具有電子校準(zhǔn)的模擬過程變量變送器的制造方法
【專利摘要】一種用于測(cè)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(cè)過程變量并提供傳感器輸出。測(cè)量電路接收傳感器輸出并提供與過程變量相關(guān)的測(cè)量輸出。輸出電路基于測(cè)量輸出在雙線過程控制環(huán)路上提供設(shè)備輸出。輸出電路具有傳遞函數(shù)，所述傳遞函數(shù)是可調(diào)整模擬電路組件的函數(shù)。機(jī)動(dòng)致動(dòng)器被配置為調(diào)整所述可調(diào)整模擬電路組件，從而改變輸出電路的傳遞函數(shù)。還提供可選的校準(zhǔn)控制器。
【專利說明】具有電子校準(zhǔn)的模擬過程變量變送器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在工業(yè)過程的控制和監(jiān)視中使用的類型的模擬過程變量變送器。更具體地，本發(fā)明涉及這種模擬變送器的校準(zhǔn)。

【背景技術(shù)】
[0002]雙線變送器在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中廣泛使用。雙線變送器包括在電流環(huán)路中與電源和負(fù)載一起連接的一對(duì)端子。能夠通過流經(jīng)電流環(huán)路中的環(huán)路電流來給雙線變送器供電，并且根據(jù)所感測(cè)的參數(shù)或條件來改變環(huán)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(dǎo)致的任何可燃?xì)夥胀ㄟ^來自通電電路的故障或火花的點(diǎn)火被包含在殼體中。
[0003]雖然各種各樣的工作范圍是可能的，一個(gè)廣泛使用的雙線變送器輸出根據(jù)所感測(cè)的過程變量從4到20毫安(mA)變化。雙線變送器一般提供對(duì)變送器輸出的調(diào)整，以使所感測(cè)的參數(shù)的最小或零值對(duì)應(yīng)于最小輸出(例如，4毫安的環(huán)路電流)，而將感測(cè)的最大參數(shù)值對(duì)應(yīng)于最大輸出(例如，20毫安)。這被稱為零點(diǎn)和量程(span)調(diào)整。
[0004]最小和最大參數(shù)值將從一個(gè)工業(yè)過程裝置到另一個(gè)工業(yè)過程裝置變化。因此，期望提供一些用于在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定(校準(zhǔn))最大和最小輸出電平的裝置。在使用模擬電路實(shí)現(xiàn)的變送器中，這通常通過密封在殼體中的通電零點(diǎn)和量程電位計(jì)來進(jìn)行。對(duì)于某些變送器，必須去除殼體蓋以操作電位計(jì)。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(shù)可用于調(diào)整電位計(jì)，同時(shí)相對(duì)于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，用于調(diào)整電位計(jì)的旋轉(zhuǎn)調(diào)整軸緊密配合穿過殼體中的孔，以提供長(zhǎng)的火焰路徑用于在殼體中的點(diǎn)火到達(dá)殼體周圍的氣氛之前將其熄滅。在另一布置中，電位計(jì)被機(jī)械地耦合到比較大的磁棒，該磁棒然后由帶電電路的外殼外部的另一個(gè)磁棒磁性轉(zhuǎn)動(dòng)。這種磁棒的布置可能具有機(jī)械遲滯的缺點(diǎn)，使得精確的量程和零點(diǎn)設(shè)定困難。致動(dòng)開關(guān)也用于在變送器中設(shè)定量程和零點(diǎn)，這種開關(guān)需要穿過變送器的殼體的壁的開口，以提供到開關(guān)的機(jī)械耦合。
[0005]因此，經(jīng)常難以調(diào)整密封在變送器殼體內(nèi)的零點(diǎn)和量程電位計(jì)。潛在的泄漏路徑必須被密封，這在必須在浸沒核環(huán)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(duì)過程變量變送器的設(shè)計(jì)、封裝和大小增加限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種用于測(cè)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(cè)過程變量并提供傳感器輸出。測(cè)量電路接收傳感器輸出并提供與過程變量相關(guān)的測(cè)量輸出。輸出電路基于測(cè)量輸出在雙線過程控制環(huán)路上提供設(shè)備輸出。輸出電路具有傳遞函數(shù)，所述傳遞函數(shù)是可調(diào)整模擬電路組件的函數(shù)。機(jī)動(dòng)致動(dòng)器被配置為調(diào)整所述可調(diào)整模擬電路組件，從而改變輸出電路的傳遞函數(shù)。還提供可選的校準(zhǔn)控制器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是示出了用于監(jiān)視或控制工業(yè)過程的系統(tǒng)的示例的簡(jiǎn)化圖。
