專利名稱：用于科里奧里效應(yīng)質(zhì)量流量計(jì)的多個(gè)電阻式傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來把一個(gè)以上電阻傳感器用在科里奧里質(zhì)量流量計(jì)上的裝置。更詳細(xì)地說，本發(fā)明涉及用來把一個(gè)以上的溫度傳感器用在科里奧里質(zhì)量流量計(jì)上、同時(shí)把流量計(jì)元件和流量計(jì)變送器之間所需要的導(dǎo)線數(shù)目減至最少的電路。
利用科里奧里效應(yīng)質(zhì)量流量計(jì)來測(cè)量流過管道的物質(zhì)的質(zhì)量流和物質(zhì)的其它信息是眾所周知的，如1985年1月1日授予J.E.Smith等人的美國專利第4,491,025和屬于J.E.Smith的1982年2月11日發(fā)表的參考文獻(xiàn)31,450中所公開的。這些流量計(jì)具有一個(gè)或多個(gè)彎曲的或者直的外形的流管。科里奧里質(zhì)量流量計(jì)中每一種流管外形具有一組自然振動(dòng)模式，后者可以是彎曲的、扭轉(zhuǎn)的、徑向的或成對(duì)的形式。激勵(lì)每一個(gè)流管，使它以這些自然模式中的一個(gè)或多個(gè)模式諧振(oscillate at resonance)。裝滿物質(zhì)的系統(tǒng)的自然振動(dòng)模式部分地由流管和該流管中的物質(zhì)的組合質(zhì)量限定。物質(zhì)從連接在流量計(jì)的入口側(cè)的管道流入流量計(jì)。然后，物質(zhì)流過一根流管或幾根流管，并且退出流量計(jì)流向連接在出口側(cè)的管道。
激勵(lì)器施加力以便使流管振動(dòng)。當(dāng)不存在經(jīng)過流管的流動(dòng)時(shí)，沿著流管的所有點(diǎn)將以相同的相位振動(dòng)。當(dāng)物質(zhì)開始流動(dòng)時(shí)，科里奧里加速度使沿著流管的每一個(gè)點(diǎn)相對(duì)于沿著流管的其它點(diǎn)具有不同的相位。流管入口側(cè)的相位滯后于激勵(lì)器，而流管出口側(cè)的相位超前于激勵(lì)器。在流管上設(shè)置拾取傳感器，以便產(chǎn)生表示流管運(yùn)動(dòng)的正弦信號(hào)。拾取傳感器可以是位置、速度或加速度傳感器。兩個(gè)拾取傳感器信號(hào)之間的相位差正比于流過一根流管或多根流管的物質(zhì)的質(zhì)量流率。
通過流管的流體流僅僅在振動(dòng)的流管的入口端和出口端產(chǎn)生大約幾度的輕微的相位差。當(dāng)以時(shí)間差表示測(cè)量結(jié)果時(shí)，由流體流導(dǎo)致的相位差是大約幾十微秒一直到幾個(gè)納秒。工業(yè)用的流率測(cè)量應(yīng)當(dāng)具有小于0.1％的誤差。因此，科里奧里質(zhì)量流量計(jì)必須獨(dú)特地設(shè)計(jì)成精確地測(cè)量這些輕微的相位差。
科里奧里質(zhì)量流量計(jì)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性隨著溫度而變化。振動(dòng)流管通常是由具有隨溫度變化的彈性模量的金屬材料制成的。為了保持高的測(cè)量精度，通常測(cè)量所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)的溫度，并且對(duì)溫度變化引起的彈性模量的變化進(jìn)行補(bǔ)償。
科里奧里質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)包括兩個(gè)部件流量計(jì)元件和變送器。流量計(jì)元件是實(shí)際傳感器，它包括流體流過其中的振動(dòng)管，而變送器是接收和處理來自流量計(jì)元件的信號(hào)的信號(hào)處理裝置。通過多心電纜進(jìn)行流量計(jì)元件和變送器之間的連接。屏蔽電纜包括屏蔽導(dǎo)線對(duì)，用來向激勵(lì)器提供激勵(lì)信號(hào)；第二和第三屏蔽導(dǎo)線對(duì)，用來傳輸來自拾取傳感器的信號(hào)；以及三芯屏蔽導(dǎo)線，用來傳輸來自位于振動(dòng)流管上的溫度傳感器的信號(hào)。通常使用三線式溫度傳感器，因?yàn)檫@考慮到對(duì)流量計(jì)元件和流量計(jì)變送器之間的電阻的補(bǔ)償。這種9線式電纜不是過程控制行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)電纜。因此，每次利用遠(yuǎn)離流量計(jì)元件安裝的變送器，總要在流量計(jì)元件和變送器之間布置特殊的非標(biāo)準(zhǔn)電纜(9線式科里奧里流量計(jì))。對(duì)用戶來說，這導(dǎo)致科里奧里流量計(jì)的附加的費(fèi)用。
