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专利名称：用于测量过程控制流体消耗的系统的制作方法
用于测量过程控制流体消耗的系统
本申请是申请日为2006年12月8日、申请号为200680051477. 6且发明名称为 “用于测量过程控制流体消耗的系统”的发明专利申请的分案申请。技术领域
本公开内容总体涉及测量由过程控制设备消耗的流体，具体而言，涉及确定由一控制系统内的具体过程仪表或由整个过程控制回路所消耗的供应流体的量。
背景技术：
过程控制系统通常使用诸如压缩空气或气体之类的流体供应来操作过程控制系统内的气动过程控制装置。而且，远程操作过程控制系统已知使用过程介质操作诸如气动仪表的部件以及诸如控制阀致动器之类的气动装置。气动供应流体在操作过程中被消耗 (即，该供应气体的一部分在操作过程中被耗尽而且未被接受或再循环。根据所控制的过程，这种供应气体消耗在某些情况下可能存在问题并且花费大。例如，在天然气工业中，一些气动仪表通过使用天然气作为气动供应源进行操作。这样，诸如天然气之类的高价值流体的损耗对于操作者可提供相当大的经济动机而检测并精确测量渗漏，并在可能时限制天然气的消耗或排放。天然气渗漏的环境影响和对超限度消耗或排放天然气的潜在调控惩罚，形成了测量和限制这些排散的另外的动机。此外，操作者可能希望测量所消耗的天然气的量，以确定开采权的费用或便于调整过程控制设备，从而更好地优化在仪表操作过程中的流体消耗。
用于操作过程控制系统的供应流体或气体的总量可分为不同的两类使诸如控制阀之类的气动控制装置工作所需的供应流体，和操作气动控制仪表所消耗或耗费的供应流体。例如，包括控制阀和液位控制器的过程控制系统中，存在用于致动或移动控制阀的大量供应气体，以及在液位控制器的操作过程中所消耗的以产生气动信号来致动控制阀的大量供应气体。通常，这两种值并不是可以清楚地确定，因而只能估计过程控制系统的供应气体消耗。这样，传统方法并未提供系统中的具体装置的供应气体总消耗的精确估计值。
测量在过程控制系统内供应气体消耗的一种传统方法是，通过流量计计量气动仪表的排放气体。这种传统的流量测量技术当排放流量断续或时有时无时可能很不准确，这是因为，传统流量计的带宽或响应时间太慢而无法记录流量偏差。传统上，排放气体包括由气动仪表耗费的供应流体量和用于操作阀的供应气体量，这使得很难在这两种量之间进行单独区别。因此，希望存在一种可靠的系统和方法，以精确测量过程控制系统内的具体过程控制仪表或其他装置的供应气体消耗。发明内容
本发明公开了一种用于精确测量由过程控制系统内的具体过程控制装置所消耗的供应气体的系统和方法。更好的测量精确度源自对于在过程控制系统的正常操作模式中过程控制装置的消耗进行测量。通过流体控制系统，将由一个过程控制装置所消耗的流体CN 102928023 A书明说2/12 页量分离于在致动其他过程控制装置时所消耗的供应气体量。每一部件所消耗的流体量可通过测量具有已知量的容器内流体的减少而确定，所述容器在其操作过程中将供应气体独立供应到每一部件。


图I是例示过程控制系统的方框图，其中过程控制系统具有主、副流体供应系统， 用于确定过程控制系统的正常操作过程中的流体消耗；
图2是例示过程控制系统的示意图，其中过程控制系统装备有通过本公开所构想的流体消耗测量系统的另一实施例的示例；
图3是例示过程控制系统的示意图，其中过程控制系统具有本公开所构想的流体消耗测量系统的实施例；
图4是逻辑流程图，其中描述了图3中的流体消耗测量系统当用于检测具有比例输出(即节流输出)的装置的流体消耗时的操作步骤；
图5是逻辑流程图，其中描述了图3中的流体消耗测量系统当用于检测具有离散输出(即“开”或“关”输出)的装置的流体消耗时的操作步骤；
图6是逻辑流程图，其中描述了图3中的流体消耗测量系统当用于检测过程控制系统的 总流体消耗时的操作步骤；
图7是过程控制系统的示意图，其中例示了通过本公开所构想的流体消耗测量系统的进一步的实施例；
图8是逻辑流程图，其中描述了确定图7中所示的过程控制系统内气动装置的单独流体消耗的流体消耗测量系统的操作步骤；
图9是例示了与通过本公开所构想的流体消耗测量系统的示例性实施例相结合的过程控制系统的示意图；以及
图10是描述了图9的流体消耗测量系统的操作步骤的逻辑流程图。
具体实施方式
为了实现本公开的目的，在此使用的术语“流体”表示用于控制系统内动力气动仪表或气动装置的气态介质。由受控流体供应源提供的流体类型可与由正常仪表流体供应提供的流体类型相同，或可为不同流体。例如，由受控流体供应源的流体可为天然气、氮气或压缩空气，由仪表流体供应的流体可为与由受控流体供应源的流体相同的流体，或者例如上述三种流体的一些其他相容流体。本领域普通技术人员应理解的是，当受控流体供应源不是过程介质，例如使用天然气不相容的压缩空气或氮气来操作气动装置时，可易于将气体消耗量转化为反映在正常操作过程中的实际消耗。用户将仅需要使用已知的气体修正系数来说明流体性能差异。此外，在本公开中，术语“激活”表示将具体流体控制装置设置在预定流动控制状态。例如，常闭阀当其相关的控制信号来命令该阀从关闭状态移动到非关闭状态时被激活。本领域技术人员可认识到的是，在不背离本公开的精神和范围的情况下， 不同的控制信号类型(即，+ / —极)可应用于流体控制装置以激活/关断或改变流动状态。
