МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК G01F1/325 G01F25/10 G01P21/02 G05B23/02 

Область техники

[0001] Варианты осуществления настоящего раскрытия относятся к полевым устройствам промышленного процесса и, более конкретно, к мониторингу пьезоэлектрических преобразователей полевого устройства промышленного процесса.

Предшествующий уровень техники

[0002] Полевые устройства промышленного процесса, используемые в системах управления и мониторинга промышленного процесса, как правило, включают в себя чувствительный элемент или преобразователь, реагирующий на переменную процесса, и схему преобразования и обработки сигналов для преобразования измеренной переменной в выходной сигнал передатчика, который является функцией измеренной переменной процесса. Термин "переменная процесса" относится к физическому или химическому состоянию материала или преобразованию энергии. Примеры переменных процесса включают давление, температуру, расход, проводимость, PH и другие свойства. Передатчики процесса обычно используются для мониторинга переменных процесса и отправки измеренных значений обратно в диспетчерскую в химической, нефтяной, газовой, фармацевтической или другой установке для обработки флюида.

[0003] Один обычный преобразователь, используемый в полевых устройствах промышленного процесса, представляет собой пьезоэлектрический преобразователь. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть использованы для обнаружения приложенного усилия, например, производимого движением или вибрацией объекта, к которому прикреплен пьезоэлектрический преобразователь. Перемещение объекта вынуждает пьезоэлектрический преобразователь генерировать напряжение на выводах преобразователя, величина которого соответствует степени усилия, приложенного к преобразователю. Датчики, образованные с использованием пьезоэлектрических преобразователей, могут быть сконфигурированы, чтобы обнаруживать параметры промышленного процесса, такие как, например, скорости потока (расходы) текучей среды.

[0004] Пьезоэлектрические преобразователи имеют потенциальную возможность неисправности или отказа. Такая неисправность могла бы привести к неверным измерениям переменной процесса. Обычное тестирование полевого устройства специалистом в данной области техники потенциально могло бы способствовать обнаружению неисправного пьезоэлектрического преобразователя устройства, но такое тестирование может потребовать выведения полевого устройства из обслуживания и его транспортировки к оборудованию тестирования.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Варианты осуществления настоящего раскрытия в общем относятся к полевым устройствам промышленного процесса и способам для выполнения диагностического тестирования пьезоэлектрических преобразователей. Один вариант осуществления полевого устройства промышленного процесса для считывания переменной промышленного процесса включает в себя пьезоэлектрический преобразователь, схему датчика, схему тестирования, контроллер и схему связи. Схема датчика приводит в действие пьезоэлектрический преобразователь в режиме считывания (измерения) и сконфигурирована, чтобы генерировать сигнал датчика, указывающий переменную процесса, на основе напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе. Схема тестирования приводит в действие пьезоэлектрический преобразователь в режиме тестирования и сконфигурирована, чтобы прикладывать импульс напряжения, имеющий импульсное напряжение, к пьезоэлектрическому преобразователю, которое деформирует пьезоэлектрический преобразователь и индуцирует ответный сигнал от пьезоэлектрического преобразователя, фиксировать пиковое положительное напряжение ответного сигнала и фиксировать пиковое отрицательное напряжение ответного сигнала. Контроллер сконфигурирован, чтобы вычислять текущее значение состояния пьезоэлектрического преобразователя на основе пикового положительного напряжения, пикового отрицательного напряжения и импульсного напряжения и генерировать результат диагностического теста на основе сравнения текущего значения состояния с эталонным значением состояния, соответствующим правильно работающему пьезоэлектрическому преобразователю. Схема связи сконфигурирована, чтобы сообщать переменную процесса и результат диагностического теста на внешний блок управления в контуре управления процессом.

[0006] В одном варианте осуществления способа для тестирования состояния пьезоэлектрического преобразователя в полевом устройстве промышленного процесса, пьезоэлектрический преобразователь приводится в действие в режиме считывания с использованием схемы считывания полевого устройства, включающем в себя генерацию сигнала датчика, указывающего переменную процесса, на основе напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе. Пьезоэлектрический преобразователь приводится в действие в режиме тестирования с использованием схемы тестирования полевого устройства, включающем в себя приложение импульса напряжения, имеющего импульсное напряжение, к пьезоэлектрическому преобразователю, которое деформирует пьезоэлектрический преобразователь, генерирование ответного сигнала от пьезоэлектрического преобразователя в ответ на импульс напряжения, фиксацию пикового положительного напряжения ответного сигнала с использованием схемы тестирования и фиксацию пикового отрицательного напряжения ответного сигнала с использованием схемы тестирования. Результат диагностического теста для пьезоэлектрического преобразователя генерируется с использованием контроллера полевого устройства, включая вычисление текущего значения состояния пьезоэлектрического преобразователя на основе пикового положительного напряжения, пикового отрицательного напряжения и импульсного напряжения, и генерацию результата диагностического теста на основе сравнения текущего значения состояния с эталонным значением состояния, соответствующим правильно работающему пьезоэлектрическому преобразователю. Переменная процесса и результат диагностического теста сообщаются на внешний блок управления в контуре управления процессом с использованием схемы связи полевого устройства.

