专利名称：：调节器流量测量装置的制作方法
技术领域：
：本发明一般涉及调节器，更具体地说，涉及用于测量调节器的工作参数以及计算流量的装置和方法。
背景技术：
：在工业过程例如油气管道系统、化学过程等的流体控制中，往往需要降低并且控制流体的压力。通常使用调节器对通过调节器的可调流量进行限制来完成这些任务。该调节器在给定用途中的作用在于控制压力、流率或其它过程变量，但是这种限制伴随着其流量控制功能而固有地产生压力降低的负作用。例如，一种使用调节器的特定用途是天然气的分配和输送。天然气分配系统通常包括从天然气田延伸至一或多个用户的管道网络。为了输送大量天然气，将天然气压缩至高压。在天然气接近分配管网以及最终接近用户时，在减压站处使天然气压力降低。减压站通常使用调节器来降低天然气压力。一些这样的减压站位于分配系统中的运输监护点处或附近。例如，使用调节器来降低天然气压力的减压站可以位于消费者例如住宅、商业或工业终端用户等位置处。流量测量的精度在这些运输监护点处是重要的，并且通常通过使用一或多个流量计来进行流量测量。但是，流量计的构建、安装和维护费用昂贵，并且用于在没有另外花费流量计的情况下提供准确流量测量的其它手段将是有利的。与上面关于天然气分配所述的那些问题类似的测量问题在其它调节器用途中也存在(即，工业过程、化学过程等，包括涉及气流及其它类型的液体和/或气体的用途)。
发明内容本发明提供一种用于校准设置在流体流动通道中的压力调节器的装置。该压力调节器包括可在该流动通道中移动的节流元件。该装置包括与该节流元件的上游流体连通、用于测量上游压力的第一压力传感器；与该节流元件的下游流体连通、用于测量下游压力的第二压力传感器；用于确定节流元件位置的行程传感器；设置在该节流元件的下游的流量计；与该第一压力传感器、第二压力传感器、行程传感器和流量计相关联的处理器。该处理器具有用来确定杆位置系数校正的存储程序(storedprogram)。本发明还提供一种校准设置在流体流动通道中的压力调节器的方法。该压力调节器包括可在该流动通道中移动的节流元件和设置在该节流元件下游的临时流量计。该方法包括以下步骤通过测量该节流元件上游的流体压力产生上游压力值P1；通过测量该节流元件下游的流体压力产生下游压力值P2；通过确定该节流元件的位置产生行程值Y；根据上游压力值P1、下游压力值P2和行程值Y计算流体流量值Fc；从流量计读取测量的流体流量值Fm；以及根据行程值Y产生阀定大小(sizing)校正。在所附权利要求中具体给出了本发明的被认为具有新颖性的特征。通过参照结合附图给出的以下说明，可以最清楚地理解本发明，在这些附图中相同的参考标号在这几幅图中表示相同的元件，其中图1为显示具有根据本发明的流量测量装置的调节器的示意图；图2为含有流量测量装置的调节器的另一实施例的示意图；图3为调节器流量测量装置的透视图；图4为根据本发明教导的调节器流量测量装置的剖面的侧视图；图5为示意性地说明校准系统和方法的流程图；并且图6为示意性地说明温度测量校准系统和方法的流程图。具体实施例方式图1显示根据本发明的流体压力调节器例如气体压力调节器10的优选实施例。所示的气体压力调节器10包括如后面将描述的气体流量测量装置，其中使用上游压力、下游压力和管孔开口测量值来计算流量和其它信息。应该理解，根据本发明的原理，还可以提供一种液体或气流压力调节器，因为所示的气体压力调节器仅是根据本发明的流体压力调节器的一个实例。在图1中所示的调节器包括调节器主体12、隔膜外壳14和上壳体16。在调节器主体12内，设有用于与上游管道连接的入口18和用于与下游管道连接的出口20。调节器主体中的管孔22在入口18和出口20之间建立连通。隔膜26安装在隔膜外壳14内，并将隔膜外壳14分成上下部分14a、14b。压力弹簧28可以安装在隔膜26的中央部分上，并且可以设置在隔膜外壳14b的下部中，以沿向上方向偏压隔膜26。杆30可以连接到隔膜26上并且与之一起运动。节流元件例如阀盘32可以安装在杆30的底端上并且设置在管孔22下面。