利用傳感器應(yīng)力診斷的工業(yè)過(guò)程溫度變送器的制造方法
【專利摘要】一種用于感測(cè)工業(yè)過(guò)程的溫度的溫度變送器包括溫度傳感器，配置用于提供與工業(yè)過(guò)程的溫度有關(guān)的傳感器輸出。測(cè)量電路與所述溫度傳感器耦合，并且配置用于基于所述傳感器輸出來(lái)確定工業(yè)過(guò)程的溫度。輸出電路提供與所測(cè)量的溫度有關(guān)的輸出。存儲(chǔ)器配置用于存儲(chǔ)與溫度傳感器經(jīng)歷的過(guò)度溫度事件有關(guān)的溫度信息。診斷電路基于所存儲(chǔ)的溫度信息對(duì)所述溫度傳感器或其他部件的條件進(jìn)行診斷。
【專利說(shuō)明】利用傳感器應(yīng)力診斷的工業(yè)過(guò)程溫度變送器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于控制或者監(jiān)測(cè)工業(yè)過(guò)程的工業(yè)過(guò)程控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于感測(cè)工業(yè)過(guò)程的溫度的溫度變送器。
【背景技術(shù)】
[0002]過(guò)程變量變送器用于測(cè)量過(guò)程控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的過(guò)程參數(shù)。溫度變送器典型地包括:傳感器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將來(lái)自傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；微處理器，用于補(bǔ)償數(shù)字化的輸出；以及輸出電路，用于發(fā)送補(bǔ)償?shù)妮敵?。典型地，通過(guò)過(guò)程控制回路執(zhí)行發(fā)送，例如4-20mA的電流回路。一個(gè)示例參數(shù)是可以通過(guò)測(cè)量RTD(電阻溫度器件)的電阻來(lái)感測(cè)的溫度，或者熱電耦傳感器的電壓輸出，RTD也稱作PRT (鉬電阻溫度計(jì))傳感器。
[0003]隨著過(guò)程變量變送器中的溫度傳感器的老化，其精度可能趨向于退化，尤其是如果所述傳感器經(jīng)歷了高于或低于傳感器標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍的過(guò)度溫度。這種退化可能導(dǎo)致完全失效，其中需要替換傳感器或者變送器本身。另外，所述退化也可能導(dǎo)致溫度讀取時(shí)的錯(cuò)誤。這可能是不引人注意的，并且導(dǎo)致在工業(yè)過(guò)程的監(jiān)測(cè)或控制時(shí)的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]一種用于感測(cè)工業(yè)過(guò)程的溫度的溫度變送器包括:溫度傳感器，配置用于提供與工業(yè)過(guò)程的溫度有關(guān)的傳感器輸出。測(cè)量電路與所述溫度傳感器耦合，并且配置用于基于所述傳感器輸出來(lái)確定工業(yè)過(guò)程的溫度。輸出電路提供與所測(cè)量的溫度有關(guān)的輸出。存儲(chǔ)器配置用于存儲(chǔ)與溫度傳感器經(jīng)歷的過(guò)度溫度事件有關(guān)的溫度信息。診斷電路基于所存儲(chǔ)的溫度信息對(duì)所述溫度傳感器或其他部件的條件進(jìn)行診斷。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0005]圖1示出了包括配置用于感測(cè)過(guò)程流體溫度的溫度傳感器在內(nèi)的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。
[0006]圖2A是連接用于利用RTD傳感器測(cè)量溫度的溫度變送器的框圖。
[0007]圖2B是連接用于利用熱電耦傳感器測(cè)量溫度的溫度變送器的框圖。
[0008]圖3是根據(jù)本發(fā)明的步驟的簡(jiǎn)化框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]如在【背景技術(shù)】中所討論的，溫度變送器的溫度傳感器隨著時(shí)間老化并且退化。這可以導(dǎo)致溫度測(cè)量時(shí)的誤差以及傳感器的最終失效。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種退化的一個(gè)來(lái)源是由于將溫度傳感器暴露到過(guò)度的溫度，引起對(duì)于傳感器的損壞。例如，可能將傳感器暴露到超過(guò)用于構(gòu)成所述傳感器材料的限制的溫度。過(guò)度的溫度可以是過(guò)高的溫度或過(guò)低的溫度。
[0010]本發(fā)明監(jiān)測(cè)過(guò)程變量變送器中的溫度傳感器經(jīng)歷的過(guò)度溫度事件的次數(shù)?；谶@種信息，可以執(zhí)行診斷并進(jìn)行與傳感器退化概率有關(guān)的判定。過(guò)度溫度的監(jiān)測(cè)可以是傳感器已經(jīng)經(jīng)歷的過(guò)度溫度事件的次數(shù)、過(guò)度溫度事件的持續(xù)時(shí)間和/或過(guò)度溫度事件期間的溫度?？梢詫⑦@種信息存儲(chǔ)在過(guò)程變量變送器的存儲(chǔ)器中，或者存儲(chǔ)在與溫度傳感器本身相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器中。