[0007] В одном варианте осуществления, полевое устройство промышленного процесса выполнено в форме вихревого расходомера, который включает в себя корпус, вихреобразователь и датчик вихревой частоты. Корпус имеет трубчатую внутреннюю полость. Вихреобразователь поддерживается корпусом и проходит в трубчатую внутреннюю полость. Датчик вихревой частоты поддерживается корпусом на выпускной стороне вихреобразователя относительно потока флюида и включает в себя поперечину (балку), проходящую от стенки трубчатой внутренней полости, которая выполнена с возможностью колебаний в ответ на завихрения потока флюида, создаваемые вихреобразователем, и пьезоэлектрический преобразователь. Вихревой расходомер также включает в себя схему датчика, схему тестирования, контроллер и схему связи. Схема датчика сконфигурирована, чтобы приводить в действие пьезоэлектрический преобразователь в режиме считывания, в котором схема датчика генерирует сигнал датчика, указывающий частоту колебательного движения поперечины, на основе напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе. Схема тестирования сконфигурирована, чтобы приводить в действие пьезоэлектрический преобразователь в режиме тестирования, в котором схема тестирования прикладывает импульс напряжения, имеющий импульсное напряжение, к пьезоэлектрическому преобразователю, которое деформирует пьезоэлектрический преобразователь и индуцирует ответный сигнал от пьезоэлектрического преобразователя, фиксирует пиковое положительное напряжение ответного сигнала и фиксирует пиковое отрицательное напряжение ответного сигнала. Контроллер сконфигурирован, чтобы вычислять расход флюидного потока на основе сигнала датчика, вычислять текущее значение состояния пьезоэлектрического преобразователя на основе пикового положительного напряжения, пикового отрицательного напряжения и импульсного напряжения и генерировать результат диагностического теста на основе сравнения текущего значения состояния с эталонным значением состояния, соответствующим корректно работающему пьезоэлектрическому преобразователю. Схема связи сконфигурирована, чтобы сообщать расход и результат диагностического теста на внешний блок управления в контуре управления процессом.

[0008] Данное краткое описание предназначено для введения выбора концепций в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании. Это краткое изложение не предназначено для идентификации ключевых признаков или существенных признаков заявленного предмета изобретения, а также не предназначено для использования в качестве помощи при определении объема заявленного предмета изобретения. Заявленный предмет не ограничивается реализациями, которые преодолевают некоторые или все недостатки, отмеченные в разделе, характеризующем предшествующий уровень техники.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] Фиг. 1 является упрощенной схемой примерной системы измерения промышленного процесса, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия.

[0010] Фиг. 2 является блок-схемой последовательности операций, иллюстрирующей примерный способ для тестирования состояния пьезоэлектрического преобразователя полевого устройства промышленного процесса, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия.

[0011] Фиг. 3 и 4 являются упрощенными представлениями схем, содержащих примерную схему датчика и примерную схему тестирования, с пьезоэлектрическим преобразователем, соответственно работающим в режимах считывания и тестирования, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия.

[0012] Фиг. 5 является графиком напряжения во времени, иллюстрирующим примерный импульс напряжения и соответствующий ответный сигнал от пьезоэлектрического преобразователя, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия.

[0013] Фиг. 6 является упрощенным видом спереди примерного вихревого расходомера, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия.

[0014] Фиг. 7 является видом сверху в сечении вихревого расходомера, показанного на фиг. 6, по существу, по линии 7-7, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0015] Варианты осуществления настоящего раскрытия описаны более подробно ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Элементы, идентифицированные с использованием одних и тех же или сходных ссылочных позиций, относятся к одинаковым или аналогичным элементам. Различные варианты осуществления настоящего раскрытия могут быть воплощены во многих различных формах и не должны рассматриваться как ограниченные конкретными вариантами осуществления, изложенными в данном документе. Скорее, эти варианты осуществления обеспечены таким образом, чтобы данное раскрытие было подробным и завершенным и полностью передавало объем настоящего раскрытия специалистам в данной области техники.

[0016] На фиг. 1 показана упрощенная схема примерной системы 100 измерения промышленного процесса, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия. Система 100 может быть использована при обработке материала (например, технологической среды) для преобразования материала из менее ценного состояния в более ценные и полезные продукты, такие как нефть, химикаты, бумага, пища и т.д. Например, система 100 может быть использована в нефтеперерабатывающем оборудовании, которое выполняет промышленные процессы, которые могут перерабатывать сырую нефть в бензин, мазут и другие нефтепродукты.

[0017] Система 100 включает в себя полевое устройство 102 (например, передатчик процесса), в котором используется пьезоэлектрический преобразователь 104 для измерения переменной процесса, такой как переменная, относящаяся к технологической среде 106. Полевое устройство 102 включает в себя схему 108 связи для связи с внешним компьютеризированным блоком 110 управления в соответствующем контуре управления процессом. Блок 110 управления может быть расположен удаленно от устройства 102, например, в диспетчерской 112 для системы 100, как показано на фиг. 1.

[0018] В некоторых вариантах осуществления, контур управления процессом включает в себя физическую линию связи, такую как двухпроводной контур 114 управления, или линию беспроводной связи. Связь между блоком 110 управления или другим внешним вычислительным устройством и полевым устройством 102 может выполняться в контуре 114 управления в соответствии с традиционными аналоговыми и/или цифровыми протоколами связи. В некоторых вариантах осуществления, двухпроводный контур 114 управления включает в себя контур управления 4-20 миллиампер, в котором переменная процесса может быть представлена уровнем тока I контура, протекающего через двухпроводный контур 114 управления. Примерные протоколы цифровой связи включают в себя модуляцию цифровыми сигналами аналогового уровня тока двухпроводного контура 114 управления, например, в соответствии со стандартом связи HART®. Также могут быть использованы другие чисто цифровые методы, включая протоколы связи FieldBus и Profibus.

[0019] Примерные беспроводные версии контура управления процессом включают в себя, например, протокол беспроводной ячеистой сети, такой как WirelessHART® (IEC 62591) или ISA 100.11a (IEC 62734) или другой протокол беспроводной связи, такой как WiFi, LoRa, Sigfox, BLE или любой другой подходящий протокол.

