CN108458792A - 具有冷接合点补偿的热电偶温度传感器 - Google Patents

Abstract

一种热电偶温度传感器具有：具有在接合点处连接的第一和第二导体的热电偶，以及具有第一导体和第二导体的电阻温度器件。电阻温度器件的第一导体与所述热电偶的第一导体连接。第一外部导体与热电偶的第二导体连接，其中第一外部导体被配置为电阻温度器件的电压感测导体和热电偶的电压感测导体。第二外部导体与热电偶的第一导体和电阻温度器件的第一导体连接，其中第二外部导体被配置为电阻温度器件的电流导体和热电偶的电压感测导体。第三外部导体与电阻温度器件的第二导体连接，并被配置为电阻温度器件的电流导体。

Description

具有冷接合点补偿的热电偶温度传感器

背景技术

过程工业采用过程变量变送器来监测与化学制品、纸浆、汽油、药物、食物和其他加工厂中的例如固体、浆料、液体、蒸汽和气体的物质相关联的过程变量。过程温度变送器提供与感测到的过程温度相关的输出。温度变送器输出可以通过过程控制环路传送至控制室，或者可以将该输出传送至另一过程设备，使得可以监测并控制该过程。

在一些应用中，温度变送器直接安装至包含温度传感器的温度传感器组件。在其他应用中，温度变送器远离温度传感器组件安装，以保护变送器的电子设备免受温度传感器周围环境的影响。

一种类型的温度传感器是热电偶，该热电偶包括由不同材料形成、并在被称为“热”接合点的接合点处连接的两个导体。由于塞贝克效应，当自由端和热接合点之间存在温度梯度时，导体的自由端的两端产生电压。

热电偶导体的自由端之间的电压的量是自由端和热接合点之间温度差的函数。因此，如果已知自由端处的温度，则自由端之间的电压可用于确定热接合点处的温度。自由端处的温度被称为参考温度。

在现有技术中，热电偶导体的自由端延伸到测量自由端之间的电压的温度变送器中。变送器内的温度传感器提供自由端的参考温度。温度变送器使用该参考温度和测量电压来计算热接合点处的温度。这种结构(其中热电偶导体一直延伸到温度变送器的内部)被用于直接安装的变送器和远程安装的变送器二者。

第二种温度传感器是电阻温度器件(RTD)。RTD传感器利用导体的电阻基于导体的温度而变化的事实。通过测量RTD的电阻，可以查找与该电阻电平相关联的相应温度。为测量电阻，电流通过RTD，并测量RTD两端的电压。

存在RTD传感器的双线、三线和四线实施方式。在双线实施方式中，一根线与RTD的一端连接，而第二根线与RTD的另一端连接。由电流源将电流传送通过两条导线，或由电压源在两条导线两端施加电压，并对得到的电压/电流进行测量。然后得到的电流和电压的组合被用于确定RTD的电阻。然而，这种双线实施方式易于出错，原因在于通向RTD传感器的导线具有影响电压/电流源附近的测量电流/电压的固有电阻。

为从测量中去除该寄生电阻，三线实施方式使用桥式电路，其使用三条导线中的两条向RTD施加电流，并使用不具有通过其的电流的第三感测导线来感测RTD一端上的电压。桥式电路被设计为抵消两条载流导线中的寄生电阻。电压感测线不具有通过其的电流，并因此不产生任何寄生电阻。

在四线实施方式中，两条导线与RTD传感器的两个相应端连接，并向RTD传感器提供电流。两个附加的电压感测线也与RTD传感器的两个相应端连接。两个电压感测线不具有通过它们的电流，并因此由两个电压感测线测量的电压不包括寄生电阻。

发明内容

一种热电偶温度传感器具有：具有在接合点处连接的第一和第二导体的热电偶，以及具有第一导体和第二导体的电阻温度器件。电阻温度器件的第一导体与所述热电偶的第一导体连接。第一外部导体与热电偶的第二导体连接，其中第一外部导体被配置为电阻温度器件的电压感测导体和热电偶的电压感测导体。第二外部导体与热电偶的第一导体和电阻温度器件的第一导体连接，其中第二外部导体被配置为电阻温度器件的电流导体和热电偶的电压感测导体。第三外部导体与电阻温度器件的第二导体连接，并被配置为电阻温度器件的电流导体。

