установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками
Классы МПК: | G01F1/36 создаваемого при использовании сжатия потока G01F23/14 путем измерения давления G01L7/08 с гибкой диафрагмой |
Автор(ы): | Беннэ Л.Луважи (US), Грегори С.Мунсон (US), Дэвид Е.Уиклунд (US), Майкл Дж.Звебер (US), Дэвид А.Броден (US), Брайан Дж.Бишофф (US), Гари П.Корпрон (US) |
Патентообладатель(и): | Роузмаунт Инк. (US) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-07-29 публикация патента:
27.12.1999 |
Изобретение используется для измерения технологических параметров, представляющих технологический процесс, в полевых условиях. Двухпроводной датчик измеряет дифференциальное давление, абсолютное давление и технологическую температуру технологической текучей среды. Данные, которые могут использоваться для формирования выходного сигнала, представляют массовый расход через трубу. Датчик имеет кожух электронного модуля, прикрепленный к кожуху детекторного модуля, два микропроцессора. Двухпроводной датчик является многопараметрическим датчиком и подходит для использования датчика газового расхода, имеющего улучшенное время обновления данных при низком потреблении энергии без ухудшения точности расчетов. 6 с. и 3 з.п.ф-лы, 13 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10
Формула изобретения
1. Двухпроводный датчик для использования в системе регулирования технологического процесса для измерения технологических параметров, представляющих технологический процесс, содержащий кожух модуля, датчик давления, связанный с кожухом модуля, для измерения давления происходящего процесса и для обеспечения выходного сигнала, аналого-цифровой преобразователь, соединенный с датчиком давления, обеспечивающий цифровой выходной сигнал, соответствующий выходному сигналу датчика давления, отличающийся тем, что кожух модуля имеет вход для приема сигнала о технологическом параметре от внешнего датчика технологического процесса, расположенного снаружи кожуха модуля, тем, что содержит первый микропроцессор, расположенный в кожухе модуля для приема цифрового выходного сигнала о давлении и обеспечивающий компенсированный выходной сигнал, кожух электронных схем, физически связанный с кожухом модуля, шину для данных и силовых сигналов, соединенную с первым микропроцессором для переноса данных и силовых сигналов от кожуха электронных схем к первому микропроцессору, второй микропроцессор, расположенный в кожухе электронных схем, соединенный с шиной для данных и силовых сигналов, для приема компенсированных выходных сигналов от первого микропроцессора и сигнала о технологическом параметре и для вычисления физического параметра процесса, и электрическую схему, обеспечивающую выходной сигнал, соединенную с двухпроводным контуром регулирования технологического процесса, для приема вычисленного физического параметра от второго микропроцессора и передачи его двухпроводному регулирующему контуру. 2. Измерительный датчик для использования в системе регулирования технологического процесса для обеспечения данными о массовом потоке текучей среды, протекающей по трубе, передаваемыми по двухпроводной линии, содержащий кожух, средство измерения, расположенное в кожухе, для измерения технологических параметров, относящихся к дифференциальному давлению и линейному давлению, аналого-цифровой преобразователь, размещенный в кожухе, обеспечивающий преобразование в цифровую форму измеренных технологических параметров и входного сигнала, отличающийся тем, что он содержит средство для приема входного сигнала от температурного датчика, расположенного снаружи кожуха, о температуре текучей среды в трубе, электронные средства, расположенные в кожухе, для приема данных о массовом расходе текучей среды в виде преобразованных в цифровую форму технологических параметрах и входного сигнала, и для вычисления массового расхода текучей среды с использованием коэффициента сжимаемости в виде![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143665/2143665-9t.gif)
выходную электрическую схему, соединенную с двухпроводным контуром регулирования технологического процесса, для приема данных о массовом расходе текучей среды от электронных средств и передачи их двухпроводному регулирующему контуру и для приема необходимой энергии от контура регулирования для ее передачи измерительному датчику. 3. Измерительный датчик для использования в системе регулирования технологического процесса для обеспечения данными о массовом потоке текучей среды, протекающей по трубе, передаваемыми по двухпроводной линии, содержащий кожух, средство измерения, расположенное в кожухе, для измерения технологических параметров, относящихся к дифференциальному давлению и линейному давлению, аналого-цифровой преобразователь, размещенный в кожухе, обеспечивающий преобразование в цифровую форму измеренных технологических параметров и входного сигнала, отличающийся тем, что он содержит средство для приема входного сигнала от температурного датчика, расположенного снаружи кожуха, о температуре текучей среды в трубе, электронные средства, расположенные в кожухе, для приема данных о массовом расходе текучей среды в виде преобразованных в цифровую форму технологических параметрах и входного сигнала, имеющих микрокомпьютер для вычисления массового расхода текучей среды с использованием коэффициента расхода в виде
