專利名稱：具有加速度傳感器的過程變量變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過程變量變送器，更具體地，本發(fā)明涉及用于控制或監(jiān)測工業(yè)過程的
那種變送器。
背景技術(shù)：
工業(yè)過程用在工業(yè)制造中。有各種類型的現(xiàn)場設(shè)備用于監(jiān)測過程。例如，可以感 測如壓力、流量、溫度等過程變量。除了使用該信息來監(jiān)測過程外，還可以使用過程變量來 控制該過程。 過程變量是使用一般已知為過程變量變送器的現(xiàn)場設(shè)備來感測的。在許多實(shí)例 中，期望對(duì)工業(yè)過程的操作進(jìn)行診斷并對(duì)該過程及關(guān)聯(lián)設(shè)備的條件進(jìn)行識(shí)別。例如，可以使 用診斷來識(shí)別工業(yè)過程中的故障，例如以使得可以替換故障組件。診斷的其他用途包括在 即將發(fā)生的故障發(fā)生之前識(shí)別該故障。這允許在期望的時(shí)間不必停止該過程就能替換或修 復(fù)該組件。 對(duì)振動(dòng)進(jìn)行感測是一種用于診斷過程控制設(shè)備的方法。例如，可以在控制設(shè)備上 直接放置振動(dòng)傳感器(如加速度計(jì))，并可以使用該振動(dòng)傳感器來感測由設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng) 噪聲信號(hào)。例如，可以監(jiān)測由泵用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲。隔離振并通過識(shí)別超出振幅閾值或具 有異常頻率的那些振動(dòng)來估計(jì)振動(dòng)。這可以指示實(shí)際的或即將發(fā)生的故障。具體示例包括 泵或電動(dòng)機(jī)外殼上放置的傳感器、排除閥或者與控制設(shè)備相關(guān)聯(lián)的凸緣。另一已知診斷方 法是手動(dòng)檢查，其中操作者偵聽來自控制設(shè)備的異常聲音。在工業(yè)過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)中 目前正需要改進(jìn)的診斷技術(shù)，用于檢測已發(fā)生故障的組件以及已退化或處于故障過程中的 組件。各種技術(shù)是在以下專利中示出的2003年7月29日提交的、標(biāo)題為"Process Device Diagnostics Using Process Variable SensorSignal，，的美國專利No. 6， 601， 005 ;2005年 4月7日公布的、標(biāo)題為"Process Device with Vibration Based Diagnostics，，的美國公 開No. 2005/0072239 ;以及2006年3月7日發(fā)布的、標(biāo)題為"Process DeviceDiagnostics Using Process Variable Sensor Signal，，的美國專利No. 7， 010， 459。

發(fā)明內(nèi)容
—種用在工業(yè)過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)中的過程變量變送器，包括變送器外殼以及具 有與過程變量相關(guān)的傳感器輸出的過程變量傳感器。加速度計(jì)與變送器(例如，變送器外 殼、過程變量傳感器或其他組件)相關(guān)聯(lián)并提供與加速度相關(guān)的加速度計(jì)輸出。診斷電路 將診斷輸出作為傳感器輸出和加速度計(jì)輸出的函數(shù)而提供。


圖1是包括耦合至過程管線的過程變送器的工業(yè)過程的示意圖。
圖2是圖1的過程變送器中的電路和組件的框圖。
圖3是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程設(shè)備的簡化框圖。
圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明一種配置的簡化步驟的框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種診斷技術(shù)，用于檢測故障，或者在故障發(fā)生或性能下降之前預(yù)
測即將發(fā)生的故障或者過程設(shè)備或過程組件的性能下降。利用本發(fā)明，監(jiān)測過程和/或過 程設(shè)備中的振動(dòng)。檢測振動(dòng)，并使用該振動(dòng)來預(yù)測故障、即將發(fā)生的故障、或者過程設(shè)備或 過程組件的性能下降，作為感測到的振動(dòng)信號(hào)的函數(shù)，并進(jìn)一步作為感測到的過程變量的函數(shù)。 圖1示出了過程控制系統(tǒng)10的圖，過程控制系統(tǒng)10包括連接至過程管道16的 變送器12。變送器12耦合至兩線過程控制回路18，兩線過程控制回路18根據(jù)Fieldbus、 Profibus或HART⑧:標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行操作。然而，本發(fā)明不限于這些標(biāo)準(zhǔn)或兩線配置。兩線過 程控制回路18運(yùn)行在變送器12與控制室20之間，并且便攜式配置單元226在以下實(shí)施例 中示出其中，回路18根據(jù)HART⑧協(xié)議來進(jìn)行操作，回路18可以承載表示感測到的過程 變量的電流I。此外，HART⑧協(xié)議允許在經(jīng)過回路18的電流上疊加數(shù)字信號(hào)，使得可以 向變送器12發(fā)送數(shù)字信息或從變送器12接收數(shù)字信息。當(dāng)根據(jù)Fieldbus標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行操 作時(shí)，回路18承載數(shù)字信號(hào)并可以耦合至多個(gè)現(xiàn)場設(shè)備(例如，其他變送器)。在一種配置 中，回路18包括無線回路，并且發(fā)送器12在不需要附加布線的情況下進(jìn)行通信。
