具有模擬通信的過程變量變送器系統的製作方法
2023-10-11 17:03:39
具有模擬通信的過程變量變送器系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種過程變量變送器系統，用於檢測在第一位置處的第一壓力和在第二位置處的第二壓力，包括：第一過程變量變送器，所述第一過程變量變送器具有被配置為感測第一壓力的第一壓力傳感器和連接到第一傳感器的第一模擬輸出級，所述第一模擬輸出級被配置以提供與第一壓力相關的模擬輸出信號。第二過程變量變送器包括與第一壓力傳感器間隔分開的第二壓力傳感器，所述第二壓力傳感器被配置為檢測第二壓力。第二模擬輸出級提供與第二壓力相關的第二模擬輸出。模擬處理級提供與第一和第二壓力相關的處理過的輸出。二線式輸出電路被配置為基於所述處理過的輸出在二線式過程控制迴路上提供模擬電流輸出。
【專利說明】具有模擬通信的過程變量變送器系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及用來檢測工業過程中的過程變量的類型的過程變量變送器。更具體地，本發明涉及用來檢測工業過程的過程流體的遠程壓力的過程變量變送器。
【背景技術】
[0002]過程變量變送器用在工業生產過程中以檢測過程變量。過程變量的例子包括溫度、流量、壓力等。過程變量變送器檢測過程變量和發送與過程變量相關的信息到中央位置，例如，中央處理控制室。所檢測的過程變量可以用於監控過程的操作，和在某些情況下，可以用來控制過程的操作。可以採用各種技術用於傳輸過程變量，包括有線和無線技術。一個公知的有線技術是二線式過程控制迴路，其中使用模擬量電流電平來表示過程變量。例如，4毫安電流電平可以表示過程變量的低值，20毫安的電流電平可以代表高值。同一二線式過程控制迴路也可以用於為過程變量變送器供電。
[0003]一種類型的過程變量變送器用於檢測在罐或容器中的過程流體的液位。1999年5 月 4 日授權、名稱為「DIFFERENTIAL PRESSURE MEASUREMENT ARRANGEMENT UTILIZINGDUAL TRANSMITTERS (利用雙變送器的差壓測量布置)」並轉讓給Rosemount公司的美國專利5，899，962示出這樣的結構的一個示例，並且通過引用將其全部內容結合於此。例如，過程變量變送器可以使用垂直地隔開的兩個壓力傳感器。兩個傳感器之間的壓差可以用作包含在容器中的過程流體的量的指示。在一個結構中，過程壓力在物理上連接到在過程變量變送器中的用來測量差壓的差壓傳感器。然而，這需要通過導管或「填充管」的機械連接，這可能會導致不準確性，並且也可能需要穿過壁等用於導管的比較大的開口(「貫通」)。另夕卜，兩個壓力到差壓傳感器的機械連接的使用可能將誤差引入壓力測量，例如，由於溫度變化。在另一種結構中，如在美國專利5，899，962中提出的結構中，兩個壓力被分開地測量，並且被電通信到電路，該電路計算壓差。然而，在某些環境中，使用數字電路是不可行的，例如在核電廠應用中。惡劣的輻射環境可能會損壞這種電路。
【發明內容】
[0004]一種過程變量變送器系統，用於檢測在第一位置處的第一壓力和在第二位置處的第二壓力，包括:第一過程變量變送器，所述第一過程變量變送器具有:被配置為檢測第一壓力的第一壓力傳感器和連接到第一傳感器的第一模擬輸出級，所述第一模擬輸出級被配置以提供與第一壓力相關的模擬輸出信號。第二過程變量變送器包括與第一壓力傳感器間隔分開的第二壓力傳感器，所述第二壓力傳感器被配置為檢測第二壓力。第二模擬輸出級提供與第二壓力相關的第二模擬輸出。模擬處理級提供與第一和第二壓力相關的處理過的輸出。二線式輸出電路被配置為基於所述處理過的輸出在二線式過程控制迴路上提供模擬電流輸出。
【專利附圖】
【附圖說明】[0005]圖1是工業過程的簡化方框圖，該工業過程包括布置成檢測在罐或容器中的過程流體的壓差的變送器。
[0006]圖2是在圖1中顯示的壓力變送器的簡化方框圖。
[0007]圖3是圖1中顯示的壓力變送器的一部分的簡化示意圖。
【具體實施方式】
[0008]本發明提供一種用於測量在遠程位置處的過程流體的壓力的方法和裝置。這可以用來使用被配置為檢測兩個壓力的兩個過程變量變送器來確定罐中的液體的液位。在這樣的結構中，第一壓力從副變送器傳送到主變送器。主變送器還測量第二壓力，並且被配置為在二線式過程控制迴路上提供輸出，該輸出與第一和第二壓力之間的差值有關。還可以使用從二線式過程控制迴路接收的電力給該變送器供電。該變送器優選地採用模擬電路操作。這克服與數字電路的使用相關的問題。另外，該結構並不需要在使用用於壓力連接的導管的遠程密封系統中需要的穿過壁(如核電廠中的防洩露壁)的相對大尺寸開口等，並且還不容易經受到由於導管的溫度變化產生的誤差。
