在过程变量变送器中的多相过度读取校正

摘要

过程变量变送器(10，102)可操作地耦合至多相过程流体流的源(14)。过程变量变送器(10，102)被配置为：在多相过程流中，获得与温度、参考压力、以及差压产生器(12)两端的差压相关的信息。过程变量变送器(10，102)被配置为：基于参考压力、差压和温度，计算和/或校正过度读取。

说明书

背景技术

在许多过程装置中，过程流体流经如过程管道之类的导管。过程 流体可能是液体、气体或两者的结合。在过程流体完全是液体或完全 是气体的应用中，如质量流之类的流参数的计算相对简单。然而，在 过程流体是液体和气体的组合的应用中，流参数的计算要更加复杂。 一般地，液体与气体混合(例如多相(multiphasic))的过程流体的示 例包括湿蒸汽和天然气。

在许多天然气井源应用中，有大量的液体夹带在气流中。液体的 存在会造成气体流测量中的明显误差。一种误差有时被称为过度读取 (overreading)。过度读取发生在差压传感器过度读取真正的气体流的 时候。过度读取的量通常与Lockhart Martinelli参数相关联，Lockhart Martinelli参数是使总气体质量流与总流体质量流相关联的数。当可能 测量许多参数，并利用强大的处理器来计算流参数时，这样的计算典 型地包含专用的硬件、专门技术人员的时间和/或测试，或两者的组合。

一般地，过程流体控制装置采用过程变量变送器。提供这样的具 有校正过度读取的能力的过程变量变送器，而不增加额外的硬件或包 含设备的复杂的初始特性化或校准，将带来显著的益处。

发明内容

将过程变量变送器可操作地与多相过程流体流的源耦合。将过程 变量变送器配置为：在多相过程流中，获得与温度、参考压力、以及 差压产生器两端的差压有关的信息。将过程变量变送器配置为：基于 参考压力、差压以及温度计算和/校正过度读取。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的多变量多相流体流变送器的示意 图；

图2是根据本发明的实施例的多变量多相过程流变送器的框图；

图3是根据本发明的实施例的用于提供多相过程流体流信息的过 程测量系统的示意图；

图4是根据本发明的实施例的用于为多相过程流体流计算气体流 速的方法的流程图。

具体实施方式

图1是与管道14中的差压产生器12耦合的多变量差压变送器10的 示意图。差压变送器10使用任意适当的连接(包括有线或无线连接) 可操作地耦合至控制室16。适当的有线连接的示例包括Highway Addressable Remote Transducer协议，FOUNDATION^TMFieldbus Protocol或其他协议。此外，或备选地，也可以采用无线数据 传输协议。在一些有线的实施例中，差压变送器10能够完全由通过其 进行通信的有线过程通信线所接收到的能量来供电。

多变量变送器10包括与传感器模块20耦合的电子隔室18，该传感 器模块20进一步与歧管(manifold)22耦合。歧管22将传感器模块20 耦合到差压产生器12。产生器12的相反侧上的端口将上游和下游过程 流体的压力传递给歧管22。歧管22将过程流体与传感器模块20隔离， 但将上游和下游过程流体的压力传递给设置在传感器模块20内的差压 传感器。

因为变送器10通常能够被安装在现场，所以将变送器10视为现场 设备。一般地，“现场”是指过程装置的外部区域，其可能遭受气候极 限、振动、湿度变化、电磁或射频干扰或其他环境挑战。因此，过程 压力变送器10的鲁棒性物理封装为过程压力变送器10提供了在“现场” 中每次长时间运行(例如几年)的能力。

在本实施例中，因为多变量变送器10能够转换(transduce)多个 过程变量，所以多变量变送器10被视为“多变量的”。例如，如上所述， 变送器10感应产生器12两端产生的差压。此外，变送器10耦合至温度 传感器24，并且被适配为经由传感器24测量过程流体的温度。优选地， 将传感器24嵌入产生器12内，并且传感器24可以是包括电阻温度设备 (RTD)、热电偶、热控管、或任何其它适当的技术在内的任何适当的 设计。优选地，将传感器24布置在产生器12内部的温度计套管 (thermowell)内。此外，如将要参考图2更详细描述的，多变量变送 器10还能够测量管道14内的过程流体的参考(绝对或表)压力。存在 实验证据：差压变送器的过度读取的量是操作压力、气体速度以及差 压元件的几何结构的函数。根据变送器10能够转换多个参数的优点， 变送器10可以在存储的仪表配置文件中、测量的过程变量中、或通过 计算来获得所有这些信息片段。将参考图4，更详细地描述一种用于提 供改进的气体流速校正的方法。

