передатчик параметров процесса с определением полярности термопары

Классы МПК:G01K7/02 с использованием термоэлектрических элементов, например термопар
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):РОУЗМАУНТ ИНК. (US)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-06-01
публикация патента:

Группа изобретений относится к передатчикам параметров процесса, используемым в системах управления технологическими процессами и мониторинга. Передатчик (10) параметров процесса для измерения температуры производственного процесса включает в себя первый электрический соединитель (1), сконфигурированный с возможностью соединения с первым проводом термопары, при этом первый электрический соединитель (1) включает в себя первый электрод (1A) и второй электрод (1B). Первый и второй электроды сконфигурированы с возможностью электрического соединения с первым проводом (18B) термопары. Второй электрический соединитель (2) сконфигурирован с возможностью соединения со вторым проводом (18A) термопары, при этом второй электрический соединитель (2) включает в себя третий электрод (2A) и четвертый электрод (2B). Третий и четвертый электроды сконфигурированы с возможностью электрического соединения со вторым проводом (18A) термопары. Второй провод выполнен из материала, отличного от материала первого провода. С первым и вторым электрическими соединителями соединена измерительная схема (28), сконфигурированная с возможностью выдачи выходного сигнала, связанного с температурой термопары. Измерительная схема дополнительно сконфигурирована с возможностью определения полярности термопары на основе, по меньшей мере, одного измерения, выполненного, по меньшей мере, между двумя электродами из числа первого, второго, третьего и четвертого электродов. Технический результат заключается в возможности определения полярности термопары. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил. передатчик параметров процесса с определением полярности термопары, патент № 2521746

передатчик параметров процесса с определением полярности термопары, патент № 2521746 передатчик параметров процесса с определением полярности термопары, патент № 2521746 передатчик параметров процесса с определением полярности термопары, патент № 2521746 передатчик параметров процесса с определением полярности термопары, патент № 2521746 передатчик параметров процесса с определением полярности термопары, патент № 2521746

Формула изобретения

1. Передатчик параметров процесса для измерения температуры производственного процесса, содержащий:

первый электрический соединитель, сконфигурированный с возможностью соединения с первым проводом термопары,

при этом первый электрический соединитель содержит первый электрод и второй электрод, причем первый и второй электроды сконфигурированы с возможностью электрического соединения с первым проводом термопары;

второй электрический соединитель, сконфигурированный с возможностью соединения со вторым проводом термопары,

при этом второй электрический соединитель содержит третий электрод и четвертый электрод, причем третий и четвертый электроды сконфигурированы с возможностью электрического соединения со вторым проводом термопары, при этом второй провод выполнен из материала, отличного от материала первого провода; а также

измерительную схему, соединенную с первым и вторым соединителями, сконфигурированную с возможностью выдачи выходного сигнала, связанного с температурой термопары, при этом измерительная схема дополнительно сконфигурирована с возможностью определения полярности термопары на основе, по меньшей мере, одного измерения напряжения, выполненного, по меньшей мере, между двумя электродами из числа первого, второго, третьего и четвертого электродов.

2. Передатчик параметров процесса по п.1, в котором измерительная схема сконфигурирована с возможностью определения типа термопары на основе, по меньшей мере, одного измерения напряжения.

3. Передатчик параметров процесса по п.2, в котором измерительная схема сконфигурирована с возможностью выдачи выходного сигнала, если идентифицированный тип термопары отличен от конфигурации, сохраненной в измерительной схеме.

4. Передатчик параметров процесса по п.1, в котором первый и второй электроды содержат различные материалы.

5. Передатчик параметров процесса по п.4, в котором третий и четвертый электроды содержат различные материалы.

6. Передатчик параметров процесса по п.5, в котором второй и четвертый электроды содержат одинаковый материал.

7. Передатчик параметров процесса по п.1, в котором второй и четвертый электроды содержат материал термопары.

8. Передатчик параметров процесса по п.1, в котором измерительная схема сконфигурирована с возможностью выдачи выходного сигнала оператору на основе идентификации обратной полярности термопары.

9. Передатчик параметров процесса по п.1, в котором измерительная схема сконфигурирована с возможностью компенсации выходного сигнала, связанного с температурой термопары, на основе полярности термопары.

10. Передатчик параметров процесса по п.1, в котором выходной сигнал от измерительной схемы подается на контур управления процессом.

