过程变送器的制作方法

本公开的实施例涉及工业过程变送器，更具体地，涉及对工业过程变送器的过程变量传感器的监测。

背景技术：

工业过程现场设备，例如过程变送器，用于工业过程控制和监测系统中，以监测工业过程变量并将过程变量的测量值传递回例如化学、石油、天然气、制药或其他流体处理厂中的控制室。术语“过程变量”指代物质的物理或化学状态或能量转换。过程变量的示例包括压力、温度、流量、电导率、ph和其他特性。

过程变送器使用过程变量传感器来检测或测量过程变量。此类传感器可能会发生故障或失效，从而可能导致错误的过程变量测量。可能定期需要由熟练的技术人员对过程变送器进行测试，以检测失效或性能降低的过程变量传感器，但此类测试可能需要将过程变送器长时间离线，从服务中移除和/或运输到测试装置。

技术实现要素：

本公开的实施例总体上涉及一种具有对变送器的过程变量传感器进行自测试能力的过程变送器，以及一种测试过程变送器的过程变量传感器的方法。过程变送器的一个实施例包括过程变量传感器、测试电路、开关和控制器。过程变量传感器包括指示所感测的过程变量的传感器输出。测试电路被配置为检测过程变量传感器的状况。开关被配置为选择性地将测试电路连接到过程变量传感器，以及将测试电路从过程变量传感器断开连接。控制器被配置为：获得对过程变量的测量；控制开关；通过将测试电路连接到过程变量传感器时的传感器输出与测试电路从过程变量传感器断开连接时的传感器输出进行比较，来检测过程变量传感器的状况；以及将测量中的状况传递给外部控制单元。

在测试过程变送器的过程变量传感器的方法的一个实施例中，设置开关以将测试电路从过程变量传感器断开连接。从过程变量传感器获得指示所感测的过程变量的第一传感器输出。设置开关以将测试电路连接到过程变量传感器，并从过程变量传感器获得第二传感器输出。基于对第一传感器输出与第二传感器输出的比较来检测过程变量传感器的状况。最后，将该状况传递给外部控制单元。

提供本实用新型内容以使用简化形式介绍对下面在具体实施方式中进一步描述的思路的选择。本实用新型内容不旨在确认所请求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作帮助确定所请求保护的主题的范围。所请求保护的主题不限于解决背景技术中指出的任何或所有缺点的实现方式。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的示例性工业过程测量系统的简化图。

图2是示出根据本公开的实施例的用于测试工业过程变送器的过程变量传感器的状况的示例性方法的流程图。

图3是根据本公开的实施例的差压传感器的简化的侧视截面图。

图4和图5是根据本公开的实施例的与示例性测试电路组合的图3所示的示例性差压传感器的侧视截面图。

图6和图7是根据本公开的实施例的与示例性测试电路组合的示例性应变计传感器的简化图。

图8和图9是根据本公开的实施例的与示例性测试电路组合的示例性温度传感器的简化图。

具体实施方式

以下参考附图更全面地描述本公开的实施例。使用相同或相似的附图标记标识的元素指代相同或相似的元素。本公开的各种实施例可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文中所阐述的特定实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开全面和完整，并且将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。

图1是根据本公开的实施例的示例性工业过程测量系统100的简化图。系统100可以用于材料(例如，过程介质)的处理中，以将材料从价值较低的状态转变成价值更高和更有用的产品，例如石油、化学制品、纸张、食品等。例如，系统100可以用在执行工业过程的炼油厂中，该工业过程可以将原油加工成汽油、燃料油和其他石化产品。

系统100包括过程变送器102或利用过程变量传感器104来感测过程变量的其他现场设备，过程变量例如是与可以例如容纳在诸如罐或管道之类的过程容器中的过程介质106有关的变量。过程变送器102包括通信电路108，用于通过合适的过程控制回路与外部计算机控制单元110进行通信。如图1所示，控制单元110可以位于远离变送器102的位置处，例如位于系统100的控制室112中。

在一些实施例中，过程控制回路包括物理通信链路，例如两线控制回路114，或无线通信链路。根据常规的模拟和/或数字通信协议，可以通过控制回路114执行控制单元110或另一外部计算设备与过程变送器102之间的通信。在一些实施例中，两线控制回路114包括4-20毫安控制回路，其中过程变量可以由流过两线控制回路114的回路电流i的电平(level)表示。示例性数字通信协议包括例如根据通信标准将数字信号调制到两线控制回路114的模拟电流电平上。也可以采用其他纯数字技术，包括fieldbus和profibus通信协议。

