温度平均现场设备补偿的制作方法

技术领域

本发明一般地涉及现场设备的温度补偿，并且具体地涉及使用描述现场设备的扩展区域的温度平均传感器而进行的补偿。

背景技术：

术语“现场设备”指代被设计为测量并且控制过程参数(比如压力、温度和流速)的广泛的过程管理设备。现场设备同时包括变送器(配置变送器以利用传感器模块来测量或者感测过程参数)和控制器(配置控制器以利用控制模块来修改或者控制该参数(例如通过对阀定位或者调节压力))。现场设备还包括多传感器变送器(比如压力/温度变送器)以及包括传感器模块和控制模块两者在内的集成控制器(例如，集成流控制器)。现场设备还可以使用更一般化的现场模块，其可以包括一系列有关的测量和控制功能(例如，在集成静压油罐计量系统中)。

现场设备在包括制造、液体处理、食品准备和环境控制的应用中具有广泛的用途，并且被应用于广泛的过程材料上，包括空气、水、液体碳氢化合物燃料、天然气、胶、树脂、薄膜、以及热塑性塑料(比如聚氯乙烯(PVC))。大多数这些应用要求至少某种形式的温度补偿，其通常必须考虑直接和间接影响。直接影响包括过程材料本身中的温度依赖性，特别是与压力和容积相关的测量。间接影响包括现场设备中的温度依赖性，比如热电传感器响应、模数(A/D)或者数模(D/A)转换器中的温度依赖性、以及其它相关影响。

直接温度补偿要求对过程材料的测量，其通常涉及大的存货(inventory)和流量。这在例如能源部门应用(类似石油精炼以及批量燃料运输)中尤其如此，其中甚至在单个流单元或者存储容量中，过程温度也会剧烈变化。因此，直接温度补偿使用多点温度传感器，或者备选地使用描述过程材料的扩展区域的特征的温度平均传感器。

另一方面，对现场设备的温度补偿传统上依赖于单点补偿传感器。现场设备一般相对于典型的过程容量(volume)来说是小的，并且在理想化的情况中，温度不会在这个尺度上显著地变化。此外，由于现场设备强调简单、紧凑以及鲁棒性的设计方法，因此在任何情况下难以在现场设备中并入复杂的多点补偿系统。

然而，在实际运行条件下，显著的非均匀温度条件确实会出现。过程热流、维护操作以及改变的环境条件都会产生温度梯度，其在典型的现场设备两端上有时可能超过10-20℃。在该条件下，单点传感器可能不能充分地描述现场设备，导致信号漂移、偏置、以及其它效应。从而需要可以克服该缺陷的温度补偿技术，以对现有技术进行改进。

技术实现要素：

一种平均温度补偿现场设备，使用传感器模块来描述与过程材料相关联的过程参数，并且使用温度平均传感器以描述现场设备中的扩展区域。该传感器模块和温度平均传感器产生模拟信号，该模拟信号由模数(A/D)转换器进行数字化。微处理器生成作为该数字化信号的补偿输出，并且接口利用商业上可用的通信协议来发送该输出。

在不同实施例中，传感器模块包括压力换能器(transducer)、热电偶换能器、流量计、液位(level)传感器或者另一形式的传感器。备选地，现场设备是多传感器设备，包括多个该功能。温度平均传感器典型地包括柔性(flexible)电阻温度器件(或者RTD)，并且通信协议是标准模拟协议、混合模拟-数字(或者)协议、或者数字协议(比如Fieldbus)，并且采用无线或者硬连线控制总线技术。

平均温度补偿控制器包括平均温度传感器、电子模块以及控制模块。电子模块被配置为接收过程控制输入，并且根据过程控制输入以及来自温度平均传感器的补偿信号而产生补偿后的控制输出。控制模块被配置为根据补偿后的控制输出来影响过程参数。在不同实施例中，控制模块包括温度控制器、压力调整器、或者液体液位控制器。在其它实施例中，控制模块包括阀定位器或者阀致动器，并且控制器还包括被配置为描述流率的传感器模块。在这些实施例中，控制器包括集成的流控制器。

