具有电子校准的模拟过程变量变送器的制造方法
【专利摘要】一种用于测量过程变量的过程变量变送器，包括：过程变量传感器，被配置为感测过程变量并提供传感器输出。测量电路接收传感器输出并提供与过程变量相关的测量输出。输出电路基于测量输出在双线过程控制环路上提供设备输出。输出电路具有传递函数，所述传递函数是可调整模拟电路组件的函数。机动致动器被配置为调整所述可调整模拟电路组件，从而改变输出电路的传递函数。还提供可选的校准控制器。
【专利说明】具有电子校准的模拟过程变量变送器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在工业过程的控制和监视中使用的类型的模拟过程变量变送器。更具体地，本发明涉及这种模拟变送器的校准。
【背景技术】
[0002]双线变送器在工业过程控制系统中广泛使用。双线变送器包括在电流环路中与电源和负载一起连接的一对端子。能够通过流经电流环路中的环路电流来给双线变送器供电，并且根据所感测的参数或条件来改变环路电流的幅度。通常，变送器包括被封闭在密封的壳体中的通电电路，使得由来自通电电路的故障或火花导致的任何可燃气氛通过来自通电电路的故障或火花的点火被包含在壳体中。
[0003]虽然各种各样的工作范围是可能的，一个广泛使用的双线变送器输出根据所感测的过程变量从4到20毫安(mA)变化。双线变送器一般提供对变送器输出的调整，以使所感测的参数的最小或零值对应于最小输出(例如，4毫安的环路电流)，而将感测的最大参数值对应于最大输出(例如，20毫安)。这被称为零点和量程(span)调整。
[0004]最小和最大参数值将从一个工业过程装置到另一个工业过程装置变化。因此，期望提供一些用于在现场设定(校准)最大和最小输出电平的装置。在使用模拟电路实现的变送器中，这通常通过密封在壳体中的通电零点和量程电位计来进行。对于某些变送器，必须去除壳体盖以操作电位计。这使变送器周围的气氛暴露给变送器中的带电电路。然而，各种技术可用于调整电位计，同时相对于变送器中的带电电路密封变送器周围的可能的爆炸性气氛。在一些变送器中，用于调整电位计的旋转调整轴紧密配合穿过壳体中的孔，以提供长的火焰路径用于在壳体中的点火到达壳体周围的气氛之前将其熄灭。在另一布置中，电位计被机械地耦合到比较大的磁棒，该磁棒然后由带电电路的外壳外部的另一个磁棒磁性转动。这种磁棒的布置可能具有机械迟滞的缺点，使得精确的量程和零点设定困难。致动开关也用于在变送器中设定量程和零点，这种开关需要穿过变送器的壳体的壁的开口，以提供到开关的机械耦合。
[0005]因此，经常难以调整密封在变送器壳体内的零点和量程电位计。潜在的泄漏路径必须被密封，这在必须在浸没核环境中操作的过程变量变送器可能是特别成问题的。这些配置还对过程变量变送器的设计、封装和大小增加限制。
【发明内容】
[0006]一种用于测量过程变量的过程变量变送器，包括:过程变量传感器，被配置为感测过程变量并提供传感器输出。测量电路接收传感器输出并提供与过程变量相关的测量输出。输出电路基于测量输出在双线过程控制环路上提供设备输出。输出电路具有传递函数，所述传递函数是可调整模拟电路组件的函数。机动致动器被配置为调整所述可调整模拟电路组件，从而改变输出电路的传递函数。还提供可选的校准控制器。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是示出了用于监视或控制工业过程的系统的示例的简化图。
[0008]图2是根据一个示例性实施例包括用于执行量程和零点调整的电控致动器的工业过程变量变送器的简化框图。
[0009]图3是示出了连接到配置控制器的图2的电控量程和零点致动器的简化电学示意图。
[0010]图4是过程变量变送器的另一个示例性实施例的透视图。
【具体实施方式】
[0011]有许多实例，其中过程变量变送器必须使用模拟电路来实现。在模拟电路实现的过程变量变送器的缺点之一是，它们可能需要使用可调整模拟电路组件，例如量程和零点可变电阻器(“pot”或电位计)来手动校准。在一些现有技术的配置中，使用穿过变送器的电子设备壳体露出的螺钉来操作这些电位计。这在电子设备的大小、位置和穿过壳体的潜在的泄漏路径方面增加了变送器配置的额外的设计限制。
