專利名稱：用于過程儀表設(shè)備的即插即用型傳感器外圍元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)過程變送器和傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及具有所連接的傳感器外圍元件特有的信息的過程變送器的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
工業(yè)過程變送器和傳感器用來檢測流過管道或者包含在容器內(nèi)的流體的各種特性，并且將與這些過程特性相關(guān)的信息傳輸?shù)竭h離過程測量位置遠程地定位的控制、監(jiān)視和/或安全系統(tǒng)。傳感器組件一般地包括傳感器、傳感器導(dǎo)線、隔離材料和安裝配件。傳感器組件檢測過程參數(shù)，例如，壓力、溫度、pH值或流量。通過傳感器導(dǎo)線電連接到傳感器組件的過程變送器接收來自傳感器組件的傳感器輸出信號。變送器讀取從傳感器組件接收的傳感器輸出信號并且將其轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)確地表示過程參數(shù)的信息。最后，變送器將該信息發(fā)送到控制系統(tǒng)。在許多應(yīng)用中，傳感器組件連接到外圍元件以保護傳感器組件或提高其性能。例如，溫度傳感器組件可以連接到熱電偶套管。熱電偶套管被設(shè)計為物理地接觸流體，以保護在溫度傳感器組件內(nèi)的溫度傳感器免受來自流體的物理損害，例如，沖擊、腐蝕等，同時在流體和溫度傳感器之間有效地傳導(dǎo)熱。熱電偶套管必須兼容所連接的溫度傳感器組件以提供足夠的保護，同時在流體和溫度傳感器之間有效地傳導(dǎo)熱。將溫度傳感器組件連接到錯誤尺寸或類型的熱電偶套管可能導(dǎo)致?lián)p壞傳感器組件或在測量流體溫度時差的性能。此夕卜，熱電偶套管可能隨著時間退化，因為熱電偶套管的表面被流體的物理和/或化學(xué)作用磨損，這可能導(dǎo)致用于溫度傳感器組件的妥協(xié)的保護。熱電偶套管也可能經(jīng)受來自流體的材料在熱電偶套管表面上的積聚(污垢)，由于積聚的材料的絕緣效果，導(dǎo)致差的溫度測量性能。因此，雖然傳感器外圍元件通常例如比所連接的傳感器組件要簡單得多，但傳感器外圍元件具有特定的傳感器外圍元件特有的重要特性信息。在熱電偶套管的情況下，重要特性信息包括，例如，熱電偶套管類型，典型地定位在連接到熱電偶套管的金屬標(biāo)簽上；手動輸入所連接的過程變送器中的污垢診斷信息和喚醒頻率計算參數(shù)；和記錄在遠程數(shù)據(jù)庫中的用于檢查和更換的維修時間表。金屬標(biāo)簽可能會丟失或模糊不清。將信息手動輸入過程變送器中是耗時過程，需要單獨的電連接件的連接，并且與任何手工過程一樣，很容易出錯。遠程維護時間表在現(xiàn)場未必易于訪問，而且可能不反映實際使用情況的信息。過程的測量精度和可靠性部分地取決于用于所連接的傳感器外圍元件的特性信息的可用性。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個實施例中，即插即用型傳感器外圍元件包括導(dǎo)電的物理連接器；電連接器；變壓器；RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路。電連接器通過第一傳導(dǎo)路徑電連接到物理連接器。變壓器電連接到RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路。變壓器以及RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路與物理連接器和電連接器電氣地隔離。通過除第一傳導(dǎo)路徑之外的傳導(dǎo)路徑將物理連接器連接到電連接器，以將RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路電感地耦合到第一傳導(dǎo)路徑。


圖1顯示體現(xiàn)本發(fā)明的過程測量或控制系統(tǒng)。圖2是體現(xiàn)本發(fā)明的即插即用型傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)的視圖。圖3是圖2的即插即用型傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)的即插即用型傳感器組件的視圖。圖4是圖2的即插即用型傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)的即插即用型傳感器外圍元件的視圖。圖5更詳細地圖示圖2的即插即用型傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)的一部分的視圖。圖6是圖示體現(xiàn)本發(fā)明的即插即用型的過程測量系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式如在通過參考納入在此的美國專利申請公開號2010/0302008 “SENSOR/TRANSMITTER PLUG-AND-PLAY FOR PROCESS INTSTRUMENTATION(用于過程儀表設(shè)備的即插即用型傳感器/變送器”中描述的即插即用型過程變送器使得能夠?qū)⒂糜趥鞲衅鹘M件的配置數(shù)據(jù)自動加載到過程變送器中，而沒有使用額外的布線，將真正的即插即用型功能帶到過程儀表設(shè)備領(lǐng)域。