/h、Therms/d等等。如果在过程流体流量设备12 上提供数字显示，则数字显示可以映射至任何适合的量，例如，能量流量、质量流量、 体积流率、差压、计示压力(gaugepressure)、绝对压力、过程温度等等。
图2是本发明实施例尤其适用的过程流体流量设备12的框图。设备12包括 操作可耦合至过程通信回路14的通信电路20。通信电路20允许设备12根据适合的过 程工业通信协议(例如，上述HART 协议、FOUNDATION 现场总线协议或任何其他 适合的过程工业协议)进行通信。设备12还包括优选地还可耦合至过程通信回路14 的电源模块22。通过耦合至过程通信回路14，设备12能够完全基于通过过程通信回路 接收到的电力来进行操作。然而，在一些实施例中，电源模块22可以是功率存储设备， 例如，电池或超级电容器，在这样的实施例中，电源模块22不需要耦合至过程通信回路 14。电源模块22被配置为向设备12的所有组件(如附图标记M所示)提供适合的功 率。设备12还包括处理器沈，处理器沈优选地是操作性地耦合至通信电路20和电源模 块22的微处理器。微处理器沈执行存储在存储器中的指令，以获得来自测量电路观的 测量，并且计算基于这样的测量的信息。例如，处理器沈优选地获得与静态过程流体压 力6朽、差动过程流体压力DP以及过程流体温度T有关的测量，并且能够提供或计算与 流经差动产生器的过程流体有关的质量流率。如图2所示，处理器沈优选地包括存储器 30，存储器30是处理器沈的部分或者耦合至处理器沈的电组件。存储器30优选地存 储允许将测量的压力和温度与过程流体的能含量相关的信息。相应地，存储器30可以包 括用于二维多项式近似的系数，或者简单包括查找表，该查找表可以将测量的静压6P) 和温度(T)与过程流体的能含量相关。换言之，存储器30包含允许根据SP和T来计算 能量的信息。通过查找或近似过程流体的能含量以及计算质量流量，处理器沈能够通过 通信电路20对与过程流体相关的能量流量进行通信。根据本发明实施例，Chebychev多 项式的使用是优选的，这是由于可以使用整数运算在数字信号处理器(DSP)芯片中实现 这样的Chebychev多项式近似，其中整数运算使这样的Chebychev多项式近似成为针对低 功率现场设备应用的良好候选。
图3是根据本发明实施例的过程流体流量设备的操作方法的流程图。当过程流 量设备对差压和静压DP、SP以及过程流体温度进行测量时，方法100在方框102处开 始。尽管关于测量DP和SP来描述本发明的实施例，但是可以通过测量两个绝对压力并 计算差压，来实现本发明的实施例。方法100在方框104处继续，在方框104中，过程 流量设备计算过程流体的质量流率。该计算可以根据任何已知的技术和方法来进行，包 括现有的那些技术和方法。方法100在方框106处继续，在方框106中，获得过程流体 的能含量。步骤106可以包括查找表108的使用，查找表108存储在不同压力和温度下 的不同过程流体的能含量，或者步骤106可以包括近似计算110的使用。近似计算的一 个示例是以上关于Chebychev近似列出的近似计算。使用Chebychev多项式来计算与流 量相关的值是已知的。见Lowell A.Kleven等人的美国专利6,643,610。应当注意，尽管 这里总体上关于天然气和蒸汽来描述本发明的实施例，但是本发明的实施例适用于可以 用静压或线压以及温度来表达能含量的任何过程流体(包括通过压力和温度的变化每单 位质量能含量恒定的流体)，并且可以定义适当的参考点。
方法100在方框112处继续，在方框112中，将在方框104中计算的质量流率与 在方框106中获得能含量相组合，以提供能量流量值。在方框114处，提供能量流量值作 为输出，所述输出采用技术人员在过程设备配置期间已经选定的单位。该输出可以由设 备上的显示器通过有线过程通信回路、无线地或以这两种方式的任何组合在本地提供。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不 背离本发明的精神和范围的前提下，可以进行形式和细节上的改变。
权利要求
1.一种过程流体流量设备，包括 电源模块；过程通信电路，耦合至电源模块； 处理器，耦合至过程通信电路和电源模块；测量电路，能够操作性地耦合至多个过程变量传感器，以获得差压、静压和过程流 体温度的指示；以及其中，处理器被配置为计算过程流体质量流量，以及使用静压和过程流体温度来获 得与过程流体有关的每单位质量能量值，并且提供能量流量指示。
2.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，所述处理器是微处理器。
3.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，所述处理器操作性地耦合至存储 器，所述存储器包含将过程流体静压和温度与每单位质量能量相关的数据。
4.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，所述数据包括查找表。
5.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，所述数据包括用于每单位质量能 量的多项式近似的多项式的系数。
6.根据权利要求5所述的过程流体流量设备，其中，所述多项式是Chebychev多项式。
7.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，过程流体的每单位质量能量是恒 定的。
8.根据权利要求1所述的过程流体流量设备，其中，所述通信电路被配置为在过程通 信回路上提供能量流量指示。
9.根据权利要求8所述的过程流体流量设备，其中，所述过程通信回路是有线过程通 信回路。
10.一种流量管中测量过程流体能量流量的方法，所述方法包括 利用差压产生器在流量管中产生差压；测量流量管上的差压； 测量流量管中过程流体的静压； 测量流量管中过程流体的温度；基于差压、静压和温度来计算在流量管中流动的过程流体的质量流率； 使用过程流体的测量的静压和温度，确定过程流体的每单位质量能量的量；以及 基于过程流体的质量流率和每单位质量能量，计算和通信过程流体能量流量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，使用过程流体流量设备的处理器，来进行计 算过程能量流量。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，使用存储在过程流体流量设备的计算机可读 存储器中的查找表，来执行过程流体的每单位质量能量的量的确定。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，使用近似计算，来执行过程流体的每单位质 量能量的量的确定。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述近似计算是Chebychev多项式计算。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，在过程通信回路上进行过程流体能量流量的通信。
全文摘要
一种过程流体流量设备(12)，包括电源模块(24)、过程通信模块(20)、处理器(26)和测量电路(28)。过程通信电路(20)耦合至电源模块(24)和处理器(26)。测量电路(28)操作可耦合至多个过程变量传感器，以获得差压、静压和过程流体温度的指示。处理器(26)被配置为计算过程流体质量流量，以及使用静压和过程流体温度来获得与过程流体有关的每单位质量能量值，并且提供能量流量指示。
文档编号G05B19/00GK102027333SQ200980117314
公开日2011年4月20日 申请日期2009年5月22日 优先权日2008年5月23日
发明者大卫·E·韦克伦德, 洛厄尔·A·克莱文 申请人:罗斯蒙德公司