图2是根据本发明的实施例的多变量变送器10的框图。变送器10 包括电源模块30，电源模块30可操作地耦合至过程通信环路32。优选 地，变送器10包括环路通信模块34，环路通信模块34也可操作地耦合 至过程通信环路32。环路通信模块34被配置为根据特定过程工业标准 协议(例如HART协议和FOUNDATION^TMFieldbus Protocol)提供信 令。变送器10包括控制器36，控制器36优选地包括低功率微处理器。 控制器36从电源模块30接收电力，并与环路通信模块34进行双向通信。

差压产生器12经由脉冲线40和42可操作地耦合至差压传感器38。 在一个实施例中，差压传感器38通常包括可移动隔膜(membrane)， 其响应于线40和42内的差压而移动。差压传感器38可以包括传导振动 膜(conductive diaphragm)，在振动膜的任一侧的板上分别形成电容器。 因此，当传导振动膜移动时，电容发生变化，该变化可以用于指示差 压。其他形式的差压传感器也可以用于差压传感器38。适当的示例包 括基于应变仪的传感器、基于压阻的传感器或其他传感器。

差压传感器38电耦合至测量电路44，测量电路44被配置为测量差 压传感器38的电气特性的变化。优选地，测量电路44包括模数转换器 45和多路转换器47。模数转换器45可操作地耦合至压力传感器38、41 和温度传感器24，并基于压力传感器38、41和温度传感器24的电气特 性向控制器36提供数字指示。

压力传感器41可操作地耦合至脉冲线40和42之一。在图2中，压 力传感器41可操作地耦合至脉冲线40。因为压力传感器器41是能够提 供脉冲线40内的压力的指示(表示过程管道14内的压力)的表(gage)、 大气、或绝对压力传感器，所以压力传感器41是参考压力传感器。除 了差压传感器38，附加压力传感器41的提供使得多变量传感器10不仅 能够测量产生器12两端的差压，还能够测量过程管道内的参考压力。 尽管图2示出了差压传感器38和绝对压力传感器41，然而其它布置也可 用于感应差压和参考压力。例如，可以使用一对参考压力传感器，其 中每一各自的参考压力传感器耦合至脉冲线。因此，每个压力传感器 测量脉冲线内的压力的参考压力值，然后将差压作为两次测量的算术 差进行计算。测量电路44采用多路转换器47，多路转换器47选择性地 将压力传感器41、压力传感器38或温度传感器24中的一个耦合至模数 转换器45。然后，模数转换器45产生与关联传感器所呈现的模拟电量 相关的数字指示。在使用多个模数转换器45的实施例中，可以潜在地 省略多路转换器47。

图2还示出了耦合至温度传感器24的测量电路。如上所述，温度 传感器24可以采用任何适当的形式。多变量变送器10感应与管道14内 流动的多相过程流体相关的差压和参考压力以及管道14内的流体的温 度的能力，使得能够进行相对于多相流体流的更高等级的计算。

图3是根据本发明的实施例的过程测量系统的示意图。系统100包 括差压变送器102和温度变送器104。图3示出了：本发明的实施例能够 利用附加过程变量变送器的能力将过程变量信息传达给诸如差压过程 变量变送器之类的特定过程设备，从而使得差压变送器102能够计算校 正的多相流体参数。在图3所示的实施例中，变送器102耦合至差压产 生器12，并且变送器102与相对于图1和2所描述的多变量变送器10具有 许多相似之处。将相同的组件相似地编号。此外，系统100包括耦合至 图3所示的虚线中所例证的温度传感器24的过程温度变送器104。过程 温度变送器是本领域公知的，因此将不再对其进行更详细的描述。根 据本发明的实施例，变送器102从温度变送器104查询或相反地获得过 程流体温度信息。然后，变送器102转换差压和参考压力，并提供校正 后的多相流体流参数。此外，本发明的实施例还包括将另一过程变送 器用于转换或相反地测量管道14内的压力。

根据本发明一个实施例，过程变量变送器中的诸如控制器36之类 的控制器使用通常被称为功能块的组件来计算校正后的多相流体流 值，其中每个功能块是整个控制例程的一部分(例如，子例程)，并且 与其它功能块结合(经由被称作链接的通信)进行操作，以在过程控 制系统内实现过程控制环路。功能块典型地执行输入功能(例如与过 程变量变送器、传感器、或其它过程参数测量设备相关联的输入功能)、 控制功能(例如与执行PID、模糊逻辑控制的控制例程相关联的控制 功能)、或输出功能(控制诸如阀门之类的一些设备的操作)中的一个， 以在过程控制系统内执行某些物理功能。当然，存在混合及其它类型 的功能块。可以将功能块存储在过程设备的控制器中，并且由过程设 备的控制器执行，这典型地为以下情况：当这样的功能块用于或关联 标准4-20mA设备以及诸如HART设备之类的一些类型的智能现场设 备时，或可以将这样的功能块存储在现场设备自身中并且由所述现场 设备自身来实现时，这可以是采用FOUNDATION^TMFieldbus的情况。