一种温度平均现场设备补偿的方法，包括生成描述过程参数的过程信号，感测现场设备的扩展区域上的平均温度、根据平均温度来补偿过程信号，并且根据补偿后的过程信号来产生输出。在一个实施例中，过程信号包括传感器信号，并且该输出包括补偿后的输出。在另一个实施例中，该过程信号包括过程控制输入，并且该输出包括补偿后的过程控制输出。备选地，该现场设备是集合上述功能的集成控制器。

附图说明

图1A示出了平均温度补偿变送器的框图。

图1B示出了平均温度补偿现场设备的框图。

图2示出了在压力感测实施例中的图1中的变送器的横截面示意图。

图3A示出了图2中的压力变送器的侧视图，其受到由漂移引起的(依赖于时间的)温度梯度的影响。

图3B示出了图2中的压力变送器的侧视图，其受到由偏置引起的(准稳态)温度梯度的影响。

图4A示出了具有基本均匀敏感度的柔性和大体上线性的温度平均传感器的示意图。

图4B示出了具有优先敏感度的柔性和大体上线性的温度平均传感器的示意图。

图4C示出了具有基本均匀敏感度的柔性和大体上为平面的温度平均传感器的示意图。

图4D示出了具有优先敏感度的柔性和大体上为平面的温度平均传感器的示意图。

图5A示出了图4A的温度平均传感器的示意图，其具有两线桥输出结构。

图5B示出了图4A的温度平均传感器的示意图，其具有三线桥输出结构。

图5C示出了图4A的温度平均传感器的示意图，其具有四线输出配置。

图6A示出了在自动校正实施例中的图1A的变送器的框图。

图6B示出了在自动校正实施例中的图1B的控制器的框图。

具体实施方式

图1A示出了平均温度补偿变送器10的框图。变送器10是现场设备，包括外壳11、主测量传感器(“传感器模块”)12、温度平均传感器(“T_avg传感器”)13以及电子模块14A。

外壳11由耐用材料(比如金属或者耐用塑料)构成。该外壳包括被配置为保护内部组件的安全的内部安装结构，该内部组件包括传感器12和13以及电子模块14A。外壳11将这些内部组件绝缘，将它们与不利的环境条件(比如潮湿或者腐蚀性媒介)屏蔽，并且避免他们与过程机器、工具、下落物体或者其它潜在威胁相接触。外壳11还提供被配置为将变送器11与包含过程材料的过程结构相连接的连接结构。

传感器模块12被配置为生成描述与过程材料相关联的物理参数(过程参数)的模拟传感器信号。在不同的实施例中，例如传感器模块12包括压力传感器(比如压阻压力传感器、电容性压力传感器、或者机电压力传感器)，每一种都被配置为描述(或者测量)过程压力。备选地，传感器模块12包括温度传感器(比如热电偶温度换能器)、流量计(比如质量流量计)、液体液位传感器、或者另一种形式的传感器。变送器10还具有多传感器实施例，比如包括多个传感器模块12的压力/温度变送器。

温度平均传感器(T_avg传感器)13包括温度响应元件，比如电阻温度器件(RTD)。温度平均传感器13具有扩展的敏感区域，与现有技术的单点(或者单点)传感器有所区别，以及与包括多个离散的单点传感器的多点(或者多点)传感器有所区别。传感器13生成描述变送器10内的扩展区域的模拟补偿信号，提供了适用于多种现场模块形状以及现场设备应用的更具代表性的补偿信号。

在传感器模块12包括热电偶温度换能器的实施例中，T_avg传感器13有利于冷端(cold-junction)补偿。然而，由于T_avg传感器13在敏感度上不限于接近热电偶的单个点，因此可将T_avg传感器13配置为描述电子模块14A中的温度相关组件或者现场设备中的其它温度相关元件。还可配置T_avg传感器以描述接近过程材料的外壳11的区域，使得T_avg传感器13还描述过程温度。

电子模块14A包括模数转换器(A/D)15A、微处理器16以及接口(I/F)17。在一些实施例中，电子模块还包括用于预先放大来自传感器模块12和T_avg传感器13的模拟信号的预放大器组件。备选地，传感器模块12或者T_avg传感器13包括集成的预放大器组件。

