CN104457797A - 确定物理的和/或化学的、随温度变化的过程变量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于利用电阻温度计确定过程自动化技术的物理的和/或化学的、随温度变化的过程变量的方法，其中该电阻温度计被安装在电路中，包括如下步骤：测量至少第一精密电阻器两端的第一电压；测量至少第二精密电阻器两端的第二电压；测量至少第三精密电阻器两端的第三电压，其中，循环地或持续地，发送恒定电流经过至少第一精密电阻器、至少第二精密电阻器或至少第三精密电阻器；通过第一电压、第二电压和第三电压确定电路的温度系数特性；发送恒定电流经过电阻温度计并且测量电阻温度计两端的电压；通过温度系数和测量的电压确定温度。本发明进一步涉及一种电路以及一种过程自动化技术的传感器，特别是包括这样的电路的电导率传感器。

Description

确定物理的和/或化学的、随温度变化的过程变量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于利用电阻温度计确定过程自动化技术的物理的和/或化学的、随温度变化的过程变量的方法。本发明进一步涉及一种电路并且涉及一种过程自动化技术的传感器，特别是包括这种电路的电导率传感器。

背景技术

纯金属显示出比合金更大的电阻变化并且具有相对恒定的电阻温度系数。为了通过电阻温度计的方式进行精确的温度测量，通常使用贵金属，更通常的，是使用铂或镍，因为特别是这些几乎不表现老化，并且因为能以窄的容差制造电阻温度计。温敏传感器也能以陶瓷(烧结的金属氧化物)或半导体材料(硅)制造，从而实现比采用金属更高的温度系数，并还能获得更高的灵敏度，然而，具有更少的精度和对温度系数的温度依赖性。

Pt1000电阻器是一种纯金属电阻，更通常的，是铂电阻。Pt1000电阻器在温度T为0摄氏度时具有1000欧姆的标称电阻R₀。可选地，现有技术中已知的Pt100和Pt500电阻器，其中在温度T为0摄氏度时分别具有100欧姆或500欧姆的标称电阻R₀。标准(IEC60751：2008)以如下公式(适用于0-850摄氏度)表示出Pt1000-铂电阻器的特性曲线：

R(T)＝R₀(1+αT+βT²)

其中R(T)为随温度而变的电阻，而α以及β表示已知的标准定值。

为了测量电阻，恒定的电流必须流过电阻器。施加的电压是容易测量的与电阻成比例的信号，进而与待测温度成比例。不利的是流经Pt1000的恒定电流的值必须是已知的。

因此通过电路读出电阻，电路包括，例如，模数转换器、放大器、电流源等等。

在确定过程变量的情况下出现的问题是漂移。术语漂移指的是数值相对缓慢的变化。漂移通常是不可预期的。特别应该考虑的是校准传感器(例如建立零点过程中)的情况中的漂移。术语温度漂移指的是由于(环境)温度改变而导致的非预期的物理或化学变量的变化。此外，物理和化学属性能在系统寿命期内变化并且对测量具有影响。

尽管电阻温度计的温度行为可能是已知的，但是测量电路(从而模数转换器、放大器、电流源等)能够，在一定条件下，展现出非常不同的温度行为。此外，电阻温度计的温度行为事实上会变化(例如由于自身发热)。因此，期望准确获知整个电路的温度行为，特别是当温度表示为辅助变量时，以便测量基本变量，例如pH值、电导率等等，并且这些基本变量是依赖于温度的。一般来说，用在过程自动化中的参数通常是高度依赖于温度的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定物理的和/或化学的过程变量的方法和电路，该方法和电路补偿整个系统对温度的依赖。

所述目的是通过采用电阻温度计的方法实现的，其中电阻温度计安装在电路中，包括如下步骤：测量至少第一精密电阻器两端的第一电压；测量至少第二精密电阻器两端的第二电压；测量至少第三精密电阻器两端的第三电压，其中，循环地或持续地发送恒定电流使其经过至少第一精密电阻器、至少第二精密电阻器或至少第三精密电阻器；通过第一电压、第二电压和第三电压确定电路的温度系数特性；发送恒定电流使其经过电阻温度计并且测量电阻温度计两端的电压；通过温度系数和测量的电压确定温度；并且确定考虑了温度的过程变量。

