用于渦輪式流量計的運行狀態監控器的制造方法
【專利摘要】一種用于渦輪式流量計的監控模塊，包括接收器，該接收器接收由渦輪式流量計發出的一系列脈沖。頻率識別器識別所述一系列脈沖中的脈沖的頻率，并且平均值識別器確定脈沖的頻率的平均頻率。警報系統使用所述平均頻率以確定何時應當發出警報。
【專利說明】
用于渦輪式流量計的運行狀態監控器
技術領域
[0001] 下文描述的實施例涉及工藝現場裝置。尤其是，這些實施例涉及渦輪式流量計。
【背景技術】
[0002] 在工藝環境中，渦輪式流量計，例如圖1中以截面圖形式示出的渦輪式流量計 100,提供關于流過管道102的流體的流量的信號指示。典型的渦輪式流量計100包括具有 凸緣106和108的殼體104,凸緣被安裝到相應的管道段109和110。在殼體104內，懸掛 (hanger)葉片，例如懸掛葉片112和114,支撐懸掛輪轂116,懸掛輪轂116支撐上游錐體 118、下游錐體120、和轉子組件122。轉子組件122繞懸掛輪轂116自由旋轉，并且包括由 流過殼體104的流體驅動的多個葉片。在一些流量計中，轉子組件122的每個葉片包括磁 性的或永磁的材料，該材料能夠在葉片穿過傳感器線圈（pick-off coil) 124的過程中在傳 感器線圈124中產生電場。特別地，每個葉片在它經過傳感器線圈124時產生正向電壓，并 隨后產生負向電壓。在其他流量計中，磁性材料位于轉子組件122的其他部分上。
[0003] 隨著流量增大，轉子組件122的角速度增大，從而由傳感器線圈124產生的脈沖的 頻率增加。脈沖頻率與流量的比率取決于葉片構造，包括葉片相對于流體流的角度。
[0004] 上述討論僅僅是為了提供一般性的背景信息，并且不意圖被用作用于確定請求保 護的主題的范圍的輔助。請求保護的主題不限于解決【背景技術】中提及的任一或全部缺陷的 實施方式。
【發明內容】
[0005] -種用于渦輪式流量計的監控模塊，包括接收器，該接收器接收由渦輪式流量計 發出的一系列脈沖。頻率識別器識別所述一系列脈沖中的脈沖的頻率，并且平均值識別器 確定脈沖的頻率的平均頻率。警報系統使用所述平均頻率以確定何時應當發出警報。
[0006] 在進一步的實施例中，一種方法包括接收來自渦輪式流量計的脈沖并確定所述脈 沖的當前頻率。脈沖的當前頻率與脈沖的平均頻率之差被確定，并且該差被用于確定是否 生成警報。
[0007] 在更進一步的實施例中，一種聯接到渦輪式流量計的裝置包括：用于基于由渦輪 式流量計生成的脈沖確定穿過該渦輪式流量計的平均流量的電子器件；和用于確定由所述 渦輪式流量計生成的所述脈沖的頻率的平均頻率的電子器件。所述裝置的電子器件還部分 地基于所述平均頻率生成警報。
[0008] 本
【發明內容】
部分和摘要部分用于以簡要的形式介紹發明思想的選擇，該發明思想 將在下文的【具體實施方式】中進一步描述。
【發明內容】
部分和摘要部分不意圖規定請求保護的 主題的關鍵特征或主要特征，也不意圖被用作確定請求保護的主題的范圍的輔助手段。
【附圖說明】
[0009] 圖1是現有技術的渦輪式流量計的截面圖。
[0010] 圖2是根據一個實施例的工藝環境的方塊圖。
[0011] 圖3是根據第二實施例的工藝環境的方塊圖。
[0012] 圖4是軟件和電子元件的方塊圖，它們一同形成根據一個實施例的渦輪式流量計 運行過程監控器。
[0013] 圖5是根據一個實施例的方法的流程圖。
[0014] 圖6是用于葉片破損失效的脈沖的當前頻率的圖表。
[0015] 圖7是用于碎片/堵塞失效的脈沖的當前頻率的圖表。
[0016] 圖8是用于機械磨損失效的脈沖的當前頻率的圖表。
[0017] 圖9是用于葉片破損失效的運彳丁標準差和標準差閾值的圖表。
【具體實施方式】
[0018] 在下文描述的實施例中，運行狀態監控器用于監控渦輪式流量計的運行狀態。運 行狀態監控器接收來自渦輪式流量計的脈沖，并確定這些脈沖的當前頻率。此外，運行狀 態監控器確定禍輪式流量計的脈沖的頻率的運行平均值（running mean)，并優選地確定這 些平率相對于該平均值的運行標準差。通過使用平均頻率和標準差中的至少一個，當渦輪 式流量計中出現失效時，運行狀態監控器中的警報系統生成警報。在一些實施例中，閾值被 用于確定應當何時觸發警報。在一些實施例中，運行狀態監控器自身基于向該運行狀態監 控器提供的關于渦輪式流量計的真實情況的反饋而動態地調整這些閾值。
