CN102269630A - 具有热电偶极性检测的过程变量变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有热电偶极性检测的过程变量变送器。一种用于测量工业过程的温度的过程变量变送器，包括构造为连接至热电偶的第一导线的第一电连接器，第一电连接器包括第一电极和第二电极。第一电极和第二电极构造为电连接至热电偶的第一导线。第二电连接器构造为连接至热电偶的第二导线，第二电连接器包括第三电极和第四电极。第三电极和第四电极构造为电连接至热电偶的第二导线。第二导线的材料不同于第一导线的材料。测量电路连接至第一连接器和第二连接器，该测量电路构造为提供与热电偶的温度相关的输出。该测量电路还构造为基于在第一、第二、第三和第四电极中的至少两个电极之间获得的至少一个测量值识别热电偶的极性。

Description

具有热电偶极性检测的过程变量变送器

技术领域

本发明涉及用在过程控制和监控系统中的过程变量变送器。更具体地，本发明涉及采用热电偶感测工业过程流体的温度的过程变量变送器。

背景技术

过程变量变送器用来在过程控制或监控系统中测量过程参数。典型地，变送器包括某种类型的过程变量传感器，其具有由模数转换器数字化并提供至微处理器的输出。一种类型的过程变量传感器是温度传感器，其用来感测过程流体的温度。感测的温度可以直接使用，或者可以用来补偿其它过程变量，如流量。过程变量通过过程控制回路从远程位置传递至本地位置。过程控制回路例如可以包括二线式过程控制回路或其它结构，包括无线结构。

一种类型的温度传感器是热电偶，其在两种类型的金属被放置为接触时形成。在这两种金属之间产生电压，该电压与接合处的温度相关。该电压可以被测量，如果希望，可以由变送器中的电路数字化。热电偶具有构造为连接至变送器的第一和第二电连接器的两条线。然而，为了获得精确的温度测量值，必须知道热电偶相对于第一和第二电连接器的方位(即，极性)。

发明内容

一种用于测量工业过程的温度的过程变量变送器，包括构造为连接至热电偶的第一导线的第一电连接器，第一电连接器包括第一电极和第二电极。第一电极和第二电极由不同材料制成，并且构造为电连接至热电偶的第一导线。第二电连接器构造为连接至热电偶的第二导线，第二电连接器包括第三电极和第四电极。第三电极和第四电极由不同材料制成，并且构造为电连接至热电偶的第二导线。第二导线的材料不同于第一导线的材料。测量电路连接至第一连接器和第二连接器，该测量电路构造为提供与热电偶的温度相关的输出。该测量电路还构造为基于在第一、第二、第三和第四电极中的至少两个电极之间获得的至少一个测量值识别热电偶的极性。

附图说明

图1为示出包括构造为感测过程流体的温度的热电偶温度传感器的工业过程控制系统的简化示意图。

图2为示出连接至热电偶温度传感器的温度变送器的简化示意图。

图3为示出热电偶和变送器的电连接器之间的电连接的透视图。

图4为示出至热电偶的电连接的示意图。

图5为用于连接至本发明的电连接的热电偶的计数(电压)与采样(时间)的图表。

具体实施方式

图1为工业过程控制系统5的简化示意图。在图1中，过程管道7载送过程流体。过程变量变送器10构造为连接至过程管道7。变送器10包括过程变量传感器18，其例如包括热电偶，变送器10构造为将信息传递至远程位置，如过程控制室6。传递可以通过过程控制回路，如二线式过程控制回路11。过程控制回路可以与任何期望的格式一致，例如，4-20mA过程控制回路、载送数字通信的过程控制回路、无线过程控制回路等。在图1中示出的例子中，过程控制回路11由控制室6的电源6A供电。这种电源用来将电力提供至过程变量变送器10。感测电阻器6B可以用来感测通过回路11的电流。

本发明涉及一种过程变量变送器，其构造为识别连接至该装置的温度传感器的方位(即，极性)。图2为本发明的一种实施方式的简化结构图，其中过程变量变送器10连接至过程控制回路11。变送器10包括构造为连接至热电偶18的接线盒14。接线盒14图示为包括4个接线端，电连接器1、2、3和4。对于热电偶，仅要求两个电连接器。过程变量10包括多路复用器20，其构造为将数据提供至模数转换器，模数转换器将数据数字化并将其提供至微处理器22，用于处理数据和/或采用输入/输出电路24在过程控制回路11上传输数据。在该例子中，输入/输出电路24还构造采用在二线式过程控制回路11上接收的电力将电力提供至过程变量变送器10。在无线结构中，电池可以用作电源。多路复用器20由微处理器22控制，以在来自接线盒14的多种输入之间选择。如下文更详细地讨论的那样，在接线端1和2与多路复用器20之间存在两个电连接。差分放大器26连接至多路复用器20，并构造向模数转换器28提供电压输出。所述电压输出与连接至多路复用器20的如由微处理器22选择的任意两个输入之间的电压相关。微处理器22根据存储在存储器30中的指令以由时钟32确定的速度运转。例如，微处理器22可以采用由模数转换器28提供的电压以确定来自热电偶18的与温度相关的信息。

