专利名称：用于压力调节器的诊断装置和方法
本申请是由同一发明人在同一天递交的题为“智能型压力调节器”的申请号为_____的美国专利申请的共同申请，在此援引整篇说明书以供参考。
发明的领域本发明涉及流体压力调节器，尤其涉及一种具有用以提高性能的智能型电子设备和软件的改进型流体压力调节器。
背景技术：
一般而言，过程控制回路的四个基本要素包括要控制的过程变量、过程传感器或者过程变量状态的测量、控制器和控制件。该传感器向控制器提供过程变量状态的表征值，该控制器还含有所需的过程变量状态的表征值或“设定点”。控制器将过程变量状态与设定点作比较后算得一修正信号，将该信号传送至控制件，以便对过程施加影响而使其达到设定点状态。该控制件是回路的最后部分，最常用的末级控制件是阀，尽管它也可包括例如变速驱动装置或泵。
压力调节器是一种简单的自成独立(self-contained)控制系统，它将过程传感器、控制器和阀组合在一个单元内。压力调节器广泛地用于流体分布应用及生产加工行业中的压力控制，例如用于保持所需的减小的输出压力、同时又提供所要求的流体流率以满足不同的下游要求。压力调节器通常分为两种主要类型直接作用型调节器和导控作用型(pilot-operated)调节器。
图1中示出了已有技术中一种典型的直接作用型调节器11。该直接作用型调节器的典型用途包括工业、商业和供气服务；工具(instrument)用气或气体供给；供至燃烧器的燃气；水压控制；供汽服务；以及容器包封(tank blanketing)。该直接作用型调节器11具有一调节器主体12，该主体具有一入口13和一出口14。具有一限流区16的一流体流动通道区15将入口13和出口14相连。该限流区16具有诸如塞子、膜片、叶片、套管(sleeve)或者当其移动时可限制流体(气体或液体)流率的类似的限流装置之类的一节流件17。包含有具有两个侧面的传感元件的一致动器对受控流体压力中的变化起反应。传感元件的例子包括膜片、隔膜或活塞。图1所示的实施例采用传感元件用的一隔膜18。控制压力经由控制线路或调节器主体12内部的通道20施加于传感元件的第一侧或控制侧19。倘若控制线路用于此目的的话，则它可与调节器主体12成一体或者位于相邻管路中。传感元件的第二侧或参考侧21一般称之为大气侧。诸如弹簧22之类的附加力可施加至致动器，该附加力将节流件偏置到代表设定点的预定位置上。
由于传感元件(隔膜18)由一内部通道20与调节器下游的压力(在流体出口侧)14相联，因此图1所示的直接作用型调节器11是一种“减压”调节器。下游压力中的增量通过内部通道20施加至控制侧19，将压力施加至隔膜18而迫使该隔膜向上克服弹簧22的力。接着，将节流件向上移动至限流区16，从而减小了调节器出口14的流体压力。
减压调节器通过感应调节器下游的压力来调节流率。减压调节器典型地应用于蒸汽锅炉，在此应用中，减压调节器提供最初的压力调节。倘若隔膜18与上游压力相联、且节流件17移至限流区16的另一侧，则直接作用型调节器11应当称为一种“背压”调节器。该背压调节器被施加至例如压缩机，用以确保压缩机中不会出现真空状态。
导控作用型调节器的结构与直接作用型调节器相似。图2A概略地示出了已有技术中一种典型的减压导控作用型调节器23，而图2B中则示出了已有技术中一种背压导控作用型调节器。该导控作用型调节器具有直接作用型调节器所有的结构元件，并且还增加了导控件24(也称之为继电器、放大器或乘法器)。该导控件是一辅助装置，它放大了调节器致动器上的负荷压力，用以调节压力。该导控件的结构与自作用型调节器相似，并且还具有与自作用型调节器基本相同的元件。
在图2A和图2B所示的导控作用型调节器23中，入口压力经由位于调节器23的上游管路中的压力喷嘴(tap)27来施加。在图2B所示的背压导控作用型调节器23中，在压力喷嘴27中还可包含一限流区26。施加至导控件的入口压力还可通过一体的压力喷嘴施加至调节器主体。出口压力通过与调节器23的下游相连的管路20进行反馈。下游压力与导控件24和主调节器10相联。导控件24放大横跨主调节器隔膜18的压力差，以便控制上游(背压)或下游(减压)流体压力。
压力调节器具有优于其它控制装置的许多优点。调节器的成本较低。它们一般不需要外部电源来执行压力控制功能；相反，调节器将来自受控过程中的压力用作为动力。另外，过程传感器、控制器和控制阀组合在一较小的自成独立的包装内。其它的优点包括良好的频率响应、良好的可调范围、较小的尺寸以及通常极少或不存在杆漏泄(stem 1eakage)。
当然，现有的调节器也存在着若干缺点。与现有的压力调节器相关的显著问题包括“下垂(droop)”和“上升(build-up)”、也称之为偏差或比例区域。下垂被定义为当从低负荷移至满负荷流动状态时减压调节器的受控压力的减小，而上升则被定义为当从低负荷移至满负荷流动状态时背压调节器的受控压力的增大。它们一般用百分比表示。下垂和上升尤其普遍存在于直接作用型调节器中，但是它也较少程度地存在于已有的导控作用型调节器中。
