DK164720B - Apparat til kalibrering af trykmaaleinstrumenter - Google Patents

Description

DK 164720B

-1-

Opfindel sen angår et trykmåleinstrument med et væskefyldt rum afgrænset af to membraner med en kalibreringsenhed, som omfatter et hulrum og en kugleformet genstand, som kan bevæges i hulrummet under dannelse af et referencetryksignal.

5 Instrumenteringssystemer til anvendelse under industrielle proces ser har anvendt udstyr af forskellig slags til måling af væsketryk, især differenstryk, som frembringes hen over en blænde i et strømningsrør med henblik på udvikling af et væskestrømnings-hastighedssig-nal. I mange år har sådanne instrumenter typisk bestået af en diffe-10 renstrykmåler af kraft-ligevægt typen, som fx. kendt fra US-patent-skrift 3.564.923. Nyere målere med bedre ydeevne er blevet udviklet, hvor der ikke anvendes kraft-ligevægt teknik. Fx. viser US-patentskift nr. 4.165.651 en udformning, hvor en svingende streng, som spændes i overensstemmelse med det differenstryk, som måles, således at frekven-15 sen for vibrationen frembringer et præcist mål for differenstrykket. I handelen findes yderligere apparater, som er baseret på differensprincipper, som fx. anvendelsen af strain-gauge-integrerede kredsløb til aftastning af påførte tryk.

Trykmåleinstrumenter installeres ofte på steder, hvor de er gen-20 stand for stærkt varierende miljøpåvirkninger, som fx. skiftende omgivelsestemperaturer. Det er derfor ikke usædvanligt for instrumentet, at nulstilling og kalibrering driver eller forskydes på anden måde, hvilket resulterer i fejlagtige målinger. Eftersom instrumenterne hyppigt er på steder, som ikke er egnede til rutinevedligeholdelse, kan nul-25 stillings- og kalibreringsfejl ofte ikke korrigeres let af driftspersonalet. Kalibrering af instrumenter af den slags, som hidtil har været anvendt, har endvidere omfattet relativt komplekse og tidsforbrugende metoder.

Som følge af vigtigheden af at minimere målefejl er der blevet 30 fremsat forskellige forslag til løsning eller forbedring af disse problemer. Fx. findes der nu fjernstyrede nulstillingsinstrumenter til anvendelse med differenstryk-målere. Sådanne instrumenter omfatter en fjernstyret trykmanifold, som, efter ordre, blokerer lavtryksproceslinien og åbner højtryksproceslinien til højtryks- og lavtrykssiderne i 35 måleren, hvorved der fremstilles en nul differenstryk-tiIstand. Hvis må- t - 2 -

DK 164720 B

lerens udgangssignal under sådanne forhold afviger fra det, som indikerer nuldifferenstryk, gemmes fejlen i en hukommelse og anvendes derpå (ved hjælp af en mikroprocessor) til korrektion af udgangssignalet, når målingen gentages.

5 En sådan fjern-nul sti Π i ng af instrumentet korrigerer imidlertid ikke for fejl i kalibreringen. For således at undgå virkninger af sådanne fejl er der blevet frembragt differenstryk-målere, som omfatter et eller flere tilstandsaftastende elementer (som fx. temperatur- og statiske tryksensorer), der er anbragt med henblik på at virke med ti 1-10 hørende indretninger til automatisk justering af målerens udgangssignal som reaktion på ændringer i de målte forhold.

Målerens udgangssignal kan fx. ændres kontrollerbart i overensstemmelse med en prediktiv algoritme, som er lagret i en mikroprocessor, som udgør en del af instrumentet.

15 Skønt et sådant kompensatorarrangement forbedrer nøjagtigheden i trykmålingen, har det ikke på tilfredsstillende måde løst problemet.

Dette skyldes til dels, at sådanne teknikker ikke er i stand til at opnå den ønskede nøjagtighed, især fordi der stadig findes andre ukompen-serede variable. Behovet for instrument-rekalibrering fra tid til anden 20 er således ikke elimineret. Et sådant kompensatorarrangement er endvidere relativt kostbart at tage i anvendelse.

Fra DE-offentliggørelsesskrifter 19 48 220 og 22 61 787 og fra SE-fremlæggelsesskrift 305 333 er det kendt ved en kalibreringsenhed, hvor der skal frembringes et referencetryk, at benytte en vægtaktiveret try-25 kreference, der fx. enten kan være være udformet som en cylinder og en kugle, som vekselvirker med cylinderen, eller som en cylinder med et stempel til dannelsen af et referencetryksignal. Ved sådanne kendte arrangementer kan der imidlertid opstå temperatur- eller statiske trykforskelle mellem kalibreringsenheden og selve måleenheden, hvorfor en 30 kalibrering med sådanne arrangementer ikke har en tilstrækkelig nøjagtighed.