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143665/2143665-10t.gif)
выходную электрическую схему, соединенную с двухпроводным контуром регулирования технологического процесса, для приема данных о массовом расходе текучей среды от электронных средств и передачи их двухпроводному регулирующему контуру и для приема необходимой энергии от контура регулирования для ее передачи измерительному датчику. 4. Датчик измерения давления для использования в системе регулирования технологического процесса, соединенный с блоком управления, содержащий кожух датчика, в котором расположен первый порт давления, удаленный кожух, отделенный от кожуха датчика, в котором расположен второй порт давления, отличающийся тем, что он содержит первый и второй преобразователи давления, расположенные соответственно в кожухе датчика и в удаленном кожухе и обеспечивающие соответственно выходные сигналы первого и второго преобразователей, соответствующие давлению в первом и втором портах, электрическую схему, расположенную в удаленном кожухе и соединенную с выходом второго преобразователя, для обеспечения соответствующего нежидкостного сигнала, нежидкостную линию связи, выполненную между кожухами датчика и удаленным кожухом, для передачи нежидкостного сигнала о давлении от удаленного кожуха кожуху датчика, электрическую схему, соединенную с блоком управления и расположенную в кожухе датчика для приема нежидкостных сигналов преобразователя по нежидкостной линии связи и для приема выходного сигнала от первого преобразователя, причем электрическая схема обеспечивает выходной сигнал к блоку управления посредством двухпроводного контура регулирования технологического процесса в виде выходных сигналов первого и второго преобразователей. 5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что выходной сигнал электрической схемы представляет собой сигнал, соответствующий разности давлений между первым и вторым портами. 6. Датчик измерения давления в двухпроводном контуре регулирования технологического процесса, отличающийся тем, что кожух преобразователя имеет первый порт давления и первый порт связи, кожух датчика имеет второй порт давления и второй и третий порты связи, первый и второй преобразователи давления размещены соответственно в кожухе преобразователя и кожухе датчика для обеспечения соответствующих первого и второго выходных электрических сигналов, соответствующих давлению в соответствующих первом и втором портах давления, вычислительную электрическую схему, размещенную в кожухе датчика и соединенную с первым выходом электрическим сигналом посредством первого порта связи и второго порта связи со вторым электрическим сигналом, которая вычисляет параметр, относящийся к давлениям в первом и втором портах давления, и обеспечивает формирование третьего выходного электрического сигнала, соответствующего этому параметру, и выход электрической схемы, выполненный в кожухе датчика для передачи вычисленного параметра посредством двухпроводного контура регулирования технологического процесса через третий порт связи. 7. Датчик по п.6, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один проводник, соединяющий вычислительную электрическую схему с первым преобразователем давления посредством первого и второго портов связи. 8. Датчик по п.6, отличающийся тем, что он содержит измерительную электрическую схему, размещенную в кожухе преобразователя, при этом вычислительная электрическая схема соединена с первым выходным электрическим сигналом посредством измерительной электрической схемы, причем вычислительная электрическая схема подает ток на измерительную электрическую схему. 9. Датчик в двухпроводном контуре регулирования технологического процесса для измерения давления текучей среды, отличающийся тем, что кожух датчика имеет порт давления и первый и второй электрические порты, преобразователь давления размещен в кожухе датчика и соединен с портом давления, при этом преобразователь давления обеспечивает формирование электрического выходного сигнала соответствующего давлению текучей среды процесса в порте давления, средство, размещенное в кожухе датчика для приема в первом электрическом порте внешнего электрического выходного сигнала, соответствующего давлению текучей среды процесса в удаленном порте давления, внешнем по отношению к кожуху датчика, вычислительную электронную схему, размещенную в кожухе датчика и соединенную с приемным средством и выходным электрическим сигналом, которая обеспечивает вычисления в виде функции от внешнего электрического выходного сигнала и электрического выходного сигнала другого давления текучей среды процесса, и тем, что содержит выходную электрическую схему, размещенную в кожухе датчика для передачи сигнала о другом давлении текучей среды посредством двухпроводного контура регулирования технологического процесса. Приоритет по пунктам:
20.09.93 по пп.1 - 3;
09.06.94 по пп. 4 - 9.
