专利名称：用于传感器覆层检测的工业过程传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种工业过程传感器和变送器。本发明尤其涉及一种在暴 露给过程流体的传感器部件上的材料积聚的自动检测。
背景技术：
工业过程传感器和变送器用于感测流经导管或者包含在容器内的各
种流体特性。变送器感测过程参数，例如压差、线压、温度和pH。
在过程应用中的温度传感器，例如热电偶、电阻式温度检测器或红外 传感器通常由金属或陶瓷护套保护。传感器电引线通过某种绝缘材料相互 绝缘，并与金属护套和金属构件绝缘。由传感器、传感器电引线、传感器 护套、绝缘材料和安装配件构成的组件被称为传感器组件。
传感器引线与电路相连，所述电路读取传感器信号并将其转换成温度 读数。所述电路可以处于一控制、监测或安全系统的输入电子卡中或处于 变送器中。变送器通常被安装在离所述温度传感器相对较近的位置处。
变送器将传感器信号转换成温度测量值，并将所述信号传送给远程接 收器，例如控制、监测和/或安全系统。温度值可以通过不同类型的信号 和媒介传送。其可以被转换成模拟标准值，例如4-20mA，或通过数字协 议(例如HART、 Fieldbus、 Profibus、 DeviceNet、 Modbus、 Ethernet等) 进行转换。传送媒介可以借助导线、光纤、红外或射频。
用于工业过程中的温度传感器通常安装有基本的密封，例如热电偶套 管。热电偶套管用于为温度传感器提供附加的保护。热电偶套管是端部封 闭的金属或陶瓷管，其保护温度传感器免受过程压力、侵蚀和腐蚀。它们 还允许安装和移除传感器而不用停止所述过程。许多工业过程涉及流体， 所述流体导致传感器覆层、 一种在热电偶套管上(或者在与所述流体直接 接触的温度传感器上)的材料积聚。所述传感器覆层增加过程温度测量响 应时间，并影响控制性能和车间安全。在一些情况下，所述覆层可能太多，
5以使得其造成热电偶套管或传感器破裂或损坏。
在许多工业车间中，所述过程必须被不时地停止，以清洁温度传感器 和热电偶套管。这种维护必须以周期为基础进行，这是因为在不停止过程 的情况下难于确定传感器被覆的程度。
由将传感器部件暴露给工业过程流体而产生的传感器覆层问题也影 响其它类型的过程传感器。遭受传感器覆层的其它部件的示例包括pH探 针、用于压力感测的远程密封件以及涡流(vortex shedding)流量计部件。
发明内容
基于本发明，可以在过程操作期间确定过程传感器部件上的覆层积聚 的程度。过程参数在覆层积聚还不显著的操作初始期中被感测。基于在所 述最初操作周期期间的过程参数的测量值，确定基线统计度量，例如过程 参数的基线标准差。
通过监测在继续操作过程中的统计度量(例如过程参数的标准差)， 并将其与在传感器部件是清洁的时候所获得的基线值相比较，可以确定传 感器部件上的材料积聚的程度的指示。随着材料积聚改变传感器性能，所 述统计度量发生变化。基于统计度量中的变化而产生的输出可以提供所述 覆层的积聚已经到达需要维护的程度的指示。
图1示出包括温度传感器的过程控制系统。
图2A、 2B和2C是温度传感器/变送器的实施例的分解图。
图3是所述温度传感器/变送器的简化框图。
图4是覆层积聚自动检测的流程图。
具体实施例方式
图1是过程控制系统10的图，所述过程控制系统10包括连接在传送回 路16上的控制室装备14以及传感器/变送器12，所述传送回路可以是两条 或更多条电缆、或光缆或无线链路。在所述实施例中，传感器/变送器12 测量温度。传感器/变送器12被安装在过程管路18上，并提供在回路16上的输出，表示在管路18中的过程流体的测量温度。传感器/变送器12可以 是温度变送器，可以是包括位于传感器外壳内的变送器电子部件的感测装
置，或可以是直接地或通过独立的变送器而与控制室装备14通信的感测装置。
传感器/变送器12将温度信息以模拟或数字形式传送给控制室装备 14。例如，传感器/变送器12可以通过将回路16中的回路电流控制在4和 20mA之间来传送表示温度测量值的模拟信号。另外，传感器/变送器12可 以将与温度测量值、二次过程参数测量值或诊断数据相关的数字信息传送 给控制室14。例如，数字信息在回路16上的传送可以采用可寻址远程传感 器高速通道(HART)协议传送。可选地，可以通过传感器/变送器12采用 全数字协议(例如FoundationFieldbus、 Profibus、 Modbus等)传送温度信
息以及二次测量值和诊断信息。可选地，所述回路可以釆用各种无线技术。 图2A-2C分别示出三种不同的传感器/变送器结构12A-12C的分解图。 在图2A中，传感器/变送器12A不包括变送器电路，并经由回路16与
控制室装备14或直接或通过独立的变送器进行通信。传感器/变送器12A包
