具体实施方式

在高温RTD应用中已观察到的一种误差源被认为与用于构建这样的RTD的绝缘材料的变化有关。例如，据信用于RTD内隔离的常用构造材料在暴露于升高的温度时会变得导电，或至少部分导电。一旦这样的隔离材料损坏，可能产生的误差目前无法检测到，最终用户也不知道。本文描述的实施例通常利用可以提供检测和指示的测量方案以及用于补偿这种影响的方法。虽然本文描述的实施例通常关于过程流体温度变送器进行描述，但是应当注意，本发明的实施例可以针对任何应用中的任何高温RTD来实践。

越来越需要在高温下使用RTD，在一些情况下，温度处于600℃或高于600℃。如上所述，用于构建这种RTD传感器的一些材料在升高的温度下变得导电，或至少部分导电，并且可能开始产生能量存储特性，使其难以精确测量。如果RTD构造中使用的材料受到污染，在600℃以下也可能产生这种行为。如果RTD没有在这种升高的温度下进行校准，这可能产生迄今为止无法检测到的测量误差。在大多数情况下，极端温度不用于RTD校准。

如果RTD经历能量存储行为并且激励电流被施加或去除，则RTD充电或放电将需要过长或以其他方式延长的时间段。可以使用电阻器和电容器网络将该特性建模为一阶时间常数(实际上该系统更复杂，但基本关系仍然适用)。随着温度升高，时间常数增加，这导致感应电压在允许测量的典型时间内没有完全稳定下来。如果使用双RTD元件传感器并且两个元件之间存在显著电容，则该问题会加剧。当测量RTD元件之一时，元件之间的电容实质上已充电。当测量切换到另一个传感器时，保持在“电容器”上的电压极性被翻转。这导致在第二RTD元件上出现负电压并增加电容的充电时间。如果测量中的稳定时间延迟未设置得足够长，那么每个RTD元件测量将会对另一个传感器产生影响。稳定时间延迟在本文中定义为在向RTD施加激励电流之后，RTD两端的电压达到可接受状态所需的时间。

图1是具体地适用于本发明的实施例的过程流体温度变送器的环境的示意图。图1示出了过程控制系统10，其包括通过过程控制回路16与控制室14(建模为电压源和电阻)电耦接的过程流体温度变送器12。本发明的实施例的一方面是消除由高温下RTD材料的绝缘性质的变化造成的误差。过程温度输出值与测量的RTD的电阻相关，并通过变送器12内的电路对RTD内的能量存储行为进行补偿。

图2是根据本发明的实施例的过程流体变送器12的系统框图。过程流体温度变送器12包括回路通信器20、多个端子22、激励源24、测量设备26和控制器28。

回路通信器20可耦接到过程控制回路16(以虚线示出)并且适于通过过程控制回路16进行通信。过程控制回路16是能够传递与过程信息有关的信号的任何物理配置。例如，过程控制回路16可以是双线式、4mA-20mA的过程控制回路。在一些过程控制回路实施例中，通电水平足够低以符合在类别号3610、1988年10月出版的名称为“用于I、II和III类第1部分危险(分类)场所的本质安全装置和相关联装置(Intrinsically Safe Apparatus andAssociated Apparatus for Use in Class I,II,and III,Division 1Hazardous(Classified)Locations)”的工厂互认标准中规定的本质安全规范。一些过程变量变送器可以在如此低的能量水平下运行，以至于它们可以从4mA-20mA过程控制回路接收所有所需的电力。

回路通信器20可以包括用于模拟通信的4mA-20mA通信部分。对于数字信号，通信器20可以包括高速可寻址远程传感器通信部分、FOUNDATION^TM现场总线通信部分或任何其他适当的部分。根据一个实施例，回路通信器20被配置为根据诸如根据IEC62591(WirelessHART)之类的无线过程工业标准通信协议进行通信。因此，回路通信器20适用于以已知方式根据一个或多个选定协议通过过程控制回路16(有线或无线)进行双向通信。

图2示出了与电阻温度设备(例如RTD 30(以虚线示出))耦接的一对端子22。尽管图2示出了一对端子22，但可以使用任何适当数量的端子来耦接到RTD 30。RTD 30可以与变送器12分离(如图所示)或包括在变送器12内。

激励源24可操作地耦接到端子22并且适于通过多个端子生成激励信号，例如电流。使已知激励信号通过未知电阻会导致来自RTD的电阻的关联响应，该关联响应指示RTD暴露的温度。激励源24以方框形式示出并且可以是任何合适的激励源，例如提供合适信号输出的电流源或电压源。在一个实施例中，激励源24是半导体电流源。