Описание изобретения к патенту
Часть описания этого патентного документа включает сведения, которые подлежат защите в соответствии с авторским правом. Владелец авторского права не возражает против факсимильного репродуцирования любым лицом патентного документа или описания к патенту, когда он появится в официальном бюллетене Ведомства по патентам и товарным знакам или на магнитном носителе, но до этого времени копирование запрещается. Предшествующий уровень техникиЭто изобретение относится к измерительным датчикам, устанавливаемым в полевых условиях, которые измеряют технологические параметры, представляющие технологический процесс и, в частности, к таким датчикам, которые содержат микропроцессор. Известны измерительные датчики, которые измеряют два технологических параметра, таких как дифференциальное давление и линейное давление текучей среды, протекающей по трубе. Обычно датчики устанавливаются в той области промышленной установки, управляющей технологическим процессом, где происходит потребление энергии. Измерительные датчики формируют выходной сигнал тока, представляющий параметр, который они измеряют, причем величина тока изменяется между 4 - 20 mA в зависимости от измеренного технологического параметра. Для того чтобы датчик подходил для коммуникационного стандарта этой промышленной установки, управляющей технологическим процессом, ток, требующийся для работы измерительного датчика, должен быть менее 4 mA. Другие измерительные датчики измеряют высокую температуру текучей среды. Каждый из датчиков должен удовлетворять определенным требованиям по стоимости и безопасности ввода в трубопровод, а также каждый из датчиков должен потреблять при 12 V ток, не превышающий 20 mA. Сумматоры потока газа иногда содержат чувствительные элементы давления, которые используются в измерительных датчиках, измеряющих давление. Существующие сумматоры газового потока устанавливаются на промышленных установках, управляющих технологическим процессом, для точного управления технологическим процессом путем передачи информации для постоянного отслеживания количества прошедшего углеводорода, а иногда они устанавливаются в устье скважины для постоянного мониторинга за природным газом или выходом углеводорода сырья из скважины. Такие сумматоры потока обеспечивают получение выходного сигнала, представляющего удельный массовый расход, в виде функции от трех технологических параметров. Три технологических параметра - это дифференциальное давление через измерительную диафрагму в трубопроводе, по которому протекает поток, линейное давление текучей среды в трубопроводе и технологическая температура текучей среды. Во многих сумматорах потока требующиеся три технологических параметра поступают от различных датчиков и поэтому они выполняют только вычислительную функцию. Один из существующих сумматоров потока имеет два кожуха: первый кожух, который содержит датчики дифференциального и линейного давления, и второй аналогичный кожух датчика, который принимает входной сигнал RTD, представляющий температуру текучей среды. Температурное измерение представляет собой сигнал, формируемый во втором кожухе и передаваемый в первый кожух, где вычисляется газовый расход. Методы измерения расхода природного газа определены в публикации "Измерение с помощью диафрагмы расхода природного газа и других родственных углеводородных текучих сред", части 1 - 4, которая известна как Отчет AGA N. 3. Для вычисления удельного массового расхода требуется вычислить коэффициент сжимаемости газа и коэффициент расхода через измерительную диафрагму. Коэффициент сжимаемости зависит от нескольких стандартов, которые устанавливают способ, каким выполняется вычисление. При вычислении коэффициента сжимаемости в соответствии с этими стандартами требуется выполнить много технологических циклов. В результате, для каждого вычисления массового расхода требуется значительное расчетное время и большой расход энергии. Таким образом, время, которое проходит между получением последовательных обновленных значений удельного массового расхода, слишком велико, если каждая улучшенная (обновленная) величина получается из заново вычисленного коэффициента сжимаемости, так чтобы медленно приближаться к контуру регулирования технологического процесса. Даже если коэффициент сжимаемости вычисляется из уже имеющихся данных, то для того чтобы не удлинять скорость получения обновленных величин, выходное значение удельного массового расхода вычисляется из не нового коэффициента сжимаемости, что приводит к плохому регулированию, когда технологические параметры изменяются быстро. Более того, при вычислении коэффициента сжимаемости требуется сохранять большое число вспомогательных констант, на что также потребляется большое количество энергии. В Отчете AGA N.3 часть 4 