DE69433185T2

DE69433185T2 - Druck-messvorrichtung mit einem doppelsender

Info

Publication number: DE69433185T2
Application number: DE69433185T
Authority: DE
Inventors: Bennett L. Plymouth Louwagie; Gregory S. Apple Valley Munson; David E. Eden Prairie Wiklund; Michael J. New Prague Zweber; David Broden; Brian J Bischoff; Gary P. Corpron
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2014-07-30
Also published as: CN1062660C; BR9407594A; SG44501A1; EP0720732B1; US5606513A; EP0720732A1; CA2169444A1; EP0919796A1; US5870695A; CN1131461A; AU7408394A; DE69433185D1; US5899962A; DE69420853T2; RU2143665C1; WO1995008758A1; EP0919796B1; AU683916B2; DE69420853D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft einen vor Ort angebrachten Messsender, der eine einen Prozess repräsentierende Prozessvariable misst, und insbesondere solche Sender, die über einen Mikroprozessor verfügen.
Messsender, die zwei Prozessvariablen, wie beispielsweise Differenzdruck und einen Leitungsdruck eines in einem Rohr fließenden Fluids, messen, sind bekannt. Die Sender werden typischerweise im Bereich einer Einrichtung der Prozesssteuerindustrie angebracht, wo der Stromverbrauch ein Anliegen ist. Messsender liefern ein Stromausgangssignal, das repräsentativ für die Variable ist, die sie gerade messen, wobei die Stromstärke als eine Funktion der gemessenen Prozessvariablen zwischen 4 und 20 mA schwankt. Die für den Betrieb des Messsenders benötigte Stromstärke muss weniger als 4 mA betragen, damit der Sender die Kommunikationsnorm der Prozesssteuerindustrie einhält. Andere Messsender messen die Prozesstemperatur des Fluids. Jeder der Sender muss in einem kostspieligen und potentiell unsicheren Arbeitsgang in das Rohr eingeführt werden, und jeder Sender verbraucht bei 12 V maximal 20 mA Strom.
Gasdurchflussrechner weisen manchmal Druckmesseinrichtungen auf, die in einem den Druck messenden Messsender gebräuchlich sind. Bestehende Gasdurchflussrechner werden in Anlagen der Prozesssteuerindustrie zur präzisen Prozesssteuerung angebracht, in Übergabeanwendungen zur Überwachung der Menge an übertragenen Kohlenwasserstoffen, und manchmal an Bohrlochenden zur Überwachung der Fördermenge an Erdgas oder Kohlenwasserstoffen aus dem Bohrloch. Derartige Durchflussrechner liefern ein Ausgangssignal, das repräsentativ für die Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse als eine Funktion von drei Prozessvariablen ist. Die drei Prozessvariablen sind der Differenzdruck an einer Messblende in dem die Strömung leitenden Rohr, der Leitungsdruck des Fluids im Rohr und die Prozesstemperatur des Fluids. Viele Durchflussrechner erhalten die drei benötigten Prozessvariablen von separaten Sendern und weisen daher nur Rechenfähigkeiten auf. Ein existierender Durchflussrechner verfügt über zwei Gehäuse: ein erstes Gehäuse, das Differenz- und Leitungsdrucksensoren enthält, und ein zweites senderartiges Gehäuse, das ein die Temperatur des Fluids repräsentierendes Eingangssignal einer Widerstands-Temperaturmessvorrichtung (RTD) empfängt. Das Temperaturmesswertsignal wird im zweiten Gehäuse aufbereitet und an das erste Gehäuse übertragen, wo der Gasdurchfluss errechnet wird.
Verfahren zur Durchflussmessung von Erdgas werden in "Orifice Metering of Natural Gas and other Related Hydrocarbon Fluids", Teil 1 bis 4, allgemein als AGA Report Nr. 3 bekannt, beschrieben. Eine Berechnung der Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse erfordert eine Errechnung des Verdichtungsfaktors für das Gas sowie des Ausströmungskoeffizienten der Blende. Der Verdichtungsfaktor ist das Thema mehrerer Normen, die die Art und Weise der Durchführung der Berechnung vorschreiben. Die Errechnung des Verdichtungsfaktors gemäß dieser Normen erfordert zahlreiche Befehlszyklen, was zu einem beträchtlichen Umfang an Rechenzeit für jede Berechnung des Massendurchflusses und zu einem hohen Energieverbrauch führt. Entsprechend ist auch die Zeitdauer zwischen aufeinander folgenden Aktualisierungen der Ausgabe der Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse unerwünscht lang, wenn jede Aktualisierung mit Hilfe eines neu errechneten Verdichtungsfaktors berechnet wird, so dass ein Prozessregelkreis verlangsamt wird. Selbst wenn die Berechnung des Verdichtungsfaktors im Hintergrund abläuft, um so eine Verlängerung der Aktualisierungsrate zu verhindern, wird die Ausgabe der Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse doch mit Hilfe eines nicht aktuellen Verdichtungsfaktors berechnet, der bei sich schnell ändernden Prozessen nur ungenaue Regelung erlaubt. Außerdem erfordert die Berechnung des Verdichtungsfaktors auch die Speicherung zahlreicher Hilfskonstanten, was ebenfalls einen hohen Energieverbrauch mit sich bringt. Im AGA Report Nr. 3, Teil 4, wird eine Genauigkeit der Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse von 0,005% vorgeschrieben, was entweder zu langen Aktualisierungszeiten, der Verwendung von nicht aktuellen Verdichtungsfaktoren bei der Errechnung der Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse oder einem Stromverbrauch von mehr als 4 mA führt. Ähnlich verhält es sich bei der direkten Berechnung des Ausströmungskoeffizienten der Blende, die das Potenzieren vieler Zahlen mit nicht-ganzzahligen Exponenten erfordert, was bei Niederleistungsanwendungen rechenintensiv ist. Dies führt auch zu unerwünscht langen Zeiten zwischen Aktualisierungen oder einem höheren Stromverbrauch als den in der Industrienorm vorgeschriebenen 4 bis 20 mA.
Es besteht also ein Bedarf für einen vor Ort angebrachten multivariablen Sender, der zur Verwendung als Gasdurchflusssender mit verbesserten Aktualisierungszeiten anpassbar ist, aber bei einer Leistung von 12 V weniger als 4 mA Strom verbraucht, ohne dass dabei die Genauigkeit der Berechnung leidet.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Druckmessvorrichtungen, insbesondere auf Drucksendersysteme, die auf Druck an mindestens zwei getrennten Stellen ansprechen, und die über eine Zweidrahtverbindung mit einer separaten Regeleinrichtung in Verbindung stehen.
Drucksender mit einem Sendergehäuse, das einen Differenzdruck ("ΔP")-Wandler aufweist, der strömungstechnisch mit zwei Druckanschlüssen im Gehäuse gekoppelt ist, sind bekannt. Derartige Sender weisen weiterhin im Sendergehäuse Schaltungen auf, die mit dem Wandler gekoppelt sind und den gemessenen ΔP über eine Zweidrahtverbindung an eine entfernte Regeleinrichtung übermitteln. Die Regeleinrichtung erregt die Schaltung über die Zweidrahtverbindung. Leitungen für Fluide, wie beispielsweise Rohre oder Rohrverzweigungen, führen ein Prozessfluid zu den Druckanschlüssen des Senders. Typischerweise wird Prozessfluid unmittelbar stromauf- und stromabwärts von einer Messblende derart zu den jeweiligen Anschlüssen umgeleitet, dass der durch den Wandler gemessene ΔP die Durchflussgeschwindigkeit und -menge des Prozessfluids durch die Messblende angibt.