典型地，過程變量是在過程中正被控制的主變量。如此處所使用，過程變量表示對(duì) 過程的條件(例如壓力、流量、溫度、產(chǎn)品級(jí)、pH、濁度、振動(dòng)、位置、電動(dòng)機(jī)電流、過程的任何 其他特性等等)進(jìn)行描述的任何變量?？刂菩盘?hào)表示用于對(duì)過程進(jìn)行控制的任何信號(hào)(除 過程變量以外)。例如，控制信號(hào)表示期望的過程變量值(即，設(shè)定點(diǎn))，例如期望的溫度、壓 力、流量、產(chǎn)品級(jí)、pH或濁度等，期望的過程變量值是由控制器調(diào)整的或者用于控制過程。此 外，控制信號(hào)表示校準(zhǔn)值、警報(bào)、警報(bào)條件、被提供給控制元件的信號(hào)(如被提供給閥致動(dòng) 器的閥位置信號(hào))、被提供給發(fā)熱元件的能級(jí)、螺線管接通/關(guān)斷信號(hào)等或者與過程的控制 相關(guān)的任何其他信號(hào)。此處使用的診斷信號(hào)包括與過程控制回路中的設(shè)備和元件的操作相 關(guān)的信息，但不包括過程變量或控制信號(hào)。例如，診斷信號(hào)包括閥桿位置、所施加的力矩或 力、致動(dòng)器壓力、用于對(duì)閥進(jìn)行致動(dòng)的壓縮氣體的壓力、電壓、電流、功率、電阻、電容、電感、 設(shè)備溫度、收縮、摩擦力、全部接通和關(guān)斷位置、沖程、頻率、振幅、譜和譜分量、剛性、電或磁 場強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢、電動(dòng)機(jī)電流、回路相關(guān)參數(shù)(例如控制回 路電阻、電壓或電流)或者可在系統(tǒng)中檢測或測量到的任何其他參數(shù)。此外，過程信號(hào)表示 與過程或過程中的元件相關(guān)的任何信號(hào)，例如，過程變量、控制信號(hào)或診斷信號(hào)。過程設(shè)備 包括形成過程控制回路一部分或耦合至該過程控制回路且用在過程的控制或監(jiān)測中的任 何設(shè)備。 應(yīng)當(dāng)理解，在一種配置中示出了回路18，并且可以使用任何適當(dāng)?shù)倪^程控制回路， 例如4-20mA回路、2線、3線或4線回路、多點(diǎn)回路以及根據(jù)HART⑧、Fieldbus或者包括 無線通信協(xié)議在內(nèi)的其他數(shù)字或模擬通信協(xié)議進(jìn)行操作的回路。在操作中，變送器12使用 傳感器21來對(duì)過程變量(例如流量)進(jìn)行感測，并通過回路18來變送感測到的過程變量。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，過程設(shè)備(如變送器12)包括被配置為感測振動(dòng)的振 動(dòng)傳感器。振動(dòng)傳感器可以是任何類型的振動(dòng)傳感器(如加速度計(jì))，但本發(fā)明不限于這種傳感器。變送器12中或遠(yuǎn)程位置處的診斷電路監(jiān)測感測到的振動(dòng)和感測到的過程變量，并 能夠診斷故障或即將發(fā)生的故障。變送器12可以通過兩線過程控制回路18來提供輸出至 例如控制室20或通信裝置26，該輸出提供過程組件的故障或即將發(fā)生的故障的指示。使用 該信息，操作者可以修復(fù)或替換故障組件，或者在組件最終發(fā)生故障之前修復(fù)或替換該組 件。這允許在預(yù)定時(shí)間或在期望時(shí)任意地對(duì)過程10進(jìn)行維護(hù)。這在組件的修復(fù)或替換需 要停止過程10的情況下是特別有利的。此外，一些組件可能發(fā)生災(zāi)難性的故障，或者發(fā)生 導(dǎo)致其他組件損壞或?qū)е孪颦h(huán)境釋放不安全產(chǎn)品的故障。通過提供對(duì)組件可能在將來發(fā)生 故障的指示，或預(yù)測最終故障的時(shí)間，可以在最終故障之前修復(fù)或替換該組件。
圖2是示出了耦合至過程管線16的過程變送器12的圖。振動(dòng)70被示出為通過 工業(yè)過程而傳播。例如，振動(dòng)70可以通過過程管線16、管線16內(nèi)的過程流體或其他物理耦 合而傳送至變送器12。 變送器12包括過程變量傳感器72。過程變量傳感器72可以被配置為感測任何類 型的過程變量，如流量、壓力、溫度等等。過程變量傳感器72耦合至測量電路74，測量電路 74向I/O電路76提供過程變量信號(hào)。I/O電路76被配置為通過兩線過程控制回路18來 變送與感測到的過程變量相關(guān)的信息。在一些實(shí)施例中，I/O電路76還可以通過過程控制 回路18來接收功率，以用于向變送器12的電路和組件完全供電。測量電路74還耦合至診 斷電路82并向腔82提供與感測到的過程變量相關(guān)的信號(hào)。 變送器12中的振動(dòng)傳感器80被配置為感測振動(dòng)70并向診斷電路82提供振動(dòng)傳 感器信號(hào)。診斷電路82監(jiān)測由振動(dòng)傳感器80感測到的振動(dòng)70以及由測量電路74提供的、 從傳感器72感測到的過程變量，并經(jīng)由I/O電路76來提供輸出，該輸出提供過程組件的故 障或即將到來的故障的指示。備選地，1/0電路可以提供指示變送器正常工作的狀態(tài)輸出。
