專利名稱：測量過程流體的溫度的設備的制作方法
技術領域：
測量過程流體的溫度的設備技術領域[0001]本實用新型涉及工業(yè)過程控制和監(jiān)視系統(tǒng)。更具體地，本實用新型涉及對這種系統(tǒng)中的過程流體的溫度的測量。
背景技術：
[0002]工業(yè)過程控制和監(jiān)視系統(tǒng)用于監(jiān)視和/或控制工業(yè)過程。例如，過程流體的諸如壓力、溫度、流量等的過程變量可以由過程變量變送器來測量。該信息允許操作者監(jiān)視過程的操作。此外，所測量的過程變量可以用作控制算法的輸入并用于控制過程的操作。在許多實例中，過程變量變送器位于遠程位置，并通過過程控制環(huán)路將信息發(fā)送回到中央位置。 過程控制環(huán)路可以包括雙線過程控制環(huán)路，在雙線過程控制環(huán)路中，以模擬方式(例如，基于流經(jīng)該環(huán)路的4-20mA電流電平)或以數(shù)字的方式將過程變量發(fā)送至中央位置。相同的雙線可以用于給過程變量變送器提供功率。另一示例的過程控制環(huán)路是無線控制環(huán)路，其中對數(shù)據(jù)進行無線發(fā)送。[0003]所測量的一種過程變量是溫度。使用各種溫度傳感器來測量溫度。一種溫度傳感器是稱為RTD的基于電阻的溫度傳感器。RTD的電阻隨溫度而變化。典型地，電阻是使用與 RTD的開爾文(Kelvin)連接來精確測量的，在開爾文連接中，第一對線承載電流，第二對線用于測量RTD上的電壓降。如果連接之一退化，則可能獲得不精確的溫度測量并且必須執(zhí)行維護。實用新型內(nèi)容[0004]一種用于測量過程流體的溫度的設備，包括基于電阻的溫度傳感器RTD傳感器， 與過程流體熱耦合；第一和第二電連接，與所述RTD傳感器耦合，施加經(jīng)過RTD的電流；第三和第四電連接，與所述RTD傳感器耦合，測量RTD上的電壓；以及測量電路，與所述第一、 第二、第三和第四電連接耦合，識別與RTD的退化的連接，并作為響應而使用第一、第二、第三和第四電連接中的非全部連接來測量過程流體的溫度，其中，所述測量電路在出現(xiàn)與RTD 的退化的連接期間測量過程流體的溫度。[0005]在根據(jù)本實用新型的設備中，退化的連接是基于任何線路中EMF或線路電阻的改變來檢測的。[0006]在根據(jù)本實用新型的設備中，所述測量電路使用與RTD的3條連接來測量過程流體的溫度。[0007]在根據(jù)本實用新型的設備中，所述測量電路使用與RTD的2條連接來測量過程流體的溫度。[0008]在根據(jù)本實用新型的設備中，與RTD的第一和第二連接與RTD的第一側耦合，以及，第一和第二連接中的任一條選擇性地提供經(jīng)過RTD的電流。[0009]在根據(jù)本實用新型的設備中，所述設備包括參考電阻器，以及，溫度測量與RTD的電阻同參考電阻器的電阻之間的比較有關。[0010]根據(jù)本實用新型的設備包括在過程控制環(huán)路上提供輸出的電路。[0011]在根據(jù)本實用新型的設備中，所述過程控制環(huán)路包括雙線過程控制環(huán)路，所述雙線過程控制環(huán)路還給所述設備的電路供電。[0012]在根據(jù)本實用新型的設備中，所述過程控制環(huán)路包括無線過程控制環(huán)路。[0013]根據(jù)本實用新型的設備包括I/O電路，所述I/O電路提供以下輸出，所述輸出用于指示已經(jīng)檢測到與RTD的退化的連接。[0014]在根據(jù)本實用新型的設備中，所述輸出是在過程控制環(huán)路上提供的。

[0015]圖1是示出了包括溫度變送器在內(nèi)的工業(yè)過程控制系統(tǒng)的簡化框圖。[0016]圖2是圖1的溫度變送器的簡化框圖。[0017]圖3是在另一操作模式中示出的圖1的溫度變送器的另一簡化框圖。
具體實施方式