隨著科里奧里流量計(jì)技術(shù)的發(fā)展，性能要求和對(duì)振動(dòng)流管(多根振動(dòng)流管)幾何形狀的改變已經(jīng)產(chǎn)生對(duì)流量計(jì)元件上多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量的要求?？赡苄枰獙?duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)、例如流管(多根流管)進(jìn)行溫度測(cè)量并且對(duì)非振動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度測(cè)量。另一方面，可能需要對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)的濕的部分進(jìn)行溫度測(cè)量并且對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)的非濕的部分進(jìn)行溫度測(cè)量。在任何一種情況下，當(dāng)一個(gè)以上的溫度傳感器用于現(xiàn)有的科里奧里流量計(jì)設(shè)計(jì)中時(shí)，除了用于科里奧里流量計(jì)的通常的9線電纜中的那些現(xiàn)有的導(dǎo)線之外，還需要另外的導(dǎo)線。由于以下若干原因，具有多于傳統(tǒng)的9根導(dǎo)線的電纜是一個(gè)難題。一個(gè)原因就是現(xiàn)有的9線電纜是昂貴的。使用具有更多導(dǎo)線的電纜給科里奧里流量計(jì)的用戶增加了額外的費(fèi)用。無論用于給定的流量計(jì)中的溫度傳感器的數(shù)目是多少，把導(dǎo)線的數(shù)目減至最少都是有利的。對(duì)于科里奧里流量計(jì)的制造者來說，電纜中附加的導(dǎo)線還意味著在流量計(jì)元件和變送器兩者中的附加的連接器。這給所述產(chǎn)品增加了額外的成本，并且，如果沒有用于附加連接器的足夠的物理空間的話，還會(huì)造成難題。尤其對(duì)于內(nèi)部安全使用，這確實(shí)是難題。把附加導(dǎo)線加到所述電纜上成為難題的另一個(gè)原因是兼容性問題。如果不同型號(hào)的流量計(jì)需要不同的電纜，則科里奧里質(zhì)量流量計(jì)的制造者可能要承擔(dān)額外的費(fèi)用。此外，現(xiàn)有一個(gè)使用9線電纜的大的安裝底座，如果可以使用相同的電纜，則在該安裝底座范圍內(nèi)可以很容易使用新的流量計(jì)設(shè)計(jì)代替舊的流量計(jì)。
存在對(duì)這樣的科里奧里流量計(jì)設(shè)計(jì)的需求它提供多個(gè)溫度傳感器，同時(shí)把流量計(jì)元件和變送器之間的導(dǎo)線數(shù)目減至最少。還存在對(duì)這樣的科里奧里流量計(jì)設(shè)計(jì)的需求它使用兩個(gè)溫度傳感器，后者利用通常用于科里奧里流量計(jì)的現(xiàn)有的9線電纜。
通過本發(fā)明的包括多個(gè)串聯(lián)的溫度傳感器的方法和裝置來解決上述和其它問題。每一個(gè)溫度傳感器提供單獨(dú)的溫度讀數(shù)，并且進(jìn)行電纜電阻的測(cè)量，以供電纜電阻補(bǔ)償之用。所述溫度傳感器中的一個(gè)周期性地?cái)嚅_與其它溫度傳感器的串聯(lián)，并且進(jìn)行對(duì)電纜電阻的測(cè)量。當(dāng)本發(fā)明使用兩個(gè)溫度傳感器時(shí)，使用現(xiàn)有的單個(gè)溫度傳感器設(shè)計(jì)所使用的9線電纜來測(cè)量?jī)蓚€(gè)溫度值。當(dāng)本發(fā)明使用兩個(gè)以上的溫度傳感器時(shí)，與現(xiàn)有的科里奧里流量計(jì)設(shè)計(jì)相比，只需要最少數(shù)目的導(dǎo)線。
現(xiàn)有的科里奧里流量計(jì)設(shè)計(jì)對(duì)于電阻式傳感器的每一個(gè)端子需要一根導(dǎo)線，并且需要至少一根附加導(dǎo)線，以便能夠測(cè)量和補(bǔ)償電纜電阻。根據(jù)本發(fā)明，多個(gè)溫度傳感器串聯(lián)連接，并且僅僅串聯(lián)連接的節(jié)點(diǎn)需要導(dǎo)線。不使用附加的導(dǎo)線來測(cè)量電纜電阻。所述溫度傳感器中的一個(gè)周期性地?cái)嚅_所述串聯(lián)連接，使得沒有電流流過那個(gè)溫度傳感器。因此，有可能單獨(dú)地測(cè)量一根導(dǎo)線兩端的電壓，從而提供對(duì)電纜電阻的測(cè)量。
多個(gè)溫度傳感器串聯(lián)布置。流量計(jì)元件(各溫度傳感器所在的地方)和變送器之間所需要的導(dǎo)線數(shù)目(用于溫度測(cè)量)等于1加溫度傳感器的數(shù)目。位于變送器中的開關(guān)裝置可以用來把所述各溫度傳感器的串聯(lián)連接的一端與變送器的電源斷開。這確保沒有電流流過處在所述串聯(lián)連接的斷開的端部處的溫度傳感器。這樣，在變送器處測(cè)量的所述斷開的溫度傳感器兩端的電壓與在該變送器處測(cè)量的基準(zhǔn)電阻兩端的電壓相比較，提供所述變送器和所述斷開的溫度傳感器之間導(dǎo)線電阻的測(cè)量。然后，把從所述各溫度傳感器接收到的電阻測(cè)量結(jié)果減去這電纜電阻。變送器和流量計(jì)元件之間的導(dǎo)線電阻隨著溫度而改變。在溫度不是快速變化的環(huán)境下，可以偶爾進(jìn)行電纜電阻測(cè)量，例如每隔10分鐘測(cè)量一次。在溫度快速變化的環(huán)境下，可以比較經(jīng)常地進(jìn)行電纜電阻測(cè)量，例如每隔30秒鐘測(cè)量一次。雖然僅僅測(cè)量了單根導(dǎo)線的電阻，但是，所有導(dǎo)線具有相同的長(zhǎng)度和相同的規(guī)格，并且被捆在同一根電纜中。一根導(dǎo)線的電阻要不是完全相同也類似于其它電纜導(dǎo)線的電阻。
