过程变量变送器的制造方法
【专利摘要】一种用于测量工业过程中的过程温度的过程变量变送器包括红外探测器，所述红外探测器设置成接收来自工业过程中的过程部件的红外辐射。存储器容纳使得接收自所述过程部件的红外辐射与所述过程部件的内部温度相联系的温度特征表征信息。测量电路构造为基于接收到的来自所述过程部件的表面的红外辐射和所述温度特征表征信息而确定所述过程部件的内部温度。
【专利说明】过程变量变送器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种工业过程控制和监测系统。更具体地，本实用新型涉及一种 工业过程中的温度测量。
【背景技术】
[0002] 工业过程用在多种过程流体的制造和运动中以及用在包括发电的其他活动中。在 此种装置中，过程变量变送器用于测量过程流体的过程变量，诸如流量、水平、压强、温度 等。为了测量工业过程中的温度，典型地，温度传感器被热耦接到工业过程中的过程流体或 者部件。温度传感器的电气特性基于传感器的温度而改变。电气特性的这种改变能够与温 度相关。然而，存在一些工业过程，在这些工业过程中，温度太高以至于温度传感器的寿命 大大缩短。此外，温度传感器能够暴露于过程材料，这最终可能导致温度传感器退化或完全 失效。在这种情况下，需要更换温度传感器，这可能导致工业过程相当长的停工时间。 实用新型内容
[0003] 一种用于测量工业过程中的温度的过程变量变送器，包括红外探测器，所述红外 探测器布置成接收来自工业过程中的部件的红外辐射。存储器包含将接收自所述过程部件 的红外辐射与所述过程部件的内部温度相关联的温度特征表征信息。测量电路配置为基于 自所述过程部件的表面接收的红外辐射和所述温度特征表征信息而确定所述部件的内部 温度。
[0004] 根据本实用新型一方面，特征表征信息包括多项式系数。
[0005] 根据本实用新型一方面，过程变量变送器包括温度传感器，配置为直接感测所述 过程部件的内部温度。
[0006] 根据本实用新型一方面，测量电路以特征表征状态操作以基于通过所述温度传感 器感测的温度和接收到的红外辐射之间的关系产生特征表征信息。
[0007] 根据本实用新型一方面，在工业过程的起始期间进入所述特征表征状态。
[0008] 根据本实用新型一方面，所述测量电路以所述特征表征状态操作，直到所述温度 传感器失效。
[0009] 根据本实用新型一方面，测量电路响应一指令进入所述特征表征状态。
[0010] 根据本实用新型一方面，过程部件包括容纳过程流体的过程容器。
[0011] 根据本实用新型一方面，所述特征表征信息还是接收到的红外辐射的趋势的函 数。
[0012] 根据本实用新型一方面，在所述过程变量变送器的制造期间所述特征表征信息被 存储在存储器中。
[0013] 根据本实用新型一方面，所述特征表征信息能够由操作者选择。
[0014] 根据本实用新型一方面，过程变量变送器包括输出电路，配置为在过程控制回路 上提供确定的温度输出。
[0015] 根据本实用新型一方面，所述过程部件的内部温度包括容纳在所述过程部件中的 过程流体的温度。
[0016] 根据本实用新型一方面，过程变量变送器包括环境温度传感器，并且，其中，所确 定的内部温度进一步是所述环境温度的函数。
[0017] 根据本实用新型一方面，所述特征表征信息包括与所述环境温度相关的特征表征 信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是示出包括过程变量变送器的工业过程简图，其中该过程变量变送器具有用 于测量工业过程的温度的红外探测器。
[0019] 图2是示出随时间变化的温度和红外辐射幅度的曲线图。
[0020] 图3是示出图1的过程变量变送器的部件的简化框图。
[0021] 图4是示出根据一个示例实施方式的能够由在图3中示出的过程变量变送器执行 的步骤的简化框图。
【具体实施方式】