11. Передатчик параметров процесса по п.1, в котором измерительная схема компенсирует измерение температуры на основе напряжения, замеренного на первом и втором электрических соединителях, сгенерированного в спае первого и второго проводов термопары, при этом компенсация основана на напряжении, измеренном, по меньшей мере, между первым или вторым электродом и первым проводом термопары, обеспечивая тем самым компенсацию холодного спая для выходного сигнала, связанного с температурой.

12. Передатчик параметров процесса по п.1, включающий в себя мультиплексор, сконфигурированный с возможностью избирательно соединять пары электрических соединений из числа первого, второго, третьего и четвертого электродов с аналого-цифровым преобразователем.

13. Способ, реализуемый в передатчике параметров процесса, для определения полярности термопары, соединенной с передатчиком параметров производственного процесса, содержащий этапы, на которых:

соединяют первый электрический соединитель с первым проводом термопары, при этом первый электрический соединитель содержит первый электрод и второй электрод;

соединяют второй электрический соединитель со вторым проводом термопары, при этом второй электрический соединитель содержит третий электрод и четвертый электрод, при этом второй провод выполнен из материала, отличного от материала первого провода;

определяют полярность термопары на основе напряжения, замеренного, по меньшей мере, между двумя электродами из числа первого, второго, третьего и четвертого электродов.

14. Способ по п.13, в котором первый и второй электроды содержат различные материалы.

15. Способ по п.14, в котором третий и четвертый электроды содержат различные материалы.

16. Способ по п.15, в котором второй и четвертый электроды содержат одинаковый материал.

17. Способ по п.13, в котором второй и четвертый электроды содержат материал термопары.

18. Способ по п.13, включающий в себя этап, на котором оповещают оператора в ответ на определение обратной полярности термопары.

19. Способ по п.13, включающий в себя этап, на котором компенсируют выходной сигнал, связанный с температурой термопары, на основе определения полярности термопары.

20. Способ по п.13, включающий в себя этап, на котором выводят данные в контур управления процессом.

21. Способ по п.13, включающий в себя этап, на котором компенсируют измеренную температуру на основе напряжения на первом и втором электрических соединителях, сгенерированного в спае первого и второго проводов термопары, при этом компенсация основана на напряжении, измеренном, по меньшей мере, между первым или вторым электродом и первым проводом термопары, обеспечивая тем самым компенсацию холодного спая.

Описание изобретения к патенту

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к передатчикам параметров процесса, используемым в системах управления технологическими процессами и мониторинга. Конкретнее, настоящее изобретение относится к передатчикам параметров процесса, измеряющим температуру производственной технологической текучей среды с использованием термопары.

Передатчики для управления технологическими процессами используются для измерения технологических параметров в системе управления технологическими процессами или мониторинга. Обычно передатчик включает в себя некоторый датчик параметров процесса, имеющий выходной сигнал, оцифрованный с помощью аналого-цифрового преобразователя и подаваемый на микропроцессор. Одним из типов датчика параметров процесса является температурный датчик, используемый для определения температуры технологической текучей среды. Измеренная температура может использоваться непосредственно либо может использоваться для компенсации другого технологического параметра, такого как поток. Параметр процесса передается из удаленного местоположения в локальное местоположение по контуру управления процессом. Контур управления процессом может содержать, например, двухпроводной контур управления процессом или иную конфигурацию, в том числе беспроводную конфигурацию.

Одним из типов температурного датчика является термопара, образованная, когда два металла различных видов приводятся в соприкосновение. Между этими двумя металлами создается напряжение, связанное с температурой спая. Это напряжение может быть измерено, а также, если это требуется, оцифровано с помощью схемы в передатчике. Термопара имеет два провода, выполненные с возможностью присоединения к первому и второму электрическим соединителям передатчика. Однако для получения точных замеров температуры требуется знать ориентационное положение (т.е. полярность) термопары относительно первого и второго электрических соединителей.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Передатчик параметров процесса для измерения температуры производственного процесса включает в себя первый электрический соединитель, выполненный с возможностью соединения с первым проводом термопары, при этом первый электрический соединитель включает в себя первый электрод и второй электрод. Первый и второй электроды изготовлены из различных материалов и сконфигурированы с возможностью электрического соединения с первым проводом термопары. Второй электрический соединитель сконфигурирован с возможностью соединения со вторым проводом термопары, при этом второй электрический соединитель включает в себя третий электрод и четвертый электрод. Третий и четвертый электроды изготовлены из различных материалов и сконфигурированы с возможностью электрического соединения со вторым проводом термопары. Второй провод выполнен из материала, отличного от материала первого провода. С первым и вторым электрическими соединителями соединена измерительная схема, сконфигурированная с возможностью выдачи выходного сигнала, связанного с температурой термопары. Измерительная схема дополнительно сконфигурирована с возможностью определения полярности термопары на основе, по меньшей мере, одного измерения, выполненного, по меньшей мере, между двумя электродами из числа первого, второго, третьего и четвертого электродов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фигуре 1 показана упрощенная схема системы управления производственным процессом, включающая в себя температурный датчик на основе термопары, сконфигурированный с возможностью измерения температуры технологической текучей среды.

