具有改进的诊断和补偿功能的现场探针的制作方法
具有改进的诊断和补偿功能的现场探针的制作方法
【专利说明】具有改进的诊断和补偿功能的现场探针
【背景技术】
[0001] 工业过程行业主要依赖包括一个或多个燃烧过程的能源。这些燃烧过程包括火炉 或锅炉运行以从燃烧中产生然后用于该过程的能量。虽然燃烧提供了相对低成本的能量， 然而它的使用通常受到规制，并且力图最大化燃烧效率。因此，过程管理行业的一个目标是 通过最大化现有的火炉和锅炉的燃烧效率来减少温室气体的产生。
[0002] 现场或过程中分析仪常常被用于燃烧过程的监测、优化和控制。通常，这些分析仪 采用被加热至相对高的温度并且直接在火炉或锅炉的燃烧区域上面或附近工作的传感器。 燃烧分析仪通常采用被加热至高于约700°摄氏度（1300°华氏度）的温度的氧化锆传感 器，燃烧分析仪例如为俄亥俄州梭伦市的RosemountAnalytical，Inc.(艾默生过程管理的 商业部门）的以商品名称氧气分析仪或6888型燃烧废气变送器售卖的产品。
[0003] 现场分析仪通常采用烧结金属过滤器或定位在测量单元和过程燃烧气体之间的 其它扩散器，以允许过程燃烧气体扩散至测量区，同时最小化流动影响并减少测量单元的 污染。扩散器易于允许过程燃烧气体接触被加热的测量单元。然而，如果扩散器被部分或 完全堵塞，那么它会给测量引入误差。因此，提供能够更好地诊断扩散器障碍物和/或补偿 该障碍物的影响的现场氧气探针将提高过程分析测量和控制的技术。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种过程燃烧变送器，该过程燃烧变送器包括：过程探针，所述过程 探针可伸入过程燃烧废气流中。所述过程探针具有测量单元和扩散器，所述测量单元和所 述扩散器在所述过程探针中限定腔室。电子电路连接至所述测量单元，并且被配置为根据 所述测量单元的输出信号提供关于燃烧过程的指示。压力传感器连接至所述电子电路，并 且流体连接至所述腔室。所述电子电路被配置为根据校准期间在所述腔室内测量的压力提 供被调整的校准。
【附图说明】
[0005] 图1为使用其本发明的实施例特别有用的现场分析仪的示意图。
[0006] 图2为根据本发明的实施例的过程分析的氧气变送器的分解示意图。
[0007] 图3为根据本发明的实施例的过程分析的氧气变送器的方框图。
[0008] 图4为校准根据本发明的实施例的过程分析的氧气变送器的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0009] 图1为现场过程燃烧分析仪的示意图。变送器10可以为包括上面列出的x-stream 〇2燃烧废气变送器的任何合适的分析仪。变送器10包括探针组件12,探针组件12布置在 烟囱或烟道14内，并且测量与在燃烧器16处发生的燃烧相关的至少一个参数。通常地，变 送器10为氧气变送器，但是也可为测量与燃烧过程相关的任何合适的参数的任何装置。燃 烧器16可操作地连接至空气或氧气源18和可燃燃料源20。源18和20中的每一个优选地 通过某种阀连接至燃烧器，以将受控量的的氧气和/或燃料传递至燃烧器16,以控制燃烧 过程。变送器10测量在燃烧废气流中氧气的含量，并且给燃烧控制器22提供氧气水平指 示。控制器22控制一个或两个阀24、26,以提供闭环燃烧控制。变送器10包括氧气传感 器，该氧气传感器通常采用氧化锆传感器基底，以提供表示废气中的氧气浓度、成分或百分 比的电信号。
[0010] 周期地和/或不然在任何期望的时候，变送器10通过从源28向探针12提供校准 气体来校准。通过测量探针12内传感器多个传感器）对校准气体的响应，能够探测并补偿 误差。在一些实例中，公开的规范要求校准气体的最小流速，以保证单元区域完全填满校准 气体，并且没有废气能够与校准测试气体混合。在一个规范中，要求5SCFH的最小校准气体 流速。
[0011] 经过长年累月的时间，探针12的扩散器元件可能被完全或部分阻塞。当这种情况 发生时，一些公开的规范所要求的最小流速（例如5SCFH)将只有在高压下才能获得。在手 动校准的实例中，技术人员将增大校准气体的压力直至观察到期望的流速。例如，仪器技术 人员可以对阻塞严重的扩散器执行校准，并且当校准气体瓶打开时注意到，20PSI的校准气 体压力只提供2SCFH的流速，而不是标称的5SCFH的流速。在这种情况下，技术人员将调 节校准气体压力调节器，直至获得期望的5SCHL要求达到该流速所产生的压力可能高于 20PSI，并且可能甚至一定程度上压迫探针组件的测量单元。即使在测量单元以2PSI(约56 英寸/1422. 4mm水柱）的量级被压迫的情况下执行校准，也将影响校准过程本身，并且引入 误差。这是因为在校准之后测量单元将回到正常工作压力下，并且将读取错误的数值，例如 人为低（0.5%氧气）的数值。此外，当扩散器被部分或完全阻塞时，校准气体将困在测量单 元和扩散器之间，并且扩散器因此不期望地影响过程变量的测量。
