Технологический передатчик, способ корректировки его выходных данных и датчик давления
Изобретение относится к технологическому передатчику в системах управления производственными процессами, включающему датчик, электронный модуль передатчика и датчик угла наклона. Технический результат - улучшение удобства эксплуатации. Технологический передатчик считывает переменную технологического процесса, а датчик угла наклона определяет ориентацию передатчика, электронный модуль которого формирует выходные данные переменной процесса ориентации. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 5 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в основном к технологическим приборам, используемым в системах управления производственными процессами. В частности, настоящее изобретение относится к технологическим приборам, имеющим датчики угла наклона.
Передатчики данных технологического процесса («технологические передатчики») используются для дистанционного контроля переменных процесса, таких как давление, температура или расход технологической среды, в частности нефтехимической жидкости или воды. Технологический передатчик обычно включает датчик или преобразователь, который выдает электрический сигнал в ответ на физические изменения переменной процесса. Например, емкостные датчики давления или пьезорезистивные датчики давления формируют электрический сигнал как функцию давления технологической среды. Сигнал датчика обрабатывается электронными схемами передатчика, чтобы получить сигнал выходных данных, который может использоваться как индикатор переменной процесса технологической среды. Выходной сигнал может быть проверен дистанционно в центре управления, например, через замкнутую систему автоматического управления или через сеть связи или может быть проверен локально с помощью жидкокристаллического дисплея.
Для соединения электронной схемы и датчика с технологической средой используются компоненты, которые могут быть установлены на резервуаре с технологической средой, например на баке-хранилище или на трубопроводе, соединенном с процессом фланцами, патрубками, мембранами или другими соединительными устройствами. Различные комбинации соединений с процессом позволяют установить передатчики в различной ориентации для различных применений, чтобы преодолевать физические преграды или по желанию заказчика.
Например, в технологических передатчиках для передачи данных давления датчик давления механически соединен с технологической средой через монтажный фланец, содержащий гибкую мембрану, которая отделяет датчик давления от технологической среды. Мембрана связана с датчиком давления через каналы, которые заполнены в основном несжимаемой жидкостью-наполнителем. Когда технологическая среда давит на мембрану, жидкость-наполнитель передает давление датчику давления, в котором определены показатели шкалы давления. Жидкость-наполнитель непосредственно также создает усилие на датчике давления из-за ее собственного веса, на который должен быть калиброван передатчик. Изменение ориентации передатчика может влиять на величину этой силы, которая известна как эффект столба жидкости. Как правило, для применений с более низким давлением оператор должен выполнять перекалибровку после того, как передатчик был установлен в новой ориентации к направлению нулевой ориентации опорного давления.
После переориентировки передатчика, например, для нового применения или другой технологической емкости технологический передатчик может быть установлен таким образом, что жидкокристаллический дисплей окажется в неудобном для просмотра положении, мешая пользователю считывать данные с дисплея. Чтобы реконфигурировать жидкокристаллический дисплей, он должен быть удален из корпуса передатчика и повторно установлен, обычно с изменением положения на 90 градусов. При этом было бы желательно устранить все неудобства, связанные с переориентацией технологических передатчиков.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к технологическим передатчикам, используемым для измерения переменной процесса, в котором технологический передатчик включает датчик, электронный модуль передатчика и датчик угла наклона. Технологический передатчик считывает переменную процесса технологической среды, а датчик угла наклона обнаруживает ориентацию передатчика. Электронный модуль передатчика формируют выходные данные на основе считанной переменной процесса и обнаруженной ориентации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фигуре 1A показана система управления процессом, в которой используется технологический передатчик по настоящему изобретению.
На фигуре 1B показан технологический передатчик фигуры 1А, снабженный системой управления процессом во второй конфигурации.
Фигура 2 - вид сбоку на датчик давления фигур 1A и 1B, включая устройство обнаружения угла наклона.
Фигура 3A - технологический передатчик фигуры 2, имеющий вертикальную опорную ориентацию.
На фигурах 3B-3F показан передатчик фигуры 3A, повернутый в различных ориентациях относительно опорной ориентации.
Фигура 4 - частично покомпонентное изображение технологического передатчика, содержащего жидкокристаллический дисплей.
Фигура 5A - технологический передатчик по настоящему изобретению, установленный на горизонтальном трубопроводе.
Фигура 5B - технологический передатчик фигуры 5A после того, как трубопровод был подвергнут случайному сдвигу.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фигура 1А представлен один пример воплощения системы управления процессом 10, в котором технологический передатчик 12 установлен на трубопроводе 14А, по которому проходит поток газа. Технологический передатчик 12 состыкован с трубопроводом 14А через технологический фланец COMPLFNAR™ 16 и трубопровод 18 таким образом, что он находится в связи с технологической средой, такой как газ, в трубопроводе 14А. Технологический передатчик 12 включает датчик и электронный модуль для контроля переменной процесса технологической среды в трубопроводе 14А. Электронный модуль формируют выходные сигналы на основе считанных данных о переменной технологической среды и передают эти сигналы в центр управления 20, имеющий местный дисплей типа жидкокристаллического дисплея. Электронный модуль также кондиционирует и обрабатывает выходные данные таким образом, что они передают точную величину считанной переменной. В частности, электронный модуль включает датчик угла наклона для корректировки сигнала передатчика.
