CN102369488B

CN102369488B - 具有多个传感器的工业过程控制变送器

Info

Publication number: CN102369488B
Application number: CN201080014400.8A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·J·布隆科兹卡; 查尔斯·E·格茨辛格尔; 詹森·H·鲁德; 克拉伦斯·E·霍尔姆斯泰特; 道格拉斯·W·阿恩岑
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: US20110071794A1; EP2480939A1; EP2480939B1; CN102369488A; BR112012006395A2; JP5568637B2; WO2011037811A1; JP2013505517A; US8311778B2

Abstract

工业过程控制变送器(16)包括被配置为耦合到第一传感器的第一输入以及被配置为耦合到第二传感器的第二输入。测量电路(68)被配置为提供与所感测的过程变量有关的输出。复用器(66)被配置为选择性地将第一或第二传感器耦合到测量电路(68)。均衡器电路(100)耦合到复用器(66)的输出，并被配置为使得选择性耦合的第一或第二输入以及测量电路达到公共电压电势。

Description

具有多个传感器的工业过程控制变送器

技术领域

本发明涉及过程设备。更特别地，本发明涉及现场安装的过程控制及测量设备。

背景技术

使用过程设备来测量和控制工业过程，例如，石化精炼、食品加工、发电以及其他的多种过程。过程测量设备包括过程变量变送器，过程变量变送器测量诸如压力或者温度的过程变量，并将所测量的变量传送到过程控制器。另一种类型的过程设备是致动器，例如阀门控制器等。一般地，使用在过程控制环路上与控制器通信的变送器、致动器和过程控制器的组合来完成过程控制。这两种过程设备都通过过程接口单元对物理过程产生影响。过程接口单元是将电信号与物理过程条件相关的设备，并且包括例如传感器、限位开关、阀门控制器、加热器、发动机控制器以及很多其他设备的设备。

典型地，过程控制器是位于远离过程的控制室中的微计算机。过程控制器可以从一个或多个过程测量设备接收过程信息，并将适当的控制信号施加到一个或多个过程控制设备，以影响该过程并从而对其进行控制。

为了耦合到过程，一般将变送器和致动器安装在现场中靠近过程。这种物理上的临近可以使过程设备受到一系列的环境挑战。例如，过程设备常常经历温度极限、震动、腐蚀和/或可燃的环境，以及电子噪声。为了对抗这种条件，过程设备被特别地设计为“现场安装”。这种现场安装的设备利用了鲁棒的外罩(enclosure)，可以将该外罩设计为防爆的。此外，还可以使用被认为“本质安全”的电路来设计现场安装的过程设备，“本质安全”意味着即使在故障条件下，电路也通常不包含足够的电能，该电能足以产生在存在危险空气的情况下引起爆炸的火花或者表面温度。此外，通常使用电隔离技术来降低电子噪声的影响。这些仅是一些设计考虑的示例，其将现场安装的过程设备与其他设备区分开来，测量传感器特性并提供指示这种特性的数据。

除了以上列出的环境考虑之外，对现场安装的设备的另一挑战是布线的挑战。由于将过程设备靠近远离控制室的过程放置，常常需要长的线延伸(wire run)来将这种设备耦合到控制室。这些长的延伸安装起来是昂贵的，并且难以维护。

减少所需布线的一种方式是通过使用双线过程设备。这些设备使用双线过程控制环路耦合到控制室。双线设备从过程控制环路接收功率，并通过一般不受向过程设备提供功率影响的方式在过程控制环路上进行通信。用于在双线上进行通信的技术包括4-20mA信令、高速可寻址远程换能器协议、FOUNDATION^TM Fieldbus、Profibus-PA等。虽然双线过程控制系统提供了布线简化，这种系统向所连接的设备提供有限量的电功率。例如，根据4-20mA信令通信的设备必须汲取不超过4mA，否则，设备的电流消耗可能影响到过程变量。在传统上，双线过程设备的少量的功率预算已经限制了可以提供的功能。

