专利名称：基于rf空腔的过程流体传感器的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及流体处理，具体涉及用于过程流体测量和控制的远程感测系统。具体地，本发明涉及一种用于远程处理位置的无源传感器系统，其中功耗和通信要求是重要的设计问题。
背景技术：
准确的流体测量对于大量的处理应用(包括大量流体的存储和运输、食品和饮料筹备、化学和制药生产、水和空气的配给、环境控制、农业、碳氢化合物提取、燃料精炼)和 (使用热塑性塑料、薄膜、胶水、树脂和其他流体材料的)多种制造过程来说非常重要。许多这些应用需要将传感器布置在远处隔离的位置或限制进入的位置，或者布置在经受高温、 极端压力、爆炸性环境、腐蚀性药剂和其他危险条件的处理环境中。在这些应用中，功耗和通信要求会影响系统成本，并且可能对总体系统设计造成限制。存在对远程感测系统的持续需求，该系统能够以成本有效的方式解决功率和通信问题，并且适用于多种远程的、限制进入的且危险的操作环境。
发明内容
本发明涉及一种用于测量过程流体参数的远程系统。该系统包括空腔，被配置为以中心谐振频率产生谐振；调谐器，被配置为调谐该谐振频率；以及信号耦合器。空腔包括具有谐振频率的波导或RF空腔谐振器，该谐振频率响应于与过程流体的热力学(压力或热)接触而移动。调谐器耦合至空腔，并通过调整空腔的有效谐振长度来调谐该谐振频率。 信号耦合器也耦合至空腔，并且被配置为当输入的查询信号与调谐且移动后的谐振频率匹配时，发送回波(echo)。
图1是示出了在无线实施例中、用于过程流体测量的远程传感器系统的剖面示意图。图2A是示出了在线缆实施例中、图1的远程传感器系统的剖面示意图。图2B是示出了在使用线缆和无线传感器传感器两者的实施例中、图1的远程传感器系统的备选剖面图。图3A是示出了在具有圆柱状空腔谐振器的无线实施例中、图1的系统的远程传感器的透视图。图;3B是示出了在具有不同的纵向纵横比的实施例中、图3A中的远程传感器的备选透视图。图4A是用于图1的远程传感器系统的矩形谐振器的透视图。图4B是在具有任意的横向纵横比的实施例中、图4A中的矩形谐振器的备选透视图。
具体实施例方式图1是示出了在无线实施例中、用于过程流体测量的远程传感器系统10的剖面示意图。系统10包括变送器11和基于空腔的过程流体传感器12，过程流体传感器12与过程贮液器14中的过程流体13热力学接触。在这个无线实施例中，变送器11和传感器12经由从变送器11传播至传感器12的RF(射频)查询信号15A以及从传感器12传播至变送器11的RF响应信号15B形成无线链接。变送器11包括变送器外壳16，该变送器外壳16具有微处理器/控制器17 (虚线示出)、信号广播元件18和信号接收元件19。外壳16由坚固耐用的可加工材料(例如铝、 钢、不锈钢和其他金属)、耐用的聚合材料(例如PVC塑料或ABS塑料)或者其组合形成。 将外壳16塑造为多个侧壁、端壁、盖板和其他结构，其通过机械手段(例如焊接、螺钉或螺栓)装配到一起。外壳16形成变送器11的微处理器17和其他内部组件的保护套，并且提供对外部组件(包括广播元件18和接收元件19)的支撑体。典型地，外壳16还形成流体和压力密封以保护内部不受泄露和腐蚀性或爆炸性药剂的影响。控制器17执行变送器11的通信、控制和信号处理功能，包括广播元件18和接收元件19的操作。经由多种硬件和无线连接(例如，环线或电源/数据总线、红外(IR)、光学或RF系统或其组合)来提供变送器11和过程监控器/系统控制器20 之间的通信。过程通信还使用多种不同的命令和控制协议，包括但不限于标准模拟 (4-20mA)协议、诸如HART 的混合模拟_数字协议、以及诸如inundation Fieldbus和 PROFI BUS/PROFI NET协议的数字协议。使用这些代表性通信系统的多种变送器和其他现场设备例如可以从位于明尼苏达州Chanhassen市的Rosemount Inc.( 一家爱默生过程管理公司)获得。在图1的无线实施例中，信号广播元件18包括用于向传感器12发送无线RF查询信号15A的RF广播天线，信号接收元件19包括用于从传感器12获取无线响应信号15B的 RF接收天线。在一些实施例中，广播元件18和接收元件19是不同的(如图1所示)，而在其他实施例中，广播元件18和接收元件19被组合到单个收发机器件中，该收发机器件既具有广播(broadcast)(信号发送)功能又具有接收(信号获取或收集)功能。