调节器常常需要进入一种称之为“闭锁”或“复位”的不流动状态。在图1所示的诸如自作用型调节器之类的减压调节器11或图2A所示的导控作用型调节器23中，下游压力可达到对于调节器11所要求的、完全停止流体流动的一个点。当处于该下游压力时，反馈至隔膜18的控制压力将节流件17完全移入到限流区16之中，由此阻塞流动。这种状态称之为“闭锁”。在图2B所示的、诸如导控作用型调节器23之类的背压调节器中，调节器的上游压力可降至需要调节器切断流动的压力值上。在这种情况下，上游控制压力跌落到这样一个值上，即承载弹簧和/或导控压力会使节流件17移向完全阻塞流体流动的位置上。内部部件出问题、内部部件移动中的污染或粘结(binding)均会使闭锁能力减弱。
由于调节器是一种自成独立控制系统，因此现有的调节器一般不包含与过程控制系统的其它部分通信的能力。这就会导致以下几个缺点。由于不存在远距离提供设定点或调谐调节器用的装置，因此必须进行人工调整。该项调整是通过转动调节器上的调整旋钮、从而在致动器上施加所需的力来进行的。这在远距离应用或者控制危险物质的压力的过程中尤为不理想。由于不存在显示调节器性能的控制室，因而操作者只能通过其它过程显示的读数来推论确定调节器的故障。
通信和处理能力的缺乏还会导致维修保养的问题。由于难以或无法在整个时间段内严密地监视调节器的性能，因而几乎不会发出修理或更换调节器的预先警报。还缺乏紧急故障的预先警报，这对于现有的压力调节器而言尤为麻烦由于它们是过程供能的，因此它们一般不包含故障模式运作。倘若弹簧承载减压调节器的运作隔膜发生故障的话，则该调节器将完全打开。这样，倘若此时下游管路无法抵抗上游压力状态，或者倘若可应付调节器的最大流率的减压阀不存在的话，就会引起问题。当隔膜发生故障时，背压调节器将完全关闭，这就会在过程的上游部分中引起类似的问题。
众所周知，在可采用压力调节器的众多场合中可用控制阀来取代压力调节器。该控制阀具有与移动节流件来控制流率用的内施信号起反应的机动致动器。已估算出的是，适当地利用调节器可在采用控制阀的25％的应用中来取代控制阀。迟迟不敢用调节器来取代控制阀的原因在很大程度上是由于现有压力调节器的有关缺陷所致。主要原因包括下垂特性和缺乏远距离操作性。然而，过程设备的用户期待着在成本上更具竞争性。除了寻求现有过程设备的处理效率和正常运行时间中的改进之外，过程设备的用户还在寻求一种低成本的过程控制。倘若消除了调节器的上述缺陷的话，则可为众多控制阀的应用提供一种低成本的选择方案。
美国企业每年要花费大约二千亿美元来对工厂设备进行维修保养。这显示维修保养成本占每年商品销售成本的15-40％。另外，花费在维修保养上的美金的三分之一被浪费在不必要或无效的维修保养上。例如，由于现有的调节器不具有与外部系统交换信息用的诊断或通信能力，因此难以查出故障。常常在修正未被识别的过程故障的尝试中更换了调节器，但却发现调节器性能正常。更换调节器可能须要暂停整个过程，这就会大大地浪费生产时间。提高诸如压力调节器之类的过程仪器的性能以及通过提高过程能力和通信能力来改善维修保养性能都将显著地降低制造成本。
因此，需要一种可补偿下垂特性、并具有改进的性能的改进型压力调节器。另外，对于该改进型调节器而言最好具有通信和诊断能力，以便进行远距离操作，并能交换数据以提高维修保养性能。此外，这些新增的特点同时还需要兼备压力调节的经济利益。
发明概述本发明通过提供一种提高调节器性能、包括处理和通信能力在内的智能型压力调节器来解决已有技术中所存在的上述问题。这是在同时保留压力调节器已有的结构简单且廉价的优点的情况下实现的。
在一个主要方面中，本发明一示范用实施例提供了一种用于将过程中的流体保持在预定压力上的智能型调节器，它包括流体入口，流体出口，连接该入口和出口的流体流动通道，以及可在该流动通道内移动、用于可选择地限制流过流动通道的流体流率的节流件。致动器与该节流件相联，用于可选择地移动节流件。该致动器具有控制侧和参考侧，其中参考负载与该参考侧相联，用于将节流件偏置到代表预定压力的预定参考位置上。反馈线路将来自受控流体的压力施加至控制侧，以使致动器克服参考负载移动，从而使节流件在流动通道内移动以调整流体流率，由此来控制过程中的流体压力。本发明还具有提供表示受控流体压力的信号的压力传感器，调整节流件位置用的调整压力，以及接收表示受控流体的压力、并根据该信号向致动器施加调整压力的控制器。其它实施例提供了用于比例、积分和微分(PID)控制、诊断处理及与外部装置通信的能力。
根据本发明另一实施例，本发明提供了一种用于压力调节器的电子控制器，该压力调节器通过利用受控流体的压力来定位节流件、用以限制流过自作用型压力调节器的流体流率来将流体压力粗略地保持在预定值上，该电子控制器包括提供表示受控流体压力的信号的压力传感器，接收该表示受控流体压力的信号、并向节流件输出表示该项调整的信号的处理器，以及除受控流体压力之外的、根据处理器所输出的信号施加至节流件的调整压力。
