CN101821690A - 具有振动传感器的过程控制变送器 - Google Patents

具有振动传感器的过程控制变送器 Download PDF

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    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance

Abstract

一种用在工业过程控制系统(10)中的变送器(12)，包括构造为连接过程流体的过程联接器(75)。传感器壳体(100)具有形成在其中的空腔(102)，其与过程流体流体连通。空腔(102)中的隔膜(104)将空腔的一部分(108)与过程流体隔离，并响应于由过程流体施加的压力而移动。空腔(102)的隔离部分(108)中的第一电极(120)构造为与隔膜(104)形成第一电容，空腔(102)的隔离部分(108)中的第二电极(122)构造为与隔膜(104)形成第二电容。连接至第一和第二电容的测量电路(74)基于第一电容和第二电容中的至少一个测量过程流体的压力P。测量电路(74)还构造为基于第一电容和第二电容中的至少一个测量过程流体中的振动(70)。

Description

具有振动传感器的过程控制变送器
技术领域
本发明涉及与工业过程一起使用的设备的诊断。更具体地，本发明涉及使用振动进行诊断。
背景技术
过程装置用在工业过程控制系统中，用于控制、测量或监测过程。控制装置是用来控制过程的过程装置并且包括泵、阀、致动装置、螺线管、电机、混合器、搅拌器、轧碎机、压碎机、滚轧机、研磨机、球磨机、混合机、搅和器、过滤器、旋风器、离心分离机、塔、干燥器、输送机、分离器、升降机、起重机、加热器、冷却器或其它。阀控制器包括连接到用来控制过程流体的流量的阀的阀门致动装置。泵控制器包括连接至泵的电机控制器或致动装置。其它过程装置可以测量诸如压力、温度、流量等物理参数的变送器。过程装置的诊断可以用来识别故障过程装置或者预测在该装置中或在其它过程部件中即将出现的故障。
诸如过程管道之类的过程设备的振动对工业过程来说是破坏性的，并且会导致对工业装置的管道、使用仪器或其它部件造成损坏。例如，在过程的正常运行期间，振动通过各种源而出现。这种振动传递至用在过程中的部件。随着时间的延长，这些振动会引起部件性能的恶化和部件的最终破坏。
感测振动是用来诊断过程装置的公知方法。直接放置在过程装置上的诸如加速计之类的振动传感器可以用来感测由该装置产生的振动噪声信号。通过识别超过振幅阈值或具有指示实际或即将出现的故障或性能降低的反常频率的那些信号，振动被隔离并且评估。例如，传感器放置在与该过程装置相关联的泵或电机壳体、排出阀或法兰上。另一公知的诊断方法是人工检查，其中操作人员监听来自控制装置的反常声音。
检测有害的振动可以允许在受损的过程设备最终失灵之前更换它。类似地，振动可以用来检测设备运转中的失常或用来补偿设备的部件的退化。不断地需要在工业过程控制中对诊断技术进行改善，以及用于检测故障部件和已经退化的或正在失灵过程中的部件进行监测。一种这样的技术在2003年7月29日授权的、名称为“采用过程可变传感器信号的过程装置诊断技术(PROCESS DEVICE DIAGNOSTICS USING过程变量SENSOR SIGNAL)”的美国专利No.6,601,005中示出了，在此通过引用的方式结合它。
发明内容
一种用在工业过程控制系统中的变送器，包括构造为连接到过程流体的过程联接器。传感器壳体具有形成在其中的空腔，其通过过程联接器与过程流体流体连通。空腔中的隔膜将空腔的一部分与过程流体隔离，并响应于由过程流体施加的压力而移动。空腔的隔离部分的第一电极构造为与隔膜形成第一电容，空腔的隔离部分的第二电极构造为与隔膜形成第二电容。测量电路基于第一电容和第二电容中的至少一个测量过程流体的管路压力。测量电路还构造为基于第一电容和第二电容中的至少一个测量过程流体中的振动。
附图说明
图1为工业过程系统的简图。
图2为根据本发明的包括振动传感器的过程变送器的透视图。
图3为图2的振动传感器的横截面图。