如图I中所示的系统的方框图，如下所述，例示了通过本公开所构想的示例性实施例，用于测量过程控制系统4在正常操作模式下的流体消耗。具体而言，过程控制系统44中的部件(例如过程控制装置5或过程控制仪表9)的流体消耗可单独测量。为了确定操作过程控制系统4的供应气体量，其通常以每小时标准立方英尺(SCFH)测量，确定在正常操作过程中由所述过程控制装置中的每一个消耗的供应气体量是有用的。在本公开中，正常流体供应源8和具有已知容量的受控流体供应源2被设置为与流体控制系统6流体连通。 流体控制系统6进一步与过程控制系统4连通，过程控制系统4至少包括可操作地连接到过程控制装置5的过程控制仪表9，过程控制装置5例如为包括控制阀(未示出)和致动器 (未示出)的控制阀组件。本领域普通技术人员可以理解的是，通过选择性地将受控流体供应源2经由流体控制系统6连接到过程控制系统4、并以正常操作模式操作过程控制系统 4，在受控流体供应源2中流体的压力或体积的任何变化与操作过程控制系统4的流体量直接相关。也就是说，受控流体供应源中流体的压力或体积的变化可通过由已知量所得的绝对测量或通过由初始量和最终量所得的相对测量而确定。可进一步认识到的是，流体控制系统6可选择性地将过程控制系统4的部件，例如过程控制仪表9或过程控制装置5，连接到受控流体供应源2，以单独确定在过程控制系统4的正常操作过程中所消耗的流体量。流体消耗测量系统的更详细的说明如图2中所示。
在如图2中所示实施例中，过程控制仪表112，例如液位控制器，显示为与过程控制装置114流体连通，过程控制装置114包括连接到致动器128的控制阀116。进一步地， 例如罐122之类的受控流体供应源120和仪表流体供应118被设置为选择性地通过流体控制系统130与过程控制仪表112流体连通。流体控制系统130包括压力开关136，三个电磁阀138、144、148，两个止回阀150、152，和两个限制器140、142。本领域普通技术人员可认识到的是，通过操作流体控制系统130，仪表流体供应118和受控流体供应源120可选择性地被设置为与过程控制装置114和过程控制仪表112流体连通，以确定在任一组件的正常操作过程中消耗的流体量。
具体而言，流体控制系统130的电磁阀138、144、148为现有技术中已知的三端口、 双入口的电磁阀。通过激活和关断每一电磁阀，其输出可选择性地连接到两个输入中的任一个。因此，在本实施例和前述实施例中，可理解的是，所述流体控制系统内的流体路径可通过操作人员或电子接口电路操作，以隔断或路径受控流体供应源，从而执行流体消耗测量。例如，在本实施例中，通过利用电源开关(未示出)激活的电磁阀138，受控流体供应源 120直接连接到过程控制仪表112，并且，仪表供应118 (其可以是天然气)与过程控制仪表 112断开连接，如果其余的电磁阀144、148关断，仪表供应18仍保持连接到过程控制装置。
通常，当在本示例性实施例中执行消耗测量时，流体从无流失可调节压力调节器 132流过流体控制系统130，压力调节器132例如为，由密苏里州圣路易斯的爱默生过程控制有限公司的分部费舍尔(Fisher")制造的1367型高压仪表供应调节器系统。调节器132 串联设置并处于受控流体供应源120的下游，以控制在控制阀组件114和过程控制仪表112 处的流体供应压力，使得其下游压力基本等于正常供应气体118的由供应气体调节器131 控制的压力，供应气体调节器131例如为，由密苏里州圣路易斯的爱默生过程控制有限公司的分部费舍尔制造的67型调节器。另外，诸如压力计之类的第一压力传感器126和诸如远程温度传感器(RTD)之类的温度传感器180被设置为与受控流体供应源120流体连通， 以记录在消耗测量过程中的压力和温度参数。可认识到的是，在消耗测量过程中精确确定罐122内的温度和压力条件，提高了流体消耗计算的精确度。
本领域普通技术人员可进一步认识到的是，在本实施例中，不仅可能实现手动操作流体控制系统130，而且可实现手动记录检测参数。也就是说，通过操作人员切换每一电磁阀138、144的电源，可激活和关断仪表和装置的电磁阀138、144。进一步地，温度传感器 180和压力传感器126和166可为现有技术中已知的传统的温度传感器和压力计，并且，温度和压力读数可手动记录用于消耗计算。
如前所述，为了通过本实施例进行消耗测量，仪表电磁阀138被激活以将过程控制仪表112的流体源切换到罐122的受控流体供应源120。为了计算过程控制仪表112在操作过程中消耗的流体，必须在通过过程控制仪器112操作过程控制装置114的过程中测量罐122内的流体压力降低。为了在执行消耗测量时模拟正常的系统操作，提供了具有一个或多个可调节压力开关和一个或多个可调节流动限制器的系统。这些可调节压力开关和可调节流动限制器用于调整流体消耗测量系统110，以模拟直接操作过程控制装置114的过程控制仪表112的正常动态性能。也就是说，在流体消耗测量中，过程控制仪表112的输出与过程控制装置114断开连接。因此，流体消耗测量系统110利用流体控制系统130响应过程控制系统的变化，从而在消耗测量过程中保持 正常操作。该特征将在下文中更详细地说明。