A/D 15A将来自主传感器12和T_avg传感器13的模拟信号进行数字化。A/D具有线性、双线性以及非线性的实施例，以适合于传感器模块12和T_avg传感器13的特定敏感度和刻度范围。A/D是不同的闪速A/D(flash A/D)，使用sigma-delta调制，或者使用另一种转换架构，如来自多个商业供货商所提供的。在一些实施例中，电子模块14A包括单元(unitary)A/D 15A，被配置为将来自主传感器12和T_avg传感器13的信号进行数字化。

微处理器16为A/D 15A提供定时(clock)，并且可选地设置A/D参数，比如双线性断点或者转换尺度(scale)。微处理器还根据数字化的补偿信号来补偿数字化的传感器信号，生成补偿后的传感器输出。典型地，最初根据数字化信号的预校准(工厂设置)来执行补偿，但是变送器和其它更一般化的现场设备典型地也提供基于现场的校准。

微处理器16向接口(I/F)17提供补偿后的传感器输出。微处理器16还可以被配置为提供补偿信号(以数字或者模拟形式)和日期戳、时间戳或者表示主传感器12和T_avg传感器13的运行状态的诊断信号。在一些实施例中，微处理器16包括附加功能，用于对传感器信号进行线性化、重新设置变送器的范围、调整阻尼特征、或者提供附加的诊断信号。

接口17向手持控制器、远程操作器、或者自动控制系统(比如来自包括Emerson Process Management在内的商业供货商的DeltaV)发送补偿后的输出。在一个实施例中，I/F 17支持Profibus/Fieldbus通信协议，这是双向数字协议。在其它实施例中，I/F 17支持标准的4-20mA模拟信号协议，或者混合协议(比如)，该协议将数字通信叠加在标准模拟信号之上。还可配置该接口以经由无线射频(RF)发射机进行通信，例如与基于HART的1420无线网关(同样来自Emerson Process Management)兼容的902-928MHz信号。

在变送器10的运行中，主传感器12和T_avg传感器13向A/D 15A提供模拟信号。微处理器16为A/D提供定时，该A/D对模拟信号进行数字化，将它们转换为数字信号。微处理器16根据数字补偿信号对数字传感器信号进行补偿，生成用于I/F 17的补偿后的传感器输出。该接口根据上述一个或者更多个通信协议来发送补偿后的输出。

在HART和Fieldbus的实施例中，I/F 17接收数字控制信号(该信号用于由微处理器16请求A/D时钟)，以提供A/D转换参数，设置日期和时间戳信息，协助校准或者诊断，或者用于其它过程管理和控制的目的。在这些实施例中，I/F 17还可以以数字形式发送各种诊断信号。

图1B示出了平均温度补偿控制器18的框图。在该实施例中，控制器18是包括外壳11、T_avg传感器13、电子模块14B以及控制模块19的现场设备。

外壳11以及T_avg传感器13可以按照上文参考图1A的变送器10所描述的来操作。然而，与变送器10不同，控制器18包括电子模块14B而不是电子模块14A，以及包括控制模块19而不是传感器模块12。

电子模块14B包括A/D 15A、微处理器16以及I/F 17，并且可以包括如上文所述的预放大器组件。电子模块14B还包括数模(D/A)转换器15B。

控制模块19不同地包括例如商业上可用的温度控制器、压力调整器、液体液位控制器、阀定位器、阀致动器、或者流控制器。备选地，控制模块19是具有测量和控制功能的更一般化的现场模块，比如流体静压油罐计量系统的组件。然而，不管特定的实施例如何，控制模块19对温度相关的过程参数应用温度相关测量和控制技术，因此从与上文针对传感器模块12和变送器10所描述的温度补偿相似的温度补偿中获益。

在现场设备18的运行中，I/F 17还被配置为经由标准模、HART或者Fieldbus通信协议接收过程控制输入。微处理器16根据来自T_avg传感器13的补偿信号对控制信号进行补偿，然后为D/A转换器15B提供定时以产生用于控制模块19的补偿后的(模拟)控制输出。补偿功能是工厂校准的或者是现场校准的，或者依赖于如上所述的校准的组合。

