專利名稱：工業過程中的沖擊管道診斷的制作方法
技術領域：
本發明涉及過程裝置。具體而言，本發明涉及通過過程通道(processpiping)連接到過程流體的過程裝置。
背景技術：
各種類型的過程裝置被用于測量過程變量并通過過程管道連接到過程流體。例如，流體流量計在工業過程控制環境中用于測量流體流，并提供與流指示器和過程控制器相關的輸出。推導式流量計通過測量管之內的不連續附近的壓降而測量管內的流體流。不連續(主元件)可以是孔、噴嘴、文氏管、皮托管、渦旋脫落桿、物體或者甚至管內的簡單彎曲。圍繞不連續區域的流導致壓降并增加湍流。壓降通過放置在管之外并通過沖擊管線(impulse lines)或者沖擊(impulse)通道連接到管內的流體的壓力傳感器(輔助元件)檢測。這些連接也稱為沖擊管道(impulse piping)。可靠性依賴于保證正確的校準。沖擊線路隨著時間可能變得堵塞，這負面地影響校準。
沖擊管線的卸裝和檢測是用于識別和校正線路的堵塞(plugging)的方法。用于檢測堵塞的另外的方法是從壓力傳感器周期地將“檢測脈沖”增加到測量信號。該檢測脈沖導致連接到傳感器(transmitter)的控制系統干擾流體。如果壓力傳感器不能準確地檢測流體擾動，將產生指示管線堵塞的警報信號。另外的用于檢測管線堵塞的公知的方法是傳感靜壓力和壓差，然后產生指示線路堵塞的警報信號。另外的用于檢測線路堵塞的公知方法是檢測靜壓力并將它們通過高通和低通濾波器。從濾波器獲得的噪音信號與閾值進行比較，如果噪音中的變化小于閾值，可以觸發指示管道堵塞的警報信號。
這些公知的方法依賴于提供靜壓力傳感器，流量計的卸裝或者用于診斷的外部控制系統的使用。所述方法增加了復雜性并減小了可靠性。這樣需要一種改進的診斷技術，所述診斷技術可以提供預測、反應維護更少，從而減小成本或者改進可靠性。
發明內容
提供了一種用于診斷工業過程中的沖擊管道線路的診斷操作的裝置和方法。振動源將振動信號通過管道傳送到被配置以接收振動信號的接收器。管道的操作基于所接收的振動信號而被診斷。
圖1是顯示了包括本發明的過程沖擊管道診斷的過程裝置的簡化方框圖。
圖2是傳感器和過程耦合(process coupling)的分解透視圖。
圖3A是俯視平面圖，圖3B是側視剖面圖，圖3C是如圖2中所示的過程耦合的部分剖視圖。
具體實施例方式
圖1是包括連接到過程管104的過程傳感器102的過程控制或者監測系統100的部分視圖。過程管104可以是任何類型的容器，所述容器承載過程流體，包括例如儲存容器。過程管104承載過程流體，傳感器102被配置為測量過程流體的過程變量，例如壓力，并提供輸出。輸出的一個實例是雙線過程控制環106，所述雙線過程控制環106根據例如HART協議、Fieldbus，Profibus等標準通信協議來進行操作。
傳感器102通過過程連接110連接到過程流體。過程連接提供沖擊管道112，所述過程管道112在過程流體和例如壓力傳感器114的傳感器之間延伸。沖擊管道112可以是承載過程流體的直接流體連接，在一些實施例中，如果需要可以包括隔離隔膜，以將耦合到傳感器114的填充流體與過程流體隔離。
在操作期間，沖擊管道112可能變得堵塞。堵塞可能是部分的或者是完全的。如背景技術部分所討論，各種技術被用來診斷和識別沖擊管道112的這樣的堵塞。部分堵塞可能特別難于識別，因為沖擊管道沒有完全堵住，傳感器114繼續報告可能不準確的數據。
本發明提供了一種用于識別沖擊管道112的阻塞或者堵塞的技術。在如圖1所示的實施例中，過程傳感器102包括連接到傳感器114的測量電路120。輸入/輸出電路122連接到過程控制環106并提供用于測量電路120的輸出，所述輸出與傳感器114的輸出相關。例如，該輸出可能涉及過程流體的壓力，過程流體的流速、過程流體的水平或者其他過程變量。
