ПЕРЕДАТЧИК ПАРАМЕТРА ПРОЦЕССА С ДАТЧИКОМ УСКОРЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G05B23/02 G01H3/00 G01H1/00 

Уровень техники изобретения

Настоящее изобретение относится к передатчикам параметра процесса. Более конкретно настоящее изобретение относится к передатчикам такого типа, которые используются, чтобы управлять или наблюдать за производственными процессами.

Производственные процессы используются в промышленном производстве. Существуют различные типы полевых устройств, которые используются, чтобы наблюдать за процессом. Например, параметры процесса, такие как давление, поток, температура и другие, могут быть измерены. В дополнение к использованию этой информации для наблюдения за процессом параметры процесса могут использоваться, чтобы управлять процессом.

Параметры процесса измеряются с помощью полевых устройств, известных в целом как передатчики параметров процесса. Во многих случаях желательно диагностировать работу производственного процесса и идентифицировать состояние процесса и ассоциированного с ним оборудования. Например, диагностика может использоваться, чтобы идентифицировать сбой в производственном процессе, например, при котором отказавшие компоненты могут быть заменены. Другие использования диагностики включают в себя идентификацию приближающегося отказа прежде, чем он произойдет. Это позволяет заменять или отремонтировать компонент в требуемое время без обязательного завершения процесса.

Распознавание вибраций является одним способом, используемым для устройств управления процессом диагностики. Например, вибрационный датчик, такой как акселерометр, может быть помещен непосредственно в управляющее устройство и может использоваться, чтобы обнаруживать шумовые сигналы вибрации, сформированные устройством. Например, может наблюдаться шум, сформированный электродвигателем насоса. Вибрации фильтруются и оцениваются посредством идентификации тех из них, которые превышают порог амплитуды или которые имеют ненормальную частоту. Это может указывать на фактический или приближающийся отказ. Конкретные примеры включают в себя датчики, размещенные на корпусе насоса или электродвигателя, выпускных клапанах или фланцах, ассоциированных с управляющим устройством. Другим известным способом диагностики является неавтоматизированное исследование, при котором оператор слушает ненормальный шум от управляющего устройства. Существует постоянная необходимость в улучшенной технологии диагностики в системах управления или наблюдения за производственным процессом для обнаружения отказавших компонентов и компонентов, которые износились или находятся в процессе отказа. Различные технологии показаны в патенте США №6601005, зарегистрированном 29 июля 2003 г., озаглавленном "Process Device Diagnostics Using Process Variable Sensor Signal"; публикации США №2005/0072239, опубликованной 7 апреля 2005 г., озаглавленной "Process Device with Vibration Based Diagnostics", и патенте США №7010459, выданном 7 марта 2006 г., озаглавленном "Process Device Diagnostics Using Process Variable Sensor Signal".

Сущность изобретения

Передатчик параметра процесса для использования в системе управления или наблюдения за производственным процессом включает в себя корпус передатчика и датчик параметра процесса, имеющий выходной сигнал датчика, связанный с параметром процесса. Акселерометр ассоциирован с передатчиком, как, например, корпусом передатчика, датчиком параметра процесса или другим компонентом, и имеет выходной сигнал акселерометра, связанный с ускорением. Диагностическая схема имеет выходной диагностический сигнал в качестве функции выходного сигнала датчика и выходного сигнала акселерометра.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - это схема производственного процесса, включающего в себя передатчик параметра процесса, связанный с системой трубопроводов.

Фиг.2 - это блок-схема схемы и компонентов в передатчике параметра процесса на фиг.1.

Фиг.3 - это упрощенная блок-схема устройства процесса для использования в реализации настоящего изобретения.

Фиг.4 - это блок-схема, показывающая упрощенные этапы в соответствии с одной конфигурацией настоящего изобретения.

Подробное описание

Настоящее изобретение представляет собой технологию диагностики для обнаружения отказа или прогнозирования приближающегося отказа или снижения производительности устройства процесса или компонента процесса перед возникновением отказа или пониженной производительности. С помощью настоящего изобретения наблюдаются вибрации в процессе и/или устройстве процесса. Вибрации обнаруживаются и используются, чтобы прогнозировать отказ, приближающийся отказ или пониженную производительность устройства процесса или компонента процесса, как функция обнаруженного сигнала вибрации и, дополнительно, как функция обнаруженного параметра процесса.

Фиг.1 - это схема системы 10 управления процессом, которая включает в себя передатчик параметра процесса 12, соединенный с технологическим трубопроводом 16. Передатчик параметра процесса 12 связан с двухпроводным контуром 18 управления процессом, который работает в соответствии со стандартом Fieldbus, Profibus или HART®. Однако изобретение не ограничено этими стандартами или двухпроводной конфигурацией. Двухпроводной контур 18 управления процессом работает между передатчиком параметра процесса 12 и диспетчерской 20, и переносной блок 226 конфигурирования иллюстрирован в варианте осуществления, в котором контур 18 работает в соответствии с протоколом HART®, контур может переносить ток I, который представляет обнаруженный параметр процесса. Дополнительно протокол HART® позволяет цифровому сигналу накладываться на ток через контур 18 так, что цифровая информация может отправляться или приниматься от передатчика параметра процесса 12. При работе в соответствии со стандартом Fieldbus контур 18 переносит цифровой сигнал и может быть связан с множеством полевых устройств, например, с другими передатчиками. В одной конфигурации контур 18 содержит беспроводной контур, и передатчик параметра процесса 12 выполняет связь без необходимости в дополнительной проводке.

