專(zhuān)利名稱(chēng)：過(guò)程流體溫度測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)過(guò)程控制和監(jiān)視系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及對(duì)這種系統(tǒng)中的過(guò)程流體的溫度的測(cè)量。
背景技術(shù)：
工業(yè)過(guò)程控制和監(jiān)視系統(tǒng)用于監(jiān)視和/或控制工業(yè)過(guò)程。例如，過(guò)程流體的諸如壓力、溫度、流量等的過(guò)程變量可以由過(guò)程變量變送器來(lái)測(cè)量。該信息允許操作者監(jiān)視過(guò)程的操作。此外，所測(cè)量的過(guò)程變量可以用作控制算法的輸入并用于控制過(guò)程的操作。在許多實(shí)例中，過(guò)程變量變送器位于遠(yuǎn)程位置，并通過(guò)過(guò)程控制環(huán)路將信息發(fā)送回到中央位置。 過(guò)程控制環(huán)路可以包括雙線過(guò)程控制環(huán)路，在雙線過(guò)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(guò)程變量發(fā)送至中央位置。相同的雙線可以用于給過(guò)程變量變送器提供功率。另一示例的過(guò)程控制環(huán)路是無(wú)線控制環(huán)路，其中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。所測(cè)量的一種過(guò)程變量是溫度。使用各種溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度。一種溫度傳感器是稱(chēng)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(kāi)爾文(Kelvin)連接來(lái)精確測(cè)量的，在開(kāi)爾文連接中，第一對(duì)線承載電流，第二對(duì)線用于測(cè)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(cè)量并且必須執(zhí)行維護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于測(cè)量過(guò)程流體的溫度的設(shè)備，包括基于電阻的溫度傳感器(RTD)傳感器，被配置為與過(guò)程流體熱耦合。第一和第二電連接被配置為施加經(jīng)過(guò)RTD的電流。第三和第四電連接被配置為測(cè)量RTD上的電壓。測(cè)量電路被配置為識(shí)別與RTD的退化的連接， 并作為響應(yīng)向用戶提供指示，并在極度退化的狀況下具有以下能力使用第一、第二、第三和第四電連接中的非全部連接來(lái)測(cè)量過(guò)程流體的溫度。


圖1是示出了包括溫度變送器在內(nèi)的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。圖2是圖1的溫度變送器的簡(jiǎn)化框圖。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(jiǎn)化框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明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(lái)感測(cè)過(guò)程流體的溫度的方法和設(shè)備。RTD傳感器用于測(cè)量過(guò)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(shí)例中，操作者可以提供周期性安排的維護(hù)，以在傳感器最終發(fā)生故障之前執(zhí)行預(yù)防性維護(hù)。在這種情形下，可能執(zhí)行不必要的維護(hù)，并且可能非必要地丟棄工作良好的傳感器和相關(guān)的線。RTD的故障可以由多個(gè)不同的來(lái)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(dòng)而置于設(shè)備上的應(yīng)力而退化。在發(fā)生故障之前， 這些問(wèn)題可以導(dǎo)致線路電阻增大且電壓過(guò)度(殘差EMF)(參見(jiàn)例如于2002年3與12日公布的標(biāo)題為 ERROR COMPENSATION FOR A PROCESS FLUID TEMPERATURE TRANSMITTER 的美國(guó)專(zhuān)利No. 6，356，191)。增大的線路電阻將使信噪比減小并使測(cè)量有噪聲。此外，增大的線路電阻可以導(dǎo)致測(cè)量中由于測(cè)量電路固有的更大的時(shí)間常數(shù)而引起的不精確。線路電阻越大，執(zhí)行測(cè)量所需的時(shí)間常數(shù)越長(zhǎng)。典型地，過(guò)程變量測(cè)量系統(tǒng)中使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有對(duì)由于線路電阻增大而增大的時(shí)間常數(shù)可能不合適的可編程穩(wěn)定時(shí)間(settling time)。增大的EMF是關(guān)于RTD傳感器連接的已知問(wèn)題，并可以直接影響過(guò)程變量變送器執(zhí)行精確測(cè)量的能力。過(guò)程變量變送器可以被配置為校正較低程度的過(guò)度EMF。然而，過(guò)度的電壓可能使測(cè)量電路飽和。上述狀況可以用于檢測(cè)即將到來(lái)的傳感器故障或連接完整性問(wèn)題。當(dāng)溫度傳感器發(fā)生故障時(shí)，需要使過(guò)程變量變送器離線，直到傳感器已被更換或連接已被修復(fù)為止。期望事先提供與故障傳感器相關(guān)的狀況存在的信息，并允許在傳感器仍產(chǎn)生有用測(cè)量時(shí)安排維護(hù)。在一方面，本發(fā)明提供了一種用于在一定時(shí)間段內(nèi)跟蹤和比較RTD傳感器測(cè)量線特性的方法和設(shè)備?？梢蕴峁?duì)異常狀況的指示，并且，在期望時(shí)，變送器可以使用自動(dòng)校正來(lái)校正增大的線路電阻和過(guò)度的殘差EMF。如上所述，增大的線路電阻和過(guò)度的殘差EMF 影響傳感器測(cè)量的精度，并受到在可能由松動(dòng)的布線、振動(dòng)或腐蝕引起的較差狀況下使傳感器元件退化的影響?？