图4是根据本发明的实施例的用于为多相过程流体流计算和校正 气体流速参数的方法的流程图。方法200结束于框202，在框202处，获 得差压(dp)、参考压力(P)、以及气体速度(V_g)的初始值。如上 所述，可以通过如上相对于图1和2所描述的耦合至多变量过程设备的 适当的传感器来转换这些参数；经由过程通信，从一个或更多个其它 现场设备获得这些参数；或二者的组合。然后，控制前进至框204，在 框204处计算过度读取(OR)。该计算基于为压力(P)以及气体速度 (V_g)测量的或获得的值。框204基于在框202中获得的压力和气体速 度值，计算过度读取。存在实验证据：过度读取的量是操作压力、气 体速度、以及差压基本元件的几何结构的函数。一旦执行了现场设备 的安装和交付使用，差压基本元件的几何结构就变为已知的。因此， 该信息被视为与操作相关的先验信息。然而，变送器10、102中的每一 个在存储器中保存与差压基本元件(产生器)12相关的信息。该信息 可以采取以下形式：一组方程的系数、查找表、或任何其它合适的形 式。在过度读取与Lockhart Martinelli参数(X_LM)之间的一个特定的 关系是线性过度读取模型。在线性过度读取模型中，过度读取对X_LM的图的斜率等于：截距加上乘以压力值(P)的第一系数，加上乘以 气体速度的第二系数，加上乘以表示差压产生器的几何结构的值的第 三系数。更具体地，该关系采用以下形式：

OR对X_LM的斜率＝截距+C1(P)+C2(V_g)+C3(β)

为了在框204处执行的过度读取的初始计算，可以使用适当的缺 省值来估计Lockhart Martinelli参数，或者将Lockhart Martinelli参数作 为在多相流体流变送器的交付使用期间输入的初始值而取回。一旦在 框204处执行对过度读取的初始计算，则基于在框204中计算的过度读 取值，计算差压值和气体速度值。在框206处执行对差压和气体速度的 计算。框206还包括确定校正的差压是否与在先前的迭代中获得的校正 后的差压足够接近的测试。本质上，这是一个收敛测试。在第一次通 过之后，将不存在收敛，并且框206将简单地将控制传递给框208和210， 以根据在框206中计算的参数分别计算Lockhart Martinelli参数以及过 度读取曲线。

在框208处，将Lockhart Martinelli参数(X_LM)定义为：

$X_{\mathrm{LM}}=\frac{Q_l}{Q_g}\sqrt{\frac{{\rho }_g}{{\rho }_l}}$

其中：

Q_l是液体的质量流速；

Q_g是气体的质量流速；

ρ_l是液体的流动密度；

ρ_g是气体的流动密度。

根据已知的液体密度、在多相流体流中出现的液体的百分比、以 及气体的密度，计算Lockhart Martinelli参数(X_LM)。优选地，基于将 要在管道14中出现的预期的过程流体，在交付使用或多相流体流仪的 维护期间，将液体密度作为先验信息输入。基于管道14中的气体相位 的已知性质以及测量的过程温度和压力，计算气体密度。假设液体与 气体相位质量流速的比例是恒定的，通过使用测试分离器或者其它装 置独立地测量液体与气体相位质量流速的比率。

在框210中，基于在框202中测量的压力、在框206中计算的气体 速度、以及已知的仪器配置信息，计算或确定过度读取曲线。将计算 的Lockhart Martinelli参数和计算的过度读取曲线都反馈至框204，利用 从框208和210最新计算的信息重复该方法。持续该过程，直到差压收 敛至适当的等级，在所述等级处定时控制从框206传递至框212。在框 212处，差压用于为多相流体流计算校正后的气体流速。优选地，经由 诸如环路32之类的过程通信环路，将该参数传送给控制器或其它适当 的过程设备。

本发明的实施例为多相过程流体流产业提供了显著益处。现在， 已在许多过程装置中使用的过程变量变送器甚至能够在流条件改变时 提供有价值的多相过程流体信息。

尽管已经参考优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员 将认识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细 节上进行改变。