Технологический передатчик 12 подключен к регулирующему контуру 22 таким образом, что выходные данные, связанные с переменной процесса, могут быть переданы в центр управления 20, который включает систему связи 22 и источник питания 24, обеспечивающие дистанционный контроль. В одном примере воплощения технологический передатчик 12 является двухпроводным передатчиком для работы в регулирующем контуре с током 4-20 мА. В таком примере воплощения регулирующий контур 22 включает пару проводов для передачи мощности на технологический передатчик 12 от источника питания 24. Как правило, постоянный электрический ток силой 4 мА обеспечивает достаточную энергию для работы электронного модуля датчика и передатчика 12, а также жидкокристаллического дисплея 21. Регулирующий контур 22 также обеспечивает связь технологического передатчика 12 с системой связи 22, которая получает данные и отправляет их к передатчику 12.
Преимущества настоящего изобретению особенно очевидны при использовании в технологических передатчиках, предназначенных для определения давления, и, если не указано особо, изобретение в дальнейшем будет описано применительно к передатчику 12, выполненному, как датчик давления. Однако, в других примерах воплощения, передатчик 12 может быть сконфигурирован для считывания других переменных процесса, таких как уровень жидкости или температура.
Передатчик 12 включает корпус передатчика 26, который содержит электронику передатчика; корпус датчика 28, который содержит датчик давления, и монтажный фланец 30, который снабжен гибкими мембранами, которые гидравлически взаимодействуют с технологической средой. Корпус датчика 28 и монтажный фланец 30 вместе формируют гидравлический канал, через который жидкость-наполнитель передает давление технологической среды с мембран на датчик давления. Передатчик 12 установлен на трубопроводе 14А для передачи потока газа таким образом, что фланец COMPLANAR™ 16 и монтажный фланец 30 имеют в основном горизонтальную ориентацию. Электронный модуль должен быть откалиброван на конкретный эффект столба жидкости на датчик в зависимости от ориентации гидравлического канала. В ориентации, показанной на чертеже 1А, эффект столба жидкости является незначительным, т.е. почти нулевым. Кроме того, жидкокристаллический дисплей 21 должен быть сконфигурирован для ориентации, в которой передатчик 12 установлен на трубопроводе 14.
Однако технологический передатчик 12 может быть установлен во множестве ориентаций, каждая из которых требует уникальной калибровки по эффекту столба жидкости и оптимальной конфигурации жидкокристаллического дисплея. Например, один и тот же передатчик, используемый для работы с потоком газа, может также использоваться для работы с потоком жидкости, иногда требуя различных дополнительных устройств и определенной ориентации при монтаже. На фигуре 1B показан другой пример воплощения системы управления процессом 10, в котором технологический передатчик 12 установлен с вертикальным трубопроводом 14B в конфигурации потока газа таким образом, что фланец COMPLANAR™ 16 и монтажный фланца 30 имеют в основном вертикальную ориентацию. В ориентации, показанной на чертеже 1B, эффект столба оказывает максимальное влияние. Кроме того, передатчик 12 включает датчик угла наклона, который определяет ориентацию технологического передатчика 12 и может использоваться для автоматической калибровки электронного модуля и жидкокристаллического дисплея 21.
Фигура 2 - вид сбоку на технологический передатчик 12 фигур 1А и 1В, сконфигурированный для измерения перепада давления. Технологический передатчик 12 включает корпус передатчика 26, корпус датчика 28 и монтажный фланец 30, который связан с технологическим фланцем COMPLANAR™ 16. Технологический передатчик 12 включает механические и электрические системы для считывания, кондиционирования, отображения и передачи давления технологической среды. Передатчик 12 служит для измерения перепада давления двух различных технологических сред, например с обеих сторон мембраны для передачи сигнала на датчик 50.
Передатчик 12 содержит пару параллельных механических гидравлических систем для передачи давления технологической среды на датчик 50, включая технологические мембраны 44А и 44B, нижние каналы 45A и 45B, верхние каналы 46A и 46B и мембрану датчика 48. В других примерах воплощения передатчик 12 сконфигурирован для измерений давления с использованием единственной гидравлической системы. Передатчик 12 также имеет электрическую систему для обработки сигналов от датчика 50 и передачи выходных данных в центр управления 20 и к жидкокристаллическому дисплею 21, включая электронный модуль передатчика 52 и устройство обнаружения наклона 56.
