非侵入式传感器系统的制作方法

非侵入式传感器系统的制作方法
【专利摘要】一种非侵入式传感器系统包括设置在过程中以测量不同的输入过程现象的传感器阵列以及使用经验模型来分析传感器测量值以产生未由该传感器阵列中的任意一个传感器直接测量的另一个过程现象的估计值的逻辑单元。该传感器阵列中的传感器可以是非侵入式传感器，该非侵入式传感器以侵入式或非侵入式的方式测量输入过程现象但是关于输出过程现象是非侵入式的，因为这些传感器中的任意一个都没有直接接触表现该输出过程现象的过程流体或过程元素。传感器阵列中的传感器可以是用于产生过程中的不同或相同位置处的特定过程现象的测量值的任意类型的传感器。
【专利说明】非侵入式传感器系统

【技术领域】
[0001] 本专利整体涉及用于采集并且分析过程设备和控制系统性能数据的系统和方法， 并且具体涉及用于实现过程中的增强型非侵入式传感器系统以用于监视、维护和/或控制 活动的系统和方法。

【背景技术】
[0002] 如在化工、石油或其他过程中使用的那些过程工厂监视、维护和控制系统一般包 括一个或多个过程控制器和经由模拟、数字或组合的模拟/数字总线可通信地耦接到至少 一个主机或操作员工作站、维护工作站并且耦接到一个或多个现场设备的输入/输出（1/ 〇)设备。现场设备可以是例如阀、阀定位器、开关和发射器（例如温度、压强和流速传感 器），其执行过程中的过程控制功能，如出于任意原因监视过程变量或其他物理现象、执行 控制功能如打开或关闭阀、测量过程变量等等。过程控制器、监视和维护应用接收用于指示 由现场设备做出的测量的信号，处理该信息以实现监视、控制或维护例程，并且生成控制信 号、维护指令或其他信号，以通过总线或其他通信线路被发送到操作员或现场设备，以例如 监视过程、控制过程的操作或执行维护任务。这样，过程控制器、监视应用和维护应用可以 使用现场设备经由总线和/或其他通信链路执行并且协调监视、控制和维护策略。类似地， 监视和维护应用可以认识到工厂中的问题并且协调工厂中的维护活动，如修理设备、测试 设备、检测执行情况较差的设备、实现校准和其他维护程序等等。
[0003] 可以使得来自现场设备和控制器的过程信息对于由操作员或维护工作站（例如 基于处理器的系统）所执行的一个或多个应用（即软件例程、程序等等）可用，以使得操作 员或维护人员能够执行关于过程的希望的功能，如（例如经由图形用户接口）查看过程的 当前状态、评估过程、（例如经由可视对象图）修改过程的操作、调谐或校准设备等等。许 多过程工厂仪器系统还包括一个或多个应用站（例如工作站），其一般是使用个人计算机、 膝上电脑等等实现的并且其经由局域网（LAN)可通信地耦接到过程控制系统中的控制器、 操作员站和其他系统。每个应用站可以包括图形用户接口，该图形用户接口显示过程控制 信息、监视信息和维护信息，其包括过程变量的值、与过程关联的质量参数的值、过程故障 检测信息和/或过程和设备状态信息。
[0004] 在任意情况中，传感器（又被称为发射器或过程控制设备）通常设置在过程工厂 中的任意位置处，以测量不同的过程参数或过程现象，如温度、压强、液体流量、液体液位等 等。在其他情况中，可以在不同的位置从过程取得采样并且可以离线测试或分析这些采样 以确定其他类型的过程现象，如PH水平、黏性等等。通常，传感器或发射器将测量或确定的 过程参数值提供或发送给网络中的控制例程、维护例程或设备、用户接口或其他设备，以用 于处理和/或显示。
[0005] 由于过程工厂的复杂性，过程工厂一般需要做出大量测量来确保过程安全并且提 供足够的过程控制和监视信息给工厂系统和操作/维护人员。通常，可以在越多的测量点 处获得越多的信息，则可以越好地操作工厂。然而，使用更多仪器的一个障碍在于总安装成 本。这些成本包括与更多测量设备的使用相关联的购买价格、安装成本和系统整合成本。如 果可以降低这些成本，则用户可以承担更多仪器。
[0006] 并且，在如今的过程工厂中使用和安装的大部分传感器本质上是侵入式的，因为 这些传感器必须使它们的一些元件被物理地设置在、连接到或者接触表现出将被传感器测 量的物理现象的过程流体或其他过程元素。就这点而言，在许多工厂情况中，当构造或安 装工厂设备时，仅足够地安装过程参数测量设备例如传感器是实际可行或可能的。在其他 情况中，在工厂中的特定点处安装传感器可能需要工厂设备的重大成本的重大改造。在其 他情况中，不能将传感器放置在传感器可以接触并且因此测量过程流体或过程设备的位置 处，其中，将要测量该位置处的现象。
[0007] 为了减轻这些问题并且使得许多情况中的传感器安装更容易，已经开发大量非侵 入式传感器，其在无须与表现过程现象或者过程现象将被测量的过程流体或过程设备直接 接触的情况下进行操作以测量过程参数或过程现象。例如，已经开发了温度传感器以使用 红外光来检测器皿、壁或流体的温度，而无需传感器与器皿、壁或流体直接接触。当然，还存 在其他类型的非侵入式传感器。结果，非侵入式传感器一般更易于安装并且因此可以降低 与过程工厂中添加更多传感器关联的安装成本。
[0008] 然而，对于所测量的过程变量而言，非侵入式传感器不幸地往往不如传统侵入式 传感器一样准确。因此，虽然使用不需要侵入到过程中而是改为从压强边界的外部或者容 纳器皿的外部做出测量的测量设备可以实质上降低安装和改造成本，但是利用该非侵入式 传感器做出的测量将使得测量较不准确。该事实将反过来使得测量在多个使用中如对于过 程控制目的、维护决策做出目的而言，更受怀疑并且较不期望。


【发明内容】

