ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ С МНОЖЕСТВОМ ДАТЧИКОВ ЭТАЛОННОГО ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE TRANSDUCER HAVING MULTIPLE REFERENCE PRESSURE SENSORS

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При управлении процессами в жидкостях на химических, целлюлозно-бумажных, пищевых и прочих заводах, перерабатывающих жидкости, используются различные типы преобразователей давления. Эти типы, как правило, включают в себя преобразователи абсолютного давления, которые измеряют рабочее давление по отношению к вакууму; преобразователи относительного давления, которые измеряют рабочее давление по отношению к местному атмосферному давлению; и преобразователи перепада давлений, которые измеряют разницу между двумя рабочими давлениями. Преобразователи давления также, как правило, измеряют давление в ограниченном диапазоне с определенной точностью. Как правило, преобразователь давления будет изготавливаться с двумя или более перекрывающимися диапазонами, каждый из которых предназначен для измерения давления точно в диапазоне регулирования более 100:1 для удовлетворения потребностей применения до примерно десяти тысяч фунтов на квадратный дюйм.
Преобразователи перепада давлений, в частности, предназначены для особых диапазонов давлений и имеют пределы, определяющие, в каком диапазоне может работать преобразователь перепада давлений. Более того, во многих применениях также требуется знание линейного давления наблюдаемого процесса. Например, доступные на рынке устройства, такие как Модель 3095 MV, поставляемая Rosemount Inc., г.Chanhassen, Миннесота, измеряют перепад давлений и линейное давление для выполнения расчета потока для обеспечения измерения потока рабочей жидкости. Несмотря на то, что использование единственного датчика абсолютного давления или датчика относительного давления совместно с преобразователем перепада давлений в прошлом предоставляло различные преимущества, такие устройства могут прекратить работать, если датчик абсолютного давления или датчик перепада давлений сломается, или если любое из давлений, сообщающихся с преобразователем давления, выйдет за выбранные пределы измерений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Надежность и точность в преобразователе измерения давления обеспечиваются при помощи использования множества датчиков абсолютного или относительного давления, работающих совместно с датчиком перепада давлений. Также обеспечивается способ осуществления диагностики на основании показаний трех или более датчиков давления. Более того, при неисправности одного из трех или более датчиков, рациональная оценка выхода неисправного датчика может быть получена на основании оставшихся датчиков.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает схематичный вид типичной среды для управления процессом для преобразователей давления.
Фиг.2 изображает блок-схему преобразователя перепада давлений в соответствии с воплощением настоящего изобретения.
Фиг.3 изображает схематичный вид двойного преобразователя давления в соответствии с воплощением настоящего изобретения.
Фиг.4 изображает блок-схему способа работы преобразователя перепада давлений, оснащенного множеством датчиков абсолютного или относительного давления в соответствии с воплощением настоящего изобретения.
Фиг.5 изображает схему способа для получения и сообщения значений абсолютного или относительно давления в соответствии с воплощением настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг.1 изображает схематичное представление типичной рабочей среды для промышленного преобразователя давления. На Фиг.1 преобразователи технологических параметров, такие как расходомер 22 на линии 23 технологической жидкости, датчики уровня 24, 26 на баке 28 и встроенный диафрагменный расходомер на технологической линии 31, показаны электрически присоединенными к системе управления 32. Преобразователи технологических параметров могут быть предназначены для наблюдения за одним или несколькими технологическими параметрами, связанными с жидкостями на перерабатывающем заводе, такими как жидкие массы, жидкости, пары и газы на химическом, целлюлозном, нефтяном, газовом, фармацевтическом, пищевом или ином заводе, перерабатывающем жидкости. Отслеживаемые технологические параметры могут включать в себя давление, температуру, расход, уровень, водородный показатель, электропроводимость, мутность, плотность, концентрацию, химический состав или другие свойства жидкости. Преобразователь технологического параметра включает в себя один или несколько датчиков, которые могут быть установлены либо внутри преобразователя, либо снаружи, в зависимости от требований к установке обрабатывающего завода. Преобразователи технологических параметров создают выходные сигналы преобразователя, которые представляют измеренный технологический параметр. Выходные сигналы преобразователя предназначены для передачи на довольно длинные дистанции к контроллеру или индикатору по каналам связи 34. На типичных заводах по переработке жидкостей, канал связи 34 может представлять собой контур с током 4-20 мА, который питает преобразователь, соединение FOUNDATION™ Fieldbus, протокол связи HART (магистральный адресуемый дистанционный преобразователь) или высокоскоростную магистраль Ethernet (HSE), или оптико-волоконное соединение с контроллером, системой управления или считывающим устройством. Альтернативно, канал связи 34 может быть выполнен как беспроводная система. В преобразователях, питаемых от коммуникационного контура процесса, сила тока должна быть маленькой для того, чтобы удовлетворять действующим требованиям безопасности во взрывоопасных средах.