В одном примере воплощения используются крепежные элементы 58А и 58B, чтобы установить технологический фланец 16 между трубопроводом 18 (фигура 1) и монтажным фланцем 30. Технологический фланец 16 имеет каналы 60А и 60B для технологической среды и дренажные клапаны 62А и 62B. Технологическая среда поступает в каналы 60А и 60В из коллектора 18, который, в свою очередь, получает технологическую среду из трубопровода 14. Дренажные клапаны 62А и 62B обеспечивает доступ к технологической среде без нарушения системы управления процессом 10 так, что могут быть выполнены диагностика или другие функции обслуживания. Крепежные элементы 58А и 58B вставлены в отверстия (не показаны) в технологическом фланце 16 и в монтажный фланец 30 таким образом, что каналы 60А и 60B выровнены с технологическими мембранами 44А и 44B монтажным фланцем 30. Технологическая среда в трубопроводах 60А и 60B создает давление на технологических мембранах 44А и 44B, которые связаны с датчиком 50 через верхние каналы 45А и 45B корпуса датчика 28 и нижние каналы 46А и 46B фланца 30.
Корпус датчика 28 и монтажный фланец 30 обычно отливаются и механически обрабатываются как один узел, причем в корпусе датчика 28 предварительно выполняется полость для закрепления датчика 50. Корпус датчика 28 и фланец 30 вместе служат основой, которая позволяет мембранам 44А и 44B взаимодействовать с датчиком 50 и обеспечивает средство для установки передатчика 12 с системой управления процессом 10. Нижние каналы 45А и 45B обычно содержат узкие канавки, которые вырезаются в монтажном фланце 30. Верхние каналы 46А и 46В, как правило, включают сегменты трубопровода из нержавеющей стали, приваренные к фланцу 30 у отверстий нижних каналов 45А и 45В. Расположенные последовательно верхние и нижние каналы проходят от нижней поверхности фланца 30 к мембране датчика 48 и обеспечивают уплотненный канал, который проходит до датчика 50. Каналы 45А и 45В имеют уплотнения у нижних концов мембран 44А и 44В соответственно и соединены верхними концами с нижними концами каналов 46А и 46В. Верхние концы каналов 46А и 46В затем герметически соединяются с мембраной датчика 48.
Каналы 45А и 45В, и 46А и 46В заполнены жидкостью-наполнителем, например кремневым маслом или любой другой жидкостью, которая в основном несжимаема и может содержать другие добавки. Таким образом, мембраны 44А и 44В гидравлически соединены с мембраной 48 датчика 50.
Датчик 50 является, например, емкостной напорной ячейкой, в который емкость датчика давления 50 изменяется в зависимости от положения мембраны 48. Положение мембраны 48 изменяется при изменении давления технологической среды, которая представлена жидкостью-наполнителем. Мембрана датчика 48 обеспечивает гибкий барьер между каналами 46А и 46B, который изгибается в ответ на изменение перепада давления между трубопроводами 60А и 60B (например, перепада давления на мембране). Таким образом, изменение емкости датчика 50 используется для определения изменения давления технологической среды в трубопроводе 14. В других примерах воплощения датчик 50 функционирует по другим известным принципам снятия показаний, в частности по технологии пьезорезистивного тензометра. Датчик 50 формирует электрический сигнал на основе измерения давления технологической среды, и этот сигнал принимается и проверяется электронными схемами передатчика 52, расположенными в корпусе передатчика 26.
В одном примере воплощения корпус передатчика 26 обычно навинчивается на резьбу корпуса датчика 28, создавая конструкцию, в которой размещается электронный модуль передатчика 52 и другие электронные компоненты передатчика 12, такие как жидкокристаллический дисплей 21. Корпус передатчика 26
навинчивается на резьбу корпуса 28 и может быть повернут в любое желательное положение. Корпус передатчика 26 имеет крышки 64 и 66, которые используются для доступа к компонентам передатчика 12, например к клеммам управляющего контура 22, жидкокристаллическому дисплею 21 или электронному модулю 52. Для примера воплощения передатчика 12, имеющего жидкокристаллический дисплей 21, крышка 66 может включать дополнительное пространство для жидкокристаллического дисплея 21 и щиток (показанный пунктиром) жидкокристаллического дисплея 21.
Электронный модуль передатчика 52 получает сигналы от датчика 50 через жесткое соединение, например провода 68. Электронный модуль передатчика 52 передает выход передатчика, представляющий собой переменную процесса (например, перепад давления), обнаруженный датчиком 50, в центр управления 20 и/или на жидкокристаллический дисплей 21. Хотя изобретение было описано на базе управляющего контура 4-20 мА, может использоваться любой тип блока управления. Выход электронного модуля передатчика 52 может быть аналоговым, цифровым или комбинированным. В других примерах воплощения электронный модуль передатчика 52 сообщается по беспроводной сети. В некоторых примерах воплощения технологический передатчик 12 не соединен с центром управления 12, и выходные данные электронного модуля 52 считываются по радио или проводным карманным устройством. Однако прежде чем передать выход передатчика на основе сигнала датчика, электронный модуль 52 выполняет различные операции с сигналом датчика. Например, передатчик 52 кондиционирует сигнал в пригодный формат и обычно выполняет температурную компенсацию и операцию фильтрации. Дополнительно, электронный модуль 52 компенсирует сигнал датчика, изменяющегося под влиянием эффекта жидкости-наполнителя, используя сигнал, сформированный датчиком угла наклона 56.