устанавливается точность удельного массового расхода в 0.005% в результате либо медленного обновления данных при использовании не новых коэффициентов сжимаемости при вычислении удельного массового расхода, либо за счет большого потребления энергии, больше чем 4 mA. Аналогично для прямого вычисления коэффициента расхода через диафрагму требуется увеличение энергии и для низкоэнергетических применений процесс вычисления оказывается слишком дорогим. В результате, также слишком большое время требуется для получения обновленных величин или потребление энергии должно быть больше, чем установлено промышленным стандартом, в 4-20 mA. Следовательно, существует потребность в полевом закрепляемом многопараметрическом датчике, подходящем для использования в качестве датчика газового расхода, имеющего улучшенные времена обновления данных и потребляющие энергию менее чем 4 mA при 12 V, без ухудшения точности расчетов. Другой вопрос настоящего изобретения связан с устройствами для измерения давления и, в частности, с системами датчиков давления, которые реагируют на давление, по крайней мере, в двух отдельных местах и которые связаны с отдельным контроллером по двухпроводной линии связи. Известны датчики давления, имеющие кожух датчика, который содержит в себе первичный измерительный преобразователь дифференциального давления (
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143665/2143665-2t.gif)
где
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
В настоящем изобретении предложен датчик для вычисления удельного массового расхода технологической текучей среды, расположенный в одном блоке и имеющий низкое потребление энергии. Двухпроводный датчик, измеряющий технологические параметры, характеризующие технологический процесс, содержит кожух электронного модуля, прикрепленный к кожуху детекторного модуля. Кожух детекторного модуля имеет датчик давления для измерения технологического параметра давления, представляющего технологический процесс, и имеет контактный выступ для приема сигнала, представляющего второй технологический параметр, такого как сигнал температуры. Датчик включает соответствующие схемы преобразования в цифровую форму измеренных технологических параметров. Кожух электронного модуля содержит электронную схемную плату, включающую микропроцессор для вычисления массового потока технологической среды через трубопровод, плата также включает электронные схемы для форматирования технологических параметров и для передачи технологических параметров в двухпроводную линию. Микропроцессор, расположенный в кожухе электронного модуля, вычисляет также коэффициент сжимаемости и коэффициент расхода с помощью многочленов специального вида. Контактный выступ расположен на кожухе детекторного модуля и подходит для любого экранированного проводника или кабеля из скрученных пар жил. В соответствии с другим объектом изобретения система измерения давления содержит кожух датчика, включающий внутренний порт давления. Первичный измерительный преобразователь давления, находящийся в кожухе, связан с портом давления и формирует сигнал, соответствующий давлению, который поступает в электрическую схему датчика. В электрическую схему поступает также нежидкостной сигнал от внешнего первичного измерительного преобразователя давления, связанного с удаленным портом давления, который является внешним по отношении к кожуху датчика. Электронные схемы, находящиеся в кожухе, обрабатывает эти сигналы и формирует выходные сигналы, соответствующие давлению во внутреннем порте и во внешнем порте. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - чертеж устройства, выполненного согласно настоящему изобретению, присоединенного к трубопроводу, для измерения в нем давления и температуры;
Фиг. 2 - блок-схема электронных схем согласно настоящему изобретению;
Фиг. 3A-B - кривые зависимости коэффициента сжимаемости от давления при различных температурах для двух текучих сред;
Фиг. 4 - модифицированное поперечное сечение, изображающее участок устройства, представляющий интерес для настоящего изобретения;
Фиг. 4A - разрез контактного выступа и пластины, выполненный вдоль линий 4A - 4A;
Фиг. 5 - поперечное сечение устройства согласно настоящему изобретению, показанное с проводником, согласованным с разъемом;
Фиг. 6 - вертикальная проекция, частично в виде блок-схемы и частично в виде разреза, установки для измерения дифференциального давления согласно изобретению;
Фиг. 7 - сечение, частично в виде блок-схемы, главного датчика давления в соответствии с изобретением;
Фиг. 8 - сечение, частично в виде блок-схемы, другого варианта главного датчика давления в соответствии с изобретением;
Фиг. 9A и 9B - сечения, частично в виде блок схемы, зависимых датчиков давления в соответствии с изобретением;
