CN101553717B - 过程变量变送器中的温度传感器配置检测 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于对过程的温度进行测量的过程变量变送器(10)，包括第一、第二、第三和第四端子，被配置为耦合至温度敏感元件(16、18)。测量电路对端子对之间的电参数进行测量。微处理器(22)基于由测量电路所测量的两个端子之间的电参数来识别耦合至至少两个端子的温度敏感元件(16、18)的定位。在另一配置中，过程变量变送器使用热电偶(18)对过程的温度进行测量。加热单元(41)被配置为对耦合至热电偶(18)的端子进行加热。微处理器(22)响应于所施加的热，基于所测量的电参数来确定热电偶的极性。

Description

过程变量变送器中的温度传感器配置检测

技术领域

本发明涉及过程控制和监控系统中使用的过程变量变送器。更具体地，本发明涉及耦合至过程变量变送器的温度传感器的配置或定向的终止。

背景技术

过程控制变送器用于测量过程控制系统中的过程参数。基于微处理器的变送器包括：传感器；模数转换器，用于将传感器的输出转换成数字格式；微处理器，用于补偿数字化输出；以及输出电路，用于变送补偿后的输出。典型地，该变送基于过程控制环路，如4-20mA电流环路。一个示例参数是通过对RTD(电阻性温度器件，也称为PRT(铂电阻温度计)传感器)的电阻或热电偶传感器的电压输出进行测量来感测的温度。

可以通过将感测输出(电阻至电压)转换成指示传感器的温度的输出来测量温度。然而，为了使过程变量变送器获得期望的测量，必须对变送器的电路进行正确配置。例如，一些RTD传感器使用四线开尔文连接(Kelvin connection)，而其他传感器使用三线连接。类似地，尽管热电偶典型地仅使用两条线，但在两条线之间存在极性。已经知道如何检测RTD使用三线还是四线(见例如STT 3000智能温度变送器，型号STT 350操作者手册)。然而，RTD仍必须以已知的方式进行耦合。这可以是预定方式或使用某种类型的用户输入来识别的方式。

发明内容

一种用于对过程的温度进行测量的过程变量变送器。所述变送器耦合至温度传感器。所述变送器被配置为确定所述温度传感器耦合至所述变送器的方式。还提供了一种方法。

附图说明

图1A是耦合至RTD传感器的温度变送器的简图。

图1B是耦合至热电偶传感器的温度变送器的简图。

图2A是示出了温度变送器所执行的步骤的流程图。

图2B、2C和2D分别示出了RTD的定向的情况1、2和3。

图3A是示出了由温度变送器所执行的步骤的流程图。

图3B、3C和3D分别示出了RTD的定向的情况4、5和6。

图4A是示出了由温度变送器所执行的步骤的流程图。

图4B、4C和4D分别示出了RTD的定向的情况7、8和9。

图5A是示出了由温度变送器所执行的步骤的流程图。

图5B、5C和5D分别示出了RTD的定向的情况10、11和12。

图6A是示出了由温度变送器执行的步骤的流程图。

图6B、6C和6D分别示出了RTD的定向的情况13、14和15。

图7是示出了由温度变送器执行的步骤的流程图。

图8A是示出了由温度变送器执行的步骤的流程图。

图8B示出了热电偶的配置。

具体实施方式

本发明提供了一种过程变量变送器，被配置为识别耦合至设备的温度传感器的配置或定向。示例包括识别：二、三或四线RTD、变送器的端子之间的RTD元件的位置和定位、或热电偶的位置或极性定向。

图1A是连接至RTD传感器以测量温度的温度变送器10的方框图。

变送器10耦合至过程控制环路11，过程控制环路11向变送器10供电，通过过程控制环路11可以发送和接收信息。可选地，过程控制环路11可以采用各种无线技术或配置。在该实施例中，变送器10优选地包括：端子模块14，具有端子1至4，用于耦合至例如RTD温度传感器16或热电偶温度传感器18(如图1B所示)。图1A示出了至RTD 16的电连接。传感器16(和传感器18)可以在变送器10的内部或外部。变送器10包括复用器20，复用器20由通过输入/输出(I/O)电路24耦合至控制环路11的微处理器22来控制。复用器20将模拟信号的适当集合(包括来自端子1至4的信号)复用至差分放大器26的正和负输入，差分放大器26连接至高精度A/D转换器28。存储器30存储微处理器22的指令和信息，微处理器22以由时钟32确定的速率操作。复用器20选择性地将输入对连接至差分放大器26的正和负输入。参考电阻R_REF 38耦合至复用器20并与RTD 16串联。

