КАЛИБРОВКА ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
CALIBRATION OF PRESSURE SENSOR DURING ENGINEERING PROCESS

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к датчику, измеряющему параметр технологического процесса в промышленном производстве. В частности, настоящее изобретение относится к определению характеристик датчиков давления, используемых в области контроля и управления технологическими процессами.
Измерительные преобразователи применяются для контроля и управления промышленными технологическими процессами путем измерения различных характеристик флюидов, используемых в упомянутых процессах. (В том виде, как он здесь используется, термин "флюид" включает как жидкие, так и газообразные материалы, а также смеси таких материалов.) Одним из часто измеряемых параметров, изменяющихся при осуществлении технологического процесса, является давление. Это давление может представлять собой перепад давления либо линейное, избыточное, абсолютное или статическое давление. В некоторых установках измеренное давление используется непосредственно. В других конфигурациях измеренное давление применяется для определения других параметров технологического процесса. Например, перепад давления в области сужения (первичного преобразовательного элемента) трубы связан со скоростью потока флюида через упомянутую трубу. Подобным же образом перепад давления между двумя вертикальными положениями в емкости связан с уровнем жидкости в этой емкости. Измерительные преобразователи технологического процесса используются для измерения параметров, изменяющихся в период технологического процесса и передачи измеренных параметров в удаленное место, например в диспетчерскую. Передача может происходить с использованием различных передающих сред, например двухпроводного контура управления технологическим процессом.
Датчики давления, используемые в измерительных преобразователях, обеспечивают выходные сигналы, соответствующие приложенному давлению. Как известно, взаимосвязь выходного сигнала и приложенного давления меняется для различных датчиков давления, а в некоторых областях применения также зависит от статического давления. Эти изменения являются функцией приложенного давления, а также функцией температуры датчика давления. Кроме того, эти изменения могут быть функцией статического давления. Для повышения точности измерений при применении таких датчиков давления каждый датчик в типичном случае при изготовлении подвергается процессу определения характеристик. Процесс определения характеристик включает приложение известных давлений к датчику и измерение выходного сигнала этого датчика. Это осуществляется с использованием нескольких устройств обработки информации. В типичном случае данные также снимаются при различных температурах. Например, характеристики датчика давления могут определяться в диапазоне давлений от 0 до 250 дюймов. При выполнении такого процесса определения характеристик данные могут сниматься для 10 равных интервалов давления (25 дюймов, 50 дюймов, 75 дюймов и т.д.). Может быть получено несколько наборов данных при различных температурах. Затем на основе этих данных строится кривая, соответствующая некоторому полиному, например, с использованием способа подбора аппроксимирующей кривой по методу наименьших квадратов. После чего коэффициенты полинома сохраняются в памяти измерительного преобразователя и используются для корректировки последующих измерений давления, осуществляемых датчиком давления.
Сущность изобретения
Предлагается способ определения характеристик датчика давления, входящего в состав устройства обработки информации. На датчик давления подают ряд давлений. Принимают выходные сигналы датчика давления или устройства обработки информации при упомянутом ряде давлений. Определяют корректировочное соотношение на основе упомянутых выходных сигналов датчика давления. Выходные сигналы, используемые для определения корректировочного соотношения, соответствуют давлениям, которые неравномерно распределены в диапазоне давлений, используемом для определения характеристик датчика давлений.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - общий вид измерительного преобразователя, используемого для определения расхода в системе управления или контроля технологического процесса.
Фиг.2 - упрощенная структурная схема измерительного преобразователя, показанного на Фиг.1.
Фиг.3 - структурная схема устройства, предназначенного для определения характеристик датчика давления, входящего в состав устройства обработки информации, согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
На Фиг.1 показан измерительный преобразователь 2, механически соединенный с трубой 4 через фланец 6 трубы. Через трубу 4 протекает поток жидкости, например природный газ. В данном варианте реализации настоящего изобретения измерительный преобразователь 2 принимает информацию о перепаде давления, абсолютном давлении и температуре и создает выходной сигнал, соответствующий массовому расходу.
