專(zhuān)利名稱(chēng)：具有診斷的過(guò)程變量變送器的制作方法
具有診斷的過(guò)程變量變送器背景技術(shù)過(guò)程變量變送器用于工業(yè)過(guò)程環(huán)境并耦合到過(guò)程流體，而且提供 關(guān)于過(guò)程的測(cè)量。過(guò)程變量變送器能夠被配置以監(jiān)控與加工廠中的流體 相關(guān)的一個(gè)或更多個(gè)過(guò)程變量，諸如化學(xué)、紙漿、石油、醫(yī)藥品、食品 和其它流體處理工廠中的泥漿、液體、蒸汽、氣體。被監(jiān)控的過(guò)程變量可以是流體的壓力、溫度、流量、水平、pH、傳導(dǎo)率、濁度、濃度、密 度、化學(xué)組成或其它屬性。取決于加工廠的安裝需要，過(guò)程變量變送器 包括能夠包括變送器內(nèi)部或外部的一個(gè)或更多個(gè)傳感器。過(guò)程變量變送 器產(chǎn)生表示所感測(cè)的過(guò)程變量的一個(gè)或更多個(gè)變送器輸出。變送器輸出 被配置為經(jīng)由通信總線242長(zhǎng)距離地傳輸?shù)娇刂破骰蛑甘酒?。在典?的流體加工廠中，通信總線242可以是為變送器供電的4-20 mA電流 環(huán)路，或是面向控制器、控制系統(tǒng)或讀出裝置的現(xiàn)場(chǎng)總線連接、HART 協(xié)議通信或光纖連接。在由2線環(huán)路供電的變送器中，電力必須保持 較低以提供在爆燃性空氣中的固有安全性。一種類(lèi)型的過(guò)程變量變送器被稱(chēng)作壓力變送器。典型地，壓力變 送器將通過(guò)導(dǎo)壓管線(impulse line)耦合到過(guò)程流體。如果導(dǎo)壓管線 的一條或兩條發(fā)生阻塞，則壓力變送器的操作容易發(fā)生惡化。拆卸和檢查導(dǎo)壓管線是一種用于檢測(cè)和糾正管線阻塞的方法。另 一種用于檢測(cè)阻塞的已知方法是周期地將"檢驗(yàn)脈沖"加到來(lái)自壓力變 送器的測(cè)量信號(hào)。這個(gè)檢驗(yàn)脈沖導(dǎo)致與變送器相連的控制系統(tǒng)干擾流。 如果壓力變送器未能精確感測(cè)流干擾，則產(chǎn)生指示管線阻塞的報(bào)警信 號(hào)。另一用于檢測(cè)阻塞的已知方法是感測(cè)靜壓和差壓。如果靜壓和差壓 的擺動(dòng)之間的相關(guān)性不足，則產(chǎn)生指示管線阻塞的報(bào)警信號(hào)。另一用于 檢測(cè)管線阻塞的已知方法是感測(cè)靜壓，并使它們經(jīng)過(guò)高通和低通濾波 器。把從濾波器獲得的噪聲信號(hào)與閥值進(jìn)行比較，并且如果噪聲變化小于閥值，則報(bào)警信號(hào)指示線路被阻塞。這些已知方法使用了會(huì)增加設(shè)備復(fù)雜性并減小設(shè)備可靠性的技 術(shù)。此外，雖然這些方法有時(shí)能夠檢測(cè)阻塞的導(dǎo)壓管線，但它們通常無(wú) 法檢測(cè)沉積物何時(shí)開(kāi)始在導(dǎo)壓管線內(nèi)集中但還不致阻塞導(dǎo)壓管線。因 此，即使壓力變送器感測(cè)壓力的能力在一定程度上被折衷，操作仍可能 繼續(xù)。因此，存在對(duì)提供更多預(yù)測(cè)性、更少反應(yīng)性維護(hù)以減小成本或提 高可靠性的更好的診斷技術(shù)的需要。發(fā)明內(nèi)容提供了一種具有診斷的過(guò)程變量變送器，基于過(guò)程變量傳感器信號(hào)的功率譜密度(PSD)分析。在一個(gè)實(shí)施例中，所述過(guò)程變量變送器 是壓力變送器，并且所述診斷用于診斷導(dǎo)壓管線的阻塞或即將發(fā)生的阻 塞。其他的診斷也是有用的，例如診斷主元件的惡化。對(duì)所述傳感器信 號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并且把數(shù)字化后的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域。檢查傳感器信號(hào)的 頻率處的功率，以提供增強(qiáng)的診斷。在一個(gè)方面，直接利用傳感器PSD 數(shù)據(jù)產(chǎn)生診斷。在另一方面，PSD分析用于調(diào)諧濾波器，以增強(qiáng)傳統(tǒng)的 診斷算法。


圖1是診斷壓力變送器的典型流體處理環(huán)境的圖示。 圖2是用于診斷其導(dǎo)壓管線和/或主元件的情況的流體流量計(jì)中的 差壓變送器的實(shí)施例的圖示。圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的提供診斷的流體流量計(jì)的框圖。 圖4-6是示出指示導(dǎo)壓管線阻塞的傳感器數(shù)據(jù)的PSD分析的曲線圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于訓(xùn)練過(guò)程變量變送器基于PSD的 診斷的方法的流程圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于PSD分析來(lái)選擇數(shù)字濾波器的特 性的方法的流程圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的執(zhí)行基于PSD的診斷的方法的流程圖。圖10是過(guò)程變量信號(hào)的幅度與頻率和時(shí)間的關(guān)系的曲線圖。 圖11是離散小波變換的框圖。圖12是示出從離散小波變換輸出的信號(hào)的曲線圖。
具體實(shí)施方式
