CN101802314A - 过程流体脉动的差压诊断 - Google Patents

Abstract

过程脉动诊断系统(10)包括主元件(13)、传感器(12、21)以及处理器(12、23)。所述主元件(13)沿流体流生成差压。所述传感器(12、21)对所述差压进行采样。所述处理器(12、23)基于所述差压的标准偏差生成脉动诊断，使得所述脉动诊断指示所述流体流中的过程脉动的程度。

Description

过程流体脉动的差压诊断

技术领域

本公开的主体总体涉及流体处理，并且具体地涉及用于过程流测量的差压设备。具体地，本发明涉及流体流中的压力脉动的差压诊断。

背景技术

基于压力的流传感器在广泛的工业应用中提供实用功能，所述工业应用包括大量流体存储和运输、农业、环境控制、配水和配气、食物和饮料制备、化学和药物生产以及利用热塑性塑料、胶、树脂以及其它流体材料的制造过程。压力测量对于能量产生以及其它碳氢化合物燃料应用来说也是重要的，所述碳氢化合物燃料应用涉及广泛的流体性流，包括天然气、柴油、煤粉、水和蒸汽。

压力感测技术的范围从简单的弹簧计量器、张力计量器以及其它机械设备到高级的容性、压阻以及电化学传感器。在工业系统中，典型地，将这些传感器装在变送器或者其他更一般地现场设备中，所述现场设备保护传感器硬件并且添加更高阶的功能(比如信号处理和通信)。

最恰当的压力测量方法依赖于过程材料的属性和每一个特定处理应用的需要。在例如保管传输中，典型地，借助伯努利原理以及其它速率相关的效应，来使用差压测量从而实现流敏感性。在能量产生中，需要计示以及绝对压力测量来提供对大型旋转装置(比如鼓风机、风扇、压缩机以及涡轮)的精度控制。

很多这些应用使过程流体受到压力脉动的影响，频率范围从几赫兹到几百赫兹或者更多。过程脉动可以实质上改变所测量的差压和流速率之间的关系，减低运行效率并且阻止过程优化。在保管输送以及其它“现金出纳机”应用(其中压力测量直接与底线成本和收益相关)中，脉动引入的误差还具有直接的经济上的牵连。作为结果，需要在宽频带上的对过程脉动敏感、并且适用于广泛的流体操纵、流体处理和流体流应用的诊断。

发明内容

本公开涉及一种用于诊断流体流中的过程脉动的系统，以及一种用于监控该脉动的方法。该系统包括主元件、传感器和处理器。主元件沿流体流生成差压。信号处理器计算差压的标准偏差，并且基于该标准偏差生成脉动诊断。该脉动诊断指示流体流中过程脉动的程度。

该监控方法包括对沿流体流的差压进行采样并且生成作为差压的函数的脉动诊断。脉动诊断的改变指示了过程脉动的改变，包括脉动振幅和频率的改变。

附图说明

图1是用于诊断流导管中过程脉动的系统的示意图。

图2是被配置为在图1的系统中使用的压力传感器的示意图。

图3是了图2中的压力传感器的示意图，示意了一种可能的信号处理配置。

图4A是理想化的(快速)采样率下过程压力和压力信号与时间关系的曲线图。

图4B是更实际的(有限)采样率下的压力信号和标准偏差与时间关系的曲线图。

图5A是示出了平方根误差和变化系数之间的代表性关联的曲线图。

图5B是示出了AGA-3脉动标准和变化系数之间的代表性关联的曲线图。

图6是示出了AGA-3脉动标准和平方根误差之间的代表性关联的曲线图。

具体实施方式

图1是用于诊断流导管11中的过程脉动的系统10的示意图。系统10包括压力传感器/变送器12、主元件(或者差压发生器)13以及过程系统控制器14。传感器/变送器12生成作为主元件13上的压力的函数的脉动诊断，并且向过程控制器14发送诊断。诊断指示导管11中的过程脉动的程度，所述脉动源自例如一个或者更多装置15的操作。

流导管11包括过程流体流的过程流管、导管或者通道。典型地用耐久性金属(比如轧制钢、不锈钢、铜或者铝)、耐久性聚合物(比如ABS塑料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)或者PVC塑料(聚氯乙烯或者聚氯乙烯))、或者它们的组合来形成流导管11。在一些应用中，流导管11形成如图1所示的具有圆形截面的细长结构，但是在其它应用中流导管11的几何形和构成依赖于过程流体的特征以及由装置15执行处理步骤而改变。

压力传感器/变送器12包括差压传感器，该差压传感器被配置为对主元件13(图中以虚线示出)上的差压进行采样，以测量通过导管11的流体流速率。变送器12还包括将在下面通过图2来更详细地加以描述的信号处理器、统计处理器以及接口。