[0020] Питание может подаваться на полевое устройство 102 от любого подходящего источника питания. Например, полевое устройство 102 может полностью питаться током I, протекающим через контур 114 управления. Один или более источников питания также могут быть использованы для питания полевого устройства 102, таких как внутренняя или внешняя батарея. Электрогенератор (например, солнечная панель, ветрогенератор и т.д.) также может быть использован для питания полевого устройства 102 или зарядки источника питания, используемого полевым устройством 102.

[0021] В некоторых вариантах осуществления, устройство 102 включает в себя контроллер 120, который может представлять один или более процессоров (т.е. микропроцессор, микроконтроллер, центральный процессор и т.д.), которые управляют компонентами устройства 102 для выполнения одной или более функций, описанных в данном документе, в ответ на исполнение инструкций, которые могут храниться локально в любом подходящем, представляющем пригодный для патентной защиты объект, считываемом компьютером носителе или памяти 122, что не включает в себя изменяемые во времени волны или сигналы, такой как жесткие диски, CD-ROM, оптические устройства хранения или магнитные устройства хранения. Процессоры контроллера 120 могут представлять собой компоненты одной или более компьютерных систем. В некоторых вариантах осуществления, контроллер 120 включает в себя одну или более схем управления, микропроцессорные системы управления двигателем, один или более программируемых аппаратных компонентов, таких как программируемая вентильная матрица (FPGA), которые используются для управления компонентами устройства 102 для выполнения одной или более функций, описанных в данном документе.

[0022] Пьезоэлектрический преобразователь 104 может быть использован для выполнения любой обычной функции, относящейся к полевым устройствам 102 промышленного процесса, такой как функция считывания, в которой пьезоэлектрический преобразователь 104 используется для измерения переменной процесса, относящейся к промышленному процессу, такой как переменная процесса, ассоциированная с технологической средой 106. Эта функция считывания может поддерживаться с использованием схемы 124 датчика, которая приводит в действие пьезоэлектрический преобразователь 104 в режиме считывания и генерирует сигнал 126 датчика, указывающий переменную процесса, на основе сигнала, выводимого из пьезоэлектрического преобразователя, такого как напряжение на выводах пьезоэлектрического преобразователя. Сигнал 126 датчика может обрабатываться контроллером 120 и передаваться на блок 110 управления или другое внешнее вычислительное устройство с использованием схемы 108 связи.

[0023] Как обсуждалось выше, пьезоэлектрические преобразователи могут деградировать и выходить из строя, что может привести к некорректным измерениям переменных процесса. Для обнаружения неисправного или вышедшего из строя пьезоэлектрического преобразователя, обычные полевые устройства требуют прямого тестирования полевого устройства техником, что может включать в себя транспортировку полевого устройства к установке тестирования. В результате, такие периодические тестирования полевых устройств могут быть затратными и приводить к значительному времени простоя.

[0024] Варианты осуществления настоящего раскрытия включают в себя схему 130 тестирования, которая используется для приведения в действие пьезоэлектрического преобразователя 104 в режиме тестирования, в котором один или более диагностических тестов могут быть выполнены на пьезоэлектрическом преобразователе 104 для определения, работает ли он должным образом. Схема 130 тестирования выводит диагностическую информацию 132, которая может быть использована контроллером 120 для определения текущего состояния пьезоэлектрического преобразователя и генерирования результата диагностического теста для пьезоэлектрического преобразователя 104. Результат диагностического теста может указывать, работает ли пьезоэлектрический преобразователь 104 надлежащим образом (например, в пределах нормального рабочего диапазона) или аномально. Контроллер также может передавать результат диагностического теста на блок 110 управления или другое внешнее вычислительное устройство, используя схему 108 связи в контуре управления процессом (например, по физическому или беспроводному каналу связи).

[0025] Фиг. 2 является блок-схемой последовательности операций, иллюстрирующей примерный способ для тестирования состояния пьезоэлектрического преобразователя 104 полевого устройства 102 промышленного процесса, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия. Варианты осуществления способа могут относиться к фиг. 3 и 4, которые являются упрощенными диаграммами схемы, содержащей примерную схему 124 датчика и примерную схему 130 тестирования, с пьезоэлектрическим преобразователем, соответственно работающим в режимах считывания и тестирования, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия.

[0026] На этапе 140 способа, пьезоэлектрический преобразователь 104 приводится в действие в режиме считывания (фиг. 3) с использованием схемы датчика 124 полевого устройства 102. В одном варианте осуществления, это включает в себя генерацию сигнала 126 датчика, который указывает переменную процесса на основе напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе 104, например, на выводах 142 и 144 пьезоэлектрического преобразователя 104.

