CN106556739A - 具有接线盒水分传感器的过程变量变送器 - Google Patents

Abstract

用于工业过程中的过程变量变送器包括具有形成在其中的腔的壳体。壳体具有将腔分成第一腔和第二腔的屏障。第一腔中的测量电路被构造成用于测量工业过程的过程变量。接线盒组件定位在第二电路中。水分传感器具有基于水分在第二腔中的存在而改变的电特性。

Description

具有接线盒水分传感器的过程变量变送器

技术领域

本发明涉及工业过程控制或监控系统。特别地，本发明涉及被构造成用于感测该系统中的过程变量的过程变量变送器。

背景技术

过程变量变送器用于工业过程控制环境以监控过程变量。该变送器联接到过程流体并且提供涉及该过程的测量值。过程变量变送器可以被构造成用于监控与过程工厂中的流体相关联的一个或多个过程变量，所述过程工厂诸如为水泥、液体、水汽和气体化学制品、纸浆、石油、气体、制药、食物和其它的流体加工工厂。示例性的被监控过程变量包括压力、温度、流量、液位、酸碱性、电导率、混浊度、密度、浓度、化学成分或流体的其它性能。典型地，通常在该技术领域中，过程变量变送器定位在远程位置处并且向诸如控制室的集中位置发送信息。过程变量变送器在多个应用中感测过程变量，包括石油和天然气精炼厂、化工储油库或化学制品加工工厂。在许多示例中，这要求过程变量变送器定位在严酷的环境中。

一些类型的过程变量变送器包括分成两个分离的隔间的壳体。一个隔间包括电路并且另一个隔间包括用于联接到过程控制回路的接线盒。5,546,804号美国专利中示出了一个这种构造。在这种构造中，包括接线盒的隔间由于冷凝、泄露或其它的源可以聚集水分。该水分可以导致过程变量变送器所传输的数据的误差，并且甚至可以导致设备的最后失效。检测该水分的一个已知技术是通过监控过程控制回路的电气特性的改变。在命名为使用双线过程控制回路诊断的过程变量变送器并且专利权为Rosemount公司所有的、Wehrs等人的美国出版号为2011/0010120的专利中示出和描述了该技术。

发明内容

用于工业过程中的过程变量变送器包括具有形成在其中的腔的壳体。壳体具有将腔分成第一腔和第二腔的屏障。第一腔中的测量电路被构造成用于测量工业过程的过程变量。接线盒组件定位在第二电路中。水分传感器具有基于水分在第一腔和第二腔中的至少一个中的存在而改变的电特性。

本发明内容和摘要被提供以简化形式介绍对在下文的具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容和摘要不旨在识别被要求保护的主题的关键特征或本质特征，它们也不旨在被用作确定被要求保护的主题的范围的辅助手段。

附图说明

图1是包括被构造成用于感测工业过程的过程变量的过程变量变送器的工业过程控制系统的简化示意图。

图2是图1的过程变量变送器的简化电气方块图。

图3A是用于图1的过程变量变送器中的接线盒组件的一个示例性构造的正视平面图并且图3B是其侧视剖视图。

图4是用于感测图3A和3B的接线盒组件附近的水分的水分传感器电路的简化电气示意图。

图5A和5B图示地表示当暴露给不同量的水分时用于图4的水分传感器电路的输出的电压与时间的对应关系。

图6是图1的过程变量变送器的另一构造的透视剖视图。

图7是接线盒组件的另一示例性构造的后部透视图。

图8A是用于电连接至图7图示的接线盒组件的电连接器组件的分解图并且图8B是其装配视图。

具体实施方式

过程变量变送器被设置成具有壳体，所述壳体具有分成第一腔和第二腔的内腔。定位在第一腔中的测量电路被构造成用于测量过程变量，并且接线盒定位在第二腔中。接线盒用于联接到外部部件，诸如复式过程控制回路。水分传感器被设置在第二腔中并且被构造成用于感测水分在第二腔中的存在。该信息可以用于向操作员提供诸如警报的诊断输出，所述警报表示失效已经发生或具有即将发生的失效。诊断输出可以通过过程控制回路被传送或可以被一些其它输出技术提供。