在一个实施例中，主元件13包括用于响应于对通过导管11的流体流生成差压降的孔板。在其它实施例中，主元件13包括孔板、孔流量计、皮托管、平均皮托管、文式管、缩短的或者修改过的文式管、楔形流量计区或者被成形为生成通过导管11的流中的差压的任何其他形状，包括V形、锥形、楔形、螺旋形的和其它主元件几何形。

传感器/变送器12对主元件13上的差压进行采样以测量流速率，使得变送器12和主元件13的组合作为流变送器或者基于差压的流量计。

在主元件13的孔板实施例中，差压发生器包括形成在孔板17中的一个或者更多个孔16。孔板17一般地是由金属或者另一种耐久性材料制造而成的平面结构，并且典型地遵循导管11的内部截面几何形状。孔(开口)16提供沿通过孔板17的导管11的流。代表性的孔板设计可以从多个不同供货商(包括Chanhassen的罗斯蒙德公司，明尼苏达州，爱默生过程管理公司)获得。

在图1的特定实施例中，主元件13包括具有一些非中心开口16的调整孔板17。该配置将敏感度限制于漩涡、二次流以及速率场扭曲，并且可以罗斯蒙德1595调整孔板的形式在市场上购得。在备选实施例中，如在例如罗斯蒙德型号1495孔板或者另一商用设计上提供的，孔板17具有单个位于中心的开口16。

过程监控器/系统控制器14控制包括装置15在内的流体处理系统。在一些实施例中，如图1所示，过程监控器/系统控制器14经由包括独立环线环-A以及环-B在内的两线环路与单个变送器12进行通信。在其它实施例中，使用控制环、数据电缆、数据总线和其它通信硬件(包括红外(IR)、光学、射频(RF)以及其它无线设备，比如罗斯蒙德1420网关)，过程监控器28以串行或者并行方式与一些不同的变送器11进行通信。

在两线实施例中，过程监控器14和传感器/变送器12之间的通信典型地利用4-20mA模拟电流信号协议。在这些实施例的一些中，将一系列数字信号叠加在模拟电流上，形成基于HART

(高速通道可寻址远程传感器)的通信协议。备选地，系统控制器14使用一套模拟、数字、以及混合信号协议，包括HART

、Foundation^TM Fieldbus、PROFI

BUS以及PROFI

NET。

在图1的特定两线实施例中，环线环-A以及环-B携带大约四到二十毫安(4-20mA)的信号电流，并且提供大约十二和三十伏特(12-30V，或者在无负载情况下从10.5V到55V)之间的最大操作电压。环路电流被用于与系统控制器14进行过程通信，并且还被用于向变送器12提供功率。

大约4mA的标称信号偏移量提供对电流环的连续性测试，并且保留大约3mA的专用电源电流。在典型的操作电压处，这将变送器操作功率限制在大约18-36mW或者更少。备选地，偏移量在五和十毫安(5-10mA)之间，并且操作功率极限是大约50mA或者更少。在这些低功率实施例中，变送器12要求比典型的白炽夜光灯的额定功率的百分之一还少的功率。

流体处理装置15包括：机械设备或者装置，被配置为改变导管11中的过程流体的压力、温度、流速率、物质状态或者其它热力学属性。装置15包括压缩机、风扇、泵、发动机、马达、涡轮、引擎、泵阀、安全阀、排气阀、止回阀、以及其它机械流体处理装置。

装置15典型地执行旋转、往复、或者在过程流体上的其他周期循环，生成沿着导管11传播的过程脉动。该过程脉动包括导管11中的流体的压力、温度、密度或者流速率的周期性和准周期性波动或者震荡。由与传感器/变送器12耦合的处理元件(包括导管11和其它过程结构)的机械共鸣和振动生成附加的脉动。

将主元件/差压发生器13定位在耦合18处的过程流导管11中，并且将变送器12经由脉冲管19或者其它压力耦合装置安装在主元件13上。压力端口或者压力栓20(用虚线示出)通过耦合18的两侧扩展至过程导管11的内部，允许压力传感器/变送器12对主元件13上的差压进行采样。

在图1的特定实施例中，耦合18是使用垫圈以及机械扣件(比如螺栓)与孔板17耦合在一起的凸缘结构。在备选实施例中，为了对主元件13上的差压进行采样，耦合18是允许将压力传感器/变送器12安装或者耦合至导管11的任何结构。