根據本發明的一個實施例，傳感器100包括診斷電路140，所述診斷電路140具有存儲器141。診斷電路140連接到傳感器142。傳感器142物理地連接到過程沖擊管道112，例如通過連接到過程連接110或者通過其他連接。傳感器142可以是單個傳感器或者可以是通過信號源144和信號接收器146所形成的兩個單獨的傳感器。在一些實施例中，傳感器146是提供發送和接收功能的單個元件。發送和接收功能可以連續地操作或者可以多路傳輸(multiplexed)。
根據本發明的一個實施例，信號源144是將振動信號發送到沖擊管道線路112中的振動信號源。振動的譜成分(spectral content)可以根據需要選擇。例如，譜成分可以包括大體上在相對恒定的振幅的隨機噪音，所述噪音具有低于選擇的上限的頻率。為了基于反射信號的診斷，更高頻率的聲頻范圍是有利的。更高的頻率更具有取向性(directional)，并更容易沿著部分堵塞的線路從聚集的位置處往回反射。因為堵塞位置產生了低通濾波器，低頻信號不能從堵塞位置反射，但是可以被傳送，這依賴于低通濾波器的特性。同樣，短脈沖串(short burst)聲學信號使用更高的頻率更容易產生，這允許確定提供反射的界面的位置。這對于濕/干支路(leg)物位高度診斷(level height diagnostics)中特別重要。直至40KHz的頻率對于該類型的突發模式信號是有用的。突發模式信號也允許偵聽在脈沖串(burst)之間的異常噪音模式的過程噪音譜。突發噪音頻率沒有被過程噪音屏蔽(mask)是很重要的。在優選的實施例中，與測量的背景噪音譜相比，對于最大的信噪比，被發送的詢問信號的準確頻率將被改變。
本發明的診斷沒有依靠環境噪音，而是利用了源144來產生振動噪音。接收器146被配置以從沖擊線路112接收振動噪音并將信號提供給診斷電路140。因為噪音源144提供了具有恒定的輪廓(profile)或者根據需要調節的輪廓的隨機噪音，診斷電路140可以區別所接收的信號中的變化并識別變化源是由于沖擊線路112的堵塞的改變還是通過源144所施加的振動信號中的改變所引起的。傳感器146可以連接到作為單獨的部件的過程集管或者可以容納在傳感器102的主體之內。任何合適的傳感器和接收器結構可以被使用。一種類型的變送元件是優選地適于高溫安裝的壓電元件。但是，可以使用包括電動機械等的任何技術。為了改進效率，壓電元件可以有效地沿著聲能傳輸的所需方向耦合到集管，并在其他方向上去耦(decouple)。該結構增加了沿著所需的方向上所施加的噪音信號和敏感性。
根據一個實施例，圖2是與過程連接件110相鄰的過程傳感器102的分解透視圖。但是，連接件110可以是任何類型的連接或者凸緣結構。在圖2中，過程連接件110被顯示為用于將壓差傳感器連接到過程管104的三通閥集管凸緣。凸緣110包括閉塞閥110A、110B以及平衡閥110C。壓差測量可以例如用于測量流速或者產品物位(product level)。過程傳感器102包括連接到測量模塊160的傳感器模塊162。傳感器模塊162包括壓差傳感器，所述壓差傳感器通過一系列過程沖擊管道線路連接到過程流體。典型地，隔離隔膜(isolation diaphragms；未示出)包含在傳感器102的表面內，所述傳感器102安裝到過程連接件110的表面170。延伸通過過程連接件110的一部分沖擊管道112可以在圖2中看到。