在另一个主要方面中，本发明提供了一种用于补偿压力调节器中的下垂的方法，该压力调节器通过利用受控流体的压力来定位节流件、用以限制流过自作用型压力调节器的流体流率来将流体压力粗略地保持在预定值上。该方法包括下列动作确定受控流体的压力，通过将该受控流体的压力与预定值作比较来计算误差值，将该误差值转换成调整压力，以及通过向节流件施加除受控流体压力之外的该调整压力来重新定位节流件。
附图简介图1是一示意图，它示出了已有技术中一种典型的直接作用型压力调节器。
图2A是一示意图，它示出了已有技术中一种典型的导控作用型减压调节器。
图2B是一示意图，它示出了已有技术中一种典型的导控作用型背压调节器。
图3是一示意图，它示出了本发明一种背压控制智能型调节器的一示范用实施例。
图4是一示意图，它示出了本发明一种减压智能型调节器的一示范用实施例。
图5A用图表示出了用于本发明一实施例的电子控制器的下垂补偿功能。
图5B用图表示出了用于本发明一实施例的电子控制器的上升补偿功能。
图6是智能型调节器的框图，它着重强调了自作用型调节器和电子控制器的功能区。
图7概略地示出了本发明一实施例的电子控制器。
图8A是一调节器的偏差图表，它绘出了用于减压调节器的设定压力值和控制压力对流率的关系。
图8B是一调节器的偏差图表，它绘出了用于背压调节器的设定压力值和控制压力对流率的关系。
图9A是一调节器入口灵敏度图表，它示出了用于减压调节器的各种入口压力的控制压力曲线。
图9B是一调节器入口灵敏度图表，它示出了用于背压调节器的各种入口压力的控制压力曲线。
图10是一图表，它示出了对压力调节器的滞后误差的测量。
图11A是一图表，它示出了减压调节器中的“闭锁”。
图11B是一图表，它示出了背压调节器中的“复位”。
图12示出了采用带有菲尔德总线(Fieldbus)的一单绞合线对在本发明智能型调节器与外部控制室之间的通信线路。
图13示出了采用带有哈特(HART)的一单绞合线对在本发明智能型调节器与外部控制室之间的通信线路。
图14示出了采用四线、双绞合线对的配置在本发明智能型调节器与外部控制室之间的通信线路。
图15示出了采用无线电联系在本发明智能型调节器与外部控制室之间的通信线路。
图16示出了采用诸如调制解调器或光导纤维之类的其它通信装置在本发明智能型调节器与外部控制室之间的通信线路。
本发明的详述现在请参阅附图、尤其参见图3和图4，图中概略地示出了本发明智能型压力调节器的两个实施例。每个实施例均由标号10来表示，并且各包含有一自作用型调节器和一电子控制器(在图3和图4中由虚线所包围)。总的来讲，图3示出了使用在背压控制应用中的本发明一种智能型调节器，而图4则示出了使用在减压应用中的本发明一种智能型调节器。在图3中，流体是从右流到左。在图4中，流体则是从左流到右。图3和图4中所示的特定实施例包含有一自作用型调节器，但本技术领域中的熟练技术人员还可有利地使本发明采用一种导控作用型调节器。
请参阅附图，自作用型调节器11具有一主体12，该主体则具有一流体入口13、一流体出口14以及连接入口13与出口14的一流动通道15。在该流动通道15之中设有一限流区16，并有一节流件17起到限制流过该限流区16的流体流率的作用。该节流件17可具有一塞子、膜片、叶片、套管或者其它当其在限流区16内移动时可节制流体流动的适当的元件。调节器10还包含有具有一传感元件的一致动器，在图3和图4所示的特定实施例中，该传感元件具有与调节器主体12相联的一隔膜18。该传感元件也可采用膜片或者活塞的形式。一滑动杆29将节流件17与隔膜18相连。该隔膜18具有其上施加有控制压力30的一控制侧19。该控制压力30借助于一控制线路(未图示)或者阀体12内或其外部的一通道(未图示)连至隔膜18。
由于控制压力30施加到处于调节器10上游方的隔膜18上，因此图3所示实施例的调节器10是一种背压调节器。图4中所示的是一种减压调节器，其中与控制压力30相连的隔膜18处于调节器10的下游方。隔膜18还具有与控制侧19相对且参照大气压的一参考侧21。在现有的调节器中，参考侧一般具有一弹簧22或其它向该参考侧21施加一附加力的、诸如重物之类的适当的装置。另外，还设置一定位螺钉31，用以设定弹簧22的初始位置。
在图3所示的背压调节器10中，过程流体如图所示通过一管道32流动。弹簧22是偏置的，以使节流件17保持在基本关闭的位置上。流体流入入口13，流经限流区16后从出口14流出。控制压力30是以这样一种方式、即系统压力从一上游位置施加至控制侧19、迫使隔膜18克服弹簧22的力移动、从而必要地移动杆和节流件17以改变流过限流区16的流率、由此调节流体压力的方式连至隔膜18的控制侧19的。
图4所示的减压调节器10是以类似于结合图3所述的背压调节器的方式运作的，只是控制压力30是在调节器10的下游方感受到的，而且节流件17位于限流区16的相对侧上。在该减压调节器10中，弹簧22以使节流件17偏置在一基本开放的位置上、或者脱离限流区16的方式向隔膜18的参考侧21施加力。控制压力30从一下游位置施加至隔膜18的控制侧，由此使节流件17进一步移入或移出限流区16，从而通过调节流过限流区16的流率来控制下游压力。
