CN102272565B - 具有改进的温度计算的过程温度变送器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了在过程温度变送器(12)中用于提供过程温度输出的方法(100)。所述方法(100)包括：提供流经包括参考电阻器(34)和电阻式温度设备(RTD)(32)在内的电路的测量电流。当测量电流流经参考电阻时，测量(102)参考电阻上的第一电压。当测量电流流经RTD(32)时，还测量(104)RTD(32)上的第一电压。基于测量到的参考电阻器(34)上的电压和测量到的第一电压，计算RTD(32)的第一电阻。基于RTD(32)的第一电阻，提供第一过程温度输出。随后当测量电流流经RTD(32)时，在RTD(32)上测量第二电压。然后，基于测量到的RTD(32)上的第二电压和测量到的参考电阻器(34)上的第一电压，估计参考电阻器(34)上的第二电压。基于测量到的第二电压和所估计的第二电压，计算RTD(32)上的第二电阻。基于第二电阻，提供第二过程温度输出。

Description

具有改进的温度计算的过程温度变送器

背景技术

过程工业使用过程变量变送器来监视与诸如化学工厂、制浆厂、石油工厂、药品工厂、食品工厂和其他流体处理工厂中的固体、浆体、液体、蒸汽和气体等物质有关的过程变量。过程变量包括：压力、温度、流量、电平、浑浊度、密度、浓度、化学成分以及其他特性。过程温度变送器提供与所感测到的过程温度有关的输出。一般在过程通信环路上将温度变送器输出传送到控制室或者其他过程设备，以使得可以监视和/或控制该过程。为了监视过程温度，温度变送器一般地包括温度传感器(例如电阻式温度设备(RTD))或者与温度传感器相耦合。

RTD响应于温度的改变来改变电阻。通过测量RTD的电阻，可以计算温度。一般通过将已知的电流流经RTD，并测量在RTD上产生的相关电压来完成这种电阻测量。

在典型的温度变送器中，RTD测量使用内置的电阻固定的电阻器作为参考。参考电阻用于测量流经测量电路的电流，以计算传感器电阻。这要求两个测量点，或者针对每次更新进行扫描，以得到与传感器温度相对应的高精度的电阻性测量。每次扫描一般要求建立时间(settlingtime)，并且一般在与设置的线路抑制频率(rejection frequency)相对应的多个电源线路循环上被变换。针对包括内在偏置测量在内的测量，平均RTD更新可以花费大致250毫秒。如果温度变送器耦合到单一温度传感器上，该时间一般不是非常长。然而，由于更新的过程温度变送器(例如以贸易名称Model 848T Fieldbus销售的高密度温度变送器设备，可以从Chanhassen，Minnesota的Emerson Process Management买到)，可以使用8个RTD传感器。使用8个RTD传感器将导致该大致250毫秒乘以8。在某些环境下，该更新速率可能太慢而使得用户难以接受。虽然如果省略参考扫描就可以极大地提高更新速率，然而可能过度地降低温度测量的精确度。

提供能够在不增加扫描时间的情况下感测RTD电阻并提供高质量温度输出的温度变送器将代表过程工业温度变送器的进步。虽然可以将该进步应用到任何的过程工业温度变送器，然而对于耦合到相对大数量的RTD的温度变送器，将特别有利。

发明内容

描述了在过程温度变送器中用于提供过程温度输出的方法。该方法包括：提供流经包括参考电阻器和电阻式温度设备(RTD)在内的电路的测量电流。当测量电流流经参考电阻时，测量参考电阻上的第一电压。当测量电流流经RTD时，还测量RTD上的第一电压。基于测量到的参考电阻器上的电压和测量到的第一电压，计算RTD的第一电阻。基于RTD的第一电阻，提供第一过程温度输出。随后当测量电流流经RTD时，在RTD上测量第二电压。然后，基于测量到的RTD上的第二电压和测量到的参考电阻器上的第一电压，估计参考电阻器上的第二电压。基于测量到的第二电压和所估计的第二电压，计算RTD上的第二电阻。基于第二电阻，提供第二过程温度输出。

附图说明

图1是过程温度变送器的图解视图，对于该过程温度变送器，本发明的实施例特别有用。

图2是依照本发明的实施例，提供过程温度的方法的流程图。

具体实施方式

图1是过程温度变送器的图解视图，对于该过程温度变送器，本发明的实施例特别有用。过程温度变送器12包括：环路通信器20、多个传感器端子22、电流源24、电压测量器件26、控制器28和开关/复用器30。