图1是工业过程控制或监控系统10的简化示意图。系统10包括过程变量变送器12，所述过程变量变送器具有被布置成用于感测过程流体的过程变量的过程变量传感器26。在该示例中，过程流体被图示为包含在过程管道16中。过程变量可以是涉及过程流体的、诸如流量、温度、压力、酸碱性等特性的任一特性。过程变量变送器12联接到带有回路电流I的双线过程控制回路18。在示例装置中，过程变量变送器定位在工业过程的″技术领域″中的远程位置处，并且通过双线过程控制回路18联接到例如位于集中位置处的控制室20。在该示例中，控制室20被图示为感测电阻器22和电压源24。变送器12控制回路电流I使得回路电流表示被感测的过程变量。例如，回路电流可以从4mA变化至20mA。

根据一个实施例，图2是具有壳体102的过程变量变送器12的简化方块图，壳体102具有在其中形成的腔，所述腔通过屏障50被分成第一(电子设备)密封空腔104和第二(接线盒)未密封空腔106。接线盒108定位在腔106中。图2图示了接线盒108和双线过程控制回路18之间的连接。双线过程控制回路18可以根据工业标准，并且用于传输与被过程变量变送器12感测的过程变量相关的信息以及接收功率以驱动过程变量变送器12的电路。一个该通信标准是4-20mA通信标准，其中模拟电流强度用于表示过程变量。数字信号也可以被调制到模拟电流强度上，以根据协议传输额外信息。双线过程控制回路还可以用于向过程变量变送器12发送信息。还可以使用其它类型的过程控制回路，包括根据现场总线标准的过程控制回路。此外，过程控制回路18可以是信息被无线通信的无线过程控制回路。一个该无线通信协议是根据IEC62591的无线通信协议。接线盒108不受限于这些类型的连接并且可以包括其它类型的电连接件或部件。示例包括串行协议连接或用于以模拟和数字形式提供功率和通信的其它类型的连接。

如图2所示，第一外壳104包括通过测量电路62联接到过程变量传感器26的微处理器60。微处理器60根据存储在存储器64中的指令操作，所述存储器还可以用于存储诸如配置信息的其它信息。微处理器60基于由时钟66确定的时钟频率操作，并且使用接线端子132通过接线盒108使用I/O电路68在过程控制回路18上通信。I/O电路68可以可选地包括用于驱动过程变量变送器12的电路的功率输出。在一个该构造中，来自双线过程控制回路18的功率用于完全驱动设备。

图2还图示了被携带在第二外壳106中的水分传感器70。在图2图示的构造中，水分传感器被携带在接线盒108上。然而，还可以使用其它的构造。水分传感器70联接到水分传感器电路72，水分传感器电路72被构造成用于向微处理器60提供输出。在操作中，水分传感器70感测水分并且向水分传感器电路72提供电输出。水分传感器电路可以比较输出例如与阈值水平，并且向微处理器60响应地提供输出，提供表示水分存在的指示。类似地，微处理器60也可以执行该确定步骤。水分传感器70可以根据任一适当的技术和下文讨论多个技术。

通常地，水分以相对较慢的速度在接线盒组件108附近蓄积，使得水分的液位经过一段时间上升直到水分最终接触电气部件和接线盒108的端子。这在端子132和/或壳体102之间导致低阻通路(通常地小于10k欧姆)。另一方面，干燥的接线盒108将通常地具有超过100M欧姆的泄露电阻。在一个构造中，水分传感器70被定位成使得，在第二隔间106中的若干水分在其接触接线盒组件108的端子132之前，将到达水分传感器70。这允许变送器12提供表示即将发生失效的警报输出。第二水分传感器可以用于提供额外的水或其它的水分已经蓄积的表示。这可以用于提供失效即将发生的输出。这允许在回路18损坏之前警报以警示信号的形式被传送，在该损坏点处回路18不能可靠地传输警示信号。传感器可以在周期性基础上自动地核实或连续地核实水分。水分传感器70可以根据需要被构造。例如，单端式构造可以被使用，其中通过水分阻抗的任一漏电流的返回路径被设置成通过设备的机壳(壳体)。双端式构造也可以被使用，其中两个连接形成至传感器70以用于提供分离的返回路径。

