基于rf空腔的过程流体传感器的制造方法

文档序号:6240592阅读:203来源:国知局
基于rf空腔的过程流体传感器的制造方法
【专利摘要】一种用于感测过程流体参数的远程系统,包括空腔、调谐器和信号耦合器。空腔被配置为以中心频率谐振,所述中心频率响应于过程流体参数而移动。调谐器被配置为调谐所述中心频率。信号耦合器被配置为接收查询信号,以及当查询信号与移动后的中心频率匹配时,发送回波信号。
【专利说明】基于RF空腔的过程流体传感器
[0001] 本申请是2011年12月7日(申请日:2010年4月6日)向中国专利局递 交并进入中国国家阶段的题为"基于RF空腔的过程流体传感器"的发明专利申请 No. 201080025260. 4 (PCT 国际申请 No. PCT/US2010/001031)的分案申请。

【技术领域】
[0002] 本发明大体上涉及流体处理,具体涉及用于过程流体测量和控制的远程感测系 统。具体地,本发明涉及一种用于远程处理位置的无源传感器系统,其中功耗和通信要求是 重要的设计问题。

【背景技术】
[0003] 准确的流体测量对于大量的处理应用(包括大量流体的存储和运输、食品和饮料 筹备、化学和制药生产、水和空气的配给、环境控制、农业、碳氢化合物提取、燃料精炼)和 (使用热塑性塑料、薄膜、胶水、树脂和其他流体材料的)多种制造过程来说非常重要。许多 这些应用需要将传感器布置在远处隔离的位置或限制进入的位置,或者布置在经受高温、 极端压力、爆炸性环境、腐蚀性药剂和其他危险条件的处理环境中。
[0004] 在这些应用中,功耗和通信要求会影响系统成本,并且可能对总体系统设计造成 限制。存在对远程感测系统的持续需求,该系统能够以成本有效的方式解决功率和通信问 题,并且适用于多种远程的、限制进入的且危险的操作环境。


【发明内容】

[0005] 本发明涉及一种用于测量过程流体参数的远程系统。该系统包括:空腔,被配置 为以中心谐振频率产生谐振;调谐器,被配置为调谐该谐振频率;以及信号耦合器。空腔包 括具有谐振频率的波导或RF空腔谐振器,该谐振频率响应于与过程流体的热力学(压力或 热)接触而移动。调谐器耦合至空腔,并通过调整空腔的有效谐振长度来调谐该谐振频率。 信号耦合器也耦合至空腔,并且被配置为当输入的查询信号与调谐且移动后的谐振频率匹 配时,发送回波(echo)。

【专利附图】

【附图说明】
[0006] 图1是示出了在无线实施例中、用于过程流体测量的远程传感器系统的剖面示意 图。
[0007] 图2A是示出了在线缆实施例中、图1的远程传感器系统的剖面示意图。
[0008] 图2B是示出了在使用线缆和无线传感器传感器两者的实施例中、图1的远程传感 器系统的备选剖面图。
[0009] 图3A是示出了在具有圆柱状空腔谐振器的无线实施例中、图1的系统的远程传感 器的透视图。
[0010] 图3B是示出了在具有不同的纵向纵横比的实施例中、图3A中的远程传感器的备 选透视图。
[0011] 图4A是用于图1的远程传感器系统的矩形谐振器的透视图。
[0012] 图4B是在具有任意的横向纵横比的实施例中、图4A中的矩形谐振器的备选透视 图。