In einigen Anwendungen ist es wünschenswert, den Differenzdruck des Prozessfluids an Stellen zu messen, die voneinander einen viel größeren Abstand aufweisen als die Maßstabsgröße des Sendergehäuses. Für die Durchführung einer derartigen Messung werden bekannterweise biegsame ölgefüllte Kapillarrohre oder Impulsleitungen an dem oben beschriebenen ΔP-Sender befestigt, um die Drücke des Prozessfluids strömungstechnisch zu den Druckanschlüssen des Gehäuses zu übermitteln. Derartige Anordnungen leiden jedoch an Fehlern aufgrund der Differenzen bezüglich der Höhe und Temperatur der ölgefüllten Kapillarrohre.
Ebenso ist es bekannt, einen separaten Drucksender an jeder der beiden Messstellen für das Prozessfluid vorzusehen und jeden der Drucksender an eine "hydrostatische Schnittstelleneinheit" zu koppeln. Die hydrostatische Schnittstelleneinheit steht über eine Zweidrahtverbindung mit der entfernten Regeleinrichtung in Verbindung und wird durch eine separate Einheit über eine andere elektrische Verbindung angetrieben. Die hydrostatische Schnittstelleneinheit wiederum treibt die Drucksender elektrisch an, steht mit ihnen in Verbindung und führt eine Vielzahl von arithmetischen Operationen mit den gemessenen Drücken durch. So kann, wenn die Drucksender beispielsweise auf einem Speicherbehälter mit Prozessfluid angebracht sind, die hydrostatische Schnittstelleneinheit über die Zweidrahtverbindung ein Signal von 4 bis 20 mA übermitteln, das die Dichte ρ des Prozessfluids angibt:
wobei ΔP die Druckdifferenz des Prozessfluids zwischen den Sendern, g die Erdbeschleunigung und z die (vom Anwender programmierte) vertikale Trennung der Fluidmessstellen ist. Mit diesem System werden Probleme im Zusammenhang mit ölgefüllten Kapillarrohren außerhalb des Sendergehäuses vermieden, es hat jedoch eigene Nachteile, wie beispielsweise die Notwendigkeit, zusätzliche elektronische Vorrichtungen in der Nähe der Messstelle anzubringen sowie die Notwendigkeit einer separaten Energieversorgung der hydrostatischen Schnittstelleneinheit, teilweise aufgrund der großen Anzahl an Berechnungen, die von der hydrostatischen Schnittstelleneinheit durchgeführt werden.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Zweidrahtsender zum Liefern eines mit einem Prozess in Zusammenhang stehenden physikalischen Parameters bereit, der Folgendes aufweist: ein Modulgehäuse, das einen Drucksensor zum Messen einer den Prozess repräsentierenden Druck-Prozessvariablen aufweist, sowie eine Vorrichtung zum Empfangen eines eine zweite Prozessvariable repräsentierenden Signals; Digitalisierungseinrichtungen, zum Digitalisieren der gemessenen Prozessvariablen; und ein Elektronikgehäuse, das an das Modulgehäuse und an einen Zweidraht-Schaltkreis gekoppelt ist, wobei das Elektronikgehäuse eine Mikrocomputervorrichtung zum Liefern des physikalischen Parameters als Funktion der gemessenen Prozessvariablen sowie eine Ausgabevorrichtung zum Formatieren des physikalischen Parameters und zum Koppeln des Parameters auf die zwei Drähte aufweist.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform stellt einen Sender zur Berechnung der Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse eines Prozessfluids in einer einzigen Einheit und mit geringem Energieverbrauch dar. Ein Zweidrahtsender, der einen Prozess repräsentierende Prozessvariablen misst, weist ein Elektronik-Modulgehäuse auf, das an einem Sensor-Modulgehäuse befestigt ist. Das Sensor-Modulgehäuse weist einen Drucksensor zum Messen einer den Prozess repräsentierenden Druck-Prozessvariablen sowie eine eine Anschlussfläche zum Empfangen eines eine zweite Prozessvariable repräsentierenden Signals, wie beispielsweise eines Temperatursignals, auf. Der Sender weist entsprechende Digitalisierungsschaltkreise für die gemessenen Prozessvariablen auf. Das Elektronikgehäuse weist eine Elektronik-Schaltplatte mit einem Mikroprozessor zum Berechnen des Massendurchflusses an Fluid durch das Rohr auf, und die Schaltplatte weist auch Elektronik zum Formatieren der Prozessvariablen und zum Koppeln der Prozessvariablen auf den Zweidraht-Schaltkreis auf. Der Mikroprozessor im Elektronikgehäuse berechnet auch einen Verdichtungsfaktor und einen Ausströmungskoeffizienten gemäß Polynomen mit spezifischen Formen. Eine Anschlussfläche befindet sich auf dem Sensor-Modulgehäuse und ist so ausgelegt, dass sie sowohl zu einer abgeschirmten, verdrillten Paarverkabelung als auch zum Rohr passt.
Ein Druckmesssystem weist ein Sendergehäuse einschließlich einem internen Druckanschluss auf. Ein Druckwandler in dem Gehäuse koppelt an den Druckanschluss und liefert ein mit dem Druck in Zusammenhang stehendes Signal an eine Schaltung im Sender. Die Schaltung empfängt auch ein nicht strömungsmechanisches Signal von einem externen Druckwandler, der mit einem entfernten Druckanschluss außerhalb des Sendergehäuses gekoppelt ist. Die Elektronik im Gehäuse verarbeitet die Signale und liefert ein mit dem Druck am internen Anschluss und am externen Anschluss in Zusammenhang stehendes Ausgangssignal.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Zeichnung eines erfindungsgemäßen Senders, der mit einem Rohr zum Messen von Druck und Temperatur in diesem verbunden ist;
2 ist ein Blockdiagramm der Elektronik eines erfindungsgemäßen Senders;
3A und 3B sind Kurven des Verdichtungsfaktors als eine Funktion des Drucks bei unterschiedlichen Temperaturen für zwei Fluide;
4 ist ein modifizierter Querschnitt, der Bereiche zeigt, die in einem erfindungsgemäßen Sender von Interesse sind;
4A ist ein Schnitt der Anschlussfläche und der Scheibe entlang der Linie 4A-4A; und
5 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Senders, der mit einem an das Rohr angepassten Anschlussteil dargestellt ist;
6 ist ein Aufriss, teilweise in Form eines Blockdiagramms und teilweise als Schnitt, einer Anordnung zum erfindungsgemäßen Messen von Differenzdruck;
7 ist ein Schnitt, teilweise in Form eines Blockdiagramms, eines erfindungsgemäßen Hauptdrucksenders;
8 ist ein Schnitt, teilweise in Form eines Blockdiagramms, eines alternativen erfindungsgemäßen Hauptdrucksenders;
9A und 9B sind Schnitte, teilweise in Form von Blockdiagrammen, von erfindungsgemäßen Nebendrucksendern; und
10 ist ein elektrisches Blockdiagramm des Differenzdruck-Messsystems aus 6.