[0019] 圖2提供了根據一個實施例的工藝環境的方塊圖。在圖2中，渦輪式流量計200 安裝在輸送工藝流體的兩個管道段202和204之間。根據一個實施例，渦輪式流量計200 是 Daniel Measurement and Control 公司的 Daniel? Series 1500 型液體禍輪式流量 計。渦輪式流量計200生成由一系列脈沖構成的信號206,該一系列脈沖被前置放大器 (preamplifier) 208調節和放大。根據一個實施例，前置放大器208定位在現場安裝的密 封殼（Local Mounted Enclosure，簡稱LME) 210中，該密封殼210安裝在禍輪式流量計200 上。根據一些實施例，前置放大器208調節和放大信號206以將由渦輪式流量計200的傳感 器線圈產生的正弦狀脈沖206形成為脈沖的方波212。方波脈沖212被提供至控制站214， 控制站能夠使用這些脈沖來確定穿過渦輪式流量計200的平均流量，以及在一段時間內穿 過禍輪式流量計200的總流量。
[0020] 方波212被提供至監控裝置216,監控裝置206包括渦輪式流量計運行狀態監控模 塊220和通訊接口 222。在各種實施例中，模塊220被實現為電子器件、電子器件與儲存在 存儲器中的指令的組合、或存儲在存儲器中并由處理器執行的軟件。模塊220的操作將在 下文中討論。
[0021] 根據該實施例，裝置216通過通訊接口 222與控制站214通信。根據一些實施 例，通訊接口 222配置為通過有線連接進行有線通訊，所述有線連接例如為用于向裝置216 傳送電力和通訊信息以及從裝置216接收電力和通訊信息的雙線回路。有線連接的其他 示例包括以太網或光纖。裝置216通過使用通訊協議與控制站214通訊，通訊協議例如為 丨丨ΑΚ?'?通訊協議（其中數字信息在4-20mA的電流上調制）、Foundation Fieldbus通訊協 議、Profibus通訊協議等。通訊接口 222也能夠通過無線連接連接到控制站214，所述無 線連接利用無線通訊協議，例如根據IEC 62591的WireleSsHART?通訊協議。
[0022] 通過通訊接口 222,裝置216能夠傳送一個或多個平均頻率、頻率的標準差、當前 頻率、以及一個或多個警報或警示。此外，裝置216能夠接收來自控制站214的值，包括用 于觸發警報的閾值，以及指示渦輪式流量計200的真實狀態的反饋。
[0023] 在一些實施例中，裝置216還包括顯示器224和輸入控制裝置226,例如按鈕、按 鍵或觸摸屏。在一些實施例中，閾值和代表渦輪式流量計的真實狀態的反饋通過輸入裝置 226提供至裝置216。
[0024] 圖3提供了根據第二實施例的工藝環境的方塊圖。在圖3中，禍輪式流量計300 被連接于管道段302和304之間，并包括一個或多個傳感器線圈，這些線圈生成被提供至 裝置308的正弦信號306。根據一個實施例，禍輪式流量計300是Daniel Measurement and Control公司的Daniel? Series 1500型液體禍輪式流量計。裝置308包括總體積 (totalized volume，或稱總量）/平均流量計算模塊310和禍輪式流量計運行狀態監控模 塊312。在各種實施例中，模塊310和312被實現為電子器件、電子器件與儲存在存儲器中 的指令的組合、或存儲在存儲器中并由處理器執行的軟件。模塊312的操作將在下文中討 論。
[0025] 裝置308還包括顯示器314和輸入裝置316。顯示器314能夠顯示總體積以及平 均流量，以及指示渦輪式流量計的運行狀態的警報。輸入裝置316能夠用于調節被總體積/ 平均流量計算器310使用的參數，以及用于改變被渦輪式流量計運行狀態監控模塊312使 用的閾值。