【具体实施方式】
[0013] 图1是示出了在无线实施例中、用于过程流体测量的远程传感器系统10的剖面示 意图。系统10包括变送器11和基于空腔的过程流体传感器12,过程流体传感器12与过程 贮液器14中的过程流体13热力学接触。在这个无线实施例中,变送器11和传感器12经 由从变送器11传播至传感器12的RF (射频)查询信号15A以及从传感器12传播至变送 器11的RF响应信号15B形成无线链接。
[0014] 变送器11包括变送器外壳16,该变送器外壳16具有微处理器/控制器17 (虚线 示出)、信号广播元件18和信号接收元件19。外壳16由坚固耐用的可加工材料(例如铝、 钢、不锈钢和其他金属)、耐用的聚合材料(例如PVC塑料或ABS塑料)或者其组合形成。 将外壳16塑造为多个侧壁、端壁、盖板和其他结构,其通过机械手段(例如焊接、螺钉或螺 栓)装配到一起。外壳16形成变送器11的微处理器17和其他内部组件的保护套,并且提 供对外部组件(包括广播元件18和接收元件19)的支撑体。典型地,外壳16还形成流体 和压力密封以保护内部不受泄露和腐蚀性或爆炸性药剂的影响。
[0015] 控制器17执行变送器11的通信、控制和信号处理功能,包括广播元件18和 接收元件19的操作。经由多种硬件和无线连接(例如,环线或电源/数据总线、红 外(IR)、光学或RF系统或其组合)来提供变送器11和过程监控器/系统控制器20 之间的通信。过程通信还使用多种不同的命令和控制协议,包括但不限于:标准模拟 (4-20mA)协议、诸如H ART:r的混合模拟-数字协议、以及诸如Foundation? Fieldbus和 PROFf BUS/PROlf \I_:T协议的数字协议。使用这些代表性通信系统的多种变送器和 其他现场设备例如可以从位于明尼苏达州Chanhassen市的Rosemount Inc.(-家爱默生 过程管理公司)获得。
[0016] 在图1的无线实施例中,信号广播元件18包括用于向传感器12发送无线RF查询 信号15A的RF广播天线,信号接收元件19包括用于从传感器12获取无线响应信号15B的 RF接收天线。在一些实施例中,广播元件18和接收元件19是不同的(如图1所示),而在 其他实施例中,广播元件18和接收元件19被组合到单个收发机器件中,该收发机器件既具 有广播(broadcast)(信号发送)功能又具有接收(信号获取或收集)功能。
[0017] RF信号15A和15B包含大范围的频段和波段,包括微波、短波无线电信号、高频无 线电信号和超高频无线电信号。在典型实施例中,RF信号15A和15B的频率范围是从大约 300MHz至大约30GHz,对应于从大约1厘米(lcm)至大约1米(lm)的真空波长。在扩展范 围的实施例中,RF信号15A和15B的频率范围是从大约30MHz至大约300GHz,对应于从大 约1毫米(1mm)至大约10米(10m)或更大的真空波长。
[0018] 传感器12是用于过程流体测量的基于空腔的传感器,每一个传感器包括谐振器 空腔21、信号耦合器22和空腔调谐器23。对传感器12进行定位使得空腔谐振器21与过 程流体13热力学接触,例如通过使用传感器座24,将传感器12定位于贮液器14内并使传 感器12至少部分地处于流体13内。
[0019] 过程流体13典型地是贮液器14内存储的大量流体,例如水、氨水、化学溶剂或其 他化学溶液、或流体碳氢化合物燃料。在备选实施例中,贮液器14表示油罐或其他天然的 贮液器,其中在线缆实施例(参见图2A)中典型地将传感器12用于井下应用。在其他实施 例中,贮液器14表示压力容器、处理容器、流导管、流管道或另一流体提取、存储、运输元件 或处理系统,而且流体13具有液态、气态或多相态。
[0020] 在无线实施例中,贮液器14有时由RF信号相对可穿透的材料(例如塑料或其他 聚合材料)形成。在这些实施例中,信号15A和15B传播通过贮液器14的壁,如图1所示。 备选地,贮液器14具有一个或更多个RF可穿透窗25,对这些窗25进行定位以允许变送器 11和一个或更多个传感器12之间的无线RF通信。
[0021] 传感器12与过程流体13之间的热力学接触包含热接触和压力接触,使得传感器 12感受空腔谐振器21处的过程流体13的压力条件和热条件。在一些实施例中,传感器12 与过程流体13之间的热力学接触还提供了差压敏感性,使得传感器12响应于沿空腔谐振 器21的差压效应(包括由于流体流动造成的差压效应)。
[0022] 每一个基于空腔的远程传感器12具有中心谐振频率,该中心谐振频率取决于空 腔谐振器21的几何属性。例如,有效谐振长度描述了这些几何属性。当传感器12与过程 流体13之间具有热力学接触时,有效谐振长度发生变化,使得中心谐振频率响应于流体13 的热力学属性而发生移动。具体地,有效谐振长度和中心谐振频率响应于沿空腔谐振器21 或空腔谐振器21附近的压力、温度和流速而移动或变化。
[0023] 例如,在一个实施例中,传感器12包括液位传感器,并且空腔21的有效谐振长度 响应于流体13的局部绝对压力或表压而移动。该压力是密度、相对于传感器12的相对高 度的流体深度d以及外部过压的函数。在其他实施例中,空腔21的几何形状响应于差压、 或响应于过程流体13内的温度或流速而发生改变。