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的振動(dòng)診斷可以用于在仍有時(shí)間替換或修復(fù)設(shè)備時(shí)通過 預(yù)測測量儀器或控制儀器的即將到來的損耗 來 避免或減少工廠停工期。還可以將振動(dòng)信息 提供給與過程控制回路18進(jìn)行通信的其他設(shè)備。數(shù)據(jù)壓縮算法可以用于這種變送?？梢?在兩線過程控制回路18上提供診斷指示。例如，可以通過回路18來傳輸HART狀態(tài)、現(xiàn)場 總線數(shù)據(jù)或其他警報(bào)。這種警報(bào)可以被提供給控制室20。 振動(dòng)傳感器80可以是任何類型的振動(dòng)傳感器。許多振動(dòng)傳感器沿著單一軸來進(jìn) 行操作，并僅能夠感測沿著該軸的振動(dòng)。然而，在一個(gè)實(shí)施例中，采用附加傳感器或多軸傳 感器來感測沿著多于一個(gè)軸的振動(dòng)或描述過程設(shè)備中的各個(gè)位置處的振動(dòng)。診斷電路82 可以使用附加的感測到的振動(dòng)來提供另外的診斷。此外，振動(dòng)傳感器80可以置于過程變送 器12中的多于一個(gè)的位置。這些附加傳感器還可以用于與感測到的過程變量一起或與感 測到的過程變量相結(jié)合地提供基于附加振動(dòng)的過程診斷。可以通過單獨(dú)地或與感測到的過 程變量一起對(duì)來自位于過程系統(tǒng)中的多于一個(gè)的過程設(shè)備的振動(dòng)測量進(jìn)行比較或分析，來 擴(kuò)展診斷的范圍。附加測量可以用于提供與過程或工廠的總體健康狀況相關(guān)的信息。在過 程設(shè)備與過程的連接附近進(jìn)行的振動(dòng)測量可以用于檢測特定的過程中斷，例如突然的閥關(guān) 閉所引起的氣體撞擊、氣穴現(xiàn)象、侵蝕性的化學(xué)反應(yīng)或其他過程擾動(dòng)、以及泵、旋轉(zhuǎn)設(shè)備的 實(shí)際或即將發(fā)生的故障、或類似類型的故障。 盡管圖2中將I/O電路76、測量電路74和診斷電路82示出為單獨(dú)的組件，但可以 以共享電路和/或軟件來實(shí)現(xiàn)這些電路塊。例如，可以在數(shù)字處理器中實(shí)現(xiàn)這些功能中的許多。除了與過程變量相結(jié)合地將感測到的振動(dòng)或累積的感測到的振動(dòng)與固定閾值進(jìn)行比 較以外，診斷電路82還可以采用其他診斷技術(shù)。例如，可以基于振動(dòng)和感測到的過程變量， 使用用在診斷操作中的如果/那么(if/then)規(guī)則，來實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)。診斷可以基于感測 到的振動(dòng)和過程變量的頻譜，并且，可以采用更復(fù)雜的處理，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等。
圖3是形成回路18 —部分的過程設(shè)備240的框圖。總體示出了設(shè)備240，設(shè)備240 可以包括用于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)診斷的任何過程設(shè)備(如變送器12)。過程設(shè)備240包括在端子244 處耦合至回路18的I/O電路242。設(shè)備240包括耦合至I/O電路242的微處理器246、耦 合至微處理器246的存儲(chǔ)器248以及耦合至微處理器246的時(shí)鐘250。微處理器246接收 過程信號(hào)輸入252。過程信號(hào)輸入塊252表示任何過程信號(hào)的輸入，并且過程信號(hào)輸入可以 是過程變量或控制信號(hào)，并可以是使用I/O電路242從回路18接收到的，或可以是在過程 設(shè)備240內(nèi)部產(chǎn)生的。 過程設(shè)備240包括傳感器輸入通道254。傳感器輸入通道254包括傳感器21，感 測過程變量并向放大器258提供傳感器輸出，放大器258具有由模數(shù)轉(zhuǎn)換器260進(jìn)行數(shù)字 化的輸出。通道254典型地用在變送器(如變送器12)中。補(bǔ)償電路262補(bǔ)償數(shù)字化的信 號(hào)并向微處理器246提供數(shù)字化的過程變量信號(hào)。 在一個(gè)實(shí)施例中，I/O電路242提供功率輸出，該功率輸出用于使用從回路18接 收到的功率向過程設(shè)備240中的一些或全部其他電路完全供電。典型地，現(xiàn)場設(shè)備(如變 送器12)或控制器22是從回路18供電的，而通信裝置26或控制室20具有單獨(dú)的電源。 如上所述，過程信號(hào)輸入252向微處理器246提供過程信號(hào)。過程信號(hào)可以是來自傳感器 21的過程變量、被提供給控制元件的控制輸出、由傳感器80感測到的診斷信號(hào)、或者通過 回路18接收到的控制信號(hào)、過程變量或診斷信號(hào)、或者通過一些其他裝置(如另一 I/O通 道)接收到或產(chǎn)生的過程信號(hào)。 用戶I/O電路276還連接至微處理器246，并提供設(shè)備240與用戶之間的通信。