图4为示出图2的压力变送器的电路的方块图。
具体实施方式
本发明提供了采用单个传感器测量过程管路压力并测量过程流体中的振动的技术。传感器包括隔膜，其在某些结构中可以直接接触过程流体。隔膜偏转并响应于由过程流体施加的压力，使隔膜后面的空腔中的空间改变。这种改变可以采用隔膜和空腔的壁之间的电容的变化来测量。这用来确定管路压力和过程流体中的任何振动的频率。
本发明提供了用于检测故障或在故障或性能降低出现之前预测过程装置或过程部件的故障或性能的降低。采用本发明，过程和/或过程装置中的振动被监测。振动被检测，并用来预测程装置或过程部件的故障、即将出现的故障或性能降低。
图1为过程控制系统10的示意图，其包括连接至过程管路16的变送器12。如下所述，变送器12为一种类型的过程装置，本发明适用于任何过程装置。变送器12连接至根据Fieldbus、Profibus或
Figure GPA00001094850100031
标准工作的二线式过程控制回路18。然而，本发明不限于这些标准或双线式结构。例如，变送器也可以根据各种无线标准进行工作。双线式过程控制回路18在变送器12和控制室20之间运行。在其中回路18根据
Figure GPA00001094850100032
协议工作的实施方式中，回路18可以载送表示感测的过程变量的电流I。此外，
Figure GPA00001094850100033
协议允许数字信号叠加在通过回路18的电流上，使得数字信息可以发送至或从变送器12接收。当根据Fieldbus标准工作时，回路18载送数字信号，并可以连接至诸如其它变送器之类的多个现场设备。
本发明适用于用在过程控制环境中的任何过程装置。通常，诸如图1中示出的变送器12之类的过程装置用来测量、监测或控制过程变量。
过程变量通常是过程中正在被控制的主变量。如在此使用的，过程变量是指描述诸如压力、流量、温度、产品水平、pH、浊度、振动、位置、电机电流或过程的任何其它特性等之类的过程条件的任何变量。控制信号是指用来控制过程的任何信号(除了过程变量)。例如，控制信号是指预期过程变量值(即，定位点)，如期望温度、压力、流量、产品水平、pH或浊度等，其由控制器调整或用来控制过程。此外，控制信号是指振动值、警报、警报条件、提供至控制元件的诸如阀位置之类的信号、提供至阀门致动装置的信号、提供至加热元件的能量水平、螺线管开/关信号等，或与过程控制相关的任何其它信号。在此使用的诊断信号包括与过程控制回路中的装置和元件的运转相关的信息，但不包括过程变量或控制信号。例如，诊断信号包括阀杆位置、施加的扭矩或力、传动装置压力、用来致动阀的加压气体的压力、电压、电流、功率、电阻、电容、电感、装置温度、静摩擦、摩擦力、全开和全关位置、行程、频率、振幅、频谱和谱分量、刚度、电或磁场强度、持续时间、密度、运动、电动机反向EMF、电机电流、回路相关参数(如控制回路电阻、电压或电流)、或可以在该系统中检测或测量的任何其它参数。而且，过程信号是指与过程或与过程中的元件相关的信号，例如，过程变量、控制信号或诊断信号。过程装置包括形成过程控制回路的一部分或连接至过程控制回路并用在过程控制或监测的任何装置。
如上所述，图1为示出过程控制系统10的实施例的示意图，其包括输送过程流体的过程管路16和载送回路电流I的双线式过程控制回路18。变送器12、连接到回路中的诸如致动装置、阀、泵、电机或螺线管的最终控制元件的控制器22、通信装置26和控制室20都连接至过程控制回路18。应当理解的是，回路18以一种结构示出，但可以采用任何适合的过程控制回路，如4-20mA回路，2、3或4线回路、多压降回路和根据
Figure GPA00001094850100041
