变送器内的无线接口的制作方法
【专利摘要】过程变送器配置用于测量工业过程的过程变量。所述过程变送器包括过程变量传感器，所述过程变量传感器感测所述过程变量，并且响应地提供过程变量传感器输出。将传感器电路耦合至所述过程变量传感器。外壳包围所述传感器电路和所述输出电路。所述传感器电路电耦合至所述外壳。所述传感器电路与所述输出电路无线地通信。
【专利说明】变送器内的无线接口
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于测量工业过程的过程变量的过程变量变送器。更具体地，本发明涉及当测量过程变量变送器中过程变量时减小电噪声灵敏度的影响。
【背景技术】
[0002]过程控制回路用于各种工业领域，以控制或者监测工业过程的操作。过程变量变送器典型地是所述过程控制回路的一部分，并且位于现场，以便测量和传递过程变量至控制室设备。所述过程变量例如可以包括压力、流量、温度等。一些过程控制回路包括控制器，诸如阀控制器，响应于由所述变送器感测的过程变量控制所述控制器。
[0003]过程变送器常常用在恶劣的、腐蚀性的环境中或者在含有潜在的爆炸性气体或者混合物的环境中。因此，为了减小腐蚀性环境损坏所述变送器内部部件的可能性以及内部电路造成爆炸性气体燃烧的可能性，过程变送器典型地包括导电的变送器外壳，所述外壳可以紧密密封所述内部部件。
[0004]将位于所述变送器内的内部部件(例如内部电路)通过有线互连相互连接。在工业环境中，附近的设备可以产生电磁场。当测量过程变量时，这些场可以将电噪声引入所述变送器中的电气电路。例如，情况可能是所述噪声会进入所述变送器中的测量电路并且影响由所述变送器进行的测量。这可以造成由所述变送器传递的不必要的误差并且在所述测量中出现不精确的读数。然后，这可能引起所述过程变送器传递所述过程变量的错误的测量，使得不能正确地监测所述基础工业过程的操作。
【发明内容】
[0005]过程变送器配置用于测量工业过程的过程变量。所述过程变送器包括过程变量传感器，所述过程变量传感器感测所述过程变量并且响应地提供过程变量传感器输出。将传感器电路耦合至所述过程变量传感器。外壳包围所述传感器电路和所述输出电路。所述传感器电路电耦合至所述外壳。所述传感器电路与所述输出电路无线地通信。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1示出了过程控制，其中使用了本发明的过程变送器。
[0007]图2是过程变送器的简化方框图，所述过程变送器包括有线互连。
[0008]图3是过程变送器的简化方框图，所述过程变送器包括根据本发明各个方面所述的过程变送器。
【具体实施方式】
[0009]本发明提供了一种对电噪声具有减小的灵敏度的过程变量变送器。在各个方面，本发明都涉及一种变送器，所述变送器通过利用将传感器测量电路直接耦合至变送器外壳的传感器电路公共连接，当测量过程变量时减小了电噪声的影响并且提高了由传感器测量电路所执行测量的可靠性。在其他方面，本发明提供了一种方法和装置，用于通过自适应变送器内部的无线接口内部结构来减小所述变送器中的电噪声。在题为“具有无线通信链路的过程变送器(PROCESS TRANSMITTER WITH WIRELESS COMMUNICATION LINK) ”的美国专利N0.6，839，546中示出和描述了变送器内部的无线通信的一个示例，已经由Hedtke转让给明尼苏达州Chanhassen市的罗斯蒙德(Rosemount)公司。
[0010]图1示出了过程控制和监测10，配置用于控制和监测工业过程。过程10包括变送器12，耦合至管线18并且通过过程控制回路16耦合至控制室14。在所阐释的实施例中，过程变送器12与管线18耦合，工艺流体在所述管线中流动。过程变送器包括过程变量传感器20、传感器电路22和输出电路24(在图2中示出)，用于基于所述过程流体已感测的过程变量产生电信号。所述已感测的过程变量例如可以包括温度、压力、流量、流体液位等。控制室14包括通信26 (可被建模为电阻)和电源电路28 (可被建模为电压源)。在一个实施例中，将过程控制回路16阐释为双线过程控制回路。在这种配置中，所述相同的两条线既用于携带信息，又用于给变送器12提供功率。例如，所述变送器12可以控制对已感测温度加以表示的所述双线回路16上的模拟电流电平。然而，所述过程控制回路16可以根据任何形式并且典型地用于携带数据并且给变送器12提供功率。在更高级的配置中，还可以在所述双线过程控制回路上发射和/或接收数字信息。这样的一种协议是HART?通信协议。示例过程控制回路包括4-20mA回路、根据所述HARTl过程现场总线(Profibus)和现场总线标准的回路。本发明不限于双线实施方法，而是可以采用任何类型的过程控制回路。另一个示例过程控制回路是无线过程控制回路，其中无线地发射信息。无线通信技术的一个示例是根据WirelessHART?通信协议，所述通信协议根据IEC62591标准。也可以使用以太网光纤连接或者其他通信信道。
