[发明专利]质量流控制的诊断

说明书

技术领域

本发明一般地涉及流体处理，具体地涉及用于流控制系统的诊断技术。诊断技术针对流阻塞、腐蚀、机电阀部件的磨损和撕裂、以及其他形式的机电劣化或流控制损伤(impairment)。

背景技术

安全、准确以及具有成本效率的流控制对于大量工业、工程和科学过程而言是关键的。基于质量(mass)的流控制系统在这些领域中具有重大应用，特别是在诸如半导体制造和药物制造之类的应用中，在这些应用中需要精确和绝对的流控制。基于质量的流控制系统的主要优点在于其基本上独立于压力和温度效应而工作，这使得这种系统较少受到环境偏置和相关系统因素的影响，而其他更为传统的流控制技术典型地遭受此种影响。

典型的质量流控制系统包括上游热质量流量计(thermal mass flow meter)和下游阀控制器。热质量流量计包括沿传感器管设置的热源以及(通常两个)温度传感器，例如热电耦或电阻温度器件(RTD)。阀控制器典型地包括阀线圈组件或类似结构，被配置为通过对阀进行定位或激励来控制过程流。

热源和温度传感器热耦合至传感器管，传感器管典型地是与主过程流并行延伸的旁路流管。热源向传感器管中的流体提供热能，从而在温度传感器上建立了差分信号。通过传感器管的流是温度差分的函数，并且总过程流是通过传感器管的流的函数。因此，温度差分信号表征了总过程流率(flow rate)。过程流由阀线圈组件控制，其中阀线圈组件对流传感器下游的阀柱塞(plunger)进行定位。

质量流率和温度差分之间的函数关系由热能守恒以及流传感器的几何形状确定。该关系基本上与流体的压力和温度无关，从而可以对过程流体流进行精确和绝对校准的控制。具体地，基于质量的流控制系统与基于体积、差分压力或速度的系统相比内在地对环境偏置以及其他系统效应不那么敏感。

然而，质量流控制器容易受到与其精确测量和控制机制相关的特定工作损伤。这些损伤包括流阻塞和腐蚀(例如，在传感器管中)，以及机电部件的劣化(特别是在阀控制器中)。因此，质量流控制系统需要定期维护，这在常规上基于运行时间(service hour)、阀循环(cycle)或行程(excursion)次数、以及其他寿命预期相关的测量。

不幸的是，这些测量是系统实际工作状况的间接指标而非直接指标。尽管运行时间和阀循环可能与工作损伤在统计上相关联，即，它们对于任一特定设备的实际物理状况几乎不提供直接指示。这迫使在维护成本和故障风险之间进行折衷，就如同理想化工作寿命预期所表达的那样。

为了找到实际上遭受到工作损伤的设备，这种折衷必定也要求定期更换其他完全能够工作的部件。这不仅是基于工作时间和阀循环的维护程序的特征，而且也是依赖于间接工作指标而非直接工作指标的任意诊断技术的特征。间接技术还可能不能处理大范围可变的工作状况的真实性，而这会严重影响故障概率。

因此，需要更加直接的指示实际工作状况且能够有助于高效、具有成本效率的维护程序的流诊断技术。该技术应直接指示具体的工作状况如流阻塞、腐蚀、磨损和撕裂、机电劣化及其他工作损伤，并应该独立于基于工作寿命预期的间接指标。这种诊断技术还应该可单独应用，而无需参照其他过程设备，并应该容易集成到现有过程控制系统中，而无需实质的修改。

发明内容

流控制系统生成直接指示系统工作状况的诊断输出。该流控制系统包括：流传感器、阀控制器、信号处理器、控制处理器以及接口。流传感器生成表征过程流率的模拟传感器信号，阀控制器根据控制输出来控制流率。信号处理器将模拟传感器信号转换为流信号，所述流信号将流率表征为时间的函数。信号处理器还可生成直接指示流传感器工作状况的流诊断信号。

控制处理器生成作为目标流率或“设定点”的函数的控制输出，并且还可以生成直接指示阀控制器工作状况的控制诊断信号。接口接收代表设定点的输入，发送代表流信号以及代表流诊断信号、控制诊断信号或这两种诊断信号的输出。

流诊断信号可以生成为对流信号进行的统计分析的函数。统计分析典型地包括均值和标准差，且直接代表流阻塞、腐蚀和其他流损伤。控制诊断信号可以生成为相对于流信号针对设定点进行的控制/补偿算法的函数。算法典型地包括比例-积分-微分(PID)例程，并生成诊断信号如阀响应函数，其直接代表阀线圈部件上的磨损和撕裂、机电劣化和其他工作损伤。

流传感器可以是质量流传感器，并且具体地可以是热质量流传感器，其将过程流表征为通过旁路管或传感器管的流的函数。流控制器可以是阀定位器或阀激励器，并且具体地可以是阀线圈组件，其通过定位柱塞来控制过程流。流控制器也可以是科里奥利(Coriolis)质量流量计。