在典型的自作用型调节器的弹簧承载系统的情况下，随着流率从最小值变化至最大值，所控制的压力往往会减小。这被称作为减压调节器中的下垂和背压调节器中的上升(也称之为比例区域或偏差)。本发明可补偿下垂和上升，并通过附设一同时接收设定点和控制压力的表征值的电子控制器28来提高调节器的精度。该控制器将设定点与控制压力作比较，然后向隔膜的参考侧施加一调整压力，用以补偿调节器弹簧体系统的限制。
图5A用图表示出了电子控制器的下垂调节功能，其中y轴表示控制压力，x轴则表示流率。在图5A中，用“a”标识的曲线表示的是一种典型的自作用型减压调节器的下垂或偏差，其中控制压力随着流率的增加而减小。用“b”标识的曲线表示的是用来补偿图5A中的曲线a所呈现的下垂用的电子控制器的输出量。忽略摩擦作用，这些曲线基本上相互镜面对称。曲线“c”表示的是曲线“a”和“b”合成后的结果，与设定点相等。
类似地，图5B用图表示出了上升调节功能。同图5A一样，图5B中用“a”标识的曲线表示的是一种背压调节器的上升或偏差，其中控制压力随着流率的增加而增大。用“b”标识的曲线表示的是用来补偿图5B中的曲线a所呈现的上升用的电子控制器的输出量。忽略摩擦作用，这些曲线以类似于图5A中所示的下垂曲线的方式基本上相互镜面对称。曲线“c”表示的是曲线“a”和“b”合成后的结果，与设定点相等。
请再回到图3和图4上，电子控制器28包含有一压力—电流(P/I)转换器33、一用作为比例积分微分(PID)控制器34的处理器和一电流—压力(I/P)转换器35。该PID控制器34可包括在一微处理器中。电子控制器28由一外部电源36供电，图3和图4中示出的是一24伏电源。该电能可由包括诸如来自分布式控制系统的变压器或环路电源之类的外部电源、将来自受控过程中的压力用作为能源的自作用型调节器内部的发电机、太阳能源或电池能源在内的若干适当的电源来提供。压力37供给于I/P转换器35，它向隔膜18的参考侧21提供气动压力，以便根据流动状况必要地提供下垂或上升补偿。在不包含有I/P转换器35的情况下，利用压力供给37来提供气动压力的另一种方法是驱动带有一电动机的致动器。更确切地说(rather)，该电动机应当接收直接来自PID控制器34的信号。
图6示出了智能型调节器10的示范用实施例的功能区。粗设定点块38表示所需的压力或设定点，这在本发明一实施例中是采用在隔膜的参考侧上施加力的调节器承载弹簧的形式，如求和点39所示。由于由自作用型调节器11所进行的压力调节会下垂，因此设定点38是一“粗”设定点。通过调整设定调节器弹簧的负载用的定位螺钉而将该粗设定点38输入至自作用型调节器。由调节器承载弹簧克服隔膜所施加的力如图所示是求和点39处的一正(+)的力。
从求和点39出来的力连同调节器的弹簧系数(rate)一起设定调节器节流件在限流区中的位置。将放大因数40施加至位置信息以设定调节器的输出流率W。该输出流率W在求和点41与所需流率或负荷流率WL作比较。倘若输出流率W与负荷流率WL相等，则系统处于稳定状态，并且控制压力Pc保持恒定。倘若系统不处于稳定状态，则Pc反馈至隔膜，如图所示，处于求和点39的一负(-)的力将不会在求和点39处抵消。这样就会使节流件相对限流区移动直到求和点39的输出为零为止。换句话说，Pc在隔膜上施加了由承载弹簧所施加的力的反向力，从而改变了节流件的位置，这样就调整了流率，由此调节了压力。
为了补偿偏差并提高自作用型调节器的性能，控制压力的表征值还输向电子控制器28。可为与调节器一体的、或者安装于调节器外部的相邻管路上的压力转换器的P/I转换器33将Pc转换成可为如典型的模拟压力转换器所提供的4-20mA的信号。该Pc信号接着送入到电子控制器的PID控制器34内。该Pc乘以微分常数42，然后再与Pc信号一道送入到求和点43内。该求和点43的输出在求和点45处与来自诸如主机或分布式控制系统之类的一外部信号源的精设定点信号44作比较，由此产生一误差信号。该误差信号乘上比例常数46和积分常数47，接着又送入到求和点48内，由此产生一输出信号。该输出信号输入到I/P转换器35内，由此向隔膜提供气动压力，如求和点39处的一正(+)的力所示。
上述用于补偿下垂且加强控制的处理能力的加入还提高了压力调节器其它方面的性能；包括远距离操作和通信、增强的处理操作、诊断能力、增强的维修保养能力、趋向(trending)能力、报警能力等。随着电子控制器的进一步描述，这些增强将变得一目了然。
图7概略地示出了智能型调节器10的一实施例。自作用型调节器11以示意图的形式示出。除上述的PID控制器部分34之外，电子控制器28还包含有诊断部分49、传感部分50、通信部分51、电源部分52和变换(alternate)输入部分53。电子控制器的这些功能部分可同时包括在一台微处理器中。