通过确定电路的温度系数特性，就有可能确定整个电路的温度行为。

优选地，这些温度系数是通过求解下面的线性方程组确定的：

U1＝a·R1²+b·R1+c，

U2＝a·R2²+b·R2+c，以及

U3＝a·R3²+b·R3+c。

接着优选通过下面方程确定整个电路的温度：

$T=-\frac{b}{2a}-\sqrt{{\left(\frac{b}{2a}\right)}^2-\frac{c}{a}+\frac{U}{a}}.$

所述目的进一步通过电路实现，该电路包括：布置在电路中的至少一个电阻温度计；第一精密电阻器；第二精密电阻器；第三精密电阻器；恒流源，其循环地或持续地发送恒定电流使其经过第一精密电阻器、第二精密电阻器、第三精密电阻器和/或电阻温度计；电压计，其测量至少第一精密电阻器两端的第一电压，至少第二精密电阻器两端的第二电压，至少第三精密电阻器两端的第三电压以及电阻温度计两端的电压，其中，在每种情况下，电流流经第一精密电阻器、第二精密电阻器、第三精密电阻器和/或电阻温度计；以及数据处理单元，其通过第一电压、第二电压和第三电压确定电路的温度系数特性，其通过温度系数和测量的电压确定温度，并且确定考虑了温度的过程变量。

优选地，数据处理单元通过求解如下线性方程组确定温度系数：

U1＝a·R1²+b·R1+c，

U2＝a·R2²+b·R2+c以及

U3＝a·R3²+b·R3+c。

整个电路的温度优选由数据处理单元通过如下方程确定：

$T=-\frac{b}{2a}-\sqrt{{\left(\frac{b}{2a}\right)}^2-\frac{c}{a}+\frac{U}{a}}.$

在优选的实施例中，电路包括开关，特别是MOS，模拟开关，

其中该开关在至少第一精密电阻器、至少第二精密电阻器、至少第三精密电阻器和/或电阻温度计之间切换电流。

因此，确定电流流经合适的电阻器，从而随后测量其两端的压降。

可选地，电路包括多路分用器，其中多路分用器将电流切换至至少第一精密电阻器、至少第二精密电阻器、至少第三精密电阻器和/或电阻温度计，并且

其中电路进一步包括多路复用器，其中该多路复用器分接至少第一精密电阻器两端的第一电压、至少第二精密电阻器两端的第二电压、至少第三精密电阻器两端的第三电压或电阻温度计两端的电压以使得电压计测量所述第一电压、第二电压、第三电压或电阻温度计两端的电压。

在优选实施例中，电路进一步包括至少一个模数转换器和/或放大器。

所述目的进一步通过过程自动化技术的传感器实现，特别是包括上述电路的电导率传感器。

附图说明

下面将基于附图更详细的解释本发明，其中附图显示了：

图1为本发明的电导率传感器，以及

图2为本发明的电路的原理图示。

在附图中，相同的特征采用了相同的参考标记。

具体实施方式

下面将基于图1所示的电导率传感器1来解释本发明。然而，基本思想是同样适用于其他类型的用于测量物理的或化学的过程变量的传感器。这些传感器主要用在过程自动化领域。因此，各种各样的传感器可用于测量介质5的各种参数，其中，这些参数通常是，依赖于温度的。就此而言，传感器定位在，或部分定位在，待测介质5中或至少与待测介质5接触。传统的传感器包括，在这种情况中，pH-、氧化-、浊度-、氨基-、氯化-以及电导率传感器等。电导率传感器的基本原理是已知的。电导率的测量是高度依赖于温度的，因此，每个电导率传感器还包括电阻温度计R_Pt1000用于确定介质5的温度。电导率传感器1进一步包括数据处理单元4，其在确定电导率时将考虑当前测量的温度值。

电导率传感器1例如通过电流隔离接口5特别是电感接口与测量发送器(未示出)连接，例如，通过电缆。继而，测量发送器通过总线连接例如基金会现场总线、ModBus、HART总线或类似的连接到控制系统。可选地，电导率传感器1还能通过总线连接直接连接到控制系统。

电阻温度计R_Pt1000优选地实施为Pt1000电阻器。Pt100和Pt500电阻器提供了其他选择。通常，电阻温度计R_Pt1000是随温度变化的电阻。经常使用铂电阻器。

为了测量电阻，恒定电流I被发送经过电阻温度计R_Pt1000。从而测量的电压U与温度T成比例。已知不同的测量电路用来评估，例如桥电路(如惠斯通电桥)，两、三或四导体电路。当线路电阻和连接电阻会恶化测量结果时，应用四导体电路。在四导体测量装置中，已知的电流通过两条线路发送经过电阻器。电阻器两端的压降经过两条其他的线路高阻态地分接并且采用电压测量装置测量；待测电阻采用欧姆定律计算。测量的电压经常被放大并且由模数转换器转换(每个都未示出)。提到的部件，即精密电阻器R1、R2、R3，电流源，电压测量，放大器，模数转换器，以及，在给定情况中的数据处理单元4，多路复用器以及多路分用器(见下面)等，应全都包含在电路3中。