[0027] В некоторых вариантах осуществления, когда пьезоэлектрический преобразователь 104 работает в режиме считывания, вывод 144 пьезоэлектрического преобразователя 104 соединен с электрическим заземлением 146, а вывод 142 соединен с усилителем 148 сигнала датчика схемы 124 датчика, как показано на фиг. 3. Усилитель 148 сигнала датчика может быть любым подходящим усилителем для использования с пьезоэлектрическими преобразователями, чтобы усиливать сигнал напряжения (сигнал датчика) на пьезоэлектрическом преобразователе 104, который указывает считываемую (измеряемую) переменную процесса. Например, усилитель 148 сигнала датчика может включать в себя схемы усиления сигнала, аналого-цифровые преобразователи и другие обычные компоненты для преобразования сигнала напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе 104 в форму, которая может использоваться микроконтроллером 150 или контроллером 120 для различения измерения переменной процесса. Когда микроконтроллер 150 отделен от контроллера 120 устройства 102, микроконтроллер 150 может передавать сигнал 126 датчика или значение, представленное таким образом, через подходящий компонент 152 ввода/вывода, как показано на фиг. 3. Таким образом, в одном примере работы пьезоэлектрического преобразователя 104 или устройства 102 в режиме считывания, пьезоэлектрический преобразователь 104 генерирует сигнал датчика на основании обнаруженной переменной процесса. Сигнал датчика может усиливаться усилителем 148 сигнала датчика и подаваться на микроконтроллер 150. Микроконтроллер 150 может выполнять дополнительную обработку сигнала 126 датчика и может передавать сигнал 126 датчика или соответствующее значение, указанное сигналом 126 датчика, на контроллер 120 устройства 102, как указано сигналом 126 датчика на фиг. 1. Контроллер 120 может затем передавать сигнал 126 датчика или значение, указанное сигналом 126 датчика, на блок 110 управления или другое внешнее вычислительное устройство.

[0028] На этапе 160 способа, пьезоэлектрический преобразователь 104 или устройство 102 приводится в действие в режиме тестирования (фиг. 4) с использованием схемы 130 тестирования полевого устройства 102. В некоторых вариантах осуществления, когда пьезоэлектрический преобразователь 104 приводится в действие в режиме тестирования, вывод 142 пьезоэлектрического преобразователя 104 соединен с генератором 162 импульсов схемы 130 тестирования, а вывод 144 соединен с узлом 164 схемы 130 тестирования, как показано на фиг. 4.

[0029] На этапе 166 способа, генератор 162 импульсов прикладывает импульс напряжения к пьезоэлектрическому преобразователю 104, например, в ответ на сигнал 163 от микроконтроллера 150. Импульс напряжения деформирует пьезоэлектрический преобразователь 104 и вынуждает пьезоэлектрический преобразователь 104 генерировать ответный сигнал, на этапе 168 способа.

[0030] Фиг. 5 представляет собой график напряжения по времени, иллюстрирующий примерный импульс 170 напряжения и соответствующий ответный сигнал 172 от пьезоэлектрического преобразователя 104, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия. Импульс 170 напряжения включает в себя напряжение 174 импульса, время 176 нарастания, время 178 спада и длительность 180 импульса.

[0031] Ответный сигнал 172, генерируемый пьезоэлектрическим преобразователем 104, может быть измерен с использованием любого подходящего метода. В некоторых вариантах осуществления, ток от пьезоэлектрического преобразователя 104 подается через эталонное сопротивление, и измеренный ответный сигнал 172 соответствует напряжению, генерируемому на эталонном сопротивлении 182 в ответ на ток. В одном примере, схема 130 тестирования включает в себя эталонное сопротивление 182 (фиг. 4), которое включено между узлом 164 и электрическим заземлением 146. Таким образом, ответный сигнал 172 соответствует напряжению на эталонном сопротивлении 182, такому как напряжение на узле 164 схемы 130 тестирования.

[0032] На этапе 184 способа, пиковое положительное напряжение 186 и пиковое отрицательное напряжение 188 (фиг. 5) ответного сигнала 172 фиксируются с использованием схемы 130 тестирования. В некоторых вариантах осуществления, пиковое положительное напряжение 186 ответного сигнала 172 дискретизируется в течение времени 176 нарастания импульса 170 напряжения, и пиковое отрицательное напряжение 188 ответного сигнала 172 дискретизируется в течение времени 178 спада импульса 170 напряжения, как показано на фиг. 5.

[0033] Схема 130 тестирования может включать в себя пиковый детектор 190 положительного напряжения и пиковый детектор 192 отрицательного напряжения, каждый из которых соединен с узлом 164 схемы 130 тестирования. Например, пиковый детектор 190 положительного напряжения может включать в себя диод 194 и конденсатор 196, который соединен с электрическим заземлением 146 и фиксирует пиковое положительное напряжение 186 ответного сигнала 172. Аналогично, пиковый детектор 192 отрицательного напряжения может включать в себя диод 198 и конденсатор 199, который соединен с электрическим заземлением 146 и фиксирует пиковое отрицательное напряжение 188 ответного сигнала 172 в узле 164.

[0034] В некоторых вариантах осуществления, схема 130 тестирования может включать в себя компоненты схемы 124 датчика. Например, схема 130 тестирования может использовать усилитель 148 сигнала датчика или его компоненты (например, аналого-цифровой преобразователь), чтобы сформировать детекторы 190 и 192 и фиксировать пиковые положительное и отрицательное напряжения 186, 188, например.

[0035] На этапе 200 способа, текущее значение состояния пьезоэлектрического преобразователя 104 вычисляется с использованием контроллера 120 устройства 102. В некоторых вариантах осуществления, текущее значение состояния пьезоэлектрического преобразователя 104 вычисляется на основе пикового положительного напряжения 186, пикового отрицательного напряжения 188 и импульсного напряжения 174. Контроллер 120 может сохранять детектированное пиковое положительное напряжение 186 и пиковое отрицательное напряжение 188 в памяти 122, как показано на фиг. 1. Импульсное напряжение 174 может быть заранее определено и сохранено в памяти 122.