На Фиг.1 встроенный диафрагменный расходомер 30 включает в себя преобразователь давления 36, сообщающийся с коммуникационным контуром процесса или каналом связи 34. Датчики уровня 24, 26 также включают в себя преобразователи давления. Система управления 32 может быть запрограммирована так, чтобы отображать состояния процесса для оператора. Дополнительно, система управления 32 может быть запрограммирована так или иметь такую конфигурацию, чтобы улавливать состояния процесса и управлять процессом при помощи устройств вывода, таких как преобразователь 38 тока в давление и клапан управления 40, например.
Фиг.2 изображает блок-схему преобразователя давления в соответствии с воплощением настоящего изобретения. Преобразователь 200 включает в себя блок 202 соединения контура, предназначенный для соединения коммуникационного контура процесса или канала связи. Блок 202 соединения контура создает и/или принимает сигналы в соответствии со стандартным протоколом связи сообщения процесса. Блок 202 соединения контура соединен с контроллером 206, таким образом позволяя контроллеру 206 взаимодействовать с одним или несколькими устройствами в коммуникационном контуре процесса через блок 202. Силовой блок 204 также соединен с коммуникационным контуром процесса или каналом связи и принимает энергию и определяет условия, или иным образом приспосабливает полученную энергию для ее подачи к другим электрическим компонентам внутри преобразователя. Силовой блок 204 может позволять преобразователю давления полностью питаться электроэнергией, полученной по указанному контуру. Альтернативно, модуль связи 202 может быть приспособлен для использования в соответствии с беспроводной системой и протоколом.
Измерительная схема сообщается с силовым блоком 204, контроллером 206 и датчиками давления 218, 220, 222. Измерительная схема питается от блока 204 и имеет такую конфигурацию, чтобы отслеживать электрические характеристики каждого из датчиков 218, 220 и 222 и передавать данные о полученных характеристиках контроллеру 206. Измерительная схема 208 может включать в себя известный аналогово-цифровой преобразователь. Дополнительно, измерительная схема 208 может включать в себя концентратор для обеспечения измерительной схеме 208 возможности соединяться с каждым из датчиков 218, 220 и 222 индивидуально в свою очередь. Измерительная схема 208 может включать в себя любую подходящую схему или компоненты, позволяющие схеме 208 получать измерения от датчиков 218, 220 и 222. Например, если датчик 218 перепада давлений представляет собой емкостной датчик давления, а датчики 220, 222 абсолютного давления представляют собой резистивные датчики тензометрического типа, то измерительная схема 208 будет включать в себя подходящие схемы для измерения емкости и сопротивления, а также схему, позволяющую отличать сигналы друг от друга, такую как концентратор. Специалистам в данной области техники понятно, что воплощения настоящего изобретения могут быть исполнены на практике путем использования специальной измерительной схемы для каждого датчика или их комбинации, и что такая специальная схема может быть использована вместо мультиплексной конфигурации или совместно с ней.