В ходе работы датчик 8 температуры измеряет температуру технологического процесса ниже по потоку относительно измерительного преобразователя 2. Измеренная температура в виде аналогового сигнала передается по кабелю 10 и поступает в измерительный преобразователь 2 через взрывобезопасный разъем 12, имеющийся на корпусе упомянутого измерительного преобразователя. Измерительный преобразователь 2 измеряет перепад давления и принимает входной аналоговый сигнал, соответствующий температуре технологического процесса. В предпочтительном случае корпус измерительного преобразователя включает отсек 14 электронной аппаратуры, соединенный с отсеком 16 модуля датчиков. Измерительный преобразователь 2 соединен с трубой 4 через стандартный трех- или пятивентильный блок.
Фиг.2 представляет собой структурную схему измерительного преобразователя 2, показанного на Фиг.1. Как изображено на Фиг.2, в трубе 4 имеется сужение, называемое первичным преобразовательным элементом 30. С обеих сторон сужения 30 установлены соединительные патрубки 32, используемые для подачи отличающихся давлений на входы измерительного преобразователя 2, предназначенные для измерения давления. Например, для отделения внутренней текучей среды, которой заполнен измерительный преобразователь 2, от текучей среды технологического процесса, заполняющей соединительные патрубки 32, могут применяться разделительные мембраны (не показаны). Датчик 34 перепада давления принимает информацию о давлении в технологическом процессе и формирует входной сигнал для блока 36 электронных схем. В дополнение к этому датчик 35 температуры формирует для блока 36 электронных схем входной сигнал, соответствующий температуре датчика 34 давления. Датчик температуры может быть расположен в любом месте, но в предпочтительном случае обеспечивает точное указание температуры упомянутого датчика 34 давления. В типичном случае датчик 35 температуры используется как дополнение к датчику 8 температуры, показанному на Фиг.1. Согласно настоящему изобретению блок 36 электронных схем компенсирует ошибки, возникающие при измерении давления, используя корректировочную формулу. Корректировочная формула может содержать полином, коэффициенты которого хранятся в измерительном преобразователе 2 в блоке 40 памяти. Упомянутый полином представляет собой функцию измеренных давления и температуры. После выполнения указанных действий вычисленное давление может передаваться непосредственно в контур 18 управления технологическим процессом, либо может использоваться для получения других параметров технологического процесса, например расхода. Вычисления, связанные с полиномом, и другие вычисления осуществляются цифровой электронной схемой, например микропроцессором, в блоке 36 электронных схем.
Хотя на Фиг.1 и 2 изображен измерительный преобразователь, предназначенный для измерения расхода на основе перепада давления, в некоторых вариантах реализации это изобретение применимо к любому типу измерительного преобразователя или устройства обработки информации, которое измеряет давление, включая измерительные преобразователи, предназначенные для определения уровня или давления, и может быть использовано в датчиках, которые измеряют перепад давления или статическое давление.
В типичном случае известные из уровня техники датчики давления, используемые в измерительных преобразователях, подвергаются проверке работоспособности (или "определению характеристик") при изготовлении. Такой процесс проверки работоспособности называется "тестирование и проверка" (C/V). При выполнении такой проверки работоспособности на датчик давления подаются различные давления из предполагаемого диапазона давлений этого датчика. Измерения проводятся для некоторого числа фиксированных значений давления, которые равномерно (однородно) распределены в упомянутом диапазоне давлений. Для каждого приложенного давления сохраняется выходной сигнал датчика давления или схемы измерения давления. В типичном случае проверка работоспособности осуществляется для некоторого числа различных температур. Для получения коэффициентов полинома на основе сохраненных выходных сигналов, поступивших от датчика давления, для совокупности точек данных, полученной для всех приложенных давлений и температур, используется метод подбора аппроксимирующей кривой. Типичный полином имеет пять коэффициентов, относящихся к давлению, и четыре коэффициента, относящихся к температуре. Коэффициенты сохраняются в памяти измерительного преобразователя и используются для корректировки показаний датчика давления во время работы этого измерительного преобразователя.