环路通信器20耦合到过程控制环路16(以虚线示出)，并适于在过程控制环路16上进行通信。过程控制环路16是能够传递与过程信息有关的信号的任何物理配置。例如，过程通信环路16可以是双线4-20mA过程通信环路。耦合到这种过程通信环路的过程变量变送器控制流经环路的电流量，以使得该电流对应于过程变量。在一些过程通信环路实施例中，通电等级足够低，以符合本质安全规范，该本质安全规范例如在1998年10月出版的题为“Intrinsically Safe Apparatus and AssociatedApparatus for Use in Class I，II，and III Division 1Hazardous(Classified)Locations”，分类号3610的Factory Mutual Approval Standard中阐述的本质安全规范。一些过程变量变送器可以在如此低的能量等级上操作，以使得其可以从4-20mA过程通信环路接收所有需要的电功率。

环路通信器20可以包括用于模拟通信的4-20mA通信部分。对于数字信号，环路通信器20还可以包括可寻址远程传感器高速通道

通信部分、FOUNDATION^TM Fieldbus通信部分或者其他任何适合的部分，例如，Profibus部分、控制器区域网络(CAN)部分、DeviceNet部分或者Lonworks部分。此外，可以将各个部分包括在一起。因此，优选地，环路通信器20适用于以已知的方式根据一个或多个所选择的协议在过程通信环路16上进行双向通信。

过程通信环路16可以包括任何适合数目的导体。例如，过程通信环路16可以是双导体、三导体或者四导体的过程通信环路。导体本身可以是电线或者光纤介质。此外，如果要使用无线过程通信环路，则可以省略导体，并且可以通过已知的方式影响环路通信器20对这种通信的调整。

图1示出了耦合到电阻式温度设备(例如，RTD 32(以虚线示出))的传感器端子对22。虽然图1示出了传感器端子对22，然而可以使用任何数目的端子来耦合RTD 32。从而，RTD测量可以是2、3或4线RTD测量。RTD 32可以与变送器12(如图所示)分离，或者包括在变送器12内。

电流源24耦合到传感器端子22，并适于使测量电流流经传感器端子22。使已知的测量电流流经未知的电阻在电阻上产生指示电阻的相关压降。电流源24以框图的形式示出，并且可以是提供相对稳定的电流的任何电流源。如图1所示，电流源24还使其电流流经参考电阻器34。如下面将要更详细地描述的，当使用电压测量模块26和开关/复用器30来测量参考电阻器34上的电压时，使电流流经参考电阻器34允许对电流本身进行计算。一旦测量了电流，就可以使用对在RTD 32上产生的电压的后续测量来计算RTD 32的电阻，并从而计算准确的温度。

电压测量器件26耦合到节点36以及开关/复用器30。控制器28经由线路38对开关/复用器30进行控制。这使得控制器28可以选择性地将电压测量器件26的线路40耦合到节点42、44中所选择的一个。可以意识到，当复用器30将线路40耦合到节点44时，电压测量器件26的电压测量将指示参考电阻器34上的电压。相反，当开关/复用器30将线路40耦合到节点42时，电压测量器件26将测量RTD 32上的电压。电压测量器件26可以是任何的模数变换器，或者能够测量电压的任何其他适当的器件。控制器28耦合到电压测量器件26、环路通信器20和开关/复用器30。控制器28适于向环路通信器20提供过程温度输出值，以在过程通信环路16上传送。控制器28可以是可编程门阵列、微处理器或者能够执行软件指令并依照本发明的实施例计算过程温度输出的任何其他适合的设备。

依照本发明的实施例，某种形式的反馈使得控制器28可以基于来自RTD 32的传感器输入改变，使用已校正的参考扫描，以允许控制器28获得对参考电阻器的更不频繁的电阻测量(相比于RTD的测量而言)。当参考电阻器34没有正在被扫描时，可以将校正应用到与新的传感器扫描耦合的之前的参考扫描上，以使用各个传感器更新来产生高精确度的测量。这使得温度设备可以较不频繁地测量参考电阻，并将更新速率提高高达25％(针对8传感器设备，大致500毫秒)。这还使得无线高密度温度期间可以降低功耗，并通过降低需要向测量电路供电的时间来提高电池寿命。

如上所述，为了测量RTD电阻，使激励电流流经RTD 32和参考电阻器34。可以通过以下方程来比例计量(ratiometrically)地确定RTD电阻。

$R_{\mathrm{sensor}}=\frac{V_{\mathrm{sensor}}}{V_{\mathrm{reference}}}*R_{\mathrm{reference}}$

其中R_sensor＝RTD传感器电阻

R_reference＝参考电阻

V_reference＝在参考电阻器上测量到的电压

V_sensor＝在RTD传感器上测量到的电压

知道激励电流是公共的使得可以计算校正因子。可以将校正因子计算为将传感器电压的改变与参考电压的改变相联系。校正因子由所测量到的传感器电压的全量程改变除以所测量到的参考电压的全量程改变的量来决定。