Параметры процесса типично являются первичными параметрами, которые управляются в процессе. Когда используется в данном документе, параметр процесса означает какой-либо параметр, который описывает состояние процесса, такое как, например, давление, расход, температуру, уровень выхода продукта, рН, мутность, вибрацию, положение, ток электродвигателя, любую другую характеристику процесса и т.д. Управляющий сигнал означает какой-либо сигнал (отличный от параметра процесса), который используется, чтобы управлять процессом. Например, управляющий сигнал означает требуемое значение параметра процесса (т.е., заданное значение), такое как требуемая температура, давление, расход, уровень выхода продукта, рН или мутность и т.д., которое регулируется контроллером или используется, чтобы управлять процессом. Дополнительно управляющий сигнал может включать в себя эталонные значения, аварийные оповещения, аварийные ситуации, сигнал, который предоставляется управляющему элементу, такой как сигнал позиции клапана, который предоставляется приводу клапана, уровень энергии, который предоставляется нагревательному элементу, сигнал включения/выключения соленоида и т.д., или любой другой сигнал, который относится к управлению технологическим процессом. Диагностический сигнал при использовании в данном документе включает в себя информацию, связанную с работой устройств и элементов в контуре управления технологическим процессом, но не включает в себя технологические параметры или управляющие сигналы. Например, диагностические сигналы могут включать в себя позицию штока клапана, применяемый крутящий момент или силу, давление привода, давление сжатого газа, используемого для того, чтобы приводить клапан, электрическое напряжение, ток, мощность, сопротивление, емкость, индуктивность, температуру устройства, зависание, трение, позиции полного включения и отключения, рабочий ход, частоту, амплитуду, спектр и спектральные компоненты, электрическую жесткость, интенсивность электрического или магнитного поля, длительность, интенсивность, перемещение, обратную ЭДС электродвигателя, ток двигателя, параметры контура (такие как сопротивление, напряжение или ток контура управления) либо любой другой параметр, который может быть обнаружен или измерен в системе. Более того, технологический сигнал означает любой сигнал, который связан с технологическим процессом или элементом в технологическом процессе, например технологический параметр, управляющий сигнал или диагностический сигнал. Технологические устройства включают в себя все устройства, которые составляют часть или соединяются с контуром управления технологическим процессом и используются при управлении или мониторинге технологического процесса.

Иллюстрируется, что контур 18 показан в одной конфигурации, и любой подходящий контур управления процессом может использоваться, такой как 4-20 мА контур, 2, 3 или 4-проводной контур, многоканальный контур и контур, работающий в соответствии с HART®, Fieldbus или другим цифровым или аналоговым протоколом связи, включающим в себя протоколы беспроводной связи. При работе передатчик параметра процесса 12 определяет параметр процесса, такой как расход, с помощью датчика 21 и передает определенный параметр процесса через контур 18.

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения устройство процесса, такое как передатчик параметра процесса 12, включает в себя вибрационный датчик, выполненный с возможностью обнаруживать вибрации. Вибрационный датчик может быть любым типом вибрационного датчика, таким как акселерометр, но изобретение не ограничено таким датчиком. Диагностическая схема в передатчике параметра процесса 12 или в удаленном местоположении наблюдает за обнаруженными вибрациями и обнаруженным параметром процесса и способна диагностировать отказ или приближающийся отказ. Выходной сигнал может быть предоставлен передатчиком параметра процесса 12, например, в диспетчерскую 20 или коммуникатору 26 через двухпроводной контур 18 управления процессом, который обеспечивает индикацию отказа или приближающегося отказа компонента процесса. С помощью этой информации оператор может отремонтировать или заменить отказавший компонент или отремонтировать или заменить компонент перед его окончательным отказом. Это позволяет выполнять любую поддержку процесса 10 в запланированное время или когда требуется, что может быть особенно полезным, если ремонт или замена компонента требует остановки процесса 10. Дополнительно некоторые компоненты могут отказывать либо катастрофически, либо таким образом, что это вызовет повреждения других компонентов или вызовет выброс опасных продуктов в окружающую среду. Предоставляя указание того, что компонент может отказать в будущем, или прогнозируя время окончательного отказа, компонент может быть отремонтирован или заменен до этого окончательного отказа.

Фиг.2 - это схема, показывающая передатчик 12 параметра процесса, связанный с системой трубопроводов 16. Вибрации 70 показаны проходящими через производственный процесс. Например, вибрация 70 может переноситься системой трубопроводов 16, рабочей жидкостью в трубопроводе 16 или в других физических соединениях к передатчику 12 параметра процесса.