根据一个实施例，图3A是接线盒组件108的正视平面图并且图3B是其侧视剖视图。如图3A所示，水分传感器70被定位成围绕在接线盒组件108的外边缘附近。在图3A的构造中，接线盒组件是圆盘形状并且被构造成用于装配在圆柱形壳体102中。传感器70的位置应该被选择成适于基于水分在待监控的需要位置处的存在而获得警报。在图3A和3B的示例中，传感器70被定位成围绕在组件108的外边缘附近并且被构造成用于围绕端子132。根据装置构造，变送器12可以转动90°。如图3A所示，四个不同的传感器70被定位成以90°围绕在组件108的外圆周附近。在图3B的示例性构造中，传感器70包括较长的警报传感器70A和较短的警示传感器70B。传感器70A被构造成用于接触少量的蓄积水分，并且从而提供水分正在第二腔106中蓄积的较早的警报。传感器70A被定位成使得传感器仅在水分接触端子132之前感测水分。传感器70A和70B可以包括细长电极等。虽然传感器70A、70B被示出为间隔开的单独部件，但是在一个构造中，电极被构造成用于跨越接线盒108的外圆周。例如，电极可以完成围绕接线盒组件108的外圆周的一圈。

水分传感器电极70A和70B联接到图2示出的水分传感器电路72。水分传感器电路可以根据任一适当的技术而操作，以检测由于水分存在而导致的阻抗改变。

可以优选地通过多个假设以进行阻抗测量。可以假设机壳接地线可以位于+/-600VDC或位于+/-600VDC电势处。此外，50Hz或60Hz噪声可以存在于电路和机壳接地线之间。可以根据需要执行任一适当的测量技术。图4示出水分传感器电路72的一个示例性构造。水分传感器电路72与单个的水分传感器一起操作，并且第二电路应该用于诸如70A、70B的两个传感器。在图4的电路中，场效应晶体管M1、M2和M3可以被构造成用于在图2示出的微处理器60的控制下操作。首先，晶体管M1和M2关闭并且晶体管M3开启。这导致存储电容器C4的电短路，从而使任何电荷消失。然后，晶体管M3和M2关闭并且晶体管M1打开。这导致晶体管C2通过由于通过返回路径102和电容器C1与水分传感器70的电极接触的任何水分而导致的阻抗而充电。如果水分存在，则较多电荷蓄积在C2上，然而干燥的系统仅将蓄积较小的电荷。晶体管M3和M1然后关闭并且晶体管M2打开。这导致电荷从电容器C2通过电阻R7转移至C4。晶体管M3和M2然后关闭并且晶体管M1恢复打开，从而再次对电容器C2充电。当M1开启时，比较器输入为高电平，并且比较器输出驱动低电平。当M2开启时，比较器输入为被拉动至阈值Vt下方，直到C4蓄积足够的电荷。比较器输出将继续切换高电平和低电平直到比较器输入保持高于Vt。由于重复M1、M2顺序，因而电荷蓄积在C4上。该过程重复，并且施加到比较器U1的电压随着每个循环而增加。当该电压大于参考电压V_T时，来自比较器U1的输出保持低电平。当M1开启时，比较器信号被驱动为高电平。这导致至_计数器(To_Counter)信号成为低电平。当M1关闭并且M1开启时，比较器信号将首先被驱动至接近地电势。这导致至_计数器信号切换为高电平。随着(由于重复M1、M2顺序)C4继续充电，比较器上的电压将在电压阈值(约1.25伏特)处转变从而切换至_计数器信号。通过计算至_计数器输出的切换，充电循环的数量将表示存在的水分量。大量切换将表示较低的漏电或干燥状态，并且较少量的切换(循环)表示较高的漏电或湿润状态。阈值计算可以通过实验以被调节，以在选择的湿润电路状态和干燥电路状态之间进行描绘。可以根据需要重复这些步骤以检测水分。例如，每分钟一次，并且可以通过微处理器60连同其它背景任务一起被执行。