Opfindelsen har derfor til formål at fjerne de kilder til unøjag-tigheder, som kan opstå som følge af temperatur- eller statiske trykgradienter mellem kalibreringsenhed og måleenheden.

35 Ved et trykmåleinstrument med et væskefyldt rum afgrænset af to - 3 -

DK 164720 B

membraner med en kalibreringsenhed, som omfatter et hulrum og en kugleformet genstand, som kan bevæges i hulrummet under dannelse af et refe-rencetryksignal, foreslås det derfor ifølge opfindelsen, at kalibreringsenheden udnytter det i og for sig kendte princip med en faldende 5 kugle, og hvor kalibreringsenheden ved hjælp af ledningsrør er anbragt mellem områderne bag de to membraner og benytter den samme væske, som fylder mellemrummet mellem membranerne.

Kalibreringsenheden omfatter et lodret orienteret, cylindrisk rør, som indeholder væsken og den kugleformede genstand, som i den forelig-10 gende udformning er en massiv metalkugle. Metalkuglen i røret kan løftes til toppen af røret (ved hjælp af et eksternt udviklet magnetisk felt) og derpå frigøres. Kuglen falder under påvirkning af tyngdekraften gennem væsken og frembringer en trykpuls med i det væsentlige konstant størrelse over størstedelen af faldvejen. Trykpulsen anvendes som 15 et referencetryk til indstilling af kalibreringen af instrumentet ved justering af det elektroniske kredsløb, som udgør en del af instrumentet, eller som er anbragt i afstand fra instrumentet.

En vigtig fordel ved denne opfindelse er, at den muliggør fjernkalibrering af instrumentet. En sådan kalibrering er endvidere meget nøj-20 agtig og kan udføres, medens instrumentet er under statisk procestryk.

Andre udformninger og fordele ved opfindelsen fremgår af den følgende beskrivelse i forbindelse med tegningerne. På tegningen viser: fig. 1 en delvis snitgengivelse af en differenstrykmåler udsty-25 ret med kalibreringsorganer ifølge den foreliggende op findelse, fig. 2 et lodret snit gennem instrumentet vist på fig. 1, fig. 3 et detaljeret lodret snit gennem rør-og-magnetisk-kugle-indretningen vist på fig. 2, 30 fig. 4 et tværsnit efter linien 4-4 på fig. 3, og fig. 5 et diagram over signal transmissionskredsløbet til diffe-renstryk-måleren på fig. 1.

På fig. l vises en differenstryk-celle 20, som principielt lig-35 ner den, som angives i US-patentskrift nr. 4.165.651. Denne celle 20 er - 4 -

DK 164720 B

indrettet til at modtage lave og høje procestryk fra ledninger 22 og 24, som er forbundet gennem endepladerne 26 og 28 i cellen* En med ventiler udstyret manifold 30 styrer anvendelsen af disse procestryk. Under instrumentets normale drift vil mani fold-passageventilen 32 være 5 lukket, og lav- og højtryks manifoldventilerne 34 og 36 vil være åbne for at forbinde de pågældende ledninger til processen, dvs. til ned-strøms- og opstrømssiderne på en blænde i et rør med en strømmende væske.

Den indre enhed 40 i differenstryk-cellen består af membraner 42 10 og 44, som er indrettet til at modtage og reagere på henholdsvis det lave procestryk og det høje procestryk. Den venstre membran 42 er en såkaldt arealmembran, som har et specifikt, bestemt effektivt areal.

Den anden membran 44 er en slap membran, som har en fjederkonstant, som er så lav som mulig (ideelt nul). Disse to membraner udgør sammen med 15 den tilhørende indre struktur et forseglet indre trykkammer, som rummer en væske, fx. silikoneolie af relativt lav viskositet.

Differenstrykket, som påføres påfyldningsvæsken af membraner 42, 44, er indgangssignalet til instrumentet og frembringer en tilsvarende spændkraft på en svingende streng 46, således at strengen vil vibrere 20 ved en frekvens, som er afhængig af differenstryk-indgangssignalet. Den svingende streng er forbundet ved hjælp af elektriske ledninger (ikke vist) til et elektronisk kredsløb, som er anbragt i et øvre husmodul delvis vist ved 48. Dette kredsløb kan være udformet som angivet i patentskrift 31.416, og det frembringer et tilsvarende udgangssignal, som· 25 er egnet til transmission til fjerne destinationer. Et sådant signal kan være i form af et vekselstrømssignal eller et jævnstrømssignal, fx. i området mellem 4 og 20 mi 11 iampere.