典 型地，用戶I/O電路276包括用于輸出的顯示器和/或音頻以及用于輸入的小鍵盤或其他 接口。 1/0電路276可以用于允許用戶監(jiān)測或輸入過程信號(hào)，例如過程變量、控制信號(hào)(設(shè) 定點(diǎn)、校準(zhǔn)值、警報(bào)、警報(bào)條件等)。 圖3還示出了可作為單獨(dú)傳感器的振動(dòng)傳感器80，或者，該振動(dòng)傳感器80可以包 括多個(gè)傳感器或組件。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器80通過例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器290和放大器292 耦合至微處理器246。微處理器246可以監(jiān)測感測到的振動(dòng)以及過程信號(hào)(如感測過程變 量)，并提供過程組件的故障或即將到來的故障的指示。例如，微處理器可以將感測到的振 動(dòng)與過程變量之間的關(guān)系同基線值或額定值進(jìn)行比較。類似地，可以將過程變量輸出與感 測到的振動(dòng)進(jìn)行比較，以識(shí)別故障過程變量讀數(shù)。該信息可以存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器248中?；€ 值和額定值可以基于過程的操作模式或其他因素而改變。基線可以是特定的頻譜或簽名， 并可以基于觀察到的過程操作的歷史。此外，由微處理器246執(zhí)行的診斷可以基于感測到 的振動(dòng)和感測到的過程變量中的趨勢。例如，感測到的振動(dòng)和感測到的過程變量中的隨時(shí) 間逐漸或突然的增加、周期性的尖峰或其他異?？梢允沁^程組件的故障或即將發(fā)生的故障 的指示。類似地，如果感測到的振動(dòng)和感測到的過程變量之間的關(guān)系突然改變，則微處理器 246可以提供指示過程組件可能發(fā)生故障或已發(fā)生故障的診斷輸出。這些值、趨勢或訓(xùn)練簡 檔(profile)也可以存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器248中。診斷可以基于比較、或更復(fù)雜的數(shù)學(xué)技術(shù)(例
7如，觀察測量的平均值或滾動(dòng)平均值)、模糊邏輯技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或基于一系列規(guī)則和 /或閾值比較的專家系統(tǒng)技術(shù)。在各個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供預(yù)測性診斷的能力是有利的， 這是由于本發(fā)明提供了時(shí)間以供服務(wù)人員在過程組件最終發(fā)生故障之前服務(wù)于該過程組 件。 圖3還示出了耦合至微處理器246的撞擊器291。撞擊器291可以是可選的 組件并可以包括被配置為向變送器240引入加速度的任何元件。例如，裝有彈簧的錘 (spring-loaded hammer)可以由微處理器、螺線管、具有偏重(offset weight)的電動(dòng)機(jī)等 來激活。這可以向變送器240提供已知的加速度信號(hào)，以用于診斷或用在外部加速度源不 可用的配置中。 本發(fā)明的診斷輸出可以用于提供輸出信號(hào)，提供本地指示給操作者，或者提供用 于傳輸至控制室的通信信號(hào)或提供其他診斷通告。 如上所述，診斷是采用感測到的振動(dòng)和感測到的過程變量的技術(shù)的函數(shù)。例如，診 斷可以利用信號(hào)之間的關(guān)系在一段時(shí)間內(nèi)的趨勢。關(guān)于過程變量信號(hào)，可以將該信息與軸 承或泵組件的磨損相關(guān)。此外，診斷電路可以用于將振動(dòng)信號(hào)和感測到的過程變量與在工 業(yè)過程操作期間發(fā)生的各個(gè)過程或事件相關(guān)。例如，侵蝕性的化學(xué)反應(yīng)可以具有特定的振 動(dòng)簽名以及過程變量中的相關(guān)變化。在一些實(shí)施例中，感測到的過程變量和振動(dòng)之間的關(guān) 系(例如，兩者之間的變化關(guān)系)可以提供診斷條件的指示，例如正在發(fā)生故障或以某種方 式發(fā)生變化的組件。 —方面，振動(dòng)傳感器的輸出用于使過程變量傳感器的操作有效。例如，可以將壓力 變送器所經(jīng)歷的振動(dòng)與測量到的過程變量的變化相關(guān)。這種關(guān)系是可以隨時(shí)間監(jiān)測的，并 可以用于使過程變量傳感器的正常操作有效。 振動(dòng)傳感器80可以是任何適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)傳感器。 一種已知的振動(dòng)檢測和測量傳感 器是加速度計(jì)。有多種當(dāng)前采用的不同的加速度計(jì)技術(shù)，包括電容式、電動(dòng)式、壓電式等等。 加速度計(jì)產(chǎn)生與感測到的振動(dòng)相關(guān)的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)可以與振動(dòng)的強(qiáng)度或振動(dòng)的頻率 具有線性的或其他的關(guān)系。另一示例診斷傳感器可以在MEMS配置中體現(xiàn)，其中利用懸臂來 感測振動(dòng)。 壓電式加速度計(jì)是相對(duì)堅(jiān)固耐用的，并具有覆蓋較大音頻范圍的、數(shù)十kHz量級(jí) 的寬信號(hào)帶寬。 