具有電子校準的模擬過程變量變送器的製造方法
2023-06-26 17:28:41
具有電子校準的模擬過程變量變送器的製造方法
【專利摘要】一種用於測量過程變量的過程變量變送器，包括：過程變量傳感器，被配置為感測過程變量並提供傳感器輸出。測量電路接收傳感器輸出並提供與過程變量相關的測量輸出。輸出電路基於測量輸出在雙線過程控制環路上提供設備輸出。輸出電路具有傳遞函數，所述傳遞函數是可調整模擬電路組件的函數。機動致動器被配置為調整所述可調整模擬電路組件，從而改變輸出電路的傳遞函數。還提供可選的校準控制器。
【專利說明】具有電子校準的模擬過程變量變送器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在工業過程的控制和監視中使用的類型的模擬過程變量變送器。更具體地，本發明涉及這種模擬變送器的校準。
【背景技術】
[0002]雙線變送器在工業過程控制系統中廣泛使用。雙線變送器包括在電流環路中與電源和負載一起連接的一對端子。能夠通過流經電流環路中的環路電流來給雙線變送器供電，並且根據所感測的參數或條件來改變環路電流的幅度。通常，變送器包括被封閉在密封的殼體中的通電電路，使得由來自通電電路的故障或火花導致的任何可燃氣氛通過來自通電電路的故障或火花的點火被包含在殼體中。
[0003]雖然各種各樣的工作範圍是可能的，一個廣泛使用的雙線變送器輸出根據所感測的過程變量從4到20毫安(mA)變化。雙線變送器一般提供對變送器輸出的調整，以使所感測的參數的最小或零值對應於最小輸出(例如，4毫安的環路電流)，而將感測的最大參數值對應於最大輸出(例如，20毫安)。這被稱為零點和量程(span)調整。
[0004]最小和最大參數值將從一個工業過程裝置到另一個工業過程裝置變化。因此，期望提供一些用於在現場設定(校準)最大和最小輸出電平的裝置。在使用模擬電路實現的變送器中，這通常通過密封在殼體中的通電零點和量程電位計來進行。對於某些變送器，必須去除殼體蓋以操作電位計。這使變送器周圍的氣氛暴露給變送器中的帶電電路。然而，各種技術可用於調整電位計，同時相對於變送器中的帶電電路密封變送器周圍的可能的爆炸性氣氛。在一些變送器中，用於調整電位計的旋轉調整軸緊密配合穿過殼體中的孔，以提供長的火焰路徑用於在殼體中的點火到達殼體周圍的氣氛之前將其熄滅。在另一布置中，電位計被機械地耦合到比較大的磁棒，該磁棒然後由帶電電路的外殼外部的另一個磁棒磁性轉動。這種磁棒的布置可能具有機械遲滯的缺點，使得精確的量程和零點設定困難。致動開關也用於在變送器中設定量程和零點，這種開關需要穿過變送器的殼體的壁的開口，以提供到開關的機械耦合。
[0005]因此，經常難以調整密封在變送器殼體內的零點和量程電位計。潛在的洩漏路徑必須被密封，這在必須在浸沒核環境中操作的過程變量變送器可能是特別成問題的。這些配置還對過程變量變送器的設計、封裝和大小增加限制。
【發明內容】
[0006]一種用於測量過程變量的過程變量變送器，包括:過程變量傳感器，被配置為感測過程變量並提供傳感器輸出。測量電路接收傳感器輸出並提供與過程變量相關的測量輸出。輸出電路基於測量輸出在雙線過程控制環路上提供設備輸出。輸出電路具有傳遞函數，所述傳遞函數是可調整模擬電路組件的函數。機動致動器被配置為調整所述可調整模擬電路組件，從而改變輸出電路的傳遞函數。還提供可選的校準控制器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是示出了用於監視或控制工業過程的系統的示例的簡化圖。
[0008]圖2是根據一個示例性實施例包括用於執行量程和零點調整的電控致動器的工業過程變量變送器的簡化框圖。
[0009]圖3是示出了連接到配置控制器的圖2的電控量程和零點致動器的簡化電學示意圖。
[0010]圖4是過程變量變送器的另一個示例性實施例的透視圖。
【具體實施方式】