[0009] -种更易于安装在过程中，如实现在过程工厂中的过程中或者独立的过程中，并 且提供更高的测量准确性的非侵入式传感器架构包括被设置为测量不同输入过程现象的 传感器阵列以及分析传感器测量值以产生未由传感器阵列中的每个传感器直接测量的另 一个或输出过程现象的经验估计的逻辑单元。传感器阵列中的至少一个传感器（并且有可 能是传感器阵列中的所有传感器）是非侵入式传感器，因为虽然它们可以用侵入式或非侵 入式的方式测量输入过程现象，但是它们关于输出过程现象而言是非侵入式的，因为这些 传感器与表现输出过程现象的过程流体或过程元素不直接接触。传感器阵列中的传感器可 以是任意类型传感器（例如温度、振动、压强等等），其产生过程中的相同或不同位置处的 特定过程现象的测量值，这些测量值被逻辑单元用于产生输出过程现象（在本文中又被称 为非侵入式地测量的过程现象）的估计值。输入传感器可以例如全部具有相同类型（例如 温度或振动）以用于测量例如过程中的不同位置处的相同类型的过程现象，或者可以具有 不同类型以用于测量过程中的相同或不同位置处的不同类型的过程现象。由传感器系统确 定的输出过程现象可以与任意或所有输入传感器测量的过程现象的类型（例如流体流量） 相同或不同。
[0010] 因此，概括而言，传感器系统包括多个非侵入式传感器，其被建立为测量一个或多 个类型的过程现象，如温度、压强、流量、振动等等并且被耦接到逻辑引擎。逻辑引擎包括基 于模型或逻辑的估计器，该估计器基于测量和接收的输入过程参数的值来估计输出过程现 象，如流量、温度、压强等等。逻辑引擎然后提供确定的输出过程现象变量值给用户，如控制 例程、用户显示器、维护应用、警报或警告生成器。如果希望，则逻辑引擎还可以基于提供给 它的输入传感器信息来确定多个输入传感器中的一个或更多个的故障或问题。
[0011] 在一个实施方式中，用于在过程中分析过程设备的操作的测量系统包括设置在过 程中的多个传感器，其中，该多个传感器中的至少一个是非侵入式传感器并且其中，该多个 传感器中的每个测量过程中的不同物理过程现象以产生用于指示物理过程现象的传感器 测量值，并且包括可通信地耦接到该多个传感器中的每个以接收传感器测量值的逻辑模 块。在该情况中，逻辑模块包括逻辑引擎和模型，该模型将不同物理过程现象中的每个的值 的测量值与另一个物理过程现象相关，并且逻辑模块在计算机处理器设备上进行操作以使 用模型和传感器测量值确定另一个物理过程现象的值。
[0012] 如果希望，则该多个传感器中的每个设置在过程设备集合中的不同过程设备中， 该过程设备可以是过程控制设备、测量设备或任意其他类型的过程设备，并且逻辑模块设 置在与该过程设备集合中的每个过程设备分离的另一个过程设备中。然而，该多个传感器 中的每个可以设置在该过程设备集合中的不同过程设备中并且该逻辑模块可以设置在该 过程设备集合中的一个过程设备中，使得逻辑模块经由该过程设备集合中的一个过程设备 中的内部通信连接来可通信地耦接到一个传感器并且经由外部通信连接来可通信地耦接 到多个传感器中的一个或更多个其他传感器。
[0013] 另外，逻辑模块可以经由过程控制通信网络、经由近场通信链路或经由射频标识 通信链路耦接到多个传感器中的一个或更多个传感器，并且可以经由射频通信链路向一个 或更多个非侵入式传感器供电。逻辑模块还可以包括另一个逻辑引擎，以使用模型基于例 如来自多个传感器的传感器测量值的比较来检测多个传感器中的一个或更多个传感器的 潜在故障。如果希望，则模型可以是主成分分析模型、部分最小二乘模型或任意其他类型的 经验模型。
[0014] 另一个物理过程现象可以是与由该多个传感器中的任意一个测量的任意物理过 程现象的类型不同的物理过程现象，并且该多个传感器中的每个可以测量相同或不同类型 的物理过程现象。并且，另一个物理过程现象可以与由该多个传感器中的至少一个测量的 物理过程现象的类型相同，但是涉及与由该多个传感器中的至少一个测量的物理过程现象 不同位置处的物理过程现象类型。类似地，另一个物理过程现象可以是与由该多个传感器 中的任意一个测量的物理过程现象不同类型的物理过程现象，但是涉及与由该多个传感器 中的至少一个测量的物理过程现象的相同物理位置。并且，如果希望，则该多个传感器中的 两个或更多个可以测量相同物理位置处的不同类型的物理过程现象并且/或者该多个传 感器中的两个或更多个可以测量过程中的不同物理位置处的相同类型的物理过程现象。
[0015] 此外，该系统可以包括可通信地连接到逻辑模块以接收另一个物理过程现象的确 定值的主机设备，并且，该逻辑模块可以使用第一通信技术可通信地耦接到该多个传感器 中的一个或更多个，并且使用与第一通信技术相同或不同的第二通信技术可通信地耦接到 该主机设备。
[0016] 在另一个实施方式中，一种用于确定物理过程参数的方法包括：测量过程中的多 个不同物理过程现象，以产生用于指示每个物理过程现象的测量值；将每个该测量值经由 通信链路发送到逻辑模块；使用计算机设备利用用于将该不同物理过程现象中的每个物理 过程现象与另一个物理过程现象相关的模型来处理该测量值，以使用该模型和传感器测量 值来确定该另一个物理过程现象的值。此后，该方法将该另一个物理过程现象的值作为该 物理过程参数发送到主机设备。
[0017] 在另一个实施方式中，一种用于过程中的过程测量系统，包括：设置在该过程中的 多个非侵入式传感器，其中，每个非侵入式传感器测量该过程中的不同物理过程现象，以产 生用于指示物理过程现象的传感器测量值；并且包括设置在可通信地耦接到该多个非侵入 式传感器中的每个非侵入式传感器的过程设备中以接收该传感器测量值的逻辑模块。在这 里该逻辑模块包括逻辑引擎以及用于将该不同物理过程现象中的每个物理过程现象的值 的测量值与另一个物理过程现象相关的模型，并且，该逻辑模块在计算机处理器设备上操 作以使用该模型和该传感器测量值来确定该另一个物理过程现象的值。该系统还包括可通 信的耦接到该逻辑模块的主机设备；设置在该多个非侵入式传感器中的一个或更多个非侵 入式传感器与所述逻辑模块之间的第一通信网络；以及设置在该逻辑模块与该主机设备之 间的第二通信网络。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 图1是具有用户接口、过程控制器和现场设备的过程工厂网络的图，并且其中设 置有大量非侵入式传感器系统以测量一个或更多个过程现象。