Fieldbus或其它数字或模拟通信协议工作的回路。在运转中，变送器12采用传感器21感测诸如流量之类的过程变量，并在回路18上传递所感测的过程变量。过程变量可以由控制器/阀门驱动装置22、通信装置26和/或控制室设备20接收。控制器22示出为连接至阀24，并且能够通过调节阀24由此改变管路16中的流量来控制过程。控制器22从例如控制室20、变送器12或通信装置26接收在回路18上的控制输入，并且分别地调整阀24。在另一种实施方式中，控制器22基于在回路18上接收的过程信号内部地产生控制信号。通信装置26可以为图1中示出的便携式通信装置，或者可以为监测过程并进行计算的固定安装过程部件。过程装置例如包括图1中示出的变送器12(如，可以从明尼苏达州Chanhassen市的Rosemount公司购买的3051S变送器)、控制器22、通信装置26和控制室20。另一种类型的过程装置为PC、可编程逻辑单元(PLC)或采用合适的I/O电路连接至回路的其它计算机，以允许监测、管理和/或在回路上输送。
图1中示出的任何过程装置12、20、22或26可以都可以包括根据本发明的振动测量传感器。然而，这种传感器通常在变送器12中实现。
根据本发明，图1中示出的物理地连接至工业过程(例如连接至过程管路16)的任何过程装置可以包括用于检测振动的传感器。在过程运转期间，振动出现，并传递至过程部件。通用过程部件29在图1中图示，并且可以包括从过程的运转接收振动或产生振动的任何物理物件。部件29可以包括过程装置内的进行振动的部件。振动可以来自各种源，如电机、空化或流体运动、致动装置等等。振动沿着过程部件物理运载，如箭头30所示。这些振动可以使过程部件29退化，最终出现故障。过程部件29可以为连接至工业过程10的任何部件。示例性的过程部件包括过程管路、阀、泵、传感器、变送器、电设备、机械设备、控制元件、导管、罐体、致动装置、搅拌器或其它部件或装置。
根据本发明的一种实施方式，过程装置(如变送器12)包括构造为感测工业过程中出现的振动的振动传感器。变送器12中的或远程位置处的诊断电路可以监测所感测的振动，并且可以用来诊断过程部件29的故障或即将出现的故障或性能退化。在某些实施方式中，部件29可以包括过程装置的进行诊断的部件。在其它实施方式中，部件29与进行诊断的装置物理地隔离。例如，输出可以由变送器12在二线式过程控制回路18上提供至控制室20，这提供过程部件29的故障或即将出现的故障的指示。采用这种信息，操作人员可以修理或更换故障部件29，或在其即将出现故障之前修理或更换部件29。这允许在预定时间进行过程10的维护。如果部件29的修理或更换要求过程10关闭，这可以是特别有利的。而且，某些部件会出现灾难性的故障，或者以使其它部件受损或使不安全的产生释放到环境中的方式出现故障。通过提供部件29可能在不久的将来故障的指示或者预测最终故障的时间，可以修理部件29或者在最终故障之前更换部件29。
图2为示出通过过程联接器75连接至过程管路16的过程变送器12的示意图。振动70示出为行进通过工业过程。例如，振动70可以由过程管路16、管路16内的过程流体或其它物理联接器运送至变送器12。过程联接器75可以为任何类型的联接器，如法兰、管路等。其它类型的过程联接器的例子在由发明人Robert C.Hedtke和David A.Brodens于2006年2月28日递交的、名称为“PROCESS CONNECTION FOR PROCESSDIAGNOSTICS”的与本申请一起共同转让的共同未决申请系列号No.11/364,877中示出，在此通过引用的方式结合它的全部内容。
根据本发明，变送器12包括压力传感器72。传感器72构造为测量来自过程流体的压力P，其可以为管路或表压力。传感器72连接测量电路74，测量电路74向I/O电路76提供过程变量信号77，向诊断电路82提供振动信号79。I/O电路76构造为在过程控制回路18上传送与所感测的过程变量相关的信息。在某些实施方式中，I/O电路76还可以接收通过过程控制回路18的电力，其用来完全向该电路和变送器12的部件供电。
传感器72还构造为感测振动80，并向诊断电路82提供振动传感器信号79。信号79可以直接提供至电路82，或者如图2所示，可以通过被感测的测量电路74提供，并经由I/O电路76提供输出，该输出提供过程部件29的故障或即将出现的故障的指示。