按照一個實施例，傳感器142連接到過程連接件110的側面并通過布線172、插頭174和插座(receptacle)176連接到傳感器102的診斷電路140(如圖1中所示)。優選地，插頭174和插座176被配置以達到真正安全的要求，并對環境提供密封。在圖2中，顯示了兩個傳感器142并通過過程連接件110用于診斷兩個沖擊連接112的阻塞。可以理解，對于例如測量絕對或者表壓(gauge pressure)的其他應用，對于一個沖擊線路只需要僅一個傳感器。
圖3A是傳感器142安裝到其側面上的過程連接件110的俯視平面圖。過程連接件110包括被配置以阻塞所述沖擊管道112的閉塞閥110A、110B。傳感器142延伸通過孔182并進入沖擊管道112。
圖3B是顯示在圖3A中的過程連接件110的側面剖視圖，圖3C是顯示在圖3B中的剖視圖的放大部分透視圖。如圖3C中所示，沖擊管道112包括多個部件。沖擊管道112包括如圖1所示連接到過程管104的過程連接管道190。管道190通過固定件192連接到過程連接件110。主體110內的主腔194被配置以容納管道190、傳感器142的尖部194和閥110B。閥1110B被配置以根據需要將腔部192與傳感器連接196密封。
如圖3C中所示，振動信號200通過傳感器142經由過程沖擊管道112傳送和接收。在如圖3C所示的實施例中，傳感器142的尖部194被傾斜并被配置為沿著從傳感器102離開的方向指引振動信號200。當傳感器142被顯示為連接到傳感器102時，可以使用其他結構，包括單獨連接到傳感器142，這不需要來自傳感器102的電源。
在操作期間，如圖1所示的診斷電路140控制傳感器146的操作。如圖1所示的診斷電路140控制傳感器146的操作。在一些實施例中，振動信號200的譜成分(spectral content)通過診斷電路140控制。例如，診斷電路140可以包括模數轉換器，所述轉換器將通過接收器146接收的信號數字化。模擬電路也可以被用于一些實施例中。高級數字處理技術可以被使用，包括對所接收的信號執行快速傅立葉變換(FFT)。
堵塞或者部分堵塞的線路條件可以基于所接收的振動信號檢測。例如，聲學噪音的、包括噪聲寬譜脈沖串的信號，或者掃頻信號(sweptsignal)通過噪音源144施加到沖擊管道112。噪音脈沖串可以直接地連接到過程連接110中，這樣其沿著過程流體在沖擊管道112內行進。如果整個或者部分界面由于堵塞、部分填充的濕或者干支路(leg)或者其他條件而在線路112中存在，一部分聲學能量被反射回傳感器142的接收器146。傳感器將該接收的聲學能量轉換為電信號，所述電信號被提供給診斷電路140。另一方面，如果不存在由于阻塞所導致的故障狀態，只被反射的信號將只是由于固定件、彎曲部和線路112中的正常阻塞。這些反射是由于固定源所導致。這樣，在名義條件中的過程沖擊線路112的聲學輪廓可以被存儲在診斷電路140的存儲器141中。在操作期間，實際的被反射的信號可以與存儲的輪廓(profile)進行比較。被存儲的輪廓和所接收的反射信號之間的變化被診斷電路140用來識別過程線路112中的故障或者將來臨的故障。因為施加的聲學信號是已知的，為了識別線路堵塞，與現有技術相比，本發明在環境噪音中不太容易受到變化。
在一些實施例中，本發明被用于檢測過程連接的濕或者干支路中的故障狀態。濕支路典型地用于基于壓力差的物位測量(level measurement)應用中，其中至箱或者其他容器的頂部連接用沖擊線路被連接到傳感器的低壓輸入部，所述沖擊線路特意保持填充過程流體。但是，可能需要維護，當濕支路只是部分填充流體時性能可能降低。最壞的情況是其中濕支路填充水平隨著時間變化。這可能導致測量不準確。干支路(dry leg)安裝是相似的，除了沖擊線路特意保持沒有過程流體，即線路是干的。任何填塞在干的支路中的流體導致傳感器測量中的明顯漂移。通過檢測濕或者干沖擊線路中的流體水平，本發明可以檢測所述水平不合適的時間并響應地提供診斷輸出。