[0019] 图2是示出了非侵入式传感器系统的一个实例的方框图。
[0020] 图3是用于图2的非侵入式传感器系统中的模型的描述。
[0021] 图4是示出了图2的非侵入式传感器系统的一个实例的方框图，其以第一配置实 现以非侵入式地测量过程工厂中的特定输出过程参数。
[0022] 图5是示出了图2的非侵入式传感器系统的一个实例的方框图，其以第二配置实 现以非侵入式地测量过程中的特定输出过程参数。
[0023] 图6描述了包括非侵入式传感器系统的气井柱塞控制系统。
[0024] 图7示出了气井的井筒内部的油管压强在图6的柱塞控制系统的三个柱塞循环上 的图。
[0025] 图8在一般刻度上示出了各个柱塞循环的油管压强的图。
[0026] 图9示出了在图6的控制系统中实现的柱塞循环的关停周期中的油管压强的图。
[0027] 图10描述了可以由用作图6的非侵入式传感器系统的一部分的非侵入式振动传 感器做出的振动测量的图。
[0028] 图11描述了可以由用作图6的非侵入式传感器系统的一部分的非侵入式温度传 感器做出的温度测量的图。
[0029] 图12是示出了在过程工厂或实验室环境中在图2的非侵入式传感器系统中使用 的分析模型的发展的数据流图。

【具体实施方式】
[0030] 概括而言，本文所述的非侵入式传感器系统能够测量或确定由于例如为了直接测 量需要对过程工厂设备做出的改造或者因为被测量的过程现象就其本身而言是不可直接 测量的而使直接测量不可能、困难或昂贵的过程现象。该非侵入式传感器系统包括经由逻 辑引擎连接在一起的多个输入传感器设备，其自身可以是非侵入式性质的，逻辑引擎使用 基于经验数据的模型来做出未由任意输入传感器设备直接测量的另一个过程现象（又被 称为输出过程现象）的测量。在许多情况中，输入传感器设备可以关于它们正在测量的作 为到非侵入式传感器系统的逻辑单元的输入的过程现象而言是非侵入式的，并且做出不同 类型的过程现象的测量以导致输出过程现象测量值或确定。该配置可以改善系统性能并且 增加冗余。
[0031]概括而言，该传感器测量方法在本质上是统计的和经验的而不是确定性的。由于 非侵入式传感器系统是经验的系统，所以可以用定性的术语如"好/坏"、"低/中/高"、"安 全/小心/危险"、"接近限制"、"0-100%"而不是如一般利用侵入式传感器的情况中一样 用例如工程单位所表示的确切的值（例如90度）来确定或表示非侵入式传感器系统的输 出。
[0032]然而，由经验得出的定性的测量值是有价值的，因为这些测量值仍然可以广泛地 使得用户能够知道过程正在正确地操作还是存在或即将存在不希望的条件。该方法可以用 于补充一般在过程工厂中需要用于闭环控制和安全关停逻辑的高度确定性的测量。此外， 通过在工厂中安装大量容易安装的例如非侵入式输入传感器并且经由逻辑单元将这些传 感器耦接在一起，可以容易地确定这些由经验得出的测量值，其中，逻辑单元基于由输入传 感器做出的测量产生输出过程现象的基于经验的估计或测量。
[0033] 图1示出了示例性工业过程工厂5,其中，可以在工业过程工厂5中安装并且使用 非侵入式传感器系统。过程工厂5包括具有一个或多个过程控制器（图1中的IlA和11B) 的在线过程控制系统10,该过程控制器在主工厂通信网络中连接到数据历史库12并且连 接到一个或多个主机工作站或计算机13 (其可以是任意类型的个人计算机、工作站等等）， 每个主机工作站或计算机13具有显示器屏幕14。计算机13可以关联并且运行涉及过程 控制活动、维护活动、过程配置活动、商务活动等等的应用。控制器IlA和IlB还经由输入 /输出（I/O)卡28A、28B和29A、29B连接到现场设备15-27,并且可进行操作以使用现场设 备15-27中的一些或全部实现批量过程的一个或多个批次运行或者可以实现连续过程。控 制器11、数据历史库12、计算机13、1/0设备28和29以及现场设备15-27都是过程控制设 备、过程设备或过程仪器，其可通信地耦接到又被称为在线控制网络的主控制通信网络30。
[0034]数据历史库12可以与工作站13分离（如图1中所示）或者是其中一个工作站 13的一部分，其中，数据历史库12可以是任意希望类型的数据采集单元，该数据采集单元 具有任意希望类型的存储器或任意希望的或已知的用于存储数据的软件、硬件或固件。控 制器11经由例如作为通信网络30的一部分的以太网连接或任意其他希望的通信线路可通 信地连接到主计算机13和数据历史库12,其中，控制器11可以是例如由EmersonPress Management销售的DeltaV_j<:控制器。控制器IlA和IlB可以使用与例如标准4-20ma通 信协议和/或任意智能通信协议如FOUNDATION?现场总线协议、HART?协议、 WirelessHART?协议等等关联的任意希望的硬件和软件可通信地连接到现场设备 15-27。