[0026] 總體積/平均流量計算模塊310基于從禍輪式流量計300接收到的脈沖計算總體 積和平均流量。體積和流量值可用多種單位中的任意一種表示，這些單位可通過使用輸入 裝置316進行選擇。涉及渦輪式流量計以及涉及流過渦輪式流量計的流體的額外的參數也 可以被總體積/平均流量計算模塊310使用，包括渦輪式流量計300的K系數和尺寸。
[0027] 裝置308包括通訊接口 318。裝置308通過通訊接口 318與控制站320通信。根據 一些實施例，通訊接口 318配置為通過有線連接進行有線通訊，所述有線連接例如為用于 向裝置308傳送電力和通訊信息以及從裝置308接收電力和通訊信息的雙線回路。有線連 接的其他示例包括以太網或光纖。裝置308通過使用通訊協議與控制站320通訊，通訊協議 例如為HARI?通訊協議（其中數字信息在4_20mA的電流上調制）、Foundation Fieldbus 通訊協議、Prof ibus通訊協議等。通訊接口 318也能夠通過無線連接連接到控制站320,所 述無線連接利用無線通訊協議，例如根據IEC 62591的Wire kssHAKT?通訊協議。
[0028] 通過通訊接口 318,裝置308能夠傳送一個或多個平均頻率、頻率的標準差、當前 頻率、以及一個或多個警報或警示此外，裝置308能夠接收來自控制站320的值，包括用于 觸發警報的閾值，以及指示渦輪式流量計300的真實狀態的反饋。
[0029] 圖4提供了由圖2和3的渦輪式流量計運行狀態監控模塊220/312使用的構件的 方塊圖。圖4中的構件可以被具體實現為電子器件、軟件、或電子器件與軟件的組合。圖5 提供了產生警報和使用圖4的構件調節警報閾值的方法的流程圖。
[0030] 在圖5的步驟500中，用于一個或多個失效報警的標準在監控模塊220/312中設 定。該標準由閾值接收器400通過通訊接口 222/318或者通過輸入裝置226/316接收。根 據一個實施例，用于失效模式的標準被存儲為閾值402。可提供多個不同的閾值，每個閾值 代表用于一種失效模式的單獨的標準。例如，例如標準可以是脈沖的當前頻率與脈沖的雋 星平均平率之差的閾值。另一標準可以是標準差閾值，其表示脈沖的頻率中的運行標準差 的大小將觸發警報。在一些實施例中，單個失效模式，例如葉片破損，可具有設定在閾值402 中的多個標準。
[0031 ] 在步驟502中，脈沖接收器404接收來自渦輪式流量計的一系列脈沖。在步驟504 中，頻率識別器406確定當前頻率并將當前頻率存儲為所存儲的頻率值408的集合的一部 分。根據一個實施例，頻率識別器406通過將在設定時間段內接收到的脈沖的數量除以該 設定時間段的長度來確定當前頻率。在步驟506中，運行平均和運行標準差識別器410通 過使用存儲的頻率值408確定運行平均頻率和頻率的運行標準差。特別地，通過確定最近 存儲的頻率值408的集合的平均值來確定運行平均頻率。根據一個實施例，例如，最近一百 個存儲頻率值被用于形成運行平均值。本領域技術人員將會意識到，"一百個"僅僅是示例 性的數目，在其他實施例中可以使用其他數目的存儲頻率值。在已經確定運行平均值之后， 用于獲取該運行平均值的那些值與運行平均值一起使用，以獲得運行標準差。根據一個實 施例，通過獲取用于形成運行平均頻率的各個頻率值的方差的平均值的平方根以及運行平 均頻率本身來確定運彳丁標準差。注意，步驟504和506是在頻域中執彳丁的，而不是時域。
[0032] 在步驟508中，警報系統412確定由頻率識別器406提供的當前頻率值與運行平 均頻率之間的差。警報系統412隨后將該差與閾值402中的一個或多個進行比較，以確定該 差是否超過閾值。如果在步驟510中確定該差超過閾值中的一個或多個，則在步驟512中 警報系統412發出一個或多個警報。這些警報能夠在顯示器224/314上顯示和/或通過通 訊接口 222/318發送到控制站214/320。在進一步的實施例中，警報系統412還在步驟508 中將由運行標準差識別器410提供的運行標準差與閾值402中的閾值標準差進行比較。如 果在步驟510中確定運行標準差超過閾值，則在步驟512中警報系統412發出警報，該警報 能夠在顯示器224/314上顯示和/或通過通訊接口 222/318發送到控制站214/320。