[0011]图2阐释了已简化的现场设备的环境，所述现场设备可能会遇到由附近的无线电变送器或者射频设备引入的电噪声。如图2所示，变送器12包括具有腔体36的变送器外壳34。所述腔体36是密封的，以便防止腐蚀性过程流体进入腔体36并且进一步防止由于从腔体36内的电路释放能量造成的易燃性过程流体的燃烧。传感器电路22和输出电路24都在所述腔体36中。传感器电路22耦合至所述过程变量传感器20，所述过程变量传感器配置用于感测所述过程的变量。示例传感器包括温度、压力、流量和液面传感器。在操作中，传感器电路22耦合至传感器20并且用于感测和测量过程变量，诸如压力、温度、流量、液面等。在一个实施例中，所述变送器12完全从在所述过程控制回路16上接收到的功率供电。在所述回路16上将与所述已感测的过程变量有关的数据(以数字格式或者模拟格式)发射至控制室14或者所述回路16上的其他设备。在所阐释的实施例中，传感器20位于腔体36中。然而，在其他示例实施例中，传感器20可以位于所述腔体36的外面。
[0012]所述输出电路24包括处理器25，配置用于提供所述测量数据至所述控制室14。在一个实施例中，回路16可以供应由所述输出电路24和传感器电路22所消耗的全部功率。在另一个实施例中，由输出电路24和传感器电路22所消耗的部分或者全部功率可以由内部电池19供应。所述输出电路24通过回路连接42耦合至所述双线过程控制回路16。回路连接42链接至回路电阻26和电源28。
[0013]如图2所示，所述传感器电路22包括测量电路38，所述测量电路耦合至所述传感器并且配置用于提供与所述过程变量有关的变送器输出。将阻抗Z耦合在所述测量电路38与所述外壳34之间。使所述测量电路38与由附近的无线电变送器或者射频设备引入的电噪声电隔离的一种技术是设计所述阻抗Z，使得所述阻抗Z无限高。在这种情况下，当在所述电源负引线连接29与所述外壳34之间施加变频电压噪声50时，将不存在路径使所述电流流回至所述外壳34，因此所述测量电路38将不再受所述噪声影响。然而，将所述阻抗Z设计成无限高在操作中难以实现。此外，例如寄生电容会减小所述阻抗Z。当电压噪声50出现在这种配置中时，所述电流具有返回路径至所述外壳34，所述路径经过输出电路公共端、互连电路公共端39C、传感器电路公共端、运算放大器虚拟接地端、传感器信号和阻抗Z。通过这条路径，出现在所述阻抗Z两端的所述电压噪声50可以与所述传感器信号混合。所述电压噪声50将误差噪声引入所述传感器信号，很可能在由所述测量电路38执行的测量中出现这样误差。
[0014]使所述测量电路38与由附近的无线电变送器或者射频设备引入的电噪声电隔离的另一种技术是利用传感器电路公共连接40，所述连接将所述测量电路38直接连接至所述外壳34。如图3所示，当在所述电源电路28的电源负引线连接29与所述外壳34之间施加变频电压噪声50时，所述传感器电路公共连接40可以用于使电流噪声分流远离所述阻抗Z。因此，由所述测量电路38执行的测量不受所述噪声50的影响。这样允许所述测量电路38采取适当的测量，不会受到来自所述阻抗Z的不必要的干扰。然后，所述测量电路38将所述测量通信至所述过程和控制电路25，所述过程和控制电路进而将所述读数经由所述过程控制回路16提供给所述控制室14。
[0015]如果有线互连39 (例如电源39A、通信39B和电路公共端39C)用于将所述传感器电路22连接至所述输出电路24，并且传感器电路公共连接40连接至所述外壳34，那么这种配置容易造成安装问题，从而限制了所述现场设备的功能。例如，当将现场设备安装在工厂时，常见的操作是将所述现场设备的外壳34通过所述电源负引线连接29连接至所述回路。然而，利用有线电路径来提供所述传感器电路22与所述输出电路24之间的连接会造成所述输出电路24至所述回路16任一点的连接(例如至电阻器Rsmse的连接)短路。进而，这会造成所述现场设备运行不当或者根本不运行。