[0018]本實用新型提供了一種用于在與RTD的連接已經(jīng)退化或發(fā)生故障的情形下使用基于電阻的溫度傳感器(RTD)來感測過程流體的溫度的方法和設備。RTD傳感器用于測量過程流體的溫度。這種傳感器或與這種傳感器的電連接可能周期性地退化或失去其完整性。在一些實例中，操作者可以提供周期性安排的維護，以在傳感器最終發(fā)生故障之前執(zhí)行預防性維護。在這種情形下，可能執(zhí)行不必要的維護，并且可能非必要地丟棄工作良好的傳感器和相關的線。[0019]RTD的故障可以由多個不同的來源造成。RTD自身可能發(fā)生故障，或者與RTD的連接可能發(fā)生故障。例如，與RTD傳感器的接合(連接)可能發(fā)生故障、磨損或變松，或者，傳感器內(nèi)的內(nèi)部焊接可能由于因溫度和振動而置于設備上的應力而退化。在發(fā)生故障之前， 這些問題可以導致線路電阻增大且電壓過度(殘差EMF)(參見例如于2002年3與12日公布的標題為 ERROR COMPENSATION FOR A PROCESS FLUID TEMPERATURE TRANSMITTER 的美國專利No. 6，356，191)。增大的線路電阻將使信噪比減小并使測量有噪聲。此外，增大的線路電阻可以導致測量中由于測量電路固有的更大的時間常數(shù)而引起的不精確。線路電阻越大，執(zhí)行測量所需的時間常數(shù)越長。典型地，過程變量測量系統(tǒng)中使用的模數(shù)轉換器具有對由于線路電阻增大而增大的時間常數(shù)可能不合適的可編程穩(wěn)定時間(settling time)。增大的EMF是關于RTD傳感器連接的已知問題，并可以直接影響過程變量變送器執(zhí)行精確測量的能力。過程變量變送器可以被配置為校正較低程度的過度EMF。然而，過度的電壓可能使測量電路飽和。[0020]上述狀況可以用于檢測即將到來的傳感器故障或連接完整性問題。當溫度傳感器發(fā)生故障時，需要使過程變量變送器離線，直到傳感器已被更換或連接已被修復為止。期望事先提供與故障傳感器相關的狀況存在的信息，并允許在傳感器仍產(chǎn)生有用測量時安排維護。[0021]在一方面，本實用新型提供了一種用于在一定時間段內(nèi)跟蹤和比較RTD傳感器測量線特性的方法和設備?？梢蕴峁Ξ惓顩r的指示，并且，在期望時，變送器可以使用自動校正來校正增大的線路電阻和過度的殘差EMF。如上所述，增大的線路電阻和過度的殘差EMF影響傳感器測量的精度，并受到在可能由松動的布線、振動或腐蝕引起的較差狀況下使傳感器元件退化的影響。[0022]可以針對4線RTD傳感器的每條傳感器線和3線RTD傳感器的兩條線來測量線路電阻。此外，可以針對每條線測量殘差EMF?？梢酝ㄟ^關斷用于針對正常RTD測量而激勵 RTD的電流來測量殘差EMF。一旦關斷電流，就可以像電壓傳感器那樣測量殘差電壓，并可以在趨勢中使用該殘差電壓，或從測量中減去該殘差電壓。過程變量變送器可以在傳感器的正常操作期間監(jiān)視特性改變，并識別何時一條線具有相對于其他線增大的電阻或EMF。[0023]圖1是示出了工業(yè)過程控制或監(jiān)視系統(tǒng)10的簡化框圖，其中，過程變量變送器12 與被示意為過程管道14的工業(yè)過程耦合。根據(jù)本實用新型，過程變量變送器12可以包括過程溫度變送器。變送器12被示作與雙線過程控制環(huán)路16耦合，被示意為通過雙線過程控制環(huán)路16與本地控制室18耦合?？刂剖?8被示意為電源18A和感測電阻18B。過程控制室16可以依照于任何過程控制環(huán)路或與主機系統(tǒng)無線連接。環(huán)路16被示意為承載電流。在一個配置中，提供了雙線環(huán)路，其中，相同的兩條線用于給變送器12提供功率以及提供與變送器12的通信。例如，環(huán)路16可以包括4-20mA電流環(huán)路，其中，變送器12控制電流電平以表示過程變量。在另一示例配置中，將數(shù)字信號調(diào)制到環(huán)路16上以承載過程信息。 