括传感器外壳20、热电偶套管22、温度传感器24、传感器组件26、配件28
和传感器引线30 (其与回路16相连)。
图2B示出传感器/变送器12B，其类似于传感器12A，而且包括内变送
器32。
图2C示出传感器/变送器12C，其类似于传感器/变送器12B。传感器/ 变送器12C包括变送器外壳20'，而不包括变送器外壳20。
温度传感器24可以例如是2线、3线或4线电阻式温度装置(RTD)传 感器或热电偶。RTD传感器示出作为温度的函数的电阻变化，而热电偶示
出作为传感器温度的函数的电压变化。
配件28是金属管，其在每一端具有螺纹联接，以连接外壳20或20'以 及热电偶套管22。配件28围绕传感器组件26的上部，并提供从外壳20或20' 到热电偶套管22的上端的密封的通道。
热电偶套管22提供不漏流体密封，其将传感器组件26和配件28的内部 以及外壳20或20'与过程流体分开。热电偶套管22被直接暴露给过程流体。 随着时间的流逝，由暴露给过程流体而造成的材料积聚(或传感器覆层)可以覆盖热电偶套管22的外表面。所述传感器覆层会降低传感器性能，并
潜在地造成热电偶套管22和温度传感器24的损坏。
在其它实施例中，温度传感器被直接地置于与过程流体的接触中，而 不是位于热电偶套管内。对于直接暴露给过程流体的传感器，不仅包括温 度传感器而且包括其它工业过程传感器(例如压力、流量和pH传感器)的 部件，传感器覆层也是问题。
图3是传感器/变送器12的简化的电学框图，并可以表示图2A-2C中所 示的任何实施例。如图3所示，传感器/变送器12包括温度传感器24、模数
(A/D)转换器40、微处理器42、时钟44、存储器46、输入/输出(I/O) 接口48、电源50以及端子52和54 (其与回路16相连)。
来自温度传感器24的信号，作为传感器24暴露所处的温度的函数，由 A/D转换器40转换成数字值。所述数字值被提供给微处理器42用于另外的 信号处理。时钟44提供A/D转换器40以及微处理器42的操作所需的时钟信 号。
温度测量值被微处理器42用于控制I/0接口48，以便提供代表温度测 量值的输出信号。由I/O接口48所提供的输出可以是4-20mA回路模拟电流， 或可以是表示温度测量值的数字信号。另外，1/0接口48基于微处理器42 所提供的信息将数字通信提供到回路16上。该信息包括传感器覆层积聚的 状态的指示。
传感器/变送器12的所有电路的动力来自导线回路16。连接电源50， 以使得回路电流从端子52通过电源50和I/O接口流到端子54。应当理解， 回路16可以是无线的，且可选的电源可以被实现以对所述变送器/传感器 供电。
微处理器42还以周期为基础将温度测量值存储到存储器46中。这些存 储的温度测量值由微处理器42使用以进行统计分析，以便评估传感器覆层 积聚的程度。采用所存储的结构数据，微处理器42还可以计算出正确的覆 层厚度。
图4示出如微处理器42所实现的自动传感器覆层检测特征。在操作初 始期中，当热电偶套管22是清洁的，且任何材料积聚最小时，微处理器42 周期性地将温度测量值存储在存储器46中(步骤60)。采用来自所述操作初始期中的所述存储值，微处理器42进行测量数据 的统计分析(步骤62)。根据所述统计分析，得出至少一个基线统计度量， 且其被存储以供以后使用(步骤64)。所述统计度量必须是随着传感器覆 层积聚而改变的，以使得源自以后收集的测量数据的度量的周期性比较可 以用于确定传感器性能己经相对于所述基线度量值如何变化。
可以被用于检测材料积聚的统计度量的一个示例是参数测量值的标 准差。可以将当感测部件(例如热电偶套管22)是清洁时的温度测量值的 基线标准差与之后的操作期间的标准差进行比较，以给出传感器覆层材料 积聚的程度的很好的指示。随着材料积聚的增加，温度测量时间常数增加， 且因此对于给定过程条件的标准差发生变化。
在所述操作的初始期之后的周期过程中，微处理器42继续存储测量值 (步骤60)，并进行统计分析(步骤62)。微处理器42将结果与基线值进 行对比(步骤66)。当电流标准差(或者过程参数的其它统计度量)已经 从所述基线值改变成指示不可接受的材料积聚的程度时，微处理器42通过 1/0接口48提供警报输出至控制室装备14 (步骤68)。
另外，所述标准差还可以用于修改过程增益，以便补偿传感器覆层的 作用(步骤70)。当传感器覆层存在时，控制回路更为迟钝。当标准差的 变化指示出传感器覆层的增加时，所述改变可以被用于增加传感器/变送 器12的增益。这可以延长在传感器部件的所需清洁之间的时间。
基于自动传感器覆层检测特征，由于传感器覆层积聚而需要对传感器 部件进行的清洁和更换的维护可以根据需要进行。可以避免为了要简单的 对传感器覆层积聚的状态进行检査而不必要的对过程的停止。