在操作中，变送器10测量传感器16的温度，并通过控制环路11发送温度的表示。变送器10采用以下等式来计算RTD 16的温度的主要值：

$R_{\mathrm{INPUT}}=\frac{V_{\mathrm{RINPUT}}}{V_{\mathrm{RREF}}}\left(R_{\mathrm{REFNOM}}\right)$ 等式1

其中：

R_REF是以欧姆为单位的和/或被存储在存储器30中的参考电阻的标称电阻；

V_RINPUT是输入两端的电压降；以及

V_RREF是R_REF两端的电压降。

电流源50通过MUX 20提供流经传感器16(经由端子1和4)以及参考电阻38的电流I_S。在图1A的配置中，微处理器22利用MUX 20来测量端子2和3之间的RTD 16两端的电压降(V_RINPUT)，以及电阻38两端的电压降(V_RREF)。R_REFNOM是计算常量，并可以从存储器30检索到。在如本示例的四线电阻测量中，由于实质上所有电流在端子1和4之间流动，极大地消除了对端子2和3的连接两端的电压降，对测量的精确性影响很小。根据存储在存储器30中的查找表或适合的等式，将R_INPUT转换成温度单位。

在图1B的配置中，变送器10与热电偶传感器18连接以测量温度，热电偶传感器18创建跨在端子1和2之间的电压V_TCINPUT。复用器20将差分放大器26的输入耦合至端子2和1。图1B示出了耦合至MUX 20和电流源50的参考电压(V_TCREF)。如下所述，提供加热器41以确定热电偶传感器18的定向。加热器41由微处理器22控制。

变送器10通过根据以下等式确定热电偶电压V_TC来测量热电偶传感器18的温度：

$V_{\mathrm{TC}}=\frac{V_{\mathrm{TCINPUT}}}{V_{\mathrm{TCREF}}}\left(V_{\mathrm{TCREFNOM}}\right)$ 等式2

其中：

V_TCINPUT＝放大器26所感测的、跨在端子模块14的端子1和2之间的测量电压；

V_TCREF＝放大器26所感测的、由参考电压36产生的测量电压；

V_TCREFNOM＝存储在存储器30中的参考电压36的标称值。

当变送器10位于现场时，图1A和1B所示的温度传感器16和18典型地连接至变送器10。因此，将温度传感器16、18连接至变送器10的操作者可以将传感器16、18的引线耦合至四个端子1、2、3和4中的任一个。然而，为了使微处理器22获得精确的温度测量，必须知道传感器16、18的引线的定向和配置。例如，这需要将传感器以特定定向连接至变送器。可选地，可以将信息输入至变送器10，所述信息向微处理器22指示关于传感器16、18的定向。根据本发明，微处理器22对传感器16、18执行多次测试，以确定传感器的配置和定向。

图2A是示出了根据本发明的步骤的流程图100，图2B、2C和2D示出了耦合至变送器10的RTD传感器16的传感器16的示例配置。此外，下表1示出了关于端子对T12、T13和T14之间所测量的电阻的三种情况，T12是端子1和2之间，T13是端子1和3之间，T14是端子1和4之间。

表1

	情况1	情况2	情况3
				T12	L	L+S	L+S
T13	L+S	L	L+S
				T14	L+S	L+S	L

L＝引线(欧姆)

S＝传感器(欧姆)