本發(fā)明利用最少導(dǎo)線數(shù)目為多點(diǎn)溫度測(cè)量提供電纜長(zhǎng)度補(bǔ)償。在兩個(gè)溫度傳感器的情況下，僅僅需要三根導(dǎo)線來進(jìn)行兩點(diǎn)單獨(dú)的溫度測(cè)量和補(bǔ)償電纜長(zhǎng)度。因此，現(xiàn)有的用于科里奧里質(zhì)量流量計(jì)的昂貴的9線電纜可以適應(yīng)兩點(diǎn)溫度測(cè)量。


圖1是使用雙溫度傳感器的直管科里奧里質(zhì)量流量系統(tǒng)的剖面圖。
圖2是實(shí)現(xiàn)用于科里奧里質(zhì)量流量系統(tǒng)的單溫度傳感器電路的一個(gè)例子的示意圖。
圖3是實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的雙溫度傳感器電路的一個(gè)例子的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的雙溫度傳感器的更詳細(xì)的示意圖。
圖5是描述與微處理器控制的確定根據(jù)本發(fā)明的多溫度傳感器的溫度的處理步驟的流程圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的使用三個(gè)溫度傳感器的溫度傳感器電路的示意圖。
通常的科里奧里流量計(jì)系統(tǒng)-圖1圖1示出科里奧里流量計(jì)系統(tǒng)5，它包括科里奧里測(cè)量計(jì)元件10和變送器20。變送器20經(jīng)由多心電纜100連接到測(cè)量計(jì)組件10。變送器20通過路徑26向應(yīng)用裝置(未示出)提供密度、質(zhì)量流率、體積流率和溫度數(shù)據(jù)。雖然描述了科里奧里流量計(jì)結(jié)構(gòu)，但是，對(duì)于本專業(yè)的技術(shù)人員來說，顯然，可以在科里奧里質(zhì)量流量計(jì)不提供附加的測(cè)量能力的情況下連同振動(dòng)管密度計(jì)一起實(shí)施本發(fā)明。
測(cè)量計(jì)元件10包括一對(duì)法蘭101和101’，總管102和102’。流體通過各法蘭之一101或101’進(jìn)入測(cè)量計(jì)元件10，經(jīng)過流管103，然后通過另一個(gè)法蘭101或101’離開測(cè)量計(jì)元件10。流管103被平衡管104包圍。流管103連接到平衡管104，而平衡管104連接到外殼端部105和105’。外殼端部105和105’形成外殼106的端部。圖1舉例說明直的流管103。但是，本專業(yè)的技術(shù)人員知道，本發(fā)明可以應(yīng)用于具有任何幾何形狀的流管的流量計(jì)系統(tǒng)。此外，顯然，具有讓流體流過的多根流管的流動(dòng)元件也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
激勵(lì)器107在平衡管104的中點(diǎn)連接到平衡管104。拾取傳感器108和108’連接到平衡管104和流管103。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，拾取傳感器108和108’包括安裝在平衡管104上的線圈；以及磁體，它安裝在流管103上，并且是這樣構(gòu)成的，以便當(dāng)把周期性信號(hào)加到線圈上時(shí)在所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。本專業(yè)的技術(shù)人員明白，任何類型的拾取傳感器、例如加速度計(jì)或電位差計(jì)都可以使用，而所描述的速度傳感器僅僅是示范性的。
平衡器115在直徑方向上與激勵(lì)器107相對(duì)地連接到平衡管104。平衡器115的質(zhì)量由預(yù)期將由系統(tǒng)5測(cè)量的處理流體的密度確定。流管溫度傳感器109安裝在流管103上，而平衡管溫度傳感器110安裝在平衡管104上。
電纜100包括導(dǎo)線111，它把激勵(lì)信號(hào)從變送器20輸送到激勵(lì)器107；導(dǎo)線112-113，它們分別把來自左和右拾取傳感器的拾取信號(hào)輸送到變送器20；以及導(dǎo)線114，它把溫度傳感器信息輸送到變送器20。導(dǎo)線111-113各自實(shí)際上是雙導(dǎo)線，而導(dǎo)線114實(shí)際上是三根分開的導(dǎo)線，這意味著電纜100包括9根導(dǎo)線。
變送器20的用來產(chǎn)生質(zhì)量流率、體積流率和密度信息的操作對(duì)于流量測(cè)量領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是眾所周知的，并且不構(gòu)成本發(fā)明的一部分。包括流管溫度傳感器109、平衡管溫度傳感器110、導(dǎo)線114的電路系統(tǒng)以及變送器20中的有關(guān)電路系統(tǒng)構(gòu)成其余描述部分的基礎(chǔ)。
本專業(yè)的技術(shù)人員明白，科里奧里流量計(jì)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與振動(dòng)管密度計(jì)非常相似。振動(dòng)管密度計(jì)也利用讓流體流過其中的振動(dòng)管，或者，在采樣型密度計(jì)的情況下，流體保存在振動(dòng)管中。振動(dòng)管密度計(jì)也利用激勵(lì)系統(tǒng)來激勵(lì)流管振動(dòng)。通常，振動(dòng)管密度計(jì)僅僅使用單一的反饋信號(hào)，即，來自單一拾取傳感器的信號(hào)，因?yàn)槊芏葴y(cè)量?jī)H僅需要測(cè)量頻率，而不必測(cè)量相位。本發(fā)明在這里的描述同樣適用于振動(dòng)管密度計(jì)。