本發(fā)明用于讀和寫傳感器外圍元件的特性信息，而無需使用額外的布線，將即插即用型功能性擴展到傳感器外圍元件。物理地連接即插即用型傳感器組件到傳感器外圍元件，允許連接到傳感器組件的即插即用型過程變送器訪問在傳感器外圍元件內(nèi)的RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路(例如，RFID芯片)上的存儲位置，該傳感器外圍元件僅采用載送模擬傳感器信號的傳感器導(dǎo)線。來自過程變送器的調(diào)制載波信號通過傳感器外圍元件和所連接的傳感器組件的傳導(dǎo)部分電感地耦合到在傳感器外圍元件內(nèi)的RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路。通過采用傳感器外圍元件和連接的傳感器組件的傳導(dǎo)部分，就能僅僅通過將傳感器組件物理地連接到傳感器外圍元件以即插即用方式建立電感地耦合的信號路徑。存儲在傳感器外圍元件內(nèi)的RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路上的存儲位置中的特性信息因此很容易地由過程變送器以即插即用型型式訪問，提供改進的過程測量精度和可靠性到如下程度:它們?nèi)Q于用于所連接的傳感器外圍元件的特性信息的可用性。圖1圖示體現(xiàn)本發(fā)明的過程測量或控制系統(tǒng)。圖1顯示過程監(jiān)測或控制系統(tǒng)10，過程監(jiān)測或控制系統(tǒng)10包括過程測量系統(tǒng)12、傳輸線路14、和控制或監(jiān)測系統(tǒng)16。過程監(jiān)測或控制系統(tǒng)10監(jiān)測或控制在過程管道18中的過程流F。過程管道18包括法蘭連接
20。法蘭連接件20便于法蘭安裝式儀表的連接，以測量過程流F的至少一個特性，例如，溫度、流速、壓力或PH值。過程測量系統(tǒng)12包括傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)22、過程變送器24和傳感器導(dǎo)線26。傳感器組件和外圍兀件系統(tǒng)22包括傳感器組件28和傳感器外圍兀件30。傳感器外圍元件30具有法蘭安裝連接件。傳輸線路14可以是多線電纜、光纖電纜或無線連接。過程管道18也可以是任何數(shù)量的過程容器，包括過程罐、存儲罐、蒸餾塔或反應(yīng)器。
傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)22的傳感器外圍元件30連接到法蘭連接件20，以使傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)22接近過程流F。傳感器導(dǎo)線26在傳感器組件28處將過程變送器24連接到傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)22。傳輸線路14將過程變送器24連接至控制或監(jiān)測系統(tǒng)16。過程變送器24和傳感器組件28是即插即用型裝置。將過程變送器24連接至傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)22允許過程變送器24從傳感器組件28內(nèi)的存儲位置讀取信息和將信息存儲在傳感器組件28內(nèi)的存儲位置中，所述信息包括例如與傳感器裝配28相關(guān)的配置數(shù)據(jù)。在本發(fā)明中，傳感器外圍元件30也是即插即用型裝置。將過程變送器24連接至傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)22還允許過程變送器24從傳感器外圍元件30內(nèi)的存儲位置讀取信息和將信息存儲在傳感器外圍元件30內(nèi)的存儲位置中，例如，所述信息為傳感器外圍元件30特有的特性信息。過程變送器24與傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)22之間的即插即用功能性僅需要傳感器導(dǎo)線26。在操作中，傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)22檢測過程流F的至少一個特性，傳感器組件28檢測流量特性，傳感器外圍元件30保護或提高傳感器組件28的性能。傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)22在傳感器導(dǎo)線26上將表示檢測到的流量特性的模擬傳感器信號傳送到過程變送器24。過程變送器24基于由傳感器組件28提供和存儲在過程變送器24內(nèi)的配置數(shù)據(jù)數(shù)字化和調(diào)節(jié)模擬傳感器信號，以產(chǎn)生過程流F的流過特性的測量值。過程變送器24在傳輸線路14上將測量值傳輸至控制或監(jiān)測系統(tǒng)16?？刂苹虮O(jiān)測系統(tǒng)16可以使用測量值用于多種用途，包括制作測量值紀(jì)錄、提供控制指令以基于信息控制元件、或報告測量值到另一個監(jiān)測或控制系統(tǒng)。過程變送器24也可以傳輸由傳感器外圍元件30提供的特性信息到控制或監(jiān)測系統(tǒng)16。