因此，当第一电磁阀138被激活(或以其他方式设置或调节)至使流体由受控流体供应源120供应到控制器112的位置时，检测初始。当消耗测量开始时，罐122内的初始压力被测量，并由第一压力传送器126发送到操作人员或处理器(未示出)，并进行记录。数据可记录在报告中或存储在与处理器关联的存储器内。如前所述，在本实施例中，不存在电子检测控制器来初始化并控制该检测。在此实施例中，处理器仅监测所述检测，并在连接有效时通过处理器与压力和温度传送器之间的电子通讯收集检测参数。
随着检测继续，第二电磁阀144被激活至使流体由仪表流体供应118供应到控制阀116和与控制阀106可操作连通的致动器128的位置。压力开关136提供本实施例的控制功能。也就是说，当来自过程控制仪表112的输出压力信号偏离压力开关136的预设值或设定值时，压力开关136产生用于致动供应电磁阀148的电信号，以操作至控制阀组件 114的流体供应，从而在检测过程中保持正常操作。流体控制系统130通过在流动路径中提供可调节流动限制器而模拟正常操作模式下的过程控制系统的动态，从而保持正常操作特性。也就是说，本领域普通技术人员应认识到的是，过程控制系统将具有必须保持以确保消耗测量精确度的具体动态特性。
可进一步理解的是，可调节流动限制器140、142为检测人员提供便利，以调节检测系统的动态，以对应于操作过程中过程控制系统的等同动态。因此，可调节流动限制器 140、142被设置为与仪表流体供应118流体连通，并当过程控制仪表112为了消耗测量已被断开连接时驱动过程控制装置114。
另外，第一单向止回阀150可被设置在流动限制器140之一的入口处，以防止通过流动限制器140的回流，第二单向止回阀152可被设置在流动限制器142之一的出口处，以防止通过流动限制器142的回流。从而，当检测进行时，过程控制系统保持操作。如果在预定时间段之后，操作者确定检测已经完成，则第一压力传送器126检测最终的罐压力，并且，温度传感器180检测最终的罐温度数据。记录压力、温度和经历时间数据。为了计算消耗，由处理器执行的算法从罐122的初始压力中减去罐122的最终罐压力，并可通过所记录的温度数据进行温度补偿，从而确定罐122内的压力降低。
这种计算出的罐122内的压力降低通过利用预定的压力一体积的相关性而转化， 从而确定在预定时间段中控制器消耗的罐中的流体量。由于流体测量基于罐122内的压力损耗，因此，还将获取过程控制系统110内的任何渗漏。考虑到控制阀116中的渗漏以及过程控制系统111内的管、管线或其他管道中的渗漏，测得的性能是最坏情况的结果的反映。 这样，优选的是，测量控制器112的排放，其中，在排放测量中将检测不到任何系统渗漏。本领域普通技术人员可认识到的是，流体消耗测量系统也可自动化。
转向图3中所示的系统，其中显示了通过本公开所构想的另一实施例。流体消耗测量系统210包括由流体控制系统230控制的受控流体供应源220和仪表流体供应218。在示例性实施例中，所示过程控制系统至少包括例如液位控制器之类的过程控制仪表212， 和诸如控制阀组件之类的包括致动器228和控制阀216的过程控制装置214。在正常操作中，过程控制装置214响应于来自过程控制仪表212的气动命令信号，以控制通过控制阀 216的流动。通常，这通过响应从过程控制器(未示出)至过程控制仪表212的输入信号，控制用于致动控制阀216的压缩流体源或供应气体而实现。在本实施例中，供应气体的主源显示为通过仪表流体供应218，并以基本恒定的压力通过供应气体调节器231而供应。为了确定流体消耗，仪表流体供应218暂时由受控流体供应源220替代，例如，在罐222或其他容器中提供的流体。将在下文中更详细地描述使用可替代流体源来确认和定量系统所消耗或使用的供应气体。具体而言，图3中所示系统可用于测量气动装置的流体消耗，所述气动装置具有比例的(即基本连续的)节流输出或具有离散的(即“开”或“关”或基本断续的) 输出。
如图所示，受控流体供应源220，例如罐222，被设置为选择性地至少与过程控制仪表212流体连通。罐222通过如为前述的1367型的无流失可调节压力调节器232与过程控制仪表212流体连通。类似于图2中描述的实施例，调节器232串联设置，并处于受控流体供应源220下游或其出口处，以控制在控制阀组件214处的流体供应压力，使得下游压力基本等于仪表供应气体218在供应气体调节器231下游的压力。受控流体的检测参数， 例如流体压力和流体温度，通过与受控流体供应源220流体连通的第一压力传送器226和温度传送器280检测。
如本公开所构想的，温度传送器280提供数据，以指示受控流体供应源220内的流体的平均温度。由温度传送器检测到的平均温度读数，可用于计算在任何给定时间在受控流体供应源220内的流体量。第一压力传送器226提供与罐222内流体压力相关的压力数据。
在本实施例中，流体控制系统230中的第一电磁阀238，例如具有双入口的三端口阀，提供选择性控制通向过程控制仪表212的流体源。第一电磁阀238位于调节器232的出口处，并通过调节器232与仪表流体供应218和罐222流体连通。第一电磁阀238在激活时将通向过程控制仪表212的流体源从仪表流体供应218 (例如天然气供应)切换到罐 222的受控流体供应源220。流体控制系统230包括第二压力传送器276，其与过程控制仪表212的输出连通，从而在流体消耗测量过程中测量过程控制仪表212的输出信号。流体控制系统230还包括第二电磁阀244，其基本类似于第一电磁阀238并与过程控制仪表212 的输出流体连通，并且，第三压力传送器266设置在第二电磁阀244的输出处。