过程控制回路的示例性无线版本包括例如无线网状网络协议(例如(iec62591)或isa100.11a(iec62734))，或另一种无线通信协议(例如wifi、lora、sigfox、ble)，或任何其他合适的协议。

可以从任何合适的电源向过程变送器102供电。例如，过程变送器102可以完全由流过控制回路114的电流i供电。也可以利用一个或多个电源为过程变送器102供电，例如内部或外部电池。也可以使用发电机(例如，太阳能电池板、风力发电机等)来为过程变送器102供电，或为过程变送器102使用的电源充电。

在一些实施例中，变送器102包括控制器120，其可以表示控制变送器102的组件以响应于指令的执行来执行本文所描述的一个或多个功能的一个或多个处理器(即，微处理器、微控制器、中央处理单元等)，这些指令可以本地存储在任何合适的符合专利主题的、不包括瞬态波或信号的计算机可读介质或存储器122中，例如硬盘、cd-rom、光学存储设备或磁存储设备。控制器120的处理器可以是一个或多个基于计算机的系统的组件。在一些实施例中，控制器120包括一个或多个控制电路、基于微处理器的发动机控制系统、一个或多个可编程硬件组件(例如现场可编程门阵列(fpga))，其用于控制变送器102的组件以执行本文所述的一个或多个功能。

如上所述，传感器104可以用于感测与工业过程有关的过程变量，例如与过程介质106相关联的过程变量。可以使用传感器电路124来促进该感测功能，在以感测模式操作时，传感器电路124生成指示过程变量的传感器输出126。传感器输出126可以由控制器120处理，并使用通信电路108传递给控制单元110或另一外部计算设备。

如上所述，过程变量传感器可能性能降低以及失效，这会导致错误的过程变量测量。为了检测过程变量传感器性能降低或失效，将常规过程变送器离线进行测试，并且可能将其运输到测试装置。结果是，对现场设备的这种定期测试可能价格昂贵并且导致大量停机时间。

本公开的实施例包括用于在测试模式下操作过程变量传感器104的测试电路130，可以在测试电路130中对传感器104执行一个或多个诊断测试以确定其是否被适当地操作。在一些实施例中，测试电路130改变传感器电路124以生成指示过程变量传感器104的状况的测试模式传感器输出126'。

控制器120通过控制开关132以将测试电路130连接到传感器电路124来激活测试模式。控制器使用测试模式传感器输出126'确定传感器104的当前状况。当前状况可以指示传感器104正在适当地操作(例如，在正常操作范围内)还是异常地操作。控制器120还可以使用通信电路108通过过程控制回路(例如，物理或无线通信链路)将当前状况传递给控制单元110或另一外部计算设备。控制器120可以通过使用开关132将测试电路130从传感器电路104断开连接来使传感器104返回到感测模式。

在一些实施例中，变送器102包括温度传感器134，温度传感器134具有温度输出136，温度输出136可以指示与过程变送器102有关的温度，例如过程变量传感器104的温度。控制器120可以使用温度输出来补偿如下输出，例如，指示传感器104在感测模式下操作时所感测的过程变量的传感器输出126，和/或传感器104在测试模式下操作时的测试模式传感器输出126'。

图2是示出根据本公开的实施例的用于测试工业过程变送器102的过程变量传感器104的状况的示例性方法的流程图。例如，可以例如响应于控制器120的处理器对存储在存储器122(图1)中的程序指令的执行而使用控制器120来执行方法步骤。

在方法的140处，设置开关132以将测试电路130从传感器104断开连接，例如从传感器电路124断开连接，以使传感器104操作在感测模式下。例如，如图1所示，这可能涉及使用来自控制器120的开关信号141来打开或闭合开关132。

在方法的142处，从过程变量传感器104获得第一传感器输出126(感测模式传感器输出)，其指示所感测的过程变量。如上所述，所感测的过程变量可以例如涉及过程介质106。

在方法的步骤144处，设置开关132以将测试电路130连接到过程变量传感器104或传感器电路124。如图1所示，可以使用来自控制器120的开关信号141来执行对测试电路130的设置。结果是，变送器102被置于测试模式。

在方法的146处，从过程变量传感器104获得第二传感器输出126'(测试模式传感器输出)。第二传感器输出126'指示由于测试电路130而与第一传感器输出126所指示的值偏移的值。