Из-за влияния столба жидкости на сигнал датчика 50 происходит изменение в ориентации передатчика 12. Электронный модуль 52 калибруется для считывания емкости датчика 50 на основе точно известного количества жидкости-наполнителя в гидравлических системах каналов 45А, 45В, 46А и 46В. Электронный модуль 52 также запрограммирован для учета веса жидкости-наполнителя, действующего на мембрану 48, т.е. эффекта столба жидкости. В конфигурации фигуры 1А технологический передатчик 12 находится в основном в вертикальном положении так, что жидкость-наполнитель в каждом канале создает примерно одинаковое усилие на мембрану датчика 48. Другими словами, эффект столба жидкости с каждой стороны является приблизительно нулевым, потому что сила тяжести действует одинаково на каналы 45А-46А и 45В-46В. Если ориентация технологического передатчика 12 изменяется относительно конфигурации, показанной на фигуре 1В, величина давления, действующего на мембрану датчика 48 жидкостью-наполнителем в каналах 45А-46В, также изменяется, то есть эффект столба жидкости не равен нулю.
Эффект столба жидкости особенно проблематичен в передатчиках, предназначенных для измерения малых изменений давления, например для измерения тяги в дымовых трубах. Например, некоторые передатчики измеряют давление в диапазоне от около 0 до 1 дюйма водного столба или от 0 до 5 дюймов разности в давлении водяного столба. Количество жидкости-наполнителя в каналах 45А и 46А, для указанных целей, приблизительно равно одному дюйму водяного столба. Таким образом, изменение водяного столба жидкости-наполнителя в каналах 45А-46В может привести к значительным ошибкам в выходных данных передатчиков, особенно используемых для измерения тяги. Следовательно, на сигнал датчика, переданный по проводам 68 на электронный модуль 52, влияют изменения величины водяного столба жидкости, и выходные данные передатчика к центру управления 22 или на жидкокристаллический дисплей 21 следует должным образом компенсировать, чтобы был отображен фактический уровень давления. Известные передатчики технологических данных требуют перекалибровки после каждой установки, чтобы компенсировать эффекты столба жидкости, требуя физического продувания устройства на месте и выполнения процедуры калибровки, которая занимает время и связана с возможностью ошибок оператора. Предлагаемый передатчик 12 снабжен датчиком угла наклона 56, чтобы обнаружить изменение в ориентации передатчика 12 с тем, чтобы электронный модуль 52 мог бы быть соответственно калиброван автоматически.
Датчик угла наклона 56 включает акселерометр или любое другое подобное устройство для определения изменения ориентации передатчика 12 и может быть установлен в любом месте в устройстве. Может быть использован любой подходящий акселерометр, например, пьезоэлектрический, емкостной или электродинамический. Конкретно, в одном примере воплощения датчик угла наклона 56 представляет собой три в одном, например, как описано в патенте США 6722199 на имя Плочингера. В другом примере воплощения датчик угла наклона 56 является интегрированным микроэлектромеханическим акселерометром, таким как акселерометр ADXL330, или другим подобным устройством, поставляемым компанией Analog Devices, Inc. Norwood, Массачусетс, США. В другом примере воплощения датчик угла наклона 56 является трехмерным акселерометром ML8950, поставляемым компанией Oki Electric Industry Co., Токио, Япония. Предпочтительно датчик угла наклона 56 является трехмерным акселерометром, формирующим сигнал, включая вектор ускорения для каждой из этих трех осей, которые затем сравниваются с ориентацией опорного передатчика.
На фигурах 3A-3F показан технологический передатчик 12 в различных ориентациях. В иллюстративных целях фигуры 3A-3F включают начало координат, которое иллюстрирует изменение в ориентации для каждого вида передатчика 12. Фигура 3А иллюстрирует технологический передатчик 3A 12, имеющий ориентацию, соответствующую одной возможной опорной ориентации. Электронный модуль передатчика 52 имеет опорную ориентацию, от которой датчик угла наклона 56 может измерять изменение угла наклона или ориентацию передатчика 12. Контрольная точка дает электронному модулю 52 основу для определения, как сила тяжести влияет на эффект столба жидкости. Любая стартовая ориентация может использоваться для контрольной точки, с которой электронный модуль 52 обычно программируется на заводе-изготовителе. Контрольная точка может быть трехмерной системой координат, но также может быть использована любая другая система калибровки. В других примерах воплощения электронный модуль 52 снабжен прибором ручной калибровки в процессе работы таким образом, что могут быть созданы опорная ориентация и калибровка эффекта столба для любой стартовой ориентации. На фигуре 3A, передатчик 12 является “вертикальным” относительно оси Z, которая соответствует направлению силы тяжести.