Передатчик 12 параметра процесса включает в себя датчик 72 параметра процесса. Датчик 72 параметра процесса может быть выполнен с возможностью обнаруживать любой тип параметра процесса, такой как расход, давление, температура или др. Датчик 72 параметра процесса связывается со схемой 74 измерения, которая предоставляет сигнал параметра процесса схеме 76 ввода/вывода. Схема 76 ввода/вывода выполнена с возможностью передавать информацию, относящуюся к обнаруженному параметру процесса, по двухпроводному контуру 18 управления процессом. В некоторых вариантах осуществления схема 76 ввода/вывода может также принимать энергию через контур 18 управления процессом, которая используется, чтобы полностью питать энергией схему и компоненты передатчика 12. Схема 74 измерения также связывается с диагностической схемой 82 и предоставляет сигнал, относящийся к измеренному параметру процесса, в камеру 82.

Вибрационный датчик 80 в передатчике 12 параметра процесса выполнен с возможностью обнаруживать вибрации 70 и предоставлять сигнал вибрационного датчика диагностической схеме 82. Диагностическая схема 82 наблюдает за вибрациями 70, обнаруженными вибрационным датчиком 80, вместе с обнаруженным параметром процесса от датчика 72, предоставленным схемой 74 измерения, и имеет выходной сигнал через схему 76 ввода/вывода, которая обеспечивает индикацию отказа или приближающегося отказа компонента процесса. Альтернативно схема ввода/вывода может предоставлять выходной сигнал о состоянии, указывая, что передатчик работает правильно.

В некоторых вариантах осуществления вибрационная диагностика настоящего изобретения может использоваться, чтобы избегать или уменьшать простой оборудования, прогнозируя приближающуюся потерю инструмента измерения или инструмента управления, пока еще есть время, чтобы заменить или отремонтировать устройство. Информация о вибрации может также предоставляться другим устройствам, которые находятся на связи с контуром 18 управления процессом. Для таких передач могут использоваться алгоритмы сжатия данных. Диагностическое указание может быть предоставлено по двухпроводному контуру 18 управления процессом. Например, HART-состояние, FieldBus-данные или другие предупреждения могут передаваться через контур 18. Такое предупреждение может быть предоставлено в диспетчерскую 20.

Вибрационный датчик 80 может быть любым типом вибрационного датчика. Многие вибрационные датчики работают по одной оси и способны обнаруживать только вибрации вдоль этой оси. Однако в одном варианте осуществления используются дополнительные датчики или многоосевые датчики, чтобы обнаруживать вибрации вдоль более чем одной оси или чтобы профилировать вибрацию в различных местоположениях в устройстве процесса. Дополнительные обнаруженные вибрации могут использоваться диагностической схемой 82, чтобы обеспечивать дополнительную диагностику. Дополнительно вибрационные датчики 80 могут быть помещены более чем в одно место в передатчике 12 параметра процесса. Эти дополнительные датчики могут также использоваться, чтобы обеспечивать дополнительную диагностику процесса на основе вибрации либо параллельно, либо в комбинации с обнаруженным параметром процесса. Рамки диагностики могут быть расширены посредством сравнения или анализа измерений вибрации, либо отдельно, либо вместе с обнаруженным параметром процесса, более чем от одного устройства технологического процесса, расположенного в технологическом комплексе. Дополнительные измерения могут использоваться, чтобы предоставлять информацию, относящуюся к общему состоянию процесса или предприятия. Измерения вибрации, выполненные близко к подключению устройства технологического процесса к процессу, могут использоваться, чтобы обнаруживать характерные для процесса повреждения, такие как воздушный удар из-за внезапного закрытия клапана, образования полости, агрессивных химических реакций или других возмущений процесса, а также и фактический или приближающийся отказ насосов, вращающегося оборудования или похожие типы отказов.

Хотя схема 76 ввода/вывода, схема 74 измерения и диагностическая схема 82 показаны как отдельные компоненты на фиг.2, эти блоки схем могут быть реализованы в совместно используемой схеме и/или программном обеспечении. Например, многие из этих функций могут быть реализованы в цифровом процессоре. В дополнение к сравнению обнаруженных вибраций или накопленных обнаруженных вибраций, в сочетании с параметром процесса, с фиксированным пороговым значением другие технологии диагностики могут применяться диагностической схемой 82. Например, экспертная система может быть реализована с помощью правил если/то для использования в операции диагностики на основе вибраций и обнаруженного параметра процесса. Диагностика может быть основана на частотном спектре обнаруженных вибраций и параметров процесса и может применяться более сложная обработка, такая как нейронные сети, нечеткая логика и т.д.

Фиг.3 является блок-схемой устройства 240 технологического процесса, формирующего часть контура 18. Устройство 240 показано в общем и может содержать любое устройство процесса, используемое, чтобы реализовать вибрационную диагностику, такое как передатчик 12 параметра процесса. Устройство 240 процесса включает в себя схему 242 ввода/вывода, подключенную к контуру 18 в контактах 244. Устройство 240 включает в себя микропроцессор 246, подключенный к схеме 242 ввода/вывода, память 248, подключенную к микропроцессору 246, и часы, подключенные к микропроцессору 246. Микропроцессор 246 принимает входной сигнал 252 процесса. Блок 252 ввода сигнала процесса означает ввод любого сигнала процесса, и входной сигнал процесса может быть параметром процесса или управляющим сигналом и может приниматься от контура 18 с помощью схемы 242 ввода/вывода или может формироваться внутри в устройстве 240 процесса.