В настоящем воплощении, датчик абсолютного/относительного давления 220 сообщается с давлением Р1, прилагаемым к входу 210 для технологической жидкости при помощи изолирующей жидкости внутри линии 214. Подобным образом, датчик 222 абсолютного/относительного давления сообщается с давлением Р2, оказываемым на вход для технологической жидкости при помощи изолирующей жидкости внутри линии 216. Датчик 218 перепада давлений сообщается с линиями 214 и 216 и передает данные о перепаде давлений между линиями 214 и 216 измерительной схеме 208. Преобразователь 200 может включать в себя вспомогательные датчики абсолютного или относительного давления, сообщающиеся с каждой из линий 214 и 216. Вспомогательные датчики 230, 232 обозначены пунктиром на Фиг.2, будучи соединенными с линиями 214 и 216, соответственно. Вспомогательный датчик 230, 232 может быть выбран так, чтобы иметь другие диапазоны измерения давления, нежели датчики 220, 222, или они могут просто обеспечивать резервирование. Дополнительно, вспомогательные датчики 230, 232 могут быть выбраны так, чтобы обеспечивать дополнительные и/или дополняющие функции относительно датчиков 218, 220 и 222. Например, если датчики 220 и 222 являются тензодатчиками, один или оба вспомогательных датчика 230, 232 могут представлять собой датчики абсолютного давления. Дополнительно, если датчики 220 и 222 представляют собой датчики абсолютного давления, вспомогательный датчик 354 может представлять собой датчик абсолютного давления, соединенный с входом 317 (см. Фиг.3). Несмотря на то, что вход 317 показан как вход для проводки, вход 317 может иметь любую подходящую форму, и может, фактически, представлять собой вход, отдельный от входа для проводки.
Фиг.3 изображает схематичный вид преобразователя давления в соответствии с воплощением настоящего изобретения. Преобразователь 300 включает в себя корпус 302 для внешней проводки, окружающий отделение 304 для проводки. Корпус 302 для проводки может состоять из металла, например из алюминия или нержавеющей стали, или корпус 302 может состоять из подходящего пластика. Корпус 302 для проводки, предпочтительно, включает в себя вентиляционное отверстие или вход 317, через который атмосферное давление сообщается с внутренней частью корпуса 302 для проводки. Предпочтительно, крепежные опоры 306 выполнены внутри отделения 304 для проводки, и крышка 308 отделения имеет резьбу и зацепляется с соответствующей резьбой внутри отделения для проводки, как показано позиций 309. Постоянно изолированная сборка 310 преобразователя имеет резьбу и зацепляется с соответствующей резьбой внутри отделения для проводки, как показано позицией 311. Сборка 310 преобразователя представляет собой сборку преобразователя давления и включает в себя герметизированные диафрагмы 332 изолятора, датчик 334 перепада давлений, датчики 301, 307 абсолютного давления и одну или несколько печатных плат 336. Датчик 334 перепада давлений соединен с печатной платой 336 при помощи электропроводки 335. Датчики 307 и 301 абсолютного или относительного давления соединены с печатной платой 336 проводами 313, 305, соответственно. Диафрагмы 332 изолятора в технологических входах соединены с датчиком 334 перепада давлений по линиям 350, 351, которые заполнены подходящей изолирующей жидкостью, такой как кремниевое масло. По линии 351 также передается линейное давление от одного из технологических входов к датчику 301 абсолютного давления. Подобным образом, по линии 350 также линейное давление от другого технологического входа сообщается датчику 307 абсолютного давления. Сборка 310 преобразователя имеет электрический разъем 312 преобразователя, который доступен внутри отделения 304 для проводки. Предпочтительно, сборка 310 преобразователя имеет наружный металлический корпус 338, который постоянно заварен по шву 340, и герметичное межслойное соединение 342, окружающее электрический разъем 312 преобразователя. Печатная плата 336 внутри сборки 310 преобразователя, таким образом, постоянно изолирована и защищена от окружающей среды, окружающей преобразователь 300.
