CN102384795A - 过程流体温度测量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及过程流体的温度测量。提供了一种用于测量过程流体的温度的设备，包括：基于电阻的温度传感器RTD传感器，被配置为与过程流体热耦合。第一和第二电连接被配置为施加经过RTD的电流。测量电路被配置为：测量RTD上的电压，识别与RTD的退化的连接，和作为响应而使用电连接来测量过程流体的温度。

Description

过程流体温度测量
技术领域
本发明涉及工业过程控制和监视系统。更具体地，本发明涉及对这种系统中的过程流体的温度的测量。
背景技术
工业过程控制和监视系统用于监视和/或控制工业过程。例如，过程流体的诸如压力、温度、流量等的过程变量可以由过程变量变送器来测量。该信息允许操作者监视过程的操作。此外，所测量的过程变量可以用作控制算法的输入并用于控制过程的操作。在许多实例中，过程变量变送器位于远程位置，并通过过程控制环路将信息发送回到中央位置。过程控制环路可以包括双线过程控制环路，在双线过程控制环路中，以模拟方式(例如，基于流经该环路的4-20mA电流电平)或以数字的方式将过程变量发送至中央位置。相同的双线可以用于给过程变量变送器提供功率。另一示例的过程控制环路是无线控制环路，其中对数据进行无线发送。
所测量的一种过程变量是温度。使用各种温度传感器来测量温度。一种温度传感器是称为RTD的基于电阻的温度传感器。RTD的电阻随温度而变化。典型地，电阻是使用与RTD的开尔文(Kelvin)连接来精确测量的，在开尔文连接中，第一对线承载电流，第二对线用于测量RTD上的电压降。如果连接之一退化，则可能获得不精确的温度测量并且必须执行维护。
发明内容
一种用于测量过程流体的温度的设备，包括：基于电阻的温度传感器(RTD)传感器，被配置为与过程流体热耦合。第一和第二电连接被配置为施加经过RTD的电流。第三和第四电连接被配置为测量RTD上的电压。测量电路被配置为识别与RTD的退化的连接，并作为响应向用户提供指示，并在极度退化的状况下具有以下能力：使用第一、第二、第三和第四电连接中的非全部连接来测量过程流体的温度。
附图说明
图1是示出了包括温度变送器在内的工业过程控制系统的简化框图。
图2是图1的温度变送器的简化框图。
图3是在另一操作模式中示出的图1的温度变送器的另一简化框图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于在与RTD的连接已经退化或发生故障的情形下使用基于电阻的温度传感器(RTD)来感测过程流体的温度的方法和设备。RTD传感器用于测量过程流体的温度。这种传感器或与这种传感器的电连接可能周期性地退化或失去其完整性。在一些实例中，操作者可以提供周期性安排的维护，以在传感器最终发生故障之前执行预防性维护。在这种情形下，可能执行不必要的维护，并且可能非必要地丢弃工作良好的传感器和相关的线。
RTD的故障可以由多个不同的来源造成。RTD自身可能发生故障，或者与RTD的连接可能发生故障。例如，与RTD传感器的接合(连接)可能发生故障、磨损或变松，或者，传感器内的内部焊接可能由于因温度和振动而置于设备上的应力而退化。在发生故障之前，这些问题可以导致线路电阻增大且电压过度(残差EMF)(参见例如于2002年3与12日公布的标题为ERROR COMPENSATION FOR A PROCESSFLUID TEMPERATURE TRANSMITTER的美国专利No.6,356,191)。增大的线路电阻将使信噪比减小并使测量有噪声。此外，增大的线路电阻可以导致测量中由于测量电路固有的更大的时间常数而引起的不精确。线路电阻越大，执行测量所需的时间常数越长。典型地，过程变量测量系统中使用的模数转换器具有对由于线路电阻增大而增大的时间常数可能不合适的可编程稳定时间(settling time)。增大的EMF是关于RTD传感器连接的已知问题，并可以直接影响过程变量变送器执行精确测量的能力。过程变量变送器可以被配置为校正较低程度的过度EMF。然而，过度的电压可能使测量电路饱和。
上述状况可以用于检测即将到来的传感器故障或连接完整性问题。当温度传感器发生故障时，需要使过程变量变送器离线，直到传感器已被更换或连接已被修复为止。期望事先提供与故障传感器相关的状况存在的信息，并允许在传感器仍产生有用测量时安排维护。
在一方面，本发明提供了一种用于在一定时间段内跟踪和比较RTD传感器测量线特性的方法和设备。可以提供对异常状况的指示，并且，在期望时，变送器可以使用自动校正来校正增大的线路电阻和过度的残差EMF。如上所述，增大的线路电阻和过度的残差EMF影响传感器测量的精度，并受到在可能由松动的布线、振动或腐蚀引起的较差状况下使传感器元件退化的影响。