此外，過程變送器24可以提供特性信息到暫時地連接到過程變送器24的用于過程測量系統(tǒng)12的維修的手持裝置(未顯示)，或在過程變送器24的顯示器(未顯示)上顯示特性信息。圖1的實施例采用傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)22與過程管道18之間的法蘭連接。然而應(yīng)理解，本發(fā)明適用于傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)與過程容器之間的任何類型連接，例如，包括焊接連接或螺紋連接。圖2是說明本發(fā)明的一個實施例的即插即用型傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)的視圖。在圖2的實施例中，待測量的過程流F的特性是溫度，并且傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)檢測溫度。如圖2所示，傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)100包括作為傳感器組件的溫度傳感器組件102和作為傳感器外圍元件的熱電偶套管104。傳感器導(dǎo)線106的一部分也包括在傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)100中，以將它與即插即用型過程變送器，如參考圖1描述的過程變送器24，或參考圖6在下面描述的過程變送器204，連接在一起。傳感器導(dǎo)線106像參照圖1描述的傳感器導(dǎo)線26 —樣。圖3和4更詳細地圖示根據(jù)這個實施例的傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)100。圖3是即插即用型溫度傳感器組件102的視圖。溫度傳感器組件102包括傳感器適配器108、傳感器封殼110、電絕緣體112、傳感器組件電連接器114、傳感器RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路116、和傳感器組件變壓器118。傳感器封殼110是包括作為溫度傳感器的傳感器120的溫度傳感器封殼。傳感器封殼110的外表面是導(dǎo)電的。如圖不,傳感器適配器108包括傳感器組件連接螺紋122和變送器連接螺紋124。如上所述，溫度傳感器組件102還包括傳感器導(dǎo)線106的一部分。傳感器組件變壓器118優(yōu)選地是環(huán)形磁心型變壓器，如在這個實施例中圖示。代替地，可以采用其他形狀的變壓器。傳感器封殼110從在傳感器適配器108內(nèi)的第一端延伸到不在傳感器適配器108內(nèi)的第二端。第二端在內(nèi)其包含傳感器120。電絕緣體112位于傳感器封殼110和傳感器適配器108之間，在傳感器封殼110離開傳感器適配器108的區(qū)域中。這種配置用來將傳感器封殼110物理地連接到傳感器適配器108，同時在傳感器封殼110離開傳感器適配器108的區(qū)域中將傳感器封殼110與傳感器適配器108電氣隔離。傳感器導(dǎo)線106電連接到傳感器120并且從傳感器120延伸通過傳感器封殼110的長度，穿過傳感器封殼110的在傳感器適配器108內(nèi)的第一端出來，并且在離開傳感器適配器108之前形成傳感器組件變壓器118的第一線圈，以與即插即用型過程變送器(未顯示)連接在一起。傳感器導(dǎo)線106被絕緣，從而在傳感器導(dǎo)線106和傳感器封殼110的導(dǎo)電表面之間不存在直接的電接觸。在傳感器適配器108內(nèi)，傳感器組件變壓器118被定位為使得傳感器封殼110沿著傳感器組件變壓器118的軸線穿過傳感器組件變壓器118。傳感器RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路116電連接到傳感器組件變壓器118的第二線圈。傳感器組件電連接器114在傳感器封殼110的第一端和傳感器組件變壓器118之間的區(qū)域中將傳感器封殼110電連接到傳感器適配器108。如圖所示，傳感器組件電連接器114物理地連接到傳感器封殼110和通過彎曲的彈簧觸點接觸傳感器適配器108。傳感器組件電連接器114可以具有如圖所示的單個彎曲彈簧觸點或多個彎曲彈簧觸點。圖4是即插即用型熱電偶套管104的視圖。如同所有熱電偶套管一樣，熱電偶套管104具有沿其軸線延伸接近全長的內(nèi)部腔125，以容納傳感器封殼。熱電偶套管104包括熱電偶套管電連接器126、熱電偶套管RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路128、熱電偶套管變壓器130、灌封體132、和熱電偶套管連接螺紋134。如圖所示，熱電偶套管電連接器126使用朝向內(nèi)部腔125的中心延伸的多個彎曲彈簧觸點物理地連接到熱電偶套管104。熱電偶套管變壓器130被定位成使得它與內(nèi)部腔125同軸。優(yōu)選地，熱電偶套管變壓器130通過如圖4顯示的灌封體132保持在合適的位置。代替地，可以采用夾具或其他支撐結(jié)構(gòu)來固定熱電偶套管變壓器130的位置。熱電偶套管RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路的128電連接到熱電偶套管變壓器130的第一線圈。與傳感器組件變壓器118 —樣，熱電偶套管變壓器130優(yōu)選地是環(huán)形磁心型變壓器，如在這個實施例中圖示。代替地，可以采用其他形狀的變壓器。