[0036] В некоторых вариантах осуществления, контроллер 120 вычисляет текущее значение состояния пьезоэлектрического преобразователя 104 на основе отношения суммы абсолютных значений пикового положительного напряжения 186 и пикового отрицательного напряжения 188 (напряжение 202 на фиг. 5) и импульсного напряжения 174. Например, в одном варианте осуществления, текущее значение состояния вычисляется на основе импульсного напряжения 174, деленного на абсолютное значение суммы пикового положительного напряжения 186 и пикового отрицательного напряжения 188 или напряжения 202. Таким образом, когда импульсное напряжение составляет 10000 милливольт, а сумма абсолютных значений пикового положительного и отрицательного напряжений составляет 739 мВ, текущее значение состояния может быть вычислено как 10000/739 или 13,53.

[0037] В некоторых вариантах осуществления, схема 130 тестирования включает в себя инвертор 204 и сумматор 206. Инвертор 204 соединен с выходом пикового детектора 192 отрицательного напряжения и действует, чтобы инвертировать пиковое отрицательное напряжение 188, детектированное детектором 192. Сумматор 206 соединен с выходом пикового детектора 190 положительного напряжения и выходом из инвертора 204. Таким образом, сумматор выводит сумму (202) пикового положительного напряжения 186 и абсолютное значение пикового отрицательного напряжения 188 на микроконтроллер 150, как показано на фиг. 4. Схема 130 тестирования также может включать в себя аналого-цифровые преобразователи и другие компоненты, которые используются для обработки сигналов от детекторов 190, 192, инвертора 204 и/или сумматора 206 перед представлением суммы 202 напряжений на микроконтроллер 150.

[0038] Микроконтроллер 150 может быть использован для определения значения суммы 202 напряжений и вывода значения на контроллер 120 устройства 102 через компонент 152 ввода/вывода. Контроллер 120 может затем вычислять текущее значение состояния на основе отношения импульсного напряжения 174 к сумме 202 напряжений. Вычисленное текущее значение состояния может быть сохранено в памяти 122, как указано на этапе 208, и может представлять собой, например, запись в журнале 210 значений состояния.

[0039] Журнал 210 значений состояния также может включать в себя предварительно вычисленные текущие значения состояния для пьезоэлектрического преобразователя 104. Тренды в состоянии пьезоэлектрического преобразователя 104 могут отслеживаться с использованием значений состояния, сохраненных в журнале 210, и использоваться для обеспечения дополнительного диагностического анализа преобразователя 104.

[0040] На этапе 212 способа, контроллер 120 генерирует результат 214 диагностического теста для пьезоэлектрического преобразователя 104, который может быть сохранен в памяти 122, на основе текущего значения состояния и эталонного значения 216 состояния, которое также может быть сохранено в памяти 122, как показано на фиг. 1. Эталонное значение 216 состояния может быть вычислено таким же или аналогичным образом, как текущее значение состояния, и соответствует значению состояния пьезоэлектрического преобразователя, когда он работает надлежащим образом. Эталонное значение 216 состояния может быть основано на эмпирических исследованиях одного или более пьезоэлектрических преобразователей, которые подобны пьезоэлектрическому преобразователю 104 устройства 102, или на одном или более эмпирических исследованиях пьезоэлектрического преобразователя 104, выполненных во время изготовления пьезоэлектрического преобразователя 104 или устройства 102.

[0041] В некоторых вариантах осуществления этапа 212 способа, результат 214 диагностического теста генерируется на основе сравнения разности между вычисленным текущим значением 208 состояния и эталонным значением 216 состояния с пороговым значением 218, которое может быть извлечено контроллером 120 из памяти 122 устройства 102, как показано на фиг. 1. В некоторых вариантах осуществления, результат 214 диагностического теста указывает, что состояние пьезоэлектрического преобразователя 104 является аномальным, когда разность превышает пороговое значение 218.

[0042] Способ также может включать в себя этап передачи информации в блок 110 управления или другое внешнее вычислительное устройство с использованием схемы 108 связи. Информация может включать в себя, например, обнаруженное значение переменной процесса, указанное сигналом 126 датчика, результат 214 диагностического теста и/или другую информацию.

[0043] В некоторых вариантах осуществления, устройство 102 включает в себя переключатель 220 (фиг. 3 и 4) для переключения устройства 102 между режимами считывания и тестирования, например, в ответ на сигнал 222 от микроконтроллера 150. В некоторых вариантах осуществления, переключатель 220 сконфигурирован, чтобы соединять вывод 142 пьезоэлектрического преобразователя 104 со схемой 124 датчика (например, усилителем 148 сигнала датчика) и соединять вывод 144 пьезоэлектрического преобразователя 104 с электрическим заземлением 146 при нахождении в режиме считывания, как показано на фиг. 3. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления, переключатель 220 отсоединяет пьезоэлектрический преобразователь 104 от схемы 130 тестирования при нахождении в режиме считывания. Кроме того, переключатель 220 сконфигурирован, чтобы соединять вывод 142 пьезоэлектрического преобразователя 104 со схемой 130 тестирования (например, генератором 162 импульсов) и соединять вывод 144 пьезоэлектрического преобразователя 104 с узлом 164, эталонным сопротивлением 182, пиковым детектором 190 положительного напряжения и пиковым детектором 192 отрицательного напряжения при нахождении в режиме тестирования, как показано на фиг. 4. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления, переключатель 220 отсоединяет пьезоэлектрический преобразователь 104 от схемы 124 датчика при нахождении в режиме тестирования.

[0044] Одно примерное полевое устройство промышленного процесса, которое использует пьезоэлектрический датчик для обнаружения или измерения переменной промышленного процесса, представляет собой вихревой расходомер, пример которого проиллюстрирован на фиг. 6 и 7. На фиг. 6 показан упрощенный вид спереди примерного вихревого расходомера 230, а на фиг. 7 показан вид сверху в сечении вихревого расходомера 230 по фиг. 6, по существу, по линии 7-7, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия.