Устройство 240 процесса включает в себя входной канал 254 датчика. Входной канал 254 датчика включает в себя датчик 21, который обнаруживает параметр процесса и предоставляет выходной сигнал датчика усилителю 258, который имеет выходной сигнал, который оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 260. Канал 254 типично используется в передатчиках, таких как передатчик 12 параметра процесса. Компенсирующая схема 262 компенсирует оцифрованный сигнал и предоставляет оцифрованный сигнал параметра процесса микропроцессору 246.

В одном варианте осуществления схема 242 ввода/вывода предоставляет выходную мощность, используемую, чтобы полностью питать энергией некоторые или все другие схемы в устройстве 240 процесса, используя энергию, принятую от контура 18. Типично полевые устройства, такие как передатчик 12 параметра процесса или контроллер 22, питаются энергией от контура 18, тогда как коммуникатор 26 или диспетчерская 20 имеют отдельный источник питания. Как описано выше, блок 252 ввода сигнала процесса предоставляет сигнал процесса микропроцессору 246. Сигнал процесса может быть параметром процесса от датчика 21, выходным сигналом управления, предоставленным элементу управления, диагностическим сигналом, обнаруженным датчиком 80, или управляющим сигналом, параметром процесса или диагностическим сигналом, принятым через контур 18, или сигналом процесса, принятым или сформированным неким другим средством, таким как другой канал ввода/вывода.

Схема 276 пользовательского ввода/вывода также соединена с микропроцессором 246 и обеспечивает связь между устройством 240 и пользователем. Типично схема 276 пользовательского ввода/вывода включает в себя дисплей и/или звуковую плату для вывода и клавиатуру или другой интерфейс для ввода. Схема 276 ввода/вывода может использоваться, чтобы позволять пользователю наблюдать или вводить сигналы процесса, такие как параметры процесса, управляющие сигналы (заданные значения, значения калибровки, предупреждения, аварийные ситуации и т.д.).

Фиг.3 также иллюстрирует вибрационный датчик 80, который может быть индивидуальным датчиком, или он может содержать множество датчиков или компонентов. В одном варианте осуществления датчик 80 подключается к микропроцессору 246, например, через аналого-цифровой преобразователь 290 и усилитель 292. Микропроцессор 246 может наблюдать за обнаруженными вибрациями вместе с сигналом процесса, таким как обнаруженный параметр процесса, и предоставлять указание об отказе или приближающемся отказе компонента процесса. Например, микропроцессор может сравнивать соотношение между обнаруженной вибрацией вместе с параметром процесса с базовым значением или номинальным значением. Похожим образом, вывод параметра процесса может сравниваться с обнаруженной вибрацией, чтобы идентифицировать считывание параметра дефектного процесса. Эта информация может быть сохранена в памяти 248. Базовые и номинальные значения могут изменяться на основе режима работы процесса или других факторов. Базой может быть конкретный частотный спектр или форма колебаний и может быть построена на истории наблюдений работы процесса. Дополнительно диагностика, выполняемая микропроцессором 246, может быть основана на тенденциях в обнаруженных вибрациях и обнаруженном параметре процесса. Например, увеличение, либо постепенное, либо внезапное, по времени, или периодические всплески, или другие аномалии в обнаруженных вибрациях и обнаруженном параметре процесса могут быть указанием отказа или приближающегося отказа компонента процесса. Похожим образом, если соотношение между обнаруженными вибрациями и обнаруженным параметром процесса внезапно изменяется, микропроцессор 246 может предоставить диагностический выходной сигнал, указывающий, что компонент процесса может отказать или отказал. Эти значения, тенденции или обучающие профили могут также быть сохранены в памяти 248. Диагностика может быть основана на сравнении или более сложных математических методах, таких как эмпирические средние или скользящие средние измерения, технологии нечеткой логики, технологии нейронных сетей или технологии экспертных систем, основанные на последовательностях правил и/или сравнении с пороговым значением. В различных вариантах осуществления возможность настоящего изобретения обеспечивать прогнозную диагностику может быть полезной, так как она предоставляет время для обслуживающего персонала, чтобы обслуживать компонент процесса перед его окончательным отказом.

Фиг.3 также иллюстрирует ударник 291, соединенный с микропроцессором 246. Ударник 291 может быть необязательным компонентом и может содержать любой элемент, который выполнен с возможностью придавать ускорение передатчику 240. Например, молоток с пружинным приводным механизмом может быть активирован микропроцессором, соленоидом, электродвигателем со смещенным весом и т.д. Он может обеспечить известный сигнал ускорения передатчику 240 и использоваться для диагностики или в конфигурациях, в которых внешние источники ускорения недоступны.

Выходной диагностический сигнал настоящего изобретения может использоваться, чтобы обеспечить выходной сигнал, предоставлять локальное указание оператору или предоставлять сигнал связи для передачи в диспетчерскую или другое диагностическое оповещение.