單一溫度傳感器-圖2圖2是已知的溫度測(cè)量電路的示意圖。圖2舉例說明利用單一溫度傳感器109測(cè)量流量計(jì)元件10的溫度的電路。參考圖1，圖2是顯示僅僅利用流管溫度傳感器109時(shí)必要的布線的示意圖。作為電纜100的一部分的導(dǎo)線114包括3根導(dǎo)線201-203。導(dǎo)線114的屏蔽層通過通路210接地。溫度傳感器109的三根導(dǎo)線211-213連接到流量計(jì)元件10上的三個(gè)端子204-206。導(dǎo)線201-203的一端連接到端子204-206，而它們各自的另一端連接到變送器20上的端子207至209。導(dǎo)線201-203中的每一根的導(dǎo)線電阻模擬為導(dǎo)線201-203中每一根上的電阻Rc。導(dǎo)線201-203具有基本上相同的長(zhǎng)度和規(guī)格，因此把它們各自的電阻表示成相同的。雖然導(dǎo)線201-203中的每一根的電阻Rc是相同的，但是，電阻Rc不是固定的。電阻Rc的值由電纜100的長(zhǎng)度和電纜100的溫度確定。對(duì)于給定的裝置，電纜100的長(zhǎng)度是固定的，雖然在工廠校準(zhǔn)流量計(jì)系統(tǒng)5時(shí)才知道電纜100的長(zhǎng)度(這種情況即使有也是很少見的)。然而，在給定的裝置中，溫度是隨時(shí)間變化的。因此，在利用溫度傳感器109進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，電阻Rc是變化的，因而必須加以補(bǔ)償。
在本實(shí)施例中，電壓基準(zhǔn)通過供電電阻Rsup施加電壓，圖中示出5伏的電壓基準(zhǔn)，雖然可以使用任何電壓基準(zhǔn)。電阻Rsup、基準(zhǔn)電阻Rref和補(bǔ)償電阻Roff是這樣選擇的，使得正常工作的溫度傳感器109兩端的電壓(V3-V2)不超過二極管D1的導(dǎo)通電壓。對(duì)于二極管D2，上述條件也成立。溫度傳感器109是一種典型的三線電阻式溫度檢測(cè)器。測(cè)量溫度傳感器109感受到的溫度的方法是確定溫度傳感器109的電阻，并且把那個(gè)電阻值插入標(biāo)準(zhǔn)方程中，如以下所討論的。
下面的方程說明在現(xiàn)有的科里奧里流量計(jì)系統(tǒng)中測(cè)量溫度傳感器109的電阻得到的測(cè)量結(jié)果。(V3-V2)-(V2-V1)V1-V0*RREF(Ω)=RTDΩ]]>(方程1)方程1表示溫度傳感器109兩端的電壓(V3-V2)和電阻Rc兩端的電壓(V2-V1)之間的差別。典型的電阻式溫度裝置是“100歐姆(Ω)電阻”。通過把所述RTD的電阻(溫度傳感器109)和100Ω基準(zhǔn)電阻(Rref)比較來測(cè)量100ΩRTD。一旦知道所述RTD的電阻，就可以利用RTD的特定形式的特征方程來計(jì)算溫度。RTD的制造者提供每一個(gè)RTD的合適的特征方程。方程2是特征的RTD方程的范例。把通過解方程1而確定的值代入方程2中，以便確定溫度傳感器109所感受到的溫度。
(方程2)
(方程3)RTD的每一種類型具有諸如方程2的唯一的特征方程。以上的例子是關(guān)于Heraeus 1PT 100FKG 430.4-18-T-3。
以上是關(guān)于已知的科里奧里流量計(jì)系統(tǒng)如何測(cè)量流管的溫度。請(qǐng)注意，導(dǎo)線203專用于一種全時(shí)間任務(wù)，即，提供用來測(cè)量電纜的電阻(Rc)的裝置。
雙溫度傳感器-圖多電阻傳感器圖3舉例說明根據(jù)本發(fā)明的用來測(cè)量科里奧里質(zhì)量流量計(jì)上兩個(gè)位置的溫度的電路。除了有兩個(gè)溫度傳感器109-110以及用來把溫度傳感器110與5伏電壓基準(zhǔn)斷開的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)F0之外，圖3的電路類似于圖2的電路。還應(yīng)當(dāng)注意，電壓V3是從連接到溫度傳感器110的FET F0側(cè)測(cè)量的。溫度傳感器109-110分別具有電阻R109-R110，它們隨著每一個(gè)傳感器感受到的溫度而變化。
控制線307連接到微處理器(圖3中未示出)，并且確定什么時(shí)候FET F0斷開，什么時(shí)候FET F0接通。當(dāng)FET F0接通時(shí)，電流從5伏電壓基準(zhǔn)，通過FET F0和導(dǎo)線308(它具有電阻Rc)，通過溫度傳感器110和109，然后通過導(dǎo)線310(它具有電阻Rc)返回變送器20。所述電流連續(xù)地通過Rref和Roff到地。對(duì)于本實(shí)施例來說，Rref是100Ω電阻。當(dāng)FET F0導(dǎo)通時(shí)，進(jìn)行以下的計(jì)算
(方程4)方程3用于計(jì)算溫度傳感器110(R110)的電阻加上導(dǎo)線308的電阻(Rc)。方程4用于計(jì)算溫度傳感器109(R109)的電阻加上導(dǎo)線310的電阻(Rc)。方程3和4的結(jié)果不能直接代入方程2來確定溫度，因?yàn)榉匠?和4的結(jié)果各自包含等于電纜電阻Rc的電阻的量。如下所述，周期性地通過斷開FET F0來進(jìn)行導(dǎo)線電阻Rc的測(cè)量，然后進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。在FET F0斷開的情況下，電流流過二極管D1、流過導(dǎo)線309(具有電阻Rc)和溫度傳感器109、然后流過導(dǎo)線310(具有電阻Rc)、基準(zhǔn)電阻Rref和補(bǔ)償電阻Roff返回到地。當(dāng)FET F0斷開時(shí)，進(jìn)行以下的計(jì)算