Zur Verkürzung und Vereinfachung der Beschreibung tragen Teile in manchen Figuren die gleichen Bezugszeichen wie Teile in vorangehenden Figuren. Solche Teile mit gleichen Bezugszeichen dienendem gleichen oder einem ähnlichen Zweck.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt einen multivariablen Sender 2, der über einen Rohrflansch 6 mechanisch an ein Rohr 4 gekoppelt ist. Ein Fluss von Erdgas fließt durch das Rohr 4. Erfindungsgemäß empfängt der Sender 2 Differenzdruck, absoluten Druck und Temperatur und liefert ein multivariables Ausgangssignal einschließlich der Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse mit verringertem Energieverbrauch.
Ein 100-Ohm-RTD(Widerstands-Temperaturmessvorrichtung)-Temperatursensor 8 misst eine Prozesstemperatur stromabwärts vom Durchflusssender 2. Die analoge, gemessene Temperatur wird über ein Kabel 10 übertragen und tritt durch eine explosionssichere Anschlussfläche 12 am Rumpf des Senders in den Sender 2 ein. Der Sender 2 misst Differenzdruck, absoluten Druck und empfängt ein analoges Prozesstemperatur-Eingangssignal, was alles im gleichen Gehäuse stattfindet. Der Rumpf des Senders weist ein Elektronikgehäuse 14 auf, das über ein Gewinde in ein Sensormodulgehäuse 16 geschraubt wird. Der Sender 2 ist über einen genormten Rohrkrümmer mit drei oder fünf Ventilen mit dem Rohr 4 verbunden. Wenn der Sender 2 als ein Gasdurchflussrechner an einem entfernten Standort verbunden ist, so verbindet das Kabelrohr 20, das die verdrillte Zweitrahtpaarverkabelung enthält, die Ausgabe des Senders 2 mit einem Batteriekasten 22. Der Batteriekasten 22 wird wahlweise über einen Solarzellenträger 24 gespeist. Beim Betrieb als Datenerfassungs-Gasdurchflussrechner verbraucht der Sender 2 ca. 8 mA Strom bei 12 V, das bedeutet 96 mW. Ist der Sender 2 als multivariabler Hochleistungssender konfiguriert, so verbraucht er bei Verwendung einer entsprechenden Schaltenergieversorgung nur 4 bis 20 mA Strom, ohne eine Batterie als Reserve zu benötigen. Dies wird durch Reduzierungstechniken erreicht, die unten noch erläutert werden. Eine abschaltende Reglerschaltung (nicht gezeigt) stellt sicher, dass der Sender 2 weniger als 4 mA verbraucht.
In 2 misst ein auf Metallzellenkapazität basierender Differenzdrucksensor 50 den Differenzdruck an einer Blende im Rohr 4. Ein Dehnungsmess-Drucksensor 52 auf Siliziumbasis misst den Leitungsdruck des Fluids im Rohr 4, und ein 100-Ohm-RTD-Sensor 8 misst die Prozesstemperatur des Fluids im Rohr 4 an einer Stelle, die typischerweise stromabwärts der Differenzdruckmessung liegt. Ein auf einer analogen Sensorschaltplatte 68 befindlicher, kostengünstiger PRT 54 auf Siliziumbasis misst die Temperatur nahe den Drucksensoren 50, 52, und die digitalisierten Ausgangssignale aus dem Sensor 54 kompensiert den Differenz- und den Leitungsdruck. Die analoge Messwertaufbereitungsschaltung 57 filtert Ausgangssignale aus den Sensoren 8, 50 und 52 und filtert ebenfalls Versorgungsleitungen zu einer Gruppe von A/D-Schaltkreisen 58 bis 64. Vier Niederleistungs-Analog-Digital (A/D)-Schaltkreise 58 bis 64 digitalisieren in geeigneter Weise die unkompensierten gemessenen Prozessvariablen und liefern in geeigneten Zeitabständen vier jeweils 16 Bit breite Ausgaben an einen gemeinsamen seriellen Peripherie-Schnittstellenbus (SPS) 66. Die A/D-Schaltkreise 58 bis 64 sind Spannung oder Kapazität zu digitalen Konvertern, wie für die Digitalisierung des Eingangssignals geeignet, und sind gemäß den US-Patenten 4,878,012, 5,083,091, 5,119,033 und 5,155,455 des Anmelders der vorliegenden Erfindung aufgebaut. Die Schaltung 57, PRT 54 und die A/D-Schaltkreise 58 bis 64 sind physisch auf der analogen Sensor-Schaltplatte 68 im Sensorgehäuse 16 angeordnet.
Der Mikroprozessor 72 kompensiert gemessene und digitalisierte Prozessvariablen. Ein einziger Bus 76 übermittelt kompensierte Prozessvariablen zwischen dem Sensorgehäuse und dem Elektronikgehäuse 14. Ein zweiter Mikroprozessor 80 im Elektronikgehäuse 14 errechnet installationsspezifische Parameter und vermittelt Kommunikation mit einer Haupteinheit (nicht gezeigt). Der Aufbau des Senders 2 mit zwei Mikroprozessoren verdoppelt den Datendurchsatz im Vergleich zu einer Einheit mit nur einem Mikroprozessor mit gleicher Rechenfunktion und reduziert die Möglichkeit von Aliasing. Aliasing wird in dem Aufbau mit zwei Mikroprozessoren verringert, da er es möglich macht, dass die Prozessvariable zwei Mal so oft umgewandelt wird wie in einem Sender mit einem einzigen Mikroprozessor mit gleicher Aktualisierungsrate. Anders gesagt, da Kompensation und Berechnung funktionell getrennt sind, vermischt der Prozessor 80 die rechenintensive Kompensationsaufgabe nicht mit der Anwendungs- und Kommunikationsaufgabe. Im Sender 2 liefert der Sensor-Mikroprozessor 72 kompensierte Prozessvariablen, während der Elektronik-Mikroprozessor 80 gleichzeitig unter Verwendung kompensierter Prozessvariablen aus der vorhergehenden Aktualisierungsperiode den Massendurchfluss berechnet. So ist beispielsweise der Massendurchfluss ein installationsspezifischer physikalischer Parameter, wenn der Sender 2 als ein Gasdurchflusssender konfiguriert ist. Alternativ weist der Sender 2 passende Sensoren und Software für Trübungs- und Pegelmessungen auf, wenn er als analytischer Sender konfiguriert ist. Schließlich kann eine gepulste Ausgabe von Wirbel- oder Turbinenmessern anstelle der RTD-Eingabe eingegeben (und die Digitalisierungsschaltung entsprechend geändert) und für die Berechnung des Massendurchflusses verwendet werden. In unterschiedlichen Ausführungen des erfindungsgemäßen multivariablen Senders befinden sich Kombinationen von Sensoren (für Differenz-, Manometer- und absoluten Druck, Prozesstemperatur und analytische Prozessvariablen wie Gasmessung, pH-Wert und Elementargehalt von Fluiden) im Modulgehäuse 16 des Sensors und werden dort auch kompensiert.