Как обсуждалось выше, диагностика является функцией способов, которые применяют обнаруженную вибрацию и обнаруженный параметр процесса. Например, диагностика может использовать тенденции в соотношениях между сигналами в течение периода времени. Эта информация может сравниваться, относительно сигнала параметра процесса, с износом подшипников или компонентов насоса. Дополнительно диагностическая схема может использоваться, чтобы сопоставлять сигналы вибрации и обнаруженный параметр процесса с различными процедурами или событиями, которые происходят во время работы производственного процесса. Например, агрессивная химическая реакция может иметь конкретную форму колебаний вибрации и связанное изменение в параметре процесса. В некоторых вариантах осуществления соотношение между обнаруженным параметром процесса и вибрациями, например изменяющееся соотношение между этими характеристиками, может предоставлять указание о диагностическом состоянии, такое как компонент, который отказывает или иначе изменяется некоторым образом.

В одном аспекте выходной сигнал от вибрационного датчика используется, чтобы проверять работу датчика параметра процесса. Например, вибрация, испытываемая передатчиком давления, может быть сопоставлена с изменением в измеренном параметре процесса. Это соотношение может наблюдаться по времени и использоваться, чтобы подтверждать правильную работу датчика параметра процесса.

Вибрационный датчик 80 может быть любым подходящим вибрационным датчиком. Одним известным датчиком для обнаружения и измерения вибрации является акселерометр. Существует ряд различных технологий измерения ускорений, которые в настоящее время применяются, включающие в себя емкостные, электродинамические, пьезоэлектрические и др. Акселерометр создает выходной сигнал, который имеет отношение к обнаруженной вибрации. Выходной сигнал может иметь линейное или другое соотношение с силой вибрации или частотой вибрации. Другой пример диагностического датчика может быть осуществлен в MEMS-конфигурации, в которой используется кронштейн, чтобы обнаруживать вибрации.

Пьезоэлектрические акселерометры являются относительно массивными и имеют широкую полосу частот сигнала, порядка десятков килогерц, покрывая почти весь звуковой диапазон. Один примерный датчик доступен от фирмы РСВ Piezoelectronics и идентифицирован как IMI Sensor серии 660, которая является семейством недорогих встраиваемых акселерометров. Доступны различные конфигурации, включающие в себя двухпроводные конфигурации с и без обработки сигнала и трехпроводные конфигурации малой мощности. Например, маломощная конфигурация работает в расширенном диапазоне температур и может быть установлена непосредственно в процессах, которые подвержены широкому изменению температур. Прикладывается напряжение возбуждения, например, между 3 и 5 В постоянного тока, и ток через датчик равен примерно 750 мкА.

Другим примерным акселерометром является ММА-серия, доступная от Motorola. Эти акселерометры включают в себя различные конфигурации, такие как корпуса интегральных схем с поверхностным монтажом, с возможностями компенсации температуры, обработки и фильтрации целостного сигнала, самотестирования и фиксации отказа. Эти акселерометры используют емкостной способ обнаружения, который может быть смоделирован как две стационарные пластины с подвижной пластиной, расположенной между ними. Центральная пластина отклоняется от своей позиции покоя, когда система подвергается ускорению.

Любой из подходящего типа акселерометра может использоваться с настоящим изобретением. Например, емкостной акселерометр использует признак микроэлектромеханического устройства, который создает переменную емкость, которая изменяется в ответ на ускорение. Пьезоэлектрический электрический датчик использует пьезоэлектрический монитор, установленный на устройство. Ускорение связывается с выходным напряжением пьезоэлектрического кристалла. Пьезорезистивный датчик, может, например, использовать признак микроэлектромеханического устройства, имеющего сопротивление, которое изменяется в ответ на ускорение. Датчик с эффектом Холла использует конфигурацию, в которой движение преобразуется в электрический сигнал посредством обнаружения изменения в магнитных полях. Различные типы акселерометров с тройным доступом могут использоваться. Например, одним таким акселерометром является Okidata ML8950. Другое примерное устройство доступно из аналоговых устройств, как, например, AVXL330.

С помощью акселерометра с тройным доступом передатчик в соответствии с настоящим изобретением может быть выполнен с возможностью использовать два отдельных измерения для диагностики. Передатчик параметра процесса может использовать выходной сигнал от акселерометра, также как и выходной сигнал от датчика параметра процесса, такого как датчик давления. Сигналы от этих двух устройств могут быть сравнены, чтобы формировать уникальную диагностику системы. Например, в передатчике давления акселерометр может быть встроен. Акселерометр может быть активирован с помощью ручного ввода, как, например, ударом молотка или другого тяжелого объекта оператором. Удар может быть направлен по оси обнаруженной диаграммы датчика давления. Этот неоткалиброванный удар заставит и акселерометр измерять ускорение, и датчик давления измерять импульс давления. Если и те, и другие выходные сигналы обнаружены, диагностика может подтвердить правильную работу устройства.

В качестве дополнительного варианта осуществления конфигураций, описанных выше, колебания или другие аспекты выходных сигналов датчика параметра процесса и акселерометра могут сравниваться. Например, в некоторых конфигурациях, может наблюдаться линейное соотношение между выходным сигналом от датчика давления и выходным сигналом от акселерометра в ответ на удар или другое воздействие на передатчик. Изменение этих реакций может обеспечивать указание отказа, например потерю жидкости на основе масла.