[0012]在本发明的一个说明性示例中，使用不需要通过变送器壳体中的开口操作的可调整模拟电路组件来实现模拟过程变量变送器。在具体示例中，使用电控校准技术从变送器壳体内调整电位计。例如，可以使用内部电机来调整电位计。这种配置还允许远程和/或使用校准软件来执行对过程变量变送器的校准。此外，这种电子控制的校准降低了设计上的限制，并允许实现能够将所有的电子设备完全封闭在焊接的、紧凑的外壳中的架构。这也允许对电学组件可靠性的优化并改善变送器对振动和地震活动的鲁棒性。
[0013]图1是示出了工业过程控制器监视装置100的简化示例图，其中过程变量变送器102耦合到过程管道104。过程变量变送器102包括过程变量传感器(图1中未示出)，用于感测过程管道104中的过程流体的过程变量。示例性过程变量包括压力、温度、流速、浊度、水平、pH等。
[0014]基于所感测的过程变量，过程变量变送器102与远程位置例如中央控制室106通过双线过程控制环路108通信。控制室106以简化的方式示出为电阻106A和电源106B。双线过程控制环路108被配置为向过程变量变送器102供电以及从过程变量变送器102承载通信。(但是，也可以通过其它方式传递电力)。在一个示例性实施例中，过程控制环路108上的电流电平代表所感测的过程变量。例如，可以实现4到20毫安的电流环路，其中4毫安的电流电平指示零读数，20毫安的电流电平指示满刻度读数。为了准确地解释电流电平，必须通过校准过程来设定输出电流的“零点”和“量程”。零点设定对应于将导致4毫安的输出的过程变量读数，量程设定与所感测的过程变量的最大范围相关，从而最大的所感测过程变量值将导致过程控制环路108上的20毫安的电流电平。如在【背景技术】部分中讨论，可以使用穿过过程变量变送器102的壳体110的开口来调整模拟型过程变量变送器中的这种零点和量程设定。
[0015]图1还示出了通过接线118耦合到过程变量变送器102的校准控制器120的一个实施例。如以下更详细地解释，校准控制器120包括零点调整开关122、量程调整开关124和电机速度控制器126。使用开关122和124来给变送器102内的电机(图1中未示出)通电，所述电机分别控制从变送器102输出的电流的零点和量程设定。此外，使用电机速度控制器126来调整内部调整电机操作的速率，包括正向或反向方向。例如在变送器102的安装和调试期间，校准控制器120可以临时耦合到过程变量变送器102并由服务人员操作。在另一个示例性配置中，开关122和124是三位置开关，具有正向、关闭和反向位置。在这种配置中，电机速度控制器126并不需要能够反转电机的方向。
[0016]图2是图1所示的过程变量变送器102的简化框图。过程变量变送器102包括过程变量传感器140。在图2的示例性实施例中，传感器140被配置为差压传感器，被配置为感测所施加的压力P1和P2之间的压力差。这种差压可能与例如流经图1所示的过程管道104的过程流体的流速相关。测量电路142包括耦合到过程变量传感器140的振荡器和振荡器控制器144和146。根据已知的技术，过程变量传感器可以包括响应于所施加的压力P1和己而变化的电容。振荡器144的频率可以与所感测的压力相关并且提供为到输出电路150的测量电路输出。输出电路150包括电流控制电路152，其基于测量电路输出控制流经双线过程控制环路108的电流I。零点和量程调整电路156控制输出电路150的传递函数，并包括示出为由相应零点和量程致动器电机160和162操作的电位计190、192(在图3中示出)的可调整模拟电路组件。零点和量程调整电路改变输出电路150的传递函数，并且控制施加到过程控制环路108的电流如何与测量电路输出相关。虽然只具体示出了量程和零点，可以使用这种技术来调整传递函数的任何方面，包括例如施加到电流环路108的所测量的过程变量的衰减。电压调节器158被配置为使用从过程控制环路108得到的电力，给测量电路142和输出电路150供电。