Контрольная точка относится к ориентации передатчика 12 к горизонту земли, который связан с направлением силы тяжести. Для ориентации фигуры 3A, горизонт земли представляет собой плоскость x-y, и направление силы тяжести соответствует оси Z. Эффект столба на мембрану 48 изменяется вместе с изменением влияния силы тяжести в каналах 45A-46В. Например, в вертикальном положении, показанном на фигуре 3A, эффект столба жидкости на мембрану датчика 48 от каждого жидкостного наполнителя приблизительно равен эффекту высоты подачи, приблизительно равному нулю.
Датчик угла наклона 56 не может обнаружить перпендикуляр вращения к полю тяготения земли, то есть параллельно горизонту земли, датчик угла наклона 56, и, в частности, трехмерный акселерометр измеряет наклон на основе изменений влияния силы тяжести по осям x, y и Z. Для стартовой ориентации фигуры 3A, датчик угла наклона 56 регистрирует нулевое Gs (ускорение свободного падения) в направлениях x и y и регистрирует +1 Gs по оси Z. С этим набором показаний для опорной ориентации передатчик 12 «знает», что он находится в “вертикальном” положении.
Передатчик 12 может быть повернут в другие ориентации, для которых эффект столба жидкости остается приблизительно нулевым, как показано на фигуре 3A. Однако для других различных ориентаций передатчика 12 эффект столба жидкости изменяется как неустойчивое давление на мембрану 48 от жидкости-наполнителя по мере изменения эффекта силы тяжести в каналах 45А-46В.
На фигурах 3В-3F показан передатчик фигуры 3А, перемещаемый в различных ориентациях от контрольной точки. На фигуре 3В показан передатчик фигуры 3А, повернутый на девяносто градусов вокруг оси Z. Однако вращение вокруг оси Z не оказывает воздействия на эффект столба жидкости. Эффект столба жидкости-наполнителя на фигуре 3В остается приблизительно нулевым, так как каналы 45А-46В имеют одну и ту же ориентацию относительно горизонта земли (плоскости x-y). Иными словами, сила тяжести воздействует на жидкости-наполнители в каналах 45А-46А и 45B-46B одинаково, и датчик угла наклона 56 регистрирует одни и те же величины, что и для ориентации фигуры 3А.
На фигуре 3Е передатчик 12 показан в ориентации “вверх ногами” относительно стартовой ориентации фигуры 3А (то есть повернутый на сто восемьдесят градусов вокруг оси X), для которого эффект столба также является приблизительно нулевым. Для ориентации фигуры 3Е датчик угла наклона 56 все еще регистрирует нулевую Gs в направлениях х- и y-, но регистрирует -1 Gs по оси Z, указывая, что ориентация передатчика 12 изменилась, но что эффект столба жидкости тем не менее останется приблизительно нулевым. Так как сила тяжести все еще действует на каналы 45А-46А и 45В-46В в равной степени, каждая жидкость-наполнитель все еще воздействует на датчик 50 приблизительно в равной мере.
Точно так же нулевой эффект столба жидкости имеет место в ориентации фигуры 3С, где сторона передатчика 12 с каналами 45А-46В параллельна плоскости x-y. На фигуре 3C показан передатчик фигуры 3А, повернутый на девяносто градусов вокруг оси Y. Таким образом, датчик угла наклона 56 регистрирует нулевое Gs в направлениях z и у, но регистрирует 1 Gs по оси X. Однако 1 Gs действует на каналы 45А-46А и каналы 45В-46В в равной степени, приводя к нулевому общему влиянию столба жидкости.
На фигурах 3D и 3F показан передатчик 12 также в виде сбоку, но с изменениями величины столба жидкости от вертикальной ориентации на фигуре 3А. На фигуре 3D показан передатчик фигуры 3А, повернутый на девяносто градусов вокруг оси X. На фигуре 3F показан передатчик фигуры 3А, повернутый на девяносто градусов вокруг оси X и на девяносто градусов вокруг оси Z. На фигурах 3D и 3F представлено максимальное расхождение, вызванное влиянием столба жидкости-наполнителя, потому что каналы 45А-46А и 45B-46B отделены на максимальное вертикальное расстояние относительно горизонта земли. На фигурах 3D и 3F передатчик 12 находится на боковой стороне таким образом, что каналы 45А-46А находятся непосредственно на вершине мембраны датчика 48, тогда как каналы 45B-46B находятся ниже этого положения. Таким образом, жидкость-наполнитель в каналах 45А-46А прилагает усилие на мембрану 48, значительно большее, чем любое усилие, прилагаемое на мембрану 48 каналами 45B-46B. Точно так же на фигуре 3G показан передатчик фигуры 3A, повернутый под промежуточными углами вокруг осей x-, y- и z-, каждый из которых является только одним из бесконечного числа промежуточных ориентаций передатчика 12. В этой ориентации жидкости-наполнители каждого канала прилагают частичные силы (между +1 и -1 Gs) на мембрану 48 по осям x-, y- и z-, которые компенсируются электронным модулем 52 и датчиком угла наклона 56.