[0011]有許多實例，其中過程變量變送器必須使用模擬電路來實現。在模擬電路實現的過程變量變送器的缺點之一是，它們可能需要使用可調整模擬電路組件，例如量程和零點可變電阻器(「pot」或電位計)來手動校準。在一些現有技術的配置中，使用穿過變送器的電子設備殼體露出的螺釘來操作這些電位計。這在電子設備的大小、位置和穿過殼體的潛在的洩漏路徑方面增加了變送器配置的額外的設計限制。
[0012]在本發明的一個說明性示例中，使用不需要通過變送器殼體中的開口操作的可調整模擬電路組件來實現模擬過程變量變送器。在具體示例中，使用電控校準技術從變送器殼體內調整電位計。例如，可以使用內部電機來調整電位計。這種配置還允許遠程和/或使用校準軟體來執行對過程變量變送器的校準。此外，這種電子控制的校準降低了設計上的限制，並允許實現能夠將所有的電子設備完全封閉在焊接的、緊湊的外殼中的架構。這也允許對電學組件可靠性的優化並改善變送器對振動和地震活動的魯棒性。
[0013]圖1是示出了工業過程控制器監視裝置100的簡化示例圖，其中過程變量變送器102耦合到過程管道104。過程變量變送器102包括過程變量傳感器(圖1中未示出)，用於感測過程管道104中的過程流體的過程變量。示例性過程變量包括壓力、溫度、流速、濁度、水平、pH等。
[0014]基於所感測的過程變量，過程變量變送器102與遠程位置例如中央控制室106通過雙線過程控制環路108通信。控制室106以簡化的方式示出為電阻106A和電源106B。雙線過程控制環路108被配置為向過程變量變送器102供電以及從過程變量變送器102承載通信。(但是，也可以通過其它方式傳遞電力)。在一個示例性實施例中，過程控制環路108上的電流電平代表所感測的過程變量。例如，可以實現4到20毫安的電流環路，其中4毫安的電流電平指示零讀數，20毫安的電流電平指示滿刻度讀數。為了準確地解釋電流電平，必須通過校準過程來設定輸出電流的「零點」和「量程」。零點設定對應於將導致4毫安的輸出的過程變量讀數，量程設定與所感測的過程變量的最大範圍相關，從而最大的所感測過程變量值將導致過程控制環路108上的20毫安的電流電平。如在【背景技術】部分中討論，可以使用穿過過程變量變送器102的殼體110的開口來調整模擬型過程變量變送器中的這種零點和量程設定。
[0015]圖1還示出了通過接線118耦合到過程變量變送器102的校準控制器120的一個實施例。如以下更詳細地解釋，校準控制器120包括零點調整開關122、量程調整開關124和電機速度控制器126。使用開關122和124來給變送器102內的電機(圖1中未示出)通電，所述電機分別控制從變送器102輸出的電流的零點和量程設定。此外，使用電機速度控制器126來調整內部調整電機操作的速率，包括正向或反向方向。例如在變送器102的安裝和調試期間，校準控制器120可以臨時耦合到過程變量變送器102並由服務人員操作。在另一個示例性配置中，開關122和124是三位置開關，具有正向、關閉和反向位置。在這種配置中，電機速度控制器126並不需要能夠反轉電機的方向。
[0016]圖2是圖1所示的過程變量變送器102的簡化框圖。過程變量變送器102包括過程變量傳感器140。在圖2的示例性實施例中，傳感器140被配置為差壓傳感器，被配置為感測所施加的壓力P1和P2之間的壓力差。這種差壓可能與例如流經圖1所示的過程管道104的過程流體的流速相關。測量電路142包括耦合到過程變量傳感器140的振蕩器和振蕩器控制器144和146。根據已知的技術，過程變量傳感器可以包括響應於所施加的壓力P1和己而變化的電容。振蕩器144的頻率可以與所感測的壓力相關並且提供為到輸出電路150的測量電路輸出。輸出電路150包括電流控制電路152，其基於測量電路輸出控制流經雙線過程控制環路108的電流I。零點和量程調整電路156控制輸出電路150的傳遞函數，並包括示出為由相應零點和量程致動器電機160和162操作的電位計190、192(在圖3中示出)的可調整模擬電路組件。零點和量程調整電路改變輸出電路150的傳遞函數，並且控制施加到過程控制環路108的電流如何與測量電路輸出相關。雖然只具體示出了量程和零點，可以使用這種技術來調整傳遞函數的任何方面，包括例如施加到電流環路108的所測量的過程變量的衰減。電壓調節器158被配置為使用從過程控制環路108得到的電力，給測量電路142和輸出電路150供電。