过程管路16和过程设备中的振动70对工业过程10是破坏性的，并且会导致对过程管路16、使用仪器和其它工厂部件的损坏。过程变送器12提供用于监测振动和检测及预测潜在破坏的内在能力。通过检测有害的振动，变送器12可以避免更换受损的过程设备或其它设备的需要。通过防止由破裂的管路引起的过程泄露或对提供过程密封的其它设备的破坏，还可以维持工厂的完整性和安全性。
在某些实施方式中，通过预测测量设备或控制设备的即将出现的损耗，本发明的振动诊断可以避免或降低工厂停工期，同时还有时间更换或修理装置。振动信息还可以提供给其它装置。数据压缩算法可以用于这种传输。诊断指示可以在二线式过程控制回路18上提供。例如，
Figure GPA00001094850100061
状态或其它警报可以在回路18上传递。当所感测的振动超过预定阈值幅度时，这种警报可以提供给控制室20。如果瞬时振动超过阈值水平，或者例如如果累积振动已经超过阈值，则可以触发振动诊断警报。所述累积可以是整个传感器寿命、部分寿命期间(有窗的)或者是峰值或其它振动信号的累积。振动中的趋向或具体振动信号还可以用于诊断。由于本发明的振动诊断可以与过程装置集成在一起，则不需要附加的诊断装置。基于诊断的振动的结构可以容易地与用在工业过程中的现有过程信息系统集成在一起。
虽然在图2中，I/O电路76、测量电路74和诊断电路82示出为分离的部件，这些电路块可以在共用电路和/或软件中实现。例如，这些功能中的多数可以在数字处理器中实现。除了将所感测的振动或者累积的感测振动与固定阈值比较之外，可以通过诊断电路82应用其它诊断技术。例如，采用如果/则规则(if/then rule)可以实现专家系统。诊断可以基于所感测的振动的频谱。可以采用复杂的处理，如神经网络、模糊逻辑等。
图3为根据本发明的实施方式的一个例子的压力传感器72的侧面截面图。压力传感器72包括具有形成在其中的空腔102的压力传感器本体100。弹性隔膜104横跨空腔102，并将空腔分成第一空腔部分106和第二空腔部分108。在某些结构中，空腔部分106暴露至过程流体，或者否则接收与过程流体的压力相关的压力。这种连接是通过图2中示出的过程联接器75完成的。空腔部分108通过填充连接件110填充有隔离流体。外部电极120和内部电极122设置在空腔部分108的壁上。电极120在电极120和隔膜104之间形成外部电容器。类似地，内部电极122在电极122和隔膜104之间形成内部电容器。电连接件126和128分别地将电极120和122连接至图2中所示的测量电路74。
当来自过程流体的压力施加至隔膜104时，隔膜104相对于电极120和122移动。这引起内部电容和外部电容相应地改变。压力传感器72设置为测量管路压力。压力传感器72根据在美国专利No.6,295,875中关于压力差讨论的技术进行工作，该专利于2001年10月2日授权给Roger L.Frick、Stanley E.Rud，Jr.和David A.Broden，其名称为“PROCESSPRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITH IMPROVED ERRORCOMPENSATION”，并与本申请一起共同转让，在此通过引用的方式结合它的全部内容。
在运转期间，隔膜104响应于管路压力而偏转。此外，隔膜104以与在工业过程中载送的振动的频率相关的频率偏转。通过测量由电极122和120分别形成的内部电容和外部电容，可以测量管路压力和振动信号的值。传感器72可以根据任何合适的技术进行工作。然而，在一种结构中，内部电极122设置为靠近空腔108的中心，而外部电极120包括大致环绕空腔108的环。隔膜104可以包括预拉伸隔离装置，其焊接或否则结合在空腔102上。油或其它流体可以通过端口110注入空腔部分108。油填充可以用来降低压力滞后。端口110可以采用压接、焊接等密封。通过防止隔膜104偏转到内壁空腔108之外，这种结构提供了过压保护。用来填充空腔108的填充流体可以是基本上不可压缩的，由此限制隔膜104的运动。然而，可以选择隔膜104的刚度，以实现期望的敏感性，隔膜104的刚度也基于填充流体的压缩性而受影响。