[0017]如图2所示，壳体110提供由内部隔板170或类似物划分的内部隔室，由此腔172与外部过程环境隔离。通过隔板170提供电连接，用于连接过程控制环路108。提供用于耦合到图1所示的校准控制器120的接线118的额外的零点和量程连接。接线盒组件168承载连接器，用于将输出电路150耦合到过程控制环路108，并且用于将校准控制器120分别电连接到零点和量程致动器电机160、162。这些连接可以包括例如螺钉接线端、插头转接器等。这允许可以通过到变送器的隔绝密封的连接器接口来电控制内部电机。一般地，在已经执行零和量程调整之后，将校准控制器120从过程变量变送器102和接线盒组件168断开。
[0018]图3是示出了通过接线118耦合到电机(机动致动器)160和162校准控制器120的简化框图。虽然接线118被示为两个单独的线，可以使用任意数量的线来耦合到机动致动器160和162。如图3所示，校准控制器120包括电机驱动电路180，其由可选的电源182供电。电机驱动电路180向量程选择电路184和零点选择电路186提供电机驱动输出。量程和零点选择电路184、186由操作者分别使用开关122和124选择。
[0019]在操作过程中，操作者通过使用速度控制器126选择期望的速度并且分别使用开关122、124来选择要致动的期望的机动致动器160、162，来控制校准控制器120。这使机动致动器160、162中的一个或两个转动，从而分别调整零点和量程电位计190、192。一般地，通过旋转耦合到使电阻变化的可滑动接触件的轴来调整电位计。然而，可以使用任何电位计配置，包括其中采用线性滑动件的线性致动电位计。为了校准变送器102，操作者可以监视流经环路108的电流，同时调整电位计190、192，以获得期望的环路电流电平。例如，零或低流条件可以应用到图2所示的过程变量传感器140，并且可以将流经环路108的电流调整到最小电平，例如4毫安。可以执行类似的调整以调整电流电平的量程，使得最大的过程变量测量将在环路108上产生20毫安的电流电平。
[0020]致动器电机160和162可以根据任何适当的技术。电机可以基于所施加的AC或DC信号操作，并且还可以包括可选的齿轮(gearing)机构用于更精细地控制电位计190、192。可以采用内部控制或反馈机构以提供伺服电机配置，以进行更精确的控制。在另一个具体示例中，可以以例如3到5RPM之间的低RPM速率来实现DC齿轮电机。机动致动器配置的其它示例包括步进电机型配置或旋转螺线管。然而，本发明并不限于这些配置。
[0021 ] 图3还示出了校准控制器120中的可选的电流感测电路200，其耦合到过程控制环路108。这可以例如使用其中测量跨越承载环路电流的电分路的电压电平的分路连接。电流感测电路200可以包括显示器，由此操作者可以观察到流经过程控制环路的电流电平。在另一个示例性实施例中，电流感测电路200包括用于自动执行零点和量程调整的自动调整电路。可以例如在校准控制器120中的微处理器或类似物中实现这种配置。这些组件被示出为可选的组件202。这些可选的组件包括显示电路、数字处理电路(例如微处理器)、数模或模数转换电路、存储器等。此外，由于一些校准过程需要较长时间才能完成，这种自动校准过程可能是期望的，因为它不需要操作者直接监督和控制。采用软件控制的配置也可以实现更精确和可重复的校准。该配置允许使用例如手持式设备对变送器进行远程校准。利用足够长的接线118，即使当变送器102位于不可接近的或以其它方式不期望的位置(例如在浸没区域、高温区域、放射性区域、高架区域、水坑区域等)时，仍可以对其进行校准。
[0022]在另一个示例中，使用到过程控制环路108的可选连接来给校准控制器120的电路供电。在这种配置中，用从过程控制环路108接收的电力给机动致动器160、162供电。
[0023]在另一个示例性配置中，校准控制器120使用可选电源182给过程变量变送器102供电。在这种配置中，将电力提供到用于耦合到过程控制环路108的接线盒连接器168，由此，由可选电源182和可以包含在电源182中的负载电阻提供本地过程变量环路。这允许在无需将变送器102耦合到过程控制室106的情况下校准过程变量变送器102的量程和零点。