[0017]如圖2所示，殼體110提供由內部隔板170或類似物劃分的內部隔室，由此腔172與外部過程環境隔離。通過隔板170提供電連接，用於連接過程控制環路108。提供用於耦合到圖1所示的校準控制器120的接線118的額外的零點和量程連接。接線盒組件168承載連接器，用於將輸出電路150耦合到過程控制環路108，並且用於將校準控制器120分別電連接到零點和量程致動器電機160、162。這些連接可以包括例如螺釘接線端、插頭轉接器等。這允許可以通過到變送器的隔絕密封的連接器接口來電控制內部電機。一般地，在已經執行零和量程調整之後，將校準控制器120從過程變量變送器102和接線盒組件168斷開。
[0018]圖3是示出了通過接線118耦合到電機(機動致動器)160和162校準控制器120的簡化框圖。雖然接線118被示為兩個單獨的線，可以使用任意數量的線來耦合到機動致動器160和162。如圖3所示，校準控制器120包括電機驅動電路180，其由可選的電源182供電。電機驅動電路180向量程選擇電路184和零點選擇電路186提供電機驅動輸出。量程和零點選擇電路184、186由操作者分別使用開關122和124選擇。
[0019]在操作過程中，操作者通過使用速度控制器126選擇期望的速度並且分別使用開關122、124來選擇要致動的期望的機動致動器160、162，來控制校準控制器120。這使機動致動器160、162中的一個或兩個轉動，從而分別調整零點和量程電位計190、192。一般地，通過旋轉耦合到使電阻變化的可滑動接觸件的軸來調整電位計。然而，可以使用任何電位計配置，包括其中採用線性滑動件的線性致動電位計。為了校準變送器102，操作者可以監視流經環路108的電流，同時調整電位計190、192，以獲得期望的環路電流電平。例如，零或低流條件可以應用到圖2所示的過程變量傳感器140，並且可以將流經環路108的電流調整到最小電平，例如4毫安。可以執行類似的調整以調整電流電平的量程，使得最大的過程變量測量將在環路108上產生20毫安的電流電平。
[0020]致動器電機160和162可以根據任何適當的技術。電機可以基於所施加的AC或DC信號操作，並且還可以包括可選的齒輪(gearing)機構用於更精細地控制電位計190、192。可以採用內部控制或反饋機構以提供伺服電機配置，以進行更精確的控制。在另一個具體示例中，可以以例如3到5RPM之間的低RPM速率來實現DC齒輪電機。機動致動器配置的其它示例包括步進電機型配置或旋轉螺線管。然而，本發明並不限於這些配置。
[0021 ] 圖3還示出了校準控制器120中的可選的電流感測電路200，其耦合到過程控制環路108。這可以例如使用其中測量跨越承載環路電流的電分路的電壓電平的分路連接。電流感測電路200可以包括顯示器，由此操作者可以觀察到流經過程控制環路的電流電平。在另一個示例性實施例中，電流感測電路200包括用於自動執行零點和量程調整的自動調整電路。可以例如在校準控制器120中的微處理器或類似物中實現這種配置。這些組件被示出為可選的組件202。這些可選的組件包括顯示電路、數字處理電路(例如微處理器)、數模或模數轉換電路、存儲器等。此外，由於一些校準過程需要較長時間才能完成，這種自動校準過程可能是期望的，因為它不需要操作者直接監督和控制。採用軟體控制的配置也可以實現更精確和可重複的校準。該配置允許使用例如手持式設備對變送器進行遠程校準。利用足夠長的接線118，即使當變送器102位於不可接近的或以其它方式不期望的位置(例如在浸沒區域、高溫區域、放射性區域、高架區域、水坑區域等)時，仍可以對其進行校準。
[0022]在另一個示例中，使用到過程控制環路108的可選連接來給校準控制器120的電路供電。在這種配置中，用從過程控制環路108接收的電力給機動致動器160、162供電。
[0023]在另一個示例性配置中，校準控制器120使用可選電源182給過程變量變送器102供電。在這種配置中，將電力提供到用於耦合到過程控制環路108的接線盒連接器168，由此，由可選電源182和可以包含在電源182中的負載電阻提供本地過程變量環路。這允許在無需將變送器102耦合到過程控制室106的情況下校準過程變量變送器102的量程和零點。