在操作期间，热电偶18的温度在接线端(电连接器)1和2之间产生电压V_TCINPUT。参照电压V_TCREF也连接至多路复用器20。变送器10通过采用下述等式确定热电偶温度V_TC来测量热电偶传感器18的温度，其中

$V_{\mathrm{TC}}=\frac{V_{\mathrm{TCINPUT}}}{V_{\mathrm{TCREF}}}\left(V_{\mathrm{TCREFNOM}}\right)$ 等式1

如下文更详细地讨论的那样，接线盒14的电连接器接线端1和2构造为包括两个连接，每个连接用在确定热电偶18的方位(极性)中。每个连接1，2包括由不同材料制成的两个电极。所述不同材料彼此隔离，直到来自热电偶18的导线插入连接器中。来自热电偶18的导线桥接两种异金属之间的间隙，由此在至变送器10的每个连接点处的过程传感器冷接点处形成热电偶。基于传感器类型和用于连接的两种金属，冷接点热电偶将具有不同的电压特性。这些电压可以以冷接点温度函数表征，以提供极性识别。这种方法将允许过程改变，而不影响极性的识别。

一旦检测到反向极性，则微处理器可以构造为向操作人员发出警报，或者修改温度计算等式，以解决反向极性。

不同类型的热电偶由配线颜色标志识别。四种最常用类型的热电偶是E、J、K和T型。如果接线端1和2的次要材料在正极侧包括

(铬镍合金)，在负极侧包括Constantan(康铜)，所述结构匹配E型热电偶。

是Hoskins Manufacturing公司的注册商标。铜镍合金的Constantan通常由55％的铜和45％的镍构成。当恰当地连接E型热电偶时，由热电偶与接线端1和2之间的两个电连接产生的热电偶冷接点电压将产生零电压。另一方面，如果连接反向，则两个冷接点将产生由小的温度梯度产生的可测量电压。为由约90％的镍和10％的铬制成的合金的

用来形成ANSI E型(铬镍合金-康铜)和K型(铬镍合金-镍铝锰合金)热电偶的正导体。可以在氧化气氛中在高达1100℃的情况下使用它。

图3为示出连接至电连接器1和2的热电偶18的透视图。热电偶18由两种异金属的导线18A和18B形成，这两条导线在接合点18C处接触。导线18B连接至电连接器1。电连接器1由主电极1A和副电极1B形成。类似地，导线18A连接至电连接器2，其由主电极2A和副电极2B形成。典型地，电极1A和2A(“主”电极)可以由诸如镀镍黄铜之类的标准金属制成。副电极1B和2B可以适合用在热电偶中的诸如

或康铜之类的材料形成。其它类型的热电偶，如J型和T型也采用康铜作为它们的导线材料中的一种，而K型采用

当与合适的极性连接时，由电极1B和2B分别与导线18B和18A形成的两个冷接点将产生零电压。然而，如果极性反向，则将存在小的电压。其它类型的热电偶的极性也可以通过在一定温度梯度范围内表征在副冷接点处形成的电压而确定。例如，一侧将比另一侧对小的温度梯度更敏感。

这还允许系统检测与所连接的传感器的冷接点效果相对照的构造的传感器类型。如果传感器特征与构造传感器不匹配，则配置或安装可能不正确。

图4为连接至模数转换器28的热电偶18的简化示意图。在该例子中，为了简单起见，多路复用器20和放大器26未示出。形成在副接点1B和2B与导线18B和18A之间的接点被分别图示为接合点1C和2C。图4还图示了冷接点温度传感器100，其例如可以包括具有响应于温度变化的电阻的RTD。温度传感器100作为为典型的热电偶测量提供冷接点补偿的手段，用来感测图2中示出的接线盒14的温度。

图5为“计数”与“采样”的图表，其给出了E型热电偶的电压与时间的图示。如上所述，E型热电偶包括由

和康铜形成接点。在该例子中，示出了热电偶导线和副电极之间的电压。在102处图示的线是用于其中副电极包括

的热电偶的负极侧的。类似地，线104图示热电偶的另外的副电极和另外的导线之间的接点(即，

和康铜之间的接点)处的电压。在时间T1处，风扇对准冷接点。图5示出了存在两种材料相同时测量的约0伏的电压。然而，当它们不同时，随着温度的波动，存在小的可测量电压。在该例子中，由时间T1处时采用风扇引起的温度变化对检测热电偶极性是不需要的。标准统计学，如标准偏差可以用来检测极性。