В настоящем изобретении учитывается, что в некоторых областях применения желательно увеличить точность измерений датчика давления в конкретном субдиапазоне давлений, который меньше, чем весь диапазон давлений, где осуществляется определение характеристик. Например, в расходомерах, основанных на измерении перепада давления, перепад давления, создаваемый в области сужения, является относительно небольшим, и его трудно точно измерить при низких скоростях потока. Это может привести к неточностям в измерениях параметров потока, выполняемых измерительными преобразователями, использующими перепад давления, когда скорость потока является относительно небольшой. В этом случае при применении настоящего изобретения точность измерений датчика давления увеличивается, если давление является относительно низким.
Настоящее изобретение повышает точность полинома, используемого при определении характеристик, за счет получения большего числа точек данных (иначе говоря, точки данных расположены ближе друг к другу) в конкретном субдиапазоне диапазона, в котором выполняется определение характеристик. Это обеспечивает повышенную точность полинома, используемого при определении характеристик, в выбранном субдиапазоне. В настоящем изобретении применяется неодинаковый интервал между точками корректировки давления в рабочем диапазоне датчика давления, для обеспечения дополнительных точек данных при определении корректировки в требуемом субдиапазоне упомянутого рабочего диапазона. В общем случае распределение точек данных, используемых при определении характеристик, является неравномерным и может быть выбрано требуемым образом. Например, это распределение может соответствовать ступенчатому изменению, линейному или наклонному изменению либо более сложным функциям, таким как изменения по логарифмическому или экспоненциальному закону. Настоящим изобретением предлагается измерительный преобразователь или другое устройство обработки информации, которое содержит коэффициенты полинома, полученные с использованием подобной методики, а также способ и устройство для определения характеристик датчика давления в соответствии с данной методикой.
Фиг.3 представляет собой упрощенную структурную схему устройства 50 определения характеристик, которое используется для определения характеристик датчика 60 давления устройства 52 обработки информации. Устройство 50 определения характеристик содержит контроллер 54 определения характеристик, который соединен с источником 56 давления и источником 58 температуры. Источник 56 давления выполнен с возможностью подачи выбранного давления в датчик 60 давления устройства 52 обработки информации в ответ на сигнал управления, поступающий от контроллера 54 определения характеристик. Источник 58 температуры также управляется контроллером 54 определения характеристик и предназначен для управления температурой устройства 52 обработки информации требуемым образом. Для обеспечения обратной связи для контроллера 54 определения характеристик могут быть использованы дополнительные датчики температуры и давления (не показаны). В ответ на приложенное давление устройство 52 обработки информации обеспечивает выходной сигнал, поступающий в контроллер 54 определения характеристик. Этот выходной сигнал связан с выходным сигналом, поступающим от датчика давления, и может быть получен непосредственно от этого датчика давления, либо может представлять собой выходной сигнал, сформированный электрическими схемами устройства 52 обработки информации, которые расположены после датчика давления.
В типичном случае контроллер 54 определения характеристик содержит цифровой контроллер, например микропроцессор 64, который работает в соответствии с командами, хранящимися в блоке 66 памяти. В ходе процесса определения характеристик контроллер 54 определения характеристик устанавливает температуру устройства 52 обработки информации, равной требуемой, используя источник 52 температуры. На датчик 60 давления, входящий в состав устройства 52 обработки информации, подается первое требуемое давление, используя источник 56 давления. Выходной сигнал, поступивший от устройства 52 обработки информации, сохраняется в памяти 66 контроллера 54 определения характеристик. После чего, используя источник 56 давления, на датчик 60 давления подается второе требуемое давление, и в блоке 66 памяти сохраняется следующая точка данных. Этот процесс повторяется для необходимых давлений из всего требуемого диапазона давлений датчика 60 давлений. Когда получены все точки данных для конкретного диапазона давлений, температура устройства 52 обработки информации изменяется на следующую требуемую температуру, используя источник 58 температуры, и процесс повторяется. Контроллер 54 определения характеристик создает коэффициенты для полинома на основе собранных данных, хранящихся в блоке 66 памяти. Коэффициенты полинома получают, исходя из различия между реальным приложенным давлением и выходным сигналом, поступившим от устройства обработки информации, и с учетом температуры упомянутого устройства обработки информации. Коэффициенты сохраняются в блоке 70 памяти устройства 52 обработки информации. При последующей работе устройство 52 обработки информации извлекает сохраненные коэффициенты и применяет полином, использованный при определении характеристик, к выходному сигналу датчика 60 давления для корректировки ошибок в измеренном давлении.