В одном примере приводимый в действие пружиной ударник используется, чтобы обеспечивать калиброванный удар по устройству. Однако любой требуемый тип калиброванного удара может применяться. В такой конфигурации сила удара может использоваться в алгоритме диагностики вместе с выходными сигналами от датчика параметра процесса и акселерометра. В дополнительной конфигурации множество калиброванных ударов применяются для использования в диагностике. Например, могут использоваться удары разных величин, и результирующие изменения в параметре процесса и выходных сигналов от акселерометра могут сравниваться.

В другой примерной конфигурации внешняя энергия используется в качестве источника "удара". Например, могут использоваться гидравлический удар, пульсация насоса или механические вибрации. Например, два различных гидравлических удара могут иметь в результате два различных сравнения, которые могут использоваться в качестве проверки калибровки. Это также может обеспечивать указание того, что передатчики функционируют в соответствии с техническими характеристиками.

В другом примере постоянная вибрация вызывает смещение в параметре процесса датчика, такое как смещение в обнаруженном давлении. Например, вибрация в мокром колене, которое связывает датчик давления с процессом, заставляет датчик давления указывать увеличившееся давление. В некоторых конфигурациях датчик давления действует как низкочастотный фильтр и выпрямитель, так что пульсация представляется как смещение давления. Параметр процесса вместе с отслеживаемым ускорением может использоваться, чтобы выполнять диагностику. Дополнительно отслеживаемое ускорение может также использоваться, чтобы компенсировать параметр процесса, так что смещение, вызванное вибрациями, удаляется из измерений параметра процесса, например, с помощью микропроцессора 246, показанного на фиг.3.

Акселерометр 80 может быть установлен в любом подходящем месте. Акселерометр может быть установлен на корпус передатчика или, например, непосредственно в датчик параметра процесса, как, например, непосредственно в датчик давления. Однако датчик давления типично изолирован в модуле давления и, в некоторых конфигурациях, может быть изолирован от вибраций, таких как удары, применяемые к передатчику. Корпус и размещение акселерометра могут быть сконструированы так, чтобы улучшать чувствительность к отдельным типам вибраций или по другим соображениям. Технологии высокоскоростного захвата данных могут использоваться для того, чтобы получать детализированный профиль ускорения, обнаруженного датчиком ускорения.

Фиг.4 является упрощенной блок-схемой 300 этапов в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Блок-схема 300 начинается на этапе 302, и параметр процесса наблюдается на этапе 304. На этапе 306 наблюдается ускорение. Этапы 304 и 306 могут выполняться последовательно, параллельно, в обратном порядке или в любое время, включая в себя частично перекрывающиеся периоды отслеживания. На этапе 308 диагностика выполняется как функция отслеживаемого параметра процесса, также как и отслеживаемого ускорения. Эта диагностика может выполняться в микропроцессоре 246, показанном на фиг.3, на основе программных инструкций, сохраненных в памяти 248. Диагностика может выполняться в соответствии с любой подходящей технологией, в которой два отслеживаемых значения сравниваются для того, чтобы определять состояние или приближающееся состояние компонентов процесса, работы процесса, работы устройств или элементов в процессе и т.д. Примеры включают в себя технологии на основе правил, технологии нечеткой логики, технологии нейронных сетей, технологии искусственного интеллекта или другие. В одной конфигурации отслеживаемое ускорение используется микропроцессором 246, чтобы компенсировать ошибки в измеренном параметре процесса, которые привносятся вследствие ускорения передатчика или компонентов, связанных с передатчиком. Например, смещение в обнаруженном параметре процесса может быть удалено в некоторых конфигурациях посредством использования отслеживаемого ускорения. На этапе 310 предоставляется необязательный выходной сигнал, связанный с диагностикой. Этот выходной сигнал может передаваться в удаленное местоположение по желанию, например, посредством связи по двухпроводному контуру 18 управления процессом или с помощью других технологий связи, таких как RF или беспроводные технологии. Дополнительно выходной сигнал может предоставляться локально оператору или локально ближайшему оборудованию, такому как тестирующее оборудование, либо через проводное, либо через беспроводное соединение. На этапе 312 процедура останавливается и необязательно повторяется, возвращаясь к этапу 302. В одной конфигурации этап 306 отслеживания ускорения включает в себя активацию ударника 391 или другого источника ускорения.

В одной конфигурации этапы, проиллюстрированные на фиг.4, могут быть активированы на основе пользовательского ввода. Например, оператор может инициировать работу блок-схемы 300, предоставляя соответствующий сигнал передатчику 340 либо через связь с помощью двухпроводного контура 18 управления процессом, либо другими способами. В такой конфигурации устройство может быть выполнено с возможностью инструктировать оператору применять ускорение к передатчику 240 на этапе 306, пока ускорение наблюдается. Например, оператору может быть выдана инструкция ударить по передатчику в конкретном месте или вдоль конкретной оси.