一個(gè)示例傳感器由PCBPiezoelectronics提供，并被標(biāo)識(shí)為MI傳感器系列 660，這是低成本可嵌入式加速度計(jì)的家族。各種可用配置包括具有信號(hào)處理的兩線配置、 沒有信號(hào)處理的兩線配置以及三線低功率。例如，低功率配置在擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行操 作，并可以直接安裝至經(jīng)歷寬溫度變化的過程。在例如3伏和5伏DC之間施加激勵(lì)電壓， 并且穿過傳感器的電流是750微安培的量級(jí)。 另一示例加速度計(jì)是由Motorola提供的MMA系列。這些加速度計(jì)包括各種配置， 例如表面安裝集成電路封裝、溫度補(bǔ)償、積分信號(hào)調(diào)節(jié)和濾波、自測試和故障鎖存能力。這 些加速度計(jì)使用電容式感測技術(shù)，電容式感測技術(shù)可以被建模為具有在其間可移動(dòng)的板的 兩個(gè)靜止板。當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷加速時(shí)，中心板從其平衡位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 可以與本發(fā)明一起使用任何適當(dāng)類型的加速度計(jì)。例如，電容式加速度計(jì)使用 金屬波束或微型機(jī)械特性，其產(chǎn)生響應(yīng)于加速度而改變的可變電容。壓電式電傳感器使 用安裝至設(shè)備的壓電式監(jiān)測器。加速度與壓電晶體的電壓輸出相關(guān)。壓阻式傳感器可以例如使用波束或微型機(jī)械特性，其具有響應(yīng)于加速度而改變的電阻?；魻栃?yīng)傳感器使 用通過感測磁場中的變化來將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的配置。可以使用各種類型的三接入式 (tri-access)加速度計(jì)。例如， 一種這樣的加速度計(jì)是Okidata ML8950。另一示例設(shè)備可 從如AVXL330之類的模擬設(shè)備獲得。 使用三接入式加速度計(jì)，根據(jù)本發(fā)明的變送器可以被配置為利用兩個(gè)分離的診斷 測量。變送器可以利用加速度計(jì)的輸出以及過程變量傳感器(如壓力傳感器)的輸出?？?以對(duì)來自這兩個(gè)設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行比較以產(chǎn)生唯一的系統(tǒng)診斷。例如，在壓力變送器中，可以 并入加速度計(jì)。加速度計(jì)是可以使用手動(dòng)輸入來激活(例如，由操作者用錘或另一重物來 撞擊)的?？梢匝刂鴫毫鞲衅鞯母袦y隔膜的軸來引導(dǎo)該沖擊。這種未校準(zhǔn)的沖擊將使加 速度計(jì)測量加速度并使壓力傳感器測量壓力脈沖。如果兩個(gè)輸出都被檢測到，則診斷可以 確認(rèn)設(shè)備的正常操作。 作為上述配置的另一實(shí)施例，可以將過程變量傳感器和加速度計(jì)的輸出的波形或 其他方面進(jìn)行比較。例如，在一些配置中，響應(yīng)于變送器上的撞擊或其他沖擊，可以在壓力 傳感器的輸出與加速度計(jì)的輸出之間觀察到線性關(guān)系。這些響應(yīng)的變化可以提供故障(例 如，充油流體的損失)的指示。 在一個(gè)示例中，裝有彈簧的沖壓器(punch)用于向設(shè)備提供校準(zhǔn)的撞擊。然而， 可以使用任何期望類型的校準(zhǔn)撞擊。在這種配置中，可以在診斷算法以及過程變量傳感器 和加速度計(jì)的輸出中使用撞擊的數(shù)值。在另一配置中，在診斷中應(yīng)用多個(gè)校準(zhǔn)的撞擊。例 如，可以使用不同數(shù)值的撞擊，并且可以對(duì)過程變量和加速度計(jì)的輸出中產(chǎn)生的變化進(jìn)行 比較。 在另一示例配置中，環(huán)境能量用作"撞擊"的源。例如，可以使用水錘效應(yīng)、泵脈動(dòng) 或機(jī)械振動(dòng)。例如，兩個(gè)不同的水錘可以產(chǎn)生可用作校準(zhǔn)檢驗(yàn)的兩個(gè)不同比較。還可以提 供對(duì)變送器正在根據(jù)性能規(guī)范而工作的指示。 在另一示例中，恒定振動(dòng)造成了傳感器過程變量中的偏移(例如感測到的壓力中 的偏移)。例如，將壓力傳感器耦合至過程的濕管(wetleg)中的振動(dòng)使壓力傳感器指示增 大的壓力。在一些配置中，壓力傳感器充當(dāng)?shù)屯V波器和整流器，使得脈動(dòng)顯現(xiàn)為壓力偏 移?？梢允褂眠^程變量以及監(jiān)測到的加速度來執(zhí)行診斷。此外，監(jiān)測到的加速度也可以用 于補(bǔ)償過程變量，使得使用例如圖3所示的微處理器246從過程變量測量中去除由振動(dòng)造 成的偏移。 加速度計(jì)80可以安裝在任何適當(dāng)位置。加速度計(jì)可以安裝至變送器的外殼，或例 如直接安裝至過程變量傳感器(例如直接安裝至壓力傳感器)。然而，在壓力模塊中典型地 隔離壓力傳感器，并且在一些配置中，壓力傳感器可以與振動(dòng)(例如施加給變送器的撞擊) 隔離。加速度計(jì)的外殼和放置可以被設(shè)計(jì)為增強(qiáng)對(duì)特定類型的振動(dòng)的感受性，或其他的考 慮。為了獲得由加速度傳感器感測到的加速度的詳細(xì)簡檔，可以利用高速數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的步驟的簡化框圖300。