当流体控制系统230的这些部件激活时，第二电磁阀244将流体源从过程控制仪表212的输出切换到仪表流体供应218，从而使过程控制仪表212与过程控制装置214断开连接，以将仪表供应气体隔离于装置供应气体，从而允许对在过程控制回路的操作过程中所消耗的流体进行精确区分。为了在消耗测量过程中再现正常操作，流体控制系统230 必须将气动控制信号供应到致动器，该气动控制信号模拟来自过程控制仪表212的控制信号。这种控制信号通过流体桥接电路而在流体控制系统内再现，所述流体桥接电路由四个电磁阀204、205、206、208和电流-压力(“Ι/P”)转换器209形成。流体桥接电路产生流体电路，其允许流体消耗测量系统210与节流的或分立的过程控制装置一起使用，这将在下文中更详细地说明。也就是说，流体桥接电路形成位于供应气体调节器231的出口与第二电磁阀244的入口之间的可选择流体流动路径。
本实施例进一步包括例如可编程逻辑控制器的电子检测控制器211，其具有相关的处理器、存储器以及离散的输入和输出，并连接到压力传送器226、266、276、电磁阀238、 244、204、205、206、208、电流一压力转换器209和温度传送器280，以操作流体消耗测量系统210。如下所述，电子检测控制器211可以提供流体控制系统230的多种操作模式。例如，在正常操作模式下，电子检测控制器211操作流体控制系统230，以设置直接控制过程控制装置214的过程控制仪表212的气动控制信号。在另一模式下，即在流体消耗测量模式下，电子检测控制器211操作流体控制系统，以将过程控制仪表212与控制阀组件214断开连接，并且，电子检测控制器211通过流体控制系统230对过程控制装置214进行控制， 以隔离过程控制仪表212，从而确定流体消耗。另外，电子检测控制器211可利用来自流体控制系统的压力传送器226、266、276的信号,从而表征过程控制系统的正常操作模式以用于诊断目的，或在诊断模式下确定检测系统内的问题。
转向图4中的流程图，此流程图中描述的逻辑说明了，流体消耗测量系统210如何与用作节流装置的过程控制仪表212结合使用以进行流体消耗测量。在测量开始时，第一、 第二、第四、第五和第六电磁阀238、244、205、208、206被激活，而第三电磁阀204关断，以将正常仪表流体供应218通过电流一压力转换器209路由到第二电磁阀244。当流体检测消耗系统210与节流型或连续输出的过程控制仪表一起使用时，电流一压力转换器209将基本连续的控制信号提供到过程控制装置214，以通过模拟过程控制仪表212的输出而复制过程控制系统的正常操作模式。应理解的是，流体控制系统230的第五电磁阀205在操作过程中阻止I/P212的出口通过第三电磁阀204，从而引导流体流动通过电流一压力回路来致动控制阀组件214。从而，通过如前所述地操作流体控制系统230，流体消耗测量系统210 具有通向过程控制仪表212和隔离的过程控制装置214的流体源，从而允许对于在过程控制系统的正常操作过程中由过程控制仪表212消耗的流体进行精确区分。
继续图4，消耗测量的下一步骤需要通过第一压力传送器226和温度传送器280 检测初始的罐压力和温度，并将其发送到电子检测控制器211。可记录初始的罐压力和温度数据，例如通过将数据存储在与电子检测控制器211中的处理器关联的存储器中进行记录。流体消耗测量的开始时间也被记录，例如通过将流体消耗测量开始的时间和数据也存储在与所述处理器关联的存储器中进行记录。
随着消耗测量继续操作，来自过程控制仪表212的输出信号由第二压力传送器 276检测测并被发送到电子检测控制器211。另外，第三压力传送器266检测第二电磁阀244的出口处的流体压力，并将与此压力所对应的数据发送到电子检测控制器211。本领域技术人员可认识到的是，图4中描述的条件检验和迭代循环显示，电子检测控制器在流体消耗测量过程中正在执行过程控制装置214的闭环控制，其中过程控制仪表212不再与过程控制装置214直接连通。也就是说，电子检测控制器211以闭环方式重复比较从第二压力传送器276接收的数据和从第三压力传送器266接收的数据，以控制消耗测量。
例如，为了在消耗测量过程中保持对过程控制装置214的控制，电子检测控制器 211确定在由第二压力传送器276检测到的压力(即，在过程控制仪表212的输出处的流体压力)与由第三压力传送器266检测到的压力(即，在第二电磁阀244的出口处的流体压力)之间是否存在差异，是否应对通过电流一压力转换器209供应的气动控制信号进行校正或调节。从而，如果检测到差异或误差，则电子检测控制器211调节被发送至电流一压力转换器212的电信号，从而在测量过程控制仪表212的消耗同时保持阀216的操作。在下一步骤，电子检测控制器211进行检查，以确定电子检测控制器211的预定时间是否已经期满，以指示消耗测量是否仍在进行(即，检测状态为“on”)。如果检测仍在执行，则处理器再次比较从第二传送器266和第三压力传送器276接收的数据，以继续控制所述过程。这种操作继续进行，直到预定时间期满，则电子检测控制器211完成消耗测量。