在方法的148处，基于第一传感器输出126和第二传感器输出126'来检测过程变量传感器104的状况。在一些实施例中，过程变量传感器104的状况由第一传感器输出126和第二传感器输出126'之间的偏移指示。因此，方法步骤148的实施例包括：通过比较第一传感器输出126与第二传感器输出126'，例如通过计算第一传感器输出126和第二传感器输出126'之间的差，来检测过程变量传感器104的状况。然后可以将传感器输出126和126'之间的偏移与参考值149进行比较，参考值149可以存储在存储器122中，以确定过程变量传感器104的状况。例如，当传感器输出126和126'之间的差小于参考值149时，可以确定过程变量传感器104为正常操作状况，当传感器输出126和126'之间的差达到或超过参考值149时，可以确定过程变量传感器104的状况为异常(例如，性能降低、发生故障等)。例如，异常状况可以指示传感器电阻改变、不期望的漏电流、电源改变、(在电容式传感器的情况下)传感器电容器电介质改变或传感器电路124错误。

在步骤148的一些实施例中，过程变量传感器104的状况还基于由温度传感器134输出的温度信号所指示的温度。例如，温度传感器134所指示的温度可以用于调整传感器输出126和/或传感器输出126'指示的值。另外，温度传感器134所指示的温度可以用于调整参考值149。

在一些实施例中，测试电路被配置为产生与感测模式传感器输出126相差小于安全偏差(例如安全偏差的一半)的传感器输出126'。例如，当变送器102的安全偏差为约2％时，测试电路可以被配置为产生与感测模式传感器输出126相差小于1％的传感器输出126'。

对于某些应用，由于测试模式传感器输出126'和传感器输出126之间的变化在变送器102的安全偏差之内，因此可以在变送器102的正常操作期间使用测试模式传感器输出126'，从而允许变送器102在对过程变量传感器104进行测试期间保持在线。因此，可以在无需使变送器102离线的情况下进行对过程变量传感器104的测试。另外，即使在需要使变送器102离线时，也可以在较短时段(例如，小于10秒)内完成对过程变量传感器104的测试，从而导致变送器102操作的中断最小。

在一个实施例中，可以对来自传感器104的传感器输出126'或由变送器102发送的传感器输出进行补偿，以补偿由于开关132对测试电路130进行连接而引起的改变。备选地，在对传感器104进行测试期间，变送器102可以被配置为对与最后的传感器输出126相关联的值进行发送，直到对传感器104的测试完成。每种方法都将对变送器102的操作执行传感器测试的影响最小化。

在方法的150处，可以使用通信电路108将过程变量传感器104的状况传递给外部控制单元，例如控制单元110(图1)或另一计算设备。

在步骤148之后且在步骤150之前，可以执行附加的方法步骤。例如，可以使开关132返回到其原始状态以允许传感器104在感测模式下操作。另外，然后可以检测第三传感器输出126，并将其用于对传感器104的状况的检测。

测试电路130可以采取不同的形式，取决于过程变量传感器104的类型和传感器电路124的配置。过程变量传感器可以包括应变计或电容传感器，以检测过程变量，例如过程介质106的压力。图3是根据本公开的实施例的压力变送器102a的简化的侧视截面图，该压力变送器102a包括具有电容传感器的示例性差压传感器104a。

变送器102a可以包括壳体160，壳体160包围并保护变送器102a的电子器件免受包括差压传感器104a在内的环境状况的影响。壳体160包括基部162，基部162可以包括一个或多个工艺开口(processopening)164，例如工艺开口164a和164b。工艺开口164可以通过合适的连接耦接到过程介质106，例如通过工艺接口168耦接。

示例性变送器102a可以包括隔片170a和170b，隔片170a和170b分别暴露于分别出现在工艺开口164a和164b处的过程介质106的压力p1和p2，如图3所示。隔片170a和170b响应于压力p1和p2而屈曲(flex)。屈曲隔片170a和170b通过管线172a和172b将所感测的压力传递给压力传感器104a，管线172a和172b可以填充有不可压缩的流体(例如，液压流体)。

图4和图5是根据本公开的实施例的与示例性测试电路130组合的图3所示的示例性差压传感器104a的侧视截面图。差压传感器104a包括一对传感器本体单元174a和174b，它们通常可以被称为单元174。每个单元174包括杯状金属壳体176，该杯状金属壳体176具有限定内部空腔180的凹壁178。每个传感器本体单元174的流体路径182延伸穿过单元174，并将管线172耦接到内部空腔180，内部空腔180也填充有不可压缩的流体。感测隔片184支撑在单元174之间，并将空腔180分成两个大致相等且相对的空腔半部180a和180b。隔片184响应于过程压力p1和p2而偏转，所述过程压力p1和p2分别通过管线172a和172b以及流体路径182传送到内部空腔半部180a和180b。偏转的隔片184的位移与压力p1和p2的差成比例。

