CN103454036B

CN103454036B - 具有模拟通信的过程变量变送器系统

Info

Publication number: CN103454036B
Application number: CN201210380166.1A
Authority: CN
Inventors: 布赖恩·爱德华·索芬; 理查德·L·尼尔森
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2032-10-09
Also published as: US9121743B2; US20130325369A1; CN202903415U; EP2856085A1; WO2013180846A1; CN103454036A; EP2856085B1

Abstract

本发明公开一种过程变量变送器系统，用于检测在第一位置处的第一压力和在第二位置处的第二压力，包括：第一过程变量变送器，所述第一过程变量变送器具有被配置为感测第一压力的第一压力传感器和连接到第一传感器的第一模拟输出级，所述第一模拟输出级被配置以提供与第一压力相关的模拟输出信号。第二过程变量变送器包括与第一压力传感器间隔分开的第二压力传感器，所述第二压力传感器被配置为检测第二压力。第二模拟输出级提供与第二压力相关的第二模拟输出。模拟处理级提供与第一和第二压力相关的处理过的输出。二线式输出电路被配置为基于所述处理过的输出在二线式过程控制回路上提供模拟电流输出。

Description

具有模拟通信的过程变量变送器系统

技术领域

本发明涉及用来检测工业过程中的过程变量的类型的过程变量变送器。更具体地，本发明涉及用来检测工业过程的过程流体的远程压力的过程变量变送器。

背景技术

过程变量变送器用在工业生产过程中以检测过程变量。过程变量的例子包括温度、流量、压力等。过程变量变送器检测过程变量和发送与过程变量相关的信息到中央位置，例如，中央处理控制室。所检测的过程变量可以用于监控过程的操作，和在某些情况下，可以用来控制过程的操作。可以采用各种技术用于传输过程变量，包括有线和无线技术。一个公知的有线技术是二线式过程控制回路，其中使用模拟量电流电平来表示过程变量。例如，4毫安电流电平可以表示过程变量的低值，20毫安的电流电平可以代表高值。同一二线式过程控制回路也可以用于为过程变量变送器供电。

一种类型的过程变量变送器用于检测在罐或容器中的过程流体的液位。1999年5月4日授权、名称为“DIFFERENTIAL PRESSURE MEASUREMENTARRANGEMENT UTILIZING DUAL TRANSMITTERS(利用双变送器的差压测量布置)”并转让给Rosemount公司的美国专利5,899,962示出这样的结构的一个示例，并且通过引用将其全部内容结合于此。例如，过程变量变送器可以使用垂直地隔开的两个压力传感器。两个传感器之间的压差可以用作包含在容器中的过程流体的量的指示。在一个结构中，过程压力在物理上连接到在过程变量变送器中的用来测量差压的差压传感器。然而，这需要通过导管或“填充管”的机械连接，这可能会导致不准确性，并且也可能需要穿过壁等用于导管的比较大的开口(“贯通”)。另外，两个压力到差压传感器的机械连接的使用可能将误差引入压力测量，例如，由于温度变化。在另一种结构中，如在美国专利5,899,962中提出的结构中，两个压力被分开地测量，并且被电通信到电路，该电路计算压差。然而，在某些环境中，使用数字电路是不可行的，例如在核电厂应用中。恶劣的辐射环境可能会损坏这种电路。

发明内容

一种过程变量变送器系统，用于检测在第一位置处的第一压力和在第二位置处的第二压力，包括：第一过程变量变送器，所述第一过程变量变送器具有：被配置为检测第一压力的第一压力传感器和连接到第一传感器的第一模拟输出级，所述第一模拟输出级被配置以提供与第一压力相关的模拟输出信号。第二过程变量变送器包括与第一压力传感器间隔分开的第二压力传感器，所述第二压力传感器被配置为检测第二压力。第二模拟输出级提供与第二压力相关的第二模拟输出。模拟处理级提供与第一和第二压力相关的处理过的输出。二线式输出电路被配置为基于所述处理过的输出在二线式过程控制回路上提供模拟电流输出。