当电子检测控制器211确定了检测完成(即，检测状态为“off”)时，所有电磁阀 238、244、204、205、206和208关断。这一操作将正常仪表供应218设置为与过程控制仪表 212直接连通，并且，过程控制仪表212的输出直接连接到过程控制装置214。这些连接使过程控制系统设置为处于正常操作模式，并且，流体消耗测量系统210与过程控制回路有效断开连接。为了完成消耗测量，第一压力传送器226检测最终的罐压力，温度传送器280 检测最终的罐温度，并发送这两个测量值并将其与检测的结束时间一起由电子检测控制器 211记录。
当完成检测时，根据初始和最终的罐压力、检测经历的时间、以及基于消耗测量过程中所收集供应气体的温度的另外校正，电子检测控制器211计算过程控制仪表212的流体消耗。为了提高测量精确度，消耗计算考虑到了处于过程控制仪表212的输出、第二压力传送器276、电磁阀244、以及连接在其间的导管或管路之间的气体量。预定的且基本恒定的电磁阀通路、管路、和压力传送器通路的体积，通过算术减法从消耗计算中去除。本领域普通技术人员可认识到的是，在消耗测量过程中，电磁阀244被激活以关闭过程控制仪表 212与致动器228之间的流体通路，并有效“滑封”所述连接，因而不需要计算致动器在测量过程中的即时体积，从而确定在阀216的实际操作过程中过程控制仪表212消耗的气体量。
应进一步认识到的是，在同时进行的操作诊断模式中，第二压力传送器276和/或第三压力传送器266可用于指示检测系统210的性能。例如，来自第三压力传送器266的信号可用作错误信号，以指示流体消耗测量系统210的任何气动仪表的阻塞或故障。此外， 来自第二压力传送器276的信号可独立使用，或结合来自第三压力传送器266的信号使用而作为错误信号。独立信号的示例性使用可包括通过基于时间的测量处理所述信号，以指示被检测的过程控制仪表212的错误状态。来自第二压力传送器276的信号也可结合来自第三压力传送器266的信号使用，从而由于流体消耗测量系统210内的两个压力传送器之间的流动路径的分离所致的流体消耗测量系统210内的故障隔离。最重要的是，连续监测压力传送器226、266和276的压力信号以及电磁阀238、244、204、205、206和208的默认状态，这允许电子检测控制器211在检测系统故障的情况下中止消耗测量，并使过程控制回路返回至正常操作模式，而不中断过程控制系统操作。
转向图5并参见图3，其中例示了用于测量具有离散(S卩“开”或“关”)输出的过程控制仪表的流体消耗的控制逻辑。在第一步骤，流体控制系统230的第一电磁阀238和第二电磁阀244被激活，而其余的电磁阀204、205、206和208关断，从而将电流一压力装置210 从流体路径中移除，由此专门将仪表流体供应210引导至第三电磁阀204的入口。应理解的是，在具有离散输出的过程控制仪表的消耗测量过程中，过程控制装置214通过间歇连接到供应气体而进行控制。
在检测开始时，初始罐压力数据、初始罐温度数据、初始或开始时间被发送到电子检测控制器211。另外，循环计数器可在电子检测控制器211内的控制回路中实现。可理解的是，循环计数器可指示气动控制仪表的循环数，例如在包括液位控制器的过程控制系统中的“泄放”循环总数(例如，当流体从液位受控的罐中排出时)，在流体消耗测量操作过程中执行。此数据将允许检测操作者标准化在检测过程中的流体消耗计算，这可用于比较不同类型的气动控制装置的消耗数据(即，确定每一泄放循环所消耗的流体量)。因此，循环计数器在每次检测开始时归零(即，设置为零)。
紧接着，对应于过程控制仪表212的出口处流体压力、由第二压力传送器276检测、并发送到电子检测控制器211的数据，与对应于例如16psi之类的预定控制压力的值相比。为了在检测过程中保持对过程控制系统的控制，电子检测控制器211进行条件检验，以确定过程控制仪表211出口处的流体压力是否已偏离预定压力。例如，如果检测到的压力低于阈值，则第三电磁阀204被激活以预定时间段，例如2. I秒，从而向致动器228供应致动器压力来移动阀控制元件(未示出)。预定压力例如为16psig，预定时间段或停留时间优选地被选择为，模拟如前所述的由电子控制器211表征的过程控制仪表211的正常操作。 在下一步骤，循环计数逐次递增。处理器然后进行检查，以确认消耗测量是否仍在进行，如果检测仍在进行，则电子检测控制器211继续进行控制回路，即重复比较由第二压力传送器276发送的且对应于过程控制仪表211出口处的流体压力的数据与预定压力，并发出压力信号命令以保持控制，直到检测完成。
当消耗测量结束时，所有电磁阀238、244、204、205、206和208关断，以返回到过程控制系统的正常操作，其中，过程控制仪表212直接连接到过程控制装置212，仪表供应218 连接到过程控制系统。最终的罐压力、最终的罐温度、循环计数、以及消耗测量的结束时间， 由电子检测控制器211记录。然后，电子检测控制器211利用初始的和最终的罐压力、检测的经历时间和温度数据，来计算过程控制仪表212的流体消耗。例如，在过程控制系统的正常操作的预定时间段之后，罐222的最终测得压力从罐222的初始压力中减去，以确定罐 222内的压力降低。应理解的是，在在固定时间段上的压力降低，与从罐中耗费的或在过程控制装置的操作过程中消耗的总流体基本成比例。记录的温度数据用于根据之前的消耗计算调节压力测量值。随后，电子检测控制器211内的处理器可计算总流体消耗，计算检测经历时间，并提供可用形式的数据，例如，以检测报告形式的数据。