[0008]圖2是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例包括用于執(zhí)行量程和零點(diǎn)調(diào)整的電控致動(dòng)器的工業(yè)過程變量變送器的簡(jiǎn)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(diǎn)致動(dòng)器的簡(jiǎn)化電學(xué)示意圖。
[0010]圖4是過程變量變送器的另一個(gè)示例性實(shí)施例的透視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011]有許多實(shí)例，其中過程變量變送器必須使用模擬電路來實(shí)現(xiàn)。在模擬電路實(shí)現(xiàn)的過程變量變送器的缺點(diǎn)之一是，它們可能需要使用可調(diào)整模擬電路組件，例如量程和零點(diǎn)可變電阻器(“pot”或電位計(jì))來手動(dòng)校準(zhǔn)。在一些現(xiàn)有技術(shù)的配置中，使用穿過變送器的電子設(shè)備殼體露出的螺釘來操作這些電位計(jì)。這在電子設(shè)備的大小、位置和穿過殼體的潛在的泄漏路徑方面增加了變送器配置的額外的設(shè)計(jì)限制。
[0012]在本發(fā)明的一個(gè)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(diào)整模擬電路組件來實(shí)現(xiàn)模擬過程變量變送器。在具體示例中，使用電控校準(zhǔn)技術(shù)從變送器殼體內(nèi)調(diào)整電位計(jì)。例如，可以使用內(nèi)部電機(jī)來調(diào)整電位計(jì)。這種配置還允許遠(yuǎn)程和/或使用校準(zhǔn)軟件來執(zhí)行對(duì)過程變量變送器的校準(zhǔn)。此外，這種電子控制的校準(zhǔn)降低了設(shè)計(jì)上的限制，并允許實(shí)現(xiàn)能夠?qū)⑺械碾娮釉O(shè)備完全封閉在焊接的、緊湊的外殼中的架構(gòu)。這也允許對(duì)電學(xué)組件可靠性的優(yōu)化并改善變送器對(duì)振動(dòng)和地震活動(dòng)的魯棒性。
[0013]圖1是示出了工業(yè)過程控制器監(jiān)視裝置100的簡(jiǎn)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)，用于感測(cè)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]基于所感測(cè)的過程變量，過程變量變送器102與遠(yuǎn)程位置例如中央控制室106通過雙線過程控制環(huán)路108通信?？刂剖?06以簡(jiǎn)化的方式示出為電阻106A和電源106B。雙線過程控制環(huán)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(gè)示例性實(shí)施例中，過程控制環(huán)路108上的電流電平代表所感測(cè)的過程變量。例如，可以實(shí)現(xiàn)4到20毫安的電流環(huán)路，其中4毫安的電流電平指示零讀數(shù)，20毫安的電流電平指示滿刻度讀數(shù)。為了準(zhǔn)確地解釋電流電平，必須通過校準(zhǔn)過程來設(shè)定輸出電流的“零點(diǎn)”和“量程”。零點(diǎn)設(shè)定對(duì)應(yīng)于將導(dǎo)致4毫安的輸出的過程變量讀數(shù)，量程設(shè)定與所感測(cè)的過程變量的最大范圍相關(guān)，從而最大的所感測(cè)過程變量值將導(dǎo)致過程控制環(huán)路108上的20毫安的電流電平。如在【背景技術(shù)】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(diào)整模擬型過程變量變送器中的這種零點(diǎn)和量程設(shè)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(zhǔn)控制器120的一個(gè)實(shí)施例。如以下更詳細(xì)地解釋，校準(zhǔn)控制器120包括零點(diǎn)調(diào)整開關(guān)122、量程調(diào)整開關(guān)124和電機(jī)速度控制器126。使用開關(guān)122和124來給變送器102內(nèi)的電機(jī)(圖1中未示出)通電，所述電機(jī)分別控制從變送器102輸出的電流的零點(diǎn)和量程設(shè)定。此外，使用電機(jī)速度控制器126來調(diào)整內(nèi)部調(diào)整電機(jī)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(diào)試期間，校準(zhǔn)控制器120可以臨時(shí)耦合到過程變量變送器102并由服務(wù)人員操作。在另一個(gè)示例性配置中，開關(guān)122和124是三位置開關(guān)，具有正向、關(guān)閉和反向位置。在這種配置中，電機(jī)速度控制器126并不需要能夠反轉(zhuǎn)電機(jī)的方向。