补偿后的控制输出包括电流电平、可变宽度的电脉冲、气压或者另一种控制输出。控制模块19被配置为根据控制输出来影响过程参数，例如通过对阀进行致动或者定位，或者通过向电阻性加热器提供电流。本质上，鉴于传感器模块被配置为被动地描述过程参数(即，通过对其进行测量)，控制模块19被配置为主动地描述该参数(即，通过物理上影响或者改变该参数)。

注意，图1A和1B仅仅是大范围的潜在实施例的代表。具体地，可以将基于平均温度的补偿的优点同样应用于变送器、控制器、多传感器变送器、集成控制器和其它的更一般化的现场设备，并且可以应用于商业上可用的系统和定制的系统。

图2示出了压力感测实施例中的变送器10的横截面示意图。在该实施例中，变送器10包括3051T系列的电容型压力变送器和温度平均传感器13。3051T来自Emerson Process Management的分部Rosemount，Inc.，of Chanhassen，Minnesota。

在图2的实施例中，外壳11包括变送器罩21、终端罩22、安装元件23、以及连接螺母24。在外壳11中包括内部变送器元件，该内部变送器元件包括传感器模块12、T_avg传感器13、电子模块14A以及(在本实施例中)包括终端块25。

图2中的组件的相对大小、形状和位置示出了一系列潜在的现场设备配置，其中3051T系列的变送器仅为一个例子。然而，图2说明了本文披露的温度平均补偿技术的总体优点，这些优点在所有潜在的实施例中是固有的。

具体地，T_avg传感器13被配置为生成描述变送器10的扩展区域或者任何一般化的现场设备的扩展区域的补偿信号。例如，可以将T_avg传感器13配置为同时描述接近传感器模块12和电子模块14A处的温度，以及外壳11中接近其它温度相关组件(或者备选地，过程材料)的区域。当现场设备遭受非均匀温度影响时，这种适应性特别重要。

图3A示出了图2中体现的变送器10的侧视图，具有漂移引起的(时间相关的)温度梯度。变送器10包括T_avg传感器13(以虚线示出)以及外壳11。外壳11包括罩21和22、安装元件23、连接螺母24、导管连接31以及名称牌32。变送器10的其它内部元件如上文参考图2所述，但是并没有在图3A中示出。

由等温线T₁、T₂和T₃来描述温度梯度，这些等温线描述了非均匀的温度梯度，该温度梯度通常从图3A的左上方向右下方下降(即T₁＜T₂＜T₃)。例如，由于辐射热源(比如日光)的引入、过程热流的变化、或者另一种时间相关的影响而导致环境温度的时间相关的变化，从而导致梯度的出现。

单点温度补偿技术(现有技术中的典型技术)需要温度平衡的最优布局(即，温度在现场设备中处处相同)和与图3A中相似的非均匀运行条件的不可预测的影响之间的折中。具体地，由于传感器处的温度以及在现场设备的其他元件处的温度之间的瞬时(时间相关)变化，单点传感器会产生信号漂移。这引起补偿信号背离其“真实”或者标称值，相应地又会引起传感器输出的漂移。

由于温度平均传感器13的扩展敏感区域同时描述了梯度上的不同温度区域，温度平均传感器13较少受制于信号漂移。这提供了更具代表性的补偿信号，并且允许对改变温度更快地做出响应。此外，在柔性传感器实施例中，T_avg传感器13可以遵从几乎任何现场设备的外形，并且针对平衡和非平衡温度条件而具体进行配置。

图3B示出了图2的实施例中的变送器10的侧视图，具有偏置引起的(准稳态)温度梯度。这里，温度从图3A的下部向上部减少(再一次地，T₁＜T₂＜T₃)。由于通过变送器10的过程热量的准稳态流或者由于另一个热流而导致该梯度的出现。

类似于图3B中所示的准稳态梯度可以引起信号偏置。偏置(或者“偏移量”)类似于信号漂移，其中偏置是由单点补偿传感器处的温度与现场设备的其它组件处的温度之间的差异而引起的。然而，信号偏置可以比信号漂移更持久，这是由于准稳态热流倾向于产生更稳定的梯度，该梯度可能不会随着时间而降低。