假设：S＞＞L

通过对端子1和2之间的电阻进行测量来开始流程图100。如果确定为开路，则微处理器22确定传感器16不是四线传感器，并且没有使用端子1或端子2。可选地，将端子1和2之间的电阻存储在存储器中，并且获得端子1和3之间的另一测量。如果该测量指示连接是开路，则微处理器22确定传感器不是四线传感器，并且没有使用端子3。可选地，将端子1和3之间的电阻存储在存储器中。接着，测量端子1和4之间的电阻，如果该电阻指示开路，则微处理器22确定传感器16不是四线传感器，并且没有使用端子4。可选地，将端子1和4之间的电阻存储在存储器中。基于所测量的电阻，根据上述表1中的信息来确定传感器16的定位(分别如图2B、2C和2D所示的情况1、2或3)。

图3A是示出了微处理器22执行的、用于确定传感器16的定位的后续步骤的流程图120，图3B、3C和3D分别示出了如表2所示的传感器16的定向的情况4、5和6：

表2

	情况4	情况5	情况6
				T13	L	L+S	L+S
T14	L+S	L	L+S

L＝引线(欧姆)

S＝传感器(欧姆)

假设：S＞＞L

流程图120从微处理器22测量确定没有使用端子1或端子2开始。接着，测量端子1和3之间的电阻。如果这是开路，则没有使用端子1，或者传感器不是三线传感器。可选地，将端子1和3之间的电阻存储在存储器中。接着，微处理器22测量端子1和4之间的电阻。如果这是开路，则微处理器22确定传感器16是连接在端子1和3之间的双线传感器。可选地，将端子1和4之间的电阻存储在存储器中。最后，微处理器22基于收集的数据和上述表2所示的信息来识别传感器16的定位。

图4A是示出了微处理器22执行的后续步骤的流程图140，图4B、4C和4D基于包含在表3中的数据分别示出了传感器16的定向的情况7、8和9：

表3

	情况7	情况8	情况9
				T23	L	L+S	L+S
T24	L+S	L	L+S

L＝引线(欧姆)

S＝传感器(欧姆)

假设：S＞＞L

在流程图140中，从微处理器22已确定没有使用端子1开始。接着，测量端子2和3之间的电阻。如果这指示开路，则传感器不是三线传感器，而是耦合在端子2和4之间或端子3和4之间的双线传感器。可选地，将与这些电阻相关的数据存储在存储器中。接着，微处理器22测量端子2和4之间的电阻。如果该电阻指示开路，则传感器是连接在端子2和3之间的双线传感器。可选地，将端子2、3和4之间的电阻存储在存储器中。最后，微处理器基于包含在上述表3中的信息来识别传感器16的定位。

图5A是示出了微处理器22执行的后续步骤的流程图160，图5B、5C和5D分别示出了关于表4中所示的传感器16的配置的情况10、11和12：

表4

	情况10	情况11	情况12
				T12	L	L+S	L+S
T14	L+S	L	L+S

L＝引线(欧姆)

S＝传感器(欧姆)

假设：S＞＞L

当确定没有使用端子3时开始流程图160。接着，测量端子1和4之间的电阻。如果这是开路，则微处理器22确定传感器16是连接在端子1和2之间的双线传感器。可选地，存储电阻，并且，微处理器22基于包含在上述表4中的数据来计算传感器定位。

图6A是示意了没有使用端子4时根据本发明的步骤的流程图180。图6B、6C和6D示出了关于如表5中所述的传感器16的定位的可能情况13、14和15：

表5

	情况13	情况14	情况15
				T12	L	L+S	L+S
T13	L+S	L	L+S

L＝引线(欧姆)

S＝传感器(欧姆)

假设：S＞＞L

在流程图180中，微处理器22基于存储在上述表5中的数据来计算传感器16的定位。

图7是示出了在确定传感器16是连接在端子2和4之间或端子3和4之间的双线传感器的情况下，微处理器22执行的步骤的流程图200。微处理器22测量端子2和4之间的电阻。如果这不是开路，则传感器是连接在端子2和4之间的双线传感器。可选地，微处理器测量端子3和4之间的电阻。如果这是开路，则微处理器22确定尚未连接传感器。可选地，微处理器22确定传感器是耦合在端子3和4之间的双线传感器。