[0016]圖2是圖1所示的過程變量變送器102的簡(jiǎn)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(shí)施例中，傳感器140被配置為差壓傳感器，被配置為感測(cè)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(jīng)圖1所示的過程管道104的過程流體的流速相關(guān)。測(cè)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(jù)已知的技術(shù)，過程變量傳感器可以包括響應(yīng)于所施加的壓力P1和己而變化的電容。振蕩器144的頻率可以與所感測(cè)的壓力相關(guān)并且提供為到輸出電路150的測(cè)量電路輸出。輸出電路150包括電流控制電路152，其基于測(cè)量電路輸出控制流經(jīng)雙線過程控制環(huán)路108的電流I。零點(diǎn)和量程調(diào)整電路156控制輸出電路150的傳遞函數(shù)，并包括示出為由相應(yīng)零點(diǎn)和量程致動(dòng)器電機(jī)160和162操作的電位計(jì)190、192(在圖3中示出)的可調(diào)整模擬電路組件。零點(diǎn)和量程調(diào)整電路改變輸出電路150的傳遞函數(shù)，并且控制施加到過程控制環(huán)路108的電流如何與測(cè)量電路輸出相關(guān)。雖然只具體示出了量程和零點(diǎn)，可以使用這種技術(shù)來調(diào)整傳遞函數(shù)的任何方面，包括例如施加到電流環(huán)路108的所測(cè)量的過程變量的衰減。電壓調(diào)節(jié)器158被配置為使用從過程控制環(huán)路108得到的電力，給測(cè)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(nèi)部隔板170或類似物劃分的內(nèi)部隔室，由此腔172與外部過程環(huán)境隔離。通過隔板170提供電連接，用于連接過程控制環(huán)路108。提供用于耦合到圖1所示的校準(zhǔn)控制器120的接線118的額外的零點(diǎn)和量程連接。接線盒組件168承載連接器，用于將輸出電路150耦合到過程控制環(huán)路108，并且用于將校準(zhǔn)控制器120分別電連接到零點(diǎn)和量程致動(dòng)器電機(jī)160、162。這些連接可以包括例如螺釘接線端、插頭轉(zhuǎn)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(nèi)部電機(jī)。一般地，在已經(jīng)執(zhí)行零和量程調(diào)整之后，將校準(zhǔn)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(jī)(機(jī)動(dòng)致動(dòng)器)160和162校準(zhǔn)控制器120的簡(jiǎn)化框圖。雖然接線118被示為兩個(gè)單獨(dú)的線，可以使用任意數(shù)量的線來耦合到機(jī)動(dòng)致動(dòng)器160和162。如圖3所示，校準(zhǔn)控制器120包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路180，其由可選的電源182供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路180向量程選擇電路184和零點(diǎn)選擇電路186提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出。量程和零點(diǎn)選擇電路184、186由操作者分別使用開關(guān)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選擇期望的速度并且分別使用開關(guān)122、124來選擇要致動(dòng)的期望的機(jī)動(dòng)致動(dòng)器160、162，來控制校準(zhǔn)控制器120。這使機(jī)動(dòng)致動(dòng)器160、162中的一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而分別調(diào)整零點(diǎn)和量程電位計(jì)190、192。一般地，通過旋轉(zhuǎn)耦合到使電阻變化的可滑動(dòng)接觸件的軸來調(diào)整電位計(jì)。然而，可以使用任何電位計(jì)配置，包括其中采用線性滑動(dòng)件的線性致動(dòng)電位計(jì)。為了校準(zhǔn)變送器102，操作者可以監(jiān)視流經(jīng)環(huán)路108的電流，同時(shí)調(diào)整電位計(jì)190、192，以獲得期望的環(huán)路電流電平。例如，零或低流條件可以應(yīng)用到圖2所示的過程變量傳感器140，并且可以將流經(jīng)環(huán)路108的電流調(diào)整到最小電平，例如4毫安?？梢詧?zhí)行類似的調(diào)整以調(diào)整電流電平的量程，使得最大的過程變量測(cè)量將在環(huán)路108上產(chǎn)生20毫安的電流電平。