阀盘32可以被设置成完全挡住管孔22，由此切断从入口18到出口20的连通。因此，应该理解，压力弹簧28可以沿向上方向偏压阀盘32以关闭管孔22(即“应急关闭”布置)，或者可选的是，可以将压力弹簧28构造成沿向下方向偏压阀盘32以打开管孔22(即“应急打开”布置)。阀盘32可以形成有变化的横断面，从而在阀盘32向下移动时，管孔22的未受阻挡(或打开)区域逐渐增大。因此，该管孔22的打开区域直接与阀盘32的位置相关。可以控制隔膜外壳14的上部14a中的气体压力，以使阀盘32在关闭和打开位置之间运动。上部14a中的压力可以按照许多不同的方式提供。在本实施例中，通过加载控制器(未示出)来控制上部14a中的压力。但是，在不背离本发明范围的情况下，调节器10可以是使用不同类型的操作装置例如卸载控制器这样类型的调节器，或者调节器10可以自动的或压力加载的，或者可以是直接操作的调节器。用于控制隔膜外壳14的上部14a中的气体压力的另一可选方案，包括从上游管线延伸至隔膜外壳14的上部14a的第一管，并且具有控制通过其中的气体流量的第一螺线管。还可以设有第二管，该第二管从隔膜外壳14的上部14a延伸至下游管道，并且具有设置在其中以控制通过其中流量的第二螺线管。可以将个人计算机连接在第一和第二螺线管上以控制其操作。为增大隔膜外壳14的上部14a中的压力，可以打开第一螺线管以让上游压力进入上部，由此向下驱动隔膜26以打开管孔22。气体可以通过第二螺线管排出，由此降低在上部14a中的压力，然后使隔膜26上升，由此关闭管孔22。与提供和控制压力的方式无关，应该理解，压力增大使隔膜26和所连接的阀盘32向下运动以打开管孔22，而压力降低则关闭管孔22。该布置只是以实施例的方式给出，而不是对本发明的范围进行限制，也可以采用本领域所公知的其它布置，例如使用直接操作调节器。根据本发明的某些方面，可以将压力传感器设置在节流元件的上游和下游以测量上游和下游压力水平P1、P2。如图1所示，第一和第二压力传感器34、35可以安装在上壳体16上。管36可以从第一压力传感器34延伸，以接进位于调节器入口18上游的管道中。另一根管37可以从第二压力传感器35延伸，以接进位于调节器出口20下游的管道中。因此，虽然第一和第二压力传感器34、35可以安装在上壳体16上，但是管36、37使上游和下游气体压力分别与第一和第二压力传感器34、35连通。在可选方案中，第一和第二压力传感器34、35可以直接设置在上游和下游管道中，并且接线从压力传感器延伸至上壳体16。如果需要，为提供温度校正，将过程流体温度变送器48设在上游管道中，以便测量过程温度。上壳体16还包括用于确定阀盘位置的传感器。根据所示的实施例，杆30连接在该阀盘32上，并与隔膜26连接。优选为杆30的延伸部分的行程传感器40可以从隔膜延伸，并且进入上壳体16，以使行程传感器40的位置与阀盘32的位置对应。因此，该传感器可以包括电磁行程传感机构，优选为霍尔效应传感器。该霍尔效应传感器包括可以安装在行程传感器40的上端的霍尔效应磁铁42。可以将磁铁传感器44设置在上壳体16内部，以便感测霍尔效应磁铁42的位置。通过检测磁铁42的位置，从而可以确定阀盘32的位置以及管孔22的打开面积。可以将第二行程传感器(未示出)与行程传感器40相连接，以提供阀盘行程的视觉指示。该第二行程传感器可以从行程传感器40向上延伸，并且穿过上壳体16以在上壳体16的顶面上方延伸。用于测量阀盘32行程的可选方案是使用雷达收发机(未示出)，它可以设置在上壳体16中行程传感器40的上方。该雷达收发机检测行程传感器40的位置并且发送表示阀盘位置的信号。应该理解，除了上述磁铁42和传感器44实施例之外，还可以用许多不同方式来确定阀盘32的位置。例如，可以将激光传感器(未示出)设置在上壳体16中以测量行程传感器40的位置，或者设置在隔膜外壳14中，以便直接测量隔膜26一部分的位置。当激光传感器处于后一位置时，就不需要行程传感器40。另外，可以使用超声波传感器来确定阀盘位置。