图5A是当10M欧姆的阻抗联接到电路72时来自比较器U1的示例性输出。直到约125毫秒电路才断开，表示“干燥”状态。在5B的曲线图中，电路在小于20毫秒时断开。这表示“湿润”状态。可以基于测试或通过一些其它方法确定特别计时阈值。

电容器C1和C2提供充电路径以及隔离内部测量电路与可能存在于设备的机壳上的直流电压。该隔离消除了可能的电路损坏或测量误差。电阻器R7可以用于测量由于静电发电(ESD)或其它的瞬态源而导致的电路损坏。示出了通过机壳接地线的返回路径102或通过电容器C1的其它返回电子设备。对于金属壳体，水分将在设备的机壳和传感器之间造成短路，并且导电路径将包括设备壳体。然而，对于绝缘构造，例如塑料壳体，第二电极可以被包括以为充电循环提供电容性联接路径。

一旦水分警报或警示状态被检测到，则微处理器70可以例如通过在过程控制回路18上设置警报电流强度或通过使用诸如HART通信的数字协议来提供状态信息，以提供警报输出。

图6是包括接线盒组件108的另一示例性构造的过程变量变送器12的局部剖视图。接线盒组件108包括在其上带有连接器132的接线盒护罩130。护罩130安装进入形成在屏障50中的凹部中。屏障50还带有电连接器组件150。水分传感器70定位在接线盒组件108的壳体130上的需要位置处，并且电连接到电连接器组件150的电导体。如所示，电连接器组件150延伸通过屏障50并且在第一腔104和第二腔106之间提供电连接。此外，在该示例性构造中，接线盒组件108包括内腔152，内腔152被布置成用于在变送器12的壳体102中提供第三腔。图7是接线盒组件108的后部透视图。护罩130中的电路板138带有用于电连接至电连接器组件150的凹式电连接器164。图8A是电连接器组件150的分解透视图并且图8B是其透视图。连接器组件150形成为具有被携带在其中的导电销162的两个半部分160A、160B。导体销162被支架164保持到位。凸出制动件165被布置成用于将电连接器组件150在屏障50中固定到位。

依据实施例，用于本文中讨论的湿润接线盒检测的水分感测系统通过测量在两个点之间的阻抗而操作。传感器70可以由通过空间被分离的两个电路板线路制成。随着水分液位改变，阻抗将改变。在典型的应用中，警报点应该被很好地限定和设置，使得传感器中的(冷凝)水导致警报。正常的较高水分应该优选地不导致警报发生。在一个构造中，传感器70提供通过屏障50电连接到水分传感器电路72的单个连接点。用于电信号的返回路径可以被设置成通过构造中的壳体102，其中变送器壳体102由金属或其它导体形成。可以用电连接器组件150的任意数量的导体销162设置多个传感器。

虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。如本文中所用，术语“水分”包括实质上导电并且能够使电气部件电短路的任何液体或气体。虽然双线过程控制回路18被具体地图示在本文中，但是构造非常适合于包括无线技术的其它通信技术。在该构造中，I/O电路68被构造成用于无线通信。水分传感器可以被携带在接线盒组件上，安装在壳体102的内壁上，或定位在第二腔106中的一些其它位置处以及定位在第一腔104中，或设备中的其他位置处。例如，如果盖子未足够拧紧在第一腔104上，则水分可能进入第一腔中。本文中阐述的电路可以用于检测该水分。虽然无源传感器构造被图示为用于传感器70，但是传感器70还可以使用有源部件。另外地，水分传感器电路72可以被携带在第二腔106中，例如在接线盒组件108上。可以在单个的电触头和诸如由壳体102提供的接地电线之间进行阻抗测量，或可以在两个单独的电触头之间进行阻抗测量。水分传感器可以被定位或以其它方式被校准以感测水分的不同液位，并且从而提供较早的警报或最终警报。此外，虽然仅两个固定液位的警报被具体地讨论，但是连续的输出以及任意数量的不连续的输出也可以被提供，所述不连续的输出表示存在与腔106中的水分的量相关的水分的量。在一个构造中，水分传感器被定位在接线盒上所携带的螺钉附近，所述螺钉用于将接线盒连接到导体。在一个方面，水分检测电路被提供，所述水分检测电路不由于来自外部源的干扰而扰乱其它的变送器电子设备。该干扰可能由于直流偏移电压或低频噪声，诸如50Hz或60Hz噪声。隔离被提供以防止该干扰。在一个特定的构造中，电容器用于提供该隔离。