由于温度平均传感器13具有比单点传感器产生更具代表性的补偿信号的扩展敏感区域，因此温度平均传感器13相对于现有技术来说较少受制于偏置。此外，可以将T_avg传感器13配置为提供统一的(unified)、紧凑封装的单一补偿信号，这与需要多个离散的单点组件的更复杂的多点(多点)系统相反。

图4A是示出了具有基本均匀的敏感度的柔性(并且大体上是线性的)实施例中的温度平均传感器13的示意图。在该实施例中，传感器13包括电阻温度器件(RTD)，该器件包括引线41和42、护套(sheath)43以及基本均匀的线芯(wire core)44。

引线41和42与线芯44的相对端电连接，使得引线41和线芯44形成沿着T_avg传感器13的长度的电路径。参考下面的图5A-5C来讨论引线和外部电子设备之间的连接。

护套43被配置为对线芯44进行保护和电绝缘。该护套包括柔性导管、柔性软管、柔性塑料涂层、或者另一种形式的护套材料。护套43的横截面形状是各种形状，包括基本上的圆形、基本上的长方形、或者其它形状，使得护套43大体上遵循线芯44的横截面形状。

线芯44是电阻性导电线芯，包括DM级别(或者欧洲标准)的铂、参考级别(至少99.999％纯度)的铂、镍、铜、镍/铁合金、或者具有温度相关电阻系数的另一种材料。典型地，将线芯44缠绕在绝缘芯绕组(图中未示出)上，或者备选地，将线芯44在芯轴(图中也未示出)中盘绕。采用来自于Weed Instruments of Round Rock，Texas；RdF Corporation of Hudson，New Hampshire；Emerson Process Management以及其它商业供货商的RTD来提供该线芯。护套43、线芯44以及芯绕组或者芯轴典型地是柔性的，允许T_avg传感器13遵循如上所述的多种现场设备的形状。

在图4A的实施例中，线芯44是基本均匀的，以基本相同的密度在整个T_avg传感器13上缠绕。这提供了简单的RTD形状和均匀加权的平均温度补偿信号，该信号是沿着传感器13的整个敏感区域上被大致同等地采样的。

图4B示出了在具有优先敏感度的柔性和大体上线性的实施例中的T_avg传感器13的示意图。在该实施例中，引线41和42以及护套43与参考图4A所描述的相同，但是线芯44不是基本均匀的。取而代之地，线芯44包括多个扩展的敏感区域45，在该区域中，线芯是相对密集地缠绕的，而且还包括多个较不敏感的区域46，在该区域中，线芯是相对不密集地缠绕的，并且在一些实施例中，由对温度较不敏感的材料来代替。

图4B中的优先敏感度的实施例提供了对非均匀温度梯度的额外适应性，比如在图3A和3B中示出的那些非均匀温度梯度。一般地，将扩展的敏感区域45定位在接近现场设备的基本上温度敏感的组件边，使得补偿信号优先描述这些组件。还可以在传感器13和温度敏感组件之间提供具有相似效应的热耦合。这提供了在将传感器13裁适为任何特定现场设备的形状和运行特征时的附加灵活性，同时保留了简单的、单信号的、单元元件的设计。

图4C是示出了具有基本均匀的敏感度的柔性并且大体上为平面的实施例中的T_avg传感器13的示意图。在该实施例中，传感器13包括薄膜RTD，该薄膜RTD包括引线41和42以及基本均匀的薄膜线芯44(典型地通过在基底47上沉积而形成)。一般地，在线芯的顶部还存在保护性和绝缘涂层，但是这在图4C中未示出。

图4D是示出了具有优先敏感度的柔性并且大体上为平面的实施例中的T_avg传感器13的示意图。在该实施例中，线芯具有扩展的敏感区域45以及相对不敏感的区域46，与图4B中所示的类似。

图4C和图4D示出了适用于微流体和其它小尺度应用、柔性的薄壁现场设备以及组件大小和厚度是重要因素的其它应用的实施例。典型地，在柔性基底(比如聚酰亚胺薄膜)上形成这些实施例，比如来自3M Corporation of St.Paul，Minnesota的聚酰亚胺薄膜。备选地，在刚性基底(比如基于硅的基底或者陶瓷基底)上形成非柔性平面的实施例。