梢葬槍?duì)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(lái)測(cè)量線路電阻。此外，可以針對(duì)每條線測(cè)量殘差EMF?？梢酝ㄟ^(guò)關(guān)斷用于針對(duì)正常RTD測(cè)量而激勵(lì) RTD的電流來(lái)測(cè)量殘差EMF。一旦關(guān)斷電流，就可以像電壓傳感器那樣測(cè)量殘差電壓，并可以在趨勢(shì)中使用該殘差電壓，或從測(cè)量中減去該殘差電壓。過(guò)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(shí)別何時(shí)一條線具有相對(duì)于其他線增大的電阻或EMF。圖1是示出了工業(yè)過(guò)程控制或監(jiān)視系統(tǒng)10的簡(jiǎn)化框圖，其中，過(guò)程變量變送器12 與被示意為過(guò)程管道14的工業(yè)過(guò)程耦合。根據(jù)本發(fā)明，過(guò)程變量變送器12可以包括過(guò)程溫度變送器。變送器12被示作與雙線過(guò)程控制環(huán)路16耦合，被示意為通過(guò)雙線過(guò)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(cè)電阻18B。過(guò)程控制室 16可以依照于任何過(guò)程控制環(huán)路或與主機(jī)系統(tǒng)無(wú)線連接。環(huán)路16被示意為承載電流。在一個(gè)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(guò)程變量。在另一示例配置中，將數(shù)字信號(hào)調(diào)制到環(huán)路16上以承載過(guò)程信息。溫度變送器12與管道16中承載的過(guò)程流體耦合，并被配置為感測(cè)過(guò)程流體的溫度。在另一示例中，無(wú)線通信替代有線通信。圖2是與過(guò)程控制環(huán)路16耦合的溫度變送器12的簡(jiǎn)化框圖。變送器12包括測(cè)
5量電路30，測(cè)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(zhuǎn)換器36與端子塊34的端子耦合，并包括連接A、B、C、 D和E。模數(shù)轉(zhuǎn)換器36被配置為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的操作，并根據(jù)存儲(chǔ)器42中存儲(chǔ)的指令而進(jìn)行操作。輸入/輸出電路44與過(guò)程控制環(huán)路16耦合，并被配置為通過(guò)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。溫度傳感器32通過(guò)4線“開(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)50用作接地的冗余路徑，用于測(cè)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。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。在操作期間，微處理器40被配置為測(cè)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(cè)量的電阻轉(zhuǎn)換為溫度。使用圖2所示的配置，可以如下測(cè)量溫度傳感器32上的電壓VErtd = V(B_C)等式(1)參考電阻52上的電壓是VEref = V(E_F)等式 O)然后，傳感器32的電阻是Rrtd = REef*(Rrtd/VEref)等式(3)在正常操作期間，變送器可以被配置為使用上述等式3來(lái)感測(cè)溫度。如果變送器檢測(cè)到異常狀況(例如，EMF或線路電阻相對(duì)于其他線而改變)，則可以向操作者提供警告 (例如通過(guò)過(guò)程控制環(huán)路16)。如果所檢測(cè)到的差錯(cuò)不影響傳感器測(cè)量，則可以提供這種類(lèi)型的診斷警告。提供給操作者的信息可以包括例如所檢測(cè)到的特定事件，以及與傳感器 32的哪些連接線路導(dǎo)致了異常狀況。然而，如果異常狀況超過(guò)閾值(例如，存儲(chǔ)器42中存儲(chǔ)的閾值電平)，則變送器12 可以提供用于對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的可能影響溫度測(cè)量的那種嚴(yán)重異常狀況進(jìn)行指示的輸出。微處理器40可以被配置為將測(cè)量路徑改變?yōu)槔@過(guò)導(dǎo)致異常狀況的連接，并作為三線傳感器進(jìn)行操作。圖3示意了被配置為使用3線連接來(lái)測(cè)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(cè)量中的程度。變送器已自動(dòng)將線路1 從測(cè)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(jìn)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(lái)測(cè)量溫度傳感器32的電阻RRTD V(B-D)Vrtd+Vline+Vline等式(4)
V(C-D)Vline等式(5)
V ,= v rtd=VD)-2*Vfc-D)等式(6)
^Eref=V(E-F)等式(7)
Rrtd = RKef* (Vrtd/Vref)等式(8)該配置將提供非常精確的測(cè)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(zhuǎn)換器36的操作以提供可選擇的激勵(lì)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(jìn)行操作的警告輸出。異常事件的檢測(cè)可以基于任何適當(dāng)?shù)脑\斷技術(shù)，包括監(jiān)視統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如標(biāo)準(zhǔn)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(huì)丟失精度和引入差錯(cuò)。必須對(duì)連接導(dǎo)線的電阻進(jìn)行補(bǔ)償以提高測(cè)量精度。然而，這將允許變送器12提供一些測(cè)量(盡管這些測(cè)量是不精確的)，直到可以校正故障為止。