附图说明

图1是工业过程的简化方框图，该工业过程包括布置成检测在罐或容器中的过程流体的压差的变送器。

图2是在图1中显示的压力变送器的简化方框图。

图3是图1中显示的压力变送器的一部分的简化示意图。

具体实施方式

本发明提供一种用于测量在远程位置处的过程流体的压力的方法和装置。这可以用来使用被配置为检测两个压力的两个过程变量变送器来确定罐中的液体的液位。在这样的结构中，第一压力从副变送器传送到主变送器。主变送器还测量第二压力，并且被配置为在二线式过程控制回路上提供输出，该输出与第一和第二压力之间的差值有关。还可以使用从二线式过程控制回路接收的电力给该变送器供电。该变送器优选地采用模拟电路操作。这克服与数字电路的使用相关的问题。另外，该结构并不需要在使用用于压力连接的导管的远程密封系统中需要的穿过壁(如核电厂中的防泄露壁)的相对大尺寸开口等，并且还不容易经受到由于导管的温度变化产生的误差。

图1是显示包括填充有过程流体的罐或容器102的工业过程100的一个实施例的简化方框图。过程变量变送器110和112被布置为测量罐102内的过程流体104的液位。过程变量变送器110通过压力联接器116和集合管114连接到压力P1。同样地，过程变量变送器112通过压力联接器120和集合管118连接到罐102，以测量第二压力P2。如下面更详细地解释，与被检测的压力P1有关的模拟信号通过配线130从变送器110通信到变送器112。基于压力P1和P2之间的差，变送器112在4-20毫安过程控制回路140上提供输出。该输出为模拟电流值。例如，4毫安信号可以表示低值或最小值，并且20毫安信号可以表示高值或最大值。

一些现有技术已经使用单个变送器来测量压力P1和P2之间的压差。在一个这样的配置中，远程压力隔膜密封件和随附导管从压力P1和P2的位置延伸到压力变送器处的入口。然后可以使用在压力变送器内的一个或多个压力传感器来测量通过两个导管施加的压力。但是，这种配置可能会将诸如由于温度变化产生的误差引入压力测量。另外，导管需要相对较大的开口以便穿过墙壁或相似物，或可能需要用于多个导管的多个开口。避免使用压力导管的方法之一是使用数字通信技术来将在一个位置处检测到的压力发送到另一个位置，用于确定压差。然而，在其中不能使用数字电路的有些情况中，如在遇到高水平的辐射的位置中。因此，在一个方面，本发明提供使用模拟电路的技术和模拟信号技术，以将第一压力通信到变送器，用于确定压差。本发明不需要远程密封结构所需要的用于墙壁穿透的大开口，该远程密封结构使用诸如毛细管的机械连接以通信在多个位置之间的压力。此外，消除了可能由于毛细管的温度变化而出现的误差。本系统只需要用于双绞线的小的壁穿孔，并且运行4-20毫安回路的这种单个双绞线对可以用于为两个变送器供电。

图2是压力变送器110和112的简化方框图。如图2的实施例中显示，过程变量变送器110包括连接到在电子模块204中的压力传感器202的压力传感器模块200。在图示的配置中，压力传感器202是基于电容的压力传感器，其中该传感器的电容随着施加的压力而变化。可以通过使用诸如∑/Δ转换器的各种技术测量电容。来自振荡器210的交流信号被施加至该压力传感器202的电容极板。合成信号由解调器212产生和解调，用作提供到振荡器控制电路214的反馈。该反馈信号与所施加的压力有关。另外，使用温度补偿电路216根据温度补偿被解调的输出，并且使用线性电路218对测量中的非线性进行补偿。在一个特定的配置中，提供与所检测的压力有关的电流电平到量程调整放大器220。例如，电流可以在0和82μA之间变化。量程调整放大器220产生模拟输出信号222，模拟输出信号222是与检测的压力相关的电压电平。在一个具体实施例中，该电压电平在1伏和5伏之间变化。除了模拟输出信号222，配线130包括副电源线230和副电源返回线232。在一个配置中，这些分别是10伏和5.1伏电源电压，并在下面更详细地描述它们的操作。虽然示出三个连接，但本发明并不限于该结构，并且可以使用任意数量的电源和信号连接，包括其中连接载送电力和与检测的压力相关的模拟信号的配置。因此，用于两个变送器110、112的电力由回路140传送。在另一个示例性配置中，变送器110、112中的一个包括诸如电池的内部电源。该内部电源可用于向两个变送器供电。在另一个示例性配置中，两个变送器110、112都包括内部电源。在另一个例子中，回路140以外的外部电源用于向变送器110、112供电。在非使用期间，可以通过从副变送器110移除电力来实现节电。