[0012] 此外，在工作中，当扩散器被部分阻塞时，由于燃烧或排放气体通过部分或完全阻 塞的扩散器到测量单元的更慢的扩散，这导致过程变量的响应时间变慢。
[0013] 根据本发明的一方面，校准气体背压和/或接近测量单元本身处的压力在校准期 间被测量。由于测量单元密封探针的一侧，校准气体必须流过或者不然扩散通过扩散器。因 此，如果扩散器被部分或完全阻塞，校准气体将不能逃逸，并且背压或腔室的压力将上升。 当压力被测量并且超过阈值时，能够提供阻塞的指示。该指示能够由在装置上本地通知、通 过过程通信环或段传递或两者的警报器提供。进一步地，在校准过程中观察到的压力的大 小可以与能被补偿的校准误差相关。再进一步地，也可以根据阻塞的量采取附加的补救措 施。例如，如果扩散器被阻塞50%，那么变送器可以在校准之后、提供过程变量测量之前等 待更长时间，以允许校准气体有更多时间通过部分阻塞的扩散器逸出。
[0014]图2为根据本发明的实施例的现场过程燃烧分析仪的示意图。探针组件12通常被 配置为容纳传感器芯组件，该传感器芯组件包括被布置为与测量单元36邻近的扩散器32。 测量单元36和加热器组件38电连接至壳体44内包含在电路板42上的电子电路。变送器 10还包括多个气体入口 46和48,以分别接收参考气体和校准气体。
[0015] 如图2所示，变送器10包括压力传感器50,压力传感器50流体连接至位于测量单 元36和扩散器32之间的腔室或区域52。在图2所示的实施例中，压力传感器50被沿着校 准气体管路（示出为连接至入口 48)布置，并且从而测量接近区域52的校准气体的压力。 然而，在其它实施例中，压力传感器50可以布置在区域52内。压力传感器50电连接至电 路板42上的电子电路。这样，压力传感器50能够在校准、正常工作或两者的过程中提供区 域52内的压力的电指示。压力传感器50可以为任何合适类型的压力传感器，包括可偏转 薄膜、基于电容的压力传感器、可偏转薄膜应变仪、基于电阻的压力传感器或任何其它合适 类型的压力传感器。然而，压力传感器应该被配置为暴露于在废气环境下工作的相对低的 压力和相对高的温度下。此外，压力传感器50可被布置为接近废气或在电子壳体区域（安 全）中。
[0016] 过去，氧化锆感测技术已经通过使用周围环境或仪表的空气作为参考（20. 95%的 氧气）来测量过程氧气。周期地，测量单元38内的传感器可能需要在精确控制的氧气量能 被引入到传感器并且暴露于测量单元36的情况下校准。因此，端口 46和48被连接至将参 考气体和校准气体引导到测量单元36的导管。参考气体被提供到氧化锆基底的远离过程 气体的一侧。然而，在校准过程中，校准气体被供应至氧化锆基底的与暴露于参考气体的侧 相反的侧。以这种方式，每侧都暴露于气体。校准气体应当充满区域52,并且流出扩散器 32。然而，当扩散器被部分阻塞时，校准气体流出扩散器32的能力也会降低。这将导致升高 的校准气体压力，如上面提出的。如果校准气体具有比标称压力更高的压力，那么该更高的 压力将产生由校准气体内的氧气传感器产生的升高的氧气读数。如果传感器在该更高的压 力下被校准，那么当压力降低至正常工作压力时校准的传感器将读数过低。然而，通过在校 准过程中测量区域52内的实际压力，能够测量并补偿该影响。此外，压力本身的大小能够 被用于提 供扩散器阻塞程度的一般指示。最后，由压力测量确定的阻塞程度能被用于增加 在校准之后、提供过程氧气测量之前变送器等待的时间量。这样，在部分阻塞的扩散器中， 在提供过程氧气测量之前给予校准气体更多的时间以扩散出区域52。
[0017] 图3为根据本发明的实施例的过程分析的氧气变送器的方框图。为了清楚起见， 只描绘了探针组件12的区域52的一部分。然而，图3确实显示了电路板42的附加的部 件。具体地，电路板42上的电子电路包括连接至通信模块62和测量电路64的控制器60。 此外，控制器60还可操作地连接至螺线管66,其控制从源28到腔室52的校准气体的流动。 控制器60可以为任何合适的装置，其执行一系列指令，以完成一个或多个控制功能。在一 个实施例中，控制器60为微处理器。
[0018] 通信模块62连接至控制器60,并且允许控制器60根据有线的过程工业标准通信 协议与一个或多个例如为燃烧控制器22(图1中所示）的处理装置通信。该协议的实例包 括高速通道可定址远程转换器IIAK_TU协议，以及无线过程通信协议，例如IEC62591。
[0019] 在一个实施例中，测量电路64包括被配置为测量压力传感器50的电气特性（例 如，电容）、并提供其数字指示给控制器60的模数转换器，其中压力传感器指示腔室52内的 压力。测量电路64还可根据需要包括合适的放大、过滤和/或线性化电路。
