工业仪表和工控系统的制作方法

本实用新型涉及工控操作用的工业仪表，具体涉及包括电阻测温器 (RTD)的工业仪表及相关的工控系统。

背景技术：

本部分的内容仅提供了与本公开相关的背景信息，其可能并不构成现有技术。

工业仪表是现场工控操作中的常用设备。涉及温度测量时，可以为工业仪表布置电阻测温器(Resistor Temperature Detector，下文简称 RTD)来进行温度测量。RTD是众多测温方法中相对精确的一种方法，其可以用来测量各种生产过程中的流体介质的温度。RTD器件的电阻与被测介质的温度具有确定的函数关系，通过RTD器件测出的电阻值，可以获得被测介质的温度。

两线制测量法是一种常用的RTD测温方法。在此方法中，利用两根线缆将RTD器件与激励电源相连，通过激励电源向RTD器件提供电流，并在激励电源的接线处测量电压，从而获得RTD器件的电阻。这种方法简便且节省布线，但是存在测量精度的问题。利用这种方式测量 RTD电阻时，测得的RTD电阻值中会包含线缆自身的阻值，从而与RTD 器件的真实阻值不同，因而影响测量精度。在远程工业仪表应用中这种问题更加突出，因为所需的线缆长度会很长，导致线缆电阻对所测得的 RTD电阻值的干扰会更大。

因此，需要提出一种能够解决上述问题的方案。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是提供一种工业仪表，其能够进行高准确度的温度测量。

本实用新型的另一个目的是提供一种工业仪表，其布线简单，可以降低布线成本，并减少布线空间。

本实用新型的又一个目的是提供一种包括根据本实用新型上述方面的工业仪表的工控系统。

本实用新型的再一个目的是提供一种工业仪表用的RTD测温方法，其能够进行高准确度的温度测量。

上述目的中的一个或多个可以通过下述的工业仪表实现，其包括允许流体经过的第一仪表、以及用于测量流经第一仪表的流体的温度的 RTD测温装置，RTD测温装置包括：RTD器件，其布置为与流体直接接触，或者布置为与流体流经的管道的管壁接触，以提供与流体的温度相关的电阻测量值；线缆，其与RTD器件相连以传输电力和信号；温度传感器，其布置为提供与线缆所处的环境温度相关的感测温度值；校正装置，其与RTD器件和温度传感器通信连接，以基于感测温度值提供代表线缆电阻的电阻校正值，并且基于电阻测量值和电阻校正值提供用于计算流体温度的RTD电阻真实值。

采用上述方案，可以利用与环境温度相关的温度值来校正RTD器件的测量电阻，从而实现高准确度的温度测量。上述方案不需要额外的布线来校正RTD器件的测量电阻，可以节省布线成本和占用的空间。并且，由于与环境相关的温度容易获得，因此上述方案具有良好的实用性。

优选地，温度传感器布置为直接感测环境温度，感测温度值为环境温度值。

优选地，校正装置包括：校正值确定模块，其基于自温度传感器提供的环境温度值确定电阻校正值；阻值确定模块，其基于自RTD器件提供的电阻测量值以及自校正值确定模块提供的电阻校正值确定RTD电阻真实值。

优选地，温度传感器布置为间接感测环境温度，感测温度值与环境温度值之间具有确定性关系。

优选地，校正装置包括：温度转换模块，其基于自温度传感器提供的仪表温度值确定环境温度值；校正值确定模块，其基于自温度转换模块提供的环境温度值确定电阻校正值；阻值确定模块，其基于自RTD器件提供的电阻测量值以及自校正值确定模块提供的电阻校正值确定RTD电阻真实值。