[0035] 在图1的系统中，控制器IlA被示出为经由I/O设备28A连接到4_20ma设备或经 由标准接线如有线HART通信线路连接到HART设备15-18。类似地，在图1中控制器IlA被 示出为经由标准有线现场总线链路或总线，经由I/O设备28B连接到FUNDATlONf^ 场总线设备19-22。并且，在图1的系统中，控制器IlB被示出为经由I/O设备29A和实现 无线HART通信协议的发射器连接到WirelessHARTk现场设备23-25,而控制器IlB经 由任意其他无线通信协议如基于IEEE过程控制的无线协议连接到其他现场设备26、27。然 而，控制器11可以使用任意其他希望的有线或无线通信协议或技术与任意其他数量和类 型的现场设备通信。当然，现场设备15-27可以是任意类型的设备如传感器、阀、发射器、定 位器等等。甚至更具体地，现场设备15-27可以包括任意类型的过程控制组件，其能够接收 输入、生成输出并且/或者控制过程。现场设备15-27的形式可以例如是控制或过程控制输 入设备，如例如用于控制过程的阀、泵、风扇、加热器、冷却器和/或混合器。另外，现场设备 15-27的形式可以是过程控制输出设备或发射器，如例如温度计、压强计、浓度计、液位计、 流量计和/或蒸汽传感器，其测量与过程的一个或多个部分中的各种不同过程现象相关联 的过程变量。控制输入设备可以接受来自控制器11的指令以执行一个或多个指定的指令 并且导致过程改变。此外，控制输出设备测量过程数据、环境数据和/或输入设备数据并且 将测量数据发送到控制器11或其他设备如维护设备，作为过程控制或维护信息。该过程控 制或维护信息可以包括与来自每个现场设备的测量输出相对应的变量（例如测量的过程 变量和/或测量的质量变量）的值。并且，测量的过程变量可以与源自用于测量现场设备 的过程和/或特征的一部分的现场设备的过程控制信息相关联。测量的质量变量可以与涉 及该过程的测量特征的过程控制信息相关联，其中，该测量特征与完成的产品或中间产品 的至少一部分相关联。
[0036] 此外，I/O卡28和29可以是符合任意希望的通信或控制器协议的任意类型的1/ O设备。并且，虽然在图1中示出了两个控制器IlA和11B，但是任意其他数量的控制器可 用于使用任意希望的通信协议如Profibus、AS-接口等等协议来连接到并且控制任意数量 的现场设备。
[0037] 在任意情况中，通常的情况是控制器IlA和IlB包括处理器31，处理器31实现或 监督一个或多个（存储在存储器32中的）可以包括控制环路的过程控制例程并且与现场 设备15-27、主机计算机13和数据历史库12通信，以用任意希望的方式控制过程。应该注 意到，如果希望，则本文所述的任意控制例程或模块可以使其一部分由不同的控制器或其 他设备实现或执行。类似地，将要在过程控制系统10中实现的本文所述的控制例程或模块 可以具有任意形式，包括软件、固件、硬件等等。可以用任意希望的软件格式如使用面向对 象编程、梯形逻辑、顺序功能图或者功能块图或使用任意其他软件编程语言或设计范例来 实现控制例程。类似地，控制例程可以被硬编码到例如一个或更多个EPROM、EEPR0M、专用 集成电路（ASIC)或任意其他硬件或固件元件中。因此，控制器11可以被配置为用任意希 望的方式实现一个或更多个控制策略或控制例程。
[0038] 在一些实施方式中，控制器11使用通常被称为功能块的东西实现一个或更多个 控制策略，其中，每个功能块是总控制例程的对象或其他部分（例如子例程）并且（经由被 称为链路的通信）结合其他功能块来操作，以实现过程控制系统10中的过程控制环路。功 能块一般执行以下功能之中的一个：输入功能，如与发射器、传感器或其他过程参数测量设 备相关联的输入功能；控制功能，如与用于执行PID、模糊逻辑、神经网络等等控制的控制 例程相关联的控制功能；或者用于控制一些设备如阀的操作以执行过程控制系统10中的 一些物理功能的输出功能。当然，还存在混合和其他类型的功能块。功能块可以存储在控 制器11中并且由控制器11执行，这是当功能块用于或者关联于标准4-20ma设备和一些类 型的智能现场设备如HART设备时的典型情况，或者可以存储在智能现场设备自身中并且 由智能现场设备自身实现，这可能是利用现场总线设备时的情况。
[0039] 如图1的分解块40所示的，控制器IlA可以包括被示出为例程42和44的多个单 环控制例程，并且如果希望则可以实现一个或更多个高级控制环路，如多输入多输出控制 例程，其被示出为控制环路46。每个这种环路一般被称为控制模块。单环控制例程42和 44被示出为使用分别连接到合适的模拟输入（Al)和模拟输出（AO)功能块的单输入单输出 模糊逻辑控制块和单输入单输出PID控制块执行单环路控制，这可能与过程控制设备如阀 相关联、与测量设备如温度和压强发射器相关联，或者与过程控制系统10中的任意其他设 备相关联。高级控制环路46被示出为包括可通信地连接到一个或更多个AI功能块的输入 和可通信地连接到一个或更多个AO功能块的输出，但是高级控制块48的输入和输出可以 连接到任意其他希望的功能块或者控制元件以接收其他类型的输入并且提供其他类型的 控制输出。高级控制块48可以例如是任意类型的模型预测控制（MPC)块、神经网络建模或 控制块、多变量模糊逻辑控制块、实时优化器块、自适应调谐控制块等等。要理解，图1中示 出包括高级控制块48的功能块可以由控制器IlA执行或者可替换地可以位于任意其他处 理设备如其中一个工作站13或者甚至一个现场设备19-22中的一个现场设备中或者由其 执行。如我们将理解的，控制环路或控制模块42、44和46可以关联或者用于实现过程控制 系统10中的批量过程或者连续的过程。