Claims (26)

1.一种用于工业过程中的过程变量变送器，所述过程变量变送器包括：

壳体，该壳体具有在其中形成的腔，所述壳体包括将腔分成第一腔和第二腔的屏障；

测量电路，所述测量电路位于第一腔中并且被配置成用于测量工业过程的过程变量；和

接线盒组件，所述接线盒组件位于第二腔中；

水分传感器，所述水分传感器被构造成用于感测水分在第一腔和第二腔中的至少一个中的存在，并且具有基于在第一腔和第二腔中的所述至少一个中的水分而变化的电特性。

2.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：

水分传感器定位在第一腔中。

3.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：

水分传感器定位在第二腔中。

4.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：

水分传感器安装在第二腔中的接线盒上。

5.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：

水分传感器被构造成用于测量导体和返回路径之间的阻抗。

6.根据权利要求5所述的过程变量变送器，其中：

返回路径包括壳体。

7.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：

水分传感器包括第一电导体和第二电导体，第一电导体和第二电导体具有在其之间形成的阻抗，所述阻抗基于水分的存在而改变。

8.根据权利要求1所述的过程变量变送器，所述过程变量变送器包括被构造成用于监控水分传感器的电特性的电子电路。

9.根据权利要求8所述的过程变量变送器，其中：

所述电特性包括阻抗。

10.根据权利要求8所述的过程变量变送器，其中：

所述电子电路提供切换输出。

11.根据权利要求10所述的过程变量变送器，其中：

切换的数量与存在于第一腔和第二腔中的所述至少一个中的水分的量相关。

12.根据权利要求10所述的过程变量变送器，所述过程变量变送器包括被配置成用于基于所述切换输出而检测水分的微处理器。

13.根据权利要求1所述的过程变量变送器，所述过程变量变送器包括被配置成用于将水分传感器的电特性与阈值进行比较的电路。

14.根据权利要求1所述的过程变量变送器，所述过程变量变送器包括多个水分传感器。

15.根据权利要求14所述的过程变量变送器，其中：

所述多个水分传感器以相对于彼此偏移的角度被定位。

16.根据权利要求15所述的过程变量变送器，其中：

偏移的角度包括90°。

17.根据权利要求1所述的过程变量变送器，所述过程变量变送器包括延伸通过壳体的屏障至水分传感器的电导体。

18.根据权利要求1所述的过程变量变送器，所述过程变量变送器包括被构造成用于提供警报输出的输出电路。

19.根据权利要求18所述的过程变量变送器，其中：

警报输出被提供在双线过程控制回路上。

20.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：

接线盒被构造成用于连接到双线过程控制回路。

21.根据权利要求18所述的过程变量变送器，其中：

警报输出表示由于检测到的水分而导致的即将发生的失效。

22.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：

水分传感器被构造成用于在第一位置处感测水分的存在，并且所述过程变量变送器进一步地包括被构造成用于在第二位置处感测水分的存在的第二水分传感器。

23.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：

水分传感器包括携带在电路板上的电气线路。

24.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中：

水分传感器被定位在接线盒组件上的螺钉附近。

25.根据权利要求1所述的过程变量变送器，所述过程变量变送器包括隔离电路以将测量电路与通过水分传感器接收的干扰隔离。

26.根据权利要求25所述的过程变量变送器，其中：

隔离电路包括电容器。