[0009]圖1是顯示包括填充有過程流體的罐或容器102的工業過程100的一個實施例的簡化方框圖。過程變量變送器110和112被布置為測量罐102內的過程流體104的液位。過程變量變送器110通過壓力聯接器116和集合管114連接到壓力Pl。同樣地，過程變量變送器112通過壓力聯接器120和集合管118連接到罐102，以測量第二壓力P2。如下面更詳細地解釋，與被檢測的壓力Pl有關的模擬信號通過配線130從變送器110通信到變送器112。基於壓力Pl和P2之間的差，變送器112在4-20毫安過程控制迴路140上提供輸出。該輸出為模擬電流值。例如，4毫安信號可以表示低值或最小值，並且20毫安信號可以表示高值或最大值。
[0010]一些現有技術已經使用單個變送器來測量壓力Pl和P2之間的壓差。在一個這樣的配置中，遠程壓力隔膜密封件和隨附導管從壓力Pl和P2的位置延伸到壓力變送器處的入口。然後可以使用在壓力變送器內的一個或多個壓力傳感器來測量通過兩個導管施加的壓力。但是，這種配置可能會將諸如由於溫度變化產生的誤差引入壓力測量。另外，導管需要相對較大的開口以便穿過牆壁或相似物，或可能需要用於多個導管的多個開口。避免使用壓力導管的方法之一是使用數字通信技術來將在一個位置處檢測到的壓力發送到另一個位置，用於確定壓差。然而，在其中不能使用數字電路的有些情況中，如在遇到高水平的輻射的位置中。因此，在一個方面，本發明提供使用模擬電路的技術和模擬信號技術，以將第一壓力通信到變送器，用於確定壓差。本發明不需要遠程密封結構所需要的用於牆壁穿透的大開口，該遠程密封結構使用諸如毛細管的機械連接以通信在多個位置之間的壓力。此外，消除了可能由於毛細管的溫度變化而出現的誤差。本系統只需要用於雙絞線的小的壁穿孔，並且運行4-20毫安迴路的這種單個雙絞線對可以用於為兩個變送器供電。
[0011]圖2是壓力變送器110和112的簡化方框圖。如圖2的實施例中顯示，過程變量變送器Iio包括連接到在電子模塊204中的壓力傳感器202的壓力傳感器模塊200。在圖示的配置中，壓力傳感器202是基於電容的壓力傳感器，其中該傳感器的電容隨著施加的壓力而變化。可以通過使用諸如Σ /Δ轉換器的各種技術測量電容。來自振蕩器210的交流信號被施加至該壓力傳感器202的電容極板。合成信號由解調器212產生和解調，用作提供到振蕩器控制電路214的反饋。該反饋信號與所施加的壓力有關。另外，使用溫度補償電路216根據溫度補償被解調的輸出，並且使用線性電路218對測量中的非線性進行補償。在一個特定的配置中，提供與所檢測的壓力有關的電流電平到量程調整放大器220。例如，電流可以在O和82 μ A之間變化。量程調整放大器220產生模擬輸出信號222，模擬輸出信號222是與檢測的壓力相關的電壓電平。在一個具體實施例中，該電壓電平在I伏和5伏之間變化。除了模擬輸出信號222，配線130包括副電源線230和副電源返回線232。在一個配置中，這些分別是10伏和5.1伏電源電壓，並在下面更詳細地描述它們的操作。雖然示出三個連接，但本發明並不限於該結構，並且可以使用任意數量的電源和信號連接，包括其中連接載送電力和與檢測的壓力相關的模擬信號的配置。因此，用於兩個變送器110、112的電力由迴路140傳送。在另一個示例性配置中，變送器110、112中的一個包括諸如電池的內部電源。該內部電源可用於向兩個變送器供電。在另一個示例性配置中，兩個變送器110、112都包括內部電源。在另一個例子中，迴路140以外的外部電源用於向變送器110、112供電。在非使用期間，可以通過從副變送器110移除電力來實現節電。
[0012]圖2的實施例還顯示主過程變量變送器112的方框圖。主過程變量變送器112中的類似部件具有與過程變量變送器110類似的編號。變送器112包括連接到壓力傳感器202的類似傳感器模塊200，傳感器模塊200具有解調器212、溫度補償電路216和線性電路218。變送器112的電子模塊250包括振蕩器210、振蕩器控制電路214和量程調整放大器220。此外,差分放大器252被配置為提供到電流控制電路254的輸出，該輸出與模擬輸出信號222的電壓和來自變送器112中的量程調整放大器220的電壓之間的差相關。這個電壓差是兩個壓力傳感器之間的壓差的表示，並且是圖1中圖示的容器102中的過程流體104的高度的表示。