传感部分50根据表示入口压力P1、下游压力P2和致动器负荷压力PL的诸信号向PID控制器34提供误差信号，这些是根据PID常数进行处理的。这些信号可由与调节器主体一体的传感器所提供、或者来自于外部传感器。由变换输入部分53来接收其它的过程变量。这些输入可包括来自与调节器一体的、或者安装于调节器外部的温度传感器的温度信号65。例如，声频或振动换能器66提供可表示限流区中的漏泄和/或空泡或泄放现象的输入。阀杆位移67和致动器位移68的信息经由运动换能器送入到变换输入部分53内以监视这些元件的状态。诸如上述输入之类的信息均是可送入到电子控制器28的变换输入部分53内的过程要素的例子。诸如pH或流率之类的其它适当的过程数据也可经由与调节器一体的、或者位于调节器外部的传感器来提供。上述传感器信号中的任一信号或所有信号可为由电子控制器转换成数字数值的模拟信号。
基线诊断数据可用于导出特定调节器的“特征标示(signature)”，它可储存在控制器的存储器、或者外部系统的存储器中。接着可处理从传感部分50和变换输入部分53提供给诊断部分49的性能信息，并将其与基线数据或特征标示作比较，倘若调节器的特性及性能脱离所期望的特征性能超过一定预定量的话，则诊断部分49会向系统操作者发出警报、实际故障和预期故障及其它诊断信息。警报状态可经由从调节器到主机的未经请求的通信、或经由来自主机的定时询问自发地进行报告。定时询问可以预定的时间间隔进行。或者，提供例如声音或可视警报的报警装置可发出与特征标示不一致的信号。然后，该信息可用于维修预报、系统性能的改善、寿命周期的累计等。下文将叙述可由本发明一实施例的诊断部分49所处理的特殊信息的例子。
偏差如上所述，现有的调节器呈现出诸如下垂或上升之类的偏差。图8A和图8B绘出了自作用型调节器的设定压力值和控制压力对x轴上的流率的图表。该设定值在整个流率范围内是恒定的。如图8A中用“调节器”标识的曲线所示，用于减压调节器的控制压力随着流率的增加而减小，而如图8B所示，用于背压调节器的控制压力随着流率的增加而增大(忽略不计电子控制器的下垂或上升补偿)。导控作用型调节器应呈现出类似的曲线，但是偏差要小一点。介于下垂曲线(图8A)或上升曲线(图8B)与一给定流率上的设定点曲线之间的距离即是调节器的偏差。各点的偏差可由下式在其各点处确定偏差＝ΔP*KL其中ΔP是控制压力与入口压力间的差异，而KL则是该点处的流动系数。智能型调节器的处理器可监视该偏差，并将其与一基线值作比较。偏差中的变化可表示例如该调节器的负载力(弹簧)问题。于是，可将这种状态通知操作者。
入口压力灵敏度图9A和图9B分别示出了在用a、b和c标识的多种入口压力上控制压力对流率的三种曲线。这示出了对于不同入口压力的调节器的灵敏度。对于一给定流率，不同入口压力的控制压力间的差异构成了入口灵敏度。图9A中的诸条曲线示出了减压调节器的入口灵敏度，而图9B则示出了背压调节器的入口灵敏度曲线。由于存在偏差。入口灵敏度可与基线信息作比较，以便向用户提供来自电子控制器的诊断和故障预期信息。
滞后和死区滞后被定义为取决于所产生的输入系由前一值增加还是减小而引起仪器对于一给定输入给出一不同输出的趋势。图10示出了包含滞后和死区的滞后误差的测量。用“a”标识的曲线示出了用于要求流率减小的控制压力对流率的曲线。用“b”标识的曲线示出了用于要求流率增加的类似曲线。换句话说，曲线“a”绘出了当节流件沿第一方向移动时用于给定流率的控制压力，而曲线“b”则绘出了当节流件沿相反方向移动时用于相应流率的控制压力。介于两条曲线之间的差称为“死区”。监视滞后曲线的斜率可提供例如有关弹簧常数的信息。死区中的变化或滞后曲线斜率中的变化可指示出或用于预报弹簧、致动器、节流件或其它调节器构件有问题。
闭锁和复位图11A和图11B用图表示出了闭锁和复位状态。在减压调节器(图11A)中，当下游压力达到位于设定值之上的一预定点时，控制压力应使节流件移向一完全关闭的位置上，从而阻止流体流动。该闭锁点在图11A中用“a”来标识。图11B示出了背压调节器与闭锁相对应的复位。当上游压力降到设定点之下时发生复位，以使节流件移向关闭位置，由图11B中的“b”来标识。闭锁/复位控制压力值和介于设定值与闭锁或复位点之间调节器压力段的斜率可被确定并储存在智能型调节器诊断部分或一外部计算机内。或者，可采用诸如声频或地震换能器之类的漏泄换能器来使闭锁或复位状态与已知的流动状态相关联。将调节器的闭锁/复位性能与这些基线值作比较以诊断调节器的运作。闭锁/复位性能中的变化可指示出例如内部零件有问题或内部零件移动中有粘结。
期望的PID控制通过检查控制压力、偏差、流率和/或滞后误差，并将这些变量与期望的PID控制的性能作比较可获得总的调节器性能。可采用调节器主体用的、与液流、气流和蒸汽流相关的流动系数参数在电子控制器内部计算流率。然后，将该内部流率与致动器的位移和调节器主体的修正因数作比较以计算调节器主流率。这些计算可在电子调节器的处理器中进行，或者该信息可经由通信部分与一计算用主机通信。
自动调谐上述因数也可用于导出P、I和D调谐常数。将步进(step)变化经由电子控制器输入到设定点内，接着测量输出响应以进行系统动态诊断。