RF信号15A和15B包含大范围的频段和波段，包括微波、短波无线电信号、高频无线电信号和超高频无线电信号。在典型实施例中，RF信号15A和15B的频率范围是从大约 300MHz至大约30GHz，对应于从大约1厘米(Icm)至大约1米(Im)的真空波长。在扩展范围的实施例中，RF信号15A和15B的频率范围是从大约30MHz至大约300GHz，对应于从大约1毫米(Imm)至大约10米(IOm)或更大的真空波长。传感器12是用于过程流体测量的基于空腔的传感器，每一个传感器包括谐振器空腔21、信号耦合器22和空腔调谐器23。对传感器12进行定位使得空腔谐振器21与过程流体13热力学接触，例如通过使用传感器座M，将传感器12定位于贮液器14内并使传感器12至少部分地处于流体13内。过程流体13典型地是贮液器14内存储的大量流体，例如水、氨水、化学溶剂或其他化学溶液、或流体碳氢化合物燃料。在备选实施例中，贮液器14表示油罐或其他天然的贮液器，其中在线缆实施例(参见图2A)中典型地将传感器12用于井下应用。在其他实施例中，贮液器14表示压力容器、处理容器、流导管、流管道或另一流体提取、存储、运输元件或处理系统，而且流体13具有液态、气态或多相态。在无线实施例中，贮液器14有时由RF信号相对可穿透的材料(例如塑料或其他聚合材料)形成。在这些实施例中，信号15A和15B传播通过贮液器14的壁，如图1所示。 备选地，贮液器14具有一个或更多个RF可穿透窗25，对这些窗25进行定位以允许变送器 11和一个或更多个传感器12之间的无线RF通信。传感器12与过程流体13之间的热力学接触包含热接触和压力接触，使得传感器 12感受空腔谐振器21处的过程流体13的压力条件和热条件。在一些实施例中，传感器12 与过程流体13之间的热力学接触还提供了差压敏感性，使得传感器12响应于沿空腔谐振器21的差压效应(包括由于流体流动造成的差压效应)。每一个基于空腔的远程传感器12具有中心谐振频率，该中心谐振频率取决于空腔谐振器21的几何属性。例如，有效谐振长度描述了这些几何属性。当传感器12与过程流体13之间具有热力学接触时，有效谐振长度发生变化，使得中心谐振频率响应于流体13 的热力学属性而发生移动。具体地，有效谐振长度和中心谐振频率响应于沿空腔谐振器21 或空腔谐振器21附近的压力、温度和流速而移动或变化。例如，在一个实施例中，传感器12包括液位传感器，并且空腔21的有效谐振长度响应于流体13的局部绝对压力或表压而移动。该压力是密度、相对于传感器12的相对高度的流体深度d以及外部过压的函数。在其他实施例中，空腔21的几何形状响应于差压、 或响应于过程流体13内的温度或流速而发生改变。为了测量有关的过程流体参数，变送器11在关于空腔21的中心谐振而定义的频率范围上扫描查询信号15A。信号耦合器22接收查询信号15A，并将信号能量发送至空腔 21。当查询信号(或采样信号)15A与移动后的谐振频率匹配时，以该谐振驱动传感器12， 并且空腔21内的电磁能增大。空腔21被设计为高Q系统以减少吸收，从而进入的能量中的绝大部分经由信号耦合器22被重新广播(或重新发送)以创建回波(echo)信号(或响应信号)15B。即，信号耦合器22将空腔21耦合至查询信号(采样信号)15A的电磁场，并通过以谐振进行散射而产生响应信号(回波信号)15B。如图1所示，RF信号15A和15B是定向的，沿着变送器11和传感器12之间的大致方向传播。在其他实施例中，变送器11和传感器12产生偶极型电磁辐射�。渲蠷F信号15A和15B关于天线19和23实质上旋转对称。在另外的实施例中，信号15A和15B的特征由实质上各向同性的辐射场来描述。备选地，信号15A和15B沿着线缆或其他导体传递，而不是通常地在环境中广播，如下文结合附图2A和2B所述。通过扫描查询信号直到获得响应或散射回波信号，变送器11确定传感器12的移动后的谐振频率。移动后的谐振频率由谐振腔21的有效谐振长度来确定，后者又取决于与过程流体13的热力学接触。因此，移动后的谐振频率是描述了过程流体13的压力、温度、 流速和其他过程变量的函数。图1示出了系统10的多个优点。首先，由于空腔21对与过程流体13的热力学接触的直接几何响应，传感器12直接响应于压力、温度、流速和其他过程变量或流体参数。这与机电压力换能器和基于电路的谐振器不同，这些换能器和谐振器依赖于压电元件、L-C或 L-R-C组件以及依赖于间接的热效应和机械效应的其他器件，而不是依赖于频率和空腔的几何形状之间的直接关系。