[0013]電流控制電路254在二線式過程控制迴路140上提供輸出，該輸出表示這個壓差。例如,4毫安電流電平可以表示最小壓差,20毫安的電流電平可以表示最大壓差。壓力值可以線性地分布在4毫安和20毫安之間的量程或範圍內。代替地，可以提供非線性輸出。調零電路256被用來調整這個電流輸出的零電平。在二線式迴路140上提供的最大電流由限流電路260限制，並且使用電流檢測電路262將反饋提供到電流控制電路254。迭式電壓調節器264在配線130的副電源線230和副電源返回線232上提供電壓電平。此外，圖2圖示無線電頻率幹擾(RFI)濾波器240和242，無線電頻率幹擾(RFI)濾波器240和242可以連接到配線130和連接到二線式制過程控制迴路140，以減少進入變送器110和112的任何電氣幹擾。
[0014]圖3是顯示變送器110和112的電路的更詳細示意圖。在圖3中，變送器110的量程調整放大器220被圖示為運算放大器300，+10伏副電源電壓230和+5.1伏副電源返回電壓232之間的參考電壓被提供到運算放大器。來自傳感器模塊200的輸出被提供給放大器300的反相輸入，從而輸出是與檢測的壓力相關的電壓，並且在I伏和5伏之間變化。量程調整電阻302可以用於調整這個電壓輸出的量程或範圍(span)。量程調整電阻302被布置為提供負反饋到運算放大器300。
[0015]如在圖3中所示，變送器112包括類似的電路。差分放大器252顯示為運算放大器310，運算放大器310例如可以被配置為基於來自變送器110和112的量程調整放大器220的輸出之間的差提供在1.2伏和5.2伏之間變化的電壓輸出。這個信號被提供給電流控制電路254，電流控制電路254被圖示為運算放大器312。放大器312的增益由反饋電阻器320相對於輸出電阻322和串聯電阻324的乘積的比例確定。偏置電阻器323被布置為確定用於變送器輸出的4毫安點。也可以使用調零電位器以允許二線式過程控制迴路140的零點的調整。由放大器312提供的增益基於電阻器320、322和323的值。限流電阻(未顯示)也可以被用於限制流過二線式過程控制迴路140的電流。例如，此限流電阻可以與輸出電晶體370串聯放置。請注意，這個電路體現為圖2中示出的電流檢測電路262、電流控制電路254、限流電路260和調零電路256。
[0016]迭式電壓調節器266被圖示為被布置成產生5.1伏和10伏電源電壓的齊納二極體330和332。使用齊納二極體334產生參考電壓VREF。使用電壓調節器372向這些二極體供電。在一個實施例中，各個部件是抗輻射(RAD-hard)結構，從而允許電路在具有高水平輻射的環境(如核電站)中操作。一個示例性抗輻射運算放大器可從Harris獲得並且被表明有零件號碼HS2-3530ARH。
[0017]雖然已經參照優選的實施例描述本發明，本領域技術人員將認識到，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以在形式和細節上做出更改。雖然上面的描述中只描述模擬電路，但是對於變送器的其它部件來說可以可行的是使用對於系統的操作不關鍵的專用電子元件或者部件來數字地執行某些功能。使用本發明，提供不需要使用任何數字電路「遠程密封」配置。然而，還提供不需要兩個變送器單元之間的流體連接的這種實施方案，這種流體連接是典型的現有技術的設計。這消除由導管的溫度變化引起的誤差，並且需要尺寸比導管小的壁穿孔。這裡所示的特定電路僅僅是本發明的一個優選的實施方案，並且本發明並不限於該結構。在所示的實施例中，可以使用僅從二線式過程控制迴路接收的電力給兩個變送器供電。然而，在其他實施方式中，可以採用輔助或其它電源，包括獨立電源。在另一個示例性配置中，兩個傳感器彼此遠離地定位，並且模擬傳感器數據被設置到計算該壓差的第三位置。在這樣的結構中，三個裝置的任何一個可以提供二線式過程控制迴路的連接，並且同一個二線式過程控制迴路可以用於給所述裝置供電。正如這裡所使用的，模擬輸出級是用於提供表示來自壓力傳感器的輸出的模擬輸出的電路。模擬處理級是指用於處理與來自兩個壓力傳感器的輸出相關的信號並且提供被處理的輸出的模擬電路。這裡所用的具體的示例是兩個值之間的差。二線式輸出電路是指用於連接到二線式過程控制迴路和控制在二線式過程控制迴路上的電流的電平以表示所希望的值的電路。雖然這裡所用的電路被描述為是模擬電路，但在一些實施例中，其他電路可以在現場裝置中以數字電路的形式實現。