铂电阻器Pt1000的电阻温度特性曲线为：

R(T)＝R₀(1+αT+βT²)

标称电阻R₀＝1000欧并且已知标称且恒定的参数α和β。通过采用R₀倍增并且考虑使用了恒定电流，可以将上述公式转换为电压温度特性曲线

U(T)＝a·T²+b·T+c，

其中a、b、c表示一般参数。参数α和β包含在其一般形式中。电路3的所有不精确性均可在此公式中通过参数a、b、c加以补偿。因此，二次Pt1000函数不是由其理想材料特性α和β描述的，相反，是在更高的抽象水平上描述。

图2示出了本发明的电路3的原理图。

电路3包括，例如已经提到的，恒流源I_const，其递送恒定电流I，电压计V，电阻温度计R_pt1000，以及附加的至少第一精密电阻器R1，第二精密电阻器R2，第三精密电阻器R3和开关S。开关S实施为，例如，MOS，模拟开关。然而可以使用其它变形。例如，一种选择是采用多路分用器，其将电流I顺序地分配给独立的精密电阻器R1、R2、R3。此外，采用了多路复用器，其能够使得电压计V(用于下面的电压测量)来测量每个选定的精密电阻器各自两端的电压。

本发明的思想在于，切换精密电阻器R1、R2、R3从而能够确定参数a、b、c，以便于，以这样的方式，能够确定整个电路3的温度行为。

顺序地，开关S这样操作，使得电流I流经精密电阻器R3、R2和R1，随后仅仅流经精密电阻器R2和R1而最后仅仅流经精密电阻器R1。

精密电阻器R1、R2、R3具有，例如，1000欧、390欧和390欧的电阻值以及±0.1％的容差。优选地，采用SMD部件。

在图2的电路示例中，三个精密电阻器R1、R2、R3如上所述，构成串联电路。因此，这由切换导致了1000欧的电阻值(仅仅R1)，1390欧(R1+R2)和1780(R1+R2+R3)的电阻值。单个精密电阻器，或精密电阻器的各自组合，表示确定的温度，在此情况下，为0℃、101.304℃以及205.836℃。

在各种情况中，测量压降U3、U2、U1。可选地，采用很容易改变的电路，电流能仅经过单独的精密电阻器被发送，即R3或R2或R1。采用数据处理单元2实现开关S的控制，即例如微控制器或多路复用器。

采用已知的电阻值和测量的电压U1、U2、U3，能通过由数据处理单元4求解下面的线性方程组来确定参数a、b、c：

$a=\frac{R1\·(U2-U3)+R2\·(U3-U1)+R3\·(U1-U2)}{(R1-R2)\·(R1-R3)\·(R3-R2)}$

$b=\frac{{R1}^2\·(U2-U3)+{R2}^2\·(U3-U1)+{R3}^2\·(U1-U2)}{(R1-R2)\·(R1-R3)\·(R2-R3)}$ 以及

$c=\frac{{R1}^2\·(R2\·U3-R3\·U2)+R1\·({R3}^2\·U2-{R2}^2\·U3)+R2\·R3\·U1\·(R2-R3)}{(R1-R2)\·(R1-R3)\·(R2-R3)}$

采用已经计算的参数a、b、c的值和测量的Pt1000电压U(开关S切换到R_Pt1000)，能直接基于测量的电压U计算介质5的温度T。上面讨论的电压温度特性曲线的(似真实的)解变为

$T=-\frac{b}{2a}-\sqrt{{\left(\frac{b}{2a}\right)}^2-\frac{c}{a}+\frac{U}{a}}.$

因此，将整个电路3的温度特性加入到介质5的温度确定中变得可能，以便确定总是当前正确的温度被用来确定基本变量。

这样的调整例如可在电导率传感器1的生产过程或直接在现场持续实施一次。后面的变形提供了这样的优点，即部件容差能随着时间的推移被动态补偿。这例如对于部件的温度漂移同样适用，部件例如是模数转换器，放大器以及电流源。这样的调整可例如每几秒钟或在需要时被执行。

参考标记列表

1        电导率传感器

3        电路

4        数据处理单元

5        介质

I        施加的电流

R        电阻器

R_Pt1000   电阻温度计

R1       第一精密电阻器

R2       第二精密电阻器

R3       第三精密电阻器

S        开关

T        温度

U        在R_Pt1000处测量的电压

U1       在R1处测量的电压

U2       在R2处测量的电压

U3       在R3处测量的电压

V        电压计

Claims (10)

1.一种用于利用电阻温度计(R_Pt1000)确定过程自动化技术的物理的和/或化学的、随温度变化的过程变量的方法，其中所述电阻温度计(R_Pt1000)安装在电路(3)中，所述方法包括如下步骤：