[0040] 此外，如图1中所示的，一个或更多个非侵入式传感器系统50可以设置在工厂5 中的不同位置处，以测量或确定工厂中的各种过程现象如温度、压强、流量、液位等等。各 种非侵入式传感器50可以设置在或者使其组件设置在各种不同过程控制设备中如在各种 现场设备15-27 (如阀、发射器等等）、I/O设备28和29、控制器11、工作站13以及甚至数 据历史库12中。如果希望，则一个或更多个非侵入式传感器50可以是独立的设备或者可 以被实现为使用图1中示出的各种类型的通信网络中的任意一种可通信地连接在一起的 多个设备，其中，该通信网络包括例如有线和无线通信网络、标准过程控制协议通信网络如 HART、无线HART或现场总线通信网络、近场通信（NFC)网络、射频标识（RFID)通信网络、以 太网或无线以太网通信网络、任意因特网协议通信网络等等。此外，图1中示出的各种传感 器系统50的输出可以提供给任意的控制器11以用于控制例程42、44、46中的一个或更多 个，也可以提供给任意操作员工作站13以用于控制或维护应用51或提供给该数据的任意 其他用户。
[0041] 现在参考图2,非侵入式传感器系统50被示出为连接到维护/控制系统54,其可 以是或包括例如图1中所示的任意工作站13或者其他维护或控制设备如控制器、I/O设备、 手持维护设备等等，其可以被连接为接收并且使用非侵入式传感器系统50的输出。维护/ 控制系统54可以在任意希望类型的计算机处理设备如关于图1所示的那些计算机处理设 备中的任意一个中存储或者实现的任意希望类型的维护或控制应用。
[0042] 概括而言，非侵入式传感器系统50包括耦接到逻辑单元62的多个输入传感器 60A-60N(在本文又被称为发射器）。多个输入传感器60A-60N中的每一个测量过程中的过 程现象如温度、振动、压强等等并且产生用于指示测量的过程变量或过程现象的测量信号。 多个传感器60A-60N中的每一个是非侵入式传感器，因为其不直接测量正在由分析传感器 50确定的过程现象。然而，如果希望，则传感器60A-60N中的一个或更多个也可以关于它们 正在测量的作为到传感器50的输入的过程现象是非侵入式的，因为在该情况中这些传感 器关于过程非侵入式地测量输入过程现象或过程参数。概括而言，非侵入式传感器可以连 接在过程中而不接触或者直接接触与被测量的过程现象相关联或位于被测量的过程现象 所处的位置处的过程元素，如过程流体，或者无需以必须关停或者停止过程流量来安装传 感器的方式安装在过程工厂中。
[0043] 在任意情况中，输入传感器60A-60N中的每一个关于由传感器50确定或测量的输 出过程现象均是非侵入式的，因为输入传感器60A-60N中的没有一个将与展现正由传感器 50最终测量或确定的特定过程现象的过程元素或过程流体进行直接物理接触来测量该物 理过程现象。非侵入式传感器60A-60N中的任意一个或全部可以例如是温度传感器、振动 传感器、流量传感器、热量传感器、火焰检测器或用于感测一些过程现象的任意其他检测器 或传感器。此外，多个输入传感器60A-60N中的一些或全部可以被配置为测量工厂中的相 同或不同位置处的过程现象。因此传感器60A-60N中的每一个可以例如测量不同类型的过 程现象如温度、压强、火焰等等或者输入传感器60A-60N中的一个或更多个可以测量工厂 中的不同位置处或者甚至工厂中的相同位置处的相同过程现象。
[0044] 传感器60A-60N通常可以安装在过程工厂中，在展现出不能被直接测量或者不被 直接测量的过程现象供非侵入式传感器50估计的物理位置附近或周围的各种不同位置 处。因此，在一些实例中，输入传感器60A-60N可以位于器皿上以测量要确定其流体参数 (如液位、液体温度、液体压强等等）的器皿壁的温度或湿度含量或振动。此外，输入传感 器60A-60N可以设置在要由传感器系统50测量或确定输出过程现象的位置的上游和/或 下游的各种位置处。在一些情况中，输入传感器60A-60N可以通过与器皿壁进行接触，侵入 式地测量特定过程参数，如器皿壁的温度或振动。然而，在这些情况中，传感器60A-60N仍 然是非侵入式的，因为它们没有侵入式地测量最终由传感器50测量的输出过程参数或过 程现象，例如器皿中的流体的温度、流量或压强。因此，传感器60A-60N可以是已经安装在 工厂中用于其他目的的传感器（如图1的现场设备中的传感器中的任意一个）或者可以安 装在过程工厂中用于作为传感器系统50的一部分。
[0045] 此外，如图2中所示的，输入传感器60A-60N中的每一个耦接到逻辑单元62,其可 以与输入传感器60A-60N中的一个或更多个处于相同或不同物理过程设备中。在一些实施 方式中，输入传感器60A-60N可以经由一个或更多个无线通信网络、有线通信网络或线路 或者任意其他类型或性质的希望的通信网络，与逻辑单元62通信。在一些情况中，这些通 信网络可以是在过程工厂中已经建立或设立的通信网络如图1的任意通信网络或线路。在 其他情况中，输入传感器60A-60N中的一个或更多个可以安装并且使用为传感器系统50设 立或作为其一部分的独立的通信网络。传感器系统50的输入传感器60A-60N可以例如在 无线类型的通信网络中与逻辑单元62连接，并且可以经由例如近场通信（NFC)网络、红外 通信网络、射频标识（RFID)通信网络、蜂窝通信网络、蓝牙通信网络、任意典型的RF通信网 络、无线HART网络等等将传感器测量值提供给逻辑单元62。在一些实例中，逻辑单元62可 以经由例如RFID通信信号或者经由有线通信网络如HART或现场总线通信网络所提供给传 感器60A-60N的功率信号，向传感器60A-60N中的一个或更多个供电或提供功率。