图2的实施例还显示主过程变量变送器112的方框图。主过程变量变送器112中的类似部件具有与过程变量变送器110类似的编号。变送器112包括连接到压力传感器202的类似传感器模块200，传感器模块200具有解调器212、温度补偿电路216和线性电路218。变送器112的电子模块250包括振荡器210、振荡器控制电路214和量程调整放大器220。此外，差分放大器252被配置为提供到电流控制电路254的输出，该输出与模拟输出信号222的电压和来自变送器112中的量程调整放大器220的电压之间的差相关。这个电压差是两个压力传感器之间的压差的表示，并且是图1中图示的容器102中的过程流体104的高度的表示。

电流控制电路254在二线式过程控制回路140上提供输出，该输出表示这个压差。例如，4毫安电流电平可以表示最小压差，20毫安的电流电平可以表示最大压差。压力值可以线性地分布在4毫安和20毫安之间的量程或范围内。代替地，可以提供非线性输出。调零电路256被用来调整这个电流输出的零电平。在二线式回路140上提供的最大电流由限流电路260限制，并且使用电流检测电路262将反馈提供到电流控制电路254。迭式电压调节器264在配线130的副电源线230和副电源返回线232上提供电压电平。此外，图2图示无线电频率干扰(RFI)滤波器240和242，无线电频率干扰(RFI)滤波器240和242可以连接到配线130和连接到二线式制过程控制回路140，以减少进入变送器110和112的任何电气干扰。

图3是显示变送器110和112的电路的更详细示意图。在图3中，变送器110的量程调整放大器220被图示为运算放大器300，+10伏副电源电压230和+5.1伏副电源返回电压232之间的参考电压被提供到运算放大器。来自传感器模块200的输出被提供给放大器300的反相输入，从而输出是与检测的压力相关的电压，并且在1伏和5伏之间变化。量程调整电阻302可以用于调整这个电压输出的量程或范围(span)。量程调整电阻302被布置为提供负反馈到运算放大器300。

如在图3中所示，变送器112包括类似的电路。差分放大器252显示为运算放大器310，运算放大器310例如可以被配置为基于来自变送器110和112的量程调整放大器220的输出之间的差提供在1.2伏和5.2伏之间变化的电压输出。这个信号被提供给电流控制电路254，电流控制电路254被图示为运算放大器312。放大器312的增益由反馈电阻器320相对于输出电阻322和串联电阻324的乘积的比例确定。偏置电阻器323被布置为确定用于变送器输出的4毫安点。也可以使用调零电位器以允许二线式过程控制回路140的零点的调整。由放大器312提供的增益基于电阻器320、322和323的值。限流电阻(未显示)也可以被用于限制流过二线式过程控制回路140的电流。例如，此限流电阻可以与输出晶体管370串联放置。请注意，这个电路体现为图2中示出的电流检测电路262、电流控制电路254、限流电路260和调零电路256。

迭式电压调节器266被图示为被布置成产生5.1伏和10伏电源电压的齐纳二极管330和332。使用齐纳二极管334产生参考电压VREF。使用电压调节器372向这些二极管供电。在一个实施例中，各个部件是抗辐射(RAD-hard)结构，从而允许电路在具有高水平辐射的环境(如核电站)中操作。一个示例性抗辐射运算放大器可从Harris获得并且被表明有零件号码HS2-3530ARH。

虽然已经参照优选的实施例描述本发明，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情况下，可以在形式和细节上做出更改。虽然上面的描述中只描述模拟电路，但是对于变送器的其它部件来说可以可行的是使用对于系统的操作不关键的专用电子元件或者部件来数字地执行某些功能。使用本发明，提供不需要使用任何数字电路“远程密封”配置。然而，还提供不需要两个变送器单元之间的流体连接的这种实施方案，这种流体连接是典型的现有技术的设计。这消除由导管的温度变化引起的误差，并且需要尺寸比导管小的壁穿孔。这里所示的特定电路仅仅是本发明的一个优选的实施方案，并且本发明并不限于该结构。在所示的实施例中，可以使用仅从二线式过程控制回路接收的电力给两个变送器供电。然而，在其他实施方式中，可以采用辅助或其它电源，包括独立电源。在另一个示例性配置中，两个传感器彼此远离地定位，并且模拟传感器数据被设置到计算该压差的第三位置。在这样的结构中，三个装置的任何一个可以提供二线式过程控制回路的连接，并且同一个二线式过程控制回路可以用于给所述装置供电。正如这里所使用的，模拟输出级是用于提供表示来自压力传感器的输出的模拟输出的电路。模拟处理级是指用于处理与来自两个压力传感器的输出相关的信号并且提供被处理的输出的模拟电路。这里所用的具体的示例是两个值之间的差。二线式输出电路是指用于连接到二线式过程控制回路和控制在二线式过程控制回路上的电流的电平以表示所希望的值的电路。虽然这里所用的电路被描述为是模拟电路，但在一些实施例中，其他电路可以在现场装置中以数字电路的形式实现。