尽管描述了温度传感器或变送器情况下的传感器覆层检测特征，但是 其也可应用于其它类型的传感器和变送器，包括压力、流量和pH值传感器 和变送器。类似地，尽管已经描述了在两线或三线回路上的通信，但是采 用另外的线路或采用无线通信的其它结构也可以利用所述自动传感器覆 层检测特征。
尽管本发明参照优选实施例进行描述，但是本领域的技术人员应当理 解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的改 动。
权利要求
1. 一种用于检测暴露给过程流体的传感器部件的覆层的方法，所述方法包括感测在所述传感器部件暴露给过程流体的初始期期间的过程参数；基于在所述初始期期间的所述过程参数确定统计度量的基线值；感测在所述初始期之后的所述过程参数；基于在所述初始期之后感测的所述过程参数确定所述统计度量的当前值；以及提供输出，所述输出表示作为所述当前值和所述基线值的函数的所述传感器部件的覆层。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中在所述当前值与所述基线值相差 表示恶化的传感器性能的一个量时，提供所述输出。
3. 根据权利要求l所述的方法，其中所述统计度量是所述被感测的过 程参数的标准差。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述过程参数是温度。
5. 根据权利要求l所述的方法，其中所述输出提供对覆层积聚的程度 的指示。
6. 根据权利要求l所述的方法，还包括采用结构数据来计算覆层厚度。
7. 根据权利要求l所述的方法，其中传感器部件包括温度传感器、热 电偶套管、pH传感器、远程压力传感器密封件和涡流流量计部件中的一个。
8. —种用于检测暴露给过程流体的传感器部件的覆层的方法，所述 方法包括-感测过程参数；提供作为所感测的所述过程参数的函数的测量值； 进行所述测量值的统计分析，以得出作为传感器覆层的函数的度量；以及基于所述度量提供诊断输出。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述度量包括所述测量值的标准差。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中提供诊断输出包括 将当前所得出的度量与基线度量相比；以及如果所述当前所得出的度量与所述基线度量相差表示传感器覆层的 一个量，则产生所述诊断输出。
11. 根据权利要求8所述的方法，其中所述过程参数是温度、pH、压力和流量中的一个。
12. —种用于过程控制系统中的设备，所述设备包括用于感测过程流体的过程参数的传感器，所述传感器包括与所述过程流体接触的传感器部件；测量电路，所述测量电路与所述传感器连接，用于基于所感测的所述 过程参数产生测量值；1/0电路，用于基于所述测量值提供输出；以及诊断电路，用于基于所述测量值的统计分析来检测所述传感器部件上 的材料积聚。
13. 根据权利要求12所述的设备，其中所述诊断电路比较在不同时期期间由测量值所产生的统计度量的值以检测材料积聚。
14. 根据权利要求13所述的设备，其中所述诊断电路将所述度量的当前值与所述度量的基线值进行比较，所述基线值代表在最小的材料积聚时 间期间的传感器性能。
15. 根据权利要求14所述的设备，其中在所述度量的所述当前值与所 述基线值相差表示材料积聚的一个量时，所述诊断电路使所述i/o电路产 生诊断输出。
16. 根据权利要求13所述的设备，其中所述统计度量包括所述测量值 的标准差。
17. 根据权利要求12所述的设备，其中所述传感器部件包括温度传感 器、热电偶套管、pH传感器、远程压力传感器密封件和涡流流量计部件中 的一个。
18. 根据权利要求12所述的设备，其中所述测量电路包括模数转换器，且所述诊断电路包括微处理器。
19. 根据权利要求12所述的设备，其中在检测到材料积聚时，所述诊断电路使所述i/o电路产生诊断输出。
20.根据权利要求12所述的设备，其中所述诊断电路包括用于存储所 述测量值的存储器以及用于基于所存储的测量值进行统计分析的数字处 理器。
全文摘要
一种具有暴露给过程流体的传感器部件的工业过程传感器，检测何时所述传感器性能被来自过程流体的传感器覆层的积聚所降低。在当所述传感器部件是清洁的时的操作初始期期间，确定由传感器所感测的过程参数的基线统计度量，例如标准差。在所述传感器的继续操作期间，所述统计度量被持续地更新和监测。当所述统计度量的当前值从所述基线值变化表明传感器性能下降的一个量时，产生表示传感器覆层已经降低传感器性能的警报输出。
文档编号G05D7/00GK101535911SQ200780042486
公开日2009年9月16日 申请日期2007年10月15日 优先权日2006年10月17日
发明者马科斯·A·V·佩卢索 申请人:罗斯蒙德公司