图2中所示的另一可选方案是测量隔膜外壳14a的上部中的加载压力(loadingpressure)，以推断阀盘位置。应该理解，阀盘32的位置随着隔膜外壳上部14a中呈现的压力而变化。在该实施例中，在上壳体16中设有加载压力传感器46，用来测量在隔膜外壳14a上部的压力。然后可以使用所测量的加载压力来确定阀盘位置。回到图1的实施例，第一和第二压力传感器34、35以及行程传感器44提供送入到电子流量模块50中的输出信号。如图1所示，电子流量模块50可以与调节器一体地设置在例如上壳体16中，或者可以远程设置。可以使用入口压力、出口压力和阀盘位置来确定通过调节器10的可变管孔的流量。对于亚临界的气流而言，采用以下算法来计算流率(flowrate)F=K1G*T*K2*Y*P1*sinK3P1-P2P1,]]>其中F＝流率，K1＝绝对温度常数，G＝流动介质的比重，T＝流动介质的绝对温度，K2＝杆位置系数，Y＝杆位置，P1＝绝对上游压力，K3＝调整件形状(trimshape)系数，和P2＝绝对下游压力。杆位置和调整件形状系数K2、K3是特定尺寸和类型的调节器所特有的，并且主要取决于特定的实际尺寸和形状。本领域技术人员应该理解，K2和Y的乘积相当于传统的流量定大小系数。上面的算法适用于计算通过线性的金属调整阀类型调节器的亚临界(即，P1-P2＜0.5P1)气体流率。对于临界气流而言，通过消除正弦函数来改变该计算。对于其它类型的调节器例如非线性金属调整件和弹性体式调节器，可以采用类似的算法，但是如本领域所公知的那样，杆位置系数K2变为与压降ΔP(即，上游和下游压力P1、P2的差值)和/或阀杆位置相关的函数。对于液流，该等式变为F=K1G*T*K2*Y*P1-P2,]]>其中F＝流率，K1＝绝对温度常数，G＝流动介质的比重，T＝流动介质的绝对温度，K2＝杆位置系数，Y＝杆位置，P1＝绝对上游压力，P2＝绝对下游压力，图2的实施例中采用了类似的计算，它测量隔膜外壳14a的上部中的加载压力以推断阀盘行程，除了用加载压力常数K4和标准加载压力PL代替杆位置系数K2和杆位置Y数值。加载压力常数K4也是用途所特有的，并且必须针对每种调节器10确定。对于非线性弹性体节流构件而言，加载压力常数K4为ΔP和PL的函数。本领域技术人员当然可以认识到，可以采用其它计算式来计算气流、液体和/或气体的流动特性。在优选实施例中，在上壳体16内还设有局部流量观察模块52。该局部流量观察模块52可以包括用来提供总计流量信息的电子流量累加器。该局部流量观察模块52还具有输出端口，该输出端口允许通过便携式通信设备获取总计流量，并且将该局部流量累加器重置以便将来使用。在当前优选实施例中，局部流量观察模块52包括封装在上壳体16内的LCD读出装置。安装在上壳体16顶部上的顶盖17可以具有透明塑料窗口，以允许观看LCD度数。通信模块54将流量数据传送给辅助通信设备55例如远程终端单元(RTU)、个人计算机或任意其它能够询问调节器控件的装置。通信模块54可以包括用于将流量信息发送给远程仪表读取系统(未示出)。还可以设置电源模块56，用来给流量测量机构供能。该电源模块56可以为整个设备提供规定电压，并且可以由任意公知的能源例如太阳能、电池和DC或AC电源提供。应该理解，如图1所示，电子流量模块50、局部流量观察模块52、通信模块54和电源模块56可以分离地设置，或者可以设置在位于上壳体16内的单块主电路板上。使用分离的流量计58可以迅速容易地校准所计算的通过调节器10的流率。将可以是涡轮式或其它形式流量计的流量计58暂时插入下游管线中以测量实际流体流量。该流量计58可以为辅助通信设备55(RTU、个人计算机等)或者直接给主电路板提供反馈。可以根据所观察到的流动状况使用该反馈来产生误差函数，然后将该误差函数结合到由调节器10进行的流量计算中，由此提供更精确的流量数据。图3显示调节器流量测量和诊断装置的当前优选实施例，该装置一般由参考标号100表示。如图3所示，该装置100包括圆柱体101，其第一端部102被连接在调节器(未示出)上。