傳感器和熱電偶套管RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路116、128是集成電路，包括數(shù)據(jù)存儲和RF通信功能，優(yōu)選地是射頻識別(RFID)芯片。在一個單個單元中的RFID芯片和RFID天線形成RFID標(biāo)簽。在本發(fā)明中，僅僅優(yōu)選地采用RFID芯片，因為在傳感器組件變壓器118和熱電偶套管變壓器130中每個線圈充當(dāng)其連接的RFID芯片的天線。在這樣的實施例中，連接的即插即用型過程變送器將包括如下文參照圖6描述的RFID讀卡器集成電路。RFID芯片是一個低成本選項并且容易獲得。代替地，特定性能要求可以指示使用包括射頻通信和存儲功能性的定制集成電路，如在美國專利申請公開號2010/0302008 “SENSOR/TRANSMITTER PLUG-AND-PLAY FOR PROCESS INTSTRUMENTATION(用于過程儀表設(shè)備的即插即用型傳感器/變送器”中描述的那樣。傳感器組件變壓器118和熱電偶套管變壓器130優(yōu)選地包括用于低頻應(yīng)用的鐵粉或鐵氧體磁芯。代替地，可以使用空心變壓器，特別地用于高頻率應(yīng)用。一起考慮圖2-4，溫度傳感器組件102通過傳感器組件連接螺紋122與熱電偶套管連接螺紋134的接合連接到熱電偶套管104，在它們之間產(chǎn)生物理和電連接，以形成傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)100。如圖2顯示，連接溫度傳感器組件102至熱電偶套管104導(dǎo)致傳感器封殼110沿著熱電偶套管變壓器130的軸線穿過熱電偶套管變壓器130，并且進入內(nèi)部腔125。在穿入內(nèi)部腔125中的過程中，傳感器封殼110的導(dǎo)電外表面接合熱電偶套管電連接器126的多個彎曲彈簧觸點，在傳感器封殼110的第二端和熱電偶套管變壓器130之間的區(qū)域中在熱電偶套管104和傳感器封殼110之間形成電連接。圖5是更詳細地圖示圖2的即插即用型傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)的部分的視圖。如通過在圖5中的虛線所示，溫度傳感器組件102到熱電偶套管104的連接在傳感器組件變壓器118和熱電偶套管變壓器130之間產(chǎn)生單圈變壓器耦合(single turntransformer coupling) 140。單圈變壓器稱合140的路徑包括傳感器封殼110的從傳感器組件電連接器114開始，通過傳感器組件變壓器118，通過熱電偶套管變壓器130到達熱電偶套管電連接器126的導(dǎo)電表面。該耦合路徑繼續(xù)通過熱電偶套管電連接器126到達熱電偶套管104，跨過由傳感器組件連接螺紋122與熱電偶套管連接螺紋134的接合形成的電連接，到達傳感器適配器108。由傳感器組件電連接器114完成從傳感器適配器108到傳感器封殼110的該耦合路徑。電絕緣體112防止單圈變壓器耦合140在傳感器組件變壓器118和熱電偶套管變壓器130之間的區(qū)域中的短路。因此，僅僅以用于將溫度傳感器組件連接到熱電偶套管的通常方式將溫度傳感器組件102連接到熱電偶套管104，就能產(chǎn)生單圈變壓器耦合140并且使得能夠提供用于熱電偶套管104的即插即用型功能。圖6是說明結(jié)合本發(fā)明的即插即用型過程測量系統(tǒng)的實施例的示意圖。在這個實施例中，變壓器用來在即插即用型過程變送器中的RFID讀卡器和在即插即用型傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)中的RFID芯片(包括在溫度傳感器組件中的RFID芯片和在熱電偶套管中的RFID芯片)之間電感地耦合調(diào)制載波信號。這樣的布置使得能夠讀取來自溫度傳感器組件內(nèi)的RFID芯片上存儲位置和在熱電偶套管內(nèi)的RFID芯片上的存儲位置的數(shù)字信息，以及將數(shù)字信息存儲在溫度傳感器組件內(nèi)的RFID芯片上的存儲位置和在熱電偶套管內(nèi)的RFID芯片上的存儲位置。重要的是，在保持準(zhǔn)確模擬溫度傳感器信號的同時實現(xiàn)了對這些存儲位置的訪問，除了載送傳感器信號的導(dǎo)線以外，在過程變送器與傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)之間都不使用導(dǎo)線。圖6顯示過程測量系統(tǒng)200，包括即插即用型傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)202以及即插即用型過程變送器204。傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)202與如上參考圖2-5描述的傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)100相同，除傳感器RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路116以及熱電偶套管RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路128分別明顯是RFID芯片:傳感器RFID芯片142和熱電偶套管RFID芯片144。