主元件13响应于流体流生成差压，例如在孔板17的孔16上。传感器/变送器12经由压力耦合19以及压力栓20对主元件13上的差压进行采样，以测量通过导管11的流速率。然而，注意到，尽管图中示出过程流体沿特定的下游方向流过导管11，该示例仅为说明性的。一般地，可以将传感器/变送器12在相对于任何流处理装置15的上游或者下游方向上安装。

传感器/变送器12提供与流体流中的过程脉动的程度相关的脉动诊断，包括它们的振幅和频率。在一些实施例中，变送器12还生成脉动警告或者脉动警报，其基于脉动诊断的改变指示过程脉动的改变。

图2是具有被配置为在图1的系统10中使用的压力传感器21的差压变送器12的示意图。变送器12包括具有内部组件的外壳22，所述内部组件包括压力传感器模块21、处理器23和终端块24(用虚线示出)。

主传感器模块21包括容性传感器、压阻传感器、张力计量器、弹力计量器或者被配置为生成作为过程流体流的函数的差压信号的其它设备。传感器模块21对于在差压信号中出现的过程脉动是敏感的。

用坚固、耐久、可加工的材料(比如铝、黄铜、钢和其他金属、PVC塑料、ABS塑料以及其它耐久性聚合物以及它们的组合)来形成外壳22。使它们成形为一些侧壁、端壁、盖板以及其它结构，为压力传感器21、处理器23、终端块24以及变送器12的其它内部组件创建绝缘和保护性的外壳。典型地，外壳22还形成压力密封以阻止腐蚀性流体、爆炸性气体以及其他有害制剂的进入。

外壳22提供变送器12的电连接，例如经由终端块24处的终端覆盖。在一些实施例中，外壳还提供一些导管连接25。变送器12的过程区典型地提供渗透阀26以及在边缘适配器耦合27处的过程流体连接，或者备选的耦合结构(比如冲击管(impulse tube)的连接螺母)。

在一个说明性实施例中，外壳22被配置为3051S压力变送器(可从罗斯蒙德公司购得)。在其它实施例中，外壳22的特定配置改变，以适应多种备选组件设计。在其它实施例中，以独立的形式提供传感器/变送器12的一个或者更多组件，并且传感器/变送器12的一个或者更多组件不包含在相同外壳中。

处理器23包括用于生成过程压力值的信号处理器以及用于生成脉动诊断和脉动指示符的统计处理器，每一个处理器都基于由主传感器21感测到的差压。有时将信号和统计处理器结合为单一微处理器，并且有时信号和统计处理器被划分在电子堆栈或者电子组装(比如信号处理器板和统计特征板)中的不同电路组件之间。

用绝缘体以及一些导电终端来形成终端块24。典型地由耐久性、可加工聚合物(比如塑料)来形成终端块主体，并且典型地由导电金属(比如钢、黄铜或者铜)来形成终端。终端块24经由环线环-A以及环-B或者经由如上所述的其它通信硬件将变送器12连接至过程监控器/系统控制器14。

图3是在图2的变送器12中包含的差压传感器21的示意图，示意了一种可能的信号处理配置。具体地，图3示意了主传感器模块21和处理器23(包括信号处理器31和统计处理器32)之间的信号连接，以及在处理器23、接口33以及终端块24的不同组件之间的信号连接。

典型地，变送器12还包括用于配置、归零或者校准变送器的控制器，但是未在图3中示出控制器信号。在其它实施例中，如前所述，压力传感器21、处理器23以及接口33是不在变送器中包括的独立的组件。

主传感器模块21生成作为与过程流体的热力学接触的函数的传感器信号P-S。在一些实施例中，主传感器模块21生成连续的模拟传感器信号，比如来自容性压力传感器的模拟电压或者压阻性压力传感器的模拟电流，并且通过对模数(A/D)转换器(或者ADC)提供时钟来产生一系列数字信号P-S。在其它实施例中，将压力信号P-S作为模拟信号传输至处理器23，并且用一个或者更多处理器组件对其进行数字化。

压力信号P-S代表主传感器模块21上的差压。该差压具有两个分量：平均压力、以及过程压力噪声，该噪声相对于平均值改变或者波动。相比于对流体操作的旋转装置的旋转周期来说，平均差压一般地在相对长的时间标度上改变。另一方面，过程压力噪声典型地在较短的时间标度上发生，这是由于过程脉动以及其它周期性或者准周期性压力振动导致的。还存在独立的信号噪声效应，其一般地在本质上是非周期性的并且受无关时间标度支配。

信号处理器(SPU)31通过计算一些数字传感器信号P-S的运行平均或者通过对模拟压力信号求积分来生成过程压力PV(主过程变量)。在一些实施例中，以任意单位来生成过程压力PV，并且在其它实施例中，以标准压力标度(比如帕斯卡或者英寸水)来校准PV。在这些实施例的一些中，变送器12还包括温度传感器，其用于提供过程压力PV的温度补偿。