在其他实施例中，一种热电偶容器包括：具有电阻温度器件的外部护套和位于护套中的热电偶。热电偶的外部导体被配置为传导通过电阻温度器件的电流以及传送来自热电偶的电压。

在其他实施例中，提供了一种测量位于过程流体中热电偶的温度的方法。该方法包括：使用第一导体和第二导体传送电流通过电阻温度器件，并使用第二导体和第三导体测量热电偶两端的电压。基于电阻温度器件响应于电流产生的电压来确定参考温度，并使用参考温度和热电偶两端的电压来确定热电偶的温度。

该发明内容和说明书摘要提供了将在具体实施方式中详细说明的简化形式的本发明的理念的选择。发明内容和说明书摘要不意图标明所请求保护主题的关键特征或基本特征，也不意图用于确定所请求保护主题的范围。

附图说明

图1是根据一个实施例的使用四线配置的远程安装温度测量系统的平面图。

图2是使用三线配置的远程安装温度感测系统的平面图。

图3是温度传感器容器的备选实施例的截面图。

图4是根据一个实施例的测量温度的方法的流程图。

具体实施方式

使用具有远程安装的温度变送器的热电偶在需要贵重的金属热电偶延长线时可能是昂贵的。具体地，因为温度变送器包括内部温度传感器以感测热电偶导体的自由端的温度，那些自由端必须位于温度变送器内。因此，远程安装配置中的热电偶导体必须从温度变送器延伸至其上安装有温度传感器的过程管道。由于用于热电偶的金属比铜更昂贵，从温度传感器运行到远程安装的温度变送器所需的得到的延长电缆更昂贵，并需要专门的安装。此外，因为热电偶电缆只需要与热电偶温度传感器一起使用，如果RTD传感器被热电偶温度传感器替换，RTD传感器的现有铜缆也必须替换，所以与仅需替换温度传感器相比需要更多工作。

本实施例提供了一种热电偶温度传感器，其不需要用于远程安装温度变送器的专用延长电缆。本实施例的温度传感器包括护套或容器，其容纳具有被设计为放置在过程管道内的接合点的热电偶和被设计为处于过程管道外的RTD传感器二者。热电偶的自由端放置在过程管道之外，并且热电偶导体中的一个与RTD传感器连接。三个外部导体然后从温度传感器容器延伸出来，其中一个导体与热电偶导体之一的自由端连接，第二外部导体与另一热电偶导体和RTD传感器连接，并且第三导体与RTD传感器的另一端连接。在一些实施例中，第四外部导体连接到与热电偶相对的RTD传感器的端。使用这些外部导体，温度变送器可以确定RTD传感器的电阻，并因此可以远程确定温度传感器护套内热电偶的自由端的参考温度。温度变送器可以使用由热电偶提供的电压和该参考温度(使用外部导体从温度传感器测量的)，来确定过程管道内在热电偶的接合点处的温度。

图1提供了根据一个实施例的远程温度测量系统100的平面图，其中一些组件以横截面示出。系统100包括安装至过程管道104并通过四个外部导体108、110、112和114与温度变送器106远程连接的温度传感器容器102。外部导体108、110、112和114是长度大于1英尺的铜线，以允许相对于温度传感器容器102远程安装温度变送器106。温度传感器容器102包括具有第一部分或端115以及第二部分或端117的外侧护套116。第一部分115被设计为放置在过程管道104内的环境中，以便暴露于过程管道104中的温度。第二部分117被设计为放置在过程管道104外的环境中，以便暴露于过程管道104外的温度。第二部分117被描绘为具有比第一部分115大的半径，以使得在各种实施例中更容易观察连接。然而，在大多数实施例中，第二部分117和第一部分115将具有相同的半径，使得外侧护套116沿其长度具有恒定的半径。

外侧护套116容纳由在“热”接合点124处连接、并具有两个相应自由端126和128的第一金属导体120和第二金属导体122组成的热电偶118。热接合点124被设计为位于外侧护套116的第一部分115内，以便暴露于过程管道104内的热量。自由端126和128被设计为在外侧护套116的第二部分117中，以便暴露于过程管道104外的热量。护套116的第二部分117还包括RTD传感器130，使得RTD传感器130暴露于过程管道104外的热量。

在图1所示的实施例中，热电偶导体120的自由端126与外部导体108连接，而热电偶导体122的自由端128与RTD传感器130的一端并与外部导体110连接。RTD传感器130的另一端与外部导体112和114连接。

外部导体108和110与温度变送器106中的热电偶电压放大器140电耦合。热电偶电压放大器140对热电偶118的自由端126和128之间的电压进行放大，以向由温度变送器106中的数字处理器146执行的温度计算144的集合提供热电偶电压142。