過程變送器204包括傳感器旅歐兵器206、隔離電容器208、A/D轉(zhuǎn)換器210、RFID讀卡器IC 212、通信變壓器214、微處理器216、功率緩沖器(power buffer) 218、以及回路和功率調(diào)節(jié)器220。通信變壓器214優(yōu)選地包括用于低頻應(yīng)用的鐵粉或鐵氧體磁芯。代替地，可以使用空心變壓器，特別地用于高頻率應(yīng)用。回路和功率調(diào)節(jié)器220調(diào)節(jié)從傳輸線路，如上文參考圖1描述的傳輸線路14到過程變送器204的功率?；芈泛凸β收{(diào)節(jié)器220還控制過程變送器204和傳輸線路之間的通信。如圖6所示，傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)202由傳感器導(dǎo)線106連接到過程變送器204。在溫度過程變送器204內(nèi)，傳感器導(dǎo)線106被分成兩對，從而一對傳感器導(dǎo)線106連接到傳感器過濾器206，并且另一對傳感器導(dǎo)線106形成通信變壓器214的第一線圈。隔離電容器208在將傳感器線路106分為兩對的分割點和通信變壓器214之間的點處連接到所述傳感器導(dǎo)線106中的形成通信變壓器214的第一線圈的一個傳感器導(dǎo)線。RFID讀卡器IC 212電連接到通信變壓器214的第二線圈。RFID讀卡器IC 212連接到微處理器216和功率緩沖器218。微處理器216連接到A/D轉(zhuǎn)換器210、功率緩沖器218和功率調(diào)節(jié)器220。傳感器濾波器206連接到A/D轉(zhuǎn)換器210?；芈泛凸β收{(diào)節(jié)器220至連接傳輸線路，例如，上文參照圖1描述的傳輸線路14。在過程變送器204通電、手動發(fā)信號、或在斷開周期之后通過傳感器線路106將傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)202連接到過程變送器204時，微處理器216發(fā)信號給RFID讀卡器IC 212以要求來自溫度傳感器組件102的配置數(shù)據(jù)或來自熱電偶套管104的特性信息。RFID讀卡器IC 212產(chǎn)生載波信號，載波信號被調(diào)制以編碼該要求，并且傳導(dǎo)該調(diào)制載波信號到通信變壓器214。借助于通過通信變壓器214的電感耦合，在傳感器導(dǎo)線106中產(chǎn)生調(diào)制載波信號。調(diào)制載波信號沿著傳感器線路106從過程變送器204傳播到傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)202。一旦到達傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)202，調(diào)制載波信號從傳感器導(dǎo)線106開始跨過傳感器組件變壓器118，電感地耦合到傳感器RFID芯片142和單圈變壓器耦合140兩者。調(diào)制載波信號通過單圈變壓器耦合140進一步傳播，并且跨過熱電偶套管變壓器130電感地耦合到熱電偶套管RFID芯片144。除了包含用于配置數(shù)據(jù)或者特性信息的編碼需要，調(diào)制載波信號還提供功率到傳感器RFID芯片142和熱電偶套管RFID芯片144兩者。如果編碼請求指向傳感器RFID芯片142 (例如用于傳感器組件102的配置數(shù)據(jù)請求)，則傳感器RFID芯片142將處理編碼請求，重新調(diào)制載波信號以對請求的配置數(shù)據(jù)進行編碼并且通過傳感器組件變壓器118、傳感器導(dǎo)線106和通信變壓器214將重新調(diào)制的載波信號向回傳輸?shù)絉FID讀卡器IC 212。RFID讀卡器IC212解調(diào)該重新調(diào)制的載波信號并且發(fā)送配置數(shù)據(jù)到微處理器216，微處理器216將配置數(shù)據(jù)存儲在本地存儲器中。同樣地，如果編碼請求指向熱電偶套管RFID芯片144 (例如用于熱電偶套管104的特性信息請求)，則熱電偶套管RFID芯片144將處理編碼要求，重新調(diào)制載波信號以對所要求的信息進行編碼并且通過熱電偶套管變壓器130、單圈變壓器耦合140、傳感器組件變壓器118、傳感器導(dǎo)線106和通信變壓器214將重新調(diào)制的載波信號向回傳輸?shù)絉FID讀卡器IC 212。RFID讀卡器IC212解調(diào)該重新調(diào)制的載波信號并且發(fā)送特性信息到微處理器216，微處理器216將該信息存儲在本地存儲器中。 一旦過程變送器204具有用于溫度傳感器組件102的配置數(shù)據(jù)，則傳感器元件120檢測溫度，產(chǎn)生模擬傳感器信號。如圖6中顯示，傳感器元件120是熱電偶套管類型，從而模擬傳感器信號是在傳感器元件120上的壓力電平的變化。模擬傳感器信號通過傳感器導(dǎo)線105從溫度傳感器組件102傳導(dǎo)到過程變送器204，未被傳感器線路106穿過傳感器組件變壓器118的通道改變。在過程變送器204處，模擬傳感器信號穿過傳感器濾波器206并傳遞至A/D轉(zhuǎn)換器210，傳感器濾波器206過濾出高頻干擾，包括在傳感器導(dǎo)線106上傳播的任何調(diào)制載波信號。此外，隔離電容器208防止通信變壓器214短路模擬傳感器信號。