Während der Herstellung des Senders 2 werden die Drucksensoren 50, 52 individuell durch Temperatur und Druck gekennzeichnet, und entsprechende Korrekturkonstanten werden im elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) 70 gespeichert. Der Mikroprozessor 72 ruft die im EEPROM 70 gespeicherten Kennzeichnungskonstanten ab und berechnet Polynome, um den digitalisierten Differenzdruck, den relativen Druck und die Prozesstemperatur zu kompensieren. Der Mikroprozessor 72 ist ein 68HC05C8-Prozessor von Motorola, der zum Zweck der Energieeinsparung mit 3,5 Volt arbeitet. Die digitale Sensor-Schaltplatte 67 befindet sich im Sensorgehäuse 16 und weist den EEPROM 70, den Mikroprozessor 72 und den Taktgeberschaltkreis 74 auf. Die Funktionalität auf den Schaltplatten 67 und 68 kann durch ASIC-Technologie (ASIC = Application Specific Integrated Cirucuit, applikationsspezifischer integrierter Schaltkreis) zu einer einzigen Sensorelektronikschaltplatte kombiniert werden. Der Bus 76 weist Leistungssignale, 2 Quittungsaustauschsignale und die drei zur Identifizierungs-Sonderimpulssignalisierung benötigten Signale auf. Ein Taktgeberstromkreis 74 auf der digitalen Sensor-Schaltplatte 67 liefert Taktsignale an den Mikroprozessor 72 und an die A/D-Schaltkreise 58 bis 64.
Ein 68HC11F1-Mikroprozessor 80 von Motorola auf der Ausgabe-Schaltplatte 78 entscheidet über Kommunikationsanfragen, die der Sender 2 über einen Zweidraht-Schaltkreis 82 empfängt. Ist der Sender 2 als ein Durchflussrechner konfiguriert, so aktualisiert er kontinuierlich den errechneten Massendurchfluss. Alle Massendurchflussdaten werden im Speicher 81 registriert, der solche Daten von bis zu 35 Tagen enthält. Ist der Speicher 81 voll, so schließt der Anwender den Gasdurchflussrechner 2 zur Analyse der Daten an ein anderes Medium an. Ist der Sender 2 als multivariabler Sender konfiguriert, so liefert er die gemessenen Prozessvariablen, die je nach Erfordernis Differenzdruck, absoluten Druck und Prozesstemperatur einschließen.
Wie oben beschrieben, sind Verfahren zur Berechnung der Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse nach dem Stand der Technik sehr komplex und benötigen viel Energie aufgrund der Anforderungen an den Mikroprozessor und den Speicher. In der Vergangenheit bedeutete eine Verringerung der Energie auch eine Verringerung der Genauigkeit bei der Berechnung der Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse. Die Erfindung bewältigt diese Einschränkung durch Charakterisierung dieser komplexen Gleichungen als Polynome und Speichern der Koeffizienten der Polynome in einem nichtflüchtigen Speicher. Der Mikroprozessor ruft die Koeffizienten für ein Fluid bei dessen Temperatur ab und berechnet den Massendurchfluss unter Verwendung des einfacheren (und daher weniger energieintensiven) Polynoms.
Der Mikroprozessor 80 berechnet die rechenintensive Gleichung für die Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse, die wie folgt dargestellt wird:
mit C_d = Ausströmungskoeffizient für einen mit Flanschen versehenen Blendenströmungsmesser;
d = Durchmesser der Messblendenbohrung in Zoll, berechnet bei Fließtemperatur (T_f);
E_v = Geschwindigkeit des Annäherungsfaktors
G_r = reale relative Gasdichte (spezifische Gravitation) bei Standardbedingungen;
h_w = Differenzdruck der Blende in Zoll bei 60°F Wassertemperatur;
P_f1 = Fließdruck bei Anzapfung stromaufwärts in Pfund Kraft pro Quadratzoll absolut;
q_v = Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse in Standardkubikfuß pro Stunde;
T_f = Fließtemperatur in Grad Rankine;
Y₁ = Expansionsfaktor (Anzapfung stromaufwärts);
Z_s = Verdichtungsfaktor bei Standardbedingungen (P_s, T_s); und
Z_f1 = Verdichtungsfaktor bei Fließbedingungen stromaufwärts (P_f1, T_f).
Es gibt eine Reihe von Normen zur Berechnung des Gasverdichtungsfaktors. Die American Gas Association (AGA) verkündete 1963 eine Norm, die ausführlich in "Manual for the Determination of Supercompressibility Factors for Natural Gas", PAR Research Project NX-19, beschrieben wird. 1985 führte die AGA eine weitere Richtlinie für die Berechnung des Verdichtungsfaktors ein, "Compressibility and Supercompressibility for Natural Gas and other Hydrocarbon Gases", AGA Transmission Measurement Committee Report Nr. 8, und 1992 verkündete sie die "Compressibility Factors of Natural Gas and other Related Hydrocarbon Gases", AGA Report Nr. 8 für den gleichen Zweck. Im AGA Report Nr. 8 (1992) werden die Verdichtungsfaktoren Z_s und Z_f1 definiert als:
wobei B ein zweiter Virialkoeffizient, K ein Mischgrößenparameter, D eine verringerte Dichte, C_n Koeffizienten, die Funktionen der Zusammensetzung darstellen, T die absolute Temperatur sind, und jede der Konstanten Hilfskonstanten enthält, die im AGA Report Nr. 8 definiert werden. Kurven des Verdichtungsfaktors als eine Funktion des Drucks bei unterschiedlichen Temperaturen sind in 3A und 3B jeweils für 100%-iges Methangas und Erdgas mit einem hohen Gehalt an Kohlendioxid gezeigt. Die direkte Berechnung der Verdichtungsfaktoren Z_s und Z_f1 ist sehr rechenintensiv, wenn ein Fluid eine große Anzahl von Bestandteilen enthält. Der Mikroprozessor 80 berechnet diese Verdichtungsfaktoren unter Verwendung von Koeffizienten, die aus Kleinstquadrattechniken abgeleitet werden. Da zahlreiche Fluide für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung in Betracht kommen und die Größe des Verdichtungsfaktors erheblich schwankt, sind bevorzugt Polynome folgender Form zu verwenden:
wobei A_ij eine Kurve, die zu abgeleiteten Konstanten passt, welche im EEPROM 70 gespeichert sind, T die Prozesstemperatur und P der absolute Druck sind, und wobei i und j je nach der zur Berechnung des Verdichtungsfaktors verwendeten AGA-Norm ganzzahlige Werte zwischen –9 und 9 annehmen. Ein Polynom mit 63 Termen genügt für die meisten Anwendungen. Polynome dieser Form und mit dieser Anzahl von Termen reduzieren die Rechenmenge gegenüber direkten Berechnungsverfahren, wodurch die Zeit zwischen Aktualisierungen der Ausgabe des Massendurchflusses und die Betriebsenergieanforderungen des Senders 2 verringert werden. Darüber hinaus wird bei einer derartigen Technik kein großer Speicher benötigt, um zahlreiche Hilfskonstanten zu speichern, was wiederum Energie spart.