В настоящем воплощении, преобразователь 300 также включает в себя электрический разъем 314. Электрический разъем 314 включает в себя клеммы 316, предназначенные для электрического соединения с внешней проводкой 318, которая соединяет преобразователь давления с пультом управления, схематично показанным позицией 303, и/или с одним или более полевыми устройствами. Внешняя проводка 318, как правило, использует подачу сигналов на длинные расстояния, содержащую последовательную связь HART по двухпроводной промышленной схеме управления силой тока 4-20 мА, которая питает преобразователь 300 и обеспечивает удаленную электропередачу параметров технологической жидкости, определенных сборкой 310 преобразователя, но может также содержать различные известные промышленные каналы связи, такие как FOUNDATION™ Fieldbus, Profibus или прочие известные протоколы связи, включая беспроводные протоколы связи. Винт 328 может крепить электрический разъем 314 к крепежным опорам 306. Электрический разъем 314 может также включать в себя изолированные сборки 320 программируемых перемычек и изолированные программируемые кнопочные выключатели 330. Сборки перемычек 320 включают в себя съемный корпус 326 перемычки, который может быть введен в одну из нескольких ориентации для программирования. Электрический разъем 314 может также включать в себя изолированный кабель 322, который заканчивается изолированной вилкой 324, которая входит в электрический разъем 312 преобразователя и герметично соединяется с корпусом сборки 310 преобразователя.
Преобразователь давления 300 дополнительно включает в себя датчик 354 атмосферного давления, расположенный внутри корпуса 302. Датчик давления 354 улавливает давление внутри корпуса 302, который сообщается с атмосферным давлением через вход 317. Датчик 354 может быть электрически соединен с изолированной сборкой 310 преобразователя давления при помощи межслойного соединения 342. Таким образом, данные об атмосферном давлении могут быть использованы в схеме на печатной плате 336 для соотношения любого желаемого давления с атмосферным давлением. Датчик давления 354 может представлять собой датчик давления любого подходящего типа, включая, без ограничения, емкостной датчик давления, тензорезистивный датчик относительного давления, пьезорезисторный датчик давления, оптический датчик давления, или может представлять собой любой другой подходящий тип датчика давления.
Преобразователь 300 передает данные о выходном давлении по внешней проводке 318 и также передает данные об абсолютном давлении, измеренном каким-либо одним, или обоими, датчиками 301, 307 абсолютного давления на проводке. Данные о выходном линейном давлении могут представлять собой измеренное абсолютное давление, подсчитанное относительное давление, с использованием последовательного сигнала связи, полученного преобразователем 300, или оба этих давления.
Контур 336 получает данные о перепаде давлений между технологическими входами и передает данные о перепаде давления, или любом подходящем параметре, на основании перепада давлений, по проводке 318. Датчик 301 абсолютного/относительного давления получает показатель давления внутри линии 351 и передает этот показатель контуру 336. Более того, датчик 307 абсолютного/относительного давления создает показатель давления внутри линии 350 и передает этот показатель контуру 336. Предпочтительно, каждый из датчиков 301 и 307 улавливает одинаковый тип давления (т.е. абсолютное или относительное). Более того, специалистам в данной области техники понятно, что датчики давления 301 и 307 могут представлять собой датчики абсолютного давления или датчики относительного давления, просто в зависимости от того, выполняют ли они измерение относительно вакуум, а или относительно атмосферного давления. Дополнительно, несмотря на то, что на Фиг.3 изображен датчик 334 перепада давлений, и датчики 301 и 307 абсолютного давления по отдельности, они могут, фактически, являться частями одного монолитного блока. Более того, датчики давления могут иметь строение в соответствии с любой подходящей технологией изготовления датчиков давления и могут измерять давление в соответствии с известными, или разработанными позже, технологиями измерения давления. Например, какой-либо или все датчики 334, 301 и 307 давления могут представлять собой емкостные датчики давления, тензорезистивные датчики относительного давления, пьезорезисторные датчики давления, оптические датчики давления или любой другой подходящий тип датчика давления.