-测量至少第一精密电阻器(R1)两端的第一电压(U1)，

-测量至少第二精密电阻器(R2)两端的第二电压(U2)，

-测量至少第三精密电阻器(R3)两端的第三电压(U3)，

其中循环地或持续地发送恒定电流(I)经过所述至少第一精密电阻器(R1)、至少第二精密电阻器(R2)或至少第三精密电阻器(R3)，

-通过所述第一电压(U1)、第二电压(U2)和第三电压(U3)确定所述电路(3)的温度系数(a，b，c)特性，

-发送所述恒定电流(I)经过所述电阻温度计(R_Pt1000)并且测量所述电阻温度计(R_Pt1000)两端的电压(U)，

-通过所述温度系数(a，b，c)和测量的电压(U)确定温度(T)，并且

-确定考虑了温度(T)的所述过程变量。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述温度系数(a，b，c)通过求解如下线性方程组来确定

U1＝a·R1²+b·R1+c，

U2＝a·R2²+b·R2+c，以及

U3＝a·R3²+b·R3+c。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中所述温度(T)通过如下方程确定

$T=-\frac{b}{2a}-\sqrt{{\left(\frac{b}{2a}\right)}^2-\frac{c}{a}+\frac{U}{a}}.$

4.一种用于确定过程自动化技术的物理的和/或化学的、随温度变化的过程变量的电路(2)，包括：

-布置在电路(3)中的至少一个电阻温度计(R_Pt1000)，

-第一精密电阻器(R1)，

-第二精密电阻器(R2)，

-第三精密电阻器(R3)，

-恒流源(I_const)，其循环地或持续地发送恒定电流(I)经过所述第一精密电阻器(R1)、第二精密电阻器(R2)、第三精密电阻器(R3)和/或电阻温度计(R_Pt1000)，

-电压计(V)，其测量至少第一精密电阻器(R1)两端的第一电压(U1)、至少第二精密电阻器(R2)两端的第二电压(U2)、至少第三精密电阻器(R3)两端的第三电压(U3)以及所述电阻温度计(R_Pt1000)两端的电压(U)，

其中，在每种情况中，电流(I)流经所述第一精密电阻器(R1)、所述第二精密电阻器(R2)、所述第三精密电阻器(R3)和/或所述电阻温度计(R_Pt1000)，以及

-数据处理单元(4)，其通过所述第一电压(U1)、第二电压(U2)和第三电压(U3)确定所述电路(2)的温度系数(a，b，c)特性，通过所述温度系数(a，b，c)和测量的电压(U)确定温度(T)，并且确定考虑了温度(T)的所述过程变量。

5.根据权利要求4所述的电路(2)，

其中所述数据处理单元(4)通过求解线性方程组确定所述温度系数(a，b，c)

U1＝a·R1²+b·R1+c，

U2＝a·R2²+b·R2+c，以及

U3＝a·R3²+b·R3+c。

6.根据权利要求4或5所述的电路(2)，

其中所述数据处理单元(4)通过如下方程确定温度(T)

$T=-\frac{b}{2a}-\sqrt{{\left(\frac{b}{2a}\right)}^2-\frac{c}{a}+\frac{U}{a}}.$

7.根据权利要求4到6之一所述的电路(2)，

其中所述电路(2)包括开关(S)，特别是MOS，模拟开关，

其中所述开关(S)在所述至少第一精密电阻器(R1)、所述至少第二精密电阻器(R2)、所述至少第三精密电阻器(R3)和/或所述电阻温度计(R_Pt1000)之间切换所述电流(I)。

8.根据权利要求4到6之一所述的电路(2)，

其中所述电路(2)包括多路分用器，

其中所述多路分用器将所述电流(I)切换到所述至少第一精密电阻器(R1)、所述至少第二精密电阻器(R2)、所述至少第三精密电阻器(R3)和/或所述电阻温度计(R_Pt1000)，并且

其中所述电路(2)包括多路复用器，

其中所述多路复用器分接所述至少第一精密电阻器(R1)两端的第一电压(U1)、所述至少第二精密电阻器(R2)两端的第二电压(U2)、所述至少第三精密电阻器(R3)两端的第三电压(U3)或所述电阻温度计(R_Pt1000)两端的电压(U)，以使得所述电压计(V)测量所述第一电压(U1)、所述第二电压(U2)、所述第三电压(U3)或所述电阻温度计两端的电压(U)。

9.根据权利要求4到8之一所述的电路(2)，

其中所述电路(2)进一步包括至少一个模数转换器和/或放大器。

10.一种过程自动化技术的传感器(1)，特别是电导率传感器，包括：

根据权利要求4到9至少之一所述的电路(2)。