溫度變送器12與管道16中承載的過程流體耦合，并被配置為感測過程流體的溫度。在另一示例中，無線通信替代有線通信。[0024]圖2是與過程控制環(huán)路16耦合的溫度變送器12的簡化框圖。變送器12包括測量電路30，測量電路30中基于電阻的溫度傳感器(RTD)32與具有第一、第二、第三和第四端子連接的端子塊34耦合。模數(shù)轉換器36與端子塊34的端子耦合，并包括連接A、B、C、D 和Ε。模數(shù)轉換器36被配置為將模擬信號轉換為數(shù)字值，然后，將數(shù)字值提供給微處理器 40。微處理器40還被配置為控制模數(shù)轉換器的操作，并根據(jù)存儲器42中存儲的指令而進行操作。輸入/輸出電路44與過程控制環(huán)路16耦合，并被配置為通過環(huán)路16發(fā)送由微處理器40提供的信息，或向微處理器40提供從環(huán)路16接收的信息。在圖2所示的配置中， 輸入/輸出電路44還被配置為給變送器12的電路提供功率。[0025]溫度傳感器32通過4線“開爾文”連接與端子塊34耦合。在圖2所示的配置中， 使源電流經(jīng)過端子塊34的第一端子，流經(jīng)溫度傳感器32，由端子塊34的第三端子接收。參考選擇開關50用作接地的冗余路徑，用于測量與端子3和4相連的兩條線的線路電阻。其還用作用于在由于退化的狀況而必須切斷線路66的情況下提供輔助接地路徑的方法。[0026]傳感器32與端子塊34之間的電連接包括被示意為線路電阻62、64、66和68的寄生電阻。[0027]在操作期間，微處理器40被配置為測量溫度傳感器32的電阻。在一些配置中，微處理器40可以被配置為將所測量的電阻轉換為溫度。使用圖2所示的配置，可以如下測量溫度傳感器32上的電壓[0028]VErtd = V(B_C)等式(1)[0029]參考電阻52上的電壓是[0030]VEref = V(E_F)等式 O)[0031]然后，傳感器32的電阻是[0032]Rrtd = RKef*(Rrtd/VKref)等式⑶[0033]在正常操作期間，變送器可以被配置為使用上述等式3來感測溫度。如果變送器檢測到異常狀況(例如，EMF或線路電阻相對于其他線而改變)，則可以向操作者提供警告 (例如通過過程控制環(huán)路16)。如果所檢測到的差錯不影響傳感器測量，則可以提供這種類型的診斷警告。提供給操作者的信息可以包括例如所檢測到的特定事件，以及與傳感器 32的哪些連接線路導致了異常狀況。[0034]然而，如果異常狀況超過閾值(例如，存儲器42中存儲的閾值電平)，則變送器12 可以提供用于對已經(jīng)出現(xiàn)的可能影響溫度測量的那種嚴重異常狀況進行指示的輸出。微處理器40可以被配置為將測量路徑改變?yōu)槔@過導致異常狀況的連接，并作為三線傳感器進行操作。[0035]圖3示意了被配置為使用3線連接來測量溫度傳感器32的電阻的變送器12。該示例是線路1已經(jīng)退化至最好不將其包括在4線測量中的程度。變送器已自動將線路1 從測量中移除，并在3線配置中使用線路2、3和4。存在多種其他方式以供變送器可以在3 線模式中進行操作。如果任何一條線路發(fā)生故障，則變送器可以將其余線路用于3線模式。 在圖3中，可以使用以下等式來測量溫度傳感器32的電阻Rktd [0036]V(B_D) = Vrtd+Vline+Vline 等式[0037]V(C_D) = Vline 等式(5)[0038]Vrtd = V(B_D)_2*V(c_d)等式(6)[0039]VEref = V(E_F)等式(7)[0040]Rrtd = RKef*(Vrtd/Vref)等式(8)[0041]該配置將提供非常精確的測量，直到操作者能夠解決異常狀況為止。在圖3中，微處理器40可以控制模數(shù)轉換器36的操作以提供可選擇的激勵電流路徑，從而消除任何一條線，并在3線模式中繼續(xù)溫度傳感器32的操作。如上所述，微處理器40還可以向操作者提供它正在3線模式中進行操作的警告輸出。