在框302處啟動(dòng)流程圖 300，并在框304處監(jiān)測過程變量。在框306處，監(jiān)測加速度?？?04和306可以順序地、并 行地、次序顛倒地或在包括部分重疊的監(jiān)測時(shí)段在內(nèi)的任何時(shí)間發(fā)生。在框308處，將診斷 作為監(jiān)測到的過程變量以及監(jiān)測到的加速度的函數(shù)來執(zhí)行。可以基于存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器248中 的編程指令，在圖3所示的微處理器246中執(zhí)行這些診斷。診斷可以根據(jù)其中為了確定過程組件的條件或即將發(fā)生的條件、過程的操作、過程內(nèi)的設(shè)備或元件的操作等而將兩個(gè)監(jiān) 測到的值進(jìn)行比較的任何適當(dāng)技術(shù)。示例包括基于規(guī)則的技術(shù)、模糊邏輯技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)、人工智能技術(shù)等等。在一種配置中，微處理器246使用監(jiān)測到的加速度來補(bǔ)償由于變送 器或耦合至變送器的組件的加速度而引起的測量到的過程變量中的誤差。例如，可以在一 些配置中使用監(jiān)測到的加速度來去除感測到的過程變量中的偏移。在框310處，提供與診 斷相關(guān)的可選輸出?？梢岳缤ㄟ^在兩線過程控制回路18上進(jìn)行通信，或使用其他通信技 術(shù)(如RF或無線技術(shù))，按照期望將該輸出傳輸至遠(yuǎn)程位置。此外，可以通過有線或無線 連接，在操作者本地或在鄰近設(shè)備(如測試設(shè)備)本地提供輸出。在框312處，可選地，通 過返回至框302來重復(fù)上述過程步驟。在一種配置中，監(jiān)測加速度框306包括激活撞擊器 391或其他加速度源。 在一種配置中，圖4所示的步驟是可以基于用戶輸入來激活的。例如，操作者可以 通過經(jīng)由使用兩線過程控制回路18的通信或其他技術(shù)將適當(dāng)信號(hào)提供給變送器340，來啟 動(dòng)框圖300的操作。在這種配置中，設(shè)備可以被配置為指示操作者在框306處、在監(jiān)測加速 度的同時(shí)將加速度施加給變送器240 。例如，可以指示操作者在特定位置或沿特定軸撞擊變 送器。 本發(fā)明提供了用于在過程控制監(jiān)測系統(tǒng)的過程設(shè)備中執(zhí)行診斷或補(bǔ)償?shù)亩喾N技 術(shù)。例如，可以使用加速度計(jì)來測量導(dǎo)致設(shè)備的加速的外部影響，即人工的(例如錘擊)或 環(huán)境的(例如水錘或機(jī)械振動(dòng))影響。使用加速度計(jì)(例如，單軸、雙軸或三軸加速度計(jì)) 和過程變量傳感器(例如壓力傳感器)來測量該加速度的效果。這兩個(gè)測量可以用于診斷 操作，例如驗(yàn)證變送器的正常操作。在其他配置中，操控這兩個(gè)測量到的信號(hào)，例如，可以觀 察這兩個(gè)信號(hào)的比率，并將這兩個(gè)信號(hào)的比率與校準(zhǔn)的外部影響的數(shù)值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證 變送器的操作。使用這兩個(gè)信號(hào)的比率以及這兩個(gè)信號(hào)的數(shù)值、以及外部影響的數(shù)值以及 外部影響的數(shù)值的比率，可以使用其他技術(shù)來驗(yàn)證變送器的操作。除了驗(yàn)證操作，可以使用 加速度信號(hào)來實(shí)時(shí)地執(zhí)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。通過監(jiān)測和分析信號(hào)，變送器可以提供關(guān)于狀態(tài)的 通知或警報(bào)。可以按期望來定位加速度計(jì)，例如與過程變量傳感器(如壓力傳感器)或同 傳感器相關(guān)聯(lián)的電子裝置相鄰地裝配。例如，基于電容的加速度計(jì)可以集成在現(xiàn)有或改進(jìn) 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(例如，電容-數(shù)字集成電路)中。三軸加速度計(jì)可以用于執(zhí)行多種功能， 包括測量振動(dòng)作為診斷工具、測量設(shè)備傾角作為用于自動(dòng)補(bǔ)償壓力測量中的頭效應(yīng)(head effect)的手段、與對(duì)過程變量傳感器的影響相比測量對(duì)設(shè)備的影響以用在變送的驗(yàn)證中、 和/或測量加速度以補(bǔ)償加速度壓力偏移。加速度源可以集成至例如裝有彈簧的沖壓器機(jī) 械裝置等設(shè)備中。該機(jī)械裝置可以由操作者開動(dòng)，或可以由變送器中的電路自動(dòng)地開動(dòng)。在 另一種配置中，將機(jī)械或壓力外部影響結(jié)合至將變送器耦合至工業(yè)過程的過程連接中。加 速度計(jì)可以直接連至過程變量傳感器，以創(chuàng)建這兩個(gè)信號(hào)之間更加可預(yù)測的關(guān)系。
在一種配置中，加速度計(jì)可以被配置為測量加速度輸入的基于時(shí)間的周期性。如 果加速度影響了過程變量測量(如壓力測量)精度，則在"安靜"間隔期間進(jìn)行的測量可以 被視為提供更高精度。當(dāng)加速度計(jì)測量可造成測量中的誤差的較大加速度輸入時(shí)，這種系 統(tǒng)可以例如保存最近的"良好"值。在另一示例中，在一些配置中，測量到的過程變量的增 大(例如，流速的增大)還與振動(dòng)的增大(例如，增大的泵脈動(dòng)或更高幅度的管道振動(dòng))相 對(duì)應(yīng)?？梢詫碜约铀俣扔?jì)中的過程變量"壓力"傳感器的信號(hào)進(jìn)行比較，作為附加診斷，