[0020]致動(dòng)器電機(jī)160和162可以根據(jù)任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。電機(jī)可以基于所施加的AC或DC信號(hào)操作，并且還可以包括可選的齒輪(gearing)機(jī)構(gòu)用于更精細(xì)地控制電位計(jì)190、192。可以采用內(nèi)部控制或反饋機(jī)構(gòu)以提供伺服電機(jī)配置，以進(jìn)行更精確的控制。在另一個(gè)具體示例中，可以以例如3到5RPM之間的低RPM速率來實(shí)現(xiàn)DC齒輪電機(jī)。機(jī)動(dòng)致動(dòng)器配置的其它示例包括步進(jìn)電機(jī)型配置或旋轉(zhuǎn)螺線管。然而，本發(fā)明并不限于這些配置。
[0021 ] 圖3還示出了校準(zhǔn)控制器120中的可選的電流感測(cè)電路200，其耦合到過程控制環(huán)路108。這可以例如使用其中測(cè)量跨越承載環(huán)路電流的電分路的電壓電平的分路連接。電流感測(cè)電路200可以包括顯示器，由此操作者可以觀察到流經(jīng)過程控制環(huán)路的電流電平。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，電流感測(cè)電路200包括用于自動(dòng)執(zhí)行零點(diǎn)和量程調(diào)整的自動(dòng)調(diào)整電路?？梢岳缭谛?zhǔn)控制器120中的微處理器或類似物中實(shí)現(xiàn)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(shù)字處理電路(例如微處理器)、數(shù)?；蚰?shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)器等。此外，由于一些校準(zhǔn)過程需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成，這種自動(dòng)校準(zhǔn)過程可能是期望的，因?yàn)樗恍枰僮髡咧苯颖O(jiān)督和控制。采用軟件控制的配置也可以實(shí)現(xiàn)更精確和可重復(fù)的校準(zhǔn)。該配置允許使用例如手持式設(shè)備對(duì)變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。利用足夠長(zhǎng)的接線118，即使當(dāng)變送器102位于不可接近的或以其它方式不期望的位置(例如在浸沒區(qū)域、高溫區(qū)域、放射性區(qū)域、高架區(qū)域、水坑區(qū)域等)時(shí)，仍可以對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0022]在另一個(gè)示例中，使用到過程控制環(huán)路108的可選連接來給校準(zhǔn)控制器120的電路供電。在這種配置中，用從過程控制環(huán)路108接收的電力給機(jī)動(dòng)致動(dòng)器160、162供電。
[0023]在另一個(gè)示例性配置中，校準(zhǔn)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，將電力提供到用于耦合到過程控制環(huán)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(fù)載電阻提供本地過程變量環(huán)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(zhǔn)過程變量變送器102的量程和零點(diǎn)。
[0024]通過消除現(xiàn)有技術(shù)的零點(diǎn)和量程調(diào)整螺釘，變送器102的新的設(shè)計(jì)配置是可能的。例如，可以制造完全封閉的變送器102從而優(yōu)化可靠性。這種配置完全浸沒，并提供防止環(huán)境氣體進(jìn)入電子設(shè)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，并允許配置內(nèi)部電子設(shè)備和其它組件的更大的自由度。
[0025]圖4示出了一旦消除對(duì)可從外部操作的調(diào)整螺釘?shù)男枰獎(jiǎng)t可以實(shí)現(xiàn)的過程變量變送器220的一個(gè)示例性設(shè)計(jì)配置。在圖4中，過程變量變送器220被制作為長(zhǎng)管222的形式的信號(hào)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用于耦合到過程控制環(huán)路108，以及耦合到校準(zhǔn)控制器120。