上述技术可以用来检测连接至变送器的热电偶的极性。可以向操作人员提供警报，以指示极性反向了，在另一种例子中，由微处理器22进行的软件算法可以有差别地运行，以解决反向的热电偶。这种技术还可以用来补偿冷接点温度梯度。如图4中所示，可以提供温度传感器100用来测量接线盒处的冷接点温度，并用来调整电压测量中产生的误差。优选的是，将这个温度传感器定位为尽可能靠近接线端1，2。然而，在大多数情况中，冷接点温度传感器必须放置为远离接线端一定的距离，从而降低温度测量的精度，且因此降低冷接点温度补偿的精度。而且，与热电偶相比，基于电阻的温度传感器对温度变化通常具有较慢的响应时间。然而，采用本发明的技术，可以采用冷接点测试连接器测量温度变化，并且这种温度变化可以用来对热电偶18的测量冷接点温度进行修正。

虽然已经参照优选实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节方面进行改变。如图示的那样，电极可以彼此隔开或彼此电绝缘。示例性的热电偶材料包括：K型铬镍合金-镍基锰合金；J型铁-康铜；T型铜-康铜；E型铬镍合金-康铜。

Claims (21)

1.一种用于测量工业过程的温度的过程变量变送器，包括：

第一电连接器，构造为连接至热电偶的第一导线，第一电连接器包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极构造为电连接至热电偶的第一导线；

第二电连接器，构造为连接至热电偶的第二导线，第二电连接器包括第三电极和第四电极，第三电极和第四电极构造为电连接至热电偶的第二导线，第二导线的材料不同于第一导线的材料；和

测量电路，连接至第一连接器和第二连接器，该测量电路构造为提供与热电偶的温度相关的输出，该测量电路还构造为基于在第一、第二、第三和第四电极中的至少两个电极之间获得的至少一个电压测量值识别热电偶的极性。

2.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中测量电路构造为基于所述至少一个电压测量值识别热电偶的类型。

3.根据权利要求2所述的过程变量变送器，其中测量电路构造为：如果热电偶的被识别类型不同于存储在测量电路中的配置，则测量电路提供输出。

4.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中第一电极和第二电极包括不同的材料。

5.根据权利要求4所述的过程变量变送器，其中第三电极和第四电极包括不同的材料。

6.根据权利要求5所述的过程变量变送器，其中第二电极和第四电极包括相同的材料。

7.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中第二电极和第四电极包括热电偶材料。

8.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中测量电路构造为基于热电偶的反向极性的确认向操作人员提供输出。

9.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中测量电路构造为基于热电偶的极性补偿与热电偶的温度相关的所述输出。

10.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中在过程控制回路上提供来自测量电路的所述输出。

11.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中测量电路基于第一电连接器和第二电连接器之间测量的电压补偿在热电偶的第一导线和第二导线之间的接点处产生的温度测量，所述补偿基于在第一电极和第二电极中的至少一个与热电偶的第一导线之间测量的电压，并且由此对与温度相关的所述输出提供冷接点补偿。

12.根据权利要求1所述的过程变量变送器，包括多路复用器，该多路复用器构造为将来自第一、第二、第三和第四电极的电连接对选择性地连接至模数转换器。

13.一种过程变量变送器识别热电偶的极性的方法，所述热电偶连接至工业过程的过程变量变送器，包括下述步骤：

将第一电连接器连接至热电偶的第一导线，第一电连接器包括第一电极和第二电极；

将第二电连接器连接至热电偶的第二导线，第二电连接器包括第三电极和第四电极，第二导线的材料与第一导线的材料不同；

基于第一、第二、第三和第四电极中的至少两个电极之间测量的电压识别热电偶的极性。

14.根据权利要求13的方法，其中第一电极和第二电极包括不同的材料。

15.根据权利要求14的方法，其中第三电极和第四电极包括不同的材料。

16.根据权利要求15的方法，其中第二电极和第四电极包括相同的材料

17.根据权利要求13的方法，其中第二电极和第四电极包括热电偶材料。

18.根据权利要求13的方法，包括响应于识别热电偶的反向极性向操作人员发出警报。

19.根据权利要求13的方法，包括基于识别热电偶的极性补偿与热电偶的温度相关的输出。

20.根据权利要求13的方法，包括在过程控制回路上输出。

21.根据权利要求13的方法，包括补偿在热电偶的第一导线和第二导线之间的接点处产生的基于在第一电连接器和第二电连接器之间的电压测量的温度，所述补偿基于在第一电极和第二电极中的至少一个与热电偶的第一导线之间测量的电压，并且由此提供冷接点补偿。

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