[0022] 如在【背景技术】中讨论的那样，工业过程中的过高温度能够破坏或极大地缩短温度 传感器的寿命和降低其精度。例如，在重质原料气化过程中，出于启动和运行时间的目的， 热电偶通常地用作温度传感器。然而，这些传感器可能经受2000°C高的温度，这将导致传感 器损坏且甚至在短时间内完全失效。除了过高的温度之外，过程中的诸如煤和焦炭等的重 质材料也能够引起温度传感器损坏。已知多种能够用于保护热电偶温度传感器免受过程回 路境的损坏的技术。一种这样的技术在2000年5月9日公开的标题为"带有蓝宝石热电偶 套管的温度探针"的US专利No. 6, 059, 453,在此专利中，通过蓝宝石壳使得温度传感器免 受过程回路境的损害。然而，即使具有此种保护，温度传感器的寿命也会由于过程中接触蓝 宝石壳的重质材料而少于四个月。在一方面，本实用新型通过使用遥控测量工业过程中的 温度的技术来解决这些问题。例如，红外探测器能够用于监控从诸如气化反应容器的过程 容器的外壁或表面发射出的红外辐射并且用于确定内部温度，如下详细所述的那样。
[0023] 图1是示出工业过程10的简图且示出了本实用新型的一个示例实施方式，该工业 过程10包括用于测量工业过程的温度的过程变量变送器12。变送器12通过两电缆过程 控制回路18而与诸如过程控制室16的另一位置通信。例如，回路18能够包括也能够用于 向变送器12供电的电流回路。根据适当的协议能够在回路18中传送数据，例如，在4mA至 20mA之间变化的模拟电流，数字信息被调制到4-20mA电流上的IIART?通信协议，基础场地 总线或现场总线通信协议等。过程控制回路18也可通过使用无线通信技术实现。无线通 信技术的一个示例是根据IEC 62591的无线IIARPSl信协议。标准的以太网、光纤连接或 其他的通信渠道也能够用于实现回路18。
[0024] 如图1所示，变送器12包括构造为例如从反应容器32的表面接收红外辐射104 的红外探测器100。反应容器32可包括例如用在煤的气化中的过程容器、核反应器、导管或 容器，或在使用期间经受高温的用在工业过程中的其他容器。变送器12连接到可选的温度 传感器20,该温度传感器布置成直接测量例如在反应容器32中运行的过程流体等的工业 过程的温度。可选的温度传感器20如下详细描述的那样能够用于执行反应容器32的温度 曲线的初始特征表征。温度传感器20能够包括例如热电偶，RTD或其他的温度传感器。
[0025] 如图1所示，变送器12包括红外探测器100,该红外探测器100构造为远程地检测 从例如反应容器32的外壁等的过程表面发射的红外辐射104。感测到的红外辐射能够与反 应容器32的内部温度相关联。在过程10的启动期间，能够执行特征表征，其中由温度传感 器20感测到的温度与感测到自反应容器32的外表面发射的辐射104相关联。例如，图2 是示出启动过程期间随时间变化的反应容器32中的内部温度50、反应容器32的外表面温 度52以及发射自反应容器32的外表面的红外辐射幅度54。注意到红外辐射幅度54可包 括由于反应容器32的环境温度和初始启动温度带来的初始偏差或偏移量56。如图2所示， 红外辐射幅度54与反应容器32的内部温度相关。基于此关系，在反应容器32的内部温度 和感测到的辐射之间可以找出关系。也可在此关系中使用可选的环境温度传感器40 (如图 3所示）以补偿感测到的红外辐射104中的环境温度的影响。这种关系可考虑到变化率的 不同、阻尼特性、稳定状态偏差以及回路境温度等，这些因素能够改变感测到的辐射104与 内部温度相关联的方式。通过在过程的初始启动期间使用传感器20直接测量过程温度可 以通过经验的方式大规模地获得这种关系的具体特征。一旦已经获悉这些特征，可以进行 红外测量，并且通过变送器12可以自动地应用补偿。该特征表征过程可以自动地执行并且 不需要操作者的太多的干预。一般地，如图2所示，反应容器32的温度与红外辐射的幅度 相关。然而，变送器12也可基于红外辐射的波长而操作。在一些配置中，也希望能够调整 传感器100以使之对特定的红外光谱敏感。
[0026] 如果采用可选的温度传感器20,使用该传感器20可获得直接的温度测量。可继续 该直接的温度测量直到传感器20最终失效或者在使用传感器20而获得的温度测量结果和 由红外探测器100获得的温度测量结果之间出现了很大的偏差。此外，在温度传感器20操 作期间，该附加信息能够用于执行对系统的诊断。此种诊断包括观察来自两个传感器的测 量结果之间的差异，记录出现在来自两个传感器中的一个的测量结果中的变化和图形，或 者比较来自两个传感器的测量结果的其他技术。