由于流体测量基于罐222内的压力损耗，因此，将获取过程控制系统210内的任何渗漏。考虑到控制阀216中的渗漏以及过程控制系统210内的管、管路或其他管道中的渗漏，测得的性能是最坏情况结果的反映。这样，优选的是，测量控制仪表212的排放，其中，在排放测量中将检测不到任何系统渗漏。如前所述，通过操作图3的流体消耗测量系统210 的实施例中的不同电磁阀，可测量在控制回路内的具体气动装置的消耗。另外，电磁阀的交替操作顺序可提供整个控制回路的消耗测量。图6用于例示图3所示的流体消耗测量系统的操作中由电子检测控制器211所利用的操作逻辑，用于测量过程控制仪表212和过程控制装置214的总消耗。
相应地，在总流体消耗测量开始时，第一电磁阀238被激活，而其余电磁阀244、 204、205、206和208关断，这样，在模拟正常操作模式(即，来自气动控制仪表212的输出与致动器228直接流体连通)的检测模式中，将来自供应罐222的流体压力通过过程控制仪表 212引导到过程控制装置214。至少一个初始罐压力读数由第一压力传送器226发送到电子检测控制器211。温度传送器280检测罐222内的初始温度，并且，此初始温度数据也发送到处理器。初始的罐压力和温度数据被记录，例如通过将此数据存储在与处理器相关的存储器中进行记录。流体消耗测量的经历时间也记录在与处理器相关的存储器中。最后， 所有电磁阀238、244、204、205、206和208关断，从而使过程控制系统返回到正常操作模式。
最终的罐压力读数如前所述地通过第一压力传送器226发送到电子检测控制器 211。此外，来自温度传送器280的最终测量值发送到电子检测控制器211。最终的罐压力、 温度数据、总流体消耗测量的经历时间，通过将数据存储在与处理器相关的存储器中再次记录。如前所述，相对于总消耗测量时间的压力变化，考虑到温度数据，提供了由气动控制仪表212和控制阀组件214消耗的总供应气体的测量。
可进一步认识到的是，流体消耗测量系统210可完全或基本上独立。诸如控制阀 216和致动器228之类的控制阀组件214、过程控制仪表212和仪表流体供应218均可为固定的，而流体消耗测量系统210可为移动检测系统。也就是说，流体消耗测量系统210可封装在紧凑便携式装置中，该装置可易于运输到过程控制系统的地点，例如，过程控制工厂内的适合地点或具体位置。为了便于流体消耗测量系统的运输，这样的设备可配置在移动拖车、集装架或滑行装置(未示出)上。在移动应用中，受控流体供应源220和流体受控系统 230可被封装在紧凑便携式装置中，该装置可易于运输到过程控制系统的地点，并通过发电机或其他可替代电源提供动力，从而操作压缩机(未示出)，以填充罐222或对用于为系统的电子装置提供动力的一个或多个电池再充电，和/或为电磁阀238、244、204、205、206和208 提供动力。可替代地，罐222可通过具有动力的压缩机(例如由汽油发电机提供动力)填充以压缩空气。
在此公开的不同实施例并不仅限于测量具有控制器和控制阀的过程控制系统的流体消耗或排放。在此公开的系统和方法可用于测量多种流体操作的现场设备的流体消耗。例如，除了控制器以外，在此描述的系统和方法可用于测量气动操作的泵、转换器、开关等的气体消耗。
通过本公开所构想的系统和方法也可被设置为同时测量多个装置的消耗。例如， 多个罐或其他容器可设置用于过程控制系统中的每一装置，以在正常操作过程中测量单独的流体消耗。用于多个装置的流体消耗测量系统可证实特别有利。例如，通过监测在不同操作模式下或在不同调整参数下的每一个装置的受控流体供应源的相对消耗，可确定整个过程的消耗。这样流体消耗测量系统的实施可提供数据，以允许过程控制回路调整，从而最小化过程控制系统内的气体消耗。
具体而言，图7和图8例示了这样的系统，并描述了精确测量过程控制系统的所有气动装置的单独流体消耗的控制逻辑，其中过程控制系统包括控制阀组件314和“开一关” 过程控制装置312。在图7中，流体消耗测量系统310显示为包括通过两个罐322A、322B供应的两个受控流体供应源320A、320B。在本实施例中，受控流体供应源320A、320B的出口压力由分别通过串联连接到罐322A、322B的输出处的无流失可调节压力调节器332A、332B单独控制。如前所述，压力调节器332A、332B确保输出压力基本等于在通常用于将供应气体提供到过程控制回路的供应气体调节器331处的仪表供应气体318的压力。
本实施例还包括与每一受控流体供应源320A、320B直接连通的压力传送器326A、 326B和温度传送器380A、380B，用于如前所述地记录检测参数，从而计算正常操作模式中所消耗的流体。另外，诸如具有双入口的三端口阀之类的两个供应电磁阀338A、338B将每一受控流体供应源320A、320B和仪表流体供应318设置为与过程控制装置312和控制阀组件314分别选择性连通，从而控制通向过程控制系统中的每一部件的流体供应源。
第三电磁阀344为另一三端口三通阀，其入口被设置为与过程控制仪表312的出口流体连通，以将气动出口信号从过程控制仪表312引导到过程控制装置314。在流体消耗测量过程中，第三电磁阀344将过程控制仪表312输出信号与过程控制装置314断开连接。从而，当第三电磁阀344被激活时，其从使流体由过程控制仪表312的出口供应到控制阀组件314的位置，切换到使流体由第二备用流体供应320B间接供应到控制阀组件314的位置。