与前面实施方案一样，该调节器被设置在具有上游部分和下游部分的流体流动通道中。圆柱体101包围着行程指示器103(图4)，它与调节器中的隔膜(未示出)相连接。根据所示实施例，可以使用霍尔效应传感器来检测行程传感器103的位置。行程指示器103的一部分104可以由具有极靴的磁性材料形成。霍尔元件105(图4)可以设置成用来检测磁性材料部分104，并根据行程指示器103的位置产生位置信号。外壳106可以安装在圆柱体102上，并且可以具有第一压力口107、第二压力口108、辅助压力口109和辅助口110(图3)。第一压力传感器组件111可以插入第一压力口107内，并且用管(未示出)可以将组件111连接到流动通道的上游部分上。第二压力传感器组件114可以插入第二压力口108内，并且用管(未示出)可以将第二组件114连接到流动通道的下游部分上。第三压力传感器组件115可以插入辅助压力口109中，用来在第三压力点处进行测量。如上面针对前面实施例所更详细描述的那样，第三压力传感器115可以用来测量在各种位置处包括流动通道中或调节器中的压力，以推断阀塞行程。在优选实施例中，可以提供用来测量大气压的第四压力口117。提供辅助口110是用来接收来自另一装置例如图1中所示的温度变送器48的离散或模拟输入。另外，提供连接到外部设备的I/O端口112，如在下面更详细地描述的那样。在外壳105内可以设有多块电路板120a-e，用来控制装置100的各种操作。在所示的实施例中，第一(或主)电路板120a可以包括用于第一、第二、第三传感器以及大气压传感器的接口，以及用于霍尔效应传感器105的接头。第二(或通信)电路板120b可以提供用于与外部设备通信的接口。第二电路板120b可以包括用于有线传输的接口，例如调制解调卡、RF232通信驱动器和CDPD调制解调器。另外或可选的是，可以提供收发器来进行无线通信。第三(或主)电路板120c优选包括处理器、存储器、实时时钟和用于两个通信信道的通信驱动器。处理器可以包括尤其是上述用于计算流率的算法中的一个或多个，而存储器可以存储所选参数，例如每天的高压和低压。任选的第四电路板120d可以提供用于辅助通信设备55的接口。还可以提供第五(或终端)电路板120e，它具有电源调节器、现场终端(用于与I/O设备连接)、备用电源和可以将其它电路板120a-d插入到其中的接头。虽然在所示实施例显示五块电路板120a-e，但是应该理解，在没有脱离本发明范围的情况下可以采用单块电路板、五块以下的电路板或五块以上的电路板。因此应该理解，在设备100和外部设备之间的通信可以通过RF调制解调器、以太网或任意其它合适的通信链路来进行。处理器使得外部设备能够将例如所要求的压力设定点和报警情况等信息输入到设备100中，并且取出存储在存储器中的数据。所取出的数据可以包括报警日志和所存储的操作参数。例如，所取出的信息可以包括定期存储在存储器中的上游和下游压力的历史，从而使设备100提供压力记录器的功能。如上所述，可以使用单独的流量计58来迅速且方便地校准通过调节器10计算的流率。例如，可以使用图5的流程图中所示的过程产生K2校正表，其中K2为杆位置系数。参照图5，在方框214，使用隔膜26使阀盘32(图1和图2)、霍尔效应磁铁42和磁铁传感器44(图1)或加载压力传感器46(图2)移动，以精确地定位阀盘32，从而可以使阀盘32设在1％打开位置。然后如方框216所示，辅助通信设备55可以确定分别由第一和第二压力传感器34、35提供的上游和下游压力水平P1、P2。接着，如方框218所示，可以确定所计算的流率。可以通过存取K2对阀盘行程的算法(例如存储在存储器中的查找表格(lookuptable)或等式，从而在提供阀盘行程输入时提供K2的输出)来确定所计算的流率。接着，流量校正器(可以采取软件、硬件、防火墙或将它们任意组合的形式驻留在辅助通信设备55中)，读出所计算的流率(方框220)，读出由流量计58测量的流率(方框222)，并且产生与阀盘32的位置对应的K2校正因数(方框224)。