Фиг. 10 - электрическая блок-схема системы измерения дифференциального давления, показанной на фиг. 6. Для краткости и простоты пояснений элементы на некоторых фигурах обозначены такими же позициями, что и элементы на предыдущих фигурах. Элементы, которые обозначены одними и теми же цифровыми позициями, предназначены для выполнения одних и тех же или аналогичных функций. Подробное описание наилучшего варианта осуществления изобретения
На фиг. 1 показан многопараметрический датчик 2, механически соединенный с трубопроводом 4 через фланец 6 трубы. Поток природного газа протекает через трубопровод 4. В изобретении датчик 2 принимает сигналы, соответствующие дифференциальному давлению, абсолютному давлению и температуре, и обеспечивает многопараметрические выходные данные, которые включают удельный массовый расход, полученные при пониженных затратах энергии. 100 Ом RTD (резистивный датчик температуры) датчик температуры 8 измеряет технологическую температуру ниже по потоку относительно датчика потока 2. Измеренный аналоговый сигнал температуры передается по кабелю 10 и поступает в датчик 2 через защищенный от взрыва контактный выступ 12 на корпусе датчика. Датчик 2 измеряет дифференциальное давление, абсолютное давление и принимает входной аналоговый сигнал, соответствующий технологической температуре, все данные поступают в один и тот же кожух. Датчик содержит кожух 14 электронных схем, который с помощью резьбы навинчен на кожух 16 детекторного модуля. Датчик 2 соединен с трубопроводом 4 с помощью стандартной трех- или пятивентильной системы трубопроводов. Если датчик 2 подсоединяется в качестве сумматора газового потока в отдаленном месте, проволочный проводник 20, состоящий из двухпроводного кабеля, включающего скрученные пары жил, соединяет выход датчика 2 с аккумуляторным ящиком 22. Аккумуляторный ящик 22 дополнительно может заряжаться от солнечной батареи 24. При работе в качестве сумматора газового потока с регистрацией данных датчик 2 потребляет ток приблизительно в 8 mA при 12 V или 96 mW. Если датчик 2 выполнен как многопараметрический датчик с высокими техническими характеристиками, использующий подходящий импульсный источник питания, он работает при токе только в 4-20 mA без аварийного резервного питания. Это достигается за счет методики обработки полученных данных, которая раскрыта ниже. Электрическая схема импульсного регулятора (не показана) гарантирует потребление датчиком 2 тока меньше чем 4 mA. На фиг. 2 датчик 50 дифференциального давления на базе емкостного сопротивления металлической ячейки измеряет дифференциальное давление через диафрагму в трубопроводе 4. Тензометрический датчик давления 52 на основе кремния измеряет линейное давление технологической среды в трубопроводе 4, а 100 Ом RTD датчик 8 измеряет технологическую температуру технологической среды в трубопроводе 4 в месте, которое обычно находится ниже по потоку относительно места измерения дифференциального давления. PRT 56 на основе дешевого кремния, расположенный на аналоговой детекторной плате 68, измеряет температуру около датчиков давления 50, 52 и цифровой выходной сигнал датчика 56 компенсирует сигналы дифференциального и линейного давления. Электрическая схема 57 обработки аналогового сигнала фильтрует выходные сигналы датчиков 8, 50 и 52, а также фильтрует сигналы линий электропитания для ряда электрических схем A/D 58-64. Четыре низкоэнергетичные аналого-цифровые схемы (A/D) 58-64 соответствующим образом преобразуют в цифровую форму нескомпенсированные измеренные технологические параметры и формируют четыре соответственных 16 битовых широких выходных сигнала для совместной серийной шины периферийного интерфейса (SPI) 66 в соответствующие интервалы времени. Электрические схемы A/D 58-64 являются преобразователями напряжения или емкости в цифровую форму в соответствии с входным сигналом, который должен быть преобразован в цифровую форму, и выполнены они согласно патентам США 4,878,012, 5,083,091, 5,119,033 и 5,155,455, патентовладельцами которых является тот же патентовладелец, что и настоящего изобретения. Электрическая схема 57, PKE 56 и схемы A/D 58 - 64 расположены на аналоговой детекторной плате 68, размещенной в детекторном кожухе 16. Микропроцессор 72 производит компенсирование измеренных и преобразованных в цифровую форму технологических параметров. Через одиночную шину 76 компенсированные технологические параметры передаются из детекторного кожуха в кожух 14 электронных схем. Второй микропроцессор 80 в кожухе 14 электронных схем вычисляет характерные параметры установки, а также осуществляет связи через общую шину с главным блоком (не показано). Датчик 2 с двумя микропроцессорами имеет в два раза больше производительность по сравнению с однопроцессорным датчиком, выполняющим те же вычислительные функции, и, кроме