$K_{\mathrm{factor}}=\frac{(V_{\mathrm{sensor}100\%\mathrm{Input}}-V_{\mathrm{sensor}0\%\mathrm{Input}})}{(V_{\mathrm{ref}100\%\mathrm{Input}}-V_{\mathrm{ref}0\%\mathrm{Input}})}$

其中：V_{sensor100％Input}＝当传感器电阻接近其范围的100％时在RTD电阻器上测量到的电压

V_{ret100％Input}＝当传感器电阻接近其范围的100％时在参考电阻器上测量到的电压

V_{sensor0％Input}＝当传感器电阻接近其范围的0％时在RTD电阻器上测量到的电压

V_ref0％Input＝当传感器电阻接近其范围的100％时在参考电阻器上测量到的电压

K_factor＝用于校正针对参考电阻器所使用的电压测量的标量

可以在变送器表征(characterization)过程期间计算校正因子，或者可以在过程内的正常过程测量更新期间实时计算校正因子。然后，可以使用校正因子来计算新的所估计的参考电压测量。该量基于之前测量的参考电压以及改变量，该改变量是新的传感器测量与在之前测量参考电压时进行的传感器电压测量之间的改变量。

$V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{corrected}}=V_{\mathrm{ref}\_\mathrm{updated}}+\frac{(V_{\mathrm{sensor}}-V_{\mathrm{sensor}\mathrm{ref}\_\mathrm{update}})}{K_{\mathrm{factor}}}$

其中V_{sensorref_update}＝当最近更新参考测量时在RTD传感器上的电压测量

V_{ref_updated}＝参考电阻器上最近的已更新电压测量

V_{ref_corrected}＝已校正的参考电压测量

可以通过正常的制造表征过程计算校正因子，或者通过监视原始(raw)A/D计数并计算该因子来手动计算校正因子。

图2是依照本发明的实施例的提供过程温度测量的方法的流程图。方法100开始于步骤102，在步骤102处，过程温度变送器测量当电流流经参考电阻器时，在参考电阻器上产生的电压。在步骤104处，当相同的电流流经RTD时，测量RTD上产生的电压。要注意到，在测量RTD之前测量参考电阻器的顺序仅是为了清楚而提供的；实际上，该顺序可以反过来。在步骤106处，依照已知的技术，使用分别在步骤102、104处测量到的参考电阻器上的电压和测量到的RTD上的电压来计算过程的温度。接下来，取代重新扫描参考电阻器，执行步骤108，其中，再次测量在RTD上的电压。接下来，在步骤110处，使用校正因子来计算新的参考电压测量估计。该新计算的参考电压测量估计基于之前在步骤102处测量的参考电压以及改变量，该改变量是在步骤108处新的传感器测量与当之前测量参考电压(步骤104)时在相同周期内进行的传感器测量之间的改变量。校正因子提供所估计的参考电压测量，控制器28使用该所估计的参考电压测量来计算RTD的电阻，而不必对参考电阻器进行重新扫描。在步骤110处，控制器28基于在步骤108处测量到的电压提供过程温度输出，并提供经过校正因子补偿的参考测量。接下来，在步骤112处，确定是否需要新的参考。该确定可以基于任何数目的因素。例如，其可以简单地是对从进行最近的参考电阻测量以来的RTD扫描的数目的计数。例如，可以将控制器28配置为每3、4或10个RTD扫描对参考电阻器扫描一次。附加地或者备选地，确定还可以基于温度传感器32自身的电阻。优选地，一对阈值或者频段(band)对传感器输入进行限制，并且当传感器输入越过上阈值或者下阈值时，将执行新的参考扫描。如果要求新的参考扫描，控制沿着线路114从步骤112通往步骤102。相反地，如果不需要新的参考扫描，控制简单地经由线路116返回到步骤108。

通过设置允许变送器在测量A/D计数时拍摄“快照”的阈值，可以由温度变送器对校正因子进行自动计算。要求两个阈值，一高一低。一旦温度变送器测量到传感器输入值超过阈值，其可以保持A/D计数，直到到达另一个阈值。当计数被收集到超过每个阈值时，可以由温度变送器12的控制器28来计算校正因子。这可以提供用于在制造期间自动表征校正因子的有用方法，然而也可以用于正常的操作。

通过将温度补偿应用于参考插值方法，可以将其用来检测参考电阻何时在时间和温度上已经发生漂移。如果参考电阻器34发生漂移，可以使用该检测方法来重新修整表征系数(characterized coefficient)，以维持高精确度的测量，或者简单地向用户或者过程控制系统告警：温度变送器12不再可以在精确度规范内进行测量。该选项可以提高SIS温度产品的安全故障分数。