RTD电流源148通过外部导体110和112向RTD传感器130施加电流。因此，外部导体110既充当热电偶电压感测导体又充当RTD的电流导体。外部导体112还充当RTD的电流导体。

外部导体108和114与RTD电压放大器150电耦合，RTD电压放大器150对两个导体之间的电压进行放大以向EMF补偿单元154提供RTD电压152。如下文进一步讨论的，EMF补偿154是由数字处理器146执行的指令，以针对当RTD传感器130中没有电流时、存在于外部导体108和114之间的基线EMF的RTD电压152进行补偿。然后将EMF补偿的RTD电压156提供给温度计算144。

因此，外部导体108和114充当RTD传感器130的电压感测导体，并将相应电压传送至RTD电压放大器150。外部导体108和110充当热电偶118的电压感测导体，并将相应电压从热电偶118的自由端126和128传送至热电偶电压放大器140。外部导体110和112充当RTD传感器130的电流导体，并传导电流通过RTD传感器130。因此，外部导体108和110各自执行两个功能。外部导体108充当热电偶118和RTD传感器130二者的电压感测导体。外部导体110充当热电偶118的电压感测导体，并充当RTD传感器130的电流导体。因此，外部导体110既用于传导电流通过R TD传感器130，并且也用于将来自热电偶118的电压传送至热电偶电压放大器140。通过将外部导体108和110用于多个目的，温度传感器容器102和温度变送器106之间所需的导体的总数减少。

EMF补偿的RTD电压156由温度计算144用于确定热电偶118的自由端128和126的参考温度。具体地，可以通过以下方式来确定温度：基于由RTD电流源148施加的电流和EMF补偿的RTD电压156来计算RTD传感器130的电阻，并且然后将测量的电阻应用于电阻对温度曲线，该电阻对温度曲线可以被存储为温度变送器106中的等式或一组表格条目。为确保根据RTD传感器130确定的参考温度准确反映自由端126和128的温度，RTD传感器130和自由端126和128应彼此热接近。

一旦已经确定了参考温度，温度计算144使用参考温度和热电偶电压142来计算热接合点124处的温度。具体地，将参考温度应用于特征函数，以产生特征函数在参考温度下的值，并将该值与电压相加，以产生特征函数在热接合点124的感测温度下的值。然后，该特征函数的值被用于从关联感测温度与热电偶118的特征函数的值的表中检索感测温度。然后将得到的感测温度提供给通信接口160，通信接口160使用有线或无线通信(例如双线过程控制环路)与控制室或其他过程设备进行通信。

由于外部电压感测导体114和108感测RTD传感器130和热电偶118二者两端的电压，提供给RTD电压放大器150的电压不仅包括RTD传感器130两端的电压，还包括由热电偶118产生的电压。如果没有从RTD电压152中去除热电偶电压，根据RTD电压152计算的参考温度将是错误的。由数字处理器146执行的EMF补偿154识别并去除RTD电压152中的热电偶电压。在一个实施例中，EMF补偿154通过关闭RTD电流源148来确定热电偶电压。当RTD电流源148关闭时，外部电压感测导体108和114之间的电压包括由于温度梯度导致的热电偶电压和电路中的其他杂散EMF。然后由EMF补偿154来存储该电压，并且当RTD电流源148被重新开启时，从RTD电压152中减去所存储的电压以产生EMF补偿的RTD电压。

在备选实施例中，EMF补偿单元154改变由RTD电流源148产生的电流的方向，以产生两个不同的RTD电压读数，一个读数涉及第一方向上的电流，而另一个读数涉及第二方向上的电流。减去这两个电压读数并除以2去除了由于温度梯度导致的热电偶电压和电路中的其他杂散EMF，并提供RTD 130两端的电压，然后EMF补偿154输出RTD 130两端的电压作为EMF补偿的RTD电压156。

图2提供了包括温度变送器206和温度传感器容器202的温度感测系统200的另一实施例的平面图。除温度传感器容器202中不存在外部电压感测导体114之外，温度传感器容器202与温度传感器容器102相同。

在温度变送器206中，热电偶电压放大器140继续与外部热电偶电压感测导体108和110电耦合，并基于导体108和110之间的电压提供放大的热电偶电压142。因此，在温度变送器206中热电偶电压的确定与在温度变送器106中相同。