Der Ausströmungskoeffizient C_d ist ebenfalls sehr rechenintensiv und wird für Rohre mit einem Durchmesser von weniger als 2,8 Zoll wie folgt errechnet:
Für Rohre mit einem Durchmesser von mehr als 2,8 Zoll wird der Ausströmungsfaktor wie folgt errechnet:
wobei β = d/D, d der Durchmesser der Ausströmbohrung, D der Innendurchmesser des Rohrs und R_D die Reynolds-Zahl sind, die errechnet wird mit R_D = ρVD/μ, wobei ρ die Fluiddichte, V die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit im Rohr und μ die Viskosität des Fluids sind. Wie der Verdichtungsfaktor wird auch der Ausströmungskoeffizient bevorzugt mit Hilfe stochastischer Kurvenermittlung festgestellt, aber unter Verwendung von Polynomen der Form
wobei b_j empirisch berechnet wird und β der obigen Definition entspricht. Polynome dieser Form reduzieren den Rechenaufwand gegenüber direkten Berechnungsverfahren, wodurch die Zeit zwischen Aktualisierungen der Ausgabe des Massendurchflusses und die Betriebsenergieanforderungen des Senders 2 verringert werden.
Der Sender 2 verfügt über einen positiven Anschluss 84 und einen negativen Anschluss 86, und bei Konfiguration als Durchflussrechner wird er entweder durch eine Batterie betrieben, während er Massendurchflussdaten von bis zu 35 Tagen registriert, durch eine herkömmliche Gleichstromversorgung. Bei Konfiguration des Senders 2 als multivariabler Hochleistungssender sind die Anschlüsse 84, 86 mit zwei Anschlüssen einer DCS-Steuerung 88 (die durch einen widerstand und eine Stromversorgung gebildet wird) verbunden. In diesem Modus kommuniziert der Sender 2 gemäß einem HART^®-Kommunikationsprotokoll, wobei die Steuerung 88 der Master und der Sender 2 ein Slave ist. Andere in der Prozesssteuerungsindustrie gebräuchliche Kommunikationsprotokolle können verwendet werden, wobei am Code des Mikroprozessors und an der Codierungsschaltung entsprechende Änderungen vorgenommen werden müssen. Der analoge Schleifenstrom-Steuerschaltkreis 100 empfängt ein analoges Spannungssignal von einem Digital-Analog-Wandler in einem ASIC 104 und liefert ein Stromausgangssignal von 4 bis 20 mA, die repräsentativ für jede beliebige Prozessvariable ist. Der HART^®-Empfangsschaltkreis 102 extrahiert von der Steuerung 88 über den Zweidrahtschaltkreis 82 empfangene digitale Signale und liefert die digitalen Signale an den ASIC 104, der solche Signals gemäß dem HART^®-Protokoll demoduliert und auch digitale Signale zur Übertragung auf den Zweidrahtschaltkreis 88 moduliert. Der Schaltkreis 104 weist ein Bell-202-kompatibles Modem auf.
Ein Taktgeberschaltkreis 96 liefert ein Echtzeit-Taktsignal, um eine absolute Zeit entsprechend einem registrierten Massendurchflusswert zu registrieren. Die optionale Batterie 98 stellt Reserveenergie für den Echtzeit-Taktgeber 96 zur Verfügung. Ist der Sender 2 als multivariabler Sender konfiguriert, so wird kein energieintensiver Speicher 81 mehr benötigt, und die Energieversorgung für die abschaltende Reglerschaltung erübrigt sich. Die Dioden 90, 92 bieten von hinten Schutz und Isolierung für die Schaltung im Inneren des Senders 2. Ein Energieversorgungsschaltkreis 94 für die abschaltende Reglerschaltung oder eine Stromversorgungskonstruktion mit einem mobilen aufgeladenen Kondensator liefert 3,5 V und andere Bezugsspannungen an die Schaltung auf der Ausgabe-Schaltplatte 78, die digitale Sensor-Schaltplatte 67 und die analoge Sensor-Schaltplatte 68.
In 4 ist das Sensorgehäuse 16 des Messsenders 2 mit der Anschlussfläche 12 zusammen mit einer sechseckigen Kabelhalterung 150 detailliert dargestellt. Die Anschlussfläche 12 ist für die Verwendung mit Kabeln anpassbar, die sowohl analoge als auch digitale, eine Prozessvariable repräsentierende Signale führen. Obwohl eine zylinderförmige Wandung gezeigt ist, die vom Sensorgehäuse 16 vorsteht, ist die vorliegende Erfindung auch mit einem bündigen Signaleingang ausführbar. Weiterhin ist die Anschlussfläche 12 als einstückig mit dem Gehäuse 16 verbunden gezeigt, doch sie kann auch eingeschraubt, laserverschweißt oder anders angefügt sein. Die armierte Verkabelung 152 weist 4 Signaldrähte 154 für eine Vierdraht-Widerstandsmessung auf, kann aber auch je nach Anforderungen andere Anzahlen von Signaldrähten aufweisen. Die armierte Verkabelung 152 weist eine leitfähige Abschirmung 155 auf, die die Signaldrähte 154 vor elektromagnetischen Interferenzen schützt und schließt mit einem Gummistopfen 156 mit einer Erdungsscheibe 158 mit dem Erdungsband 157 aus Kupfer ab. Die Abschirmung 155 ist durch das Kupferband 157 elektrisch mit der Erdungsscheibe 158 verbunden. Zwei Führungsbuchsen 163 und vier Signalverbindungsbuchsen 167 passen zu Führungsstiften 165 und Durchführungen 164 in einer geerdeten Platte 160, die in die Anschlussfläche 12 eingeschweißt ist. Die Platte 160 ist bevorzugt aus rostfreiem Stahl gefertigt, um korrosiven Umgebungen standhalten zu können. Die armierte Kabelanordnung mit dem armierten Kabel 152, dem Gummistopfen 156, der Scheibe 158, den Buchsen 167 und 163 und dem Kupferband 157 wird in die geerdete Platte 160 in der Wandung 12 eingepasst, und dann gleitet die mit einem Gewinde versehene sechseckige Halterung 150 über die Kabelanordnung und wird in das zylindrische Innengewinde der Wandung 12 eingeschraubt. Das Längsgewinde an der Anschlussfläche 12 schirmt das Gehäuse 16 vor Spannungen ab, die durch das 0,5''-NPT-Rohr hervorgerufen werden und die Genauigkeit der gemessenen Druckprozessvariablen unerwünscht beeinflussen.
Hinter der Platte 160 sind die Durchführungsstifte 164 mit optionalen Elektrostatikfiltern und elektromagnetischen Interferenzfiltern 166 verbunden, die so ausgelegt sind, dass sie Interferenzen aus Stellen im elektrischen Feld mit starken Störungen minimieren. Die Durchführungsstifte 164 sind in Glas eingekapselt, so dass die geerdete Platte 160 das Innere des Senders 2 gegen die Umgebung abdichtet. Da der Sender 2 in Bereichen angebracht sein kann, in denen gefährliche und/oder explosive Gase vorhanden sind, passt eine explosionssichere Klemme 168 zwischen eine Nut 170 in der Anschlussfläche 12 und ein Schraubenloch 172 in der sechseckigen Halterung 150. Eine Schraube 174 befestigt die explosionssichere Klemme 168 sicher an ihrem Platz. Wird die vorliegende Erfindung in explosionssicheren Anlagen angebracht, so wird die sechseckige Halterung 150 wie in 5 gezeigt durch ein Rohrverbindungsstück 180 ersetzt. Das Verbindungsstück 180 weist ein Innengewinde auf, welches so ausgelegt ist, dass es 0,5-Zoll-Rohre aufnehmen kann, wie sie in der Prozesssteuerindustrie gebräuchlich sind. Die explosionssichere Klemme 168 kann auch bei dieser erfindungsgemäßen Aus führungsform verwendet werden. Die Platzierung der Anschlussfläche 12 als einstückig mit dem Sensormodulhegäuse 16 ist bevorzugt, da das Signal nicht das Elektronikgehäuse durchläuft, in dem digitale Signale mit starken Störungen vorhanden sind. Vielmehr minimiert eine derartige Platzierung die Distanz, die das unkompensierte Temperatursignal vor der Digitalisierung durch den Sensor-Mikroprozessor 72 zurücklegen muss. Darüber hinaus könnte eine direkte Verbindung mit dem Elektronikgehäuse das Eindringen von Kondensation in das Gehäuse ermöglichen. Ein Eindringen durch das Sensormodul führt zu Modularität zwischen Einheiten, da der Kompensationsschritt und der Messwertaufbereitungsschritt in ein und demselben Sensormodul durchgeführt werden. Der duale Aufbau des mit der Anschlussfläche 12 am Sensormodul 16 gekoppelten Mikroprozessors ermöglicht einen reduzierten Energieverbrauch bei der Messung der drei Prozessvariablen, reduziert die Kompensationsfehler in jeder der drei Variablen und bietet ein kleineres Gehäuse mit weniger Gewicht als existierende Sender, die mit Ausgaben der Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Massen konstruiert sind.