На Фигуре 2 показана упрощенная схема передатчика температуры, соединенного с температурным датчиком на основе термопары.

На Фигуре 3 показан общий вид электрического соединения между термопарой и электрическими соединителями передатчика.

На Фигуре 4 показана схема электрического соединения с термопарой.

На Фигуре 5 показан график зависимости единиц счета (напряжения) от выборки (времени) для термопары, соединенной с электрическими соединителями по настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На Фигуре 1 показана упрощенная схема системы 5 управления производственным процессом. На Фигуре 1 показан технологический трубопровод 7, по которому поступает технологическая текучая среда. Передатчик 10 параметров процесса сконфигурирован с возможностью присоединения к технологическому трубопроводу 7. Передатчик 10 включает в себя датчик 18 параметров процесса, который может содержать, например, термопару, при этом передатчик 10 сконфигурирован с возможностью передачи информации в удаленное местоположение, например на пост 6 управления технологическим процессом. Передача может выполняться по контуру управления процессом, такому как двухпроводной контур 11 управления процессом. Контур управления процессом может соответствовать любому требуемому формату, в том числе, например, представлять собой контур управления процессом с токовым сигналом 4-20 мА, контур управления процессом для передачи цифровой информации, беспроводной контур управления процессом и т.д. В примере, показанном на Фигуре 1, контур 11 управления процессом запитывается от источника 6A питания на посту 6 управления. Эта энергия используется для обеспечения энергией передатчика 10 параметров процесса. Для измерения силы тока, протекающего через контур 11, может использоваться измерительный резистор 6B.

Настоящее изобретение направлено на создание передатчика параметров процесса, сконфигурированного с возможностью определения ориентационного положения (т.е. полярности) температурного датчика, соединенного с устройством. На Фигуре 2 показана упрощенная схема одного варианта осуществления изобретения, в котором передатчик 10 параметров процесса соединен с контуром 11 управления процессом. Передатчик 10 включает в себя клеммный блок 14, сконфигурированный с возможностью соединения с термопарой 18. Клеммный блок 14 на этой Фигуре включает в себя четыре клеммы, а именно электрические соединители 1, 2, 3 и 4. Для термопары требуется только два электрических соединителя. Передатчик 10 параметров процесса включает в себя мультиплексор 20, сконфигурированный с возможностью подачи данных в аналого-цифровой преобразователь, который выполняет оцифровывание и подачу данных в микропроцессор 22 для их обработки и/или передачи по контуру 11 управления процессом, используя схему 24 ввода/вывода. В данном примере схема 24 ввода/вывода также сконфигурирована с возможностью обеспечения подачи энергии на передатчик 10 параметров процесса, используя энергию, принятую по двухпроводному контуру 11 управления процессом. При беспроводной конфигурации в качестве источника питания может использоваться аккумуляторная батарея. Мультиплексор 20 управляется микропроцессором 22 для осуществления выбора между различными вводами с клеммного блока 14. Как будет подробнее показано ниже, между клеммами 1 и 2 и мультиплексором 20 имеется два электрических соединения. С мультиплексором 20 соединен дифференциальный усилитель 26, сконфигурированный с возможностью подачи выходного напряжения на аналого-цифровой преобразователь 28. Выходное напряжение связано с напряжением между любыми двумя вводами, соединенными с мультиплексором 20, выбранными микропроцессором 22. Микропроцессор 22 работает согласно инструкциям, сохраненным в запоминающем устройстве 30, со скоростью, определяемой тактовым генератором 32. Например, микропроцессор 22 может использовать напряжение, подаваемое аналого-цифровым преобразователем 28, для получения информации, связанной с температурой, от термопары 18.