[0045] Вихревой расходомер 230 включает в себя пьезоэлектрический преобразователь для определения расхода флюидного потока 232 технологической среды (фиг. 7), проходящего через технологическую емкость 234, такую как, например, труба. Некоторые варианты осуществления вихревого расходомера 230 включают в себя корпус 236, вихреобразователь 238 и датчик 240 вихревой частоты. Корпус 236 включает в себя внутреннюю полость 242, такую как трубчатая внутренняя полость, имеющая центральную ось 244. Корпус 236 может быть соединен соосно с трубой 234 так, что центральная ось 244 является, по существу, коаксиальной центральной оси 246 трубы 234, как показано на фиг. 7.

[0046] Вихреобразователь 238 поддерживается корпусом 236 и проходит в трубчатую внутреннюю полость 242 вдоль оси 248, которая наклонена к центральной оси 244. В некоторых вариантах осуществления, вихреобразователь 238 имеет обычную форму поперечного сечения, которая сконфигурирована для образования завихрений 250 в ответ на флюидный поток 232, как показано на фиг. 7. В одном примерном варианте осуществления, вихреобразователь 238 имеет трапециевидную форму поперечного сечения, как показано на фиг. 7. Вихреобразователь 238 может проходить через центр трубчатой полости 242, так что ось 248 пересекает ось 244, как показано на фиг. 6. В некоторых вариантах осуществления, оба конца вихреобразователя 238 прикреплены к корпусу 236, как показано на фиг. 6. Альтернативно, вихреобразователь 238 может быть прикреплен к корпусу 236 только на одном из его концов.

[0047] Датчик 240 вихревой частоты поддерживается корпусом 236 на выпускной стороне 254 от вихреобразователя 238 относительно флюидного потока 232, как показано на фиг. 7. В некоторых вариантах осуществления, датчик 240 включает в себя поперечину (балку) 256, которая проходит от стенки 258 корпуса 236 в трубчатую внутреннюю полость 242, и пьезоэлектрический преобразователь 260, который показан пунктирными линиями на фиг. 6. Пьезоэлектрический преобразователь 260 используется для восприятия перемещения поперечины 256 в ответ на вихри 250, протекающие мимо поперечины 256. В частности, поперечина 256 колеблется в ответ на вихри 250, и пьезоэлектрический преобразователь 260 вырабатывает сигнал датчика (например, напряжение), указывающий колебательное движение поперечины 256 и, таким образом, частоту, с которой вихри 250 протекают мимо поперечины 256. Эта вихревая частота может быть использована для оценки расхода флюидного потока 232, в соответствии с традиционными способами.

[0048] Вихревой расходомер 230 также включает в себя варианты осуществления схемы 124 датчика и схемы 130 тестирования, описанных выше. Таким образом, вихревой расходомер 230 и пьезоэлектрический преобразователь 260 могут приводиться в действие в режиме считывания с использованием схемы 124 датчика, в соответствии с вариантами осуществления этапа 140 способа, описанного выше. Например, при нахождении в режиме считывания, контроллер 120 оценивает расход флюидного потока 232 на основе вихревой частоты, которую получают из сигнала датчика, выводимого от пьезоэлектрического преобразователя 260 (например, напряжения на выводах 142 и 144, показанных на фиг. 3). Контроллер 120 может сообщать расход в блок 110 управления или другое внешнее вычислительное устройство с использованием схемы 108 связи.

[0049] Вихревой расходомер 230 и пьезоэлектрический преобразователь 260 также могут приводиться в действие в режиме тестирования с использованием схемы 130 тестирования, в соответствии с вариантами осуществления этапа 160 способа, описанного выше. При нахождении в режиме тестирования, схема 130 тестирования прикладывает импульс 170 напряжения к пьезоэлектрическому преобразователю 260 (этап 166 способа), который генерирует ответный сигнал 172 (этап 168 способа), как описано выше со ссылкой на фиг. 5. Пиковое положительное напряжение 186 и пиковое отрицательное напряжение 188 ответного сигнала 172 фиксируются или дискретизируются (этап 184 способа). Контроллер 120 может вычислять текущее значение 208 состояния для пьезоэлектрического преобразователя 260 на основе пикового положительного напряжения 186, пикового отрицательного напряжения 188 и импульсного напряжения 174, как описано выше (этап 200 способа). Контроллер 120 также может генерировать результат 214 диагностического теста на основе сравнения текущего значения 208 состояния и эталонного значения 216 состояния, соответствующего правильно работающему пьезоэлектрическому преобразователю (этап 212 способа). Наконец, контроллер 120 может передавать результат 214 диагностического теста на внешнее вычислительное устройство, такое как блок 110 управления, в контуре управления технологическим процессом, который может принимать форму физического канала связи (например, двухпроводного контура 114) и/или линии беспроводной связи.

[0050] Хотя варианты осуществления настоящего раскрытия были описаны со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что изменения могут быть выполнены в форме и деталях без отклонения от сущности и объема настоящего раскрытия.