當沖擊線路變得堵塞，所述堵塞趨于用作低通濾波器。更高頻率的傳感器信號被衰減并部分反射回到傳感器142。診斷電路140可以識別被反射的信號的譜成分中的改變，這可能是線路堵塞的指示。在預定水平的衰減上，例如，早期的警告報警可以通過輸入/輸出電路122在過程控制環106上通信至遠處的位置。
除了檢測來自源144的反射信號之外，接收器146也可以用于檢測環境過程噪音。這可以用于診斷例如泵故障、氣穴現象等的診斷過程條件。這可以與其他診斷技術連接并用于在所述過程中診斷其他條件。
本發明的基于振動的診斷也可以被用于識別過程傳感器102中的隔離流體的損耗。如上所述，典型的隔離隔膜被使用，其將過程流體從傳感器114隔離。隔離流體將隔離隔膜連接到傳感器114，這樣過程壓力中的變化通過隔離隔膜和隔離流體油至過程傳感器。但是如果隔離流體泄漏，在傳感器測量中引起錯誤，傳感器將最終發生故障。油/隔離器/傳感器形成用于聲音信號的低通濾波器。當填充流體油在傳感器中丟失，該低通濾波器的特性改變。低通濾波器的拐角(即，信號減小3dB處的頻率)頻率隨著隔離填充流體丟失移動下降。本發明的傳感器可以用于識別該低通濾波器中的變化并診斷填充流體損耗條件。診斷電路140將被反射的信號與已知輪廓進行比較以確定填充流體損耗。
診斷電路140也提供自診斷。例如，過程沖擊管道112中的特定的堵塞和結構提供了被反射的脈沖的固定或者已經建立的時間延遲和振幅。測量隨著時間的時間延遲和振幅，診斷電路140可以識別傳感器142的性能降低或者故障。
本發明的診斷可以使用單個傳感器或者通過多個傳感器來實施。診斷電路和傳感器可以并入傳感器電子設備或者可以作為單獨的裝置的一部分。傳感器可以連接到包括其他集管結構的任何類型的過程沖擊管道。不同類型的傳感器可以包括壓力、溫度、pH、流體、物位(level)和其他類型。診斷電路140可以與裝置中的其他電路共享部件，例如微處理器、存儲器、放大器、模數轉換器、數模轉換器等。診斷電路可以用硬件、軟件或者它們的組合來實施。
盡管本發明已經參照了優選的實施例進行了描述，普通技術人員將理解，在不背離本發明的精神和范圍的情況下可以對細節和形式進行修改。例如，振動信號可以是任何合適頻率或者譜成分。信號可以脈沖串或者脈沖連續地施加，或者是例如斜波信號(ramped signal)等的其他的波形。診斷電路可以將所接收的振動信號與參考值進行比較并識別信號中的趨勢或者突然改變。此外，診斷電路可以監測背景噪音，例如當振動源關閉時，并將被監測的環境噪音與所存儲的噪音譜或者標記進行比較。所述比較可以提供過程設備的異常或者將來臨的故障的指示。在一些實施例中，振動信號的頻率或者譜成分根據需要調節。例如，譜成分可以被調節以實現所需的信噪比。本發明的診斷電路也可以被配置以診斷形成物位測量裝置的被填充毛細支路的類型的沖擊管道中的變化，例如故障模式。在這樣的結構中，傳感器提供了物位測量輸出。實例故障包括油的損耗、破裂的或者丟失過程隔離器，或者彎曲或者斷裂的毛細支路管。
權利要求
1.一種用于診斷工業過程中的沖擊管道線路的診斷操作的裝置，包括振動信號源，所述振動信號源被配置以通過沖擊管道線路傳送振動信號；振動信號接收器，所述振動信號接收器被配置以從沖擊管道線路接收振動信號；和診斷電路，所述診斷電路被配置以基于所接收的診斷信號診斷沖擊管道的操作。
2.根據權利要求1所述的設備，其中診斷電路被進一步配置用于監測背景噪音。