如前所述，电子检测控制器311记录在正常操作模式中来自压力传送器376的输出信号，并通过其余流体控制系统330控制通向致动器的供应压力(这将在下文中更详细地描述)，以模拟在检测过程中过程控制回路的正常操作。在流体消耗测量系统失效的情况下，整个流体控制系统将恢复默认模式，其中，所有电磁阀呈现关断状态，以将仪表流体供应318和过程控制仪表312设置为与过程控制装置314直接连通，以进行正常操作。如图7 中所示，电子检测控制器311可操作地连接到压力传送器326、366、376，电磁阀338A、338B、 304,344,以及温度传送器380A、380B，以操作流体消耗测量系统310。
类似于如上所述，电子检测控制器311可提供多种操作模式。例如，在正常操作模式下，过程控制仪表312将气动控制信号直接提供到控制阀组件314。在检测模式下，电子检测控制器311可通过压力传送器376检测来自过程控制仪表312的控制信号，并将此气动控制信号通过独立于过程控制仪表312的流动路径供应到过程控制装置。电子检测控制器311可利用来自多个压力传送器326、366、376的信号,来表征过程控制系统的正常操作模式，或用于诊断目的而确定检测系统内的故障。例如，在正常操作模式中，提供到过程控制仪表312的具体控制信号将具体气动输出信号提供到过程控制装置314。此数据可记录， 并用于最优调整用于流体供应消耗的过程控制回路。可替代地，从期望值的偏离可指示过程控制系统或流体消耗测量系统310的故障。
转向图8，其中例示了流体消耗测量系统310的控制逻辑，其用于测量过程控制系统的流体消耗，其中过程控制系统包括控制阀组件314和具有离散(即“开”和“关”)输出的过程控制装置312。在第一步骤，供应电磁阀338A、338B和出口电磁阀344被激活，而控制电磁阀304关断，从而将受控流体供应源320A、320B分别引导至过程控制装置312和控制阀组件314。
来自压力传送器326A、326B的初始罐压力数据、通过温度传送器380A、380B检测的初始罐温度数据、和消耗测量的开始时间，均如前所述地由电子检测控制器311记录。再次地，循环计数器可在电子检测控制器311内实现，以对检测过程中“泄放”循环的总数计数。该计数器在检测开始时通常“归零”，并随着每次检测循环而递增，直到检测完成。
流体消耗测量以基本类似于图2和图4中所述用于“开一关”过程控制仪表的实施例的方式开始。也就是说，在电子检测控制器311的控制下，由装置压力传送器366检测的控制压力在预定时间段中与预定压力阈值(即16psig)相比。如果已经超过所述阈值，则不采取控制动作，循环计器数递增，且检测继续进行。如果输出压力低于所述阈值，则装置电磁阀304被激活，来自装置受控流体供应源320B的流体供应预定时间段，以进行调节或采取校正措施。随着检测继续进行，电子检测控制器311根据需要通过流体控制系统330进行重复的压力信号校正，以通过来自第二备用供应320B的独立供应来控制所述控制阀组件。
这过程继续，直到消耗测量完成。当消耗测量结束时，所有电磁阀338A、338B、344 和304关断。记录最终的罐压力和最终的罐温度，并且记录消耗测量结束时间。再次地，记录计数器的计数或累积值。然后，电子检测控制器311利用最初的和最终的罐压力以及温度数据来计算过程控制仪表302和控制阀组件314的流体消耗，如前所述。在此公开的不同实施例并不仅限于测量具有控制器和控制阀的过程控制系统的流体消耗或排放。在此公开的系统和方法可用于测量多个流体操作的现场设备的流体消耗。例如，除了控制器以外，在此描述的系统和方法可用于测量气动操作的泵、转换器、开关等的气体消耗。
转向图9，通过本公开所构想的另一实施例例示了流体消耗测量系统410，其可适用于测量诸如甘醇泵之类的气动控制装置412的流体消耗。在本实施例中，诸如罐422之类的受控流体供应源420被设置为通过流体控制系统430与气动控制装置412选择性地连通，其中流体控制系统430包括如前所述类型的单独的三端口、三通电磁阀438。电磁阀438 可如前所述地通过手动开关激活，或连接到电子检测控制器(未示出)。这种流体消耗测量系统的简化形式，提供了如前所述的在受控流体供应源420的输出处串联的可调节压力调节器432，用于调整受控流体供应源的下游压力，以匹配来自仪表供应调节器431的仪表流体供应418的调整后压力。另外，传统的压力和温度传送器426和480连接到受控流体供应源，以记录所必需的检测参数，从而在消耗测量结束时计算罐422中流体剩余量。
如在图10的流程图的控制逻辑中所示，当消耗测量初始时，电磁阀438激活，以将通向气动装置412的流体源从仪表流体供应418切换到受控流体供应源420。压力传送器 426设置在受控流体供应源420的出口处，并检测和发送在罐422内的初始流体压力，温度传送器480在检测开始时检测在罐422内的初始温度。
初始温度和初始压力数据发送到作为电子检测控制器一部分的处理器(未示出)， 并被记录，例如通过将该数据存储在与电子检测控制器相关的存储器中进行记录。还记录流体消耗测量的开始时间，例如通过将检测开始的日期和时间存储在与电子检测控制器相关的存储器中进行记录。