Изобретение относится к полевым устройствам промышленного процесса для определения расхода среды промышленного процесса, используемым в системах управления и мониторинга промышленного процесса. Полевое устройство промышленного процесса включает в себя пьезоэлектрический преобразователь, схему датчика, схему тестирования, контроллер и схему связи. Схема датчика генерирует сигнал датчика, указывающий переменную процесса на основе напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе. Схема тестирования сконфигурирована, чтобы прикладывать импульс напряжения, имеющий импульсное напряжение, к пьезоэлектрическому преобразователю, что индуцирует ответный сигнал, и фиксировать положительное и отрицательное напряжения ответного сигнала. Контроллер вычисляет текущее значение состояния пьезоэлектрического преобразователя на основе пикового положительного напряжения, пикового отрицательного напряжения и импульсного напряжения и формирует результат диагностического теста на основе сравнения текущего значения состояния с эталонным значением состояния, соответствующим правильно работающему пьезоэлектрическому преобразователю. Схема связи передает переменную процесса и результат диагностического теста на внешний блок управления в контуре управления процессом. Технический результат - обнаружение неисправного пьезоэлектрического преобразователя устройства непосредственно в процессе работы устройства без выведения полевого устройства из обслуживания и его транспортировки к оборудованию тестирования. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Полевое устройство промышленного процесса для определения расхода среды промышленного процесса, содержащее:

пьезоэлектрический преобразователь;

схему датчика, соединенную и сконфигурированную, чтобы приводить в действие пьезоэлектрический преобразователь в режиме считывания, в котором схема датчика генерирует сигнал датчика, указывающий переменную процесса на основе напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе;

схему тестирования, соединенную и сконфигурированную, чтобы приводить в действие пьезоэлектрический преобразователь в режиме тестирования, в котором схема тестирования:

прикладывает импульс напряжения, имеющий импульсное напряжение, к пьезоэлектрическому преобразователю, которое деформирует пьезоэлектрический преобразователь и индуцирует ответный сигнал от пьезоэлектрического преобразователя;

фиксирует пиковое положительное напряжение ответного сигнала; и

фиксирует пиковое отрицательное напряжение ответного сигнала;

контроллер, соединенный со схемой датчика и схемой тестирования и сконфигурированный, чтобы:

вычислять текущее значение состояния пьезоэлектрического преобразователя на основе пикового положительного напряжения, пикового отрицательного напряжения и импульсного напряжения; и

генерировать результат диагностического теста на основе сравнения текущего значения состояния с эталонным значением состояния, соответствующим правильно работающему пьезоэлектрическому преобразователю; и

схему связи, соединенную с контроллером и сконфигурированную, чтобы сообщать переменную процесса и результат диагностического теста на внешний блок управления в контуре управления процессом.

2. Устройство по п. 1, причем:

пиковое положительное напряжение ответного сигнала соответствует времени нарастания импульса напряжения; и

пиковое отрицательное напряжение ответного сигнала соответствует времени спада импульса напряжения.

3. Устройство по п. 1, причем схема тестирования содержит:

генератор импульсов, сконфигурированный, чтобы генерировать импульс напряжения;

эталонное сопротивление, через которое проходит ответный сигнал;

пиковый детектор положительного напряжения, сконфигурированный, чтобы фиксировать пиковое положительное напряжение на эталонном сопротивлении; и

пиковый детектор отрицательного напряжения, сконфигурированный, чтобы фиксировать пиковое отрицательное напряжение на эталонном сопротивлении.

4. Устройство по п. 3, причем текущее значение состояния вычисляется на основе отношения суммы абсолютных значений пиковых положительного и отрицательного напряжений и импульсного напряжения.

5. Устройство по п. 4, причем схема тестирования содержит:

инвертор, сконфигурированный, чтобы инвертировать пиковое отрицательное напряжение; и

сумматор, сконфигурированный, чтобы суммировать пиковое положительное напряжение с инвертированным пиковым отрицательным напряжением.

6. Устройство по п. 4, причем результат диагностического теста указывает, что состояние пьезоэлектрического преобразователя является аномальным, когда разность между текущим значением состояния и эталонным значением состояния превышает пороговое значение.

7. Устройство по п. 6, причем пороговое значение и эталонное значения состояния сохранены в считываемом компьютером носителе, доступ к которому осуществляется контроллером.

8. Устройство по п. 3, дополнительно содержащее переключатель, сконфигурированный, чтобы переключать устройство между режимами считывания и тестирования, при этом:

переключатель соединяет первый вывод пьезоэлектрического преобразователя со схемой датчика и соединяет второй вывод пьезоэлектрического преобразователя с электрическим заземлением при нахождении в режиме считывания; и

переключатель соединяет первый вывод пьезоэлектрического преобразователя с генератором импульсов и соединяет второй вывод пьезоэлектрического преобразователя с эталонным сопротивлением, пиковым детектором положительного напряжения и пиковым детектором отрицательного напряжения при нахождении в режиме тестирования.

9. Устройство по п. 1, причем переменная процесса промышленного процесса включает в себя расход технологической среды.

10. Способ тестирования состояния пьезоэлектрического преобразователя в полевом устройстве промышленного процесса для определения расхода среды промышленного процесса, причем способ содержит:

функционирование пьезоэлектрического преобразователя в режиме считывания с использованием схемы считывания полевого устройства, содержащее генерирование сигнала датчика, указывающего переменную процесса, на основе напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе;

функционирование пьезоэлектрического преобразователя в режиме тестирования с использованием схемы тестирования полевого устройства, включающее в себя:

приложение импульса напряжения, имеющего импульсное напряжение, к пьезоэлектрическому преобразователю, которое деформирует пьезоэлектрический преобразователь;

генерирование ответного сигнала от пьезоэлектрического преобразователя в ответ на импульс напряжения;

фиксацию пикового положительного напряжения ответного сигнала с использованием схемы тестирования; и

фиксацию пикового отрицательного напряжения ответного сигнала с использованием схемы тестирования;

генерирование результата диагностического теста для пьезоэлектрического преобразователя с использованием контроллера полевого устройства, содержащее:

вычисление текущего значения состояния пьезоэлектрического преобразователя на основе пикового положительного напряжения, пикового отрицательного напряжения и импульсного напряжения; и

генерирование результата диагностического теста на основе сравнения текущего значения состояния с эталонным значением состояния, соответствующим правильно работающему пьезоэлектрическому преобразователю; и

сообщение переменной промышленного процесса и результата диагностического теста на внешний блок управления в контуре управления процессом с использованием схемы связи полевого устройства.