在图3的实施例中，统计处理器模块(SPM)32生成三个不同的输出。它们是平均压力P-A、脉动诊断P-D以及脉动指示符P-I。平均压力P-A代表对一系列压力信号P-S计算的平均压力<P>。脉动诊断(或者统计诊断)P-D是压力信号的统计函数，并且指示过程脉动的程度。这是经由与流测量误差(比如如下所述的差压的平方根误差或者均方根)进行关联来实现的。脉动指示符P-I作为警告或者警报/告警输出，其基于脉动诊断P-D的改变选择性地指示过程脉动的程度的改变。

信号处理器(SPU)31将过程压力PV通信给输入/输出接口(I/F)33。接口33为过程监控器或者系统控制器生成相应的过程输出，例如经由终端块24在环线环-A以及环-B上发送的模拟电流。类似的，SPM32将平均压力P-A、脉动诊断P-D以及脉动指示符P-I通信给接口33，并且接口33生成附加的相应过程输出，例如叠加在模拟电流上的数字信号。如上所述，还可以使用备选的模拟和数字通信协议。

过程压力PV和SPM输出P-A、P-D以及P-I的数据速率受传感器21和相关A/D转换器组件的采样和积分时间的限制，还受信号处理器(SPU)31以及统计处理器(SPM)32的计算能力的限制。这些能力又受限于变送器11可用的总功率。

典型地，基于传感器21的采样周期以及SPU 31的处理时间，基本上连续地更新过程变量(比如PV)。在一些实施例中，采样周期在大约十分之一秒和一秒之间(大约0.1-1.0s)，与大约一和十赫兹(大约1-10Hz)之间的采样率相对应。在其它实施例中，采样周期在大约四十毫秒和大约一百毫秒(大约40-100ms)之间，与大约十和二十五赫兹(10-25HZ)之间的采样率相对应。在这些实施例之一中，采样周期是大约四十五毫秒(45ms)，与大约二十二点二赫兹(22.2Hz)的采样频率相对应。

周期性地更新来自SPM 32的诊断输出。在一些实施例中，平均压力P-A、诊断P-D以及指示符P-I的输出速率在大约十分之一赫兹和大约一赫兹之间(0.1-1Hz)，与大约一至十秒(1-10s)的诊断周期相对应。在这些实施例之一中，诊断输出速率是大约一赫兹(1Hz)，与大约一秒(1s)的诊断周期相对应。

来自传感器模块21的压力信号P-S同时受到机械和电子阻尼的影响。机械阻尼包括冲击管以及相关压力耦合结构中的外部阻尼、以及变送器11本身中的内部阻尼，例如在充油式三弹簧压力耦合机构中。机械阻尼往往减少高频脉动的效应，但是传感器21保持对具有压力信号的变化形式的这些信号的敏感性，在与脉动导致的流测量误差相关联的环境下尤其如此。

电子阻尼典型地由传感器21中的滤波器电路实现，该滤波器电路对压力信号P-S进行成形。在一些实施例中，还由信号处理器(SPU)31来提供电子阻尼，但是这依赖于变送器和传感器配置。在其它实施例中，统计处理器(SPM)32还提供附加电子阻尼，但是SPM输出还高度依赖于采样效果，比如混叠(aliasing)和拍频相关(beat-related)的信号。这些效果使得基于压力的脉动监控复杂化，当相关脉动接近或者超过采样率时尤其如此。

图4A是理想化(快速)压力采样下，过程压力PV和压力信号P-S与时间关系的代表曲线图。过程压力PV和压力信号P-S都出现在纵轴上，沿水平方向是具有任意单位的时间。过程压力PV变化大约1的标准化和无量纲值。这落在了压力信号P-S的范围上方，但是不一定以相同单位来测量过程压力PV和压力信号P-S，并且在任何情况下，纵轴是任意的。

一般地，稳定性要求过程变量在短时间标度上是相对恒定的，以避免由于反馈造成的过校正以及振动。因此，如上所述，过程压力PV同时受机械性和电子性阻尼，典型的信号噪声(或者误差)大约为几个十百分点或者更少。具体地，典型地过程压力PV对于由于压缩机、泵、风扇、阀以及其它旋转或者往复机械源所造成的过程脉动是不敏感的。

另一方面，独立的压力信号P-S对于具有高达采样率或者更高频率的过程脉动是敏感的。这包括相对较小程度的背景过程脉动，如初始区域41中所显示的，以及在脉动环境的改变，如过渡42所示出的，以及相对较大程度的过程脉动，如后过渡区域43所显示的。