优选地，上述工业仪表还包括经由线缆与第一仪表连接的第二仪表，温度传感器布置为感测第二仪表内的温度作为仪表温度值，并且通过仪表温度值来确定环境温度值。

优选地，校正装置布置在第二仪表中。

优选地，温度传感器和校正装置集成在第二仪表中的电路板上。

优选地，温度传感器为集成在第二仪表中的电路板上的温敏电阻，温敏电阻检测电路板本身的温度。

优选地，温敏电阻还用于向监控系统输出电路板的温度以在电路板的温度大于预定值时发出报警信号。

优选地，RTD器件为布置在第一仪表中的感温探头或感温阻片。

优选地，RTD器件和线缆形成为一体件。

优选地，线缆为铜线线缆。

优选地，RTD测温装置还包括温度计算装置，温度计算装置基于自校正装置提供的RTD电阻真实值来计算流体温度。

优选地，温度计算装置整合在校正装置中。

优选地，工业仪表还包括与第二仪表相连的第三仪表。

优选地，工业仪表为流量计，其中第一仪表为流量传感器，第二仪表为变送器。

根据本实用新型的另一方面还提供了一种工控系统，其包括本实用新型上述方面的工业仪表、以及为工业仪表供电的电源和与工业仪表通信连接的控制设备。

根据本实用新型的又一方面还提供了一种工业仪表用的RTD测温方法，其中工业仪表包括允许流体经过的第一仪表，此RTD测温方法包括以下步骤：

a)通过与第一仪表关联的RTD器件和与RTD器件连接的线缆提供与流体的温度相关的电阻测量值；

b)通过温度传感器提供与线缆所处的环境的温度相关的感测温度值；

c)通过校正装置基于感测温度值提供代表线缆电阻的电阻校正值，以校正电阻测量值，进而基于电阻测量值和电阻校正值来获得用于计算流体温度的RTD电阻真实值。

优选地，感测温度值为与第一仪表相连的第二仪表内的仪表温度值，上述步骤c)进一步包括：

c1)基于仪表温度值确定环境温度值；

c2)基于环境温度值确定电阻校正值；

c3)基于电阻校正值和电阻测量值确定RTD电阻真实值。

在下文的详细描述中能够进一步了解根据本实用新型的各种实施方式。

附图说明

通过以下参照附图的描述，本实用新型的一个或几个实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，其中：

图1示出了采用根据本实用新型实施方式的工业仪表的工控系统的示意性结构框图；

图2示出了根据本实用新型实施方式的RTD测温装置的示意性结构框图；

图3是示出了环境温度与线缆电阻之间的关系的图表；

图4是示出了环境温度与电路板温度的关系的图表；

图5是示出了RTD电阻值与流体温度的关系的RTD器件规格图；

图6以截面图示出了根据本实用新型实施方式的RTD器件；

图7为图6中的RTD器件的局部放大图；

图8为图6中的RTD器件的侧视截面图；

图9示出了采用根据本实用新型实施方式的工业仪表的工控系统的一个实施方式；以及

图10示出了采用根据本实用新型实施方式的工业仪表的工控系统的另一个实施方式。

具体实施方式

下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的，而绝不是对本实用新型及其应用或用法的限制。在各个附图中采用相同的附图标记来表示相同的部件，因此相同部件的构造将不再重复描述。

下面参照图1至图10来描述根据本实用新型的实施方式的工业仪表，将主要描述工业仪表中的RTD测温装置及其测温方法。需要说明的是，在附图中，一幅图可以是综合性的，即，将可能的多种实施方式在一幅图中体现，不同实施方式之间以实线框和虚线框来区分。

图1中示出了包括根据本实用新型实施方式的工业仪表的工控系统的框架图。此工控系统的主体部分包括以点划线框指示的工业仪表100、以及电源200和控制设备300。具体地，工业仪表100可以包括第一仪表 110以及经由线缆160与之相连的第二仪表120。并且，可选地，根据本实用新型实施方式的工业仪表100还可以包括也与第二仪表120相连的第三仪表170，其在图1中以虚线框指示。因此，图1中示出的是根据本实用新型的工业仪表100的一个示例性的综合性实施方式。依据不同的设计要求，根据本实用新型实施方式的工业仪表100可以只包括第一仪表110，第二仪表120和第三仪表170都是可选的构成部分，在此情况下，电源200 和控制设备300可以直接与第一仪表110相连。

特别地，根据本实用新型实施方式的工业仪表100包括用于测量流经第一仪表110的流体(气体或液体)的温度的RTD测温装置101。图2示意性地示出了根据本实用新型的一个实施方式的RTD测温装置101的结构框图，其中以点划线框指示的部分代表RTD测温装置101。如图2所示， RTD测温装置101主要包括RTD器件130、温度传感器140和校正装置 150，并且还可以包括用于向RTD器件130提供激励电流并传输信号的线缆160(参见图1，图2中未示出)。