Электронный модуль передатчика 52 включает подпрограммы, которые преобразуют векторы ускорения, созданные датчиком угла наклона 56 в новую ориентацию для передатчика 12 на выбранной опорной системе. Для каждого нового наклона передатчика 12 определен поправочный коэффициент влияния столба жидкости. Поправочный коэффициент влияния столба жидкости применяется к сигналу датчика в электронный модуль 52 для корректировки изменений влияния столба жидкости на мембрану 48. Поправочный коэффициент влияния столба жидкости корректирует или калибрует электронный модуль 52 так, что он нормализует выход датчика 50 на изменения величины столба жидкости. Следовательно, выход электронного модуля 52 напоминает выход передатчика, как если бы передатчик 12 не изменял угол наклона и не было никакого влияния столба жидкости на датчик 50. Главный поправочный коэффициент может быть определен электронным модулем 52 различным образом. Электронный модуль передатчика 52 может включать подпрограммы для математического вычисления эффекта столба жидкости, вызывающего изменение, на основе опорной ориентации и новой ориентации, обнаруженной датчиком угла наклона 56. Например, электронный модуль передатчика 52 может включать подпрограммы для взятия показателей ускорения по осям x-, y- и z- датчика угла наклона 56, получая значения усилия жидкости-наполнителя, действующего на мембрану 48 для указанной плотности жидкости-наполнителя. Электронный модуль передатчика 52 также может быть снабжен поисковыми таблицами поправочного коэффициента влияния столба жидкости для того, чтобы выбрать поправочный коэффициент из таблицы на основе новой точки расположения и наклона. В любом случае опорная ориентация обеспечивает электронный модуль 52 соответствующей опорной рамкой для учета влияния силы тяжести при определении поправочного коэффициента влияния столба жидкости и как применить его к выходу датчика 50. Электронный модуль передатчика также может включать память для хранения полученных показателей ориентации передатчика 12 с тем, чтобы, например, проследить движение передатчика 12 в течение длительного времени.
Кроме того, в других примерах воплощения электронный модуль передатчика 52 также включает сохраненные данные для вычисления влияния столба жидкостей-наполнителей различных типов, которые обычно используются в датчиках давления. Например, электронный модуль 52 может включать данные, относящиеся к плотности различных жидкостей-наполнителей для определения влияния столба. В одном примере воплощения передатчик 12 включает пользовательское меню для выбора различных жидких наполнителей. Так как все передатчики этого семейства моделей физически идентичны, например каналы 45А-46B являются одинаковыми, могут использоваться те же самые методики корректировки для каждого устройства без необходимости проверять каждое устройство.
Электронный модуль передатчика 52 может также передавать пользователю различную информацию относительно калибровки системы управления процессом 10 для корректировки влияния столба жидкости. Например, если передатчик 12 находится вне диапазона калибровки, на дисплее 21 появляется предупреждающее сообщение 21 или оно передается через управляющий контур 22 в центр управления 20. Передатчик 12 может также указать, что электронный модуль 52 обрабатывает данные или что необходимо ручное управление системой калибровки. Пользователь затем предупреждается о необходимости проверки системы управления 10 и передатчика 12. В другом примере воплощения передатчик 12 включает дополнительные компоненты оповещения, такие как светодиодный индикатор или звуковой аварийный сигнал. Таким образом, благодаря возможности автоматической калибровки и предупреждения о неисправностях выгодно встраивать датчик угла наклона 56 в датчики давления, особенно используемые в низконапорных диапазонах. Однако способность датчика угла наклона 56 определять ориентацию передатчика 12 также полезна и в других типах технологических передатчиков, особенно в передатчиках с местными дисплеями типа жидкокристаллического дисплея 21.