[0016]一种用于实现所述输出电路24与所述传感器电路22之间电隔离的配置是利用流电隔离(未示出)。在这种配置中，在所述传感器电路22与所述输出电路24之间的每一条信号线都将被流电隔离。可以利用隔离变压器、光耦合器、电容器等实现流电隔离。由于大量的通信信号需要流电隔离每一条信号线，实施这种方法将会是昂贵的。此外，由于这种方法利用有线互连来隔离每一条信号线，降低了现场设备的可靠性。
[0017]根据本发明的一个方面，如图3所示的无线通信链路44用于提供所述输出电路24与所述传感器电路22之间的通信链路。所述无线通信链路44可以是任何类型的不需要物理耦合的链路。示例包括射频(RF)链路、感应链路、电容链路、红外(IR)链路、射频识别(RFID)链路以及其他低功率、短距离的无线通信技术，诸如近场通信(NFC)、/和低能量Bluetooth? (BLE)。在I禹合至所述传感器电路22的天线46与I禹合至所述输出电路24的天线48之间提供无线通信链路44。无线通信由配置用于发射和/或接收信息的无线通信电路45和49提供。所述无线通信链路44可以利用配置用于发射和/或接收所述信号的射频(RF)模块45 (诸如发射机单元Tx)和49 (诸如接收机单元Rx)。
[0018]根据本发明的实施例，将元件46和48阐释为天线，但是可以包括任何类型的换能器并且可以包括例如电容器极板或者电感器元件。更具体地，如果所述通信链路44是RF链路，那么换能器46和48可以包括配置用于发送和/或接收射频信号的天线。可以按照需要选择所述RF信号的频率和编码。此外，也可以将所述天线的形状和配置制造成所需规格。在一个实施例中，如果所述链路44是感应链路，那么元件46和48可以包括电感器，将所述电感器放置足够地靠近以便允许其间的信号传输。在另一个实施例中，如果所述链路是感应的，那么通过谐振变压器的感应耦合可以用于将功率从输出电路24无线地发射至传感器电路22，以便再充电或者消除电池19。此外，无线功率接收机可以用于将数字信号调制回至所述无线功率发射机45，使得如果需要单端通信，那么可以将电源和通信都集成在单个无线链路上。此外，如果所述链路44是电容链路，那么换能器46和48可以包括电容极板。
[0019]如果所述无线通信链路44配置用于红外(IF)配置，那么所述通信可以基于由红外数据协会(IrDA)提出的协议。在一个实施例中，在所述变送器外壳34中的开窗可以用于允许IR信号通过。
[0020]在另一个实施例中，所述无线通信链路44可以配置用于利用射频识别(RFID)技术。元件45和49可以包括具有天线的标签，将所述天线调谐至询问器模块。所述RFID标签可以是只读或者用数据存储读写的。在另一个实施例中，可以使用无源RFID标签配置。在所述无源RFID配置中，询问器模块产生电磁场，使得所述无源RFID标签可以通过从所述电磁场接收功率来起作用。如果将所述无源RFID标签放置在所述传感器电路22中并且将所述询问器模块放置在所述输出电路24中，那么可以用传感器测量本地更新所述RFID标签，并且可以将所述询问器配置成从所述RFID标签周期性地读回信息。
[0021]无线通信链路44可以以任何所需的数据速率携带数据。较快的数据传输速率往往具有较大的功率需要。所述数据特定的格式和用在所述无线通信链路44上的协议可以根据标准的或者专有的格式。所述信息可以以模拟或者数字的格式。所述接口 44可以是沿电子器件22和24之间两个方向其中之一的单向携带数据，或者可以是沿所述电子器件22和24之间两个方向的双向携带数据。在所述电路22具有足够低功率要求的实施例中，无线通信链路44还可以向所述电路22供电，使得所述电路不需要至所述回路16的物理连接。所述双向传输可以同时地或者顺序地发生。此外，链路44可以用于给电路22提供功率。例如，来自回路16的功率可以用于给电路22供电。
[0022]在另一个实施例中，所述变送器外壳34可以由合适的金属材料制成，以便保护所述变送器电路22和24免受外部无线通信的干扰。
[0023]尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员会认识到，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出变化。尽管只示出了单个传感器，但是可以采用任意数量的传感器。所述无线通信可以是单向的或者双向的。