使用一个或多个电容传感器190，例如电容传感器190a和190b，来检测隔片184相对于壁178的位置。电容传感器190各自包括附接到壁178和导电隔片184的电容器电极192。传感器电路124包括引线194a、194b和194c，引线194a、194b和194c分别耦接到每个电容器电极192和隔片184，以接收每个电容传感器190的电容。因此，使用引线194a和194c获得电容传感器190a的电容，并且通过引线194b和194c获得电容传感器190b的电容。传感器输出126可以包括来自传感器190之一或两者的电容，或传感器190a和190b的电容(传感器输出126)之间的差。因此，传感器输出126可以指示隔片184的位置和隔片184上的差压(p1-p2)。

如图4所示，测试电路130的一个实施例包括电容器200，电容器200与开关132串联连接在与电容器电极192连接的引线194之一(例如引线194a)和与隔片184连接的引线194c之间。可以在测试电路130中使用任何合适的电容器200。例如，当传感器104a在零差压下具有30皮法的有源电容时，电容器200可以是0.2-0.4皮法的电容器，例如0.3皮法的电容器，以提供与感测模式传感器输出126的位移约为1％的测试模式输出126'。

控制器120闭合开关132以将测试电路130连接到传感器104a或其传感器电路，以及就传感器104a置于测试模式，以及打开开关132以就测试电路130从传感器104a或其传感器电路断开连接，以及将传感器104a置于感测模式。当处于测试模式(开关132闭合)时，电容传感器190a的电容输出相对于其在传感器104a在感测模式下操作(开关132打开)时的值移位或偏移。如上所述，控制器120可以将这两个值之间的偏移与参考值149(图1)进行比较，以确定传感器104a正在正常操作还是异常操作。

图5所示的测试电路130的实施例包括与开关132并联连接以形成并联电路204的电容器202。如图5所示，并联电路204与连接到电容器电极192的引线194中的一条引线(例如引线194b)串联连接。可以在测试电路130中使用任何合适的电容器202。例如，当传感器104a在零差压下具有30皮法的有源电容时，电容器202可以是1-4纳法的电容器，例如3纳法的电容器，以提供与感测模式传感器输出126的位移约为1％的测试模式输出126'。

控制器120打开开关132以将测试电路130连接到传感器104a或其传感器电路，以及将传感器104a置于测试模式，以及闭合开关132以使测试电路130从传感器104a或其传感器电路断开连接，以及将传感器104a置于感测模式。当处于测试模式(开关132打开)时，电容传感器190b的电容输出相对于其在传感器104a在感测模式下操作(开关132闭合)时的值移位或偏移。控制器120可以将这两个值之间的偏移与参考值149(图1)进行比较，以确定传感器104a正在正常操作还是异常操作。

应变计传感器具有响应于传感器上的应变而改变的电阻。总所周知，通过检测元件上的应变而将应变计传感器用作压力传感器，所述元件例如是暴露于过程介质106的流动的过滤器元件或暴露于过程介质106处的压力的隔片。图6和图7是根据本公开的实施例的与示例性测试电路130组合的示例性应变计传感器104b的简化图。传感器104b的传感器电路124包括惠斯通电桥布置的四个应变计210a-210d，其包括一对输入端子212和一对输出端子214。每个应变计210串联连接在输入端子212中的一个端子和输出端子214中的一个端子之间。传感器电路124还包括被配置为将电流驱动到输入端子212中的一个端子中的电流或电压源216。传感器输出126基于输出端子214之间的电压，并且响应于施加到应变计210的应变而变化。

在一些实施例中，测试电路130包括电阻220，如图6和图7所示。测试电路130的电阻220可以与开关132串联连接，并且电阻220和开关132可以与应变计210之一(例如应变计210b)并联连接，如图6所示。在该示例中，电阻220和开关132可以与输入端子212之一和输出端子214之一串联连接。可以将任何合适的电阻220用于测试电路130。例如，当传感器104b具有10千欧的标称电桥电阻和20毫伏/伏(milli-volts/volt)的应变系数时，电阻220可以是大约为8-12兆欧，例如10兆欧，以提供与感测模式传感器输出126的位移约为1％的测试模式输出126'。