Настоящее изобретение предоставляет ряд способов выполнения диагностики или компенсации в устройстве процесса системы наблюдения за управлением процессом. Например, внешние воздействия, либо искусственные, такие как удар молотка, либо естественные, такие как гидравлический удар или механическое колебание, которые вызывают ускорение устройства, могут быть измерены с помощью акселерометра. Эффект от этого ускорения измеряется с помощью акселерометра, например одноосного, двухосного или трехосного акселерометра, и датчика параметра процесса, такого как датчик давления. Эти два измерения могут использоваться, чтобы диагностировать работу, например, чтобы проверять корректность функционирования передатчика. В других конфигурациях управляются два измеренных сигнала, например соотношения двух сигналов могут наблюдаться и сравниваться с величиной калиброванного внешнего воздействия для того, чтобы проверять функционирование передатчика. Используя соотношения двух сигналов относительно величины двух сигналов и величину внешнего воздействия относительно соотношений величин внешнего воздействия, дополнительные технологии могут использоваться, чтобы проверять работу передатчика. В дополнение к проверке работы калибровка и компенсация могут выполняться в реальном времени с помощью сигнала ускорения. Наблюдая и анализируя сигналы, передатчик может предоставлять уведомление или предупреждение о состоянии. Акселерометр может быть расположен по желанию, например, изготовлен рядом с датчиком параметра процесса, таким как датчик давления, или электронным оборудованием, ассоциированным с датчиком. Например, емкостной акселерометр может быть встроен в существующий или модифицированный аналого-цифровой преобразователь, такой как емкостно-цифровая интегральная схема. Трехосный акселерометр может использоваться, чтобы выполнять множественные функции, включающие в себя измерение вибрации в качестве диагностического инструментального средства, измерение наклона устройства в качестве средства для автоматической компенсации влияния гидростатического давления при измерении давления, измерение воздействия на устройство по сравнению с его воздействием на датчик параметра процесса для использования в переданной проверке и/или измерение ускорения, чтобы компенсировать смещения давления при ускорении. Источник ускорения может быть объединен в устройство, как, например, пружинный механизм ударника или т.п. Механизм может приводиться в действие оператором или может автоматически приводиться в действие электрической схемой в передатчике. В другой конфигурации механическое или внешние влияние давления объединено в соединение процесса, которое связывает передатчик с производственным процессом. Акселерометр может быть прикреплен непосредственно к датчику параметра процесса, чтобы создавать более предсказуемое соотношение между двумя сигналами.

В одной конфигурации акселерометр может быть выполнен с возможностью измерять периодичность по времени ввода ускорения. Если ускорение влияет на измерение параметра процесса, такое как измерение давления, точность, тогда измерения, которые делаются во время интервалов "тишины", могут рассматриваться как обеспечивающие большую точность. Такая система может, например, удерживать самое последнее "хорошее" значение, когда акселерометр измеряет ввод большого ускорения, которое может вызвать ошибку в измерении. В другом примере, в некоторых конфигурациях, увеличение в измеренном параметре процесса, например увеличение в скорости потока, также соответствует увеличению вибраций, например вследствие увеличившихся пульсаций насоса или более высокой магнитуды вибраций трубопровода. Сигналы от датчика параметра "давление" процесса в акселерометре могут сравниваться с дополнительными диагностическими данными, чтобы обеспечивать большую уверенность в измеренном параметре процесса.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что изменения могут быть сделаны в форме и деталях без отступления от духа и области применения изобретения. В некоторых вариантах осуществления изобретение может быть осуществлено в любом типе устройства процесса. Может использоваться любой тип процессора, включающий в себя емкостной акселерометр, использующий признак микроэлектромеханического устройства, который создает измененную емкость, связанную с ускорением, пьезоэлектрические датчики, использующие кристалл, установленный на массу, пьезоэлектрические датчики, например, в которых ось имеет сопротивление, которое изменяется при ускорении, датчики на основе эффекта Холла, которые основаны на изменении магнитных полей, и т.д. Диагностическая схема настоящего изобретения может быть осуществлена в любом подходящем компоненте. Например, схема может быть осуществлена в микропроцессоре и ассоциированных компонентах вместе с программными инструкциями или может содержать другие компоненты или варианты осуществления. Примерные датчики ускорения включают в себя емкостные, электродинамические, пьезоэлектрические и микроэлектромеханические системы (MEMS).

Изобретение относится к передатчикам параметра процесса, преимущественно, чтобы управлять или наблюдать за производственными процессами. Технический результат заключается в улучшенной технологии диагностики в системах управления или наблюдения за производственным процессом для обнаружения отказавших компонентов или компонентов, которые износились или находятся в процессе отказа. Передатчик параметра процесса для использования в системе управления или наблюдения за производственным процессом включает в себя корпус передатчика и датчик параметра процесса, имеющий выходной сигнал датчика, связанный с параметром процесса. Акселерометр соединен с передатчиком и предоставляет выходной сигнал акселерометра, связанный с ускорением. Диагностическая схема предоставляет диагностический выходной сигнал в качестве функции выходного сигнала датчика и выходного сигнала акселерометра. 2 н. и 39 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Передатчик параметра процесса для использования в системе управления или наблюдения за производственным процессом, содержащий:
датчик параметра процесса, имеющий выходной сигнал датчика, относящийся к параметру процесса; акселерометр, подключенный к передатчику параметра процесса, имеющий выходной сигнал акселерометра, связанный с ускорением;
и
диагностическую схему, имеющую диагностический выходной сигнал как функцию сравнения тока выходного сигнала датчика и тока выходного сигнала акселерометра, диагностический выходной сигнал указывает на диагностическое состояние устройства или компонента процесса.