[0027] 图3是过程变量变送器12的简化框图，且示出了红外探测器100、可选的过程温度 传感器20和环境温度传感器40。变送器12包括微型处理器24,其根据存储在存储器26 中的指令以通过时钟28所确定的速率操作。通信电路（1/0)30用于与过程控制回路18通 信。在一些实施例中，电路30也通过将从过程控制回路18接收的电力提供给变送器12。 如图3所示，来自红外探测器100的输出被提供到处理电路102,该处理电路102可执行例 如放大探测到的红外信号、数字化信号、补偿、滤波等。数字化的输出被提供至微型处理器 24。此外，微型处理器24使用可选的过程温度传感器20测量容器32的内部温度。可选的 环境温度传感器40也被示出了且可用于测量过程环境中的环境温度以用于补偿通过使用 红外信号104的温度测量结果。
[0028] 图4是根据一个实施例的示例步骤150的简单框图。基于存储在图3示出的存储 器26中的指令例如使用微型处理器24可执行在图4中示出的多个步骤150。在图4中，该 过程在起始框152开始，其例如在过程启动资格过程期间能够被初始化。在框154中，获得 用于接收到的红外辐射104的值、使用温度传感器20测量的过程温度以及使用环境温度传 感器40测量的环境温度。在框156中，利用测量到的过程温度值将测量的红外和回路境温 度关联。例如使用确定多项式等式的系数的曲线拟合技术可执行该关联。这些系数可以被 存储在存储器26中。可以使用较高等级的多项式等式以提供更加精确的结果。在框158 中，通过传感器20测量的过程温度可以例如在过程控制回路18上作为输出被提供。在框 160中，估计过程温度传感器20的状态。例如，如果测量到开路状态、传感器的阻抗增加 或者观察到不稳定或不规律行为，那么可以探测到失效。如果传感器20已经失效，那么控 制过程可以返回到框154,并且继续进行特性描述和测量过程。框154-160操作为特性描 述（或学习）状态。特征表征状态可包括定时信息以对反应容器32的外表面相对于内部 温度达到平衡时的延迟做出解释。注意到，在此状态中，使用过程温度传感器20获得直接 的温度测量结果，因此不需要使用测量的红外辐射推断过程温度。在过程温度传感器20失 效之前，基于预定的时间段、失效或者时间段终结的组合或者一些其他的触发，可继续特征 表征状态。
[0029] 如果过程温度传感器20失效，或者如果由于一些其他原因退出补偿状态，那么控 制过程进行到框162。在框162中，使用红外探测器100来测量红外辐射以及使用环境温度 传感器40可测量环境温度。在框164中，检索或找出存储在存储器26中的特性描述信息 (诸如多项式系数）。基于这些特征表征信息，计算作为测量的红外辐射和感测的环境温度 值的函数的过程温度。在框168中，例如在过程控制回路18输出计算的过程温度。然后控 制过程可以返回到框162并且继续过程。
[0030] 如上所述，在过程温度确定中使用环境温度是可选的。然而，环境温度的测量可以 用于提高内部过程温度的估计或估值的精确度。此外，本实用新型不限于使用环境温度，在 过程温度确定中，也可使用任何附加的过程变量。可以使用其他的过程变量输入，包括附加 的温度输入、与流量或其他过程条件或状态相关的输入，与过程容器中的流体的类型或者 正在执行的特定过程步骤相关的信息等。可用于描述接收到的红外辐射104的其他信息包 括日期时间信息、年时间信息、与天气条件有关的信息、与环境红外辐射相关的信息等。
[0031] 在估计内部过程温度时可以使用任何适当的特征表征技术。上述的示例描述了使 用多项式的曲线拟合。另一示例配置包括使用神经网络或其他自学习算法。在此种配置 中，通过观察正常的操作训练特征表征算法。通过增加发生拖尾期间的持续时间可以获得 精度提高的神经网络和温度确定。还可以采用其他的特征表征技术，包括一维或多维查询 表、最小二乘法拟合和插值技术、样条拟合等。此外，特征表征过程可以在器件的制造期间 或者在其他时间被执行，并且被存储在存储器26中。在另一示例中，可以基于装置构造的 特定细节选择标准化的特征表征。例如这可以是通过选择被监控的反应容器的配置的特定 类型，反应容器和微波传感器100之间的距离、容器的诸如壁厚和热传导性等特定特征等。 在此种配置中，预定的特征表征信息可以被存储在存储器26中。在过程变量变送器12的 服役期间，操作者可以基于装置的具体细节选择预定的特征表征信息。通过增加操作者可 以选择的信息量可以获得精度更高的特征表征以提供实际装置的更加具体的模型化。操作 者通过使用本地操作界面（L0I)、通过利用过程控制回路18通信或经过其他的装置可以执 行这种特征表征的选择过程。