[0024]通过消除现有技术的零点和量程调整螺钉，变送器102的新的设计配置是可能的。例如，可以制造完全封闭的变送器102从而优化可靠性。这种配置完全浸没，并提供防止环境气体进入电子设备壳体的能力，从而提高变送器的性能。这种配置还减小变送器的大小，并允许配置内部电子设备和其它组件的更大的自由度。
[0025]图4示出了一旦消除对可从外部操作的调整螺钉的需要则可以实现的过程变量变送器220的一个示例性设计配置。在图4中，过程变量变送器220被制作为长管222的形式的信号外壳。管222的一端包括过程连接224，而管224的另一端包括电连接器226。电连接器226用于耦合到过程控制环路108，以及耦合到校准控制器120。
[0026]虽然已参照优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员将认识到，可以进行形式和细节上的改变而不脱离本发明的精神和范围。本文讨论的电位是可调整的模拟电路组件的一个示例，但本发明并不局限于电位计的调整。校准控制器120与现场设备102之间的连接118可以包括用于双向通信的接线。例如，可以提供与机动致动器160、162以及其相应电位计190、192的位置相关的位置信息。到接线118的接线盒组件168的连接可以是例如通过接线螺钉连接、插头连接等。一般地，连接是临时性的，由此，一旦校准程序完成，则将接线118断开。本文所述的电机，只不过是机动致动器的一个示例，并且可以采用其它配置。虽然描述了电流电平输出，可以提供任何类型的设备输出，其中输出电路传递函数控制设备输出。
【权利要求】
1.一种用于测量过程变量的过程变量变送器，包括: 过程变量传感器，被配置为:感测过程变量并提供传感器输出； 测量电路，被配置为:接收所述传感器输出，并提供与所述过程变量相关的测量输出；输出电路，被配置为:基于所述测量输出在双线过程控制环路上提供设备输出，所述输出电路具有传递函数，所述传递函数是可调整模拟电路组件的函数；以及 机动致动器，被配置为:调整所述可调整模拟电路组件，从而改变所述输出电路的传递函数。
2.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述可调整模拟电路组件包括电位计。
3.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述可调整模拟电路调整所述设备输出的零点设定。
4.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述可调整模拟电路调整所述设备输出的量程设定。
5.根据权利要求1所述的过程变量变送器，包括:变送器壳体，其中，所述测量电路和输出电路位于所述变送器壳体中的隔绝密封的环境中。
6.根据权利要求5所述的过程变量变送器，其中，所述壳体包括隔板，并且所述变送器输出是通过穿过所述隔板延伸的电连接提供的。
7.根据权利要求5所述的过程变量变送器，其中，所述壳体包括隔板，其中，到所述机动致动器的电连接穿过所述隔板延伸。
8.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述机动致动器包括DC齿轮电机。
9.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述设备输出包括电流电平。
10.一种校准控制器，被配置为:电耦合到根据权利要求1所述的过程变量变送器并且控制所述机动致动器。
11.根据权利要求10所述的校准控制器，包括:电机驱动控制器。
12.根据权利要求10所述的校准控制器，包括:可选电源，被配置为向所述过程变量变送器供电。
13.根据权利要求10所述的校准控制器，其中，利用从所述双线过程控制环路接收的电力向所述校准控制器的电路供电。
14.根据权利要求10所述的校准控制器，包括:电流感测电路，被配置为感测所述设备输出。
15.根据权利要求14所述的校准控制器，其中，所述机动致动器是基于所感测的电流来控制的。
【文档编号】G01D18/00GK204027593SQ201420377130
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】纳兰·莱恩·维特 申请人:罗斯蒙特公司