隔膜104的偏转与施加的压力和振动之间的关系可以取决于温度。在这种结构中，温度传感器130可以安装至压力传感器72，并且可以用来补偿所述测量。传感器130可以向电路74提供温度信号，用于温度补偿。
图4为变送器12的方块示意图。变送器12包括在接线端244连接至回路18的I/O电路76。I/O电路具有本领域熟知的预选择输入和输出阻抗，以便于进行恰当的通信。变送器12包括连接至I/O电路76的微处理器246、连接至微处理器246的存储器248和连接至微处理器246的时钟250。传感器72向电容数字转换器提供传感器输出。补偿电路262补偿数字化的信号，并将数字化的过程变量信号提供给微处理器246。由传感器72提供的传感器输出包括来自电极120和电极122的输出，电容数字转换器260将这两个信号转换成数字格式，用于由微处理器246使用。图4是示出了温度传感器130，其向模数转换器261提供与温度相关的输出。模数转换器向微处理器246提供与传感器72的温度相关的数字信号。在一种实施方式中，I/O电路76提供电源输出，用来完全地给采用从回路18接收电力的变送器12的其它电路供电。
微处理器246可以监测所感测的振动，并提供过程部件故障或即将出现故障的指示。例如，微处理器可以将所感测的振动与基准值或正常值进行比较。该信息可以存储在存储器248中。基准和正常值可以基于过程的操作模式或其它因素而改变。基准可以为特定的频谱或信号，并且可以以过程操作的观测历史为基础。而且，由微处理器246进行的诊断可以基于所感测的振动的趋势。例如，无论是突然或随着时间的逐渐增加，或者周期性尖峰信号或所感测的振动的其它反常可以是过程部件故障或即将出现故障的指示。类似地，如果所感测的振动突然出现尖峰，则微处理器246可以提供诊断输出，指示过程部件29可能出现故障或已经失灵。这些值、趋势或导流分布图(training profiles)可以存储在存储器248中。诊断可以基于简单的比较，或基于复杂的数学技术，如测量值的观测平均数或移动平均数、模糊逻辑技术、神经网络技术或基于一系列规则和/或阈值比较的专家系统技术。在各种实施方式中，本发明的提供预测性诊断的能力可以是有好处的，因为它为保修人员提供时间以在过程部件最终出现故障之前维修它。
本发明的诊断输出可以用来提供输出信号，向操作人员提供可视指示，或提供用于传输至控制室的通信信号或其它诊断通知。
如上所述，诊断可以基于采用所感测的振动的各种技术。例如，诊断可以利用时间周期内的振动趋势。这种信息可以用来与轴承或泵部件的磨损相关联。它还可以用来提供过程部件暴露至振动的累积测量，并且可以用来预测过程管路或机械连接，如安装硬件或支架面临即将发生的故障。此外，诊断电路可以用来将振动信号与在工业过程运转期间出现的各种步骤或事件相关联。例如，剧烈的化学反应可能具有特定的振动信号。在某些实施方式中，如果进行振动传感器的校正或特征化，简单的相对振动测量，例如趋于更好、趋于更坏或保持稳定可能足够了。绝对的振动测量也可以用来进行诊断。
在各种结构中，无论是来自电极120的电容或来自电极122的电容都可以用来测量从过程流体接收的振动信号。而且，在某些结构中，这两个电极都用于进行振动测量。类似地，在获得管路压力或表压力测量值时，可以采用电极120和122中的任一个或二者。在上述示出的结构中，测量值对填充流体的介电常数是敏感的。这可以基于填充流体的温度引入可变性，其可以采用温度传感器130补偿。用在各种结构中的传感器可以与变送器12的电路触电式地(galvanically)隔离。在一种结构中，中心电极122用来测量管路或表压力，而外部电极120用来测量振动。
虽然已经参照优选实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将会认识到，在背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节方面进行改变。过程联接器可以为能够将振动传递至振动传感器的任何类型的联接器。过程联接器包括将振动传感器直接安装至过程的联接器。振动可以通过过程连接、安装配置、配线系统等接收。在某些实施方式中，本发明可以在任何类型的过程装置中实现。在一种实施方式中，通过将振动诊断与过程装置集成在一起，则不需要附加的诊断装置。过程装置可以对它自身进行诊断，换句话说，部件29(参见图1)可以为该装置的结构振动和/或进行诊断的部件。