在图4A的理想化曲线图中，采样率实质上高于背景信号的频率。因此，背景显现为在初始区域41中相对平滑的正弦曲线，同时具有良好解析的频率以及大约百分之四(4％)的相对振幅。还存在随机化非周期分量形式的信号噪声贡献，其独立于脉动本身。在其它实施例中，频率、振幅以及信号噪声改变，并且脉动不仅显示为正弦形式还显现为方波、三角波、锯齿函数、类德耳塔脉冲函数、以及它们的组合或者叠加。

在过渡42处，由较高频率、较高振幅的主脉动信号结合背景脉动信号，并且在后过渡区域43，背景显现为主脉动信号上的调制包络。然而，在该理想化示例中，采样率保持在最高主脉动频率之上，并且两个信号中的每一个都是充分解析的。具体地，即使在过渡42之后，在来自压力信号P-S的图4A中也可直接观察到主和背景脉动频率和振幅。在更现实的诊断系统中，这不总是可能。

图4B是更实际(有限)的采样率下的压力信号P-S与时间关系的另一代表曲线图。如图4A所述，压力信号P-S和rms偏差σ分别出现在纵轴上，时间在横轴上，横轴和纵轴都采用任意单位来标度。

图4A和4B不受限于任何特定的采样或者脉动频率，但是图4B示意了相关效应的特定示例。在该示例中，初始区域41中的背景(低频率)脉动信号具有大约10Hz的频率以及大约2％的相对振幅。在过渡42之后，结合了具有大约120Hz的频率以及大约20％的相对振幅的主(高频)脉动信号。采样频率大约为22.2Hz，对应于大约45ms的采样周期。落在相关背景和主信号时间标度之间。

在初始区域41中，采样率仍稍高于背景脉冲频率，但压力信号P-S不再遵循平滑曲线。在脉动和采样频率之间还存在拍频相关的干扰效应，其实际上主导了背景信号并且使得难以解析原始频率。这是采样率的完全的非物理伪象，不是由于脉动本身或者随机(非周期性的)信号噪声所造成的。在过渡42之后，主脉动频率超过采样率并且解析度进一步恶化。

低频背景脉动通常与大型结构(比如堆栈和存储或者反应容器)、或者在过程流导管和冲击管中的物理震荡或者共鸣相对应。典型地，这些背景震荡具有相对较低的振幅，但是可以长期显现出来。另外，一些较高振幅的脉动还以相对较低的频率出现，例如在大型气体涡轮引擎的高容量流系统中以及其它装置中，或者由于在低于60Hz上运行的相对较低频率的往复压缩机系统造成。

较高频率的脉动信号通常由鼓风机、风扇、离心压缩机、涡轮以及其它旋转装置引起，或者来自故障的或者调节不好的控制阀、阻尼器、以及相关流控制设备。这些信号典型地具有相对较高的振幅，但是往往随着距离而衰减。然而，在一些情况下，高频率脉动信号也展示出长期效应，当过程系统组件受共鸣机械激励时尤其如此。

当采样率不实质上大于相关脉动频率时，难以区分独立贡献。一般地，当采样率未能满足耐奎斯特关系时，无法充分解析脉动信号，耐奎斯特关系要求采样频率至少是信号频率的两倍：

f_S≥2f          [1]

当采样频率f_S小于信号频率f的两倍时(即当不满足等式1时)，无法唯一地解析信号频率。在该情况下，信号波形不再以实际脉动频率出现，而是混叠至较低的频率，或者在一些情况下，可能完全消失。当仅最小的满足耐奎斯特关系但处理时间不足以解析采样率和信号之间的拍频效应时，发生类似效应。

混叠依赖于脉动频率和采样率的谐波之间的差异。具体地，混叠发生在频f_A，该f_A满足

f_A＝|f-N×f_S|             [2]

其中N是采样频率谐波的阶数。原则上，等式2指示可以将单一主频率混叠至若干不同的谐波阶上。然而，实际上，该分析典型地得到较低混叠频率的较强信号，强调了采样频率f_S的最近谐波。

由于不满足耐奎斯特关系，主脉动频率在后过渡区域43中不再明显，但是取而代之地将被混叠至较低值。由脉动和采样率的附近的谐波之间的主导拍频贡献来给出混叠后的频率，在本示例中其为第五个(N＝5)。这给出了标称混叠频率9Hz(即，120Hz-5×22.2Hz)。