位移致动器位移是一个重要的诊断因数。在其他方面，致动器位移还用于计算节流件的负荷和位置。将位移用作诊断目的的一个例子是计算并比较隔膜相对侧上的力。处理器的诊断部分可计算由调节器的承载弹簧施加在隔膜参考侧上的力(Tl+Is) *Kl其中Tl＝致动器的位移，Is＝由定位螺钉所设定的最初的弹簧调整值，以及Kl＝弹簧常数。这与施加在隔膜控制侧上的力作比较Pc*A其中Pc＝控制压力，而A＝隔膜面积。在导控作用型调节器中，导控致动器的位移也可以类似方式用于诊断。另外，在采用电动机来调整节流件的调节器中，电动机的电压和电流也可被看作与用于诊断目的的位移相对应。这些比较，以及入口和控制压力、入口灵敏度、滞后误差及流率的表示用于提供与调节器的正常状况和性能相关的诊断信息。
泄放和空泡现象这些均是在液流中发生的现象，它们会给调节器带来噪声和振动，可能会缩短调节器的使用寿命。泄放和空泡现象皆与在流体中形成气泡有关。当流体流过限流区时，流速增加，且压力减小，这样就形成了气泡。一旦流体流过限流区，流速减慢，且压力复原，由此使气泡急剧破裂。无论是声频传感器还是振动传感器均可用于通过比较所感应到的噪声/振动特性并将它们与基线特性作比较来直接感应空泡或泄放现象的存在，或者另一过程变量ΔPA可由下式来计算ΔPA＝KC(Pl-rCPv)其中KC＝空泡或泄放指数，Pl＝入口压力，rC＝临界压力比常数，以及Pv＝蒸汽压力。该值与液流蒸汽压力的输入常数作比较以直接确定泄放或空泡现象的存在，并传送一警报。
在具备加入到调节器中的新颖的诊断能力的情况下，即可在上述各类区域及其它区域内进行在线诊断。一种电子“冲击”——阶跃式步进变化至设定值——可能会被引入到系统中。这会使过程控制回路失常，由此智能型调节器会试图作修正。当调节器对电子冲击起反应时，电子控制器的诊断部分测量涉及上述各种因数(及其它因数)的调节器的性能，并将其与调节器的特征标示作比较。这样就提供了一基准，以便进行在先诊断，而不使过程严重失常或被扰乱。
来自示范用智能型调节器的设定点、配置、诊断及其它信息可通过各种通信装置与外部系统和装置进行交换。这样就提供了远距离控制调节器的能力，这是区别现有的机械压力调节器的一个重要特征。操作者可将指令发送至调节器、改变运作参数和报告参数。另外，也可将诊断信息发送至作处理用的外部系统，而不是在调节器内进行处理。示范用智能型调节器的通信能力尤其适用于维修及操作较困难的远距离和危险的环境。
多种通信媒体可与本发明的智能型调节器配合使用，诸如具有被叠加(overlaid)在功率电源上或用功率电源进行调制的通信的一单绞合线对、仅用于数据通信的一单绞合线对、无线电、调制解调器、光导纤维、同轴电缆和若干其它的通信技术。本发明示范用实施例的通信能力还可与其它的过程仪器、或与外部控制系统或主机交换配置和控制信息。
图12示出的是可采用数字菲尔德总线通信协议用本发明智能型调节器的一实施例实施的两种电线通信的简图，其中数字数据在单绞合线对上与用于智能型调节器的电子控制器的电源相结合。从控制室54发送的信号途经一低通滤波器55，以使系统功率电源与数据相分离。然后，该电源途经功率调节电路56后供至本发明智能型调节器及其它装置。所接收的菲尔德总线信号途经高通滤波器57，以使通信数据与系统功率电源相分离，接着又传至电子控制器的通道部分51。传送回主系统的信息途经一调制解调器58，以使数据与系统功率电源信号相结合。
图13示出的是可采用哈特协议用本发明一实施例实施的另一种通信的简图，其中数字通信数据叠加在4-20mA的模拟信号上。来自控制室54的信号途经阻抗控制及滤波电路59。然后，该4-20mA的信号被调节，以便向智能型调节器及其它装置提供适当的电源功率。所接收的信号在57处被滤波，以便将通信数据从4-20mA的哈特信号中取出，并被传至电子控制器的通信部分51。所传送的数据途经一调制解调器58，以使该数据与4-20mA信号相结合。
图14示出了采用双绞合线对的通信系统的一个实例。功率电源在56处被调节，并在双线对的其中一对上供至智能型调节器及其它装置。数据从控制室54越过另一线对、经过传送及接收电路60传至电子控制器的通信部分51。
在图15中示出了采用无线电通信的通信设置的一个实例。含有无线电信号的数据从控制室送至与智能型调节器相关联的一台无线电61。该信号途经一功率电源控制装置62(倘若调节器的无线电未配备数据传送准备控制的话)和适当的数据通信硬件63，接着该信息被传至调节器的通信部分51。类似地，图16示出了用于利用调制解调器或光导纤维在控制室54与本发明智能型调节器之间进行通信的一种配置。图16中所示的配置还可与其它的通信媒体配合使用。数据从控制室54送至一适当的无线电收发报机64，该无线电收发报机处理该数据，并使其经过通信硬件63后传至电子控制器的通信部分51。
上述的若干个示范用实施例仅作示例之用，并不能成为对本发明的限制。在不脱离本发明范围和精神实质的前提下，本文中所描述的诸实施例及方法均可有多种变化形式。本发明仅受下列权项的范围及精神实质的限制。
权利要求