具体地，RTD器件130用来提供与流体温度相关的RTD电阻测量值R_测，RTD器件130可以布置为与流经第一仪表110的流体直接接触，或者布置为与流体流经的管道的管壁接触，以提供此电阻测量值R_测。比如， RTD器件130可以布置成与第一仪表110内的流体管道的管壁接触，或者布置为与第一仪表110外部的流体管道的管壁接触。线缆160可以布置成与RTD器件130相连以传输电力和信号。电力可以来自外部电源200，或者可以来自另外的仪表(在工业仪表100包括多个仪表的情况下)内部的电子器件，比如电路板。温度传感器140布置为提供与线缆160所处的环境的温度相关的感测温度值，此感测温度值可以是直接测得的环境温度值也可以是与环境温度具有确定性关系的其他温度值。比如，感测温度值与环境温度值之间的确定性关系可以为映射关系、线性关系、曲线关系等。校正装置150用来基于感测温度值对RTD电阻测量值R_测进行校正，为此，校正装置150布置成与RTD器件130和温度传感器140通信连接，以便接收RTD电阻测量值R_测和感测温度值，进而基于感测温度值提供电阻校正值R_校，并基于电阻测量值R_测和电阻校正值R_校提供RTD电阻真实值 R_真，利用此RTD电阻真实值R_真可以准确地计算流经第一仪表110的流体的温度，从而消除线缆160自身电阻带来的误差，提高测量精度。

本实用新型背景技术中已经指出RTD检测电阻的误差主要来源于连接线缆自身的电阻。为了消除线缆电阻的这种影响，需要从RTD电阻检测值R_测中去除带来误差的线缆电阻，这要求采用特定方式测量出线缆电阻。目前存在的一种方案是利用单独的电力线路测量线缆电阻，比如，业内所知的三线制和四线制RTD测温方法。然而三线制和四线制RTD 测温方法要求增加与连接线缆的长度相当的额外布线，额外的布线不仅会占用空间，还会增加布线成本。另一种方案是采用两线制RTD测温方法，但要预先测出线缆电阻，并以基于此线缆电阻来校正RTD电阻值。然而，在实际应用中，工业仪表的使用环境的温度不是一成不变的，工况变化或四季更替都会导致环境温度发生变化，环境温度的变化会导致线缆电阻也随之变化。利用两线制RTD测温时，校正用的线缆电阻不能实时更新，因此不能消除因环境温度带来的测量误差。

本实用新型上述实施方式中的RTD测温装置101则能够解决这些问题，不仅能够提供与三线制和四线制测量相当的测量精度，而且无需增加额外的布线，节约了布线成本。本发明人在研究影响RTD电阻的各种因素时发现，环境温度与线缆电阻之间存在确定的关系，并相应地影响RTD的测量电阻。下面的表格1示出了环境温度对线缆电阻和所测流体温度的影响的一个示例。

表格1

从表格1中可以看出，如果以25℃作为环境温度的参考值，则向低温变化和向高温变化都会导致线缆电阻不同程度的误差，从而导致流体测量温度的不同程度误差。图3的图表示出了环境温度与线缆电阻之间的确定性关系的一个示例，X轴表示环境温度，Y轴表示线缆电阻，从图3的示例中可以看到线缆电阻与环境温度之间大致成线性关系。由此，本发明人提出了一种新的获得线缆电阻误差的方案：利用温度传感器获得与线缆所处的环境温度相关的温度值，进而基于此温度值来获得线缆电阻值，然后从RTD电阻检测值R_测中去除此线缆电阻值(即，线缆的电阻校正值R_校) 来获得真实的RTD电阻值R_真。

本实用新型提出的这种方案对于远程工业仪表是特别有利的。在利用远程工业仪表的情况下，用于连接仪表的连接线缆经常长达几十米甚至上百米，如果增加与连接线缆的长度相当的额外布线，则不仅会占用空间，还会显著增加布线成本。本实用新型的实施方式中提出的方案设计为基于环境温度获得线缆电阻值，不需要额外的布线，只需要布置用于提供环境温度的温度传感器即可。根据本实用新型实施方式的上述 RTD测温装置101实际上综合了三线制/四线制测温方式与二线制测温方式的优点，提供了一种准确度高、成本低廉且便利实用的RTD温度测量方案。

上文是对根据本实用新型实施方式的RTD测温装置101的原理和基本构造方式的说明，下面将进一步说明RTD测温装置101的多种实施方式。

根据根本实用新型的一个实施方式，RTD测温装置101的温度传感器 140布置为直接感测环境温度，在此情况下，感测温度值即为环境温度值 T_环。在这种实施方式中，温度传感器140可以布置在工业仪表100的任何位置处，只要能够获得线缆所处的周围环境的温度即可。