然而，采样、混叠和拍频效应是高度依赖于系统的，并且难以一般化。作为结果，难以预测任何特定压力设备的行为，在脉动严重环境下过程流测量的上下文中尤其如此。对于例如具有有限解析度时间的系统来说(与理想化(无限)傅里叶变换相反)，混叠信号典型地出现在采样率的相对较低的整数倍的小划分处，而不是由等式2给出的标称频率处。

在例如图4B中，混叠信号出现在8.88Hz处，其为采样频率f_S的五分之二，而不是由等式2预测的频率9Hz处。此外，这两个频率都接近背景频率，在后过渡区域43中产生了附加的类拍频效应。作为结果，几乎不可能从主脉动和采样频率效应中区分出背景。

流测量上的采样的特定效应依赖于伯努利原理，其定义了差压和流速率之间的基本关系。对于水平管区来说，沿着流流线的压降与流速率的改变的平方相关。忽略重力势能，

$\mathrm{\&Delta;P}=\frac{1}{2}\mathrm{\&rho;}(v_d^2-v_u^2),---\&lsqb;3\&rsqb;$

其中差压ΔP(或者简单地DP)是压降，ρ是流体密度，并且ν_u以及ν_d分别是上游和下游流速率。

一般地，由于是从流压缩的较高压力、较低速率的上游侧向较低压力、较高速率的下游侧来进行测量的，将ΔP定义为正定(或者至少非负)数。即，上游流速率ν_u小于下游速率ν_d，所以当存在流体流时压降是正定性的。

连续性要求保持质量流量比。这将流区域的流速率的改变与流体密度相关联，允许将体积流速率(Q)计算为差压的平方根的函数。从而

$Q=\mathrm{kC}\sqrt{\mathrm{\&Delta;P}}---\&lsqb;4\&rsqb;$

其中由流量计的几何外形以及测量单位来确定转换因子k，并且释放系数C用于说明非均匀(非平坦)流型、湍流以及压栓。在一些实施例中，还将释放系数C校准为温度、粘度以及密度的函数，以对于不同流条件范围提高精度。

当过程脉动发生时，它们减少差压测量的准确度并且向流速率计算中引入误差。具体地，相比于实际流来说，高量级、高频率脉动往往增加测量的结果。这对于过程控制来说具有显著的后果，在保管输送以及其它开放流应用中。

然而，尽管流速率与差压的平方根成正比，过程脉动典型地以压力量级来表征。作为结果，过程脉动和流速率典型地需要独立的误差分析以及独立的诊断函数。

在该备选方案中，从统计学观点来解决该问题，使用(例如)差压信号的标准(rms)偏差以及变化系数，变化系数是除以了平均压力的标准偏差。即，变化系数实质上是差压的反信噪比(或者“噪信”比)

$c_v=\frac{\mathrm{\&sigma;}}{<\mathrm{\&Delta;P}>}---\&lsqb;5\&rsqb;$

其中σ是标准(rms)偏差，<ΔP>是平均差压并且c_ν是变化系数。一般地，对一系列数字压力信号确定平均差压<ΔP>，或者通过对模拟压力信号进行积分来确定平均差压<ΔP>。在相同数据集合上计算标准(或者rms)偏差σ，并且标准(或者rms)偏差σ包括随机信号噪声以及脉动导致的效应。

对于差压的平方根来说，恰当的诊断标准是正归化的平方根误差(E_R)。该正规化平方根误差是平均值的平方根和平方根的平均值之间的差异，并且除以平方根的平均值：

$E_R=\frac{\sqrt{<\mathrm{\&Delta;P}>}-<\sqrt{\mathrm{\&Delta;P}}>}{<\sqrt{\mathrm{\&Delta;P}}>}---\&lsqb;6\&rsqb;$

对于压力导出的流测量，由于流速率与差压的平方根成正比，因此平方根误差是相关的。不幸地是，由于即使在考虑采样效应之前平方根的平均值也与平均值的平方根不同，因此难以将平方根误差与等式5相关联。另外，平方根误差是计算密集型的，使得难以在低功率环境中保持满足过程控制质量压力测量的实时差压敏感度的同时用足够高的诊断速率来产生平方根误差。

如通过对等式5取平方并且扩展标准偏差项所示出的，变化系数以及平方根误差确实具有相关的函数形式。即，

$c_v^2+1=\frac{<\mathrm{\&Delta;}{P}^2>}{{<\mathrm{\&Delta;P}>}^2}---\&lsqb;7\&rsqb;$

其中分子是差压的平方的平均值并且分母是平均值的平方。可以以相似的形式将等式6重写：

${(E_R+1)}^2=\frac{<\mathrm{\&Delta;P}>}{{<\sqrt{\mathrm{\&Delta;P}}>}^2}---\&lsqb;8\&rsqb;$