通过在正常操作模式下操作的气动装置412，消耗测量允许进行所希望的时间段。 在消耗测量结束时，电磁阀438关断，由此将通向气动装置412的流体源从受控流体供应源 420切换回到仪表流体供应418。通过压力传送器426和温度传送器480收集的最终的压力和温度数据可发送到处理器。可记录最终的压力和温度数据以及消耗测量的结束时间， 例如通过存储在与电子检测控制器相关的存储器中进行记录。利用初始的和最终的流体测量值以及检测的经历时间，气动装置的流体消耗可被计算出，并以诸如检测报告形式之类的可用形式提供。
用于确定受控流体供应源的罐或其他容器内的流体量的可替代方法，也被视为在本公开的范围内。例如，共同未决的美国专利申请10/545，117已经受让给本公开的受让人费舍尔控制产品有限公司，该申请通过引用在此并入本文(从而使其不再通过引用包含其他专利申请)，其中公开了一种系统和方法，用于根据将容器内的压力驱动至预定压力所需时间来确定容器内流体量。
在上述专利申请中公开的系统和方法可相对于在此描述的其他方法结合、替代或补充使用，以确定在预定时间段中消耗的替代流体量，从而得出控制器和/或整个过程控制系统的流体消耗。本领域普通技术人员可认识到的是，过程控制装置包括，但不仅限于， 诸如液位控制器或位置控制器之类的控制器，而且还可包括任何其他气动仪表，例如，泵、 体积放大器、转换器或开关。
在不背离本公开的精神和范围的情况下，对于在此描述的系统和方法可进行各种修改和添加。因此，以上描述仅用于示例，而不是以另外的方式限制所附权利要求书的范 围。
权利要求
1.一种用于确定操作过程控制系统所消耗的流体量的系统，包括流体控制系统，其可操作地连接到所述过程控制系统；以及受控流体供应源，其可操作地连接到所述流体控制系统，其中，所述流体控制系统将来自所述受控流体供应源的流体引导至所述过程控制系统，以确定所述过程控制系统在正常操作模式下消耗的流体量。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，所述消耗的流体量与所述受控流体供应源内的流体的绝对测量或差动测量中的一个成比例。
3.根据权利要求I所述的系统，其中，所述流体控制系统至少包括电磁阀。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述流体控制系统进一步包括多个电磁阀和至少一个压力传送器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述流体控制系统进一步包括至少一个可调节限制器和至少一个止回阀。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述流体控制系统可操作地连接到通信控制装置。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述通信控制装置包括电子控制器，所述电子控制器进一步至少包括处理器、存储器和分立控制电路。
8 一种用于测量操作流体消耗系统的部件所需的流体消耗的方法，其中操作流体从具有一定量流体的容器供应到所述流体消耗系统，所述方法包括确定所述容器内操作流体的第一压力；操作所述流体消耗系统以预定时间长度；在所述预定时间长度之后，确定所述容器内供应气体的第二压力；计算所述第一压力与所述第二压力之差；测量致动所述部件所消耗的气体量。
9.一种用于测量多个控制系统中的多个过程控制装置的供应流体消耗的系统，包括 多个流体源，所述流体源中的每一个具有恒定体积；压力传送器，其与所述流体源的每一个的出口关联；多个第一电磁阀，所述第一电磁阀中的每一个与所述流体源中的一个流体连通，并适于选择性地允许在所述流体源中的所述一个与多个控制系统中的一个的控制器之间的流体连通。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个流体源以线性排列方式设置。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个流体源以阵列方式设置。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个流体源相互串联连接。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个流体源并联连接。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个流体源、所述压力传送器和所述多个第一电磁阀被设置在至少一个可移动支撑平台上。
全文摘要
本发明公开了用于精确测量过程控制系统内的具体过程控制装置所消耗供应气体的系统和方法。通过测量在过程控制系统正常操作模式下过程控制装置的消耗而得到更高的测量精确度。由一个过程控制装置消耗的流体量被流体控制系统分离于致动其他过程控制装置所消耗的供应气体量。通过在其操作过程中测量具有已知量并将供应气体独立供应到每一部件的容器内的流体减少，可确定每一部件所消耗的流体量。
文档编号G01F1/00GK102928023SQ20121037468
公开日2013年2月13日 申请日期2006年12月8日 优先权日2006年1月20日
发明者迈克尔·肯·洛弗尔, 卡特·B·卡特赖特 申请人:费希尔控制产品国际有限公司