1 den oprindelige differenstrykcelle vist i US-patentskrift 4,165, 651 var områderne 50 og 52 med væske mellem membranerne 42, 44 og dis-30 ses bagplader 54, 56 indbyrdes forbundet med en fælles passage, som direkte forbandt disse to områder. Efterhånden som det påførte differenstryk ændrer sig, kan noget af væsken overføres fra den ene region til den anden, efterhånden som membranerne reagerer på det ændrede tryk. I konstruktionen vist på fig. 2 er væskeområderne 50 og 52 stadig i for-35 bindelse, men nu omfatter forbindelsesvejen en serielt koblet referen- - 5 -

DK 164720 B

cetrykindretning 60. Denne indretning, som skal ‘forklares detaljeret senere, er i stand til at frembringe en nøjagtig og repeterbar trykpuls af konstant størrelse til kalibreringsformål i området 50 tæt ved arealmembranen 42.

5 Denne referencetryk-indretning 60 består principielt af et lodret anbragt, cylindrisk rør 62 (se også fig. 2), som indeholder en massiv, tæt kugle 64 af magnetiserbart (dvs. magnetisk attraktivt) materiale, som fx. kobolt. Denne nedre ende af røret 62 er forbundet ved hjælp af en ledning 66 til det væskefyldte område 50 tæt ved arealmembranen 42, 10 medens toppen af røret er forbundet ved hjælp af en anden ledning 68 til den væskefyldte region 52 tæt ved den slappe membran 44. Et påfyldningsrør 70 kan anvendes til påfyldning af væske.

Omkring røret 62 er der anbragt en solenoidevinding 72, som kan forsynes med energi ved hjælp af en elektrisk strøm med henblik på at 15 frembringe et magnetisk felt med tilstrækkelig styrke i røret til at løfte kuglen 64 til det øverste af røret som vist ved 64A. Et beskyttelsesrør 74 er anbragt der af hensyn til ledningerne (ikke vist), der fører til vindingen.

Når vindingen 72 passiviseres, vil kuglen falde ned under indfly-20 delse af tyngdekraften, således at den bevæger sig gennem påfyldningsvæsken i røret og frembringer en trykpuls, som overføres til den væskefyldte region 50 tæt ved arealmembranen 42. Som anført ovenfor kan denne puls anvendes til kalibreringsformål. Ved afslutningen af faldet vil kuglen komme til at hvile på en radialt spaltet endeplade 76 (fig. 2), 25 der er anbragt for at forhindre kuglen i at afspærre væskens forbindelse mellem regionerne 50 og 52. En lignende endeplade 78 findes i den øvre ende af røret.

For at udføre en kalibrering påvirkes manifolden 30 først for at åbne passageventilen 32 og lukke lav- og højtryksventilerne 34 og 36 30 (ventilåbninger og lukninger sker i rækkefølge i overensstemmelse med kendte teknikker). Dette frembringer et nuldifferenstryk som indgangssignal til instrumentet, medens processens statiske tryk aflæses ved begge membraner 42 og 44. Instrumentets nulpunkt kontrolleres derpå, og det indstilles, hvis det er nødvendigt under anvendelse af kendte tek-35 nikker.

DK 164720B

- 6 -

Solenoidevindi ngen 72 tilføres derpå energi med henblik på at løfte kuglen 64, som, når den frigøres, daler gennem væsken under påvirkning fra tyngdekraften og frembringer referencetrykpulser over areal -membranen 42. Udgangssignalet fra differenstryk-måleren overvåges under 5 dette forløb, og hvis udgangssignalpulsen afviger i størrelse fra den korrekte værdi, justeres det elektroniske justeringskredsløb (se patentskrift 31.416) for at fastsætte udgangssignalet til den korrekte værdi.

Trykpulsen, som frembringes af den faldende kugleindretning 60, 10 frembringer et meget nøjagtigt signal til kalibreringsformål. Den resulterende trykpuls er af i det væsentlige konstant størrelse under en stor del af kuglebevægelsen med meget stor repeterbarhed til mange påvirkninger over relativt store perioder. Desuden er størrelsen af tryk-pulsen upåvirket af ændringer i viskositeten, der eventuelt måtte kunne 15 fremkaldes ved temperaturændringer.

Skønt den lodrette falddistance for kuglen 64 i denne udformning er relativt kort (fx. 2,56 cm), daler kuglen ikke desto mindre tilstrækkeligt langsomt til at frembringe en puls af væsentlig varighed.