H
L
H
L
H
L
H
L
Фиг.4 изображает блок-схему способа работы преобразователя давления, имеющего многочисленные датчики абсолютного или относительного давления в соответствии с воплощением настоящего изобретения. Способ 400 начинается в блоке 402, где преобразователь давления получает значения высокого и низкого абсолютного давления (AP и AP), а также значение перепада давлений. В блоке 404, преобразователь давления определяет, лежит ли измеренный перепад давлений в заданном диапазоне измерения для датчика перепада давлений. Если измеренный перепад давлений лежит в этом определенном диапазоне, сигнал управления проходит к блоку 406, где преобразователь давления определяет, является ли количество AP-AP по существу равным измеренному перепаду давлений, в пределах точности измерений датчиков абсолютного/относительного давления и датчика перепада давлений. Если они по существу равны, сигнал управления переходит к блоку 408, где достоверный перепад давлений сообщается, и сигнал управления затем возвращается к блоку 402 по линии 410. Однако, если в блоке 406, количество AP-AP не равно измеренному перепаду давлений, сигнал управления проходит к блоку 412, где преобразователь перепада давлений определяет, не превышает ли разница между количеством AP-AP и измеренным перепадом давлений заданного порогового значения. Если пороговое значение превышено, сигнал управления проходит к блоку 414, где преобразователь перепада давлений создает тревожный сигнал, свидетельствующий об ошибке. Созданный тревожный сигнал может представлять собой любой подходящий тревожный сигнал, либо отображаемый локально на преобразователе давления, например зрительный или звуковой сигнал, и/или тревожное сообщение, которое может быть передано преобразователем перепада давлений по коммуникационному контуру процесса. Помимо создания тревожного сигнала, может быть обеспечена опция либо локально, либо путем взаимодействия по контуру управления процессом, для инициации диагностики работоспособности датчика для локализации или идентификации причины.
H
L
H
L
Если пороговое значение не превышено, сигнал управления проходит к блоку 416, где преобразователь перепада давлений создает компенсированный перепад давлений и создает уведомление, указывающее, что созданный перепад давлений является компенсированным количеством. Один из примеров компенсации включает в себя выбор резервного значения, такого как количество AP-AP, и присвоение его значения перепаду давлений, и затем также создание тревожного сигнала. Другой пример включает в себя определение того, достигает ли перепад давлений предельного значения своего действительного диапазона измерений, либо близок к нему, и учет веса значения сигнала датчика перепада давлений в средневзвешенном показателе с количеством AP-AP. Соответственно, когда датчик перепада давлений начинает достигать пределов своего заданного диапазона или работает вне его пределов, весом его сигналов можно пренебречь, так что компенсированные выходные данные становятся все более сосредоточенными на значениях, обеспечиваемых датчиками абсолютного давления. Еще один пример включает в себя изучение величины последних изменений каждого количества и пренебрежение или не выбор количества, изменения в котором наиболее значительные, и последующее создание тревожного сигнала. Таким образом, если один из датчиков станет разомкнутой цепью, преобразователь должен немедленно переключиться в другой режим измерения, и создать тревожный сигнал. Это просто примеры того, как можно обеспечить компенсацию. Конечно, другие математические формулы и технологии не нарушают пределов и сущности воплощений настоящего изобретения.
H
L
Со ссылкой на блок 404, если измеренный перепад давлений лежит за пределами диапазона, сигнал управления переходит к блоку 418, где преобразователь перепада давлений обеспечивает оценку преобразователя давлений как разницы между AP и AP. В блоке 420 создается рассчитанный перепад давлений и тревожный сигнал, указывающий, что количество является расчетным. На Фиг.4 показано, что сигнал управления от блоков 416 и 420 возвращается в блок 402 по линии 422.