其中分子是平均差压并且分母是平均根差压的平方。

然而，尽管等式7和8都包括平均压力，在等式7的平均平方项和等式8的平均平方根项之间不存在闭式的函数关系，也不存在任何可预测的方式来生成该关系。对于以零点为中心的分布来说，平均平方根有时逼近标准偏差的平方根，但是差压流测量需要正定性信号并且当平均值逼近零时等式7是发散的，而等式8逼近零。

通过不可预测地影响压力信号以及基于它们的统计诊断(包括标准偏差和变化系数)，采样还使得问题复杂化。这对于接近采样频率一半的脉动周期，其中混叠和其它采样效应可主导信号，是特别相关的。

作为结果，必须基于受到高度过程脉动影响的运行环境中的同时的精确压力和流测量，经验性地确定平方根误差E_R和变化系数c_ν之间的关系。流控制中的最佳实践表明在这些环境中不容易达成所需精确度，并且经验结果是高度依赖于系统的。此外，当仅最小化地满足耐奎斯特关系时(例如，当采样率低于脉动频率的大约四倍时)，不存在对相关的详细函数形式的准确的先验预测。但是，在特定流条件下，可以获得变化系数和平方根误差之间的明确关系，并且可以由此相关产生有效的基于压力的脉动诊断。

图5A是示出了正规化平方根误差和变化系数之间的代表性关联的曲线图。正规化平方根误差位于纵轴上，并且从零到恰好百分之一点五以下变化(大约0-1.5％)。变化系数位于横轴上，并且从零到恰好百分之三十五以下变化(大约0-35％)。该图包括来自一些不同试验台以及处理设施的数据，受从几赫兹(少于采样率的一半)到几百赫兹(采样率的五到十倍)的范围的过程脉动信号影响。该数据还同时包括气态和液态流体流，并且适于具有小的多相成分的流。

在曲线图范围上，平方根误差与变化系数强相关。作为结果，基于变化系数(c_ν)或者标准偏差(σ)的脉动诊断指示过程脉动的程度。具体地，这些脉动诊断的改变指示过程脉动的改变，包括脉动振幅或者频率的改变(等价地，振幅或者周期的改变)。

由于压力信号的平方根与流速率是成正比的，与平方根误差的关联向这些脉动诊断提供了对在孔板、文式管或者类似差压发生器上进行的流测量中的势误差的敏感度。具体地，诊断值的增加指示流速率误差的可能性增加。

图5A中的关联实质上是一对一的并且实质上是单调的，允许由该关联生成恰当的指示符阈值，而不实际计算平方根误差或者执行其他计算密集型步骤。具体地，可以通过使用查找表或者简单的分段线性模型，由标准偏差或者变化系数来生成平方根误差。

除了平方根误差之外，还使用AGA-3(美国气体协会)标准进行过程流测量。相比于平均值，AGA-3标准实质上是rms(均方根)压差的极限。典型地，该极限由下述等式给出：

$\mathrm{AGA}-3:\frac{\sqrt{<\mathrm{\&Delta;}{P}^2>}}{<\mathrm{\&Delta;P}>}\&le;10\%---\&lsqb;9\&rsqb;$

其中分子是rms差压并且分母是平均值。由于rms至少与平均值一样大，该比率将永远大于一，但是可以将该标准解释为超过十个百分点的相对极限，而不是比率本身的绝对极限。

图5B是示出了均方根压差以及变化系数之间的代表性关联的图，使用与图5A相同的测试数据。AGA-3标准位于纵轴上，并且从零至大约百分之五(0-5％)变化。相对于等式7，这对应于rms差压相对于平均值的相对偏差。变化系数位于横轴，并且从零至恰好百分之三十五以下(0-35％)变化

由于AGA-3标准是基于压力的rms值的，其更直接地与变化系数(c_ν)相关联。具体地，

$\frac{\sqrt{<{\mathrm{\&Delta;P}}^2>}}{<\mathrm{\&Delta;P}>}=\sqrt{c_v^2+1}---\&lsqb;10\&rsqb;$

从而，与平方根误差相比，在AGA-3标准和方差系数之间存在显式的(理想化的)函数关系。然而，再一次地，该关系是理想的，并且在具有有限采样能力的实际系统中是不可达成的。具体地，当脉动频率接近采样频率的一半时，当差压信号显示出混叠和其它采样效应时，等式10的函数关系不成立。

但是，如图5B所示，在一些流条件下有可能建立变化系数和rms压力之间的经验性关联，允许生成备选的脉动诊断。具体地，即使当混叠和其它不可预测的采样效应妨碍对关联进行实际计算，图5B的关联基于和AGA-3标准相对应的诊断阈值提供脉动指示符。另外，如前面针对平方根误差所述的，关联的实质上一对一和单调的本质允许经由查找表或者模型由变化系数(或者由标准偏差)生成AGA-3标准。