Fx. kan en kugle på 6,4 mm frembringe en konstant amplitude-trykpuls, 20 som varer omtrent 20 sekunder i en væske, som har en viskositet på omkring 5 centistokes. Skønt ændringer i væskens viskositet, som ændrer sig ved temperaturen, også vil ændre kuglens faldhastighed, og således ændrer varigheden af trykpulsen, vil pulsvarigheden i praktisk udformi ng altid være tilstrækkelig til kalibreringsformål.

25 Eftersom viskositeten er temperaturafhængig, kan pulsvarigheden om ønsket måles som en indikation for instrumentets temperatur. En sådan • temperaturinformation kan anvendes til forskellige formål, fx. til procesdiagnostik.

Et instrument, som anvender en svingende streng som det følende 30 element (som beskrevet her), behøver ikke en væske med relativt lav viskositet, for at strengen skal fungere rigtigt. Andre typer af dif-ferenstryk-målere behøver dog ikke at være begrænset således, og viskositeter på 100 centistokes eller derover kan være anvendelige. Det er· vigtigt i hvert tilfælde, at lysmålet mellem kuglen og væggen i røret 35 er ret lille, fx. omkring 6,4 ym for en 6,4 mm kugle. Det skal også be-

DK 164720B

- 7 - mærkes, at skønt udformningen beskrevet her omfatter en kugleformet genstand til frembringelse af den ønskede trykpuls, kan andre genstande med forskellige former anvendes til at tilvejebringe et sådant resultat, forudsat at der eksisterer et rimeligt forhold mellem de anvendte 5 tværsnitskonfigurationer, og at der opretholdes en tæt pasning mellem genstanden og den indre overflade af de omsluttende hulrum.

Eftersom differenstrykindretningen 60 udnytter tyngdekraften på kuglen 64 for at frembringe referencetrykpulsen, vil ændringer i gravitationen på forskellige steder på jorden påvirke størrelsen af refe-10 rencetrykket. Sådanne ændringer kan der imidlertid korrigeres for lige som ved sammentrykkel ige strømningsmålere.

Den foreliggende opfindelse kan anvendes på forskellige måder for at forbedre driften af industrielle procesinstrumentsystemer. Fig. 5 viser en form for et system. Til venstre vises en strømningsmåler 80, 15 som omfatter en basal differenstryk-celle 20, som er monteret med en manifold 30. Denne manifold kan betjenes af en fjernstyret solenoide 82 og modtager lav- og højtryks signaler gennem ledningerne 84, 86, som er forbundet til nedstrøms og opstrøms siderne på en blænde (ikke vist) i et procesrør 88, som rummer en strømmende væske. Sammen med differens-20 tryk-cellen findes en referencetrykindretning 60, som beskrevet ovenfor, omfattende en solenoidevinding 72, som kan energi forsynes på afstand med henblik på at udføre en kalibrering. Over referencetrykind-retningen 60 ses et øvre husmodul 48, som rummer elektronikkredsløb, som styres af den svingende streng i differenstrykcellen 20 til frem-25 bringelse af vibrationer af denne ved en frekvens, som er proportional med det påførte differenstryk.

Vist i nogen afstand fra strømningsmåleinstrumentet 80 er der anbragt en markstation 90. Denne station omfatter illustrativt signalbehandlingskredsløb 92 forbundet til instrumentets elektronikmodul 40 ved 30 hjælp af et toleder kabel 94. Et sådant signalbehandlingskredsløb kan fx. omfatte signalskalering og/eller signalkarakteriseringskredsløb, som anført fx. i US-patentskrift 4.348.673. Hvis elektronikmodulet 48 ikke omfatter en frekvens/analog-konverter til frembringelse af et jævnstøms-udgangssignal, omfatter signalbehandlingskredsløbet 92 midler 35 til at udføre denne funktion. I alle tilfælde ledes udgangssignalet fra - 8 -

DK 164720 B

signalbehandlingskredsløbet, der passende er et jævnstrømssignal i området mellem 4 milliampere og 20 milliampere, gennem et toleder kabel 96 til et centralt kontrol rum 100 til drift af passende udlæsningsmidler og andre instrumenter, som udgør en del af hele styrefunktionen for 5 hele processen. Den skal bemærkes, at anvendelsen af en indskudt markstation 90 i visse systemer kan undværes, og at funktionerne af denne station kan udføres enten på stedet, hvor måleren er opstillet, eller i styrerumsområdet 100.