того, уменьшается вероятность неоднозначности полученных данных. Неоднозначность уменьшается при двойной микропроцессорной структуре, поскольку она позволяет производить преобразование технологических параметров в два раза чаще, чем в однопроцессорном датчике при той же скорости обновления данных. Другими словами, поскольку компенсация и расчет функционально разделены, то процессор 80 не чередует выполнение ветвей программы по вычислению компенсации с ветвью программы по применению и передаче данных. В датчике 2 детекторный микропроцессор 72 обеспечивает формирование компенсированных технологических параметров, а микропроцессор 80 электронной схемы одновременно производит вычисление массового расхода с использованием данных по компенсированным технологическим параметрам, полученным за предыдущий период обновления данных. Например, когда датчик 2 выполнен как датчик газового расхода, то одним из характерных физических параметров установки является массовый расход. В другом случае датчик 2 содержит подходящие датчики и программу для измерений плотности и уровня технологических параметров, если он выполнен как аналитический датчик. И наконец, импульсный выходной сигнал из вихревых или турбинных измерительных устройств может быть входным сигналом (и при соответствующим образом измененной электрической схеме преобразования сигнала в цифровую форму) и использоваться при вычислении расхода. В различных вариантах многопараметрических датчиков, выполненных в соответствии с настоящим изобретением, комбинации из датчиков размещены в детекторном кожухе 16 (датчики дифференциального, избыточного и абсолютного давления, технологической температуры и аналитических технологических параметров, таких как контроль газа, pH и элементного состава технологической среды) и их сигналы компенсируются в этом кожухе 16 детекторного модуля. При изготовлении датчика 2 конкретные характеристики детекторов давления 50, 52 по температуре и давлению, а также соответствующие поправочные константы записываются в электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM) 70. Микропроцессор 72 восстанавливает хранящиеся в EEPROM 70 характеристические константы и вычисляет многочлен для компенсации дифференциального давления, представленного в цифровой форме, относительного давления и технологической температуры. Микропроцессор 72 представляет собой процессор Motorola 68HC05C8, работающий при 3.5 вольтах для экономии энергии. Цифровая детекторная плата 76 размещена в детекторном кожухе 16 и содержит EEPROM 70, микропроцессор 72 и тактовую схему 74. Функционально схемы на платах 67 и 68 могут быть объединены с помощью технологии ASIC в одну детекторную электронную плату. Шина 76 включает силовые сигналы, два сигнала установления связи и три сигнала, необходимых для передачи сигналов SPI. Тактовая схема 74 на цифровой детекторной плате 67 формирует тактовые сигналы для микропроцессора 72 и для схем A/D 58 - 64. Микропроцессор 80 Motorola 68HC11F1 на выходной схемной плате 78 осуществляет коммуникационные запросы, которые датчик 2 принимает по двухпроводной линии 82. Если датчик 2 выполнен в виде сумматора потока, то он непрерывно обновляет данные по вычисленному массовому расходу. Все данные по массовому расходу записываются в памяти 81, которая хранит до 35 дней те из этих данных, которые заслуживают внимания. Когда память 81 оказывается заполненной, пользователь подсоединяет сумматор газового потока 2 к другому средству для анализа данных. Если датчик 2 выполнен в виде многопараметрического датчика, то он обеспечивает данные по измеренным технологическим параметрам, которые включают соответствующие дифференциальное давление, абсолютное давление и технологическую температуру. Как уже упоминалось выше, известные из уровня техники методы вычисления удельного массового расхода очень сложные и требуют больших энергетических затрат, связанных с требованиями, определяемыми микропроцессором и запоминающим устройством. Ранее использование средств с пониженными энергозатратами приводило к ухудшению точности при вычислении удельного массового расхода. Настоящее изобретение решает эту проблему путем представления этих сложных уравнений в виде многочленов и сохранения коэффициентов этих многочленов в энергонезависимой памяти. Микропроцессор восстанавливает коэффициенты для текучей среды при ее температуре и вычисляет массовый поток с использованием более простого (и, следовательно, менее энергетически дорогого) многочлена. Микропроцессор 80 производит вычисление сложного рассчетного уравнения для удельного массового расхода, заданного в виде:
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143665/2143665-3t.gif)
где: Cd = коэффициент расхода для диафрагменного расходомера, связанного с фланцем,