В процессе работы температура термопары 18 создает напряжение VTCINPUT на клеммах (электрических соединителях) 1 и 2. С мультиплексором 20 также соединен источник опорного напряжения VTCREF. Передатчик 10 замеряет температуру термопарного датчика 18 путем определения напряжения VTC на термопаре согласно следующему уравнению:

VTC=(VTCINPUT/VTCREF )(VTCREFNOM) (1)

Как будет подробнее показано ниже, электрические соединительные клеммы 1 и 2 клеммного блока 14 сконфигурированы с возможностью включать в себя два соединения, каждая для использования при определении ориентационного положения (полярности) термопары 18. Каждое соединение 1, 2 включает в себя два электрода, выполненных из неодинаковых материалов. Неодинаковые материалы изолированы друг от друга, пока провода от термопары 18 не введены в соединитель. Провода от термопары 18 перекрывают зазор между двумя неодинаковыми металлами, создавая тем самым термопару на холодном спае технологических датчиков в каждой точке присоединения к передатчику 10. Термопары с холодным спаем имеют различные характеристики напряжения, зависящие от типа датчика и двух металлов, используемых для соединения. Эти напряжения могут характеризоваться посредством температурных функций холодных спаев для обеспечения определения полярности. Данный способ предусматривает изменения в технологическом процессе без проведения индикации полярности.

Микропроцессор может быть сконфигурирован с возможностью выдачи оператору предупредительного сигнала при обнаружении обратной полярности, либо изменить уравнение для расчета температуры с учетом обратной полярности.

Различные типы термопар идентифицируются по цветовой маркировке проводов. Четыре наиболее распространенных типа термопар - это типы E, J, K и T. Если вторичные материалы клемм 1 и 2 содержат хромель на положительной стороне и константан на отрицательной стороне, такая конфигурация соответствует термопаре типа E. Хромель - зарегистрированная торговая марка компании Hoskins manufacturing Company. Константан - медно-никелевый сплав, обычно содержащий 55% меди и 45% никеля. Если термопара типа E соединена правильно, напряжение на холодном спае термопары благодаря двум электрическим соединениям между термопарой и клеммами 1 и 2 будет равно нулю. С другой стороны, если соединение изменено на обратное, оба холодных спая создадут поддающееся измерению напряжение благодаря малому температурному градиенту. Хромель, представляющий собой сплав, содержащий примерно 90 процентов никеля и 10 процентов хрома, используется для изготовления положительных проводников термопар типа E по стандарту ANSI (хромель-константан) и типа K (хромель-алюмель). Они могут эксплуатироваться при температурах до 1100°C в окислительных средах.

На Фигуре 3 показан общий вид, на котором термопара 18 присоединена к электрическим соединителям 1 и 2. Термопара 18 образована проводами 18A и 18B, выполненными из двух неодинаковых металлов, соприкасающимися в точке 18C спая. Провод 18B соединяется с электрическим соединителем 1. Электрический соединитель 1 образован первичным электродом 1A и вторичным электродом 1B. Точно так же, провод 18A соединяется с электрическим соединителем 2, образованным первичным электродом 2A и вторичным электродом 2B. Обычно электроды 1A и 2A («первичные» электроды) могут изготавливаться из стандартных металлов, таких как никелированная латунь. Вторичные электроды 1B и 2B могут выполняться из материала, пригодного для использования в термопаре, такого как хромель или константан. В термопарах других типов, таких как тип J и тип T, в качестве одного из материалов для их проводов также используется константан, в то время как в типе K используется хромель. Будучи соединенными с правильной полярностью, два холодных спая, образованных электродами 1B и 2B соответственно с проводами 18B и 18A, создадут электрическое напряжение, равное нулю. Однако если полярность изменить на обратную, будет присутствовать малое электрическое напряжение. Полярность термопар других типов может быть также определена путем получения характеристик напряжения, образованного на вторичных холодных спаях в некотором диапазоне температурных градиентов. Например, одна сторона будет более чувствительной к малым температурным градиентам, чем другая сторона.