[0011]圖1是工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)5的簡(jiǎn)化圖。在圖1中，過(guò)程管道7承載過(guò)程流體。過(guò)程變量變送器10配置用于與過(guò)程管道7耦合。變送器10包括溫度傳感器18，例如，所述溫度傳感器18可以包括熱電耦或RTD傳感器。變送器10配置用于向例如過(guò)程控制室6的另一個(gè)位置發(fā)送信息。所述發(fā)送可以是通過(guò)過(guò)程控制回路，例如雙線過(guò)程控制回路11。所述過(guò)程控制回路可以是根據(jù)任意所需形式，例如包括4-20mA過(guò)程控制回路、承載數(shù)字通信的過(guò)程控制回路、無(wú)線過(guò)程控制回路等等。在圖1所示的示例中，所述過(guò)程變量由控制室6處的電源6A供電。通過(guò)過(guò)程控制回路11接收供電。感測(cè)電阻器6B可以用于感測(cè)流過(guò)回路11的電流，從而監(jiān)測(cè)由變送器10發(fā)送的溫度相關(guān)信息。應(yīng)該理解的是可以使用向傳感器供電并且對(duì)所述傳感器信息進(jìn)行傳送的其他方法。
[0012]圖2A是連接用于利用RTD傳感器18測(cè)量溫度的溫度變送器10的框圖。變送器10與過(guò)程控制回路11相連，所述過(guò)程控制回路向變送器10供電，并且在所述過(guò)程控制回路上發(fā)送和接收信息。變送器10包括具有端子I至4的端子模塊14，用于與傳感器耦合，所述傳感器例如是RTD溫度傳感器(如圖2A所示)或者熱電耦溫度傳感器(如圖2B所示)。傳感器18可以在變送器10內(nèi)部或外部。變送器10包括微處理器22，所述微處理器通過(guò)輸入/輸出(I/O)電路24與控制回路11相連。電路24也利用來(lái)自回路11的功率向變送器10供電。電流源50向傳感器18施加電流Is。差分放大器26的正輸入和負(fù)輸入與傳感器18相連，并且向高精度A/D轉(zhuǎn)換器28提供輸出。存儲(chǔ)器30存儲(chǔ)用于微處理器22的指令和信息，所述微處理器按照由時(shí)鐘32確定的速度操作。
[0013]在操作時(shí)，變送器10測(cè)量傳感器18的溫度，并且通過(guò)控制回路11發(fā)送溫度的表示。變送器10采用以下等式 來(lái)計(jì)算傳感器18的溫度的電阻值:
[0014]Rj N PUT = ν=ρυτ等式!
[0015]其中:
[0016]電流源50經(jīng)由端子I和4提供通過(guò)傳感器18的電流Is。微處理器22測(cè)量端子2和3之間的RTD18兩端的電壓降(Vkinput)。在例如這里的四線電阻測(cè)量中，很大程度上消除了與端子2和3的連接上的電壓降，因?yàn)閷?shí)質(zhì)上所有電流都在端子I和4之間流過(guò)，并且對(duì)于測(cè)量精度幾乎沒(méi)有影響。利用在存儲(chǔ)器30中存儲(chǔ)的查找表或者合適的等式將Rinput轉(zhuǎn)換為溫度單位。
[0017]圖2B示出了連接用于利用傳感器18的熱電耦測(cè)量溫度的變送器10，其在端子I和2上產(chǎn)生電壓VTaNPUT。端子I和2與差分放大器26的輸入耦合。變送器10通過(guò)確定熱電耦電壓Vthnput來(lái)測(cè)量熱電耦傳感器18的溫度。將這種電壓適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償，并且基于例如在存儲(chǔ)器30中存儲(chǔ)的查找表、等式等將電壓轉(zhuǎn)換為溫度表示。然后可以如上所述在控制回路11上發(fā)送溫度信息。
[0018]除了圖2Α和2Β所示的存儲(chǔ)器30，也示出了可選的傳感器存儲(chǔ)器40?？蛇x的傳感器存儲(chǔ)器40可以與傳感器18物理地相關(guān)聯(lián)，并且通過(guò)端子模塊14中的存儲(chǔ)器連接器42與微處理器22相連。在另一個(gè)示例實(shí)施例中，存儲(chǔ)器40包括用于與端子模塊14的端子耦合的電路。在任一配置中，可以通過(guò)微處理器22讀取在存儲(chǔ)器40中存儲(chǔ)的信息。類似地，微處理器22可以將信息寫入到存儲(chǔ)器40中。在其中存儲(chǔ)器40通過(guò)端子模塊連接器1-4與微處理器22通信的配置中，例如，存儲(chǔ)器40可以包括對(duì)于調(diào)制到端子模塊14的端子上的高頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào)做出響應(yīng)的電路。響應(yīng)于這種信號(hào)，存儲(chǔ)器40可以存儲(chǔ)來(lái)自微處理器22的信息,或者向微處理器22發(fā)送信息。