过程控制工业简化现场布线和减少变送器数目的另一种方式是通过向变送器提供多个传感器输入。这种变送器减少了变送器/传感器的数目并从而降低布线成本以及整个系统的成本。

一种技术是以单个变送器来使用多个传感器。可以使用复用器将这些传感器耦合到测量电路。一个这种变送器是从Rosemount Inc.可以买到的848T。

作为传感器之间的电势差的结果，出现了与使用复用器来将测量电路耦合到不同的传感器有关的一个问题。这种电压电势可能将误差引入到测量中，并损坏变送器的电路。

发明内容

工业过程控制变送器包括被配置为耦合到第一传感器的第一输入以及被配置为耦合到第二传感器的第二输入。测量电路被配置为耦合到第一和第二传感器，并提供与所感测的过程变量有关的输出。复用器被配置为选择性地将第一或第二传感器耦合到测量电路。均衡器电路耦合到复用器的输出，并被配置为对测量总线上的电压电势进行均衡，以消除之前测量的残留电压。

附图说明

图1是根据本发明的实施例，使用双线现场安装过程设备的过程控制系统的概略性视图。

图2是图1中示出的过程设备的系统框图。

图3是示出本发明的均衡电路的简化框图。

具体实施方式

提供了图1中示出的示意可现场安装的过程设备16，该可现场安装的过程设备16可以适于执行复杂的用户产生的控制算法，该用户产生的控制算法与以传统的可编程逻辑控制器使用的算法非常相似。实施例可以包括输入通道、输出通道及其两者的任意组合。一般地，将每个通道与过程设备的剩余部分相隔离。这种隔离消除了可以对多个输入变送器造成限制的接地环路误差。可以对功率管理进行配置，从而本发明的实施例通过双线过程环路14来整体供电。在查阅以下提供的图及相关描述之后，这些以及其他特征将变得显而易见。

图1是过程控制系统10的概略性视图，过程控制系统10包括控制室12、过程控制环路14和过程设备16。过程控制系统可以包括耦合到控制室12的单个过程设备，然而，系统10还可以包括在多个过程控制环路上耦合到一个或者多个控制室的上百个过程设备。

典型地，控制室12是远离设备16放置的设施，包括微计算机。驻扎在控制室12中的用户使用微计算机来通过过程控制环路14对各种过程设备产生影响，并从而从控制室控制过程。为了清楚起见，将控制室12示出为单个块。然而，在一些控制系统实施例中，控制室12可以将过程控制环路14耦合到全球计算机网络(例如，互联网)，以使得全世界的用户可以从传统的网页浏览器软件来访问过程设备16。

环路14是双线过程控制环路。对于环路14上的通信，存在着很多双线过程通信协议，并且可以使用任何适当的协议。例如，可以将

协议、FOUNDATION^TM Fieldbus协议和Profibus-PA协议与本发明的实施例一起使用。环路14向所连接的过程设备提供功率，同时在各种设备之间提供通信。环路可以包括两根以上的线，或者可以使用RF通信来无线地操作。

在一个实施例中，过程设备16包括优选地由适合的塑料材料构造的盖子17和底座19。将要更详细地描述，设备16适于在通过环路14接收到的电功率下单独操作，并适于现场安装。可选的外罩18(以虚线示出)提供了附加的耐久性。图1中示出的过程设备实施例具有多个输入和输出，并包括适当的计算电路(图2中示出)以根据需要执行用户产生的控制算法。

在本实施例中，过程设备16耦合到传感器20、22、24、26、28和30。传感器20、22和24是已知类型的热电偶，其被耦合到各个过程点，以基于各自的过程点处的过程变量提供电压信号。电阻式温度设备(RTD)26、28和30也耦合到各个过程点，并提供基于各自的过程点处的过程温度的电阻。RTD 26通过已知的三线连接耦合到设备16，并示出了可以将各种布线配置与本发明的实施例一起使用。

图2是图1中示出的设备16的系统框图。设备16包括环路通信器36、功率模块38、控制器40和通道42、44、46、48以及存储器52。环路通信器36耦合到过程控制环路14，并且适于环路14上的双向数据通信。环路通信器36可以包括已知的通信设备，例如，传统的FOUNDATION^TM Fieldbus通信控制器等。功率模块38耦合到环路14，以使得功率模块38可以基于从环路14接收到的功率向设备16的所有组件提供功率。控制器40耦合到存储器52，并执行存储其中的程序指令。控制器40从模块38接收功率，并与环路通信器36通信。控制器40通过接口总线54耦合到各个通道。通道42、44、46和48通过通信隔离器56、58、60和62分别耦合到总线54，通信隔离器56、58、60和62优选地是已知的光隔离器，然而也可以是任何适当的隔离设备，例如，变压器或者电容器。在一些实施例中，通道42、44、46和48通过并行的形式提供数据，并且使用并串变换器64在串行形式和并行形式之间转变数据。优选地，变换器64是通用异步接收机/发射机(UART)。