在基于变送器的实施例中，典型地由位于过程监控器或者系统控制器中的独立处理器来执行脉动诊断到另一个函数(比如平方根误差或者均方根(AGA-3标准))的显式转换。然而，在备选实施例中，基于变送器的统计处理器执行该转换。类似的，尽管基于变送器的处理器典型地基于脉动诊断的改变来生成脉动指示符，在一些实施例中，由变送器外部的过程监控器或者系统控制器来执行该功能。

注意到，平方根误差和正规化rms关联导致独立的脉动诊断。即，尽管图5A和5B中所示的函数关系或者关联可能看似相似，它们在数量上和质量上是不同的。通过对平方根误差和AGA-3标准的比较示出了这点。

图6是使用与图5A和5B中相同的数据示出了AGA-3脉动标准和平方根误差之间的代表性函数关系的曲线图。在纵轴上定义了AGA-3脉动标准(rms与平均值的比率)，并且范围为从零至大约百分之五(0-5％，相对于单位一的相对偏差)。沿横轴定义了平方根误差，并且范围为从零至大约百分之一点五(0-1.5％)。

如图6所示，AGA-3标准和平方根误差不是线性相关的，所以函数提供过程脉动的独立的特征描述。从而，最恰当的诊断随着脉动振幅、传感器设计以及系统配置而变化，并且随着脉动频率对采样率的比率而变化。

尽管已经通过首选实施例描述了本发明，使用的术语仅用于描述的目的，而非限制性的目的。本领域技术人员将认识到可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上进行改变。

Claims (27)

1.一种过程脉动诊断系统，包括：

主元件，用于沿流体流生成差压；

传感器，用于对所述差压进行采样；以及

处理器，用于基于所述差压的标准偏差生成脉动诊断，使得所述脉动诊断指示所述流体流中的过程脉动的程度。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器还基于所述脉动诊断的改变生成脉动指示符。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述脉动诊断经由与所述差压的平方根误差的关联，来指示过程脉动的程度。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述处理器还基于所述关联，来生成所述差压的平方根误差。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述脉动诊断经由与所述差压的正规化均方根的关联，来指示过程脉动的程度。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述处理器还基于所述关联，来生成所述差压的正规化均方根。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括：接口，用于通过具有大约20mA或者更少的最大电流的环线发送所述脉动诊断。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述主元件包括用于生成所述差压的孔板。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述主元件包括用于生成所述差压的皮托管或者平均皮托管。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器以少于所述过程脉动的频率的四倍的采样率对所述差压进行采样。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述采样率小于所述过程脉动的频率的两倍。

12.一种用于监控过程脉动的方法，所述方法包括：

以采样率对沿流体流的差压进行采样；以及

生成作为所述差压的函数的脉动诊断，使得所述脉动诊断的改变指示所述过程脉动的改变；

其中所述采样率小于所述过程脉动的频率的两倍。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述采样率是至少20Hz。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述差压的函数包括所述差压的标准偏差。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：生成作为所述脉动诊断增量的函数的脉动指示符。

16.根据权利要求12所述的方法，其中所述脉动诊断与所述差压的平方根误差相关联。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：基于所述脉动诊断，来生成所述差压的平方根误差。

18.根据权利要求12所述的方法，其中所述脉动诊断与所述差压的均方根相关联。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：基于所述脉动诊断，来生成所述差压的均方根。

20.根据权利要求12所述的方法，还包括：通过具有大约20mA或者更少的最大电流的环线发送所述差压和所述脉动诊断。

21.一种变送器，包括：

传感器，用于监控差压中的过程脉动；

信号处理器，用于由所述差压生成过程压力值；

统计处理器，用于基于所述差压生成脉动诊断，使得所述脉动诊断与所述过程脉动的改变相关联；以及

接口，用于向过程系统控制器发送所述过程压力值以及所述脉动诊断。

22.根据权利要求21所述的变送器，其中所述传感器具有小于所述过程脉动的频率的两倍的采样率。

23.根据权利要求21所述的变送器，其中所述脉动诊断包括所述差压的标准偏差。

24.根据权利要求21所述的变送器，其中所述变送器以不超过50mW的功率运行。

25.根据权利要求21所述的变送器，还包括：位于所述流体流中的差压发生器，以生成所述差压。

26.根据权利要求25所述的系统，其中所述差压发生器包括孔板。

27.根据权利要求25所述的系统，其中所述差压发生器包括皮托管或者平均皮托管。

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