A/D轉(zhuǎn)換器210將模擬傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字傳感器信號，并且將數(shù)字傳感器信號發(fā)送到微處理器216。微處理器216從本地存儲器檢索配置數(shù)據(jù)，并且使用配置數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)數(shù)字傳感器信號，以反映準(zhǔn)確溫度測量值。微處理器216也從本地存儲器中檢索特性信息。溫度測量值和特性信息被轉(zhuǎn)發(fā)到達回路和功率調(diào)節(jié)器220，用于在例如上文參照圖1描述的傳輸線路14上傳輸。此外，過程變送器204可以提供溫度測量值或特性信息到暫時連接到過程變送器204的用于過程測量系統(tǒng)200的維修的手持裝置(未顯示)，或在過程變送器204的顯示器(如果裝配，未顯示)上顯示溫度測量值或特性信息。除了檢索配置數(shù)據(jù)或特性信息之夕卜，圖6中顯示的實施例還可以存儲和檢索其它類型數(shù)字信息，因為數(shù)字通信是雙向的。在一些應(yīng)用中，包括低功耗電流回路應(yīng)用或無線變送器應(yīng)用，RFID讀卡器IC 212可能需要比在連續(xù)基(continuous basis)上能夠獲得的功率更多的功率。功率緩沖器218監(jiān)測可用變送器功率和積累超過過程變送器204的其它操作所需要的功率的功率。一旦已經(jīng)積累足夠功率，功率緩沖器218將這個狀態(tài)傳送到微處理器216。一旦微處理器216啟動與傳感器組件和外圍元件系統(tǒng)202的數(shù)字通信，RFID讀卡器IC 212使用來自功率緩沖器218的積累功率。雖然圖6圖示本發(fā)明的傳感器元件120是熱電偶套管類型傳感器元件，但也可以使用2、3和4線RTD。例如，可采用2線RTD，假設(shè)高頻旁路電容器與2線RTD傳感器元件平行運行。3線RTD和4線RTD元件簡單地需要從傳感器導(dǎo)線106分開的附加的一個或兩個傳感器導(dǎo)線，因為傳感器導(dǎo)線不需要與傳感器組件變壓器118或通信變壓器214中的任一個電感地耦合。雖然上面討論的全部實施例包括連接到溫度過程變送器的單個溫度傳感器組件，但應(yīng)理解，本發(fā)明可以包括通過多路復(fù)用技術(shù)連接到單個溫度過程變送器的多個溫度傳感器組件。此外，為了簡潔和便于說明的目的，以上描述的全部實施例使用溫度作用待測量的過程變量。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明適用于其他過程變量的測量，包括壓力、PH值和流量。本發(fā)明在不使用附加布線的情況下讀取和寫入用于傳感器外圍元件并且存儲在傳感器外圍元件中的特性信息，將即插即用型功能性擴展到傳感器外圍元件。將即插即用型傳感器組件物理地連接到這樣的即插即用型傳感器外圍元件允許連接到傳感器組件的即插即用型過程變送器訪問在RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路(例如，RFID芯片)上的存儲位置，該RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路位于僅采用載送模擬傳感器信號的傳感器導(dǎo)線的傳感器外圍元件內(nèi)。通過傳感器外圍元件和所連接的傳感器組件的導(dǎo)電部分，本發(fā)明將來自過程變送器的調(diào)制載波信號電感地耦合到傳感器外圍元件內(nèi)的RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路。通過采用傳感器外圍元件和所連接的傳感器組件的導(dǎo)電部分，僅是通過將傳感器組件物理地連接到傳感器外圍元件，就能以即插即用型形式建立電感地耦合的信號路徑。因此，存儲在傳感器外圍元件內(nèi)的RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路上的存儲位置中的特性信息容易由過程變送器以即插即用型形式訪問，提供改進的過程測量精度和可靠性到取決于用于所連接的傳感器外圍元件的特性信息的可獲得性的程度。不再必須將用于傳感器外圍元件的特性信息手動輸入過程變送器。此外，容易獲得反映實際使用的維修時間表，并且金屬識別標(biāo)簽不再是必要的。雖然已經(jīng)參照示例性實施例描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可以進行各種變化，并且等同物可以代替其元件。此外，在不偏離本發(fā)明的本質(zhì)范圍的情況下，可以進行許多修改以使特定情況或材料適應(yīng)于本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，意圖在于，本發(fā)明不限于所公開的特定實施例，而是本發(fā)明將包括落入附后權(quán)利要求的范圍內(nèi)的全部實施例。
權(quán)利要求