通道42耦合到控制器40，并包括传感器端子1-n、复用器(MUX)66、模数(A/D)变换器68、通信隔离器56和功率隔离器70。预期可以将通信隔离器56和功率隔离器70合并到单个电路中。通道42特别适于测量特定的传感器类型，例如，热电偶、电阻式温度设备、应变仪、压力传感器或者其他类型的传感器。每个传感器端子适于将单个传感器(例如，热电偶)耦合到复用器66。复用器66选择性地将传感器中的一个耦合到A/D变换器，以使得可以对该传感器的特性(热电偶的电压)进行测量，并通过隔离器56和UART 64向控制器40传送。通过功率隔离器70从功率模块38接收针对通道42的功率。功率隔离器70优选地是变压器，然而可以是任何适当的设备。本领域技术人员将意识到，通信隔离器56和功率隔离器70协作以确保通道42与设备16的其他部分电隔离。

通道44类似于通道42，并且也对相似的组件进行了相似的编号。可以将通道44配置为测量与通道42的传感器不同类型的传感器。例如，在一个实施例中，通道42被配置为测量热电偶的电压，通道44被配置为测量RTD的电阻。从而，将通道44中的每个传感器端子配置为通过2、3或者4线连接耦合到RTD。因为通道42和44每个都与设备16的其余部分电隔离，将第一独立接地传感器耦合到通道42以及将第二独立接地传感器耦合到通道44不会导致产生不想要的接地环路误差。此外，由于可以针对特定类型的传感器配置每个通道，可以针对特定的应用对通道进行优化，可以针对特定的传感器类型来定制诸如A/D精确度和变换速率的参数。例如，为了高精确度而设计的通道可以使用被配置为提供非常高精确度的A/D变换器，该A/D变换器具有相对较慢的变换时间。相反，设计用于对可以快速变化的过程变量进行测量的传感器的通道可以使用较低精确度的高速A/D变换器。本质上，基于从控制器40接收到的配置信息，可以在使用电阻类型的传感器的操作到使用电压类型的传感器的操作之间切换任意的传感器输入。控制器40可以基于从环路14或者通过本地输入(未示出)接收到的信息来提供配置信息。此外，控制器40可以向通道提供配置信息，以调节针对每个通道或者甚至针对每个传感器的模-数变换采样速率。在基于与过程有关的已知信息可预期传感器的改变速率的情况下，这是特别有利的。

通道46和48与通道42和44类似，然而，其被配置为接收数字输入，并从而不包括模-数变换器。如图所示，输入1-n耦合到复用器66，复用器66将所选择的输入的信号通过通信隔离器60和UART 64传送到总线54。在一些数字输入实施例中，输入电平可以是这样的：使得可以通过隔离器60直接向UART 64提供数字输入。数字输入一般指示逻辑类型的信号，例如限位开关中的接点闭合等。然而，数字输入1-n还可以耦合到其他过程设备的数字输出，以使得该输入表示逻辑信号，例如告警或者其他布尔类型的信号。

在一个示例配置中，例如图1和图2中示出的多传感器设备的传感器至传感器隔离是0.7伏特。任何高于此的传感器至传感器电势将会把误差引入到传感器测量中。此外，足够高的传感器至传感器电压将会导致设备故障。在一些应用中，需要100伏特以上的电压用于传感器操作。耦合到设备的各种传感器可以自身耦合到不同的过程。从而，已经使用了使用高电压开关的复用方案来在不损坏设备的情况下进行传感器测量。