На фигуре 4 представлено покомпонентное изображение передатчика технологических данных 12, включающего жидкокристаллический дисплей 21. Корпус передатчика 26 имеет крышки 64 и 66, обеспечивающие доступ к компонентам передатчика 12, таким как жидкокристаллический дисплей 21 и кронштейн дисплея 54. Как подробно описано выше, передатчик 12 может быть использован во многих различных применениях и в различных конфигурациях и может быть установлен в ограниченных по объему местах или должным образом состыкован с монтажными фланцами и трубопроводами. Поэтому становится необходимо устанавливать передатчик 12 в различных ориентациях. Таким образом, жидкокристаллический дисплей 21 часто оказывается ориентированным таким образом, что показания дисплея перевернуты вверх ногами или становятся трудно читаемыми для пользователя. Чтобы изменить ориентацию жидкокристаллического дисплея 21, обычно требуется снять крышку 66, отсоединить жидкокристаллический дисплей 21 от кронштейна 54 и прикрепить жидкокристаллический дисплей 21 к кронштейну 54 в иной ориентации. Однако при наличии датчика угла наклона 56 электронный модуль передатчика 52 может корректировать ориентацию дисплея 21 на основе наклона передатчика 12, определяемого датчиком угла наклона 56. Электронный модуль 52 использует наклон, определенный датчиком угла наклона 56, чтобы откорректировать дисплей жидкокристаллического дисплея 21 таким образом, что он будет в вертикальной или почти вертикальной ориентации, облегчающей для пользователя чтение информации с жидкокристаллического дисплея 21 без необходимости разборки корпуса передатчика 26. Таким образом, передатчик 12 может быть упрощен путем интеграции жидкокристаллического дисплея 21 и кронштейна 54 непосредственно в электронный модуль 52, устраняя, таким образом, необходимость изготавливать и собирать дополнительные узлы. Это также уменьшает пространство, занятое оборудованием в корпусе передатчика 26, обеспечивая место для других компонентов, повышающих производительность передатчика 12.
В различных примерах воплощения электронный модуль передатчика 52, датчик угла наклона 56, жидкокристаллический дисплей 21 и управляющий контур 22 используются для получения дополнительных входов для определения и создания дополнительной информации. Например, в одном примере воплощения датчик угла наклона 56 используется для обнаружения механической вибрации передатчика 12, например, как описано в заявке США 10/675,014 (номер публикации 2005/0072239) на имя Лонгдорфа и др. Обнаружение вибрации может использоваться для определения, установлен ли передатчик 12 свободно на системе 10 или для определения чрезмерной вибрации каналов 14 или 34; т.е. датчик угла наклона 56 может использоваться для контроля относительного или местного движения передатчика 12, так же как и абсолютного движения. Данные о местной вибрации, полученные от датчика угла наклона 56, могут быть сверены с предопределенными данными, хранящимися в памяти от электронного модуля 52, чтобы определить предельное механическое напряжение передатчика 12. Электронный модуль 52 может определить, налагает ли вибрация чрезмерное напряжение на передатчик 12 и его компоненты так, что они могут быть повреждены, и, если любые потенциальные риски определены, электронный модуль 52 оповещает пользователя, что система управления процессом нуждается в проверке, например, отображая сообщение на дисплее 21 или передавая предупреждение в центр управления 20. Дополнительно, электронный модуль 52 и датчик угла наклона 56 могут быть объединены с другими компонентами для того, чтобы выполнить фильтрацию и анализ вибрации, как это описано в патенте США 6601005 на имя Эреука и др.
В других примерах воплощения способность датчика угла наклона 56 определять изменения в ориентации используется для обнаружения местного смещения передатчика 12. На фигурах 5A и 5B показан пример передатчика технологических данных, подвергнутого местному смещению. На фигуре 5А 12 показан передатчик, установленный на трубопроводе 70 таким образом, что он находится в основном в горизонтальной ориентации. На фигуре 5А, трубопровод 70 является в основном прямолинейным. С течением времени трубопровод 70 может провиснуть в силу нескольких причин, включая чрезмерный вес среды, перекачиваемой через трубы, сломанные крепления, или другое повреждение. Дополнительно, передатчики часто неправильно используются как “ступеньки” или платформы для рабочих, что может вызвать повреждение или ненужное напряжение крепежа или трубопровода, что также производит к местному смещению передатчика 12. На фигуре 5B показан передатчик 12 фигуры 5А, перенесший местное смещение с соответствующим изменением ориентации. Как можно заметить, передатчик 12 перешел в основном от “вертикальной” ориентации до некоторой наклонной ориентации, как показано углом А. В любом случае, местное смещение передатчика 12 может быть обнаружено датчиком угла наклона 56, передающего данные об изменении в системе управления процессом и о потенциальной опасности, которая должна быть предотвращена. Таким образом, датчик угла наклона 56 может использоваться как инструмент, указывающий, когда необходимо профилактическое обслуживание, часто прежде, чем такие признаки будут получены непосредственно из параметров процесса.
Хотя настоящее изобретение было описано в отношении предпочтительных примеров, квалифицированные специалисты понимают, что могут быть сделаны изменения по форме и деталям не выходя из духа и объема изобретения.