(方程5)
(方程6)由于當(dāng)FET F0斷開時(shí)不存在流過溫度傳感器110的電流，所以，電壓(V2-V3)表示僅僅由電流流過具有電阻Rc的導(dǎo)線309造成的電壓降。當(dāng)這電壓除以基準(zhǔn)電阻Rref兩端的電壓并且把結(jié)果乘以基準(zhǔn)電阻Rref的值(100Ω)，就得到電阻Rc的值。如上指出的，導(dǎo)線308-310都具有基本上相同的長(zhǎng)度和規(guī)格，并且都感受到相同的溫度，因此，作出以下假定所測(cè)量的所述導(dǎo)線中的一根導(dǎo)線的電阻等于剩余導(dǎo)線中每一根導(dǎo)線的電阻。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，分別從方程3和4的結(jié)果中減去方程5的結(jié)果，以便確定溫度傳感器110和溫度傳感器109的電阻。然后，把這些值作為所述RTD’、一次一個(gè)地代入方程2中，以便確定所述溫度傳感器中每一個(gè)所感受到的溫度。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)行另一種計(jì)算，以便確定Rc的第二估計(jì)值，然后取Rc的所述兩個(gè)值的平均值，以便確定像以上所述那樣使用的Rc值。從方程6的結(jié)果中減去方程4的結(jié)果，留下導(dǎo)線109的電阻的估計(jì)值(Rc)。因此，在這個(gè)實(shí)施例中，按照以下方程計(jì)算Rc
(方程7)與簡(jiǎn)單地利用方程5的結(jié)果相比，這種確定電阻Rc的方法更加精確，因?yàn)榉匠?利用對(duì)導(dǎo)線109電阻的兩次不同的測(cè)量結(jié)果的平均值。然后，從方程3和4中減去從方程7得到的Rc的這種平均值，以便分別得到溫度傳感器110和109的電阻值。
雙溫度傳感器和變送器20-圖4給各圖之間共同的元件加上共同的標(biāo)號(hào)。圖4舉例說明圖3的與變送器20的必要的支持和控制電路組合的電路?？刂艶ET F0的操作的控制線307連接到微處理器409的控制輸出端412。如上所述，微處理器409是這樣構(gòu)成的，以便周期性地將FET F0斷開。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，每隔10分鐘把FET F0斷開大約0.8秒，以便對(duì)Rc進(jìn)行必要的測(cè)量。FET F0代表開關(guān)裝置。本專業(yè)的技術(shù)人員明白，任何合適的開關(guān)裝置，例如晶體管，都可以用來代替FET F0，但不限于晶體管。緩沖電阻414-418確保變送器20的電路系統(tǒng)本身不影響溫度傳感器110-109的電阻測(cè)量。在一個(gè)實(shí)施例中，電阻414-418具有10KΩ的值，而電阻Rsup、Rref和Roff分別具有1.74KΩ、100Ω和3.01KΩd的值?；鶞?zhǔn)電阻Rref是非常精確的，例如，在每℃0.1％和百萬分之10的范圍內(nèi)。
在多路復(fù)用器401的輸入端I0-I3分別讀出4個(gè)電壓V0-V3。多路復(fù)用器401在輸入端I0-I3之間轉(zhuǎn)換，以便在輸出端403一次產(chǎn)生電壓V0-V3中的一個(gè)。輸出端403上的電壓電平通過線路404傳輸?shù)诫妷?頻率轉(zhuǎn)換器(“V/F”)406。V/F 406把在輸入端405輸入的電壓轉(zhuǎn)換成在輸出端407輸出的相應(yīng)的頻率。輸出端407的頻率通過線路408傳輸?shù)轿⑻幚砥?09，并且在微處理器409的頻率輸入端410讀出。多路復(fù)用器401的操作受控于通路420上來自微處理器409的控制輸出端411的信號(hào)，以便順序地在輸出端403提供電壓V0-V3中的每一個(gè)電壓。微處理器409在輸入端410接收表示每一個(gè)電壓的頻率，并且把關(guān)于每一個(gè)頻率的值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器419中。然后，中央處理器(“CPU”)421利用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器419中的值計(jì)算所有方程3-7，以便通過通路413產(chǎn)生關(guān)于溫度傳感器109感受到的溫度和溫度傳感器110感受到的溫度的輸出信號(hào)。微處理器409是市場(chǎng)上可以買到的任何微處理器中的一種，例如，Motorola制造的MC68HC705C9A-CFN。本專業(yè)的技術(shù)人員熟悉這種微處理器執(zhí)行上述任務(wù)和計(jì)算的操作。
圖5是說明由微處理器409執(zhí)行的產(chǎn)生溫度傳感器109-110的溫度值的處理步驟的流程圖。在單元500開始處理過程，然后進(jìn)到步驟501。在步驟501期間，把電壓基準(zhǔn)加到多個(gè)溫度傳感器的串聯(lián)連接線上。參考圖4，如果5伏電壓基準(zhǔn)尚未接通的話，則接通5伏電壓基準(zhǔn)，于是，在步驟501期間FET F0導(dǎo)通。然后，處理過程進(jìn)到步驟502。