[0024] 为了测量有关的过程流体参数,变送器11在关于空腔21的中心谐振而定义的频 率范围上扫描查询信号15A。信号耦合器22接收查询信号15A,并将信号能量发送至空腔 21。当查询信号(或采样信号)15A与移动后的谐振频率匹配时,以该谐振驱动传感器12, 并且空腔21内的电磁能增大。空腔21被设计为高Q系统以减少吸收,从而进入的能量中 的绝大部分经由信号耦合器22被重新广播(或重新发送)以创建回波(echo)信号(或响 应信号)15B。即,信号耦合器22将空腔21耦合至查询信号(采样信号)15A的电磁场,并 通过以谐振进行散射而产生响应信号(回波信号)15B。
[0025] 如图1所示,RF信号15A和15B是定向的,沿着变送器11和传感器12之间的大 致方向传播。在其他实施例中,变送器11和传感器12产生偶极型电磁辐射场,其中RF信 号15A和15B关于天线19和23实质上旋转对称。在另外的实施例中,信号15A和15B的 特征由实质上各向同性的辐射场来描述。备选地,信号15A和15B沿着线缆或其他导体传 递,而不是通常地在环境中广播,如下文结合附图2A和2B所述。
[0026] 通过扫描查询信号直到获得响应或散射回波信号,变送器11确定传感器12的移 动后的谐振频率。移动后的谐振频率由谐振腔21的有效谐振长度来确定,后者又取决于与 过程流体13的热力学接触。因此,移动后的谐振频率是描述了过程流体13的压力、温度、 流速和其他过程变量的函数。
[0027] 图1示出了系统10的多个优点。首先,由于空腔21对与过程流体13的热力学接 触的直接几何响应,传感器12直接响应于压力、温度、流速和其他过程变量或流体参数。这 与机电压力换能器和基于电路的谐振器不同,这些换能器和谐振器依赖于压电元件、L-C或 L-R-C组件以及依赖于间接的热效应和机械效应的其他器件,而不是依赖于频率和空腔的 几何形状之间的直接关系。
[0028] 另外,传感器12和谐振器空腔21根据电磁谐振原理而操作,而不是根据声谐振或 机械谐振而操作。这与表面声波(SAW)传感器、声应变仪传感器和边界声波技术有所区别。 另外,传感器12不需要电源。取而代之,变送器11经由查询信号15A问询传感器12,并且 当发生谐振时,传感器12简单地反射或散射该查询信号以产生回波或响应信号15B,无需 额外的功率输入。然后,变送器11基于回波信号15B确定相关的过程参数,其中,谐振散射 频率是过程流体13内的压力、温度和流速的函数,并且基于空腔21的几何响应。
[0029] 图2A是示出了在线缆实施例中的远程传感器系统10的剖面示意图。在该实施例 中,变送器11和传感器12经由RF线缆25 (部分以虚线示出)发送查询信号和响应信号。 这与图1中的无线实施例不同,在图1中,查询信号和响应信号是经过过程流体13和系统 10的外部环境而行进于变送器11和传感器12之间的自由传播广播场。
[0030] 变送器11的线缆实施例典型地包括线缆连接器/收发机26,其合并了上文图1中 独立的广播元件18和接收元件19的功能,并且提供了与线缆25的电耦合和机械耦合。在 这些实施例中,传感器12的信号耦合器22典型地包括线缆连接器。线缆连接器通过把空 腔21耦合至线缆25内部的电磁场(与自由传播的(无线)广播场不同),与图1中的天线 型耦合器类似地工作。
[0031] 线缆25包括同轴线缆、波导、高频传输线或在变送器11和传感器12之间的查询 信号和响应信号的频率范围内具有低阻抗的类似结构。在典型实施例中,将线缆25与外部 辐射绝缘并且屏蔽,以增大回波信号的信噪比。
[0032] 在图2A的具体实施例中,线缆25在端口 27处进入贮液器/过程结构14,端口 27 提供了贮液器14的压力密封或流体密封。备选地,端口 27是开放的,并且提供压力孔或流 体孔。
[0033] 系统10的线缆实施例适用于屏蔽的传感器位置(包括井下应用),也适用于过程 流体13或贮液器14对自由传播的查询信号和响应信号造成很大衰减的实施例。线缆实施 例还可应用于RF噪声和RF敏感的操作环境(开放传播的RF查询信号和响应信号可能会 造成干扰或受到干扰,或者可能会产生安全问题)。
[0034] 图2B是系统10的备选剖面图,该实施例中既使用了线缆传感器12又使用了无线 传感器12。在该实施例中,变送器11使用信号线缆25与自由传播的广播信号和响应信号 的组合来与传感器12通信。经由传感器座24将传感器12支撑在流体13内,或者经由信 号线缆25使传感器12悬挂在流体13内。
[0035] 在一些实施例中,变送器11经由第二天线28发送查询信号并接收响应信号。第二 天线28是具有组合的发送和接收功能的发射机天线,位于贮液器/过程结构14内部。如 同图1中的RF窗25,当贮液器14由防RF的材料(例如金属)形成时,第二天线28提供了 信号通信的备选方式。
[0036] 如图2B所示,信号线缆25表现为串行("串级链")和并行配置,其中线缆25的 一些分段提供了面向多个不同的传感器12的传输路径,而线缆25的其他分段专用于单个 传感器12。在另外的实施例中,系统10使用并行和串行传感器配置的任意组合,以及基于 线缆的(传输线)和自由传播(广播)的查询信号和响应信号的任意组合。
[0037] 为了对多个不同的传感器12进行区别,变送器11有时使用时间移动或" ΛΤ"测 量,其取决于查询信号和响应信号之间的时间差或延迟。延迟取决于变送器11和传感器12 之间的往返信号传输路径长度(S)以及信号传播速度(v):
[0038]