[0019]在操作期間，微處理器監(jiān)測(cè)溫度傳感器18的溫度。如果溫度傳感器18的溫度超過(guò)閾值，可以將信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器30和/或存儲(chǔ)器40中。如這里所使用的，“過(guò)度溫度事件”指的是傳感器18經(jīng)歷了超過(guò)閾值的溫度。這種閾值可以是絕對(duì)閾值，或者可以是基于溫度和持續(xù)時(shí)間兩者的閾值。例如，如果感測(cè)的溫度超過(guò)閾值，可以將存儲(chǔ)器30/40中的計(jì)數(shù)器遞增。這種遞增也可以與溫度大于閾值的持續(xù)時(shí)間相關(guān)。在另一個(gè)示例實(shí)施例中，從額定值減去測(cè)量溫度，并且將結(jié)果相對(duì)于時(shí)間積分。例如，可以向傳感器18處于較高溫度期間的持續(xù)時(shí)間賦予比傳感器18處于較低溫度期間的持續(xù)時(shí)間更大的權(quán)重。作為特定示例，可以溫度傳感器18發(fā)生臨時(shí)超過(guò)500°C賦予比溫度傳感器18經(jīng)歷200°C溫度10小時(shí)更大的權(quán)重。可以按照需要調(diào)節(jié)這種加權(quán)。例如，一些部件可能在高溫下即刻失效，而一些部件當(dāng)暴露到低于引起即刻失效的溫度的升高溫度下時(shí)可能只是簡(jiǎn)單地趨向于更加迅速地退化。
[0020]基于與過(guò)度溫度事件相關(guān)聯(lián)的在存儲(chǔ)器30/40中存儲(chǔ)的信息，微處理器22可以對(duì)傳感器18的條件進(jìn)行診斷。這種診斷可以是以下形式:提供與預(yù)期剩余壽命有關(guān)的輸出、傳感器18需要即刻替換的指示，用于對(duì)由于過(guò)度溫度事件導(dǎo)致的在溫度測(cè)量中引入的誤差的補(bǔ)償。過(guò)度溫度信息也可以用于預(yù)測(cè)由于過(guò)度溫度事件導(dǎo)致的溫度測(cè)量中的誤差?？梢酝ㄟ^(guò)將經(jīng)歷過(guò)度溫度事件的溫度傳感器特征化、并且將這種信息按照補(bǔ)償信息的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器30或40中來(lái)確定這種信息。
[0021]在一些配置中，溫度傳感器18是可移除的。例如，可選存儲(chǔ)器40可以是非易失性存儲(chǔ)器，所述非易失性存儲(chǔ)器能夠在不需要分立電源的情況下保存信息。因?yàn)閷⑦^(guò)度溫度事件信息保留在傳感器18本身中，這種配置可能是需要的。如果將傳感器18去除并且用于不同的變送器18，所述過(guò)度溫度事件信息將可用于新的變送器。另外，如果傳感器因?yàn)槭Фㄟ^(guò)用戶返修，所述信息可以用于故障分析。在存儲(chǔ)器30或40中存儲(chǔ)的信息也可以包含與發(fā)生過(guò)度溫度事件的時(shí)間有關(guān)的信息，例如時(shí)間和日期信息。在另一個(gè)示例配置中，也可以在制造或者試行期間或者基于用戶輸入將具體的閾值信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器30或40中?？梢酝ㄟ^(guò)本地接口或者通過(guò)過(guò)程控制回路11接收用戶輸入。存儲(chǔ)器30或40也可以包含諸如其他過(guò)程變量之類的其他信息，例如傳感器18經(jīng)歷的振動(dòng)。
[0022]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的步驟的簡(jiǎn)化框圖60。例如，圖3所示的步驟可以使用基于在存儲(chǔ)器30中存儲(chǔ)的指令而操作的微處理器22來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述程序開(kāi)始于塊62，并且在塊64獲得溫度測(cè)量。在塊66，判定所述傳感器是否經(jīng)歷過(guò)度溫度事件。這可以通過(guò)將溫度與閾值相比來(lái)進(jìn)行，并且在過(guò)度溫度事件時(shí)可以考慮時(shí)間因素。如果發(fā)生或者已經(jīng)發(fā)生這種事件，在塊68將過(guò)度溫度事件信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器30或40中。如果不存在過(guò)度溫度事件，控制轉(zhuǎn)到塊70。在塊70，從存儲(chǔ)器30或40中檢索過(guò)度溫度事件。在塊72，基于檢索的過(guò)度溫度事件信息來(lái)執(zhí)行診斷。在其他配置中，在塊72可以執(zhí)行其他類型的步驟，包括基于檢索的過(guò)度溫度事件來(lái)補(bǔ)償測(cè)量的溫度值。此外，可以將從存儲(chǔ)器30或40中檢索的過(guò)度溫度事件信息按照需要通過(guò)過(guò)程控制回路18發(fā)送至另一個(gè)位置。[0023]盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解的是在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的修改。溫度變送器的各種部件中實(shí)現(xiàn)如這里所使用的“測(cè)量電路”和“診斷電路”。例如，這兩個(gè)電路都可以在微處理器22中實(shí)現(xiàn)，并且可以包括其他電路。例如，測(cè)量電路也可以包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器、電流源等。在其他配置中，所述電路可以分散在分立的元件中，或者可以包括共享的元件。
【權(quán)利要求】
