CN1130435A

CN1130435A - 多变量发送器

Info

Publication number: CN1130435A
Application number: CN94193282A
Authority: CN
Inventors: 戴维德·A·布若登; 凯利·M·奥斯; 戴尔·W·勃格森; 简·B·兰克多; 卡文·D·沃格拉
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1994-08-12
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2014-08-12
Also published as: WO1995007522A1; US5495769A; AU7562394A; CN1040160C; EP0717869B1; DE69423105T2; DE69423105D1; SG44494A1; BR9407400A; EP0717869A1; CA2169721A1

Abstract

在本发明中，一个提供代表质量流的输出的多变量发送器(2)具有一种双微处理器结构。第一微处理器(72)补偿数字化的过程变量，第二微处理器(80)计算质量流，以及仲裁发送器(2)与主板(88)之间的通信。

Description

多变量发送器

背景技术

本发明涉及一种现场安装的测量发送器，用来测量一种代表一个过程的过程变量，更详细地说，涉及那些具有一个微处理器的发送器。

已知一些测量发送器可感测两个过程变量，例如在一个位于其中流过流体的管子中的孔板(orifice)两侧的差压，和该管子中相对压力。在关心其动力消耗的过程控制工业装置领域通常安装这种发送器。一些其他的测量发送器感测流体的过程分段(grade)温度。每个发送器都需要插入管子中，这费用大且可能不安全，另外每个发送器在12V下消耗最大达20mA的电流。事实上，每次插入管子中的费用在2000到7000美元之间，它随管子类型和管内流动的流体而异。因此，希望向测量发送器提供附加的过程测量，以减少插入管子的次数，并降低电力消耗量。

气流计算机有时包括测量发送器通用的压力感测装置。现有的气流计算机装在过程控制工业厂房中，用于精密的过程控制，在监视转移应用中监测所转移碳氢化合物的数量，并且有时在井口处监测井的天然气或碳氢化合物的产量。上述流体计算机可提供一个代表流量的输出，该输出是三个过程变量和一个包含超压缩性系数在内的常量的函数。这三个过程变量是：跨过一个有流体的管子中孔板两端的差压，管子中流体的线路压力，和流体的过程分段温度。许多流体计算机从分离开的发送器接收所需的三个过程变量，因此只包含计算能力。一种现有的流体计算机具有两个外壳：一个包含差压感测器和线路压力感测器的第一外壳和一个接收一个代表流体温度的RTD(电阻式温度检测器)输入的类似发送器的第二外壳。温度测量在第二外壳内经信号调节后发送到计算气体流量的第一外壳。

计算质量流所需的超压缩性系数是决定所做计算的方式与精确度的几个标准的主题。在1963年，American Gas Association(AGA)公布了一个标准，详述于PAR研究项目NX一19：“确定天然气超压缩性系数的手册”中。在1985年，AGA采用了另一个计算该常数的准则，即AGA8 1985；在1992年，它公布了AGA8 1992，用作相同目的的一个二部分准则。与一种近似方法相比，根据这些准则对质量流进行直接计算需要许多导致较慢更新次数的指令周期和大量的电力消耗。在许多情况下，计算气流的速率也不含需要地减慢了过程环路。而且需要笨重的电池备用装置或太阳能供电装置来给这些气流计算机供电。其中一种比较先进的气流计算机消耗大于3.5瓦的电力。

因此，需要一种精确的现场安装的多变量测量发送器，它可采用一种减少接线复杂性的方式连接，可在要求高的环境中工作，并具有附加的过程分段感测能力和快速的流量计算，但却消耗减小的电力。