[0033] 在步驟514中，閾值調節器416使用由通訊接口 222/318或輸入裝置226/316提供 的反饋值418,以確定渦輪式流量計是否經歷真實的失效。根據一個實施例，反饋值418是 指示失效或未失效的布爾值。可在對渦輪式流量進行物理檢查之后或對能夠指示所述失效 是否真實的其他計量器讀數進行檢查之后，通過控制站214/320或通過輸入裝置226/316 提供反饋值418。
[0034] 在步驟514中，如果反饋值418指示真實的失效，則程序返回步驟502,并從渦輪式 流量計接收新的脈沖。然而，如果反饋值418指示當前渦輪式流量計中不存在失效，那么在 步驟512中生成的警報將是誤報。作為響應，閾值調節器416在步驟500中調節閾值，以使 誤報發生的可能性降低。例如，閾值調節器416能夠提高閾值，以減小警報誤報的可能性。
[0035] 當在步驟510中確定未滿足失效標準時，警報系統412呼叫閾值調節器416,閾值 調節器416檢查反饋值418,以確定這些反饋值418是否指示渦輪式流量計事實上已經發生 真實的失效。如果渦輪式流量計已經出現真實的失效，則閾值調節器416在步驟500中調 節閾值402,以使得在真實的失效發生時發出警報的可能性更大。例如，閾值416可減小閾 值402,以使得當真實的失效發生時，更有可能發出警報。如果在步驟516中反饋值418未 指示已發生真實的失效，或者如果在步驟514中反饋值指示確實發生了真實的失效，那么 程序返回到步驟502并且接收新的脈沖。隨后，重復執行步驟502至514。
[0036] 圖6提供了用于渦輪式流量計中的葉片破損失效的運行平均頻率604和當前頻率 606的圖表。在圖6中，時間由水平軸600表示，脈沖的頻率由豎直軸602表示。用于發出 警報的閾值被圖示為警報防護頻帶（alert guard bands)608和609,它們一起限定了防護 頻帶區域611。警報防護頻帶608的邊緣與運行平均頻率604隔開一閾值量610。在當前 頻率與運行平均頻率604之間的差612超突破閾值610時，例如，位于圖6中的點614,發 出警報。警報防護頻帶609的邊緣與運行平均頻率604之間隔開一單獨的閾值量，該閾值 量可與閾值量610相同或不同。兩個閾值量都可以通過閾值接收器400和閾值調節器416 進行設定。在一些實施例中，閾值量以及警報防護頻帶608、609的范圍可隨運行平均頻率 604變化，使得隨著運行平均頻率604減小而收縮警報防護頻帶。
[0037] 圖7提供了用于渦輪式流量計碎肩/堵塞失效的運行平均頻率704和當前頻率 706的圖表。在圖7中，時間由水平軸700表示，并且脈沖的頻率由豎直軸702表示。警報防 護頻帶708和709分別在運行平均頻率704的下方和上方延伸，以限定防護頻帶區域711。 警報防護頻帶708的邊緣與運行平均頻率704隔開一警報閾值量710。在當前頻率706與 運行平均頻率704之間的差712超突破閾值710時，例如，位于點714,碎肩/堵塞警報被發 出。警報防護頻帶709的邊緣與運行平均頻率704之間隔開一單獨的閾值量，該閾值量可 與閾值量710相同或不同。兩個閾值量都可以通過閾值接收器400和閾值調節器416進行 設定。在一些實施例中，閾值量以及警報防護頻帶708、709的范圍可隨運行平均頻率704 變化，使得隨著運行平均頻率704減小而收縮警報防護頻帶。
[0038] 圖8提供了因渦輪式流量計機械磨損導致的運行平均頻率804和當前頻率806的 圖表。在圖8中，時間由水平軸800表示，并且脈沖的頻率由豎直軸802表示。在點814 處，當前頻率806與警報防護頻帶808的邊緣交叉，使得當前頻率806與運行平均頻率804 之間的差值突破由警報防護頻帶808表示的警報閾值。因此，在時間點814處，將發出警報， 指示渦輪式流量計的機械磨損。
[0039] 圖9提供了用于渦輪式流量計葉片破損失效的運行標準差904和標準差閾值906 的圖表。在圖9中，時間由水平軸900表示，并且標準差由豎直軸902表示。在渦輪式流量 計葉片破損失效期間，運行標準差904開始上升并在點908處突破標準差閾值906。結果， 在時間908處，將發出指示渦輪式流量計葉片破損失效的警報。