[0032] 虽然已经参考优选的实施例对本实用新型进行了说明，但是本领域的技术人员可 意识到在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下可对形式和细节做出改变。虽然在本文 中示出了反应容器，但是本实用新型可使用任何包括导管、容器、诸如电机或加热元件等的 部件、排气管等的过程容器。根据需要可选择特定的红外传感技术。单个元件可被采用且 被构造以作为点传感器操作，或者可以使用更复杂的装置，例如阵列等。通过监测来自反应 容器32的整个表面上或多个过程部件上的多个位置上的红外辐射可获得更加精确的温度 测量结果。使用如上所述的加权技术或其他的曲线拟合技术可组合上述的测量结果。基于 系统启动或基于接收自过程控制回路的指令或通过其他启动可以触发操作的校准或特征 表征状态。例如，在检测耦接到过程的可操作温度传感器后，可进行特征表征。温度传感器 20和40可使用包括局部总线、直接模拟线、包括独立的过程控制回路的延伸网络、无线连 接等的任何适当的技术与过程变量变送器12通信。例如，能够从诸如控制室的另一位置提 供环境温度信息。在一个示例中，附加的温度传感器信息可以用于执行诊断。例如，直接感 测到的温度的变化或者环境温度的变化以及基于接收到的红外辐射确定的温度的变化可 以与过程中的诊断状态或条件相关。红外辐射能够来自任何热源，典型地，从工业过程中的 部件的表面发射。辐射探测器的定位和方向可以根据需要选择。优选地，红外辐射探测器 与任何热源充分地隔开，从而不会被损坏。此外，通过保证红外辐射探测器具有对过程容 器的自由地或不受阻碍的视野可得到提高的精度。通过使用充分定向以使得只有来自感兴 趣的过程容器的辐射可以被接收的红外辐射探测器可以提高温度确定的精度。在红外辐射 探测器的周围的一部分或全部使用防护物或遮挡物，其可以用作阻挡来自其他热源的红外 辐射的屏蔽物或罩。
【权利要求】
1. 一种用于测量工业过程的过程温度的过程变量变送器，其特征在于，所述过程变量 变送器包括： 红外探测器，所述红外探测器布置成接收来自工业过程中的过程部件的红外辐射； 存储器，所述存储器包含将接收自所述过程部件的红外辐射与所述过程部件的内部温 度相关联的温度特征表征信息；以及 测量电路，所述测量电路配置为基于自所述过程部件的表面接收的红外辐射和所述温 度特征表征信息确定所述过程部件的内部温度。
2. 如权利要求1所述的过程变量变送器，其特征在于，所述特征表征信息包括多项式 系数。
3. 如权利要求1所述的过程变量变送器，其特征在于，包括温度传感器，配置为直接感 测所述过程部件的内部温度。
4. 如权利要求3所述的过程变量变送器，其特征在于，所述测量电路以特征表征状态 操作以基于通过所述温度传感器感测的温度和接收到的红外辐射之间的关系产生特征表 征信息。
5. 如权利要求4所述的过程变量变送器，其特征在于，在工业过程的起始期间进入所 述特征表征状态。
6. 如权利要求4所述的过程变量变送器，其特征在于，所述测量电路以所述特征表征 状态操作，直到所述温度传感器失效。
7. 如权利要求4所述的过程变量变送器，其特征在于，所述测量电路响应一指令进入 所述特征表征状态。
8. 如权利要求1所述的过程变量变送器，其特征在于，所述过程部件包括容纳过程流 体的过程容器。
9. 如权利要求1所述的过程变量变送器，其特征在于，所述特征表征信息还是接收到 的红外辐射的趋势的函数。
10. 如权利要求1所述的过程变量变送器，其特征在于，在所述过程变量变送器的制造 期间所述特征表征信息被存储在存储器中。
11. 如权利要求1所述的过程变量变送器，其特征在于，所述特征表征信息能够由操作 者选择。
12. 如权利要求1所述的过程变量变送器，其特征在于，包括输出电路，配置为在过程 控制回路上提供确定的温度输出。
13. 如权利要求1所述的过程变量变送器，其特征在于所述过程部件的内部温度包括 容纳在所述过程部件中的过程流体的温度。
14. 如权利要求1所述的过程变量变送器，其特征在于，包括环境温度传感器，并且，其 中，所确定的内部温度进一步是环境温度的函数。
15. 如权利要求14所述的过程变量变送器，其特征在于所述特征表征信息包括与环境 温度相关的特征表征信息。
【文档编号】G01J5/00GK204188265SQ201420426405
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】杰森·哈洛德·鲁德 申请人:罗斯蒙特公司