通常，本發(fā)明的實(shí)施例執(zhí)行頻譜分析以產(chǎn)生關(guān)于過(guò)程變量變送器 的診斷信息。這種分析被描述為在過(guò)程變量變送器內(nèi)的微處理器系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生，但能夠由任何適合的處理系統(tǒng)執(zhí)行。該處理系統(tǒng)88能夠執(zhí)行小 波變換、離散小波變換、傅立葉變換，或使用其它技術(shù)以確定傳感器信 號(hào)的頻譜。通過(guò)監(jiān)控這個(gè)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)隨時(shí)間的變化來(lái)確定分布的頻率 處的功率。其一個(gè)實(shí)例是功率譜密度(PSD)。功率譜密度可被定義為時(shí) 間序列的功率(或方差)，并能夠被描述為時(shí)間序列的功率(或方差) 如何隨頻率而分布。例如，這能夠被定義為時(shí)間序列的自相關(guān)序列的傅 立葉變換。功率譜密度的另一定義是由適合的常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行定標(biāo) (scale)的時(shí)間序列的傅立葉變換的平方模(squared modulus)。 在圖1中，在220處示出了用于診斷流或壓力測(cè)量的典型環(huán) 境。諸如流量計(jì)230、罐236上的水平(壓力)變送器232和234 、 整體式管口流量計(jì)238的過(guò)程變量變送器被示出為與控制系統(tǒng)240相 連。在圖1中，整體式管口流量計(jì)238設(shè)有診斷輸出，該輸出沿著與 之相連的通信總線242而耦合?？刂葡到y(tǒng)240能夠被編制為向操作員 顯示診斷輸出，或能夠被編制為當(dāng)存在來(lái)自流量計(jì)238的診斷警告時(shí) 更改其操作。控制系統(tǒng)240控制諸如控制閥244、泵電機(jī)或其它控制 設(shè)備的輸出設(shè)備的操作。在圖2中，大體示出了根據(jù)本發(fā)明的典型診斷變送器82的分解圖。變送器82包括用于承受差壓的凸緣83;差壓傳感器31;電子裝置，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器84、微處理器系統(tǒng)88、數(shù)模轉(zhuǎn)換器96以及數(shù)字 通信電路100。變送器82被擰到凸緣適配器87。在這里顯示的實(shí)施 例中，傳感器31能夠包括絕對(duì)壓力傳感器、計(jì)量(gage)傳感器、差壓傳感器或其它類(lèi)型的壓力傳感器。本發(fā)明的實(shí)施例可用于許多應(yīng)用 中，但在過(guò)程設(shè)備經(jīng)由導(dǎo)壓管道耦合到過(guò)程的情況下尤其有利。微處理器88被編程有診斷算法，這將在下面更詳細(xì)的說(shuō)明。凸緣適配器87 連接到導(dǎo)壓管道，而導(dǎo)壓管道又連接到主要的流元件周?chē)牧?未在圖 2中示出)。圖2中變送器82的布置在圖3中進(jìn)行了更詳細(xì)的說(shuō)明。圖3是示出適合感測(cè)管24中的流體流22的流體流量計(jì)60的 框圖。流體流量計(jì)60包括壓力發(fā)生器26，壓力發(fā)生器26包括主元 件28和導(dǎo)壓管線30，導(dǎo)壓管線30將圍繞主元件28的流體流中產(chǎn) 生的壓力耦合到壓力變送器82中的差壓傳感器31。在本申請(qǐng)中使用 的術(shù)語(yǔ)"壓力發(fā)生器"是指主元件(例如，管孔盤(pán)、空速管平均空速管 管道系統(tǒng)、噴嘴、文氏管、梭口桿(shedding bar)、管中的彎曲或適 于引起流中的壓降的其它流間斷)和把來(lái)自主元件附近位置的壓降耦合 到流管之外的位置的導(dǎo)壓管或?qū)和?。在面向所連接的壓力變送器 82的流管之外的位置處，由這個(gè)所定義的"壓力發(fā)生器"表示的該壓 力的頻譜特性會(huì)受到主元件的情況以及導(dǎo)壓管的情況的影響。所連接的 壓力變送器82可以是自包含單元，或它能夠根據(jù)需要與遠(yuǎn)程密封 (remote seal)相適合以適于應(yīng)用。壓力變送器82 (或其遠(yuǎn)程密 封)上的凸緣83耦合到導(dǎo)壓管線30上的凸緣適配器87 ，以完成壓 力的連接。壓力變送器82經(jīng)由導(dǎo)壓管線30耦合到主流元件28以感測(cè) 流。壓力變送器82包括差壓傳感器31，差壓傳感器31適于經(jīng)由凸 緣裝置耦合到導(dǎo)壓管線30。模數(shù)轉(zhuǎn)換器84耦合到壓力傳感器31，并 產(chǎn)生所感測(cè)的壓力的一系列數(shù)字表示。流電路34使用這些數(shù)字表示來(lái) 以計(jì)算流，并提供沿管線36的流指示。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是已知的Sigma-Delta轉(zhuǎn) 換器，其提供每秒22次的轉(zhuǎn)換。在這個(gè)實(shí)施例中，過(guò)程變量的每個(gè)轉(zhuǎn) 換后的數(shù)字表示成為用于功率譜密度(PSD)分析的數(shù)據(jù)點(diǎn)。優(yōu)選地， 把32點(diǎn)快速傅立葉變換(FFT)應(yīng)用于數(shù)字過(guò)程數(shù)據(jù)點(diǎn)，以產(chǎn)生PSD 信息。由于使用以已知方式操作的已知的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)執(zhí)行PSD分 析，因而通過(guò)調(diào)整微處理器系統(tǒng)88的操作，本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例能夠整體上以軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明的實(shí)施例能夠應(yīng)用于當(dāng)前已在現(xiàn)場(chǎng) 安裝或己制造的過(guò)程變量變送器，無(wú)需修改其電路。下文給出用于執(zhí)行 PSD分析的算法。由于Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器的快轉(zhuǎn)換時(shí)間和高精度，通常將其用于 過(guò)程測(cè)量和控制工業(yè)。Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器通常使用內(nèi)部電容器電荷泵 方案，該方案通常通過(guò)對(duì)所設(shè)置的間隔中的正l進(jìn)行計(jì)數(shù)，以產(chǎn)生被分 析的數(shù)字比特流。例如，目前使用的一種Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器提供包括 由50Q/6的l組成的比特流信號(hào)，以指示最小壓力測(cè)量，并且包括由75°/。 的1組成的比特流信號(hào)，以指示最大壓力測(cè)量。