Markstationen 90 omfatter også en konventionel manifoldstyreenhed 10 102, som indeholder et omskifterarrangement, som skematisk er anført ved 104, og en elektrisk strømkilde 106. Denne enhed er forbundet ved hjælp af et toleder kabel 108, som leverer energi til aktivering af manifolden 30, når det er nødvendigt at udføre en kalibrering af dif-ferenstryk-cellen 20. Hvis en markstatipn 90 ikke er omfattet af sy-15 stemet, kan manifoldstyrefunktionen udføres ved måleren eller i styrerumsområdet 100, som antydet ved 102A.

Markstationen 90 omfatter ligeledes en kalibreringsstyreenhed 110, som kan sættes i drift, efter at manifolden 30 er blevet sat til kalibrering. Denne styreenhed 110 er forbundet ved hjælp af et toleder ka-20 bel 112 til solenoidevindingen 72 og omfatter en omskifter, som skematisk er illustreret ved 114, og en elektrisk strømkilde 116 til aktivering af solenoidevindingen 72. Som bemærket ovenfor aktiverer denne re-ferencetrykenheden 60 til at påføre et præcist kontrolleret referencetryk til differenstryk-cellen 20.

25 Den resulterende udgangssignal pul s fra elektronikmodulet 48 over våges ved markstationen, hvilket skematisk illustreres ved en udgangsmåler 118, som er forbundet ved hjælp af ledningerne 120 til det signalbehandlende kredsløb 92 med henblik på at modtage differenstrykud-gangssignalet efter behandling af behandlingskredsløbet. Hvis målerens 30 udgangssignal således, som det udvikles ved markstationen, ikke er korrekt, vil justeringsdelen af det signalbehandlende kredsløb ændres til sikring af, at udgangen vil være korrekt. Hvis en markstation 90 ikke er omfattet af procesinstrumenteringssystemet, vil funktionerne for kalibreringsenheden atter kunne udføres ved måleren eller i styrerumsom-35 rådet 100, som antydet ved 110A.

- 9 -

DK 164720 B

Selv om de tre særskilte signal ledninger 94, 108 og 112 vises på fig. 5 til forbindelse af strømningsmåleren 80 til markstationen 90, kan antallet af sådanne ledninger reduceres under anvendelse af konventionel multipleksing. Det ovenfor nævnte US-patentskrift 4.348.673 vi-5 ser fx. midler til transmission af flere signal informationer over et enkelt sæt ledninger.

Til udøvelse af den foreliggende opfindelse omfatter styrerumsområdet 100 også en til måling af pulsvarigheden bestemt måleindretning 110B, som måler varigheden af kalibreringspulsen, som frembringes af 10 referencetrykenheden 60. En sådan til måling af pulsvarigheden bestemt måleindretning består af kendte midler til frembringelse af et udgangssignal, som repræsenterer kalibreringspulsens varighed, og det kan omfatte et konventionelt måleinstrument med en skala, som er kalibreret til indikering af instrumentets temperatur i overensstemmelse med frem-15 gangsmåden beskrevet i det foregående.

Claims (5)

1. Trykmåleinstrument med et væskefyldt rum afgrænset af to membraner (42, 44) med en kalibreringsenhed, som omfatter et hulrum og en kugleformet genstand (64), som kan bevæges i hulrummet under dannelse af et referencetryksignal, kendetegnet ved, at kalibreringsen- 5 heden udnytter det i og for sig kendte princip med en faldende kugle, og hvor kalibreringsenheden ved hjælp af ledningsrør (66, 68) er anbragt mellem områderne (50, 52) bag de to membraner (42, 44) og benytter den samme væske, som fylder mellemrummet mellem membranerne.

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hulrummet 10 er et rør med cirkulært tværsnit, og at diameteren af den kugleformede genstand er mindre end rørets indvendige diameter.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at kalibreringsenheden omfatter en magnetiserbar enhed i form af en solenoi-de, som omslutter det hulrum, i hvilket den kugleformede genstand bevæ- 15 ger sig under kalibreringen, og at den kugleformede genstand er frem stillet af magnetisk tiltrækkeligt materiale.

4. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den ene membran er en arealmembran, som har en bestemt fjederkarakteristik og et effektivt areal, og at kalibreringstrykket er ført til arealmembranen. 20

5. Apparat ifølge ethvert af de foregående krav, kendeteg net ved, at kalibreringsenhedens udgangssignal er elektrisk, at signalovervågningsmidlerne er forbundet til instrumenter, som modtager udgangssignalet derfra, og at signalmidler ved siden af signalovervågningsmidlerne er koblet til aktiveringsorganerne for at lede det elek-25 triske signal frem dertil til start af referencetrykmidlerne.