发明内容

在本发明中，一种双线过程控制发送器具有一个传感器模块外壳，该壳至少具有一个感测一个代表过程的过程变量的传感器。该传感器模块还包含一个使所感测的过程变量数字化的模数转换器。一个在传感器模块中的第一微处理器利用发送器外壳中温度传感器的输出来补偿已数字化的过程变量。传感器模块连接于一个电子设备外壳，该外壳包含一套电子设备，这些电子设备连接于双线电路且包括一个第二微处理器(该微处理器可计算作为补偿过程变量函数的物理参数)，该外壳还具有输出电路系统，用于形成物理参数且把该参数耦合到双线路。在本发明的一个优选实施例中，物理参数是质量流，传感器模块外壳包含一个差压传感器，一个用来感测线路压力的绝对压力传感器，和一个电路，该电路用来从在差压测量装置下游进行的过程分段温度测量中接收一个未经补偿的输出。在本发明的这个双微处理器实施例中，第一微处理器补偿所感测的过程变量，第二微处理器提供通信和对物理参数的设备特定(installa-tion specific)计算。在另一个实施例中，在电子设备外壳内的一个第三微处理器提供用于高级通信协议的通信仲载。

附图概述

图1是与一个管子相连的本发明装置图，用于感测管中压力和温度；以及

图2是本发明电子设备的方块图。

本发明的最佳实施方式

图1示出一个多变量发送器2，它通过一个法兰盘6机械地连接于管子4。天然气流Q流过管子4。一个温度传感器8，例如100欧姆RTD，感测在流量发送器2下游的过程分段温度。感测到的是模拟量的温度通过电缆10得以发送，并且通过发送器基体上的一个防爆轴套(boss)12进入发送器2。发送器2感测差压和绝对压力，并且接收一个模拟过程温度输入，它们全部处于同一外壳内。发送器基体包含一个电子设备外壳14，它延着螺纹向下拧紧到一个传感器模块外壳16上。发送器2通过一个标准的三阀或五阀歧管连接于管子4。当发送器2作为一个气流计算机而连接于一个远距离场地时，包含两对绞线电缆的布线导管20把来自发送器2的输出连接于电池箱22。电池箱22可以由一个太阳能阵列24充电。在作为一个数据记录气流计算机而操作时，发送器2在12V下消耗约8mA的电流，即96mW。当发送器2使用一个合适的开关电源来作为一个高性能多变量发送器而配置时，它仅工作在4—20mA的电流上，而不需要备用电池。开关调节器电路系统保证了发送器2消耗小于4mA的电流。

在图2中，一个基于金属元件电容的差压传感器50感测跨过管子4中的一个孔板两端的差压。另一方面，差压可以用一个文丘里管或一个环形压力测试仪(annubar)来感测。一个硅基的应变仪式压力传感器52感测管子4中流体的线路压力，而一个100欧姆RTD传感器8在差压测量装置下游的一个部位处对管子4中流体的过程分段温度进行感测。来自温度传感器8的未补偿的模拟输出通过电缆10连于发送器2。对来自传感器模块外壳16中的传感器8的输出进行补偿可使过程变量之间的补偿误差减至最小，且减小电力消耗，这是因为几套分开的补偿电子设备要比单独一套设备消耗更多的电力。最好用一个基于电容的传感器来感测差压，因为这类传感器同应变仪式传感器相比，对压力的灵敏度较高(从而精确度较高)。此外，基于电容的压力传感器所需的电流一般小于在感测同一压力时所用的应变仪式传感器的电流。例如，一个金属元件差压传感器一般消耗500微安电流，而一个压敏电阻差压传感器则一般消耗1000微安电流。然而，在绝对压力测量中最好采用应变仪式传感器，因为在应变仪式传感器中更容易构造线路压力测量所需的绝对压力基准。在全部这类应用中，应变仪式传感器是指一种具有这样一个输出的压力传感器：其输出随电阻的变化而变化。具有能代表所感测过程变量且基于频率的这样一种输出的传感器也可以用来代替所公开的传感器。一个位于传感器模拟板68上的低成本硅基PRT 56可以感测压力感测器50，52附近的温度，而且来自传感器56的数字化输出可以补偿差压与线路压力。模拟信号调节电路系统57过滤来自传感器8、50和52的输出而且过滤A/D电路58—64的供应线路。4个低功率的模拟一数字(A/D)电路58—64适宜地数字化未补偿的感测过程变量并且以适当的时间间隔向一个共用的串行外围设备接口总线(SPI)66提供4个独立的16位宽输出。A/D电路58—64是电压或电容数字转换器，适用于要被数字化的输入信号，并且按照美国专利4 878 012，5 083 091，5 119 033和5 155 455构造，这些专利是转让给与本发明相同的受让人的。电路系统57、PRT 56和A/D电路58—64实际上都装在位于传感器外壳16内的模拟传感器板68上。