Claims (23)

1.一种用在工业过程控制系统中的变送器，包括：
过程联接器，构造为连接至过程流体；
传感器壳体，具有形成在其中的空腔，传感器壳体空腔通过所述过程联接器与所述过程流体进行流体连通；
位于所述空腔中的隔膜，构造为将所述空腔的一部分与所述过程流体隔离，并构造为响应于由所述过程流体施加的压力而移动；
位于所述空腔的隔离部分中的第一电极，构造为与所述隔膜一起形成第一电容；
位于所述空腔的隔离部分中的第二电极，构造为与所述隔膜一起形成第二电容；和
连接至所述第一电容和第二电容的测量电路，构造为基于所述第一电容和第二电容中的至少一个测量所述过程流体的压力，所述测量电路还构造为基于所述第一电容和第二电容中的至少一个测量所述过程流体中的振动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述振动通过过程部件载送。
3.根据权利要求1所述的设备，包括与过程部件的故障相关的诊断输出。
4.根据权利要求1所述的设备，包括与过程部件的性能退化相关的诊断输出。
5.根据权利要求1所述的设备，包括与过程部件的即将出现的故障相关的诊断输出。
6.根据权利要求1所述的设备，包括基于所感测的振动的比较的诊断输出。
7.根据权利要求1所述的设备，包括连接至所述测量电路的温度传感器，并且其中，所述测量电路基于测量的温度补偿测量值。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述温度传感器安装至所述传感器壳体。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一电极和第二电极中的至少一个包括外部环电极。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一电极和第二电极中的至少一个包括中心电极。
11.根据权利要求1所述的设备，包括位于所述隔离空腔中的填充流体。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述隔膜构造为接触所述过程流体。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述隔膜与过程流体流体地隔离。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一电极和第二电极靠近所述空腔的隔离部分的壁固定。
15.一种测量工业过程中的参数的方法，包括：
将传感器壳体流体地连接至所述过程的过程流体，所述传感器壳体具有形成在其中的空腔；
在所述空腔中提供活动隔膜，所述活动隔膜形成所述空腔的隔离部分并响应于由所述过程流体施加的压力而移动，所述隔离部分与所述过程流体隔离；
感测所述隔膜和第一电极之间的电容的变化；
感测所述隔膜和第二电极之间的电容的变化；
基于感测的电容的变化确定压力；以及
基于电容的变化感测所述过程流体中的振动。
16.根据权利要求15所述的方法，包括在双线式过程控制回路上通信。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述振动通过过程部件载送。
18.根据权利要求15所述的方法，包括提供与过程部件的故障相关的诊断输出。
19.根据权利要求15所述的方法，包括提供与过程部件的性能退化相关的诊断输出。
20.根据权利要求15所述的方法，包括提供与过程部件的即将出现的故障相关的诊断输出。
21.根据权利要求15所述的方法，包括基于所感测的振动的比较提供诊断输出。
22.根据权利要求15所述的方法，包括基于所感测的温度补偿测量值。
23.根据权利要求15所述的方法，包括在所述空腔中放置填充流体。
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