复用设备(例如，复用器66)使用具有多个输入的开关来将各个输入切换到单个的总线或者输出。然后，该公共总线将所选择的输入传递到例如信号变换电路(例如，模数变换器68)，用于后续的分析。典型地，复用技术的一个典型结果(artifact)是输入在不同的电压电势处。一旦通过复用器66将特定的传感器连接到模数变换器电路68，模数变换器电路68上升到该通道的电压电势。尽可能快速地进行传感器测量是优选的。例如，在八个传感器的设备配置中，每隔1.5秒提供针对各个传感器的更新。这意味着八个通道中的每一个仅在1秒的若干分之一内连接到模数变换器。对于模拟至数字电路在切换到下一个传感器之前精确调整到传感器输入的电势来说，该时间段可能不是充足的持续时间。这可能导致将不精确的传感器测量返回到设备。

进行电压均衡所需的时间由模拟至数字转换电路中或者传感器线路上的电容量所规定。在各个传感器输入上，存在着为传感器测量提供噪声滤波或者用于其他目的的很多电阻器和电容器。当设备使用复用器在各个传感器输入和参考组件之间进行扫描时，将会需要在可以获得精确测量之前对传感器电容器上的电压进行充电或放电。该充电必然流过滤波器电阻器、传感器和引线，在一些情况下，这可以表示上千欧姆的阻抗。在模数变换电路中使用的电容器是作为这些误差的主要来源的组件。电容器的电容率导致了被称为介电吸收的电荷存储效应(chargetrapping effect)。该效应的范围取决于在电容器中使用的材料。该效应自然衰退到典型设备可以接受的电平所需的时间可以是1.5秒的全部八个传感器更新的7至8倍长。此外，开路传感器、高电阻传感器引线和传感器连接误差也可以导致滤波电容器和传感器上高于正常电荷的电荷，这进一步增加了对电压进行均衡以用于后续测量所需的时间。如果在该均衡之前进行了测量，将引入显著的测量误差。

这些类型的误差可以仅仅因为正在监视的不同传感器类型而产生。例如，全尺寸欧姆类型的传感器可以将信号测量电路升高到高于电路板上的电压基准的400mV。然而，典型的设备精确度规范可能是50μV，，即，比400mV小8000倍。在另一示例中，一些诊断技术可以导致测量总线和传感器线路升高到高于电路电压基准的3.5伏特。

本发明提出了对以上问题的解决方案。本发明包括被使用来允许设备利用复用架构精确地测量多个传感器输入的均衡电路(例如，图2中示出的电路100)。在传感器读取期间，复用器总线即刻连接到电路电压基准。该即刻连接通过使得所连接的输入通道和信号变换电路达到公共的电压电势来“均衡”通道。一旦组件在相同的电压电势处，便可以进行精确的电路测量。

图3是对更详细地示出的均衡电路100的操作进行示出的简化框图。图3示出了两个传感器，虽然可以使用任何数目。在图3中，将复用器66示出为单独的开关。交叉的开关66指示了复用器的闭合情况，而打开的开关指示了断开的情况。在图3的示例中，复用器66将传感器1耦合到模数变换器68。电压电势102被示意性示出，并包括所测量的通道(来自传感器1)与其他传感器通道之间的电势差。在传感器测量读取之前，将复用器66的总线即刻连接到电路电压基准电势104。通过使得两个组件达到基准电压104所确定的公共电压电势，对输入通道和信号变换电路进行了均衡。一旦组件在相同的电势处，移除电压电势104，并使用模数变换电路68来获得精确的测量。

在该示例中，均衡电路100包括多个开关110。如图所示，可以使用这些开关110来选择性地将各个输入通道耦合到电压基准104。可以对开关110的操作进行控制，例如，通过控制器40，还可以将控制器40配置为控制复用器66。

在一个示例配置中，电压基准104是1.225伏特。然而，可以根据需要来相对于地对其进行改变。基准电压典型地具有接近于传感器和参考组件测量电压的值。在这种配置中，减少了对后续测量上的滤波器电容器进行充电或放电所需的时间，并提高了测量的精确度。在一个示例中，对组件进行均衡所需的时间是16mS。这可以例如基于被使用来操作控制器40的时钟周期。