在步驟502期間，測(cè)量各溫度傳感器的串聯(lián)連接的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電壓。例如，輸送合適的信號(hào)控制多路復(fù)用器401的輸入端402，以便順序地把電壓Vc0-Vc3切換到V/F 406。如上關(guān)于圖4的描述，微處理器409對(duì)與電壓Vc0-Vc3中的每一個(gè)對(duì)應(yīng)的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且把適當(dāng)?shù)闹荡嫒氪鎯?chǔ)器419。接著，處理過程進(jìn)到步驟503。
在步驟503期間，確定每一個(gè)溫度傳感器兩端的電阻。當(dāng)然，在迄今進(jìn)行的測(cè)量中，每一個(gè)溫度傳感器兩端的電阻還包含在其上測(cè)定必要的電壓的導(dǎo)線的電阻。在步驟503期間進(jìn)行的計(jì)算對(duì)應(yīng)于上述方程3和4。接著，處理過程轉(zhuǎn)到步驟504。
在步驟504期間，開關(guān)斷開，從而把溫度傳感器的串聯(lián)連接的一端與電壓基準(zhǔn)斷開。參考圖4的電路，響應(yīng)通路307上來自微處理器409的控制輸出端412的控制信號(hào)，F(xiàn)0被斷開。然后，處理過程轉(zhuǎn)到步驟505。
在步驟505期間，測(cè)量溫度傳感器的串聯(lián)連接的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓。例如，輸送合適的信號(hào)控制多路復(fù)用器401的輸入端402，以便順序地把電壓V00-V03轉(zhuǎn)換到V/F 406。如上關(guān)于圖4的描述，微處理器409對(duì)與電壓V00-V03中的每一個(gè)對(duì)應(yīng)的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且把適當(dāng)?shù)闹荡嫒氪鎯?chǔ)器419。接著，處理過程進(jìn)到步驟506。
在步驟506期間，測(cè)量所述各導(dǎo)線中一根導(dǎo)線的電阻，以便供隨后對(duì)導(dǎo)線電阻進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)用。在圖4的例子中，或者僅僅利用方程5的計(jì)算或者利用方程5-7的計(jì)算來確定導(dǎo)線電阻，以便確定Rc的平均值。然后，處理過程轉(zhuǎn)到步驟507。
在步驟507期間，從在步驟503期間計(jì)算的溫度傳感器值中減去在步驟506期間計(jì)算的Rc的值。這個(gè)步驟產(chǎn)生每一個(gè)串聯(lián)連接的溫度傳感器的補(bǔ)償后的電阻值。然后，處理過程轉(zhuǎn)到步驟508。
在步驟508期間，例如，利用諸如方程2的特性方程，把補(bǔ)償后的傳感器電阻值中的每一個(gè)轉(zhuǎn)換成溫度。方程2的形式?jīng)Q定于實(shí)際的溫度傳感器型號(hào)，并且是由溫度傳感器制造者提供的。然后，處理過程轉(zhuǎn)到單元509。
N-溫度傳感器-圖6圖6描繪利用第三溫度傳感器RN的電路，所述第三溫度傳感器RN通過具有電阻Rc的導(dǎo)線601連接到變送器20。例如，RN可以是安裝在圖1中外殼106上的溫度傳感器。在FET F0導(dǎo)通的情況下，測(cè)量電壓Vc0-Vc3和VcN。然后進(jìn)行以下的計(jì)算，以便確定溫度傳感器和導(dǎo)線兩端的電阻
(方程8)
(方程9)
(方程10)請(qǐng)注意，在方程10的情況下，直接測(cè)量溫度傳感器109的電阻，而沒有任何導(dǎo)線電阻成分。但是，為了確定溫度傳感器110和溫度傳感器RN的電阻，還必須進(jìn)行進(jìn)一步的處理。利用通路307上的控制信號(hào)斷開FET F0。測(cè)量電壓V00-V03和V0N，并且進(jìn)行如下的計(jì)算，以便確定導(dǎo)線電阻Rc
(方程11)方程11提供導(dǎo)線309的電阻Rc的直接測(cè)量。如上所述，利用以下的進(jìn)一步計(jì)算可以獲得導(dǎo)線電阻的平均值Ravg
(方程12)
(方程13)
方程12包括溫度傳感器的電阻R109。這樣，獲得導(dǎo)線309的電阻的平均值Ravg。如上指出的，假定導(dǎo)線308-310和601中的每一個(gè)具有相同的電阻，因?yàn)樗鼈兙哂谢旧舷嗤拈L(zhǎng)度和規(guī)格，并且感受到基本上相同的溫度。然后，從方程8和方程10減去Ravg，以便分別獲得R110和RN的補(bǔ)償后的值。如所指出的，R109是直接測(cè)量的。
圖6以及方程8-13的相關(guān)計(jì)算說明，通過設(shè)置N個(gè)串聯(lián)的傳感器并且提供用來把所述傳感器中的一個(gè)與電源斷開以便提供導(dǎo)線電阻的測(cè)量，本發(fā)明可以用于任何數(shù)目的溫度傳感器。
雖然已經(jīng)通過電阻式溫度傳感器描述了本發(fā)明，但是，本專業(yè)的技術(shù)人員明白，任何類型的電阻式傳感器都可以用于代替溫度傳感器。例如，人們可以利用以可變電阻的形式表示應(yīng)變的應(yīng)變傳感器代替這里描述的溫度傳感器中的一個(gè)或多個(gè)。通過改變其電阻，可以利用表示狀態(tài)的任何傳感器來應(yīng)用本發(fā)明。本發(fā)明的本質(zhì)同等地適用于任何這樣的配置。