可以针对4线RTD传感器的每条传感器线和3线RTD传感器的两条线来测量线路电阻。此外，可以针对每条线测量残差EMF。可以通过关断用于针对正常RTD测量而激励RTD的电流来测量残差EMF。一旦关断电流，就可以像电压传感器那样测量残差电压，并可以在趋势中使用该残差电压，或从测量中减去该残差电压。过程变量变送器可以在传感器的正常操作期间监视特性改变，并识别何时一条线具有相对于其他线增大的电阻或EMF。
图1是示出了工业过程控制或监视系统10的简化框图，其中，过程变量变送器12与被示意为过程管道14的工业过程耦合。根据本发明，过程变量变送器12可以包括过程温度变送器。变送器12被示作与双线过程控制环路16耦合，被示意为通过双线过程控制环路16与本地控制室18耦合。控制室18被示意为电源18A和感测电阻18B。过程控制室16可以依照于任何过程控制环路或与主机系统无线连接。环路16被示意为承载电流。在一个配置中，提供了双线环路，其中，相同的两条线用于给变送器12提供功率以及提供与变送器12的通信。例如，环路16可以包括4-20mA电流环路，其中，变送器12控制电流电平以表示过程变量。在另一示例配置中，将数字信号调制到环路16上以承载过程信息。温度变送器12与管道16中承载的过程流体耦合，并被配置为感测过程流体的温度。在另一示例中，无线通信替代有线通信。
图2是与过程控制环路16耦合的温度变送器12的简化框图。变送器12包括测量电路30，测量电路30中基于电阻的温度传感器(RTD)32与具有第一、第二、第三和第四端子连接的端子块34耦合。模数转换器36与端子块34的端子耦合，并包括连接A、B、C、D和E。模数转换器36被配置为将模拟信号转换为数字值，然后，将数字值提供给微处理器40。微处理器40还被配置为控制模数转换器的操作，并根据存储器42中存储的指令而进行操作。输入/输出电路44与过程控制环路16耦合，并被配置为通过环路16发送由微处理器40提供的信息，或向微处理器40提供从环路16接收的信息。在图2所示的配置中，输入/输出电路44还被配置为给变送器12的电路提供功率。
温度传感器32通过4线“开尔文”连接与端子块34耦合。在图2所示的配置中，使源电流经过端子块34的第一端子，流经温度传感器32，由端子块34的第三端子接收。参考选择开关50用作接地的冗余路径，用于测量与端子3和4相连的两条线的线路电阻。其还用作用于在由于退化的状况而必须切断线路66的情况下提供辅助接地路径的方法。
传感器32与端子块34之间的电连接包括被示意为线路电阻62、64、66和68的寄生电阻。
在操作期间，微处理器40被配置为测量温度传感器32的电阻。在一些配置中，微处理器40可以被配置为将所测量的电阻转换为温度。使用图2所示的配置，可以如下测量温度传感器32上的电压：
VRrtd＝V(B-C)           等式(1)
参考电阻52上的电压是：
VRref＝V(E-F)           等式(2)
然后，传感器32的电阻是：
Rrtd＝RRef*(Rrtd/VRref)等式(3)
在正常操作期间，变送器可以被配置为使用上述等式3来感测温度。如果变送器检测到异常状况(例如，EMF或线路电阻相对于其他线而改变)，则可以向操作者提供警告(例如通过过程控制环路16)。如果所检测到的差错不影响传感器测量，则可以提供这种类型的诊断警告。提供给操作者的信息可以包括例如：所检测到的特定事件，以及与传感器32的哪些连接线路导致了异常状况。
然而，如果异常状况超过阈值(例如，存储器42中存储的阈值电平)，则变送器12可以提供用于对已经出现的可能影响温度测量的那种严重异常状况进行指示的输出。微处理器40可以被配置为将测量路径改变为绕过导致异常状况的连接，并作为三线传感器进行操作。
图3示意了被配置为使用3线连接来测量温度传感器32的电阻的变送器12。该示例是：线路1已经退化至最好不将其包括在4线测量中的程度。变送器已自动将线路1从测量中移除，并在3线配置中使用线路2、3和4。存在多种其他方式以供变送器可以在3线模式中进行操作。如果任何一条线路发生故障，则变送器可以将其余线路用于3线模式。在图3中，可以使用以下等式来测量温度传感器32的电阻RRTD：
V(B-D)＝Vrtd+Vline+Vline 等式(4)
V(C-D)＝Vline            等式(5)
Vrtd＝V(B-D)-2*V(C-D)    等式(6)
VRref＝V(E-F)            等式(7)
Rrtd＝RRef*(Vrtd/Vref)   等式(8)
该配置将提供非常精确的测量，直到操作者能够解决异常状况为止。在图3中，微处理器40可以控制模数转换器36的操作以提供可选择的激励电流路径，从而消除任何一条线，并在3线模式中继续温度传感器32的操作。如上所述，微处理器40还可以向操作者提供它正在3线模式中进行操作的警告输出。