[0040] 盡管元素被圖示或描述為上文的分開的各個實施例，每個實施例的各個部分也可 以與上文描述的其他實施例中的全部或一部分合并。
[0041] 盡管本發明的主題被用語言特別地描述成結構特征和/或方法行為，應當理解， 限定在所附權利要求書中的主題不僅限于上文所述的具體特征或行為。而是，上文所述的 具體特征或行為被公開為示例，以實現權利要求的技術方案。
【主權項】
1. 一種用于渦輪式流量計的監控模塊，包括： 接收器，其接收由渦輪式流量計發出的一系列脈沖； 頻率識別器，其識別所述一系列脈沖中的脈沖的頻率； 平均值識別器，其確定脈沖的頻率的平均頻率；和 警報系統，其使用所述平均頻率以確定何時應當發出警報。2. 根據權利要求1所述的監控模塊，其中所述頻率識別器還識別脈沖的當前頻率，并 且所述警報系統通過確定脈沖的當前頻率與所述平均頻率之間的差大于閾值來確定應當 發出警報。3. 根據權利要求1所述的監控模塊，還包括標準差識別器，其確定脈沖的頻率的標準 差，并且其中，所述警報系統通過確定標準差超出閾值來確定應當發出警報。4. 根據權利要求1所述的監控模塊，其中所述警報系統確定何時應當發出指示渦輪式 流量計中的可能損壞的葉片的警報。5. 根據權利要求1所述的監控模塊，其中所述警報系統確定何時應當發出指示渦輪式 流量計中的碎肩堵塞的警報。6. 根據權利要求1所述的監控模塊，其中所述警報系統確定何時應當發出指示渦輪式 流量計中的機械磨損的警報。7. 根據權利要求1所述的監控模塊，其中所述警報系統使用至少一個閾值以確定何時 應當發出警報，并且其中所述監控模塊還包括接收新閾值的閾值接收器。8. 根據權利要求1所述的監控模塊，其中所述警報系統使用至少一個閾值來確定何時 應當發出警報，并且其中所述監控模塊還包括閾值調節器，該閾值調節器基于至少一個反 饋值調節閾值。9. 根據權利要求8所述的監控模塊，其中，當反饋值指示在渦輪式流量計中存在故障 時，所述閾值調節器減小閾值。10. 根據權利要求8所述的監控模塊，其中，當反饋值指示在渦輪式流量計中不存在故 障時，所述閾值調節器增大閾值。11. 根據權利要求1所述的監控模塊，其中所述警報系統通過無線通信接口發出警報。12. 根據權利要求1所述的監控模塊，其中所述監控模塊被封裝在一裝置中，所述裝置 還根據所述一系列脈沖計算總體積和平均流量。13. 根據權利要求1所述的監控模塊，其中所述監控模塊被單獨地封裝，與根據所述一 系列脈沖計算總體積和平均流量的裝置分開。14. 一種方法，包括下述步驟： 接收來自渦輪式流量計的脈沖； 確定所述脈沖的當前頻率； 確定脈沖的當前頻率與脈沖的平均頻率之差；以及 基于脈沖的當前頻率與脈沖的平均頻率之差確定是否生成警報。15. 根據權利要求14所述的方法，其中確定是否生成警報的步驟包括確定所述差是否 超出閾值。16. 根據權利要求15所述的方法，還包括基于至少一個反饋信號調節所述閾值。17. 根據權利要求14所述的方法，其中確定是否生成警報的步驟還包括確定所述脈沖 的頻率的標準差以及確定所述標準差是否超過閾值。18. -種聯接到渦輪式流量計的裝置，該裝置包括： 用于基于由渦輪式流量計生成的脈沖確定穿過該渦輪式流量計的平均流量的電子器 件； 用于確定由所述渦輪式流量計生成的所述脈沖的頻率的平均頻率的電子器件；和 用于部分地基于所述平均頻率生成警報的電子器件。19. 根據權利要求18所述的裝置，其中用于生成警報的電子器件確定由渦輪式流量計 生成的脈沖的當前頻率、將該當前頻率與所述平均頻率作比較以生成差值、并確定所述差 值是否超出警報閾值。20. 根據權利要求19所述的裝置，還包括用于確定標準差的電子器件，其中用于生成 警報的電子器件還包括用于基于所述標準差生成警報的電子器件。
【文檔編號】G01F25/00GK106017579SQ201510854498
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年11月30日
【發明人】格雷格·愛德華·金德利, 羅伯特·邁克爾·溫因貝格
【申請人】羅斯蒙特公司