在確定流速之前，該 數(shù)字比特流通常經(jīng)濾波以去除或衰減波動(dòng)分量。然后，濾波后的數(shù)據(jù)與 公知的等式一起使用，以計(jì)算質(zhì)量流速(mass flow rate)或體積流速 (volumetric flow rate)。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的數(shù)字比特流直接用于 PSD分析。該比特流通常具有比轉(zhuǎn)換頻率高許多個(gè)數(shù)量級(jí)的頻率。例 如，已知的Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器提供具有大約57 kHz頻率的數(shù)字比特 流。雖然本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到能夠?qū)?shù)字比特流以多種方式進(jìn)行 PSD分析，優(yōu)選的方法如下。對(duì)于給定間隔(例如10秒)，收集并保 存來(lái)自比特流的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在上述實(shí)例中，10秒的57 kHz數(shù)據(jù)產(chǎn)生 了 570,000個(gè)已存儲(chǔ)比特。通過(guò)從每個(gè)己存儲(chǔ)比特減去平均比特值(1 的個(gè)數(shù)除以比特的總數(shù))，DC分量能夠可選地從已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中去除。 接下來(lái)，對(duì)調(diào)節(jié)后的數(shù)據(jù)計(jì)算功率譜密度。這優(yōu)選地使用65536點(diǎn) FFT和65536大小的漢寧(Harming)窗進(jìn)行。所選擇的FFT的大小是 因?yàn)樗亲罱咏蓸颖忍仡l率的2的冪，并且在10秒的持續(xù)時(shí)間，它 提供了可接受的頻譜的平均。然而，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以使用其 它的大小。功率譜密度Fi能夠使用針對(duì)給定數(shù)據(jù)集的平均周期圖的Welch 方法來(lái)計(jì)算。該方法使用每秒fs個(gè)采樣的測(cè)量序列x(n)，其中n = 1, 2， ...N。具有小于fs/2的濾波器頻率的前端濾波器用于減小譜計(jì) 算中的混疊(aliasing)。數(shù)據(jù)集如等式1所示地被分成Fk,i:<formula>formula see original document page 11</formula>(等式1)存在重疊數(shù)據(jù)段的Fk,i，并且對(duì)于每個(gè)段計(jì)算周期圖，其中M是當(dāng) 前段中點(diǎn)的個(gè)數(shù)。在對(duì)所有段的所有周期圖進(jìn)行求值后，所有這些被平均以計(jì)算功率譜<formula>formula see original document page 11</formula>(等式2)一旦獲得針對(duì)訓(xùn)練模式的功率譜，則將該序列存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，優(yōu)選地是EEPR0M，作為用于與實(shí)時(shí)功率譜進(jìn)行比較的基線功率譜。因 此，Pi是功率譜序列，并且i從1到原始數(shù)據(jù)序列中的點(diǎn)的總數(shù) N。 N (通常為2的冪)還設(shè)置了頻譜估計(jì)的頻率分辨率。因此，F(xiàn)i也 被稱(chēng)作ith頻率處的信號(hào)強(qiáng)度。功率譜典型地包括具有預(yù)定義頻率間隔 的大量點(diǎn)，將譜功率分布的形狀定義為頻率的函數(shù)。在使用功率譜密度執(zhí)行的診斷中，把基線歷史情況下的譜密度的 相對(duì)較大的采樣與監(jiān)控情況下的譜密度的相對(duì)較小的采樣進(jìn)行比較。相 對(duì)較小的采樣允許在約1秒中的問(wèn)題的實(shí)時(shí)指示。功率譜的有關(guān)頻率 分量的增大能夠指示一個(gè)或兩個(gè)導(dǎo)壓管線和/或主元件的惡化。圖4-6 示出了來(lái)自數(shù)字比特流的PSD數(shù)據(jù)。這些圖示出了三種不同的導(dǎo)壓管 線情況完全開(kāi)放；具有0.0135英寸直徑的孔的局部阻塞；以及具有 0.005英寸直徑的孔的實(shí)質(zhì)阻塞。從圖5和6可以看出，對(duì)從I到IO Hz的比特流數(shù)據(jù)和/或從10-30 Hz的比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行積分提供了對(duì)導(dǎo)壓管線阻塞的有效指示。微處理器系統(tǒng)88接收數(shù)字表示的序列(要么是單獨(dú)的數(shù)字轉(zhuǎn)換，要么是數(shù)字比特流，或者其任意組合)。微處理器系統(tǒng)88中存有 把監(jiān)控模式期間的PSD數(shù)據(jù)與訓(xùn)練模式期間獲得的PSD數(shù)據(jù)進(jìn)行比較 的算法。這個(gè)比較允許過(guò)程變量變送器檢測(cè)會(huì)對(duì)過(guò)程變量測(cè)量帶來(lái)影響 的故障。這種故障可以是壓力變送器中的導(dǎo)壓管線的阻塞、主元件的惡 化或任何其它因素。系統(tǒng)88產(chǎn)生診斷數(shù)據(jù)62，作為相對(duì)于歷史的當(dāng) 前數(shù)據(jù)集的函數(shù)。耦合到微處理器系統(tǒng)88的數(shù)模轉(zhuǎn)換器96產(chǎn)生表示 所感測(cè)的流速的模擬變送器輸出98。數(shù)字通信電路100從微處理器系 統(tǒng)88接收診斷數(shù)據(jù)94，并產(chǎn)生指示該診斷數(shù)據(jù)的變送器輸出102。 根據(jù)期望，模擬輸出98和診斷數(shù)據(jù)102可以耦合到指示器或控制 器。圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于訓(xùn)練過(guò)程變量變送器進(jìn)行診斷的 方法的流程圖。方法250在起始框252處開(kāi)始。