测量设备26耦接到端子22并且适于测量响应(例如电压值)并将其提供给控制器28，该响应指示RTD对端子22两端的激励信号的响应。测量设备26可以包括模数转换器，或能够测量端子22两端的电压的任何其他适当设备。如果在激励源24使激励电流通过RTD30时执行这种测量，则测量的响应将与RTD 30的电阻有关，并且因此与过程流体温度有关。

控制器28耦接到测量设备26、激励源24和回路通信器20。控制器28被配置为控制激励源24以经由端子22施加激励信号使其通过RTD或在RTD两端施加激励信号，并且在施加激励信号时使测量设备26测量通过端子22或端子22两端的响应。控制器28适于基于在施加激励信号时确定的RTD电阻来确定过程温度输出值。

根据本发明的实施例，控制器28还被配置为执行RTD能量存储诊断以确定RTD存储能量的程度并基于RTD的能量存储行为来补偿过程温度输出。控制器28被配置为向回路通信器20提供补偿的过程温度输出值以用于通过过程控制回路16进行通信。

控制器28可以是可编程门阵列、微处理器或可以减小或消除本文所述的高温引起的误差的影响的任何其他合适的设备。这种误差减小可以通过数学方式或使用适当的电路或通过两者的组合来执行。

图3A是具体地适用于本发明的实施例的RTD的示意图。RTD 30被示为具有一对连接引线32，该对连接引线32可耦接到测量设备，例如测量设备26(相对于图2描述)。引线32与冷端密封件36内的RTD导体34连接。冷端密封件36可以由水泥或玻璃制成，以便在组件的端部提供环境密封并为导线32提供应变消除。在一个实施例中，RTD 30包括设置在陶瓷体42内的一对铂线圈38、40。线圈38、40中的每一个由围绕绝缘芯缠绕的导线形成。该绝缘芯可以由任何合适的高温材料形成，例如陶瓷或玻璃。虽然关于图3A描述的实施例使用铂丝，但是本发明的实施例可以用具有相对于温度而变化或随温度而变化的电阻的任何合适材料来实践，例如镍或铜。如图3A所示，线圈38和线圈40通过互连件44电耦接在一起，互连件44设置在热端密封件48内靠近热端46。热端密封件48，与冷端密封件36一样，可以由任何合适的材料(例如玻璃或水泥)形成，以提供高温密封并保护互连件44。因此，在图3A所示的实施例中，线圈38、40彼此串联电耦接。

图3B是RTD 30的热端48的侧视图。图3B示出线圈38和线圈40以及互连件44提供双元件RTD组件的一个元件。如图3B所示，第二组线圈38’和40’也设置在陶瓷体42中并经由互连件44’彼此串联连接。

诸如台式数字万用表或关于图1和图2描述的温度变送器之类的测量设备具有不同的测量能力。这些测量设备中的任何一个将使用激励电流来监测或以其他方式测量RTD两端的电压降。如上所述的过程流体温度变送器将典型地周期性地接通和关断激励信号以执行传感器检查、切换用于测量的通道、和/或针对其他误差源(例如EMF–在RTD内的不同金属的连接处产生的小型热电偶)提供补偿。

图4是示出高温RTD组件在不同操作温度下的感应电压的测量误差的图表。注意，不同的温度不是特定的温度，而是为了说明三个相对不同的温度而示出的。在正常操作温度下(如线80所示)，感应电压在稳定时间82内下降到零。然而，在操作温度84(正常操作温度+400℃)下，在稳定时间82结束时感应电压仅下降到大约50毫伏。此外，在操作温度86(正常操作温度+600℃)下，感应电压在稳定时间82内仅下降到大约65毫伏。如果在测量转换时间88的测量中的稳定时间延迟不是足够长，则每个传感器测量将对另一个传感器测量产生影响。

根据本发明的实施例，控制器28通过软件、硬件或两者的组合被配置为一旦激励电流被去除就获得RTD两端的多个电压测量值。

图5是示出在去除RTD 30的激励电流之后发生的测量1、测量2和测量3的采集的图表。如图5所示，在稳定时间82的开始处去除激励电流。通过一旦去除激励电流就对传感器进行多次测量，可以确定放电率的趋势，以指示传感器的退化程度以及提供有效测量所需的稳定时间。如果退化显著，则控制器28还可以向最终用户提供指示。