基于这种实施方式，校正装置150可以构造为包括校正值确定模块152 和阻值确定模块153，图2中示出了这两个模块以及相应的信号流向。校正值确定模块152配置成基于来自温度传感器140的环境温度值T_环来确定电阻校正值R_校。阻值确定模块153基于自RTD器件130提供的电阻测量值R_测以及来自校正值确定模块152的电阻校正值R_校来确定RTD电阻真实值R_真。

在另一种实施方式中，温度传感器140可以布置成与工业仪表100的组成部分关联，并基于此关联部分的温度来提供环境温度。提出这种实施方式是因为本发明人注意到环境温度与工业仪表100的温度之间存在确定的关系。

例如，在根据本实用新型的一个实施方式中，工业仪表100除了第一仪表110外，还包括经由线缆160与第一仪表110连接的第二仪表120，如图1中所示。本发明人注意到第二仪表120内的温度与环境温度之间存在确定性的关系，图4示出了这种关系的一个示例，其中X轴表示仪表温度，Y轴表示环境温度，图中示出第二仪表120内的温度与环境温度之间大致成线性关系。在这种情况下，可以基于第二仪表120内的温度来获得环境温度。为此，可以将温度传感器140布置为感测第二仪表120内的温度，则感测温度值为仪表温度值T_仪表。温度传感器140可以布置在第二仪表120内的任何适当的位置处。

基于这种实施方式，校正装置150可以基于上面描述的构造方式进行改型。除了校正值确定模块152、和阻值确定模块153，这种实施方式的校正装置150还包括温度转换模块151。温度转换模块151用来将温度传感器140测得的仪表温度值T_仪表转换为环境温度值T_环。进而，校正值确定模块152基于温度转换模块151提供的环境温度值T_环确定电阻校正值R_校，阻值确定模块153基于电阻测量值R_测以及电阻校正值R_校确定RTD电阻真实值R_真。图2中也示出了校正装置150的这种构造方式，其中可选的温度转换模块151以虚线框示出。

在上面两种实施方式中，在获得了RTD电阻真实值R_真后，根据图5 中的RTD器件规格图来基于RTD电阻真实值R_真获得对应的流体温度值。由于消除了线缆电阻的影响，此时RTD电阻与流体温度之间将具有理想的对应关系。

另选地，根据本实用新型的原理，RTD测温装置101还可以包括专门的温度计算装置154，此温度计算装置154基于校正装置150(具体地，阻值确定模块153)提供的RTD电阻真实值R_真来计算流体温度。

优选地，温度计算装置154可以整合在校正装置150中，如图2所示。

进一步，根据本实用新型的原理，校正装置150可以构造为独立的部件，或者可以整合在第一仪表110或第二仪表120中。在温度传感器140 布置在第二仪表120的实施方式中，校正装置150可以也布置在第二仪表 120中。图1示出了温度传感器140和校正装置150都布置在第二仪表120 中的构型，由于温度传感器140和校正装置150也可以构造为独立的部件，因此图1中以虚线框示出了温度传感器140和校正装置150。

在温度传感器140和校正装置150都布置在第二仪表120中的情况下，在一个便利的实施方式中，温度传感器140和校正装置150可以直接集成在第二仪表120的电路板上。特别地，温度传感器140为集成在第二仪表 120中的电路板上的温敏电阻，此温敏电阻用来检测电路板本身的温度以作为仪表温度值T_仪表。优选地，温敏电阻还可以设计成用于向控制设备300 输出第二仪表120的电路板的感测温度以在电路板的温度大于预定值时发出报警信号。校正装置150和/或校正装置的各个部件或模块(例如上述的 151、152、153和154等)可以以单个或多个集成电路或专用电路的形式形成在电路板上。此外，根据本实用新型的原理，校正装置150可以以软件或程序代码的形式实现，此时，校正装置150可以是在控制设备300中运行的计算机程序。

图1中还示出了RTD器件130可以布置在第一仪表110内，以测量流经第一仪表110的流体温度。具体地，RTD器件130可以布置为第一仪表 110内的感温探头，例如，可以是PT100型的感温探头。当然，RTD器件 130也可以是其他感温器件，比如感温阻片。并且RTD器件130可以布置在第一仪表110附近，而非必须布置在其内部，因此图1中以虚线框指示 RTD器件130。