异常事件的检测可以基于任何适当的诊断技术，包括监视统计数据，如标准差、最小和最大电平等等。除了切换至3线配置之外，如果4条线中的2条发生故障，还可以在2线模式中操作传感器32。在这种配置中，将会丢失精度和引入差错。必须对连接导线的电阻进行补偿以提高测量精度。然而，这将允许变送器12提供一些测量(尽管这些测量是不精确的)，直到可以校正故障为止。
尽管参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (21)

1.一种用于测量过程流体的温度的设备，包括：
基于电阻的温度传感器RTD传感器，被配置为与过程流体热耦合；
第一和第二电连接，被配置为施加经过RTD的电流；
第三和第四电连接，被配置为测量RTD上的电压；以及
测量电路，被配置为识别与RTD的退化的连接，并作为响应而使用第一、第二、第三和第四电连接中的非全部连接来测量过程流体的温度，其中，所述测量电路被配置为在出现与RTD的退化的连接期间测量过程流体的温度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，退化的连接是基于任何线路中EMF或线路电阻的改变来检测的。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述测量电路被配置为使用与RTD的3条连接来测量过程流体的温度。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述测量电路被配置为使用与RTD的2条连接来测量过程流体的温度。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，与RTD的第一和第二连接与RTD的第一侧耦合，以及，第一和第二连接中的任一条被配置为选择性地提供经过RTD的电流。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备包括参考电阻器，以及，温度测量与RTD的电阻同参考电阻器的电阻之间的比较有关。
7.根据权利要求1所述的设备，包括被配置为在过程控制环路上提供输出的电路。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述过程控制环路包括双线过程控制环路，所述双线过程控制环路还被配置为给所述设备的电路供电。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述过程控制环路包括无线过程控制环路。
10.根据权利要求1所述的设备，包括I/O电路，所述I/O电路被配置为提供下述输出，所述输出用于指示已经检测到与RTD的退化的连接。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述输出是在过程控制环路上提供的。
12.一种感测过程流体的温度的方法，包括：
将基于电阻的温度传感器RTD与过程流体热耦合；
使用与RTD的第一和第二连接，使电流流经RTD；
使用与RTD的第三和第四连接，测量RTD上的电压；
基于EMF或线路电阻的改变，识别与RTD的退化的连接；以及
作为响应而使用与RTD的第一、第二、第三和第四连接中的非全部连接来测量过程流体的温度，其中，对温度的测量是在出现与RTD的退化的连接期间进行的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，RTD的电阻是使用与RTD的3条连接来测量的。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，RTD的电阻是使用与RTD的2条连接来测量的。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，与RTD的第一和第二连接与RTD的第一侧耦合，以及，第一和第二连接中的任一条被配置为选择性地提供经过RTD的电流。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法包括提供参考电阻器，以及，温度测量与RTD的电阻同参考电阻器的电阻之间的比较有关。
17.根据权利要求12所述的方法，包括在过程控制环路上提供与所感测的温度有关的输出。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述过程控制环路包括双线过程控制环路。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述过程控制环路包括无线过程控制环路。
20.根据权利要求12所述的方法，包括提供以下输出，所述输出用于指示已经检测到与RTD的退化的连接。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述输出是在过程控制环路上提供的。
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