1.一種用于感測(cè)工業(yè)過(guò)程的溫度的溫度變送器，包括: 溫度傳感器，配置用于提供與工業(yè)過(guò)程的溫度有關(guān)的傳感器輸出； 測(cè)量電路，與所述溫度傳感器耦合，配置用于基于所述傳感器輸出來(lái)測(cè)量工業(yè)過(guò)程的溫度; 輸出電路，配置用于提供與所測(cè)量的溫度有關(guān)的輸出； 存儲(chǔ)器，配置用于存儲(chǔ)與溫度傳感器經(jīng)歷的過(guò)度溫度事件有關(guān)的溫度信息；以及 診斷電路，配置用于基于所存儲(chǔ)的過(guò)度溫度信息對(duì)所述溫度傳感器的條件進(jìn)行診斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其中所述存儲(chǔ)器位于所述溫度變送器中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其中所述存儲(chǔ)器與所述溫度傳感器耦合，并且所述溫度傳感器可從所述變送器移除。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其中所述過(guò)度溫度信息包括與溫度傳感器已經(jīng)經(jīng)歷的過(guò)度溫度事件的次數(shù)有關(guān)的信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其中所述過(guò)度溫度信息包括與溫度傳感器經(jīng)歷過(guò)度溫度的持續(xù)時(shí)間有關(guān)的信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其中所述過(guò)度溫度信息包括在過(guò)度溫度事件期間所述溫度傳感器經(jīng)歷的溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其中由所述診斷電路診斷的條件涉及所述溫度傳感器的剩余壽命。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其中所診斷的所述溫度傳感器的條件涉及測(cè)量溫度中的預(yù)期誤差。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其中所述測(cè)量電路基于所診斷的條件來(lái)補(bǔ)償所測(cè)量的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其中所述溫度傳感器包括電阻溫度設(shè)備RTD。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其中所述溫度傳感器包括熱電耦。
12.—種對(duì)溫度變送器執(zhí)行診斷的方法，所述溫度變送器用于感測(cè)工業(yè)過(guò)程的溫度，所述方法包括: 使用溫度傳感器感測(cè)工業(yè)過(guò)程的溫度，并且提供與所感測(cè)的溫度有關(guān)的傳感器輸出； 使用測(cè)量電路、基于所述傳感器輸出來(lái)測(cè)量所述工業(yè)過(guò)程的溫度； 提供與所測(cè)量的溫度有關(guān)的輸出； 將過(guò)度溫度信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，所述過(guò)度溫度信息與溫度傳感器經(jīng)歷的過(guò)度溫度事件有關(guān)；以及 基于所存儲(chǔ)的過(guò)度溫度信息來(lái)診斷所述溫度傳感器的條件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述存儲(chǔ)器位于所述溫度變送器中。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述存儲(chǔ)器與所述溫度傳感器耦合，并且所述溫度傳感器可從所述變送器移除。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述過(guò)度溫度信息包括與溫度傳感器已經(jīng)經(jīng)歷的過(guò)度溫度事件的次數(shù)有關(guān)的信息。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述過(guò)度溫度信息包括與溫度傳感器經(jīng)歷過(guò)度溫度的持續(xù)時(shí)間有關(guān)的信息。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述過(guò)度溫度信息包括在過(guò)度溫度事件期間所述溫度傳感器經(jīng)歷的溫度。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所診斷的所述溫度傳感器的條件涉及所述溫度傳感器的剩余壽命。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所診斷的所述溫度傳感器的條件涉及測(cè)量溫度中的預(yù)期誤差。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的`方法，包括基于所述診斷條件來(lái)補(bǔ)償所測(cè)量的溫度。
【文檔編號(hào)】G01K7/02GK103512679SQ201210335726
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】安東尼·邁克爾·艾爾克 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司