温度变送器206还包括由三个电阻器210、212和214组成的桥式电路208。桥式功率控制器216控制在桥式电路208两端施加的功率。具体地，桥式功率控制器216在电阻器212和210之间的节点218处施加第一电压，并且在电阻器214和外部导体112之间的节点220处施加第二电压。与节点218相对的电阻212的另一端与外部导体110连接。结果，当在节点218和节点220之间施加正电压时，外部导体110承载通过RTD传感器130并在外部导体112上返回的电流。该电流产生RTD传感器130两端的电压。

通过测量电阻器210和214的接合点处的节点222与外部导体108之间的桥式电路208两端的电压，可以消除外部导体110和112的线电阻对所测量的RTD传感器130的电阻的影响。具体地，由于没有电流通过外部导体108，外部导体108所提供的电压不受外部导体108的电阻的影响，外部导体110和112的电阻由桥式电路208平衡掉。

因此，在图2所示的实施例中，通过将电压传送给热电偶电压放大器140和RTD桥式电压放大器224，外部导体108充当热电偶118和RTD传感器130二者的电压感测导体。外部导体110通过将来自热电偶118的自由端128的电压传送给热电偶电压放大器140来充当热电偶118的电压感测导体。外部导体110还通过传导通过RTD传感器130的电流来充当RTD传感器130的电流导体。最后，外部导体112通过还传导通过RTD传感器130的电流而充当RTD传感器130的电流导体。通过使外部导体108和110执行两个不同的功能，图2的实施例减少了必须与温度传感器容器202连接的导体的数量。

节点222和导体108之间的电压被施加至RTD桥式电压放大器224。RTD桥式电压放大器224产生提供给EMF补偿228的放大电压226。EMF补偿228在数字处理器146上执行，并改变放大电压226以去除热电偶118的热电偶电压和导体108上的其他杂散EMF。EMF补偿228然后向温度计算232提供经补偿的电压230。首先，由数字处理器146执行的温度计算232基于经补偿的电压230、桥式电路208的架构和由桥式功率控制器216提供给桥式电路208的功率来确定RTD传感器130的电阻值。然后，温度计算232基于RTD传感器130的电阻确定参考温度，其中参考温度表示热电偶118的自由端128和126的温度。如上所述，该参考温度可以通过使用RTD传感器130的电阻对温度曲线或通过检查RTD传感器130的温度值与电阻值的表来确定。

一旦已经确定了参考温度，温度计算232使用参考温度和热电偶电压142来确定热接合点124处的温度。具体地，如上所述，参考温度可以应用于特征函数，并且可以将得到的值加到热电偶电压中，以产生特征函数在热接合点124的温度下的值。然后可以将该值应用于表格，以识别热接合点124处的相应温度。然后将热接合点124的温度提供给通信接口160，通信接口160使用无线或有线通信(例如双线过程控制环路)将温度发送给控制室或向一个或多个其他过程设备。

在图1和图2的实施例中，外部导体采用从温度传感器容器102和202延伸大于1英尺的距离的铜线形式，以允许温度变送器106和206相对于温度传感器容器102和202远程安装。

图3提供了一种备选实施例，其中温度传感器容器300具有采用可连接铜连接线320、322、324和326的端子形式的四个外部导体308、310、312和314。铜连接线320、322、324和326延伸到远离温度传感器容器300安装的温度变送器330。除外部导体108、110、112和114已经分别被外部导体308、310、312和314替代之外，温度传感器容器300与图1的温度传感器容器102相同。因此，外部导体308与热电偶导体120的自由端126连接，外部导体310与热电偶导体122的自由端128和RTD传感器130连接，并且外部导体312和314与RTD传感器130的另一端连接。注意，在图3中，外部导体314和铜连接线326是可选的，并且可以被去除以实现如图2中所讨论的三线感测实施例。

图4提供了确定热电偶接合点处的温度的方法的流程图。在步骤400中，建立RTD电压读数中的基线EMF。这可以通过关闭RTD电流源148或者在桥式功率控制器216的输出处施加零电压，并然后使用外部RTD电压感测导体测量RTD传感器130两端的电压来实现。感测电压就是RTD电压读数中的基线EMF。备选地，可以通过以下方式来确定基线EMF：设置RTD电流源148以在第一方向施加电流并测量第一RTD电压、以及然后设置RTD电流源148来设置相反方向的电流并测量第二电压。两个电压可以加在一起并除以2来标识基线EMF。对于图2的实施例，可以通过以下方式来确定基线EMF：在桥式功率控制器216的输出处施加第一电压并测量第一RTD桥电压、以及然后在桥式功率控制器216的输出处施加负电压并测量第二RTD桥电压。这两个桥电压可以加在一起并除以2以达到基线EMF。