方框252能夠在相 對(duì)地確定過(guò)程變量變送器完全可操作并且耦合到在規(guī)范內(nèi)操作的過(guò)程的 任何時(shí)間執(zhí)行。通常，方框252將由技術(shù)人員啟動(dòng)，但方框252在某 些情形下可遠(yuǎn)程地啟動(dòng)。方法250在方框254處繼續(xù)，在254處接收 過(guò)程值數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以包括多個(gè)數(shù)字指示。這些指示可以是單獨(dú)的轉(zhuǎn) 換后的過(guò)程變量轉(zhuǎn)換；模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的比特流中的比特；或其任意組 合。在方框256處，對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)執(zhí)行FFT。這種FFT可以根據(jù)任何已 知方法來(lái)執(zhí)行。此外，代替或除方框256處的FFT之外，可以執(zhí)行用 于分析數(shù)據(jù)的譜分量的備選方法。在方框258處，計(jì)算FFT的功率。 然后，把這個(gè)功率信息存儲(chǔ)在過(guò)程變量變送器中。在步驟260處，該 方法確定是否已出現(xiàn)充分的訓(xùn)練。這可以通過(guò)檢査是否己經(jīng)經(jīng)過(guò)充分的 時(shí)間、是否已取得充分的訓(xùn)練數(shù)據(jù)或任何其它適合的方法來(lái)執(zhí)行。如果 未執(zhí)行訓(xùn)練，則方法260返回到方框254，并且繼續(xù)訓(xùn)練。然而，如 果在步驟260處確定訓(xùn)練執(zhí)行時(shí)，方法250將結(jié)束，并且最后的功率 數(shù)據(jù)集Fi將被存儲(chǔ)在過(guò)程變量變送器內(nèi)的非易失性存儲(chǔ)器中。雖然本發(fā)明的許多實(shí)施例直接采用過(guò)程傳感器數(shù)據(jù)的PSD分析來(lái) 提供診斷，然而一個(gè)實(shí)施例并非如此。圖8示出了使用PSD分析來(lái)選擇數(shù)字濾波器參數(shù)的方法。方法270通過(guò)執(zhí)行訓(xùn)練方法272而開(kāi)始， 方法272優(yōu)選地與方法250相同。在方框274處，檢査頻率處的功 率。在方框276處，基于功率譜密度的分析來(lái)選擇數(shù)字濾波器頻率。 頻率的選擇包括選擇使用FFT中的哪些"頻點(diǎn)(bin)"。問(wèn)題不僅包 括使用哪些頻點(diǎn)，而且包括使用多少個(gè)頻點(diǎn)。該選擇可以像選擇一個(gè)頻 點(diǎn)那樣簡(jiǎn)單，或更加復(fù)雜。例如，可以選擇非鄰接的頻點(diǎn)；可以選擇鄰 接的頻點(diǎn)；可以選擇有助于整體的所有頻點(diǎn)，并根據(jù)其各自的幅值而進(jìn) 行加權(quán)；或者這些的任意組合?？梢允褂枚鄠€(gè)準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行頻點(diǎn)的選擇。 例如，可以選擇具有最大功率的頻點(diǎn)；可以選擇功率具有最大方差的頻 點(diǎn)；可以選擇功率具有最小方差的頻點(diǎn)；可以選擇具有最小幅值的頻 點(diǎn)；可以選擇具有最高標(biāo)準(zhǔn)差的頻點(diǎn)；可以選擇具有最低標(biāo)準(zhǔn)差的頻 點(diǎn)；或者可以選擇具有類(lèi)似幅值的一組相鄰的頻點(diǎn)。 一旦選擇了頻 點(diǎn)，相應(yīng)的濾波器特性用于對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，如方框278 處所示。如此濾波后的數(shù)據(jù)可以用于更有效的過(guò)程測(cè)量和/或診斷。因 此，可以基于傳感器數(shù)據(jù)的PSD分析動(dòng)態(tài)地選擇濾波器特性。根據(jù)本 發(fā)明的實(shí)施例，濾波后的數(shù)據(jù)甚至能夠利用已知的統(tǒng)計(jì)管線阻塞算法 (Statistical line plugging algorithms)禾口技術(shù)。圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的執(zhí)行基于PSD的診斷的方法的流程 圖。許多因素能夠影響數(shù)字比特流，由此而影響到過(guò)程變量。該導(dǎo)壓管 線能夠變得阻塞和/或主元件能夠受到侵蝕或惡化。方法280在方框 282處開(kāi)始，在282處出現(xiàn)訓(xùn)練。方框282優(yōu)選地與參照?qǐng)D7描述的 訓(xùn)練方法250相同。 一旦訓(xùn)練已完成，方法280到計(jì)算過(guò)程值數(shù)據(jù)的 方框284。再一次地，該數(shù)據(jù)可以是來(lái)自轉(zhuǎn)換器84的一組單獨(dú)的模數(shù) 轉(zhuǎn)換后的讀數(shù)，或者該數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)換器84內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)字比特流的全部 或一部分。在方框286處，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域，優(yōu)選地使用FFT。在 方框288處，計(jì)算FFT的功率，產(chǎn)生與過(guò)程變量有關(guān)的功率譜數(shù)據(jù)的 集Ei。在方框290處，把集Ei與已存儲(chǔ)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集Fi進(jìn)行比 較。這種比較能夠采用多種形式。例如，該比較能夠包括檢査針對(duì)所選 譜范圍的幅值之和。該比較還能夠包括將被比較的Fi的標(biāo)準(zhǔn)差和平均 值(mean)與Fi的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值進(jìn)行比較。另一種比較包括對(duì)較高或較低幅值相一致的頻率范圍進(jìn)行比較?