控制器120闭合开关132以将测试电路130连接到传感器104b或传感器电路124，以及将传感器104b置于测试模式，以及打开开关132以将测试电路130从传感器104b或传感器电路124断开连接，以及将传感器104b置于感测模式。当处于测试模式(开关132闭合)时，传感器输出(输出端子上的电压)相对于其在传感器104b在感测模式下操作(开关132打开)时的值移位或偏移。如上所述，控制器120可以将这两个值之间的偏移与参考值149(图1)进行比较，以确定传感器104b正在正常操作还是异常操作。

图7所示的测试电路130的电阻220与开关132并联连接以形成并联电路222。并联电路222与应变计210之一(例如应变计210c)串联连接在输入端子212中的一个端子与输出端子214中的一个端子之间，如图7所示。可以将任何合适的电阻220用于测试电路130的电阻。例如，当传感器104b具有10千欧的标称电桥电阻和20毫伏/伏(milli-volts/volt)的应变系数时，电阻可以是大约为8-12欧，例如10欧，以提供与感测模式传感器输出126的位移约为1％的测试模式输出126'。

控制器120打开开关132以将测试电路130连接到传感器104b或传感器电路124，以及将传感器104b置于测试模式，以及闭合开关132以将测试电路130从传感器104b或传感器电路124断开连接，以及将传感器104b置于感测模式。当处于测试模式(开关132打开)时，传感器输出(输出端子上的电压)相对于其在传感器104b在感测模式下操作(开关132闭合)时的值移位或偏移。控制器120可以将这两个值的偏移与参考值149(图1)进行比较，以确定传感器104b正在正常操作还是异常操作。

诸如电阻温度检测器(例如，铂电阻温度计)之类的温度传感器具有响应于传感器温度而改变的电阻。通过使用常规技术检测传感器的电阻来使用这种传感器来检测温度，例如通过响应于所施加的电压来检测通过传感器的电流，或响应于所施加的电流来检测传感器两端的电压。

图8和图9是根据本公开的实施例的与示例性测试电路130组合的示例性温度传感器104c的简化图。温度传感器104c的传感器电路124包括依赖于其温度的电阻230。另外，传感器电路124例如可以包括用于检测电阻230的值的常规电路，例如在电阻两端施加电压的电压源232，以及用于检测通过电阻230的电流的电路。例如，传感器输出126可以响应于所施加的电压来指示通过电阻230的电流，可以从中确定电阻230的值和所检测的温度。

在一些实施例中，测试电路130包括电阻234，如图8和图9所示。测试电路130的电阻234可以与开关132串联连接，并且电阻234和开关132可以与电阻230并联连接，如图8所示。

可以将任何合适的电阻234用于测试电路130。例如，当电阻230是100欧的铂电阻温度计并且期望5℉的标称位移时，电阻234的值可以是例如10千欧。

控制器120闭合开关132以将测试电路130连接到传感器104c或传感器电路124，以及将传感器104c置于测试模式，以及打开开关132以将测试电路130从传感器104c或传感器电路124断开连接，以及将传感器104c置于感测模式。当处于测试模式(开关132闭合)时，传感器输出126(例如，电阻230上的电流)相对于其在传感器104c在感测模式下操作(开关132打开)时的值移位或偏移。如上所述，控制器120可以将这两个值之间的偏移与参考值149(图1)进行比较，以确定传感器104c正在正常操作还是异常操作。

图9所示的测试电路130的电阻234与开关132并联连接以形成并联电路236。并联电路236与电阻230串联连接，如图9所示。可以将任何合适的电阻234用于测试电路130的电阻。例如，当电阻230是100欧的铂电阻温度计并且期望5℉的标称位移时，电阻234的值可以是例如1欧。

控制器120打开开关132以将测试电路130连接到传感器104c或传感器电路124，以及将传感器104c置于测试模式，以及闭合开关132以将测试电路130从传感器104c或传感器电路124断开连接，以及将传感器104c置于感测模式。当处于测试模式(开关132打开)时，传感器输出(例如，电阻230上的电流)相对于其在传感器104c在感测模式下操作(开关132闭合)时的值移位或偏移。控制器120可以将这两个值的偏移与参考值149(图1)进行比较，以确定传感器104c正在正常操作还是异常操作。

虽然已经参考优选实施例对本公开的实施例进行了描述，但本领域技术人员应认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出修改。