1.一种用于将过程中的流体保持在预定压力上的压力调节器，它包括限定流体入口、流体出口和与所述入口和出口流体相通的流体流动通道的主体；可在所述流体通道中移动、用于可选择地限制流过流动通道的流体流率的节流件；与所述节流件相联、用于可选择地移动该节流件的致动器，所述致动器具有控制侧和参考侧；与致动器的所述参考侧相联、用于将节流件偏置到预定参考位置的参考负载；用于将来自过程中的流体的压力施加到致动器的所述控制侧上、以使致动器克服所述参考负载移动、从而将在所述流动通道内的节流件定位的反馈线路；提供表示过程中的流体在过程第一点上的压力的信号的第一压力传感器；以及接收表示流体压力的所述信号、并输出与介于所感应到的压力和预定压力值之间的差异相对应的误差信号的控制器，所述控制器包含有用于在所述压力调节器的运作期间、储存不同时刻上的误差信号的数字存储器，以及用于执行将不同时刻上的误差信号作比较以获得与压力调节器的运作相对应的诊断数据的程序(routine)的处理器。
2.如权利要求1所述的压力调节器，其特征在于，所述控制器的数字存储器包含有与所述压力调节器的基线运作特性相对应的基线数据。
3.如权利要求2所述的压力调节器，其特征在于，还包括与所述控制器相联的警报装置，其中该控制器适于将所述诊断数据与所述基线数据作比较、并且每当比较结果显示诊断数据已脱离基线数据一定预定量时就致动所述警报装置。
4.如权利要求1所述的压力调节器，其特征在于，还包括用于感应流体在过程第二点上的压力的第二压力传感器，其中所述控制器适于在不同的时间点上计算与介于由所述第一传感器所测得的压力与由所述第二传感器所测得的压力之间的差异相对应的调节器偏差值，并且所述控制器适于将所算得的调节器偏差值的数字化表征值储存在所述控制器存储器内。
5.如权利要求4所述的压力调节器，其特征在于，所述第一压力传感器适于检测入口处的流体压力，而所述第二压力传感器适于检测出口处的流体压力，并且所述处理器适于执行用于确定针对多个不同入口压力的调节器偏差值、并将其储存在所述控制器存储器内的程序。
6.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，还包括用于测定所述节流件的移动方向的传感器，其中所述处理器适于通过(i)将反映出当节流件沿第一方向移动时由所述第一压力传感器所测得的压力的第一数字信号储存在所述控制器存储器内；(ii)将反映出当节流件沿第二方向移动时由第一压力传感器所测得的压力的第二数字信号储存在控制器存储器内；并且(iii)将所述第一和第二数字信号作比较以产生反映所述压力调节器的滞后误差的差异信号来产生与压力调节器的滞后误差相关的诊断数据。
7.如权利要求1所述的压力调节器，其特征在于，所述控制器存储器包含有反映预定流体压力的基线数据，其中所述节流件在所述预定流体压力上将移向完全关闭的位置，并且所述处理器适于(i)将与由所述第一压力传感器所测得的流体压力相对应的数字信号储存在控制器存储器内，其中节流件在所述流体压力上移向完全关闭的位置；并且(ii)将所述基线数据和与由第一压力传感器所测得的流体压力相对应的所述数字信号作比较，其中节流件在该流体压力上移向完全关闭的位置，从而产生与介于所比较的信号之间的差异相对应的诊断信号。
8.一种用于感应压力调节器内的空泡和泄放现象的装置，所述压力调节器利用过程中的流体压力来将节流件定位、从而限制流过该压力调节器的流体流率，所述装置包括入口压力传感器；处理器，所述处理器具有包含有储存于其中的空泡/泄放指数、临界压力比常数和流体蒸汽压力的输入常数的存储器；所述处理器包含有用于根据ΔPA＝KC(Pl-rCPv)来计算绝对压降(ΔPA)的程序，其中KC＝空泡或泄放指数，Pl＝所感应到的入口压力，rC＝临界压力比常数，和Pv＝蒸汽压力；以及所述处理器还包含有用于将ΔPA与流体蒸汽压力的输入常数作比较以检测泄放和空泡现象的程序。
9.一种用于感应压力调节器内的空泡现象的装置，所述压力调节器利用过程中的流体压力将流动通道内的节流件定位、从而限制流过该压力调节器的流体流率，所述装置包括适于检测至少一个与所述压力调节器相关联的物理参数、并提供与所测得的物理参数相对应的电信号的传感器，其中所述物理参数要随着空泡现象的出现和存在而变化；具有其中储存有第一组基线物理参数电信号的存储器，所述第一组基线物理参数信号与和泄放现象的至少一个阶段相关联的物理参数特性相对应；以及适于接收来自所述传感器的、与所测得的物理参数相对应的电信号、适于接收来所述存储器的基线物理参数信号、并适于将识别信号作比较、当信号近似匹配(match)时就提供反映泄放现象存在的电信号的处理器。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述传感器是与所述流动通道相联、用于感应该流动通道内的噪声特性的声传感器，并且所述第一组基线物理参数信号与和泄放现象的各个阶段相关联的噪声特性相对应。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述传感器是与所述流动通道相联、用于感应该流动通道内的振动特性的地震传感器，并且所述第一组基线物理参数信号与和泄放现象的各个阶段相关联的振动特性相对应。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述存储器具有储存于其中的第二组基线物理参数电信号，所述第二组基线物理参数信号与和泄放现象的至少一个阶段相关联的物理参数特性相对应；并且所述处理器适于接收来自所述传感器的、与所测得的物理参数相对应的电信号、适于接收来所述存储器的第二组基线物理参数信号、并将所述识别信号作比较、当信号近似匹配时就提供反映空泡现象存在的电信号。