1.一種即插即用型傳感器外圍元件，包括: 導(dǎo)電的物理連接器； 電連接器，通過第一傳導(dǎo)路徑電連接到物理連接器； 變壓器；和 電連接到變壓器的RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路； 變壓器以及RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路與物理連接器和電連接器電氣地隔離； 其中通過除第一傳導(dǎo)路徑之外的傳導(dǎo)路徑將物理連接器電連接到電連接器，以將RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路電感地耦合到第一傳導(dǎo)路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器外圍元件，其中變壓器是環(huán)形磁心型變壓器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器外圍元件，其中通過除第一傳導(dǎo)路徑之外的傳導(dǎo)路徑將物理連接器電連接到電連接器包括電連接通過環(huán)形磁心型變壓器的中心，以將RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路電感地耦合到第一傳導(dǎo)路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器外圍元件，其中RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路與第一傳導(dǎo)路徑之間的電感耦合傳送用于傳感器外圍元件的特性信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器外圍元件，其中所述特性信息包括傳感器外圍元件類型、獨特的傳感器外圍元件識別信息、污垢診斷信息和維護日程信息中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器外圍元件，其中所述特性信息作為數(shù)字通信在RF通信和第一傳導(dǎo)路徑之間傳送。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器外圍元件，其中所述數(shù)字通信由調(diào)制載波信號提供。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器外圍元件，其中RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路是RFID芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器外圍元件，其中傳感器外圍元件是熱電偶套管。
10.一種系統(tǒng),包括: 傳感器組件，所述傳感器組件包括: 傳感器適配器； 在傳感器適配器內(nèi)的第一變壓器，第一變壓器被配置為電感地耦合到傳感器導(dǎo)線；和導(dǎo)電傳感器組件元件，該導(dǎo)電傳感器組件元件從在傳感器適配器內(nèi)的第一端延伸到不在傳感器適配器內(nèi)的第二端，其中該導(dǎo)電傳感器組件元件被配置為使得第一變壓器將該導(dǎo)電傳感器組件元件電感地耦合到傳感器導(dǎo)線；和傳感器外圍元件，所述傳感器外圍元件包括: RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路；和 電連接到RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路的第二變壓器； 其中傳感器組件到傳感器外圍元件的物理連接導(dǎo)致第二變壓器將導(dǎo)電傳感器組件元件電感地耦合到RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路，以在第一變壓器和第二變壓器之間形成變壓器耦合，使得第二 RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路電感地耦合到傳感器導(dǎo)線，以在RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路與傳感器導(dǎo)線之間傳送信息。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中第一變壓器是第一環(huán)形磁心型變壓器，并且第二變壓器是第二環(huán)形磁心型變壓器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中導(dǎo)電傳感器組件元件沿著第一環(huán)形磁心型變壓器的軸線穿過第一環(huán)形磁心型變壓器，以將導(dǎo)電傳感器組件元件配置為使得第一環(huán)形磁心型變壓器將導(dǎo)電傳感器組件元件電感地耦合到傳感器導(dǎo)線。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中傳感器組件到傳感器外圍元件的物理連接導(dǎo)致導(dǎo)電傳感器組件元件沿著第二環(huán)形磁心型變壓器的軸線穿過第二環(huán)形磁心型變壓器，以在第一環(huán)形磁心型變壓器和第二環(huán)形磁心型變壓器之間形成所述變壓器耦合。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括電連接到傳感器導(dǎo)線的過程變送器，過程變送器包括RF通信電路，該RF通信電路用于在過程變送器與RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路之間傳送信息。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中在RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路與過程變送器之間傳送的信息包括用于傳感器外圍元件的特性信息。