10以在測量到的過程變量中提供更多置信度。 盡管參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在不脫離本 發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以在形式和細(xì)節(jié)上作出改變。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明可以 在任何類型的過程設(shè)備中實(shí)現(xiàn)?？梢允褂萌魏晤愋偷奶幚砥?，包括使用金屬波束或微型 機(jī)械特性的基于電容式的加速度計(jì)，該金屬波束或微型機(jī)械特性產(chǎn)生關(guān)于加速度而改變的 電容；使用安裝成塊的晶體的壓電式傳感器；其中例如波束的電阻基于加速度而改變的壓 電式傳感器；根據(jù)改變的磁場的、基于霍爾效應(yīng)的傳感器等等。本發(fā)明的診斷電路可以在 任何適當(dāng)組件中實(shí)現(xiàn)。例如，該電路可以在微處理器及關(guān)聯(lián)組件和編程指令中實(shí)現(xiàn)，或可以 包括其他組件或?qū)嵤├?。示例加速度傳感器包括電容式、電?dòng)式、壓電式和微電子機(jī)械系統(tǒng) (MEMS)。
權(quán)利要求
一種用在工業(yè)過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)中的過程變量變送器，包括過程變量傳感器，具有與過程變量相關(guān)的傳感器輸出；耦合至變送器的加速度計(jì)，具有與加速度相關(guān)的加速度計(jì)輸出；以及診斷電路，具有作為傳感器輸出和加速度計(jì)輸出的函數(shù)的診斷輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，包括變送器外殼，其中，所述加速度計(jì)耦合至所述變送 器外殼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述加速度計(jì)鄰近于所述過程變量傳感器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述加速度計(jì)包括三軸加速度計(jì)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述過程變量傳感器包括壓力傳感器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，包括被配置為耦合至過程控制回路的通信電路。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，在過程控制回路上傳輸來自診斷電路的診斷輸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述診斷輸出與過程組件的故障相關(guān)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述診斷輸出與過程組件的性能退化相關(guān)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述診斷輸出與過程組件的即將發(fā)生的故障相關(guān)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述診斷輸出用于補(bǔ)償所述過程變量。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述診斷輸出是基于規(guī)則的。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述診斷電路實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊邏輯。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述加速度傳感器是從包括電容式、電動(dòng)式、壓 電式和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的一組加速度傳感器中選擇的。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述診斷電路被配置為控制施加給過程控制變 送器的加速度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，包括被配置為對(duì)所述變送器造成沖擊的撞擊器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述加速度計(jì)被配置為感測由操作者施加的加 速度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述加速度計(jì)被配置為感測施加給所述變送器 的校準(zhǔn)的加速度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述診斷電路被配置為對(duì)施加給所述變送器的 多于一個(gè)的校準(zhǔn)的加速度中的加速度進(jìn)行比較。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述過程變量變送器被配置為基于感測到的加 速度來控制過程變量的輸出。