1. Технологический передатчик для измерения переменной процесса, содержащий:
технологический датчик для измерения переменной процесса;
датчик угла наклона для определения стационарной ориентации технологического передатчика; и
электронный модуль передатчика для формирования выходных данных на основе измеренной переменной процесса и определенной стационарной ориентации и
жидкокристаллический дисплей с выходом, основанным на выходе электронного модуля, который выполнен с возможностью корректировать данные выхода дисплея, на основе ориентации передатчика, обнаруженной датчиком угла наклона.
2. Технологический передатчик по п.1, в котором датчик угла наклона включает трехмерный акселерометр.
3. Технологический передатчик по п.1, в котором электронный модуль передатчика определяет наклон передатчика относительно опорной ориентации на основе выходных данных датчика угла наклона.
4. Технологический передатчик по п.3, в котором для определения местного смещения передатчика используется новая ориентация.
5. Технологический передатчик по п.3, в котором электронный модуль передатчика делает запись данных ориентации передатчика.
6. Технологический передатчик по п.1, в котором электронный модуль передатчика определяет механическую вибрацию передатчика на основе обнаруженной ориентации передатчика.
7. Технологический передатчик по п.1, в котором электронный модуль передатчика выдает информацию о выходных данных датчика угла наклона.
8. Технологический передатчик по п.1, дополнительно содержащий гидравлическую жидкость-наполнитель для передачи переменной процесса технологическому передатчику, в котором жидкость-наполнитель создает эффект столба жидкости на технологический передатчик на основе ориентации технологического передатчика.
9. Технологический передатчик по п.8, в котором электронный модуль передатчика калибрует выходные данные с учетом изменения эффекта столба жидкости в результате изменения ориентации передатчика, в котором при калибровке используется ориентация передатчика, обнаруженная датчиком угла наклона.
10. Технологический передатчик по п.9, в котором электронный модуль передатчика регулируется в зависимости от изменения свойств жидкостей-наполнителей.
11. Технологический передатчик по п.9, в котором электронный модуль передатчика калибрует выходные данные на основе программных алгоритмов.
12. Технологический передатчик по п.1, в котором выходные данные включают сигнал, сформированный технологическим передатчиком, по которому компенсируют сигнал, сформированный датчиком угла наклона.
13. Технологический передатчик по п.12, дополнительно содержащий сигнал, сформированный датчиком угла наклона.
14. Датчик давления для измерения давления процесса, содержащий:
датчик угла наклона для формирования сигнала наклона на основе ориентации датчика давления;
датчик давления для формирования сигнала давления на основе данных процесса;
гидравлическую жидкость-наполнитель для передачи давления на датчик давления,
в котором жидкость-наполнитель создает эффект столба жидкости на датчике давления; и
электронный модуль передатчика для компенсации влияния столба жидкости на сигнал давления, используя сигнал наклона.
15. Датчик давления по п.14, в котором электронный модуль корректирует свой выход на основе оригинальной ориентации передатчика по сравнению с текущей ориентацией передатчика, определенной датчиком угла наклона.
16. Датчик давления по п.14, дополнительно содержащий экран жидкокристаллического дисплея, отображающий выходные данные электронного модуля, и
в котором электронный модуль регулирует дисплей на основе сигнала ориентации.
17. Датчик давления по п.14, в котором датчик угла наклона является трехмерным акселерометром.
18. Датчик давления по п.14, в котором электронный модуль передатчика делает запись обнаруженной ориентации передатчика.
19. Датчик давления по п.14, в котором электронный модуль передатчика оповещает оператора об изменении эффекта столба жидкости.
20. Датчик давления по п.14, в котором электронный модуль передатчика определяет наклон передатчика на основе выходных данных датчика угла наклона.
21. Датчик давления по п.20, в котором электронный модуль передатчика определяет местное смещение передатчика на основе сигнала наклона.
22. Датчик давления по п.14, в котором электронный модуль передатчика регулируется в зависимости от изменения свойств жидкостей наполнителей.
23. Датчик давления по п.14, в котором электронный модуль передатчика фильтрует вибрацию на основе сигнала наклона.
24. Способ корректировки выходных данных технологического передатчика, содержащий:
считывание переменной процесса технологическим датчиком для формирования сигнала датчика;
измерение изменения ориентации технологического передатчика для формирования сигнала ориентации; и
получение откорректированного выхода передатчика, основанного на сигнале датчика и сигнале ориентации,
причем стадия формирования откорректированного выхода передатчика включает калибровку сигнала датчика из-за изменения величины столба жидкости на технологический датчик в результате изменения ориентации передатчика.
25. Способ по п.24, в котором откорректированный выход передатчика включает местный выход дисплея.
26. Способ по п.24, в котором откорректированный выход передатчика включает величину переменной процесса.
27. Способ по п.26, в котором стадия формирования откорректированного выхода передатчика дополнительно включает корректировку выхода передатчика в зависимости от свойств жидкости-наполнителя.
28. Способ по п.26, в котором формирование откорректированного выхода передатчика дополнительно основано на программных алгоритмах.