【权利要求】
1.一种过程变送器，配置用于测量工业过程的过程变量，所述过程变送器包括: 过程变量传感器，配置用于感测所述过程变量并且响应地提供过程变量传感器输出； 传感器电路，耦合至所述过程变量传感器； 输出电路，配置用于与所述传感器电路通信； 外壳，配置用于包围所述传感器电路和所述输出电路； 传感器电路公共连接，将所述传感器电路耦合至所述外壳，从而减小已感测过程变量中的噪声；以及 所述传感器电路与所述输出电路之间的无线通信链路，其中所述无线通信链路将与所述过程变量传感器输出有关的数据从所述传感器电路无线地传递至所述输出电路。
2.根据权利要求1所述的过程变送器，其中所述传感器电路由内部电池供电。
3.根据权利要求1所述的过程变送器，其中所述无线通信链路将功率从所述输出电路传递至所述传感器电路。
4.根据权利要求1所述的过程变送器，其中所述外壳包括金属，以便屏蔽所述过程变送器免受外部干扰。
5.根据权利要求1所述的过程变送器，还配置用于连接至过程控制回路，所述过程控制回路配置用于携带数据并且给所述过程变送器供电。
6.根据权利要求3所述的过程变送器，其中将功率从所述输出电路无线地传递至所述传感器电路。
7.根据权利要求6所述的过程变送器，包括谐振变压器，以便无线地传递功率。
8.根据权利要求1所述的过程变送器，其中所述无线通信链路提供无线数字通信信道。
9.根据权利要求1所述的过程变送器，其中所述无线通信链路包括红外IR无线链路。
10.根据权利要求9所述的过程变送器，其中所述红外IR无线链路根据红外数据协会IrDA协议操作。
11.根据权利要求1所述的过程变送器，其中所述无线通信链路包括射频链路。
12.根据权利要求11所述的过程变送器，其中所述射频链路包括射频识别RFID链路。
13.根据权利要求1所述的过程变送器，包括发射机单元和接收机单元，配置用于利用至少两个换能器发射和接收信号。
14.根据权利要求1所述的过程变送器，其中所述无线通信是双向的。
15.一种提供来自变送器的输出的方法，包括: 将传感器电路耦合至过程变量传感器，所述过程变量传感器配置用于感测过程变量并且响应地提供过程变量传感器输出； 提供变送器输出电路，所述变送器输出电路配置用于与所述传感器电路通信变送器； 将所述传感器电路和所述变送器输出电路包围在外壳中； 利用传感器电路公共连接将所述传感器电路耦合至所述外壳，所述传感器电路公共连接配置用于减小已感测过程变量中的噪声；以及 将与所述过程变量传感器输出有关的信号从所述传感器电路无线地传递至所述变送器输出电路。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括由内部电池给所述传感器电路供电。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括由过程控制回路给所述过程变送器供电。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括从所述输出电路无线地传递功率至所述传感器电路。
19.根据权利要求15所述的方法，其中传递功率是通过感应耦合。
20.根据权利要求15所述的方法，包括利用至少两个换能器发送和接收信号。
21.一种过程变送器，配置用于测量工业过程的过程变量变送器，所述过程变送器包括: 过程变量传感器，配置用于感测所述过程变量并且响应地提供过程变量传感器输出； 传感器电路，耦合至所述过程变量传感器； 输出电路，配置用于与所述传感器电路无线地通信，其中所述传感器电路配置用于与所述输出电路通信； 外壳，配置用于包围所述传感器电路和所述输出电路； 传感器电路公共连接，将所述传感器电路耦合至所述外壳，从而减小已感测过程变量中的噪声；以及 所述传感器电路与所述输出电路之间的无线通信链路，其中所述无线通信链路将与所述过程变量传感器输出有关的 数据信号从所述传感器电路无线地传递至所述输出电路。
【文档编号】G01D11/24GK104048679SQ201310288718
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年7月10日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】尤金·柯罗雷夫 申请人:罗斯蒙德公司