或者按照一个质量流计算机或者按照一个多变量发送器配置的本发明的模块化技术同先有技术的流量计算机相比，具有较低的成本、较低的电力消耗、制作的方便性、可适应各种通信协议的电路板互换性、较小的尺寸和较低的重量。在本发明中，全部原始的未经补偿的过程变量信号都是在传感器模块外壳16处接收的，其中还包含一个用于补偿这些过程变量的专用微处理器72。一个单总线76在传感器外壳与电子设备外壳之间对未补偿的过程变量进行通信，使两个外壳之间的信号数减至最少并因此减少电容与电力消耗。在电子设备外壳内的一个第二微处理器计算设备专用的参数并仲载与一个主板(master)的通信。例如，当发送器2是作为一个气流发送器而配置时，一个设备专用物理参数就是质量流。另一方面，当发送器2是作为一个分析发送器而配置时，它包括一些用于浊度与液位测量的适当传感器与软件。最后，可以输入来自涡流计或叶轮计的脉冲输出来取代RTD输入，并用来计算质量流。在本发明的多变量发送器的各种实施例中，各种传感器(差压、仪式压力、绝对压力、过程分段温度和分析过程变量，例如气体感测、pH值和流体的元素含量)都是在传感器模块外壳16中安置和补偿的。一个串联的总线，例如一个SPI或一个I2C总线，通过一个电缆向电子设备外壳14中的电子设备共用装置传送这些补偿了的过程变量。置于电子设备外壳14中的第二微处理器，可提供特定应用计算，而电子设备的结构并不变；只改变两个微处理器内的软件以适应该特定应用。

在制作发送器2之前，压力传感器50、52是通过温度和压力而单独进行特征化的，并且适当的相关常数存储于一个电可擦可编程只读存储器(EEPROM)70中。微处理器72检索存于EEPROM 70中的这些特征化常数，并且使用已知的多项式曲线拟合技术来补偿数字化的差压、相对压力和过程分段温度。微处理器72是一个为了节省电力而在3.5伏工作的摩托罗拉68 HC05C8处理器。来自处理器72的已补偿过的过程变量输出连接到一个通向输出电子设备板78的总线76，该板位于电子设备外壳14内。总线76包括电源信号、2个信号交换信号和发出SPI信号所需的三个信号。当发送器2编入流量计算机软件时，差压和线路压力二者都由来自温度传感器54的数字化输出来补偿，但差压是由线路压力针对零移位而补偿的。对于高性能多变量的配置，线路压力由差压测量装置来补偿。然而，当发送器是作为一个高性能多变量发送器而配置时，差压和线路压力是由来自温度传感器54的数字化输出来补偿的，并且差压由线路压力测量来补偿。一个在传感器数字板67上的时钟电路74，通过一个包含SPI的12位总线66来向微处理器72和A/D电路58—64提供时钟信号。在一个象现场安装发送器之类的小型低功率应用中，最好使用象SPI总线之类的串行总线，因为与同样信息的并行传输相比，串联传输所需的功率较小，信号接口连接也少。

一个在输出电路板78上的摩托罗拉68HC11F1微处理器80对发送器2通过一个双线电路82接收的通信请求进行仲裁。当按照一种流量计算机配置时，发送器2连续地更新所计算的质量流。全部质量流数据都记录在存储器81中，它含有多至35天的数据。当存储器81存满时，用户把气流计算机连接于分析数据用的另一个存储媒体。当按照一个多变量发送器进行配置时，发送器2提供所感测的过程变量，包括适当的差压、仪式压力绝对压力、和过程分段温度。

发送器2的双微处理器结构要比具有相同计算功能的单微处理器装置提高一倍工作能力，并且减少混淆(aliasing)现象的可能性。在发送器2中，传感器微处理器提供所补偿的过程变量，而电子设备微处理器则从先前56ms更新周期中使用补偿了的过程变量来同时地计算质量流。此外，一个单微处理器装置，用本发明一半的频率去取样过程变量，从而促成了不希望的信号混淆。