d = внутренний диаметр диафрагменной пластины, в дюймах, вычисленный при текущей температуре (Tf),
Ev = скорость коэффициента приближения,
Gr = реальная относительная плотность газа (удельная плотность) при стандартных условиях,
hw = диафрагменное дифференциальное давление, в дюймах, воды при 60 градусах F,
Pf1 = текущее давление выше выпускного отверстия по абсолютной величине, в фунт-сила на квадратный дюйм,
qv = удельный массовый расход, в стандартных кубических футах в час,
Tf = текущая температура, в градусах Ранкина,
Y1 = коэффициент расширения (выше выпускного отверстия),
Zs = коэффициент сжимаемости при стандартных условиях (Ps, Ts),
Zf1 = коэффициент сжимаемости при текущих условиях (Pf1, Tf1) выше по потоку. Существует ряд стандартов для вычисления коэффициента сжимаемости газа. Американская Ассоциация по Газу (AGA) в 1963 году установила стандарт, который подробно описан в публикации "Метод определения коэффициентов сверхсжимаемости для природного газа", PAR Reserch Project NX-19. В 1985 году AGA ввела другие нормативы для вычисления коэффициента сжимаемости, "Сжимаемость и сверхсжимаемость для природного газа и других углеводородных газов", AGA Transmission Measurement Commitee Report N 8, а в 1992 году опубликовала в AGA Report N 8 "Коэффициенты сжимаемости природного газа и других родственных углеводородных газов" (для той же цели). В AGA Report N 8 (1992) коэффициенты сжимаемости, Zs и Zf1, определяются следующим образом:
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143665/2143665-4t.gif)
где B - второй действительный коэффициент, K - параметр размера смеси, D - уменьшенная плотность, Cn - коэффициенты, которые являются функциями состава, T - абсолютная температура, а каждая из констант содержит дополнительные константы, определенные в AGA Report N 8. Кривые коэффициента сжимаемости в виде функции от давления при различных температурах представлены на фиг. 3A-B соответственно, для 100% метана и природного газа с высоким содержанием двуокиси углерода. Прямой расчет коэффициентов сжимаемости Zs и Zf1 численно очень сложный, если текучая среда содержит большое количество компонентов. Микропроцессор 80 вычисляет эти коэффициенты сжимаемости, используя коэффициенты, полученные по методу наименьших квадратов. Учитывая, что число текучих сред, подходящих для использования с настоящим изобретением, большое, а значение коэффициента сжимаемости значительно варьируется, предпочтительно использовать многочлены следующего вида:
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143665/2143665-5t.gif)
где Aij - константа, полученная из соответствующей кривой, хранящаяся в EEPROM 70, T - технологическая температура и P - абсолютное давление, а i и j принимают целые значения между -9 и 9 в зависимости от используемого для вычисления коэффициента сжимаемости стандарта AGA. Для большинства приложений достаточным является многочлен из 63 членов. Многочлены такого вида и с таким числом членов позволяют уменьшить количество вычислений по сравнению с прямыми методами расчета, благодаря этому уменьшается время между получением обновленных выходных данных по массовому расходу и уменьшаются энергозатраты при работе датчика 2. Кроме того, при такой методике не требуется большая память для хранения большого числа вспомогательных констант, что также экономит электроэнергию. Коэффициент расхода C также является очень сложным для расчета и задается для труб с диаметром меньше чем 2.8 дюйма в следующем виде:
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143665/2143665-6t.gif)
для трубы диаметром больше чем 2.8 дюйма коэффициент расхода задается в следующем виде:
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143665/2143665-7t.gif)
где
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143064/946.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143013/961.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143005/956.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143013/961.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143005/956.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143665/2143665-8t.gif)
где bj - вычисляется эмпирически, а
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143064/946.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143022/174.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143022/174.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143022/174.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143022/174.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
![установка для измерения дифференциального давления со сдвоенными датчиками, патент № 2143665](/images/patents/328/2143058/916.gif)
Класс G01F1/36 создаваемого при использовании сжатия потока
Класс G01F23/14 путем измерения давления
Класс G01L7/08 с гибкой диафрагмой