Claims

1.一种过程变量变送器系统，用于检测在第一位置处的第一压力和在第二位置处的第二压力，包括：

第一过程变量变送器，所述第一过程变量变送器具有：

被配置为检测所述第一压力的第一压力传感器；和

连接到第一传感器的第一模拟输出级，所述第一模拟输出级被配置以提供与所述第一压力相关的第一模拟输出信号；

第二过程变量变送器，所述第二过程变量变送器具有：

被配置为检测所述第二压力的第二压力传感器，第二压力传感器与第一压力传感器间隔分开；

第二模拟输出级，所述第二模拟输出级被配置为提供与所述第二压力相关的第二模拟输出；

模拟处理级，所述模拟处理级被配置为提供与所述第一压力和第二压力相关的处理过的输出；和

二线式输出电路，所述二线式输出电路被配置为基于所述处理过的输出在二线式过程控制回路上提供模拟电流输出。

2.根据权利要求1所述的过程变量变送器系统，其中，来自第一模拟输出级和第二模拟输出级的模拟输出信号是电压信号。

3.根据权利要求1所述的过程变量变送器系统，包括从第二过程变量变送器到第一过程变量变送器的至少一个电力连接，所述至少一个电力连接被配置为提供电力到第一过程变量变送器。

4.根据权利要求3所述的过程变量变送器系统，其中，第一过程变量变送器由来自二线式过程控制回路的电力供电。

5.根据权利要求4所述的过程变量变送器系统，其中，第二过程变量变送器由来自二线式过程控制回路的电力供电。

6.根据权利要求1所述的过程变量变送器系统，其中，第一模拟输出级和第二模拟输出级包括连接到来自对应的第一压力传感器和第二压力传感器的输出的运算放大器。

7.根据权利要求6所述的过程变量变送器系统，其中，运算放大器进一步连接到参考电压。

8.根据权利要求1所述的过程变量变送器系统，其中，所述处理过的输出包括来自第一变送器的模拟输出信号和来自第二变送器的模拟输出信号之间的差值。

9.根据权利要求8所述的过程变量变送器系统，其中，模拟处理级包括差分放大器。

10.根据权利要求1所述的过程变量变送器系统，其中，第一压力传感器和第二压力传感器具有与施加的压力相关的电容值。

11.根据权利要求1所述的过程变量变送器系统，其中，第一过程变量变送器和第二过程变量变送器的电路包括抗辐射电路。

12.根据权利要求1所述的过程变量变送器系统，其中，所述处理过的输出指示在容器中的过程流体的液位。

13.一种通过使用权利要求1所述的过程变量变送器系统检测在第一位置处的第一压力和在第二位置处的第二压力的方法，所述方法包括下述步骤：

在具有所述第一过程变量变送器的第一位置处使用第一压力传感器检测所述第一压力；

根据检测到的第一压力提供第一模拟输出信号；

在具有所述第二过程变量变送器的与第一位置隔开的第二位置处检测所述第二压力；

提供与所述第二压力相关的第二模拟输出；

在第二过程变量变送器中的第二位置处接收第一模拟输出和第二模拟输出，并且根据第一模拟输出和第二模拟输出响应地产生处理过的输出；以及

根据差分输出施加电流电平到二线式过程控制回路。

14.根据权利要求13所述的方法，其中第一模拟输出信号和第二模拟输出信号是电压信号。

15.根据权利要求13所述的方法，包括使用来自第二过程变量变送器的电力为第一过程变量变送器供电的步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，包括使用来自二线式过程控制回路的电力为第一过程变量变送器供电的步骤。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述处理过的输出包括来自第一过程变量变送器的模拟输出信号和来自第二过程变量变送器的模拟输出信号之间的差值。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，第一压力传感器和第二压力传感器具有与施加的压力相关的电容。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，第一过程变量变送器和第二过程变量变送器的电子电路包括抗辐射电路。

20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电流电平指示在容器中的过程流体的液位。