微处理器80也计算用于质量流的计算强度方程，在AGA3part3，eq 3.3(这是哪一个方程；这需要在背景技术部分中适当地加以引述)中给出如下：

q_{m} = 590.006 C_{d} E_{v} y_{1} d^{2} \frac{\sqrt{Z_{s} g_{r} p_{l} h_{2}}}{Z_{f 1} T_{f}}

式中C_d是流量系数，E_V是行进流速因子，Y₁是按下游计算的气体膨胀系数，d是孔板孔径，Z_s是标准状态下气体的可压缩性系数，G_r是实际气体的相对密度，P₁是管中气体线路压力，hw是孔板两端的差压，Z_f1是流动状态下的可压缩性系数，以及T_f是过程分段温度。在共同未决的专利申请中讨论质量流的计算。非易失闪光存储器具有128K字节的容量，可存储多至35天的有用的质量流信息。时钟电路96提供具有约32KHz频率的实时时钟信号，以便记录相应于被记录的质量流值的绝对时间。任选的电池组98提供用于实时时钟96的备用电力。当发送器2作为一个多变量发送器而配置时，就不再需要大功率存储器81，并且免除了开关调节器电源。

当流量发送器2根据实时通信协义，例如ISP或FIP进行通信时，一个电子设备外壳内的第三微处理器为高级通信协议提供通信仲裁。这种三重微处理器结构允许一个在传感器模块外壳内的微处理器用于补偿那些数字化的过程变量，一个在电子设备外壳内的第二微处理器用于计算物理参数，例如质量流，以及一个第三微处理器用于仲裁实时通信。虽然三重微处理器结构比双重微处理器结构消耗更多的电流，但实时通信协议却此现有的4—20mA兼容协议有更大的电力消耗开支。

发送器2具有一个正输出端84和一个负输出端86；并且在作为一个流量计算机而配置时，它或者在多至35天的质量流数据记录期间由电池组供电，或者通过远距离电话线路、无线RFI通信线路或直接接线而连接于一个数据收集系统。当发送器2作为一个高性能多变量发送器而配置时，端子84、86被连接于控制器88(由一个电阻器和一个电源来模拟)的两个端子。在这种模式中，发送器2根据一个HART通信协议进行通信，其中控制器88为主(master)，发送器2为辅。可以使用在过程控制工业中通用的其他通信协议，但要适当地修改微处理代码和编码电路系统。模拟环路电流控制电路100从一个电源接收一个模拟信号并且提供一个代表差压的4—20mA的电流输出。HART接收电路102通过双线电路82抽取从控制器88接收的数字信号，并且向电路104提供数据信号，该电路104根据HART协议解调上述信号，并且还把用于传输的数字信号调制到双线电路88中。电路104是一个与贝尔202兼容的调制解调器，其中数字1以1200Hz被编码，而数字0以2200Hz被编码。通过上面描述的电路系统用微处理器80来接收过程变量更新的请求和有关发送器2完整性的状态信息，该微处理器80从SPI总线选择所请求的过程变量并且根据HART协议使变量格式化，以便通过电路82进行最终传输。

二极管90、92在发送器内为电路系统提供了反向保护和隔离。一个开关调节器电源电路94，或一个快速充电电容电源设计，可向在输出板78、传感器数字板67和传感器模拟板68上的电路系统提供3.5V和其他基准电压。

虽然本发明已参照优选实施例作了描述，但本技术领域的熟练专业人员会认识到，可以在形式上和细节上做出改变，而不脱离本发明的精神与范围。

权利要求书

按照条约第19条的修改

1.一种双线发送器，发送一个与某一过程有关的物理参数，包括：

一个模块外壳，包含至少一个用于感测一个代表过程的过程变量的传感器，一个用于使所感测的过程变量数字化的数字化仪，一个用于补偿已数字化的过程变量的微处理器；

一个发送器内的温度传感器，用于补偿所感测的过程变量；以及

一个连接于该模块外壳和一个双线电路的电子设备外壳，该电子设备外壳包含用于提供作为所感测过程变量函数的物理参数的微型计算机装置，用于使物理参数格式化和使该参数耦合于双线的输出装置，和用于通过双线电路接收电力以便向发送器供电的装置。