In 6 weist das Differenzdruck-Messsystem 210 einen "Master"-Drucksender 212 und einen "Slave"-Drucksender 214 auf. Die Drucksender 212, 214 sind jeweils mit Schrauben an den Flanschen 216, 218 an Anschlüssen 220, 222 am Speicherbehälter 224 befestigt. Der Behälter 224 enthält ein Prozessfluid (nicht gezeigt). Das System 210 misst eine hydrostatische Druckdifferenz des Prozessfluids zwischen den Anschlüssen 220, 222. Der Abstand zwischen den Anschlüssen 220, 222 ist in der Größenordnung eines der Sender 212, 214 oder größer, so dass die Messung nicht mit einem einzelnen Sender durchgeführt werden kann, außer es werden ölgefüllte Kapillarrohrverlängerungen oder Impulsleitungen verwendet. Jeder der Sender 212, 214 weist einen Druckwandler und bevorzugt Anpassungselektronik auf, um eine elektrische Ausgabe zu liefern, die den Druck des Prozessfluids am jeweiligen Anschluss 220, 222 anzeigt. Die Sender 212, 214 können einen absoluten Druck, einen Differenzdruck oder (wie gezeigt) einen Manometerdruck des Prozessfluids am jeweiligen Anschluss 220, 222 messen, doch bevorzugt führen sie die gleiche Art von Messung durch, um Auswirkungen des Luftdrucks zu verringern.
Der Nebensender 214 überträgt eine elektrische Darstellung des Drucks des Prozessfluids am Anschluss 222 über die elektrische Verbindung 226 an den Hauptsender 212. Die Verbindung 226 kann ein abgeschirmtes Mehrleiterkabel mit an beiden Enden angebrachten genormten mehrpoligen elektrischen Verbindungsstücken oder aber ein biegsames Rohr mit einem oder mehreren hindurch verlaufenden Drähten aufweisen. Ein derartiges Rohr schützt den Draht oder die Drähte und schirmt, wenn es sich um ein elektrisch leitfähiges Rohr handelt, den Draht oder die Drähte vor elektromagnetischer Interferenz ab.
Der Hauptsender 212 misst nicht nur den Druck des Prozessfluids am Anschluss 220, sondern berechnet auch eine Druckdifferenz des Prozessfluids zwischen den Anschlüssen 220 und 222 durch Berechnung einer Differenz zwischen den Druckmessungen der Sender 212, 214. Sind die Drucksender 212, 214 für Manometerdruckmessung konfiguriert, so weist die errechnete Differenz zwischen ihren Ausgaben einen Beitrag aufgrund des Luftdruckunterschiedes zwischen den beiden Stellen auf, an denen die Drucksender angebracht sind. Dieser Luftdruckbeitrag kann durch eine Versatzeinstellung im Hauptsender 212 ausgeglichen oder, je nach der gewünschten Genauigkeit des Systems und vertikalen Trennung der Sender 212, 214, ignoriert werden.
Die Regeleinrichtung 230 sendet Befehle an und empfängt Signale vom Hauptsender 212 über die Zweidrahtverbindung 228 (vorzugsweise in einem HART^®-Format, zu beziehen von Rosemount Inc., Eden Prairie, Minnesota, USA), und der Hauptsender 212 kann, wenn gewünscht, auf die gleiche Weise mit dem Nebensender 214 kommunizieren. Die Regeleinrichtung 230 erregt den Hautpsender 212 über die Verbindung 228, und der Hauptsender 212 wiederum erregt den Nebensender 214 über die Verbindung 226. Bevorzugt stellt der Hauptsender 212 den elektrischen Strom, der durch die Verbindung 228 fließt, als eine Anzeige der berechneten Druck differenz des Prozessfluids auf einen Wert zwischen 4 mA und 20 mA ein.
Der Hauptdrucksender 212 ist detaillierter in 7 dargestellt. Zum Zweck der Klarheit ist der Abschnitt des Sendergehäuses oberhalb der Linie 213-213 im Verhältnis zu den Abschnitten des Sendergehäuses unterhalb der Linie 213-213 um 90° gedreht gezeigt. Ein Druckwandler 232, bevorzugt eine kapazitive Zelle, wie in den US-Patenten 4,370,890 und 4,612,812 beschrieben, spricht auf eine Druckdifferenz zwischen dem Prozessfluid am Druckanschluss 234 und der umgebenden Luft am Druckanschluss 236 an. wie gezeigt koppelt der Wandler 232 über die Trennmembranen 238, 240 und die beispielsweise mit Silikonöl gefüllten Passagen 242, 244 an die Druckanschlüsse. Der Druckwandler 232 kann alternativ den absoluten Druck des Prozessfluids am Anschluss 234 messen, in welchem Fall der Anschluss 236, die Membran 240 und die Passage 244 überflüssig sind. Die Messschaltung 246 koppelt über Drähte 245 an den Wandler 232 und stellt auf der Verbindung 248 auf den relativen oder absoluten Druck am Anschluss 234 hin ein erstes Druckausgangssignal P₁ bereit. Die Verbindung 248 und andere elektrische Verbindungen in den Zeichnungen sind mit einer dickeren Linie eingezeichnet, um klar herauszustellen, dass sie mehrere unabhängige Leiter aufweisen können. Bevorzugt weist die Schaltung 246 einen Thermistor oder einen anderen Temperatursensor auf (s. 10), der in enger thermischer Kommunikation mit dem Wandler 232 steht, und der von der Schaltung 246 als Ausgleich für die thermischen Eigenschaften des Wandlers 232 verwendet wird. Daher weist die erste Druckausgabe P₁ auf der Verbindung 248 eine verringerte Sensibilität für Temperaturschwankungen am Hauptsender 212 auf.