；剡^(guò)來(lái)參照?qǐng)D6，使用數(shù)字比 特流數(shù)據(jù)，"完全開(kāi)放"情況將對(duì)應(yīng)于訓(xùn)練集Fi。因此，把來(lái)自所選 頻率范圍的比特流頻譜的積分進(jìn)行比較能夠表明當(dāng)導(dǎo)壓管線開(kāi)始阻塞 時(shí)，頻譜的積分實(shí)質(zhì)下降。在測(cè)試中工作良好的一個(gè)頻率范圍在10和40 Hz之間。然而，10與30 Hz之間的范圍也被認(rèn)為是有益的。最 后，看起來(lái)在30 - 40 Hz范圍中提供的信息是有用的，其也可用于檢 測(cè)局部或全部的導(dǎo)壓管線阻塞。由所選頻譜的積分所指示的Fi與Ei 之間的差能夠與預(yù)先選擇的閥值進(jìn)行比較，以確定是否存在故障。在方 框292處，基于方框290中的比較來(lái)執(zhí)行故障確定。如果揭示出現(xiàn)故 障，則控制到達(dá)方框294，在方框294處指示該故障，并且可選地暫停 過(guò)程變量變送器的操作。該故障指示能夠是諸如設(shè)備報(bào)警的本地指示， 或是被傳遞到諸如控制室或操作員的遠(yuǎn)程實(shí)體的指示。該故障指示可以 指示當(dāng)前的關(guān)鍵故障，或可指示迫近的故障。如果未發(fā)現(xiàn)故障，則控制 返回到方框284，并且該方法繼續(xù)執(zhí)行以監(jiān)控過(guò)程設(shè)備的操作。這些方法中的任意方法都能夠以多個(gè)指令序列的形式存儲(chǔ)在計(jì)算 機(jī)可讀介質(zhì)上，多個(gè)指令序列包括這樣的序列，即當(dāng)由壓力變送器中 的微處理器系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)，致使壓力變送器執(zhí)行關(guān)于主元件和可耦合到變 送器的導(dǎo)壓管線的診斷方法。在一個(gè)實(shí)施例中，微處理器系統(tǒng)88包括信號(hào)預(yù)處理器，該信號(hào) 預(yù)處理器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器84耦合到傳感器31，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器84把諸 如頻率、幅度或與阻塞的導(dǎo)壓管線30或惡化的主元件28有關(guān)的傳感 器信號(hào)中的信號(hào)分量進(jìn)行隔離。該信號(hào)預(yù)處理器將隔離的信號(hào)輸出提供 給微處理器88中的信號(hào)求值程序。通過(guò)濾波、執(zhí)行小波變換、執(zhí)行傅 立葉變換、使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)計(jì)分析或其它信號(hào)求值技術(shù)，該信號(hào)預(yù)處 理器隔離一部分信號(hào)。這種預(yù)處理優(yōu)選地在微處理器88中實(shí)現(xiàn)，或在 專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器中實(shí)現(xiàn)。該隔離的信號(hào)輸出與傳感器31所感測(cè)到 的已阻塞或正在發(fā)生阻塞的導(dǎo)壓管線30或惡化的主元件28有關(guān)。該信號(hào)分量通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行隔離，其中僅識(shí)別期望的頻率 或諸如幅度的其它信號(hào)特性，并且提供對(duì)該識(shí)別的指示。取決于待檢測(cè) 的強(qiáng)度信號(hào)及其頻率，信號(hào)預(yù)處理器能夠包括濾波器，例如帶通濾波器，以產(chǎn)生隔離的信號(hào)輸出。對(duì)于更靈敏的隔離，使用諸如快速傅立葉 變換(FFT)的高級(jí)信號(hào)處理技術(shù)以獲得傳感器信號(hào)的頻譜。在一個(gè)實(shí) 施例中，信號(hào)預(yù)處理器包括小波處理器，這個(gè)小波處理器使用離散小波變換，對(duì)如圖10、 11和12所示的傳感器信號(hào)執(zhí)行小波分析。小波分析很適合用于分析在時(shí)域中具有瞬態(tài)或其它非靜止特性的信號(hào)。與傅立 葉變換相比，小波分析保留時(shí)域中的信息，即事件出現(xiàn)的時(shí)間。小波分析是一種用于將時(shí)域信號(hào)變換到頻域的技術(shù)，類(lèi)似于傅立 葉變換，其允許對(duì)頻率分量進(jìn)行識(shí)別。然而，不同于傅立葉變換的是， 在小波變換中，輸出包括與時(shí)間有關(guān)的信息。這可采用三維曲線圖的形 式表示， 一個(gè)軸表示時(shí)間，第二軸表示頻率，而第三軸表示信號(hào)幅度。小波分析的討論在L. Xiaoli等人的On-Line Tool Condition Monitoring System With Wavelet Fuzzy Neural Network ' 8 JOURNAL OF INTELLIGENT MANUFACTURING pgs . 271-276 (1997)中給出。在執(zhí) 行連續(xù)小波變換中， 一部分傳感器信號(hào)被加窗并與小波函數(shù)進(jìn)行巻積。 通過(guò)在采樣開(kāi)始處疊加小波函數(shù)、將小波函數(shù)與信號(hào)相乘、然后對(duì)該結(jié) 果在采樣周期上進(jìn)行積分，來(lái)執(zhí)行這個(gè)巻積。對(duì)該積分的結(jié)果進(jìn)行定 標(biāo)，并提供時(shí)間等于零處的連續(xù)小波變換的第一值。然后，可以把該點(diǎn) 映射到三維平面上。該小波函數(shù)然后向右移動(dòng)(時(shí)間上向前)，并且重 復(fù)進(jìn)行相乘和積分的步驟，以獲得被映射到3-D空間的另一組數(shù)據(jù)點(diǎn)。 重復(fù)該過(guò)程，并使小波移動(dòng)(巻積)經(jīng)過(guò)整個(gè)信號(hào)。然后，對(duì)小波函數(shù) 進(jìn)行定標(biāo)，這會(huì)改變?cè)撟儞Q的頻率分辨率，并且重復(fù)上述步驟。圖10中示出了來(lái)自傳感器31的傳感器信號(hào)的小波變換的數(shù)據(jù)。 