图5A-5C示出了用于温度平均传感器13的各种输出接线配置。在大体上线性、柔性和均匀敏感度的RTD实施例中示出了T_avg传感器(参见图4A)，但是这仅是说明性的。可以将这些接线配置同等地应用于柔性和刚性实施例中、应用于大体上线性或者大体上为平面的实施例中，并且能够应用于其它传感器形状。

图5A是示出了具有两线桥输出配置的T_avg传感器13的示意图。在该实施例中，输出接线包括连接在线芯44两端上的引线41和42，以及桥电阻器51、52和53。在微处理器16中包括可变电压源54以及安培计55。

两线桥提供了相对简单、鲁棒性的输出接线配置。桥电阻器51、52和53与引线41和42相连，并且与A/D转换器15A相连。可变电势源54提供通过T_avg传感器13的电流，由桥电阻器53加以限制。沿着RTD的平均温度是线芯44的电阻的函数，其由欧姆定律来确定：

由A/D 15A来确定电压V，并且由电势源54来确定电流I，如同经由电流表55所稳流(备选地，如在下面图5C的实施例中所描述的稳流源)。

图5B是示出了具有三线桥输出配置的T_avg传感器13的示意图。与图5A的两线桥相比较，三线桥需要第三引线56。三线桥减少了引线41和42中的串联电阻的影响，在A/D 15A处产生很大程度上独立于该影响的信号。

图5C是示出了具有四线输出配置的T_avg传感器13的示意图。该配置需要第三引线56和第四引线57，其减少了不匹配的引线电阻的影响。在本实施例中，不存在桥电阻器，并且由稳流源58和伏特计59分别替代可变电势源54和安培计55。

如图5A-5C所示，RTD具有由于电压源54(或者，在图5C中，电流源58)提供的通过线芯44的电流而引起的自加热。自加热的程度是传输至线芯的功率；即

P＝IV， [2]

其中P是自加热功率，其依赖于电流I和电压V。

自加热使得线芯具有比其周围环境稍高的温度，这改变了它的电阻并且从而向补偿信号中引入了自加热分量。可以通过确定自加热指数(SHI)来校正自加热，该指数简单地是RTD电阻和自加热功率之间的(接近线性的)关系的斜率。即：

其中R₁和R₂分别是与功率级别P₁和P₂相对应的电阻。

本质上，SHI是电阻的改变与自加热功率的改变的比率。经由等式2找到自加热功率，使用在RTD两端上测量的电流I和电压V，并且经由欧姆定律(等式1)找到电阻。一旦确定SHI，通过与自加热功率成比例地将电阻R减少ΔR，可以针对任何电流I和任何电压V而校正RTD信号：

ΔR＝SHI×P. [2]

图6A示出了在自动校正实施例中的变送器10的框图。在该实施例中，微处理器16还包括如图5A和5B所示的可变电势源54以及安培计55，或者备选地如图5C所示的稳流源58以及伏特计59。

为了针对自加热的影响而自动校正T_avg传感器13，微处理器16提供通过线芯的两个不同电流，并且通过等式3计算自加热指数(SHI)。然后在补偿函数中使用自加热指数，以使用等式4或者另一种类似算法来针对通过T_avg传感器13的电流的影响而校正电阻R。这减少了自加热对补偿信号的影响，并且提供了更准确的补偿后的传感器输出。

图6B示出了自动校正实施例中的控制器18的框图。在该实施例中，微处理器16还包括图5A和5B所示的可变电势源54以及安培计55，或者备选地如图5C所示的稳流源58和伏特计59。如上文刚刚描述的，微处理器16可操作地自动校正T_avg传感器13。

图6A和6B中的自动校正实施例特别适合于研究以及其它高精度应用。由于SHI的变化还指示线芯中的退化或者故障，然而自动校正实施例还提供用于T_avg传感器13的重要的诊断工具。该诊断具有在工业液体处理、碳氢化合物精练以及存储、批量液体运输以及其它应用(其中温度补偿扮演过程关键角色)中的更广泛的应用。

已经通过优选实施例描述了本发明。本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。