盡管參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(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)上進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量過(guò)程流體的溫度的設(shè)備，包括基于電阻的溫度傳感器RTD傳感器，被配置為與過(guò)程流體熱耦合； 第一和第二電連接，被配置為施加經(jīng)過(guò)RTD的電流； 第三和第四電連接，被配置為測(cè)量RTD上的電壓；以及測(cè)量電路，被配置為識(shí)別與RTD的退化的連接，并作為響應(yīng)而使用第一、第二、第三和第四電連接中的非全部連接來(lái)測(cè)量過(guò)程流體的溫度，其中，所述測(cè)量電路被配置為在出現(xiàn)與RTD的退化的連接期間測(cè)量過(guò)程流體的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)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(lái)檢測(cè)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述測(cè)量電路被配置為使用與RTD的3條連接來(lái)測(cè)量過(guò)程流體的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述測(cè)量電路被配置為使用與RTD的2條連接來(lái)測(cè)量過(guò)程流體的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，與RTD的第一和第二連接與RTD的第一側(cè)耦合， 以及，第一和第二連接中的任一條被配置為選擇性地提供經(jīng)過(guò)RTD的電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備包括參考電阻器，以及，溫度測(cè)量與RTD 的電阻同參考電阻器的電阻之間的比較有關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括被配置為在過(guò)程控制環(huán)路上提供輸出的電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述過(guò)程控制環(huán)路包括雙線過(guò)程控制環(huán)路，所述雙線過(guò)程控制環(huán)路還被配置為給所述設(shè)備的電路供電。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述過(guò)程控制環(huán)路包括無(wú)線過(guò)程控制環(huán)路。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括I/O電路，所述I/O電路被配置為提供下述輸出， 所述輸出用于指示已經(jīng)檢測(cè)到與RTD的退化的連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述輸出是在過(guò)程控制環(huán)路上提供的。
12.—種感測(cè)過(guò)程流體的溫度的方法，包括 將基于電阻的溫度傳感器RTD與過(guò)程流體熱耦合； 使用與RTD的第一和第二連接，使電流流經(jīng)RTD ； 使用與RTD的第三和第四連接，測(cè)量RTD上的電壓；基于EMF或線路電阻的改變，識(shí)別與RTD的退化的連接；以及作為響應(yīng)而使用與RTD的第一、第二、第三和第四連接中的非全部連接來(lái)測(cè)量過(guò)程流體的溫度，其中，對(duì)溫度的測(cè)量是在出現(xiàn)與RTD的退化的連接期間進(jìn)行的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，RTD的電阻是使用與RTD的3條連接來(lái)測(cè)量的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，RTD的電阻是使用與RTD的2條連接來(lái)測(cè)量的。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，與RTD的第一和第二連接與RTD的第一側(cè)耦合，以及，第一和第二連接中的任一條被配置為選擇性地提供經(jīng)過(guò)RTD的電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述方法包括提供參考電阻器，以及，溫度測(cè)量與RTD的電阻同參考電阻器的電阻之間的比較有關(guān)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括在過(guò)程控制環(huán)路上提供與所感測(cè)的溫度有關(guān)的輸出。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述過(guò)程控制環(huán)路包括雙線過(guò)程控制環(huán)路。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述過(guò)程控制環(huán)路包括無(wú)線過(guò)程控制環(huán)路。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括提供以下輸出，所述輸出用于指示已經(jīng)檢測(cè)到與RTD的退化的連接。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述輸出是在過(guò)程控制環(huán)路上提供的。
全文摘要
本發(fā)明涉及過(guò)程流體的溫度測(cè)量。提供了一種用于測(cè)量過(guò)程流體的溫度的設(shè)備，包括基于電阻的溫度傳感器RTD傳感器，被配置為與過(guò)程流體熱耦合。第一和第二電連接被配置為施加經(jīng)過(guò)RTD的電流。測(cè)量電路被配置為測(cè)量RTD上的電壓，識(shí)別與RTD的退化的連接，和作為響應(yīng)而使用電連接來(lái)測(cè)量過(guò)程流體的溫度。
文檔編號(hào)G01K7/16GK102384795SQ20111022953
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:羅斯蒙德公司