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述加速度計(jì)被配置為感測環(huán)境加速度。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述環(huán)境加速度是來自水錘、泵脈動(dòng)和機(jī)械加 速度中的至少一個(gè)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述診斷電路被配置為基于感測到的靜態(tài)加速 度來補(bǔ)償過程變量的輸出。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述加速度計(jì)提供用于診斷、過程變量補(bǔ)償或 操作驗(yàn)證之一的輸出。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，包括被配置為存儲(chǔ)過程變量的存儲(chǔ)器，并且其中，所 述過程變量變送器基于存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的過程變量，提供作為感測到的加速度的函數(shù)的輸 出。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述診斷輸出是傳感器輸出與加速度計(jì)輸出之 間的歷史關(guān)系的函數(shù)。
27. —種用于診斷工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的變送器的操作的方法，包括 使用加速度計(jì)來感測施加給所述變送器的加速度； 測量過程變量；以及基于感測到的加速度來診斷所述變送器的操作或過程擾動(dòng)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述加速度計(jì)耦合至變送器外殼。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述加速度計(jì)鄰近于過程變量傳感器。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述加速度計(jì)包括三軸加速度計(jì)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，感測到的過程變量包括壓力。
32. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，包括在過程控制回路上傳輸診斷信息。
33. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，被診斷的操作與過程組件的即將發(fā)生的故障 相關(guān)。
34. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，包括基于診斷步驟來補(bǔ)償過程變量。
35. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述診斷是基于規(guī)則的。
36. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述診斷是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊邏輯的。
37. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述加速度傳感器是從包括電容式、電動(dòng)式、 壓電式和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的一組加速度傳感器中選擇的。
38. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，包括控制施加給所述變送器的加速度。
39. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，包括感測由操作者施加的加速度。
40. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，包括感測施加給所述變送器的校準(zhǔn)的加速度。
41. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，包括存儲(chǔ)過程變量，并且其中，基于所存儲(chǔ)的過程 變量，提供作為感測到的加速度的函數(shù)的輸出。
全文摘要
一種用在工業(yè)過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)中的過程變量變送器(12)，包括變送器外殼以及具有與過程變量相關(guān)的傳感器輸出的過程變量傳感器(72)。加速度計(jì)(80)耦合至變送器并提供與加速度相關(guān)的加速度計(jì)輸出。診斷電路(82)提供作為傳感器輸出和加速度計(jì)輸出的函數(shù)的診斷輸出。
文檔編號(hào)G05B23/02GK101772745SQ200880102161
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2008年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者弗雷德·C·西特勒, 羅伯特·C·黑特克 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司