Согласно настоящему изобретению контроллер 54 определения характеристик подает на датчик 60 давления ряд давлений при помощи источника 56 давления. Данные снимаются при каждом приложенном давлении. Приложенные давления неравномерно распределены в диапазоне прикладываемых давлений. Например, если характеристики датчика давления определяются в диапазоне от 0 до 250 дюймов, то данные могут быть сняты при приложенных давлениях 0, 5, 10, 15, 20, 25, 50, 100 и 250 дюймов. В типичном случае данные для каждого из приложенных давлений собирают при более чем одной температуре. Конкретное распределение прикладываемых давлений может выбираться требуемым образом. Например, может быть использована ступенчатая функция, или может быть выбрано экспоненциальное, логарифмическое или другое распределение, которое не является равномерным в пределах всего диапазона давлений. Другими словами, в пределах, по меньшей мере, одного субдиапазона давлений, который является подмножеством общего диапазона давлений, используемого для определения характеристик, распределение значений прикладываемого давления отличается от распределения в других частях упомянутого общего диапазона давлений.
Собранные данные используются для получения коэффициентов полинома, которые характеризуют датчик 60 давления устройства 52 обработки информации. В одном из конкретных примеров для корректировки измерений датчика давления используется полином пятого порядка по давлению и четвертого порядка по температуре. В данном варианте реализации настоящего изобретения скорректированное давление вычисляется следующим образом:
<img file="00000001.tif" he="6" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000002.tif" he="6" wi="55" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000003.tif" he="6" wi="69" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000004.tif" he="6" wi="77" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000005.tif" he="6" wi="80" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000006.tif" he="6" wi="78" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000007.tif" he="6" wi="76" img-content="undefined" img-format="tif" />
(1)
0
1
4
0
4
где а, а,... f - сохраненные коэффициенты полинома, Р - измеренное давление до корректировки и T - температура датчика давления. Согласно настоящему изобретению коэффициенты а ... f получают, используя методики подбора аппроксимирующей кривой, в которых собираемые данные распределены неравномерно в диапазоне давлений, используемом для определения характеристик. Согласно одному из вариантов распределение является нелинейным.
В другом варианте реализации настоящего изобретения определение характеристик устройства обработки информации выполняют для диапазона статических давлений, в дополнение к диапазону перепадов давления. Распределение точек данных для статического давления также является неравномерным в пределах общего диапазона давлений. Например, с использованием статического давления, кроме перепада давления и температуры, могут определяться характеристики устройства обработки многопараметрической информации.
Устройство 52 обработки информации может представлять собой любое подобное устройство, в котором используется давление. Примеры включают любой тип измерительного преобразователя, предназначенного для измерения статического, избыточного, абсолютного давления либо перепада давления. К другим измерительным преобразователям относятся преобразователи, которые определяют скорость потока на основе перепада давления, или преобразователи, которые определяют уровень жидкости в резервуаре на основе перепада давления. Распределение точек данных в диапазоне давлений может выбираться с учетом требуемой области применения устройства обработки информации. Как рассмотрено выше, для измерительных преобразователей, определяющих расход, желательно иметь дополнительные точки данных в области низких давлений из диапазона, измеряемого датчиком давления. С другой стороны, при использовании для определения уровня особую важность может иметь та область давлений, которая соответствует фактически заполненному резервуару, и дополнительные точки данных могут быть собраны для этой области давлений. В одном из вариантов реализации настоящего изобретения в разных субдиапазонах всего диапазона давлений число получаемых точек данных является одинаковым, как и в способах, известных из уровня техники. Однако в конкретном требуемом субдиапазоне точкам данных из распределения назначаются определенные веса. В другом примере по сравнению с существующими способами могут использоваться дополнительные точки сбора данных. Распределение точек данных, используемых при определении температурных характеристик, также может быть неравномерным в температурном диапазоне.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты его реализации, специалисты в данной области техники должны понимать, что могут быть осуществлены изменения в форме и деталях настоящего изобретения, не выходящие за пределы его сущности и объема.