H
H
L
H
H
L
L
H
Фиг.5 изображает блок-схему способа для получения и сообщения значений абсолютного или относительного давлений в соответствии с воплощением настоящего изобретения. Способ 500 начинается в блоке 502, который по существу эквивалентен блоку 402, показанному со ссылкой на способ 400. По существу, преобразователь давления получает сигналы датчиков от обоих датчиков абсолютного/относительного давления, а также от датчика перепада давлений. Сигнал управления затем проходит к блоку 504, который определяет, если сигнал датчика высокого абсолютного давления (AP) является достоверным. Это может быть осуществлено просто путем проверки для определения, является ли датчик замкнутым или разомкнутым контуром. Более того, проверка на достоверность может включать в себя сравнение текущего показателя датчика с последними полученными показателями датчиков для определения возникновения значительного скачка или изменения в значении, чей скачок или изменение не отражается в показателях двух других датчиков. Если блок 504 определяет, что AP достоверное, сигнал управления проходит к блоку 506, где преобразователь давления осуществляет подобный анализ показателя датчика низкого абсолютного/относительного давления (AP). Если это значение также достоверно, сигнал управления проходит к блоку 508, где оба значения абсолютного/относительного давления сообщаются, или иным образом используются при расчетах преобразователя давления. Однако если один из датчиков абсолютного или относительного давления выходит из строя, можно оценить показание неисправного датчика. Например, в блоке 504, если AP недостоверно, сигнал управления проходит к блоку 510, где обеспечивается оценка AP как суммы нижнего абсолютного или относительно давления (AP) и измеренного значения перепада давлений. Подобным образом, в блоке 506, если сигнал датчика низкого абсолютного или относительного давления недостоверный, сигнал управления проходит от блока 506 к блоку 512, где выполняется оценка AP как AP минус перепад давлений.
Известно использование линейного давления для компенсации показателей перепада давлений. Однако воплощения настоящего изобретения обеспечивают возможность создания такой компенсации даже в случае неисправности одного из датчиков абсолютного или относительного давлений. Более того, высокий уровень диагностики обеспечивается, по существу, путем наблюдения за всеми тремя значениями (сигналами датчиков как абсолютного, так и относительного давления, и сигнала датчика перепада давлений) в ходе работы. Таким образом, преобразователь давлений может обеспечивать перепад давлений, а также линейное давление. Диапазон перепада давлений по существу совпадает с диапазоном чувствительного датчика перепада давлений и достигает перепада давлений полного давления в линии на одном порте и нулевого давления на другом порте, при расчете как разница показателей датчиков абсолютного и относительного давлений. В случае, когда датчик перепада давлений и/или связанная с ним схема измерения неисправна, преобразователь может перейти в режим защиты для расчета и проведения оценки перепада давлений как разницы между датчиками абсолютного или относительного давлений. В некоторых конфигурациях, это приведет к снижению точности измерения перепада давлений по сравнению с показателем датчика перепада давлений, но может позволять продолжать работу. Однако степень снижения точности зависит от конфигурации используемого датчика. Преобразователь давления будет также передавать тревожный сигнал или предупреждение, свидетельствующее о неисправности, системе управления или технику. В случае неисправности одного из датчиков абсолютного или относительного давления преобразователь может перейти в режим защиты, и этот показатель может быть определен, как сказано выше, на основании сигнала оставшегося датчика абсолютного или относительного давления и сигнала датчика перепада давлений. Снова тревожные сигналы или предупреждения будут сообщать о таком режиме защиты системе управления или технику.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные воплощения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в форме и подробностях могут быть выполнены изменения без выхода за рамки объема и сущности изобретения. Например, несмотря на то, что настоящее изобретение было описано в основном касательно пары датчиков абсолютного или относительного давления, используемых совместно с единственным датчиком перепада давлений, дополнительные датчики абсолютного или относительного давления могут также быть использованы для повышения эффективного диапазона измерений для таких абсолютных или относительных измерений.