另外，传感器12和谐振器空腔21根据电磁谐振原理而操作，而不是根据声谐振或机械谐振而操作。这与表面声波(SAW)传感器、声应变仪传感器和边界声波技术有所区别。 另外，传感器12不需要电源。取而代之，变送器11经由查询信号15A问询传感器12，并且当发生谐振时，传感器12简单地反射或散射该查询信号以产生回波或响应信号15B，无需额外的功率输入。然后，变送器11基于回波信号15B确定相关的过程参数，其中，谐振散射频率是过程流体13内的压力、温度和流速的函数，并且基于空腔21的几何响应。图2A是示出了在线缆实施例中的远程传感器系统10的剖面示意图。在该实施例中，变送器11和传感器12经由RF线缆25 (部分以虚线示出)发送查询信号和响应信号。 这与图1中的无线实施例不同，在图1中，查询信号和响应信号是经过过程流体13和系统 10的外部环境而行进于变送器11和传感器12之间的自由传播广播场。变送器11的线缆实施例典型地包括线缆连接器/收发机沈，其合并了上文图1中独立的广播元件18和接收元件19的功能，并且提供了与线缆25的电耦合和机械耦合。在这些实施例中，传感器12的信号耦合器22典型地包括线缆连接器。线缆连接器通过把空腔21耦合至线缆25内部的电磁场(与自由传播的(无线)广播场不同)，与图1中的天线型耦合器类似地工作。线缆25包括同轴线缆、波导、高频传输线或在变送器11和传感器12之间的查询信号和响应信号的频率范围内具有低阻抗的类似结构。在典型实施例中，将线缆25与外部辐射绝缘并且屏蔽，以增大回波信号的信噪比。在图2A的具体实施例中，线缆25在端口 27处进入贮液器/过程结构14，端口 27 提供了贮液器14的压力密封或流体密封。备选地，端口 27是开放的，并且提供压力孔或流体孔。系统10的线缆实施例适用于屏蔽的传感器位置(包括井下应用)，也适用于过程流体13或贮液器14对自由传播的查询信号和响应信号造成很大衰减的实施例。线缆实施例还可应用于RF噪声和RF敏感的操作环境(开放传播的RF查询信号和响应信号可能会造成干扰或受到干扰，或者可能会产生安全问题)。图2B是系统10的备选剖面图，该实施例中既使用了线缆传感器12又使用了无线传感器12。在该实施例中，变送器11使用信号线缆25与自由传播的广播信号和响应信号的组合来与传感器12通信。经由传感器座M将传感器12支撑在流体13内，或者经由信号线缆25使传感器12悬挂在流体13内。在一些实施例中，变送器11经由第二天线观发送查询信号并接收响应信号。第二天线观是具有组合的发送和接收功能的发射机天线，位于贮液器/过程结构14内部。如同图1中的RF窗25，当贮液器14由防RF的材料(例如金属)形成时，第二天线观提供了信号通信的备选方式。如图2B所示，信号线缆25表现为串行(“串级链”)和并行配置，其中线缆25的一些分段提供了面向多个不同的传感器12的传输路径，而线缆25的其他分段专用于单个传感器12。在另外的实施例中，系统10使用并行和串行传感器配置的任意组合，以及基于线缆的(传输线)和自由传播(广播)的查询信号和响应信号的任意组合。为了对多个不同的传感器12进行区别，变送器11有时使用时间移动或“ ΔΤ”测量，其取决于查询信号和响应信号之间的时间差或延迟。延迟取决于变送器11和传感器12 之间的回程信号传输路径长度(S)以及信号传播速度(ν)
权利要求
1.一种用于感测过程流体参数的远程系统，包括空腔，被配置为以空腔频率谐振，所述空腔频率响应于过程流体参数而移动； 调谐器，耦合至所述空腔以调谐所述空腔频率；以及信号耦合器，耦合至所述空腔以接收查询信号，以及当所述查询信号与所述空腔频率匹配时发送回波信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述过程流体参数包括压力。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括变送器，被配置为向所述信号耦合器发送所述查询信号以及从所述信号耦合器接收所述回波信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述变送器还被配置为根据所述回波信号来测量所述过程流体参数。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述变送器还被配置为根据所述回波信号来识别所述传感器。