2.根据权利要求1所述的发送器，其中物理参数是质量流，并且其中一个模块外壳中的传感器感测一个代表过程的差压，一个第二传感器感测一个代表过程的线路压力，以及一个第三传感器感测一个代表过程的过程分段温度。

3.根据权利要求2所述的发送器，其中差压传感器是基于电容的压力传感器，线路压力感测器是应变仪式传感器。

4.根据权利要求2所述的发送器，其中差压传感器与线路压力传感器是通过电容的变化来感测压力的。

5.一种双线发送器，用于感测代表一个过程的过程变量，包括：

一个模块外壳，包含一个用于提供一个代表差压的第一过程变量的第一压力传感器，一个用于提供一个代表相对压力的过程变量的第二压力传感器，以及用于接收一个代表某一过程分段温度的第三过程变量的装置，该模块外壳还包含一个用于使过程变量数字化的数字化仪，和一个用于补偿已数字化的过程变量的微处理器。

一个发送器内的温度传感器，用于补偿至少一个感测的过程变量；以及

一个电子设备外壳，连接于该模块外壳和一个双线电路，发送器通过该电路接收电力；该电子设备外壳包含用于使数字化过程变量格式化并使这些变量耦合于双线电路的微型计算机装置。

6.根据权利要求5所述的发送器，其中用于补偿的温度传感器位于传感器模块中。

7.根据权利要求5所述的发送器，其中差压传感器感测作为电容变化函数的压力，以及线路压力传感器感测作为电阻变化函数的压力。

8.根据权利要求5所述的发送器，其中差压传感器和线路压力传感器感测作为电容变化函数的压力。

Claims

1.一种双线发送器，用于发送一个与一过程有关的物理参数，包括：

一个模块外壳，包含至少一个用于感测一个代表过程的过程变量的传感器，一个用于使所感测的过程变量数字化的数字化仪，一个用于补偿已数字化的过程变量的微处理器。

一个连接于该模块外壳和一个双线电路的电子设备外壳，该电子设备外壳包含用于提供作为所感测过程变量函数的物理参数的微型计算机装置和用于使物理参数格式化和使该参数耦合于双线的输出装置。

2.根据权利要求1所述的发送器，其中发送器通过双线电路接收电力。

3.根据权利要求1所述的发送器，其中物理参数是质量流并且其中一个模块外壳中的传感器感测一个代表过程的差压，一个第二传感器感测一个代表过程的线路压力，以及一个第三传感器感测一个代表过程的过程分段温度。

4.根据权利要求3所述的发送器，其中差压传感器是基于电容的压力传感器，线路压力感测器是应变仪式传感器。

5.根据权利要求3所述的发送器，其中差压传感器与线路压力传感器是通过电容的变化来感测压力的。

6.一种双线发送器，用于感测代表一个过程的过程变量，包括：

一个模块外壳，包含一个用于提供一个代表差压的第一过程变量的第一压力传感器，用于提供一个代表相对压力的过程变量的第二压力传感器，用于接收一个代表某一过程分段温度的第三过程变量的装置，该模块外壳还包含一个用于使过程变量数字化的数字化仪，和一个用于补偿已数字化的过程变量的微处理器；

一个电子设备外壳，连接于该模块外壳和一个双线电路，发送器通过该电路接收电力；该电子设备外壳包含用来使数字化过程变量格式化并使这些变量耦合于双线电路的微型计算机装置。

7.根据权利要求6所述的发送器，其中用于补偿的温度传感器位于传感器模块中。

8.根据权利要求6所述的发送器，其中差压传感器感测作为电容变化函数的压力，以及线路压力传感器感测作为电阻变化函数的压力。

9.根据权利要求6所述的发送器，其中差压传感器和线路压力传感器感测作为电容变化函数的压力。