11. Способ по п. 10, причем:

пиковое положительное напряжение ответного сигнала соответствует времени нарастания импульса напряжения; и

пиковое отрицательное напряжение ответного сигнала соответствует времени спада импульса напряжения.

12. Способ по п. 10, причем функционирование пьезоэлектрического преобразователя в режиме тестирования с использованием схемы тестирования содержит:

генерирование импульса напряжения с использованием генератора импульсов;

направление ответного сигнала через эталонное сопротивление;

фиксацию пикового положительного напряжения на эталонном сопротивлении с использованием пикового детектора положительного напряжения; и

фиксацию пикового отрицательного напряжения на эталонном сопротивлении с использованием пикового детектора отрицательного напряжения.

13. Способ по п. 12, причем вычисление текущего значения состояния пьезоэлектрического преобразователя содержит вычисление текущего значения состояния на основе отношения суммы абсолютных значений пиковых положительного и отрицательного напряжений и импульсного напряжения.

14. Способ по п. 13, причем функционирование пьезоэлектрического преобразователя в режиме тестирования с использованием схемы тестирования содержит:

инвертирование пикового отрицательного напряжения с использованием инвертора; и

суммирование пикового положительного напряжения с инвертированным пиковым отрицательным напряжением с использованием сумматора.

15. Способ по п. 13, причем:

генерирование результата диагностического теста для пьезоэлектрического преобразователя с использованием контроллера содержит сравнение разности между текущим значением состояния и эталонным значением состояния с пороговым значением; и

результат диагностического теста указывает, что состояние пьезоэлектрического преобразователя является аномальным, когда разность превышает пороговое значение.

16. Способ по п. 15, дополнительно содержащий получение порогового значения и эталонного значения состояния из считываемого компьютером носителя с использованием контроллера.

17. Способ по п. 12, дополнительно содержащий переключение между режимом считывания и режимом тестирования с использованием переключателя, содержащее:

соединение первого вывода пьезоэлектрического преобразователя со схемой тестирования и соединение второго вывода пьезоэлектрического преобразователя с электрическим заземлением при нахождении в режиме считывания; и

соединение первого вывода пьезоэлектрического преобразователя с генератором импульсов и соединение второго вывода пьезоэлектрического преобразователя с эталонным сопротивлением, пиковым детектором положительного напряжения и пиковым детектором отрицательного напряжения при нахождении в режиме тестирования.

18. Способ по п. 10, причем переменная процесса содержит расход технологической среды.

19. Вихревой расходомер, сконфигурированный для измерения расхода флюидного потока, содержащий:

корпус, включающий трубчатую внутреннюю полость;

вихреобразователь, поддерживаемый корпусом и проходящий в трубчатую внутреннюю полость;

датчик вихревой частоты, поддерживаемый корпусом на выпускной стороне вихреобразователя относительно флюидной среды и содержащий:

поперечину, проходящую от стенки трубчатой внутренней полости, выполненную с возможностью колебаний в ответ на завихрения, создаваемые вихреобразователем; и

пьезоэлектрический преобразователь;

схему датчика, соединенную и сконфигурированную для приведения в действие пьезоэлектрического преобразователя в режиме считывания, в котором схема датчика генерирует сигнал датчика, указывающий частоту колебательного движения поперечины на основе напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе;

схему тестирования, соединенную и сконфигурированную для приведения в действие пьезоэлектрического преобразователя в режиме тестирования, в котором схема тестирования:

прикладывает импульс напряжения, имеющий импульсное напряжение, к пьезоэлектрическому преобразователю, которое деформирует пьезоэлектрический преобразователь и индуцирует ответный сигнал от пьезоэлектрического преобразователя;

фиксирует пиковое положительное напряжение ответного сигнала; и

фиксирует пиковое отрицательное напряжение ответного сигнала;

контроллер, соединенный со схемой датчика и схемой тестирования и сконфигурированный, чтобы:

вычислять расход флюидного потока на основе сигнала датчика;

вычислять текущее значение состояния пьезоэлектрического преобразователя на основе пикового положительного напряжения, пикового отрицательного напряжения и импульсного напряжения; и

генерировать результат диагностического теста на основе сравнения текущего значения состояния с эталонным значением состояния, соответствующим правильно работающему пьезоэлектрическому преобразователю; и

схему связи, соединенную с контроллером и сконфигурированную, чтобы сообщать расход и результат диагностического теста на внешний блок управления в контуре управления процессом.

20. Вихревой расходомер по п. 19, причем:

схема тестирования содержит:

генератор импульсов, сконфигурированный, чтобы генерировать импульс напряжения;

эталонное сопротивление, через которое проходит ответный сигнал;

пиковый детектор положительного напряжения, сконфигурированный, чтобы фиксировать пиковое положительное напряжение на опорном сопротивлении;

пиковый детектор отрицательного напряжения, сконфигурированный, чтобы фиксировать пиковое отрицательное напряжение на опорном сопротивлении;

текущее значение состояния вычисляется на основе отношения суммы абсолютных значений пиковых положительного и отрицательного напряжений и импульсного напряжения; и

результат диагностического теста показывает, что состояние пьезоэлектрического преобразователя является аномальным, когда разность между текущим значением состояния и эталонным значением состояния превышает пороговое значение.