Von Vorteil ist dabei, dass der Hauptsender 212 die ΔP-Berechnungsschaltung 250 aufweist, die das erste Druckausgangssignal P₁ über die Verbindung 248 und ein zweites Druckausgangssignal P₂ über die Verbindung 248' empfängt und daraus die Druckdifferenz ΔP = P₂ – P₁ berechnet. Der Messwert P₂ gibt den relativen oder absoluten Druck am Anschluss 234' an und ist wie P₁ temperaturkompensiert. Die Schaltung 250 leitet dann die Druckdifferenz ΔP über die Verbindung 228 durch den Kommunikationsanschluss 252 im Gehäuse des Senders 212 zur Regeleinrichtung 230. In der in 6 und 7 gezeigten Ausführungsform sind P₁ und P₂ selbst beides Differenzdruckmessungen, da sie den Manometerdruck angeben. Die Schaltung 250 dient auch zum Antrieb der Schaltung 246 über die Verbindung 248 und der entsprechenden Schaltung 246' im Nebensender 214 (s. 9a) über die Verbindung 248'. Die Verwendung der dualen Sender 212, 214 und der Einschluss der ΔP-Berechnungsschaltung 250 im Hauptdrucksender 212 macht externe ölgefüllte Kapillarrohre wie auch eine separate Recheneinheit oder die Regeleiheit 230 zur Durchführung solcher Berechnungen überflüssig.
8 zeigt einen alternativen Hauptsender 260, ähnlich dem Hauptsender 212 aus 7, wobei ähnliche Teile gleiche Bezugszeichen tragen. Die Anschlussfläche 262 in der Nähe der Basis des Senders 212, die einen speziellen Kommunikationsanschluss zum Empfang des den Druck anzeigenden elektrischen Signals aufwies, ist im Sender 260 nicht vorhanden. Statt dessen koppelt die Schaltung 50 über die Drähte 264, die durch einen der beiden genormten Kommunikationsanschlüsse oben am Sender (siehe Anschlüsse 252, 253 des Senders 212 in 6) in das Sendergehäuse eintreten, an den Nebensender 214. Die Drähte 228, 264 koppeln über den Anschlussblock 266 und Durchführungen, die die Wandung des Sendergehäuses durchdringen, an die Schaltung 250. Dadurch, dass keine Anschlussfläche 262 und keine spezielle Kapelverbindung 226 mehr benötigt werden, kann ein Differenzdrucksystem mit eingebautem Sender 260 anstelle des Senders 212 kostengünstiger hergestellt werden.
9a ist eine detailliertere Darstellung des Nebendrucksenders 214 aus 6. Bezugszeichen mit Strichindex bezeichnen Bauteile mit der gleichen Funktion wie vorher bereits beschriebene Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen ohne Strichindex. Ein Strichindex (') wurde hinzugefügt, um das nummerierte Bauteil mit dem Nebendrucksender 214 in Verbindung zu bringen. von Vorteil ist, dass der Nebensender 214 einen Drucksender 232' und die Messschaltung 246' verwendet, die im Wesentlichen identisch mit dem entsprechenden Sender 232 und der entsprechenden Schaltung 246 des Hauptsenders 212 oder 260 sind. Eine derartige Verdoppelung von Bauteilen verringert das zur Herstellung benötigte Inventar und reduziert die Kosten. Die Verbindung 226 tritt durch einen einzigen Kommunikationsanschluss 268 in den Nebendrucksender 214 ein. Die Verbindung 226 endet in einem an ihrem Ende angebrachten mehrpoligen Anschlussstück, das abnehmbar mit einem entsprechenden Gegenstück 270 verbunden ist, wodurch die elektrische Verbindung 248' vervollständigt wird.
9b zeigt einen alternativen Nebensender 272 unter Verwendung eines Anschlussblocks 274 und der Kommunikationsanschlüsse 276, 278 anstelle des Anschlusses 268 und des Gegenstücks 270 des Senders 214. Eine derartige Substitution erlaubt dem Kunden die Verwendung eines genormten Metallrohrs mit Durchführungsdrähten zum Anschluss des Nebensenders an den Hauptsender. Der Nebensender 272 kann zusammen mit dem Hauptsender 260 als ein Differenzdruck-Messsystem verwendet werden. Die oben beschriebene Messschaltung 246' ist als ein Paar von miteinander und mit dem Wandler 280 durch das Bandkabel 245' gekoppelten Schaltplatten gezeigt. Der Sender 272 weist den Druckwandler 280 auf, der den absoluten Druck des Prozessfluids am Druckanschluss 234' misst.
10 ist ein elektrisches Blockdiagramm des in 6, 7 und 9a gezeigten Differenzdruck-Messsystems. Das System 210 weist die mit den Wandlern 232 und 232' gekoppelte Berechnungsschaltung 250 auf. 10 zeigt die Messschaltung 246 detaillierter. Die Schaltung 246 koppelt über die Leitungen 245 an die Kondensatoren 290 und 292 im Wandler 232. Die Kondensatoren 290 und 292 können für die Messung von Differenzdruck konfiguriert sein. Die Schaltung 246 weist eine Widerstands-Temperaturvorrichtung (RTD) 298 auf, die mit einer Messeingangsschaltung 300 gekoppelt ist, die auch an die Kondensatoren 290 und 292 des Wandlers 232 koppelt. Der Analog-Digital-Wandler 304 koppelt über den Multi plexer 302 und die Schaltung 300 selektiv an den Wandler 232 oder die Widerstands-Temperaturvorrichtung 298. Der Analog-Digital-Wandler 304 koppelt an den Mikroprozessor 306, der auch mit dem Speicher 308 verbunden ist. Der Speicher 308 enthält verschiedene Informationen, darunter Informationen bezüglich Nullpunkt und Spanne sowie verschiedene Koeffizienten zur Korrektur beispielsweise der Nichtlinearität der Ausgabe des Wandlers 232 mit Druck und der Schwankung der Ausgabe des Wandlers 232 mit Temperatur. Der Mikroprozessor 306 steht mit der Berechnungsschaltung 250 über die Leitung 248 in Verbindung und liefert ein Druckausgangssignal P₁ als eine Funktion des Ausgangssignals des Wandlers 232, das durch den Nullpunkt- und Spannenwert angepasst und durch die Korrekturkoeffizienten zusammen mit dem Ausgangssignal der Widerstandstemperaturvorrichtung 298 korrigiert wurde. Die Schaltung 250 kann die Inhalte des Speichers 308 über die Leitung 248 programmieren.
Die Schaltung 250 weist den Differenzschaltkreis 312, den Mikroprozessor 314 und den Speicher 316 auf. Der Mikroprozessor 314 koppelt an die Schaltung 246 und 246', den Differenzschaltkreis 312, den Speicher 316, die Stromregelung 318 und die serielle Schnittstelle 320. Der Differenzschaltkreis 312 empfängt auch die Ausgaben von 246 und 246'. Der Mikroprozessor 314 steht mit der Schaltung 246, 246' über die Verbindungen 248, 248' in Verbindung. Der Mikroprozessor 314 steuert den Mikroprozessor 306 zur Konfiguration der Schaltung 246. Darüber hinaus werden Druckinformationen direkt zum Mikroprozessor 314 geleitet, und die Druckdifferenz ΔP wird über den Differenzschaltkreis 312 an den Mikroprozessor 314 geleitet. Der Mikroprozessor 314 kommuniziert über die Zweidrahtverbindung 228 und steuert den Strom, der durch die Schleife 228 fließt, unter Verwendung der Stromregelschaltung 318 auf gemessene Druckwerte hin. Die serielle Schnittstelle 320 dient zur digitalen Kommunikation über die Stromschleife 228.