2. Устройство по п.1, включающее в себя корпус передатчика параметра процесса, при этом акселерометр подключен к корпусу передатчика параметра процесса.

3. Устройство по п.1, в котором акселерометр находится рядом с датчиком параметра процесса.

4. Устройство по п.1, в котором акселерометр содержит трехосный акселерометр.

5. Устройство по п.1, в котором датчик параметра процесса содержит датчик давления.

6. Устройство по п.1, включающее в себя схему связи, выполненную с возможностью соединяться с контуром управления процессом.

7. Устройство по п.6, в котором выходной диагностический сигнал из диагностической схемы передается по контуру управления процессом.

8. Устройство по п.6, в котором выходной диагностический сигнал относится к отказу компонента процесса.

9. Устройство по п.6, в котором выходной диагностический сигнал связан с ухудшением производительности компонента процесса.

10. Устройство по п.6, в котором выходной диагностический сигнал связан с приближающимся отказом компонента процесса.

11. Устройство по п.1, в котором выходной диагностический сигнал используется, чтобы компенсировать параметр процесса.

12. Устройство по п.1, в котором выходной диагностический сигнал основан на правилах.

13. Устройство по п.1, в котором диагностическая схема реализует нейронную сеть или нечеткую логику.

14. Устройство по п.1, в котором датчик ускорения выбирается из группы датчиков ускорения, включающей в себя емкостные, электродинамические, пьезоэлектрические и микроэлектромеханические системы (MEMS).

15. Устройство по п.1, в котором диагностическая схема выполнена с возможностью управлять ускорением, применяемым к передатчику параметра процесса.

16. Устройство по п.15, включающее в себя ударник, выполненный с возможностью ударять по передатчику параметра процесса.

17. Устройство по п.1, в котором акселерометр выполнен с возможностью обнаруживать ускорение, примененное оператором.

18. Устройство по п.1, в котором акселерометр выполнен с возможностью обнаруживать калиброванное ускорение, примененное к передатчику параметра процесса.

19. Устройство по п.1, в котором диагностическая схема выполнена с возможностью сравнивать ускорение от более чем одного калиброванного ускорения, примененного к передатчику параметра процесса.

20. Устройство по п.1, в котором передатчик параметра процесса выполнен с возможностью управлять выходным сигналом параметра процесса на основе обнаруженного ускорения.

21. Устройство по п.1, в котором акселерометр выполнен с возможностью обнаруживать внешнее ускорение.

22. Устройство по п.21, в котором внешнее ускорение является, по меньшей мере, одним из гидравлического удара, пульсации насоса и механического ускорения.

23. Устройство по п.1, в котором диагностическая схема выполнена с возможностью компенсировать выходной сигнал параметра процесса на основе обнаруженного статического ускорения.

24. Устройство по п.1, в котором акселерометр предоставляет выходной сигнал для использования в одном из диагностики, компенсации параметра процесса или проверки работы.

25. Устройство по п.1, включающее в себя память, выполненную с возможностью хранить параметр процесса, и в котором передатчик параметра процесса предоставляет выходной сигнал на основе параметра процесса, сохраненного в памяти, как функцию обнаруженного ускорения.

26. Устройство по п.1, в котором диагностический выходной сигнал является функцией предыдущего соотношения между выходным сигналом датчика и выходным сигналом акселерометра.

27. Способ диагностики работы передатчика параметра процесса в системе управления производственным процессом, содержащий этапы, на которых:
обнаруживают ускорения, примененные к передатчику параметра процесса, с помощью акселерометра;
измеряют параметр процесса и
диагностируют работу передатчика параметра процесса или компонента процесса на основе сравнения тока обнаруженных ускорений и тока измеренного параметра процесса.

28. Способ по п.27, в котором акселерометр соединен с корпусом передатчика параметра процесса.

29. Способ по п.27, в котором акселерометр находится рядом с датчиком параметра процесса.

30. Способ по п.27, в котором акселерометр содержит трехосный акселерометр.

31. Способ по п.27, в котором обнаруженный параметр процесса содержит давление.

32. Способ по п.27, включающий в себя этап, на котором передают диагностическую информацию по контуру управления процессом.

33. Способ по п.27, в котором продиагностированная работа связана с приближающимся отказом компонента процесса.

34. Способ по п.27, включающий в себя этап, на котором компенсируют параметр процесса на основе этапа диагностики.

35. Способ по п.27, в котором диагностика основана на правилах.

36. Способ по п.27, в котором диагностика основана на нейронной сети или нечеткой логике.

37. Способ по п.27, в котором датчик ускорения выбирается из группы датчиков ускорения, включающей в себя емкостные, электродинамические, пьезоэлектрические и микроэлектромеханические системы (MEMS).

38. Способ по п.27, включающий в себя этап, на котором управляют ускорением, примененным к передатчику параметра процесса.

39. Способ по п.27, включающий в себя этап, на котором обнаруживают ускорение, примененное оператором.

40. Способ по п.27, включающий в себя этап, на котором обнаруживают калиброванное ускорение, примененное к передатчику параметра процесса.

41. Способ по п.27, включающий в себя этапы, на которых сохраняют параметр процесса и предоставляют выходной сигнал на основе сохраненного параметра процесса, как функцию обнаруженного ускорения.