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述特性信息包括傳感器外圍元件類型、獨特的傳感器外圍元件識別信息、污垢診斷信息和維護日程信息中的至少一種。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述特性信息作為數(shù)字通信在RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路與過程變送器之間傳送。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)字通信由調(diào)制載波信號提供。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路是RFID芯片。
20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中導(dǎo)電傳感器組件元件包括溫度傳感器，并且傳感器外圍元件是熱電偶套管。
21.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中導(dǎo)電傳感器組件元件包括壓力傳感器、pH值傳感器和流量傳感器中的至少一種。
22.根據(jù)權(quán)利要求10所 述的系統(tǒng)，還包括: 電絕緣體，軸向地圍繞導(dǎo)電傳感器組件元件在第一變壓器和第二變壓器之間的部分，用于將導(dǎo)電傳感器組件元件的該部分與傳感器適配器和傳感器外圍元件電絕緣。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中電絕緣體包括玻璃、玻璃纖維、聚酰亞胺和氣隙中的至少一種。
24.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括: 在傳感器適配器內(nèi)的第一電連接器，該第一電連接器被配置為在導(dǎo)電傳感器組件元件的第一端和第一變壓器之間的點處將導(dǎo)電傳感器組件元件連接到傳感器適配器； 在傳感器外圍元件內(nèi)的第二電連接器，該第二電連接器被配置為在導(dǎo)電傳感器組件元件的第二端和第二變壓器之間的點處將傳感器外圍元件連接到導(dǎo)電傳感器組件元件。
25.—種從即插即用型傳感器外圍元件獲取特性信息的方法，包括下述步驟: 將即插即用型傳感器組件連接到即插即用型傳感器外圍元件； 在傳感器導(dǎo)線上將載波信號提供到即插即用型傳感器組件； 引導(dǎo)載波信號進入變壓器耦合； 引導(dǎo)來自變壓器耦合的載波信號進入即插即用型傳感器外圍元件； 基于即插即用型傳感器外圍元件的存儲在即插即用型傳感器外圍元件中的特性信息調(diào)制載波信號，以產(chǎn)生包含特性信息的第一調(diào)制載波信號； 引導(dǎo)第一調(diào)制載波信號進入變壓器耦合； 引導(dǎo)來自變壓器耦合的第一調(diào)制載波信號進入即插即用型傳感器組件； 提供來自即插即用型傳感器組件的第一調(diào)制載波信號到傳感器導(dǎo)線；和解調(diào)由即插即用型傳感器組件提供的第一調(diào)制載波信號，以獲取特性信息。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中將即插即用型傳感器組件連接到即插即用型傳感器外圍元件與將非即插即用型傳感器組件連接到非即插即用型傳感器外圍元件的方式一樣。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括: 調(diào)制在傳感器導(dǎo)線上提供到即插即用型傳感器組件的載波信號，以產(chǎn)生包含將被存儲在即插即用型傳感器外圍元件中的特性信息的第二調(diào)制載波信號； 提供來自過程變送器的第二調(diào)制載波信號到即插即用型傳感器組件； 引導(dǎo)第二調(diào)制載波信號進入變壓器耦合； 引導(dǎo)來自變壓器 耦合的第二調(diào)制載波信號進入即插即用型傳感器外圍元件；以及 解調(diào)包含將被存儲在即插即用型傳感器外圍元件中的特性信息的第二調(diào)制載波信號。
全文摘要
本發(fā)明公開一種即插即用型傳感器外圍元件，包括導(dǎo)電的物理連接器、電連接器、變壓器、RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路。電連接器通過第一傳導(dǎo)路徑電地連接到物理連接器。變壓器電連接到RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路。變壓器以及RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路與物理連接器和電連接器電氣地隔離。通過除第一傳導(dǎo)路徑之外的其它傳導(dǎo)路徑將物理連接器電連接到電連接器將RF通信和數(shù)據(jù)存儲電路電感地耦合到第一傳導(dǎo)路徑。
文檔編號G01D5/14GK103217181SQ201210298908
公開日2013年7月24日 申請日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者克拉倫斯·埃德加·霍姆斯塔德 申請人:羅斯蒙德公司