如图5所示，存在在典型的稳定时间82之外突出显示的三个测量区域。这些段中的每个段在该时间跨度上产生平均测量值。可以看出，测量1产生的平均输出大于测量2产生的平均输出。同样，测量2产生的平均输出将大于测量3产生的平均输出。每条线代表随着温度升高而增长的一阶时间常数。正常运行的RTD的电特性将不超过标准温度测量变送器使用的稳定时间。通过比较这些测量值，可以识别出趋势并将其用于预测RTD的退化程度，并允许温度变送器调整稳定时间82以补偿过度的时间常数。这种补偿允许用户保持精确的测量并在需要维护时得到通知。值得注意的是，“时间常数”通常关于温度传感器被描述为测量用于传感器实现与其耦接的温度相匹配的输出的时间。因此当将激励电流施加给传感器时获得这样的时间常数。相反，关于图4和图5描述的实施例在去除激励电流之后测量RTD的放电时间常数。可以看出，图5中所示的三个测量相对快速地连续发生，其中测量1在测量2的开始处大约0.017秒处结束，测量2从大约0.017秒跨越到0.033秒。最后，测量3需要从0.033秒到0.050秒。注意，图示的用于测量的时间仅是示例性的，并且可以根据本文描述的各种实施例在时序和连续测量的数量方面进行改变。

可以看出，如果所有测量值都相等，例如对于未退化的温度传感器的情况，则控制器28可以确定不存在误差并且不需要对稳定时间82进行调整。然而，当多个测量开始记录不同的值时，控制器28可以检测到RTD的退化并提供这种退化的指示。此外，控制器28可以延长稳定时间82以便找到稳定时间82的值，该稳定时间82的值导致测量1、测量2和测量3之间的差别是可接受的、或者低于预选的阈值。在一个实施例中，当时间常数超过预期稳定时间82一设定阈值时，控制器82将生成指示超出温度变送器的精度规格的不精确的指示。

如上所述，控制器28可以响应于传感器退化的检测来调整稳定时间。在一个实施例中，通过从RTD去除激励电流来调整稳定时间校正。理想情况下，这应该将测量电压驱使到零。通过正确管理温度变送器中的固有偏移，剩余的测量电压被确定为误差。在测量1、测量2和测量3之间识别出的误差可以用于重新计算新的时间常数，该新的时间常数可能随着RTD的退化而改变。新的时间常数Tau可以计算如下：

这个新的时间常数值可以用于重新计算满足期望的误差阈值的新的稳定时间，以便继续提供精确的测量。新的稳定时间Ts可以计算如下：

在上述等式中，Tau是时间常数，Tmeas是测量时间，Ts是稳定时间，Verror1是来自测量1的误差，Verror2是来自测量2的误差，以及Meas_Pcnt是测量中允许误差的百分比。

例如，如图5所示，图表中提供了三个测量。测量1在序列计数器中为第一，测量2为第二，依此类推。

图6是根据本发明的实施例的检测并补偿RTD组件的高温能量存储效应的方法的流程图。方法100开始于框102，其中控制器(例如控制器28或另一合适的设备)从RTD组件去除激励电流。一旦在框102中去除激励电流，过程温度变送器或其他合适的设备就在存在零激励电流时确定RTD的电压响应，如框104所示。可以通过使用多个连续的测量来获得该确定的电压响应，如框106所示，并在上面关于图5进行了描述。然而，框104可以采用任何合适的技术来确定RTD的电压响应，如框108所示。例如，可以测量电压响应下降到适当的低电压(例如零或某个标称电压)所需的时间。然而，本领域技术人员将认识到，电压响应可以以任何多种合适的方式确定。

接下来，在框110，将RTD的放电行为与阈值进行比较。可以这样做的一种方式是通过比较多个连续测量值之间的差别，如框112所示。然而，可以测量或以其他方式获得时间常数，如框114所示。基于放电行为比较，框116确定RTD是否经历任何退化。如果为否，则控制传递到结束框118，在结束框118处完成诊断。然而，如果检测到退化，则控制传递到可选框120，在可选框120中可以提供这种退化的指示。这种指示可以在过程流体温度变送器本地提供，或例如经由过程通信传送给远程设备。

接下来，在框122，调整RTD的稳定时间以适应退化。可以设置这种时间调整以确保过程流体温度变送器继续提供指定的精度，例如小于或等于允许的误差百分比。此外，根据一个实施例，可以将经调整的稳定时间设置为仅当过程流体温度处于或高于选定温度阈值时使用。因此，当温度返回到较低值时，可以将稳定时间恢复为其较短的值，以便提供更快的测量。由于时间常数将随着温度而增加，因此本文描述的实施例可以提供操作接近特定RTD的极限的指示。此外，当RTD通过之前已评估过的特定温度点时，也可以评估随时间的漂移。可以计算RTD响应，将RTD响应与已知的良好示例或历史值进行比较，并且可以确定大致的健康指数并将其提供给用户作为更换RTD的指示器。例如，如果在时间T₁，则获得温度为500℃下的RTD的放电率，并且随后在时间T₂，获得在相同温度下的相同RTD的放电率，放电率的变化可以表明RTD传感器的损耗或退化。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到在不脱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。例如，虽然激励源、测量设备和控制器被描述为单独的设备，但是明确预期所有这些功能可以体现在单个微控制器或专用集成电路(ASIC)内。