在步骤400中已经确定了基线EMF之后，在步骤402中使用第一导体和第二导体将电流施加到RTD传感器。然后在步骤404中使用第二导体和第三导体测量热电偶两端的电压，在步骤406单独使用第三导体或使用第三导体与第一导体或与第四导体来测量至少部分由RTD两端的电压所形成的电压。然后在步骤408中基于基线EMF对至少部分地基于RTD两端的电压的电压读数进行调整，并且在步骤410使用经调整的RTD电压来确定参考温度。然后在步骤412中使用参考温度和热电偶两端的电压来确定过程流体管道中的温度。

虽然已经参照优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员将会认识到的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现形式和细节上的修改。

Claims (21)

1.一种热电偶温度传感器，包括：

热电偶，具有在接合点处连接的第一和第二导体；

电阻温度器件，具有第一导体和第二导体，所述电阻温度器件的第一导体与所述热电偶的第一导体连接；

第一外部导体，与热电偶的第二导体连接，其中第一外部导体被配置为电阻温度器件的电压感测导体和热电偶的电压感测导体；

第二外部导体，与热电偶的第一导体和电阻温度器件的第一导体连接，其中第二外部导体被配置为电阻温度器件的电流导体和热电偶的电压感测导体；以及

第三外部导体，与电阻温度器件的第二导体连接，其中第三外部导体被配置为电阻温度器件的电流导体。

2.根据权利要求1所述的热电偶温度传感器，还包括：与电阻温度器件的第二导体连接的第四外部导体，其中第四外部导体被配置为电阻温度器件的电压感测导体。

3.根据权利要求1所述的热电偶温度传感器，其中第三外部导体被进一步配置为电阻温度器件的电压感测导体。

4.根据权利要求1所述的热电偶温度传感器，还包括外部护套，使得热电偶和电阻温度器件均在外部护套内。

5.根据权利要求4所述的热电偶温度传感器，其中，所述热电偶位于所述外部护套的一部分内，所述外部护套的一部分被配置为放置在第一温度的第一环境中，并且所述电阻温度器件位于所述外部护套的第二部分中，所述外部护套的第二部分被配置为放置在第二温度的第二环境中。

6.根据权利要求1所述的热电偶温度传感器，其中第一外部导体、第二外部导体和第三外部导体各自包括铜线。

7.根据权利要求6所述的热电偶温度传感器，其中，第一外部导体、第二外部导体和第三外部导体的铜线各自长于1英尺。

8.根据权利要求1所述的热电偶温度传感器，其中第一外部导体、第二外部导体和第三外部导体包括被配置为与导线耦合的端子。

9.一种热电偶容器，包括：

外部护套；

位于护套中的电阻温度器件；

位于护套中的热电偶；以及

外部导体，被配置为传导通过电阻温度器件的电流以及传送来自热电偶的电压。

10.根据权利要求9所述的热电偶容器，还包括被配置为传导通过电阻温度器件的电流的第二外部导体。

11.根据权利要求10所述的热电偶容器，还包括被配置为传送来自热电偶的第二电压的第三外部导体。

12.根据权利要求11所述的热电偶容器，还包括传送来自电阻温度器件的电压的第四外部导体。

13.根据权利要求9所述的热电偶容器，其中所述外部导体包括长于1英尺的铜线。

14.根据权利要求9所述的热电偶容器，其中所述外部导体包括端子。

15.根据权利要求9所述的热电偶容器，其中所述电阻温度器件位于所述外部护套的第一端中，并且所述热电偶的热接合点位于所述外部护套的第二端中。

16.一种测量位于过程流体中的热电偶的温度的方法：

使用第一导体和第二导体传送电流通过电阻温度器件；

使用第二导体和第三导体测量热电偶两端的电压；

基于由电阻温度器件响应于电流产生的电压来确定参考温度；

使用参考温度和热电偶两端的电压来确定热电偶的温度。

17.根据权利要求16的方法，还包括：使用第三导体来确定由电阻温度器件响应于所述电流产生的电压。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，确定由所述电阻温度器件响应于所述电流产生的电压还包括使用第一导体。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，确定由所述电阻温度器件响应于所述电流产生的电压还包括使用与所述电阻温度器件电耦合的第四导体。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述电阻温度器件和所述热电偶在单个护套中。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，包含热电偶的护套的一部分位于包含过程流体的管道中，并且包含电阻温度器件的护套的一部分位于管道外部。