該數(shù)據(jù)以三維繪制，并形成表面300。如圖10的曲線圖中所示，該傳 感器信號(hào)包括時(shí)刻tl處在大約1 kHz處的小信號(hào)峰值，以及時(shí)刻t2 處在大約100 Hz處的另一峰值。通過(guò)由信號(hào)求值程序的后續(xù)處理，對(duì) 表面300或表面300的一部分進(jìn)行求值，以確定導(dǎo)壓管道或主元件的 惡化。上面描述的連續(xù)小波變換需要大量的計(jì)算。因此，在一個(gè)實(shí)施例 中，微處理器系統(tǒng)88執(zhí)行非常適于在微處理器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的離散小波 變換(DWT)。 一種有效的離散小波變換使用Mallat算法，這是一種雙通道子帶編碼器。Mallat算法提供了一系列分離或分解的信號(hào)，這些信號(hào)表示原始信號(hào)的各個(gè)頻率分量。圖11示出了這種系統(tǒng)的示例，其中使用Mallat算法的子帶編碼器對(duì)原始傳感器信號(hào)S進(jìn)行分解。該信 號(hào)s具有從0到最大fMAX的頻率范圍。該信號(hào)同時(shí)經(jīng)過(guò)具有自1/2 f,到f,的頻率范圍的第一高通濾波器和具有從0到1/2 fMAX的頻率 范圍的低通濾波器。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)作分解。高通濾波器的輸出提供了"等級(jí)1"的離散小波變換系數(shù)。等級(jí)1系數(shù)表示作為在1/2 fMAX與f,之間的輸入信號(hào)部分的時(shí)間函數(shù)的幅度。根據(jù)期望的那樣，來(lái)自0 —1/2 f,低通濾波器的輸出經(jīng)過(guò)后續(xù)的高通(1/4 fMAX — 1/2 f駆)和低 通(0 - 1/4 fMAX)濾波器，以提供離散小波變換系數(shù)的另外等級(jí)(超 出 〃等級(jí)T)。來(lái)自每個(gè)低通濾波器的輸出能夠經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的分解，根 據(jù)期望來(lái)提供離散小波變換系數(shù)的附加等級(jí)。這個(gè)過(guò)程繼續(xù)，直到實(shí)現(xiàn) 期望的分辨率為止，或在分解后剩余數(shù)據(jù)采樣的數(shù)目沒(méi)有產(chǎn)生附加信息 為止。小波變換的分辨率被選擇為與傳感器大致相同，或與監(jiān)控信號(hào)所 需的最小信號(hào)分辨率相同。每個(gè)等級(jí)的冊(cè)T系數(shù)表示作為給定頻率范 圍的時(shí)間的函數(shù)的信號(hào)幅度。每個(gè)頻率范圍的系數(shù)被連接起來(lái)，以形成 諸如圖10所示的曲線圖。在一些實(shí)施例中，通過(guò)將數(shù)據(jù)加到小波分析中使用的窗的邊界附 近的傳感器信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行填充。這種填充減小了頻域輸出的失真。 這種技術(shù)能夠與連續(xù)小波變換或離散小波變換一起使用。"填充"被定 義為在當(dāng)前有效的數(shù)據(jù)窗的任一側(cè)上追加的(appending)額外數(shù)據(jù)， 例如增加延伸超過(guò)當(dāng)前窗的任一窗邊緣25%的額外數(shù)據(jù)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí) 施例中，通過(guò)重復(fù)當(dāng)前窗中的部分?jǐn)?shù)據(jù)以便把增加的數(shù)據(jù)"填充"到任 一側(cè)的現(xiàn)有信號(hào)而產(chǎn)生填充。然后，整個(gè)數(shù)據(jù)集被擬合至用于對(duì)超過(guò)有 效數(shù)據(jù)窗25%的信號(hào)進(jìn)行外插的二次等式。圖12是示出由傳感器31產(chǎn)生的信號(hào)S和在標(biāo)示為等級(jí)l至等 級(jí)7的7個(gè)分解等級(jí)中產(chǎn)生的逼近信號(hào)的示例。在這個(gè)示例中，信號(hào) 等級(jí)7表示所能夠產(chǎn)生的最低頻率DWT系數(shù)。任何另外的分解產(chǎn)生噪 聲。提供了所有等級(jí)，或僅是那些涉及導(dǎo)壓管道或主元件惡化的等級(jí)。微處理器88對(duì)從信號(hào)預(yù)處理接收的隔離信號(hào)進(jìn)行求值，并且在所識(shí)別的特定頻率或頻率范圍的幅度，并且如果超過(guò) 閾值，則提供診斷輸出。信號(hào)求值程序還能夠包括更為高級(jí)的判決算 法，例如模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)、基于規(guī)則的系統(tǒng)等。共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利No.6,017, 143描述了能夠在信號(hào)求值程序154中實(shí)現(xiàn)的 多種判決系統(tǒng)，并且通過(guò)引用合并于此。微處理器88使用從差壓傳感器31導(dǎo)出的信息，執(zhí)行與導(dǎo)壓管道 或主元件有關(guān)的診斷。下面描述了用于實(shí)現(xiàn)診斷電路的多個(gè)實(shí)施例。該 診斷電路能夠提供剩余壽命估計(jì)、故障指示、迫近故障的指示或用于校 正所感測(cè)的過(guò)程變量中的誤差的校準(zhǔn)輸出。雖然本發(fā)明是參考優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述的，但本領(lǐng)域中的技術(shù)工 作人員將會(huì)意識(shí)到，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以做出 形式和細(xì)節(jié)上的變動(dòng)。例如，本發(fā)明的許多功能方框已就電路進(jìn)行了描 述，然而，許多功能方框可以采用諸如數(shù)字和模擬電路、軟件及其混合 的其它形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，微處理器執(zhí)行功能，并且信號(hào) 包括軟件所操作的數(shù)字值?？