【权利要求】
1. 一种用于过程流体的空腔传感器,包括: 第一和第二相对反射器; 波导,设置在第一和第二反射器之间,从而在第一和第二反射器之间限定空腔长度,其 中,所述空腔长度基于与过程流体的热力学接触; 波长调整器,连接至所述波导,独立于所述热力学接触而调整所述空腔长度;以及 信号耦合器,将所述波导耦合至具有波长的电磁场,使得当所述波长对应于所述空腔 长度时,所述空腔传感器对所述电磁场进行强散射。
2. 根据权利要求1所述的空腔传感器,其中,所述波导限定了在大约1毫米和大约1米 之间的空腔长度。
3. 根据权利要求1所述的空腔传感器,其中,所述空腔长度是实质上纵向的有效谐振 长度。
4. 根据权利要求1所述的空腔传感器,其中,所述空腔长度是实质上横向的有效谐振 长度。
5. 根据权利要求1所述的空腔传感器,其中,所述信号耦合器包括线缆连接器,所述线 缆连接器用于将所述波导耦合至信号线缆内部的电磁场。
6. -种用于感测过程流体参数的远程系统,包括: 空腔,被配置为以空腔频率谐振,所述空腔频率响应于过程流体参数而移动; 调谐器,耦合至所述空腔以调谐所述空腔频率; 信号耦合器,耦合至所述空腔以接收查询信号,以及当所述查询信号与所述空腔频率 匹配时发送回波信号,所述信号耦合器包括线缆连接器,所述线缆连接器被配置为将所述 查询信号从线缆传导至所述空腔、以及将所述回波信号从所述空腔传导至所述线缆;以及 变送器,被配置为向所述信号耦合器发送所述查询信号,从所述信号耦合器接收所述 回波信号,以及根据所述回波信号来测量所述过程流体参数。
7. -种用于感测过程流体参数的远程系统,包括: 空腔,被配置为以空腔频率谐振,所述空腔频率响应于过程流体参数而移动; 调谐器,耦合至所述空腔以调谐所述空腔频率;以及 信号耦合器,耦合至所述空腔以接收查询信号,以及当所述查询信号与所述空腔频率 匹配时发送回波信号, 其中,所述空腔由导电材料形成,并且具有大约为1的内部折射率。
【文档编号】G01D21/02GK104280067SQ201410465052
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2010年4月6日 优先权日:2009年4月8日
【发明者】马克·S·舒梅切尔, 卢良驹 申请人:罗斯蒙特公司
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