在各个实施例中，均衡电路100的使用可以是选择性的。例如，如果要测量的传感器类似于之前测量的传感器，可以去除均衡步骤，或者缩短其持续时间。可以将该技术与对多个传感器值进行测量的任何类型的传感器测量一起使用。例如，一些应用需要来自单个设备的多个温度测量。这些测量共享滤波器电容器的公共集合，这些滤波器电容器具有取决于正在进行的测量的电势改变。可以利用本发明的均衡电路100来减轻由于测量的先后顺序而造成的测量误差，并从而提高温度测量的精确度。

虽然已经参照优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。可以在设备中实现本发明，并且可以耦合到过程控制环路。过程控制环路可以是双线过程控制环路，在其中，4-20mA信号之间的电流电平表示所测量的值，或者过程控制环路可以包括携带数字信息(例如叠加到4-20mA电流电平上)的过程控制环路。在另一示例配置中，过程控制环路包括无线过程配置环路，在其中，将信息无线地传递到不同的位置。如在此使用的，“均衡”指的是降低两点之间的电压电势，以提高传感器测量的精确度。

Claims

1.一种工业过程控制变送器(16)，包括:

第一输入，被配置为耦合到第一传感器;

第二输入，被配置为耦合到第二传感器;

复用器(66)，被配置为选择性地将所述第一和第二传感器耦合到测量电路(68)，所述测量电路(68)提供与所感测的过程变量有关的输出;以及

均衡器电路(100)，耦合到所述复用器(66)的输出，并被配置为使得选择性耦合的第一或第二输入以及所述测量电路(68)达到公共电压电势。

2.根据权利要求1所述的工业过程控制变送器，其中，所述测量电路(68)包括基准电压，所述基准电压包括所述公共电压电势。

3.根据权利要求2所述的工业过程控制变送器，其中，所述均衡器电路(100)选择性将所述第一输入通过所述复用器耦合到所述基准电压。

4.根据权利要求3所述的工业过程控制变送器，其中，所述均衡器电路(100)还被配置为选择性地将所述第二输入通过所述复用器连接到所述基准电压。

5.根据权利要求1所述的工业过程控制变送器，包括:模数变换器(68)，耦合到所述复用器(66)，并被配置为对来自所述第一或第二输入的电压电平进行数字化。

6.根据权利要求1所述的工业过程控制变送器，其中，所述第一输入包括:至所述第一传感器的第一端子的第一连接，以及至所述第一传感器的第二端子的第二连接。

7.根据权利要求6所述的工业过程控制变送器，其中，所述第一输入还包括:至所述第一端子的第三连接，以及至所述第二端子的第四连接。

8.根据权利要求7所述的工业过程控制变送器，其中，所述第一、第二、第三和第四连接耦合到所述均衡器电路(100)。

9.根据权利要求8所述的工业过程控制变送器，其中，所述第一、第二、第三和第四连接耦合到所述均衡器电路(100)的开关(110)，所述开关(110)被布置为选择性地将连接耦合到基准电压。

10.根据权利要求1所述的工业过程控制变送器，包括:通信电路(36)，被配置为在过程控制环路上提供输出。

11.根据权利要求10所述的工业过程控制变送器，其中，所述过程控制环路(14)包括双线过程控制环路。

12.根据权利要求10所述的工业过程控制变送器，其中，所述过程控制环路(14)包括无线过程控制环路。

13.一种从根据权利要求1的工业过程控制变送器中的所述第一和第二传感器测量传感器值的方法，包括:

通过复用器(66)将所述第一传感器耦合到所述测量电路(68);

使用所述测量电路(68)来测量所述第一传感器的值;

将所述测量电路(68)与所述第一传感器断开;

通过所述复用器(66)将所述第二传感器耦合到所述测量电路(68);

将所述测量电路(68)耦合到基准电势;

将所述测量电路(68)与所述基准电势断开;以及

使用所述测量电路(68)来测量所述第二传感器的值。

14.根据权利要求13所述的方法，包括:将所述第二传感器和所述测量电路(68)耦合到基准电势。

15.根据权利要求14所述的方法，包括:对所述第二传感器的电压进行数字化。

16.根据权利要求13所述的方法，包括:将所述第一传感器耦合到所述基准电势。

17.根据权利要求13所述的方法，包括:在过程控制环路(14)上传送测量值。

18.根据权利要求13所述的方法，包括:将所述第二传感器与所述基准电势断开。