梢允褂靡灾率固幚砥鲌?zhí)行期望過(guò)程要素的 指令來(lái)編程的通用處理器、包含被接線以執(zhí)行期望要素的專(zhuān)用硬件組件 以及對(duì)通用處理器和硬件組件的編程的任意組合。根據(jù)需要，確定性或 模糊邏輯技術(shù)能夠用于在電路或軟件中做出判決。由于復(fù)雜數(shù)字電路的 性質(zhì)，電路元件可能不會(huì)被分隔成所示的單獨(dú)的方框，而是可以把用于 多種功能方框的組件進(jìn)行混合和共享。同樣對(duì)于軟件來(lái)說(shuō)，某些指令能 夠以若干功能的一部分而共享，并且與本發(fā)明范圍內(nèi)的不相關(guān)指令混 合。診斷輸出能夠是未來(lái)故障的預(yù)測(cè)指示器，諸如導(dǎo)壓管線未來(lái)的局部 或完全阻塞。該診斷能夠被應(yīng)用于導(dǎo)壓管道和/或主元件。最后，雖然 已參照壓力變送器描述了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，然而本發(fā)明的實(shí)施例能 夠利用任何過(guò)程設(shè)備來(lái)實(shí)踐，其中傳感器經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器耦合到過(guò)程設(shè) 備°
權(quán)利要求
1.一種用于耦合到過(guò)程并通過(guò)通信總線提供過(guò)程變量的指示的過(guò)程變量變送器，所述過(guò)程變量變送器包括過(guò)程變量傳感器，可耦合到過(guò)程以提供變量的模擬指示；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，耦合到所述過(guò)程變量傳感器，并提供表示由所述傳感器提供的模擬指示的數(shù)字信息；以及輸出電路，被配置為提供與過(guò)程變量有關(guān)的輸出；微處理器系統(tǒng)，耦合到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并被配置為計(jì)算所述數(shù)字信息的功率譜密度，并基于所述功率譜密度做出響應(yīng)地產(chǎn)生診斷信息。
1. 一種用于耦合到過(guò)程并通過(guò)通信總線提 程變量變送器，所述過(guò)程變量變送器包括過(guò)程變量傳感器，可耦合到過(guò)程以提供變量的模擬指示； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，耦合到所述過(guò)程變量傳感器，并提供表示由所述傳感器提供的模擬指示的數(shù)字信息；以及輸出電路，被配置為提供與過(guò)程變量有關(guān)的輸出；微處理器系統(tǒng)，耦合到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并被配置為計(jì)算所述數(shù)字信息的功率譜密度，并基于所述功率譜密度做出響應(yīng)地產(chǎn)生診斷信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中，所述變送器是可經(jīng)由 多個(gè)導(dǎo)壓線路耦合到過(guò)程的壓力變送器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變送器，其中，所述診斷表示所述導(dǎo) 壓管線的情況。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的變送器，其中，所述診斷表示至少一 條導(dǎo)壓管線的局部阻塞。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的變送器，其中，所述診斷指示導(dǎo)壓管 線將完全被阻塞的時(shí)刻。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器以多 個(gè)離散的數(shù)字化轉(zhuǎn)換值來(lái)提供所述數(shù)字信息。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的變送器，其中，以每秒約22次的頻 率來(lái)提供所述離散的數(shù)字化值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中，所述數(shù)字信息包括數(shù) 字比特流數(shù)據(jù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的變送器，其中，以超過(guò)約55 kHz的 頻率來(lái)提供所述比特流數(shù)據(jù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的變送器，其中，使用快速傅立葉變換 (FFT)把所述數(shù)字信息變換到頻域。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的變送器，其中，使用約65536的漢 寧窗大小來(lái)計(jì)算所述功率譜密度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的變送器，其中，所述診斷信息基于 范圍從約1到約10 Hz的頻率處的功率的積分。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的變送器，其中，所述診斷信息基于 范圍從約10到約30 Hz的頻率處的功率的積分。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的變送器，其中，所述診斷信息基于 范圍從約10到約40 Hz的頻率處的功率的積分。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的變送器，其中，所述診斷信息基于 范圍從約30到約40 Hz的頻率處的功率的積分。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中，使用小波分析把所述 數(shù)字信息變換到頻域。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中，基于功率譜密度信息 El與基線功率譜密度信息Fi的比較來(lái)產(chǎn)生所述診斷信息。