[0042]異常事件的檢測可以基于任何適當?shù)脑\斷技術，包括監(jiān)視統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如標準差、最小和最大電平等等。除了切換至3線配置之外，如果4條線中的2條發(fā)生故障，還可以在2 線模式中操作傳感器32。在這種配置中，將會丟失精度和引入差錯。必須對連接導線的電阻進行補償以提高測量精度。然而，這將允許變送器12提供一些測量(盡管這些測量是不精確的)，直到可以校正故障為止。[0043]盡管參照優(yōu)選實施例描述了本實用新型，但是本領域技術人員將認識到，在不脫離本實用新型的精神和范圍的前提下，可以在形式和細節(jié)上進行改變。
權利要求1.一種用于測量過程流體的溫度的設備，其特征在于，包括基于電阻的溫度傳感器RTD傳感器，與過程流體熱耦合；第一和第二電連接，與所述RTD傳感器耦合，施加經(jīng)過RTD的電流；第三和第四電連接，與所述RTD傳感器耦合，測量RTD上的電壓；以及測量電路，與所述第一、第二、第三和第四電連接耦合，識別與RTD的退化的連接，并作為響應而使用第一、第二、第三和第四電連接中的非全部連接來測量過程流體的溫度，其中，所述測量電路在出現(xiàn)與RTD的退化的連接期間測量過程流體的溫度。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，退化的連接是基于任何線路中EMF或線路電阻的改變來檢測的。
3.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述測量電路使用與RTD的3條連接來測量過程流體的溫度。
4.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述測量電路使用與RTD的2條連接來測量過程流體的溫度。
5.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，與RTD的第一和第二連接與RTD的第一側耦合， 以及，第一和第二連接中的任一條選擇性地提供經(jīng)過RTD的電流。
6.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述設備包括參考電阻器，以及，溫度測量與RTD 的電阻同參考電阻器的電阻之間的比較有關。
7.根據(jù)權利要求1所述的設備，包括在過程控制環(huán)路上提供輸出的電路。
8.根據(jù)權利要求7所述的設備，其中，所述過程控制環(huán)路包括雙線過程控制環(huán)路，所述雙線過程控制環(huán)路還給所述設備的電路供電。
9.根據(jù)權利要求7所述的設備，其中，所述過程控制環(huán)路包括無線過程控制環(huán)路。
10.根據(jù)權利要求1所述的設備，包括I/O電路，所述I/O電路提供以下輸出，所述輸出用于指示已經(jīng)檢測到與RTD的退化的連接。
11.根據(jù)權利要求10所述的設備，其中，所述輸出是在過程控制環(huán)路上提供的。
專利摘要本實用新型涉及過程流體的溫度測量。提供了一種用于測量過程流體的溫度的設備，包括基于電阻的溫度傳感器RTD傳感器，為與過程流體熱耦合；第一和第二電連接，與所述RTD傳感器耦合，施加經(jīng)過RTD的電流；第三和第四電連接，與所述RTD傳感器耦合，測量RTD上的電壓；以及測量電路，與所述第一、第二、第三和第四電連接耦合，識別與RTD的退化的連接，并作為響應而使用第一、第二、第三和第四電連接中的非全部連接來測量過程流體的溫度，其中，所述測量電路在出現(xiàn)與RTD的退化的連接期間測量過程流體的溫度。
文檔編號G01K7/16GK202305046SQ20112029085
公開日2012年7月4日 申請日期2011年8月11日 優(yōu)先權日2010年8月26日
發(fā)明者勞倫·M·安格斯塔德, 杰森·H·魯?shù)?申請人:羅斯蒙德公司