图8A和8B均涉及对耦合至变送器10的热电偶的极性的确定。图8A是示出了微处理器22执行的步骤的流程图，图8B是热电偶的示例配置。在流程图220中，微处理器22对跨在端子1和2之间的电压进行测量。将其记录为基线电压V_base。接着，使用加热器41对端子1和2(或者热电偶16形成的冷接点)进行加热。加热器41可以被配置为在微处理器22的控制下操作。然后，微处理器22记录加热后的电压值V_heat。接着，如果V_heat大于V_base，则微处理器22确定端子2是热电偶的正引线。可选地，微处理器22确定端子1是正引线。

可以根据需要来布置流程图中所述的各个步骤。典型地，使用存储器30中存储的程序指令，并由微处理器22来执行这些步骤。

尽管参照优选实施例已对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将认识到，在不背离本发明精神和范围的前提下可以进行形式和细节的改变。尽管将测量电路描述为测量电阻或电压，但是可以对任何适合的电参数进行测量。如这里所使用的，“测量电路”可选地包括微处理器或由微处理器执行的步骤和/或附加的数字或模拟电路。

Claims (24)

1.一种用于对过程的温度进行测量的过程变量变送器，包括：

第一端子，被配置为耦合至温度敏感元件；

第二端子，被配置为耦合至所述温度敏感元件；

第三端子，被配置为耦合至所述温度敏感元件；

第四端子，被配置为耦合至所述温度敏感元件；

测量电路，被配置为对端子对之间的电参数进行测量；以及

微处理器，被配置为基于由测量电路所测量的至少两对端子之间的电参数来识别耦合至至少两个端子的所述温度敏感元件的定位，其中，所述微处理器还被配置为基于所测量的电参数和所识别的所述温度敏感元件的定位来计算所述温度敏感元件的温度。

2.根据权利要求1所述的过程变量变送器，包括加热元件，被配置为对两个端子进行加热，其中，所述微处理器还被配置为：响应于所施加的热来确定连接在两个端子之间的热电偶的极性。

3.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述电参数包括电阻。

4.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述电参数包括电压。

5.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述微处理器确定所述温度敏感元件是否包括双引线元件。

6.根据权利要求5所述的过程变量变送器，其中，所述微处理器确定哪条引线连接至哪个端子。

7.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述微处理器确定温度传感器是否包括三线元件。

8.根据权利要求7所述的过程变量变送器，其中，所述微处理器确定哪条引线连接至哪个端子。

9.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述微处理器确定所述温度敏感元件是否包括四线元件。

10.根据权利要求9所述的过程变量变送器，其中，所述微处理器确定哪条引线连接至哪个端子。

11.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述微处理器确定端子对之间的连接是否包括引线连接。

12.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述微处理器确定端子对之间的连接是否包括传感器连接。

13.一种在过程变量变送器中对耦合至变送器的温度敏感元件的温度进行测量的方法，包括：

对过程变量变送器的端子对之间的第一电参数进行测量；

对过程变量变送器的第二端子对之间的第二电参数进行测量；

基于所述第一电参数和第二电参数来识别所述温度敏感元件的配置；以及

基于所述第一电参数、所述第二电参数和所识别的所述温度敏感元件的配置，来计算所述温度敏感元件的温度。

14.根据权利要求13所述的方法，包括：对两个端子进行加热，以及，响应于所施加的热来确定连接在两个端子之间的热电偶的极性。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电参数包括电阻。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电参数包括电压。

17.根据权利要求13所述的方法，包括：确定所述温度敏感元件是否包括双引线元件。

18.根据权利要求17所述的方法，包括：确定哪条引线连接至哪个端子。

19.根据权利要求13所述的方法，包括：确定温度传感器是否包括三引线元件。

20.根据权利要求19所述的方法，包括：确定哪条引线连接至哪个端子。

21.根据权利要求13所述的方法，包括：确定温度传感器元件是否包括四线元件。

22.根据权利要求21所述的方法，包括：确定哪条线连接至哪个端子。

23.根据权利要求13所述的方法，包括：确定端子对之间的连接是否包括引线连接。

24.根据权利要求13所述的方法，包括：确定端子对之间的连接是否包括传感器连接。

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