[0026]雖然已參照優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的改變而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。本文討論的電位是可調(diào)整的模擬電路組件的一個(gè)示例，但本發(fā)明并不局限于電位計(jì)的調(diào)整。校準(zhǔn)控制器120與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備102之間的連接118可以包括用于雙向通信的接線。例如，可以提供與機(jī)動(dòng)致動(dòng)器160、162以及其相應(yīng)電位計(jì)190、192的位置相關(guān)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(shí)性的，由此，一旦校準(zhǔn)程序完成，則將接線118斷開。本文所述的電機(jī)，只不過是機(jī)動(dòng)致動(dòng)器的一個(gè)示例，并且可以采用其它配置。雖然描述了電流電平輸出，可以提供任何類型的設(shè)備輸出，其中輸出電路傳遞函數(shù)控制設(shè)備輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測(cè)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(cè)過程變量并提供傳感器輸出； 測(cè)量電路，被配置為:接收所述傳感器輸出，并提供與所述過程變量相關(guān)的測(cè)量輸出；輸出電路，被配置為:基于所述測(cè)量輸出在雙線過程控制環(huán)路上提供設(shè)備輸出，所述輸出電路具有傳遞函數(shù)，所述傳遞函數(shù)是可調(diào)整模擬電路組件的函數(shù)；以及 機(jī)動(dòng)致動(dòng)器，被配置為:調(diào)整所述可調(diào)整模擬電路組件，從而改變所述輸出電路的傳遞函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程變量變送器，其中，所述可調(diào)整模擬電路組件包括電位計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程變量變送器，其中，所述可調(diào)整模擬電路調(diào)整所述設(shè)備輸出的零點(diǎn)設(shè)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程變量變送器，其中，所述可調(diào)整模擬電路調(diào)整所述設(shè)備輸出的量程設(shè)定。
5.根據(jù)權(quán)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(cè)量電路和輸出電路位于所述變送器殼體中的隔絕密封的環(huán)境中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的過程變量變送器，其中，所述殼體包括隔板，并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(jù)權(quán)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(jī)動(dòng)致動(dòng)器的電連接穿過所述隔板延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程變量變送器，其中，所述機(jī)動(dòng)致動(dòng)器包括DC齒輪電機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程變量變送器，其中，所述設(shè)備輸出包括電流電平。
10.一種校準(zhǔn)控制器，被配置為:電耦合到根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程變量變送器并且控制所述機(jī)動(dòng)致動(dòng)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的校準(zhǔn)控制器，包括:電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的校準(zhǔn)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(jù)權(quán)利要求10所述的校準(zhǔn)控制器，其中，利用從所述雙線過程控制環(huán)路接收的電力向所述校準(zhǔn)控制器的電路供電。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的校準(zhǔn)控制器，包括:電流感測(cè)電路，被配置為感測(cè)所述設(shè)備輸出。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的校準(zhǔn)控制器，其中，所述機(jī)動(dòng)致動(dòng)器是基于所感測(cè)的電流來控制的。
【文檔編號(hào)】G01D18/00GK204027593SQ201420377130
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】納蘭·萊恩·維特 申請(qǐng)人:羅斯蒙特公司