應(yīng)當(dāng)清楚地知道，要求獲得專利權(quán)保護(hù)的本發(fā)明不限于最佳實(shí)施例的描述，而包括在本發(fā)明概念的精神和范圍內(nèi)的其它修改和替換。
權(quán)利要求
1.一種用來把變送器(20)和多個(gè)電阻式傳感器(109，110)之間的導(dǎo)線(308，309，310)的數(shù)目減至最少的電路，它包括傳感器系列，它具有第一端和第二端，所述傳感器系列包括串聯(lián)連接的所述多個(gè)電阻式傳感器；所述變送器中的開關(guān)裝置，其第一端通過第一導(dǎo)線(308)連接到所述傳感器系列的所述第一端，而所述開關(guān)裝置的第二端連接到電壓源(5伏)；第二導(dǎo)線(310)，它通過在所述變送器處的基準(zhǔn)電阻(Rref)把所述串聯(lián)組件的所述第二端連接到地；電纜電阻測(cè)量裝置(401，406，409)，它連接到所述傳感器系列的所述第一端，用來測(cè)量所述各導(dǎo)線中的一根的導(dǎo)線電阻；裝置(401，406，409)，用來測(cè)量所述多個(gè)電阻式傳感器中每一個(gè)兩端的狀態(tài)指示電阻；以及裝置(409)，用來響應(yīng)所述電纜電阻測(cè)量裝置和所述狀態(tài)指示測(cè)量裝置而確定所述多個(gè)電阻式傳感器中的每一個(gè)感受到的電纜電阻補(bǔ)償后狀態(tài)。
2.權(quán)利要求1的電路，其特征在于所述電纜電阻測(cè)量裝置包括定時(shí)裝置，用來周期性地?cái)嚅_所述開關(guān)裝置，以便把所述電壓源與所述傳感器系列的所述第一端斷開；節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線，其第一端連接到所述多個(gè)電阻式傳感器中的兩個(gè)之間的節(jié)點(diǎn)，而其第二端連接所述變送器；當(dāng)所述傳感器系列與所述電壓源斷開時(shí)用來測(cè)量所述傳感器系列的所述第一端和所述節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線的所述第二端之間的電纜電壓的裝置；用來測(cè)量所述基準(zhǔn)電阻兩端的基準(zhǔn)電壓的裝置；以及用來把所述電纜電壓和所述基準(zhǔn)電壓比較以便確定所述導(dǎo)線電阻的裝置。
3.權(quán)利要求2的電路，其特征在于所述比較裝置包括用來將所述電纜電壓除以所述基準(zhǔn)電壓以便產(chǎn)生電壓比值的裝置；以及用來把所述電壓比值乘以基準(zhǔn)值的裝置，其中，所述基準(zhǔn)值是所述基準(zhǔn)電阻的以歐姆為單位的值。
4.權(quán)利要求3的電路，其特征在于所述基準(zhǔn)值是100歐姆。
5.權(quán)利要求1的電路，其特征在于所述傳感器系列包括節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線，其第一端連接到所述多個(gè)電阻式傳感器中的兩個(gè)之間的節(jié)點(diǎn)，而其第二端連接所述變送器。
6.權(quán)利要求5的電路，其特征在于所述狀態(tài)指示測(cè)量裝置包括用來測(cè)量所述開關(guān)裝置的所述第一端和所述節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線的所述第二端之間的第一傳感器電壓的裝置；用來測(cè)量所述基準(zhǔn)電阻兩端的基準(zhǔn)電壓的裝置；以及用來把所述第一傳感器電壓與所述基準(zhǔn)電壓比較，以便確定所述第一傳感器電阻的裝置，其中，所述第一傳感器電阻包括所述多個(gè)電阻式傳感器中第一電阻式傳感器的電阻和所述第一導(dǎo)線的電阻。
7.權(quán)利要求6的電路，其特征在于所述比較裝置包括用來將所述第一傳感器電壓除以所述基準(zhǔn)電壓以便產(chǎn)生第一傳感器電壓比值的裝置；以及用來把所述第一傳感器電壓比值乘以基準(zhǔn)值的裝置，其中，所述基準(zhǔn)值是所述基準(zhǔn)電阻的以歐姆為單位的值。
8.權(quán)利要求7的電路，其特征在于所述基準(zhǔn)值是100歐姆。
9.權(quán)利要求6的電路，其特征在于所述狀態(tài)指示測(cè)量裝置包括用來測(cè)量所述節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線的所述第二端和所述第二導(dǎo)線的所述第二端之間的第二傳感器電壓的裝置；用來測(cè)量所述基準(zhǔn)電阻兩端的基準(zhǔn)電壓的裝置；以及用來把所述第二傳感器電壓與所述基準(zhǔn)電壓比較，以便確定所述第二傳感器電阻的裝置，其中，所述第二傳感器電阻包括所述多個(gè)電阻式傳感器中第二電阻式傳感器的電阻和所述第二導(dǎo)線的電阻。
10.權(quán)利要求9的電路，其特征在于所述比較裝置包括用來將所述第二傳感器電壓除以所述基準(zhǔn)電壓以便產(chǎn)生第二傳感器電壓比值的裝置；以及用來把所述第二傳感器電壓比值乘以基準(zhǔn)值的裝置，其中，所述基準(zhǔn)值是所述基準(zhǔn)電阻的以歐姆為單位的值。
11.權(quán)利要求10的電路，其特征在于所述基準(zhǔn)值是100歐姆。