【權利要求】
1.一種過程變量變送器系統，用於檢測在第一位置處的第一壓力和在第二位置處的第二壓力，包括: 第一過程變量變送器，所述第一過程變量變送器具有: 被配置為檢測所述第一壓力的第一壓力傳感器；和 連接到第一傳感器的第一模擬輸出級，所述第一模擬輸出級被配置以提供與所述第一壓力相關的第一模擬輸出信號； 第二過程變量變送器，所述第二過程變量變送器具有: 被配置為檢測所述第二壓力的第二壓力傳感器，第二壓力傳感器與第一壓力傳感器間隔分開； 第二模擬輸出級，所述第二模擬輸出級被配置為提供與所述第二壓力相關的第二模擬輸出； 模擬處理級，所述模擬處理級被配置為提供與所述第一壓力和第二壓力相關的處理過的輸出；和 二線式輸出電路，所述二線式輸出電路被配置為基於所述處理過的輸出在二線式過程控制迴路上提供模擬電流輸出。
2.根據權利要求1所述的過程變量變`送器系統，其中，來自第一模擬輸出級和第二模擬輸出級的模擬輸出信號是電壓信號。
3.根據權利要求1所述的過程變量變送器系統，包括從第二過程變量變送器到第一過程變量變送器的至少一個電力連接，所述至少一個電力連接被配置為提供電力到第一過程變量變送器。
4.根據權利要求3所述的過程變量變送器系統，其中，第一過程變量變送器由來自二線式過程控制迴路的電力供電。
5.根據權利要求4所述的過程變量變送器系統，其中，第二過程變量變送器由來自二線式過程控制迴路的電力供電。
6.根據權利要求1所述的過程變量變送器系統，其中，第一模擬輸出級和第二模擬輸出級包括連接到來自對應的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器的輸出的運算放大器。
7.根據權利要求6所述的過程變量變送器系統，其中，運算放大器進一步連接到參考電壓。
8.根據權利要求1所述的過程變量變送器系統，其中，所述處理過的輸出包括來自第一變送器的模擬輸出信號和來自第二變送器的模擬輸出信號之間的差值。
9.根據權利要求8所述的過程變量變送器系統，其中，模擬處理級包括差分放大器。
10.根據權利要求1所述的過程變量變送器系統，其中，第一壓力傳感器和第二壓力傳感器具有與施加的壓力相關的電容值。
11.根據權利要求1所述的過程變量變送器系統，其中，第一過程變量變送器和第二過程變量變送器的電路包括抗輻射電路。
12.根據權利要求1所述的過程變量變送器系統，其中，所述處理過的輸出指示在容器中的過程流體的液位。
13.—種檢測在第一位置處的第一壓力和在第二位置處的第二壓力的方法，所述方法包括下述步驟:在具有第一過程變量變送器的第一位置處使用第一壓力傳感器檢測第一壓力； 根據檢測到的第一壓力提供第一模擬輸出信號； 在具有第二過程變量變送器的與第一位置隔開的第二位置處檢測第二壓力； 提供與所述第二壓力相關的第二模擬輸出； 在第二過程變量變送器中的第二位置處接收第一模擬輸出和第二模擬輸出，並且根據第一模擬輸出和第二模擬輸出響應地產生處理過的輸出；以及根據差分輸出施加電流電平到二線式過程控制迴路。
14.根據權利要求13所述的方法，其中第一模擬輸出信號和第二模擬輸出信號是電壓信號。
15.根據權利要求13所述的方法，包括使用來自第二過程變量變送器的電力為第一過程變量變送器供電的步驟。
16.根據權利要求15所述的方法，包括使用來自二線式過程控制迴路的電力為第一過程變量變送器供電的步 驟。
17.根據權利要求13所述的方法，其中，所述處理過的輸出包括來自第一過程變量變送器的模擬輸出信號和來自第二過程變量變送器的模擬輸出信號之間的差值。
18.根據權利要求13所述的方法，其中，第一壓力傳感器和第二壓力傳感器具有與施加的壓力相關的電容。
19.根據權利要求13所述的方法，其中，第一過程變量變送器和第二過程變量變送器的電子電路包括抗輻射電路。
20.根據權利要求13所述的方法，其中，所述電流電平指示在容器中的過程流體的液位。
【文檔編號】G01L13/06GK103454036SQ201210380166
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年10月9日 優先權日:2012年5月31日
【發明者】布賴恩·愛德華·索芬, 理察·L·尼爾森 申請人:羅斯蒙德公司