[0046] 如图2中所示的，经由一个或更多个传感器输入接收来自传感器60A-60N的各种 传感器信号的逻辑单元62包括逻辑引擎64和模型66。逻辑引擎64可以在被示出为部分 逻辑单元62的处理器68上执行，以实现存储在其中的逻辑规则或者逻辑例程，其使用由输 入传感器60A-60N提供的传感器测量值和模型66来产生未由任意输入传感器60A-60N直 接测量的输出过程现象的当前值或状态的估计或预测。该过程现象可以是与由输入传感器 60A-60N中的一个或更多个测量的类型相同的过程现象如温度、压强、振动、流量、热量等 等，或者可以是不同的过程现象。此外，由逻辑单元62确定的输出过程现象可以与由任意 输入传感器60A-60N测量的过程现象处于相同或不同的位置。因此，输入传感器60A-60N中 的每一个可以测量与由逻辑单元62在其输出处估计或产生的过程现象相同类型或不同类 型的过程现象，或者输入传感器60A-60N中的一些可以测量与由逻辑单元62估计或产生的 过程现象相同类型的过程现象，而输入传感器60A-60N中的其他输入传感器可以测量与由 逻辑单元62估计或产生的过程现象不同类型的过程现象。在任意情况中，逻辑单元62取 得传感器测量值，并且使用以前生成的模型66产生输出过程现象的估计值并且将该估计 值或测量值提供给逻辑单元62的输出70。逻辑单元62可以经由有线或无线通信网络或任 意其他类型的通信网络（包括使用典型的过程控制通信协议如HART、无线HART、现场总线、 Profibus等等通信协议的网络、以太网、基于因特网协议的通信网络等等）耦接到维护/控 制系统54。
[0047] 作为一个实例，非侵入式传感器系统可以使用不需要定位器与阀杆之间的物理接 触的阀位置指示器以及用于指示经过疏水阀的蒸汽流量的存在的振动传感器，作为一个或 更多个输入传感器。这两个设备可以通过发送它们的信息给逻辑单元或者逻辑解算器来一 起工作，该逻辑单元或者逻辑解算器使用该输入来推断流体流量。在这里，只要两个测量值 都在它们的仪器范围之内，就可以通过进行输入测量值与存储在逻辑解算器之中的模型的 比较，凭经验断定流速。虽然该经验模型分析比较方法利用一个测量值就可行，但是其不够 健壮或高性能。增加测量值并且将它们与经验模型比较将提高系统性能。可以例如在上述 系统中增加温度传感器测量值，并且可以根据三维模型表面推断或确定流量。
[0048] 因此，概括而言，图2中示出的模型66是基于来自操作过程或者实验室设置中采 集的过程数据来提前预先确定的，其中，该数据用于限定由传感器系统50正在测量或确定 的输出过程现象与由输入传感器60A-60N测量的各种输入过程现象之间的关系。这样，逻 辑单元62使用经验模型66和来自传感器60A-60N的输入来估计未由传感器60A-60N中的 任意一个直接地或侵入式地测量的输出过程现象或者估计的过程现象。然而，在一些实例 中，将要理解可以由传感器60A-60N中的一个或更多个间接地或非侵入式地测量由传感器 系统50估计或产生的过程现象。
[0049] 如我们将理解的，实际上当今所有过程监视和控制都是基于确定性数学模型执行 的。例如以下提供用于基于差分压强进行流量测量的方程来给出确定性过程流量系统的实 例。可以使用连续性方程（质量守恒定律）Qm=PiA1V1=P2A2v2，和伯努利方程（能

【权利要求】
1. 一种用于在过程中分析过程设备的操作的测量系统，包括： 包括设置在所述过程中的至少一个非侵入式传感器的多个传感器，其中，所述多个传 感器中的每个传感器测量所述过程中的不同物理过程现象以产生用于指示物理过程现象 的传感器测量值；以及 可通信地耦接到所述多个传感器中的每个传感器以接收所述传感器测量值的逻辑模 块，所述逻辑模块包括逻辑引擎以及用于将所述不同物理过程现象中的每个物理过程现象 的值的测量值与另一个物理过程现象相关的模型，其中，所述逻辑模块在计算机处理器设 备上操作以使用所述模型和所述传感器测量值来确定所述另一个物理过程现象的值。
2. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述多个传感器中的每个传感器设置在过程 设备集合中的不同过程设备中，并且其中，所述逻辑模块设置在与所述过程设备集合中的 每个过程设备分离的另一个过程设备中。
3. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述多个传感器中的每个传感器设置在过程 设备集合中的不同过程设备中，并且，所述逻辑模块设置在所述过程设备集合中的一个过 程设备中，其中，所述逻辑模块经由所述过程设备集合中的所述一个过程设备中的内部通 信连接可通信地耦接到一个所述传感器并且经由外部通信连接可通信地耦接到所述多个 传感器中的其他传感器中的一个或更多个传感器。
4. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述逻辑模块经由过程控制协议通信网络耦 接到所述多个传感器中的一个或更多个传感器。
5. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述逻辑模块经由近场通信链路耦接到所述 多个传感器中的一个或更多个传感器。
6. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述逻辑模块经由射频标识通信链路耦接到 所述多个传感器中的一个或更多个传感器。
7. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述逻辑模块经由射频通信链路向一个或更 多个所述传感器供电。
8. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述逻辑模块包括另一个逻辑引擎以检测所 述多个传感器中的一个或更多个传感器的潜在故障。
9. 如权利要求8所述的测量系统，其中，所述另一个逻辑引擎使用所述模型基于来自 所述多个传感器的所述传感器测量值的比较来执行故障检测。
10. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述模型是主成分分析模型。
11. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述模型是部分最小二乘模型。
12. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述模型是经验模型。
13. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述另一个物理过程现象是与由所述多个传 感器中的任意一个传感器测量的任意物理过程现象不同类型的物理过程现象。
14. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述多个传感器中的每个传感器测量不同类 型的物理过程现象。
15. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述另一个物理过程现象与由所述多个传感 器中的至少一个传感器测量的物理过程现象的类型相同，但是与由所述多个传感器中的所 述至少一个传感器测量的物理过程现象不同位置处的该类型物理过程现象相关。
16. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述另一个物理过程现象与由所述多个传感 器中的至少一个传感器测量的物理过程现象的类型相同，并且与由所述多个传感器中的所 述至少一个传感器测量的物理过程现象相同位置处的该类型物理过程现象相关。
17. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述另一个物理过程现象是与由所述多个传 感器中的任意一个传感器测量的物理过程现象不同类型的物理过程现象，但是与由所述多 个传感器中的至少一个传感器测量的物理过程现象相同的物理位置相关。
18. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述多个传感器中的每个传感器测量不同类 型的物理过程现象。
19. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述多个传感器中的两个或更多个传感器测 量相同物理位置处的不同类型的物理过程现象。
20. 如权利要求1所述的测量系统，其中，所述多个传感器中的两个或更多个传感器测 量所述过程中的不同物理位置处的相同类型的物理过程现象。
21. 如权利要求1所述的测量系统，进一步包括可通信的连接到所述逻辑模块的主机 设备，以接收所述另一个物理过程现象的确定值。
22. 如权利要求21所述的测量系统，其中，所述逻辑模块使用第一通信技术可通信地 耦接到所述多个传感器中的一个或更多个传感器，并且所述逻辑模块使用与所述第一通信 技术不同的第二通信技术可通信地耦接到所述主机设备。
23. -种用于确定物理过程参数的方法，包括： 测量过程中的多个不同物理过程现象，以产生用于指示每个物理过程现象的测量值； 将每个所述测量值经由通信链路发送到逻辑模块； 使用计算机设备利用模型来处理所述测量值，以使用所述模型和所述传感器测量值来 确定另一个物理过程现象的值，其中所述模型用于将所述不同物理过程现象中的每个物理 过程现象与所述另一个物理过程现象相关；并且 将所述另一个物理过程现象的值作为所述物理过程参数发送到主机设备。
24. 如权利要求23所述的方法，其中，测量所述过程中的所述多个不同物理过程现象 的步骤包括：使用非侵入式传感器测量所述多个不同物理过程现象中的每个物理过程现 象。
25. 如权利要求24所述的方法，其中，将每个所述测量值经由通信链路发送到逻辑模 块的步骤包括：经由公共通信链路发送所述测量值中的一个或更多个测量值。
26. 如权利要求24所述的方法，其中，将每个所述测量值经由通信链路发送到逻辑模 块的步骤包括：经由不同通信链路发送所述测量值中的两个或更多个测量值。
27. 如权利要求24所述的方法，其中，将每个所述测量值发送到逻辑模块的步骤包括： 经由近场通信链路发送所述测量值中的一个测量值。
28. 如权利要求24所述的方法，其中，将每个所述测量值发送到逻辑模块的步骤包括： 经由射频标识通信链路发送所述测量值中的一个测量值。
29. 如权利要求24所述的方法，还包括使用传感器进行一个所述测量并且经由射频通 信链路向所述传感器供电。
30. 如权利要求24所述的方法，进一步包括使用计算机设备检测一个或多个非侵入式 传感器的潜在故障。
31. 如权利要求30所述的方法，其中检测潜在故障的步骤包括：使用所述模型比较所 述多个测量值。
32. 如权利要求24所述的方法，其中，利用模型处理所述测量值的步骤包括：利用主成 分分析模型处理所述测量值。
33. 如权利要求24所述的方法，其中，利用模型处理所述测量值的步骤包括：利用部分 最小二乘模型处理所述测量值。
34. 如权利要求24所述的方法，其中，所述另一个物理过程现象是跟与测量值关联的 任意测量的物理现象不同类型的物理现象。
35. 如权利要求24所述的方法，其中，测量过程中的多个不同物理过程现象以产生用 于指示每个物理过程现象的测量值的步骤包括：测量不同类型的待测量的物理现象以产生 所述测量值。
36. 如权利要求24所述的方法，其中，所述另一个物理现象跟与所述多个测量值中的 至少一个测量值关联的物理现象的类型相同，但是涉及与所述多个测量值中的所述至少一 个测量值关联的物理过程现象不同位置处的物理现象的类型。