此外，图1中还示出了可选的第三仪表170，第三仪表170内可以布置相应的RTD器件180。

对于本实用新型RTD器件130，其可以采用常规的RTD器件。图6 示出了RTD器件130的一种实施方式。

如图6中所示，RTD器件130包括端头部131、从端头部131引出的两根引线132、133、以及包覆在端头部131和引线132、133外部的绝缘保护层134。图7和图8示出了端头部131的放大截面图。图中示出了端头部131包括感温阻片131a和布置在感温阻片131a外部的包封部131b。例如，感温阻片131a可以由铂制成，引线132、133可以为镀银的铜线，并且包覆有聚四氟乙烯(PTFE)绝缘层。这种RTD器件130的操作温度范围为-200℃～200℃之间。

在实际使用时，将RTD器件130的引线132、133连接至线缆160，具体地，连接至线缆160中的用于RTD器件的子线缆。通常，线缆160 中可以包括多条子线缆，用于传输来自不同器件的信号以及电力。具体地，线缆160可以为铜线线缆。在一种便利的实施方式中，RTD器件130和线缆160可以形成为一体件，这种情况下，线缆160可以包括两根子线缆，用于分别连接至RTD器件130的引线132、133。

需要说明的是，上文提及的表格1以及图3至图5中示出的表格和图表都是基于特定材料的引线160和RTD器件130获得的，比如，表格1 和图3基于30米长的铜制线缆获得，图4的图表基于820型电路板获得，图5中的图表基于PT100型的RTD器件获得。这些表格和图表只是示例性地示出了环境温度、线缆电阻以及流体温度之间的关系，而并非用于限制本实用新型的RTD电阻校正方式。根据材料和元件设计的变化，图中示出的函数关系也会随之改变。这些变化的实施方式也同样涵盖在本实用新型的范围中。

在一个特别具体的实施方式中，工业仪表100可以是流量计，其中的第一仪表110可以为允许流体经过的流量测量仪表，比如流量传感器，第二仪表120可以为用于转换并传送来自流量传感器的信号的变送器。此外，在包括第三仪表170的情况下，第三仪表170可以为另一流量传感器。当然，本实用新型的实施方式不限于此具体实例，任何采用RTD测温的工业仪表都可以涵盖在本实用新型的范围内。

基于本实用新型的原理，还提供了相应的工控系统，其主要包括根据本实用新型实施方式的工业仪表100、以及为工业仪表100供电的电源200 和与工业仪表通信连接的控制设备300。图1中示出了这种工控系统的框架图。图9和图10示出了基于图1的结构框图的两种工控系统。图9的工控系统包括一个第一仪表110、一个第二仪表120、电源200和控制设备 300。在这个实例中，RTD器件130可以布置在第一仪表110内部。图10 的工控系统的区别在于还包括第三仪表170，相应地RTD器件180也可以布置在第三仪表170内部。在此实例中，第三仪表170与第一仪表110可以是相同类型的仪表，也可以是不同类型的仪表。

此外，基于本实用新型的原理，还提供了一种用于上述工业仪表100 的新式的RTD测温方法，此方法具体可以包括以下步骤：

a)通过与第一仪表110关联的RTD器件130以及与RTD器件130 连接的线缆160提供与流体温度相关的电阻测量值R_测；

b)通过温度传感器140提供与环境温度相关的感测温度值；

c)通过校正装置150基于感测温度值提供代表线缆电阻的电阻校正值 R_校以校正电阻测量值R_测，进而基于测量电阻值和电阻校正值来获得用于计算流体温度的RTD电阻真实值R_真。

上述步骤a)和b)可以同步进行也可以顺序进行。

如前文所述的，上述步骤b)中的感测温度值可以是与第一仪表110相连的第二仪表120内的仪表温度值T_仪表。基于此，步骤c)进一步包括：

c1)基于仪表温度值T_仪表确定环境温度值T_环；

c2)基于环境温度值T_环确定电阻校正值R_校；

c3)基于电阻校正值R_校和电阻测量值R_测确定RTD电阻真实值R_真。

在感测温度值为环境温度值的情况下，上述的步骤c1可以省略。在步骤c3)中，基于公式R_真＝R_测-R_校来确定RTD电阻真实值。

本实用新型的方法并不限于上述的具体步骤，在以软件实现的情况下，只要获得了与环境温度相关的感测值，可以通过改变算法，以更少或更多的步骤来获得RTD电阻真实值R_真。

尽管在此已详细描述本实用新型的各种实施方式，但是应该理解本实用新型并不局限于这里详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离本实用新型的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。所有这些变型和变体都落入本实用新型的范围内。而且，所有在此描述的构件都可以由其他技术性上等同的构件来代替。