Это также позволяет системе проверить тип сконфигурированного датчика на соответствие эффектам холодного спая присоединенного датчика. Если характеристики датчика не соответствуют сконфигурированному датчику, конфигурация или установка могут быть некорректными.

На Фигуре 4 показана упрощенная схема термопары 18, соединенной с аналого-цифровым преобразователем 28. В этом примере мультиплексор 20 и усилитель 26 для простоты не показаны. Спаи, образованные между вторичными соединениями 1B и 2B и проводами 18B и 18A, представлены в виде спаев 1C и 2C соответственно. На Фигуре 4 также показан датчик 100 температуры холодного спая, который может содержать, например, резистивный датчик температуры, имеющий электрическое сопротивление, изменяемое с температурой. Температурный датчик 100 используется для измерения температуры клеммного блока 14, показанного на Фигуре 2, в качестве средства для обеспечения компенсации холодного спая при обычных измерениях с использованием термопар.

На Фигуре 5 показан график зависимости «единиц счета» от «выборки», представляющий зависимость напряжения от времени для термопары типа E. Как говорилось выше, термопара типа E содержит спай, образованный хромелем и константаном. В данном примере показано напряжение между проводами термопары и вторичными электродами. Линия, отмеченная позицией 102, соответствует отрицательной стороне термопары, в которой вторичный электрод содержит хромель. Аналогичным образом линия 104 соответствует напряжению в месте спая другого вторичного электрода и другого провода термопары, т.е. в месте спая хромеля и константана. В момент времени T1 на холодный спай направлен вентилятор. На Фигуре 5 показано, что если два материала являются одинаковыми, измеренное напряжение примерно равно нулю. Однако если они различны, присутствует поддающееся измерению напряжение, имеющее незначительные флуктуации при изменении температуры. В данном примере изменение температуры, вызванное применением вентилятора, не требуется для определения полярности термопары. Для определения полярности могут использоваться стандартные статистические модели, например среднеквадратическое отклонение.

Приведенные выше технологии могут использоваться для определения полярности термопары, соединенной с передатчиком. Может быть предусмотрен сигнал оповещения оператора о том, что полярность изменена на обратную, или, в другом примере, алгоритмы программного обеспечения, выполняемые микропроцессором 22, могут работать иначе в отношении термопары с обратной полярностью. Данная технология может также использоваться для компенсации градиентов температуры холодного спая. Как показано на Фигуре 4, может быть обеспечен температурный датчик 100, используемый для измерения температуры холодного спая на клеммном блоке, а также используемый для коррекции ошибок, возникающих в замерах напряжения. Предпочтительно расположить такой температурный датчик как можно ближе к клеммам 1, 2. Однако в большинстве случаев датчик температуры холодного спая должен располагаться на некотором расстоянии от клемм, что снижает точность замеров температуры, а значит, компенсации температуры холодного спая. Кроме того, резистивные датчики температуры обычно уступают термопарам по времени реакции на изменения температуры. Однако с применением технологий по настоящему изобретению изменение температуры может измеряться с использованием тестового соединителя холодного спая и использоваться для внесения поправок в измеренную температуру холодного спая термопары 18.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что могут быть внесены изменения по форме и содержанию без отхода от сущности и объема изобретения. Как показано, электроды могут быть разнесены или иначе электрически изолированы друг от друга. В число примеров материалов термопар входят: хромель-алюмель, тип K; железо-константан, тип J; медь-константан, тип T; хромель-константан, тип E.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2521746

patent-2521746.pdf

Класс G01K7/02 с использованием термоэлектрических элементов, например термопар

устройство для измерения температуры газовых потоков -  патент 2522838 (20.07.2014)
устройство для измерения температуры -  патент 2516036 (20.05.2014)
устройство для измерения температуры -  патент 2507488 (20.02.2014)
цифровой измеритель температуры -  патент 2504743 (20.01.2014)
погружной зонд -  патент 2502064 (20.12.2013)
контактная головка (варианты) -  патент 2496099 (20.10.2013)
термопарный датчик -  патент 2485460 (20.06.2013)
преобразователь температуры в напряжение -  патент 2480719 (27.04.2013)
устройство для измерения давления, температуры и теплового потока -  патент 2476842 (27.02.2013)
способ измерения температуры термопарами, измерительная информационная система для его осуществления и температурный переходник -  патент 2475712 (20.02.2013)
Наверх