3.根據權利要求1所述的設備，其中所述診斷電路包括用被存儲的參考噪音標記(signature)監測的背景噪音以識別過程設備的故障或者將來臨的故障。
4.根據權利要求1所述的設備，其中振動信號的頻率被調節以改變信噪比。
5.根據權利要求1所述的設備，其中診斷電路被配置以診斷形成物位測量裝置的填充毛細支路的沖擊管道中的變化。
6.根據權利要求1所述的設備，其中診斷電路包括存儲器，所述存儲器包含被接收的振動信號的譜輪廓。
7.根據權利要求1所述的設備，其中診斷電路包括將所接收的振動信號與參考值進行比較。
8.根據權利要求1所述的設備，其中振動信號源和信號接收器通過傳感器形成。
9.根據權利要求1所述的設備，其中振動信號包括噪音信號。
10.根據權利要求1所述的設備，其中振動信號具有小于約20Hz的頻率。
11.根據權利要求1所述的設備，其中振動信號源和振動信號接收器連接到過程連接件。
12.根據權利要求1所述的設備，其中沖擊管道線路將壓力檢測元件連接到過程流體。
13.根據權利要求1所述的設備，其中振動信號源被配置沿著沖擊管道線路的長度指引被傳送的振動信號。
14.根據權利要求11所述的設備，其中振動信號源和振動信號接收器被插入通過和設置在凸緣內的開口中。
15.一種傳感器，包括如權利要求1所述的裝置。
16.根據權利要求15所述的設備，其中所述傳感器包括流體壓力或者物位傳感器。
17.根據權利要求15所述的設備，其中所述傳感器包括傳感器殼體，振動信號源和振動信號接收器通過傳感器殼體中的開口連接到傳感器內的診斷電路。
18.根據權利要求15所述的設備，其中所述傳感器被配置為連接到雙線過程控制環并被配置以用從過程控制環接收的電源完全提供動力。
19.根據權利要求1所述的設備，其中所述診斷電路被配置為診斷沖擊管道線路的堵塞或者填充流體的損耗。
20.根據權利要求1所述的設備，其中診斷電路被配置以診斷形成物位測量裝置的濕支路的沖擊管道線路中的變化。
21.根據權利要求1所述的設備，其中診斷電路基于所接收的振動信號執行自診斷。
22.一種用于診斷工業過程中的沖擊管道的操作的方法，包括沿著沖擊管道發送振動信號；從沖擊管道線路接收振動信號；和基于所接收的振動信號診斷沖擊管道的操作。
23.根據權利要求22所述的方法，其中所述診斷包括重新得到所接收的振動信號的譜輪廓。
24.根據權利要求22所述的方法，其中所述診斷包括將所接收的振動信號與參考值進行比較。
25.根據權利要求22所述的方法，其中振動信號包括噪音信號。
26.根據權利要求22所述的方法，其中振動信號具有小于大約20Hz的頻率。
27.根據權利要求22所述的方法，其中包括將振動信號耦合至過程連接件。
28.根據權利要求22所述的方法，其中所述沖擊管道將壓力傳感器耦合到過程流體。
29.一種傳感器，所述傳感器執行權利要求22所述的方法。
30.根據權利要求22所述的方法，其中包括診斷沖擊管道中的填充流體的損耗。
31.根據權利要求22所述的方法，其中包括診斷形成物位測量裝置的濕或者干支路的沖擊管道中的變化。
32.根據權利要求22所述的方法，包括基于所接收的振動信號執行自診斷。
全文摘要
提供了一種在工業過程中的沖擊管道線路(112)的診斷操作。振動源(144)將振動信號通過管道進行發送，振動信號接收器(146)接收振動信號。沖擊管道線路(112)的操作基于所接收到的振動信號被診斷，例如故障或者即將發生的故障。
文檔編號G01F25/00GK1898535SQ200480038777
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月10日 優先權日2003年12月23日
發明者格雷格里·C·布朗, 馬克·S·舒馬赫 申請人:羅斯蒙德公司