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述变送器还被配置为根据所述查询信号和所述传感器信号之间的时间延迟来识别所述传感器。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述变送器被配置为通过向所述空腔广播微波而发送所述查询信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述信号耦合器包括天线，所述天线被配置为接收所述微波并将所述微波传导至所述空腔。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述变送器包括第二天线，所述第二天线用于将所述微波广播至传导过程结构内的所述空腔。
10.根据权利要求4所述的系统，其中，所述信号耦合器包括线缆连接器，所述线缆连接器被配置为将所述查询信号从线缆传导至所述空腔，以及将所述回波信号从所述空腔传导至所述线缆。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述空腔由导电材料形成，并且具有大约为1的内部折射率。
12.一种用于过程流体的远程传感器，包括RF真空谐振器，与所述过程流体热力学接触，使得所述谐振器的谐振频率基于所述热力学接触；频率调谐器，耦合至所述谐振器，使得所述谐振频率还基于所述频率调谐器的位置；以及耦合器，将所述谐振器耦合至RF信号，使得当以谐振频率激励所述谐振器时所述传感器产生响应。
13.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述谐振频率在大约100兆赫兹与大约100 吉赫兹之间。
14.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述耦合器包括RF天线。
15.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述耦合器包括RF线缆连接器。
16.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述热力学接触包括压力接触。
17.根据权利要求16所述的传感器，其中，所述压力接触取决于所述过程流体中的流速。
18.根据权利要求16所述的传感器，其中，所述谐振器由具有实质上为零的热膨胀系数的材料组成。
19.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述热力学接触包括温度接触。
20.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述频率谐振器的位置的作用具有比所述热力学接触的作用实质上更大的范围，并且与所述热力学接触的作用实质上去耦。
21.一种用于过程流体的空腔传感器，包括第一和第二相对反射器；波导，设置在第一和第二反射器之间，从而在第一和第二反射器之间限定空腔长度，其中，所述空腔长度基于与过程流体的热力学接触；波长调整器，连接至所述波导，独立于所述热力学接触而调整所述空腔长度；以及信号耦合器，将所述波导耦合至具有波长的电磁�。沟玫彼霾ǔざ杂τ谒隹涨怀ざ仁保隹涨淮衅鞫运龅绱懦〗星可⑸�。
22.根据权利要求21所述的空腔传感器，其中，所述波导限定了在大约1毫米和大约1 米之间的空腔长度。
23.根据权利要求21所述的空腔传感器，其中，所述空腔长度是实质上纵向的有效谐振长度。
24.根据权利要求21所述的空腔传感器，其中，所述空腔长度是实质上横向的有效谐振长度。
25.根据权利要求21所述的空腔传感器，其中，所述信号耦合器包括线缆连接器，所述线缆连接器用于将所述波导耦合至信号线缆内部的电磁场。
全文摘要
一种用于感测过程流体参数的远程系统，包括空腔、调谐器和信号耦合器。空腔被配置为以中心频率谐振，所述中心频率响应于过程流体参数而移动。调谐器被配置为调谐所述中心频率。信号耦合器被配置为接收查询信号，以及当查询信号与移动后的中心频率匹配时，发送回波信号。
文档编号G01N29/02GK102460144SQ201080025260
公开日2012年5月16日 申请日期2010年4月6日 优先权日2009年4月8日
发明者卢良驹, 马克·S·舒梅切尔 申请人:罗斯蒙德公司
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