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的變送器，其中，所述比較包括對(duì)所 選頻率上的幅值之和的偏差進(jìn)行比較。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的變送器，其中，所述比較包括對(duì)所 選頻率上的幅值的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的變送器，其中，所述基線功率譜密 度在訓(xùn)練會(huì)話期間獲得。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其中，所述診斷信息包括故 障指示。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的變送器，其中，所述故障指示是本 地故障指示。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的變送器，其中，所述故障指示通過(guò) 所述通信總線傳輸。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的變送器，其中，所述故障指示預(yù)測(cè) 未來(lái)事件。
25. —種預(yù)測(cè)性地診斷過(guò)程變量變送器的方法，所述過(guò)程變量變 送器具有耦合到過(guò)程變量傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述過(guò)程變量傳感器耦合到過(guò)程，所述方法包括.*從所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得多個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)； 計(jì)算所述多個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的功率譜密度； 將計(jì)算的功率譜密度與基線功率譜密度進(jìn)行比較； 基于所述比較，產(chǎn)生預(yù)測(cè)性診斷輸出。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述多個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包 括多個(gè)數(shù)字化的轉(zhuǎn)換。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述多個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包 括數(shù)字比特流數(shù)據(jù)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述診斷輸出表示至 少一條導(dǎo)壓管線的情況。
29. —種用于耦合到過(guò)程并通過(guò)通信總線提供過(guò)程變量的指示的 過(guò)程變量變送器，所述過(guò)程變量變送器包括過(guò)程變量傳感器，可耦合到過(guò)程以提供過(guò)程變量的模擬指示； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，耦合到所述過(guò)程變量傳感器，并提供表示由所述傳感器提供的模擬指示的數(shù)字信息；以及微處理器裝置，用于產(chǎn)生過(guò)程值并使用功率譜密度分析來(lái)產(chǎn)生診斷輸出。
30. —種在過(guò)程變量變送器中配置數(shù)字濾波器的方法，所述方法包括過(guò)程變量傳感器，可耦合到過(guò)程以提供過(guò)程變量的模擬指示；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，耦合到所述過(guò)程變量傳感器，并提供表示由所述傳 感器提供的模擬指示的數(shù)字信息；微處理器系統(tǒng)，耦合到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述微處理器系統(tǒng)使用 可配置的濾波器特性來(lái)提供所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字濾波；以及其中，基于在訓(xùn)練會(huì)話期間執(zhí)行的功率譜密度分析來(lái)選擇所述可 配置的濾波器特性。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，濾波后的數(shù)字信息用 于提供過(guò)程變量輸出。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，濾波后的數(shù)字信息用于提供診斷輸出。
全文摘要
提供了一種具有診斷的過(guò)程變量變送器(60，82，230，232，234，238)，該診斷基于過(guò)程變量傳感器信號(hào)的功率譜密度(PSD)分析。在一個(gè)實(shí)施例中，該過(guò)程變量變送器(60，82，230，232，234，238)是壓力變送器(82)，而且診斷用于診斷導(dǎo)壓管線阻塞或迫近阻塞。其它診斷方法也是有用的，例如診斷主元件的惡化。對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并且把數(shù)字化的信號(hào)變換為頻域。檢查傳感器信號(hào)的頻率處的功率以提供改進(jìn)的診斷。在一個(gè)方面，直接利用傳感器PSD數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生診斷。在另一方面，使用PSD分析來(lái)調(diào)諧濾波器，以改進(jìn)傳統(tǒng)的診斷算法。
文檔編號(hào)G05B21/02GK101243366SQ200680029798
公開(kāi)日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月17日
發(fā)明者卡迪爾·卡瓦克里格魯, 埃夫倫·埃爾于雷克, 戴維·E·維克隆德, 約翰·P·米勒, 羅斯·C·拉莫茲 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司