如果确定阀盘32没有处于完全打开(100％)位置(方框226)，则在方框228，以另一个1％增量使阀盘32朝着完全打开位置移动。接着，用连续的阀盘行程增量(例如，以1％的增量从2％到100％)重复方框216至226的过程，并且可以创建K2校正因数对阀盘行程增量的查找表格(或者，必要的话，可以使用适当的曲线拟合算法来确定作为阀盘行程的函数的、用来确定K2校正因数的等式)。当然，如果要求更高的精度，则可以采用小于1％的更小阀盘位置增量，并且如果要求更差的精度，则可以采用更大的阀盘位置增量。另外，为了获得甚至更精确的流率数据，如图6所示，可以进行温度变送器48的校准。参照图6，在方框230，使气体压力调节器的温度稳定在最低的实际工作温度。接着，在方框232，通过温度变送器48提供所指示的温度。例如在方框234，通过用所指示的(绝对)温度除以实际工作(绝对)温度，计算温度校正因数。接着，在方框236，使气体压力调节器10的温度稳定在递增更高的工作温度(增量例如可以为1K，或者根据要求为更高或更低的增量)，使用判定方框238来确定是否已经超过最高工作温度。然后重复方框230至238的步骤。因此可以创建温度校正因数对指示温度的查找表格。上面详细说明只是用于清楚理解，而不应该从中理解为任何不必要的限制，因为本领域技术人员很容易想到有许多修改。权利要求1.一种用于校准设置在流体流动通道中的压力调节器的装置，该压力调节器具有可在该流动通道中移动的节流元件；该装置包括与该节流元件的上游流体连通、用于测量上游压力的第一压力传感器；与该节流元件的下游流体连通、用于测量下游压力的第二压力传感器；用于确定节流元件位置的行程传感器；设置在该节流元件的下游的流量计；与该第一压力传感器、第二压力传感器、行程传感器和流量计相关联的处理器，该处理器具有用来根据该上游压力、下游压力和节流元件位置确定杆位置系数校正的存储程序。2.如权利要求1所述的装置，其中该杆位置系数校正包括对多个节流元件位置的多个杆位置系数校正因数的计算。3.如权利要求2所述的装置，其中所述杆位置系数校正因数被存储在查找表格中。4.如权利要求1所述的装置，还包括温度变送器，其中该处理器包括用于校正温度变送器的存储程序。5.如权利要求1所述的装置，其中该流量计被暂时安装在该节流元件的下游。6.一种校准设置在流体流动通道中的压力调节器的方法，该压力调节器具有可在该流动通道中移动的节流元件和设置在该节流元件下游的临时流量计，该方法包括以下步骤通过测量节流元件上游的流体压力产生上游压力值P1；通过测量节流元件下游的流体压力产生下游压力值P2；通过确定该节流元件的位置产生行程值Y；根据上游压力值P1、下游压力值P2和行程值Y计算流体流量值Fc；从流量计读取测量的流体流量值Fm；以及根据行程值Y产生杆位置系数校正。7.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤稳定压力调节器内的流体温度；读取所指示的流体温度；以及计算温度校正因数。全文摘要本发明公开了一种用于确定通过压力调节器(10)的流体流量的方法和装置。该压力调节器设置在流体流动通道中，并且具有可在流动通道中移动的节流元件(32)。杆(30)连接在节流元件上。该装置包括用于测量该节流元件上游压力的第一压力传感器(34)、用于测量该节流元件下游压力的第二压力传感器(35)以及用于检测该节流元件位置的行程传感器(40)。提供有处理器(50)，它包括一存储算法，该算法用于根据所测量的压力和行程数值确定流率，并且使用设置在节流元件下游的瞬时流量计(58)校准该压力调节器。本发明还提供一种用于校准与该压力调节器相关联的温度变送器(48)的系统和方法。文档编号G01F1/38GK1754136SQ200380109944公开日2006年3月29日申请日期2003年12月23日优先权日2003年2月24日发明者布鲁斯·弗雷德里克·格鲁姆斯屈普,保罗·罗伯特·亚当斯申请人:费希尔控制产品国际有限公司