12.權(quán)利要求7的電路，其特征在于所述確定裝置包括第一減法裝置，用來從所述第一傳感器電阻中減去所述導(dǎo)線電阻，以便確定第一傳感器補(bǔ)償后的電阻；第二減法裝置，用來從所述第二傳感器電阻中減去所述導(dǎo)線電阻，以便確定第二傳感器補(bǔ)償后的電阻；以及用來把所述第一傳感器補(bǔ)償后的電阻和所述第二傳感器補(bǔ)償后的電阻分別轉(zhuǎn)換成第一狀態(tài)和第二狀態(tài)的裝置。
13.權(quán)利要求2的電路，其特征在于所述比較裝置包括用來當(dāng)所述傳感器系列與所述電壓源斷開時(shí)測(cè)量所述節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線的所述第二端和所述第二導(dǎo)線的所述第二端之間的第一電壓的裝置；用來當(dāng)所述傳感器系列與所述電壓源斷開時(shí)測(cè)量所述基準(zhǔn)電阻兩端的第一基準(zhǔn)電壓的裝置；用來把所述第一電壓與所述第一基準(zhǔn)電壓比較，以便確定所述第一傳感器電阻的裝置，其中，所述第一傳感器電阻包括所述多個(gè)電阻式傳感器中的一個(gè)的電阻和所述節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線的電阻以及所述第二導(dǎo)線的電阻；用來當(dāng)所述傳感器系列與所述電壓源連接時(shí)測(cè)量所述節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線的所述第二端和所述第二導(dǎo)線的所述第二端之間的第二電壓的裝置；用來當(dāng)所述傳感器系列與所述電壓源連接時(shí)測(cè)量所述基準(zhǔn)電阻兩端的第二基準(zhǔn)電壓的裝置；用來把所述第二電壓與所述第二基準(zhǔn)電壓比較，以便確定所述第二傳感器電阻的裝置，其中，所述第二傳感器電阻包括所述多個(gè)電阻式傳感器中所述一個(gè)的電阻和所述第二導(dǎo)線的電阻；響應(yīng)所述第一傳感器電阻和所述第二傳感器電阻以及所述導(dǎo)線電阻而計(jì)算平均導(dǎo)線電阻的裝置。
14.權(quán)利要求13的電路，其特征在于所述計(jì)算裝置包括用來從所述第一傳感器電阻中減去所述第二傳感器電阻以便產(chǎn)生估計(jì)的導(dǎo)線電阻的裝置；用來把所述導(dǎo)線電阻與所述估計(jì)的導(dǎo)線電阻相加再除以2以便獲得所述平均導(dǎo)線電阻的裝置。
15.權(quán)利要求1的電路，其特征在于所述電阻式傳感器之一是電阻式溫度傳感器，并且所述狀態(tài)是溫度。
16.一種用來把變送器(20)和流量計(jì)元件(10)上串聯(lián)連接的多個(gè)電阻式傳感器(109，110)之間的導(dǎo)線(308，309，310)的數(shù)目減至最少的方法，所述方法包括以下步驟把電壓加到所述多個(gè)電阻式傳感器上；測(cè)量串聯(lián)連接的所述多個(gè)電阻式傳感器的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的電壓；響應(yīng)所述測(cè)量所述節(jié)點(diǎn)電壓的步驟，確定所述多個(gè)電阻式傳感器中每一個(gè)兩端的電壓；把每一個(gè)所述電阻式傳感器電壓與基準(zhǔn)電阻(Rref)兩端的基準(zhǔn)電壓相比較，以便獲得所述多個(gè)電阻式傳感器中每一個(gè)的傳感器電阻；把所述多個(gè)電阻式傳感器中的一個(gè)與所述施加的電壓斷開；測(cè)量所述導(dǎo)線之一兩端的導(dǎo)線電壓；把所述導(dǎo)線電壓與所述基準(zhǔn)電阻兩端的第二基準(zhǔn)電壓相比較，以便獲得所述一根導(dǎo)線的導(dǎo)線電阻；從獲得的所述多個(gè)電阻式傳感器的每一個(gè)所述傳感器電阻中減去所述導(dǎo)線電阻，以便獲得所述多個(gè)電阻式傳感器中每一個(gè)的補(bǔ)償后的電阻；以及把所述補(bǔ)償后的電阻中的每一個(gè)轉(zhuǎn)換成多個(gè)狀態(tài)讀數(shù)，其中，所述狀態(tài)讀數(shù)中的每一個(gè)與所述多個(gè)電阻式傳感器中的一個(gè)相聯(lián)系。
全文摘要
一種電路,它利用多個(gè)電阻式傳感器(109,110)、尤其是電阻式溫度傳感器,同時(shí)把測(cè)量多個(gè)傳感器所需要的導(dǎo)線(308,309,310)的數(shù)目減至最少。多個(gè)傳感器串聯(lián)連接并且測(cè)量體感器的串聯(lián)連接中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的電壓。然后,開關(guān)裝置(FO)斷開;以便把傳感器中的一個(gè)與電壓源(5伏)斷開,從而可以對(duì)溫度傳感器和遠(yuǎn)距離的變送器(20)之間的導(dǎo)線電阻進(jìn)行測(cè)量。然后,利用測(cè)量到的導(dǎo)線電阻補(bǔ)償測(cè)量到的傳感器電阻,以便獲得用于所述多個(gè)電阻式傳感器中每一個(gè)的導(dǎo)線長(zhǎng)度補(bǔ)償電阻。
文檔編號(hào)G08C15/08GK1265190SQ98807611
公開日2000年8月30日 申請(qǐng)日期1998年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月28日
發(fā)明者P·J·哈伊斯, M·J·佐羅克 申請(qǐng)人:微動(dòng)公司