37. 如权利要求24所述的方法，其中，将每个所述测量值经由通信链路发送到逻辑模 块的步骤包括：经由第一类型通信链路将所述测量值中的至少一个测量值发送到所述逻辑 模块，并且其中，将所述另一个物理现象的值发送到主机设备的步骤包括经由与所述第一 类型通信链路不同的第二类型通信链路发送所述另一个物理过程现象的值。
38. 如权利要求37所述的方法，其中，所述第一通信链路是无线通信链路，所述第二通 信链路是有线通信链路。
39. 如权利要求37所述的方法，其中，所述第二通信链路是基于过程协议的通信链路。
40. 如权利要求24所述的方法，进一步包括在主机处使用另一个物理参数值来检测过 程工厂中的设备问题。
41. 如权利要求24所述的方法，进一步包括在主机处使用另一个物理参数值来执行所 述过程的在线控制。
42. -种用于过程中的过程测量系统，包括： 设置在所述过程中的多个非侵入式传感器，其中，所述多个非侵入式传感器中的每个 非侵入式传感器测量所述过程中的不同物理过程现象，以产生用于指示物理过程现象的传 感器测量值； 设置在可通信地耦接到所述多个非侵入式传感器中的每个非侵入式传感器的过程设 备中以接收所述传感器测量值的逻辑模块，所述逻辑模块包括逻辑引擎以及用于将所述不 同物理过程现象中的每个物理过程现象的值的测量值与另一个物理过程现象相关的模型， 其中，所述逻辑模块在计算机处理器设备上操作以使用所述模型和所述传感器测量值来确 定所述另一个物理过程现象的值； 可通信的耦接到所述逻辑模块的主机设备； 设置在所述多个非侵入式传感器中的一个或更多个非侵入式传感器与所述逻辑模块 之间的第一通信网络；以及 设置在所述逻辑模块与所述主机设备之间的第二通信网络。
43. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述模型是经验模型。
44. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述模型是主成分分析模型。
45. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述模型是部分最小二乘模型。
46. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述多个非侵入式传感器中的每个非 侵入式传感器设置在过程设备集合的不同过程设备中，并且其中，所述逻辑模块设置在与 所述过程设备集合中的每个过程设备分离的过程设备中。
47. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述多个非侵入式传感器中的每个非 侵入式传感器设置在过程设备集合中的不同过程设备中，并且，所述逻辑模块设置在所述 过程设备集合的一个过程设备中，其中，所述逻辑模块经由所述过程设备中的内部通信连 接可通信地耦接到一个所述非侵入式传感器并且经由第一通信网络可通信地耦接到所述 多个非侵入式传感器中的一个或更多个其他非侵入式传感器。
48. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述第一通信网络包括近场通信链路。
49. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述第一通信网络包括射频标识通信 链路。
50. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述过程设备经由射频通信链路向一 个或更多个非侵入式传感器供电。
51. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述逻辑模块包括另一个逻辑引擎，以 检测所述多个非侵入式传感器中的一个或更多个非侵入式传感器的潜在故障。
52. 如权利要求51所述的过程测量系统，其中，所述另一个逻辑引擎基于来自所述多 个非侵入式传感器的所述传感器测量值的比较执行故障检测。
53. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述多个非侵入式传感器中的每个非 侵入式传感器测量不同类型的物理过程现象。
54. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述多个非侵入式传感器中的每个非 侵入式传感器测量不同类型的物理过程现象，并且所述另一个物理过程现象是与由所述多 个非侵入式传感器测量的任意物理过程现象不同类型的物理过程现象。
55. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述多个非侵入式传感器中的两个或 更多个非侵入式传感器测量相同物理位置处的不同类型的物理过程现象。
56. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述第一通信网络和所述第二通信网 络是不同通信网络。
57. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述多个传感器中的一个传感器测量 用于控制所述过程的过程控制参数和辅助物理现象，其中，所述辅助物理现象是发送给所 述逻辑模块的测量的物理现象。
58. 如权利要求42所述的过程测量系统，其中，所述多个非侵入式传感器和所述逻辑 模块在所述过程中临近放置。
【文档编号】G01D21/02GK104515544SQ201410255909
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】M·S·舒马赫 申请人:罗斯蒙特公司