还可以应用改变率来分析线路频率测量影响。温度变送器一般具有允许用户选择50Hz或者60Hz滤波器的设置。这将更新速率改变为以(滤波器阶数)/(线路频率)的时间间隔进行。正常情况这是不需要的，因为多数的安装是良好接线和接地的。线路频率内容可以忽略不计。在这种情况下，滤波器所能做的只是使更新速率变慢。如果使用改变率方程来分析线路频率影响，当线路频率将不对测量产生影响时，可以提高更新速率。如果线路频率影响没有高到足以影响传感器测量，改变率将在预设限制之外，并且允许温度变送器选择正确的线路滤波器来降低影响。

还可以使用该方法来理解与传感器测量有关的电磁干扰的影响，并使更新符合要求。与线路频率影响概念相似地，可以使用传感器测量和参考测量以及改变率来本质上作为关于测量的“合理性”检查。如果测量到的参考和由比率方程所产生的参考在某个预设限制之外，温度变送器可以避免向过程控制系统报告该测量。从而，变送器可以保持最近的良好的值，执行重新测量或者向用户提供诊断告警或者其他适合的信息。

虽然已经参照特定实施例对本文中呈现的概念进行了描述，本领域技术人员将认识到，在不脱离以下权利要求的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。

Claims (20)

1.一种在过程温度变送器中用于提供过程温度输出的方法，所述方法包括：

提供流经包括参考电阻器和电阻式温度设备(RTD)在内的电路的测量电流；

当所述测量电流流经所述参考电阻器时，测量所述参考电阻器上的第一电压；

当所述测量电流流经所述RTD时，测量所述RTD上的第一电压；

基于测量到的所述参考电阻器上的第一电压和测量到的所述RTD上的第一电压，计算所述RTD的第一电阻；

基于所述RTD的第一电阻，提供第一过程温度输出；

当测量电流流经所述RTD时，测量所述RTD上的第二电压，第二测量发生在对所述RTD上的第一电压的测量之后；

基于测量到的所述RTD上的第二电压和测量到的所述参考电阻器上的第一电压，估计所述参考电阻器上的第二电压；

基于所述测量到的所述RTD上的第二电压和所估计的所述参考电阻器上的第二电压，计算所述RTD上的第二电阻；以及

基于所述第二电阻，提供第二过程温度输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量步骤是使用所述过程温度变送器的模数变换器来执行的，以及所述计算是使用所述过程温度变送器的处理器来执行的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在过程通信环路上提供所述过程温度输出。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述参考电阻器上的第二电压进行估计还基于校正因子。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述校正因子基于“全量程输入时的在所述RTD上的电压和零输入时的在所述RTD上的电压之间的差”与“全量程输入时的在所述参考电阻器上的电压和零输入时的在所述参考电阻器上的电压之间的差”的比率。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在变送器表征过程期间计算所述校正因子。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，在变送器耦合到过程时，计算所述校正因子。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，能够检测所述校正因子随着时间的变化，以将校正应用到在所述参考电阻器上测量到的电压。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，检测所述校正因子随着时间的变化，并使用所述变化来提供诊断信息。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述诊断信息与线路频率的影响有关。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述诊断信息与电磁干扰有关。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括：

当测量电流流经所述RTD时，测量所述RTD上的后续电压，所述后续测量发生在对所述RTD上的第二电压的测量之后；

基于测量到的所述RTD上的后续电压和测量到的所述参考电阻器上的第一电压，估计所述参考电阻上的后续电压；

基于所述测量到的所述RTD上的后续电压和所估计的所述参考电阻器上的后续电压，计算所述RTD上的后续电阻；以及

基于所述后续电阻，提供后续过程温度输出。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，对后续电压的测量、后续电压的估计、后续电阻的计算以及后续过程温度的提供进行重复，直到确定反馈条件。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述反馈条件基于循环的次数，在所述循环中对所述RTD上的电压进行测量。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述反馈条件基于所述过程温度输出。

16.一种在过程温度变送器中用于提供过程温度输出的方法，所述方法包括：

提供流经包括参考电阻器和电阻式温度设备(RTD)在内的电路的测量电流；

当所述测量电流流经所述RTD时，测量所述RTD上的电压；

基于之前的参考电压和在所述RTD上测量到的电压，估计参考电压；

基于所估计的参考电压和测量到的在所述RTD上的电压，计算所述RTD的电阻；以及

基于所述RTD的电阻，提供过程温度输出。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，重复所述方法，直到确定反馈条件。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述反馈条件基于循环的次数，在所述循环中对所述RTD上的电压进行测量。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述反馈条件基于过程流体温度输出。

20.一种过程温度变送器，包括：

环路通信器，被配置为耦合到过程通信环路，并依照过程协议进行通信；

测量电路，被配置为耦合到具有随温度变化的电阻的电阻式温度设备，并且可操作地耦合到参考电阻器；以及

控制器，耦合到所述测量电路和所述环路通信器，所述控制器被配置为基于当前的电阻式温度设备电阻和之前的参考电阻器电阻，提供至少一个过程温度输出。

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