[0024]通過消除現有技術的零點和量程調整螺釘，變送器102的新的設計配置是可能的。例如，可以製造完全封閉的變送器102從而優化可靠性。這種配置完全浸沒，並提供防止環境氣體進入電子設備殼體的能力，從而提高變送器的性能。這種配置還減小變送器的大小，並允許配置內部電子設備和其它組件的更大的自由度。
[0025]圖4示出了一旦消除對可從外部操作的調整螺釘的需要則可以實現的過程變量變送器220的一個示例性設計配置。在圖4中，過程變量變送器220被製作為長管222的形式的信號外殼。管222的一端包括過程連接224，而管224的另一端包括電連接器226。電連接器226用於耦合到過程控制環路108，以及耦合到校準控制器120。
[0026]雖然已參照優選實施例對本發明進行了描述，本領域技術人員將認識到，可以進行形式和細節上的改變而不脫離本發明的精神和範圍。本文討論的電位是可調整的模擬電路組件的一個示例，但本發明並不局限於電位計的調整。校準控制器120與現場設備102之間的連接118可以包括用於雙向通信的接線。例如，可以提供與機動致動器160、162以及其相應電位計190、192的位置相關的位置信息。到接線118的接線盒組件168的連接可以是例如通過接線螺釘連接、插頭連接等。一般地，連接是臨時性的，由此，一旦校準程序完成，則將接線118斷開。本文所述的電機，只不過是機動致動器的一個示例，並且可以採用其它配置。雖然描述了電流電平輸出，可以提供任何類型的設備輸出，其中輸出電路傳遞函數控制設備輸出。
【權利要求】
1.一種用於測量過程變量的過程變量變送器，包括: 過程變量傳感器，被配置為:感測過程變量並提供傳感器輸出； 測量電路，被配置為:接收所述傳感器輸出，並提供與所述過程變量相關的測量輸出；輸出電路，被配置為:基於所述測量輸出在雙線過程控制環路上提供設備輸出，所述輸出電路具有傳遞函數，所述傳遞函數是可調整模擬電路組件的函數；以及 機動致動器，被配置為:調整所述可調整模擬電路組件，從而改變所述輸出電路的傳遞函數。
2.根據權利要求1所述的過程變量變送器，其中，所述可調整模擬電路組件包括電位計。
3.根據權利要求1所述的過程變量變送器，其中，所述可調整模擬電路調整所述設備輸出的零點設定。
4.根據權利要求1所述的過程變量變送器，其中，所述可調整模擬電路調整所述設備輸出的量程設定。
5.根據權利要求1所述的過程變量變送器，包括:變送器殼體，其中，所述測量電路和輸出電路位於所述變送器殼體中的隔絕密封的環境中。
6.根據權利要求5所述的過程變量變送器，其中，所述殼體包括隔板，並且所述變送器輸出是通過穿過所述隔板延伸的電連接提供的。
7.根據權利要求5所述的過程變量變送器，其中，所述殼體包括隔板，其中，到所述機動致動器的電連接穿過所述隔板延伸。
8.根據權利要求1所述的過程變量變送器，其中，所述機動致動器包括DC齒輪電機。
9.根據權利要求1所述的過程變量變送器，其中，所述設備輸出包括電流電平。
10.一種校準控制器，被配置為:電耦合到根據權利要求1所述的過程變量變送器並且控制所述機動致動器。
11.根據權利要求10所述的校準控制器，包括:電機驅動控制器。
12.根據權利要求10所述的校準控制器，包括:可選電源，被配置為向所述過程變量變送器供電。
13.根據權利要求10所述的校準控制器，其中，利用從所述雙線過程控制環路接收的電力向所述校準控制器的電路供電。
14.根據權利要求10所述的校準控制器，包括:電流感測電路，被配置為感測所述設備輸出。
15.根據權利要求14所述的校準控制器，其中，所述機動致動器是基於所感測的電流來控制的。
【文檔編號】G01D18/00GK204027593SQ201420377130
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2013年12月23日
【發明者】納蘭·萊恩·維特 申請人:羅斯蒙特公司