Die Mikroprozessoren 306 bzw. 306' in den Schaltungen 246 bzw. 246' führen Korrektur- und Kompensationsfunktionen bezüglich des von den Sensoren 232 bzw. 232' gemessenen Drucks aus. Die Mikroprozessoren 306, 306' verwenden im Speicher 308, 308' gespeicherte Korrekturkoeffizienten. Daher sind die Einheiten 246, 246' leicht austauschbar und können während der Herstellung individuell kalibriert werden.
Typische Verfahren nach dem Stand der Technik zur Druckmessung von einem entfernten, vom Sender getrennten Standort aus arbeiten mit einem kleinen ölgefüllten Kapillarrohr zur Kommunikation mit dem entfernten Wandler, wie im Abschnitt "Hintergrund" bereits beschrieben.
Die vorliegende Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Sensormessungen von einem entfernten Standort aus werden unmittelbar in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das elektrische Signal kann an dem entfernten Standort kompensiert werden, wodurch das Signal, das zum Sender geleitet wird, äußerst präzise ist. Im Betrieb kommuniziert das in 10 gezeigte System über die Verbindungen 248 und 248' mit den Schaltkreisen 246 und 246'. Wie in 7 gezeigt, befinden sich die Schaltung 246 und der Wandler 232 im Sender 212. Die Schaltung 246' und der Wandler 232' befinden sich in einem separaten abgeschlossenen Raum, der vom Sender 212 getrennt ist. In der in 6 gezeigten Ausführungsform befindet sich die Schaltung 246' im Nebensender 214. Man beachte, dass, obwohl die Einheit 214 als ein "Sender" beschrieben wurde, die Einheit 214 jegliche Art von entfernter Wandeleinrichtung enthalten kann, die elektrische oder andere nicht-strömungsmechanische Ausgangssignale zum Sender 212 leitet.
Die Schaltung 250 liefert auch verschiedene Alarmsignale. Die Schaltung 250 sendet ein "HI"-Alarmzustandsignal zur Regeleinheit 230, indem sie das Signal auf den Drähten 228 dazu veranlasst, einen normalen Bereich zu überschreiten, und sie sendet ein "LO"-Alarmzustandsignal, indem sie das Signal dazu veranlasst, unter einen normalen Bereich zu sinken. Der Alarm kann durch die Schaltung 250 für eine Reihe von Zuständen ausgelöst werden, u. a. das Auftreten des Zustands, dass P1, P2 oder ΔP auf einen Wert außerhalb eines vorgegebenen Bereichs fallen. Diese Information dient zur Einstellung eines Warnzustandes durch Zwingen des Schleifenstroms auf einen gesättigten hohen oder niedrigen Wert. Andere Parameter könnten für Warnzustände untersucht werden, so beispielsweise die Dichte.
Darüber hinaus liefert die Schaltung des Systems 210 nicht nur Nullwert, Spanne und Korrekturkoeffizienten individuell für die Drücke P1 und P2 über den Speicher 306 bzw. 306', sondern sie kann auch Nullwert, Spanne und Linearisierungs- und Temperaturkorrekturkoeffizienten für die Ausgabe ΔP über den Speicher 316 liefern. Eine Energieeinsparung lässt sich durch das Multiplexen von Signalen erzielen, die durch die Leitungen 248, 248' geleitet werden. In einem typischen Betriebsvorgang kann das gesamte System durch ein 4-mA-Signal und 12 Volt angetrieben werden, die aus der Stromschleife 228 erhalten werden. Zwar sind kapazitive Drucksensoren gezeigt, doch können auch andere Arten von Druckwandlern, wie beispielsweise Dehnungsmesser, verwendet werden. Weiterhin können die verschiedenen gezeigten elektrischen Verbindungen durch optische Verbindungen ersetzt werden. Beispielsweise kann die Verbindung zwischen der Schaltung 250 und der Schaltung 246' aus einer oder mehreren optischen Fasern bestehen.
In einer in 6 bis 10 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform misst der Hauptsender 212 den Differenzdruck an einer Blende in einem Durchflussrohr, während der Nebensender 214 entlang dem Durchflussrohr stromaufwärts oder stromabwärts vom Sender 212 positioniert ist und den absoluten Druck des Prozessfluids misst.

Claims

Zweidrahtsender (2) zum Liefern eines mit einem Prozess in Zusammenhang stehenden physikalischen Parameters, wobei der Sender Folgendes aufweist: ein Modulgehäuse (16), das einen Drucksensor (50) zum Messen einer den Prozess repräsentierenden Druck-Prozessvariablen aufweist, sowie eine Vorrichtung (12) zum Empfangen eines eine zweite Prozessvariable repräsentierenden Signals; Digitalisierungseinrichtungen (58, 60, 62, 64) zum Digitalisieren der gemessenen Prozessvariablen; und ein Elektronikgehäuse (14), das an das Modulgehäuse (16) und an einen Zweidraht-Schaltkreis (82) gekoppelt ist, wobei das Elektronikgehäuse (14) eine Mikrocomputervorrichtung (80) zum Liefern des physikalischen Parameters als Funktion der gemessenen Prozessvariablen sowie eine Ausgabevorrichtung zum Formatieren des physikalischen Parameters und zum Koppeln des Parameters auf die zwei Drähte aufweist.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalische Parameter die Durchflussgeschwindigkeit und -menge der Masse ist, bei welcher der Drucksensor (50) einen den Prozess repräsentierenden Differenzdruck misst, und das Sensor-Modulgehäuse (16) ferner einen zweiten Sensor (52) aufweist, der einen den Prozess repräsentierenden Leitungsdruck misst, sowie einen dritten Sensor (8), der eine den Prozess repräsentierende Prozesstemperatur misst.
Sender nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Empfangen des Signals eine Anschlussfläche (12) ist.
Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Halterung (150, 168) über ein Gewinde in die Empfangsvorrichtung (12) erstreckt, und die Halterung (150, 168) ein Vierdrahtkabel (152, 154, 155) sichert.
Zweidrahtsender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher eine Elektronikeinrichtung (67, 78) zum Berechnen der Durchflussgeschwindigkeit oder -menge des Prozessfluids als Funktion der in einem Speicher (81) gespeicherten Koeffizienten einschließt.
Sender nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinrichtung (67, 78) die Durchflussgeschwindigkeit oder -menge der Masse berechnet, indem sie einen Verdichtungsfaktor in der nachfolgenden Form verwendet:
wobei Z = Verdichtungsfaktor A = eine Ableitungskonstante P = absoluter Druck T = Prozesstemperatur
Sender nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinrichtung (67, 78) die Durchflussgeschwindigkeit oder -menge der Masse berechnet, indem sie einen Ausströmungskoeffizienten in der nachfolgenden Form verwendet:
wobei C_d = Ausströmungskoeffizient a = eine Konstante
ρ = Fluiddichte V = durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit D = Innendurchmesser des Rohrs μ = Viskosität des Fluids b = eine empirisch berechnete Konstante β = d/D, wobei d = Durchmesser der Ausströmbohrung
Sender nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinrichtung (67, 78) einen ersten Mikroprozessor (72) zum Kompensieren der Prozessvariablen aufweist, und die Mikrocomputervorrichtung einen zweiten Mikroprozessor (80) aufweist.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Halterung (180) über ein Gewinde in die Empfangsvorrichtung (12, 16) erstreckt und die Halterung ein Innengewinde zum Anschluss an ein Rohr aufweist.