13.一种用于在通过向致动器施加过程压力来调节流体流率节流件、以此将过程中的压力保持在设定值上的压力调节器上进行在线诊断的方法，所述方法包括下列动作采集用于所述调节器的、反映该压力调节器在一组给定的运作条件下的运作特性的基线性能数据，并将所述基线性能数据储存在存储器装置内；将步进变化暂时引入所述设定点，以使将该设定点变成一被调整的设定值；当调节器将过程压力带向所述被调整的设定值时，采集反映调节器的运作特性的性能数据；比较所述性能数据与基线数据以获得与压力调节器的运作相关的诊断信息。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于(i)所述采集基线性能数据的动作包括感应过程压力并确定与介于所感应到的压力与所需预定压力之间的差异相对应的基线偏差值的动作；(ii)所述采集性能数据的动作包括感应过程压力并确定与介于所感应到的压力与所需预定压力之间的差异相对应的性能偏差值的动作；并且(iii)所述比较性能数据与基线数据的动作包括将所述基线偏差值与所述性能偏差值作比较的动作。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述采集基线性能数据的动作包括确定所述节流件移向完全阻止流体流动的位置时的过程压力的动作。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述采集性能数据的动作包括确定所述节流件移向完全阻止流体流动的位置时的过程压力的动作。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述致动器具有参考侧和控制侧，并且所述采集基线性能数据的动作和所述确定性能数据的动作各包括确定施加在所述参考侧上的第一力；确定施加在所述控制侧上的第二力；以及比较所述第一和第二力以识别致动器故障。
18.一种用于确定压力调节器的入口压力灵敏度的方法，所述压力调节器通过向致动器施加过程压力来调节流体流率节流件、以此将过程中的压力保持在设定值上，该压力调节器具有一入口，所述方法包括下列动作在第一时间点上检测针对给定的流体流率的调节器入口压力，并将所述给定的流体流率和在第一时间点上所测得的压力的表征值储存在数字存储器内；监视整个时间段的调节器入口压力以识别第二时间点，所述第二时间点上的压力不同于第一时间点上的压力；将所给定的流体流率和在第二时间点上所测得的压力的表征值储存在数字存储器内；将所给定的流体率和在第一时间点上所测得的压力的表征值与所给定的流体流率和在第二时间点上所测得的压力的表征值作比较，从而提供代表入口压力灵敏度的差异信号。
19.一种用于确定压力调节器的滞后误差的方法，所述压力调节器通过向致动器施加过程压力来调节流体流率节流件、以此将过程中的压力保持在设定值上，该压力调节器具有一入口，所述方法包括下列动作检测流经所述调节器的流体的流率；识别第一时间点，此时流过调节器的流率为第一流率；识别所述第一时间点之后的第二时间点，此时流过调节器的流率为第二流率，其中所述第二流率小于所述第一流率，并将第二时间点处的过程压力的表征值储存在数字存储器内；识别第三时间点，此时流过调节器的流率为第三流率；识别所述第三时间点之后的第四时间点，此时流过调节器的流率为第三流率，其中所述第三流率大于所述第三流率，并将第四时间点处的过程压力的表征值储存在数字存储器内；以及将第二时间点处压力的表征值与第四时间点处压力的表征值作比较，从而计算出诊断调节器用的死区值。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第三时间点在所述第二时间点之后。
全文摘要
应用于将过程中的流体保持在预定压力上的智能型压力调节器的一种诊断装置和方法。该调节器包含有提高调节器性能且提供自诊断和通信能力的电子控制器。该电子控制器包含有提供表示受控流体压力的信号的压力传感器、调整节流件位置用的调整压力、以及接收代表受控流体压力的信号并根据该信号向致动器施加调整压力的PID控制器。
文档编号F16K37/00GK1271410SQ98809373
公开日2000年10月25日 申请日期1998年9月10日 优先权日1997年9月22日
发明者P·R·亚当斯, K·J·加贝尔, D·G·罗珀 申请人:费希尔控制产品国际公司