[0020] 在正常工作期间，控制器60保持螺线管66在空闲状态，这样将校准气体源28与 腔室52隔离。来自燃烧过程的废气/燃烧气体通过扩散器32扩散，并且与氧气传感器68 接触。根据现有的技术，氧气传感器68将产生于与腔室52的处理侧70和参考侧72之间 的氧气分压的差值相关的电压。该电压通过合适的测量电路测量，例如测量电路64,并且 指示给控制器60。然后，控制器60通过通信模块62将过程变量输出传送给任何合适的装 置，例如燃烧控制器22。
[0021] 图4为校准根据本发明的实施例的过程分析的氧气变送器的方法的流程图。还将 相对于图3的方框图描述图4显示的方法。方法100在方框102开始，其中控制器60接合 螺线管66,使校准气体从源28流入并填充腔室52。校准气体将通过扩散器32流出腔室 52。当校准气体这样流动时，控制器通过压力传感器50和测量电路64监测腔室52内的压 力，如方框104显示的。在方框106中，被监测的压力与阈值进行比较，并且如果压力大于 阈值，那么控制器60将在方框108中指示出扩散器阻塞。该指示可以为利用本地的通知、 利用通过模块62的通信或两者。一旦产生了阻塞通知/指示，控制前进到方框110。此外， 如果被监测的压力不大于阈值，那么控制简单地从方框106前进到方框110。
[0022] 在方框110中，获得响应于校准气体的传感器68的输出。在方框112中，根据在方 框104中测量的压力调整校准气体。这样，如果扩散器被部分阻塞，并且压力足够高以产生 校准误差，那么该压力能够被测量，并且基于该压力对校准本身进行调整。所测量的压力和 对校准的影响之间的关系能够以任何合适的格式为特征，包括查阅表114或曲线拟合计算 116。这些关系能够通过测试获得，并且由装置的生产商提供。一旦获得了调整，新的校准 值（多个校准值）被存储在方框118中。一旦校准值（多个校准值）被存储，控制器60切 断螺线管66的电源，并且停止校准气体的流动。在方框120中，控制器60在进入方框122 中并以新的校准值（多个校准值）开始工作之前等待直至过去足够的时间。根据本发明的 一个实施例，基于在方框104中测量的压力调节该等待的时间。这样，如果测量到更高的压 力（指示部分阻塞），那么它将等待更长的时间，以使校准气体扩散出腔室52。这样，在进 入方框122之前，控制器60将等待更长的时间。
[0023] 虽然本文描述的方面和实施例通常测量校准期间校准气体的压力，本发明的方面 还能包括在正常工作期间连续测量接近测量单元处的压力。由于在过程中的压力导致传感 器输出的误差，这允许补偿传感器输出的实时的压力。这样，在废气中压力的变化能被测量 并且也被补偿。
[0024] 虽然一些技术能够根据传感器响应于过程改变的速度提供阻塞的扩散器的指示， 可以相信的是，本发明的实施例将提供比这些技术更快并且更量化的诊断。
[0025] 虽然已经参考优选的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将能够认识到在 不偏离本发明的精神和范围的情况下可以在形式上和细节上作出改变。
【主权项】
1. 一种过程燃烧变送器，包括： 过程探针，所述过程探针可伸入过程燃烧废气流中，所述过程探针具有测量单元和扩 散器，所述测量单元和所述扩散器在所述过程探针中限定腔室； 电子电路，所述电子电路连接至所述测量单元，并且被配置为根据所述测量单元的输 出信号提供关于燃烧过程的指示； 压力传感器，所述压力传感器可操作地连接至所述电子电路并且流体连接至所述腔 室;并且 其中，所述电子电路被配置为根据校准期间在所述腔室内测量的压力提供被调整的校 准。2. 根据权利要求1所述的过程燃烧变送器，其中所述电子电路被配置为根据在校准期 间测量的压力提供扩散器阻塞的指示。3. 根据权利要求2所述的过程燃烧变送器，其中所述指示为本地通知。4. 根据权利要求2所述的过程燃烧变送器，其中所述指示根据过程通信协议被传送。5. 根据权利要求1所述的过程燃烧变送器，其中所述电子电路被配置为在使用被调整 的校准进行校准之后重新开始过程测量。6. 根据权利要求5所述的过程燃烧变送器，其中所述电子电路被配置为在校准之后、 重新开始过程测量之前等待选定的时间量。7. 根据权利要求6所述的过程燃烧变送器，其中根据在校准期间测量的压力选定所述 时间量。8. 根据权利要求1所述的过程燃烧变送器，其中所述电子电路包括与测量电路连接的 控制器，并且其中所述测量电路可操作地连接至所述压力传感器。9. 根据权利要求8所述的过程燃烧变送器，并且其中所述电子电路还包括通信模块， 该通信模块与所述控制器连接并且被配置为根据过程通信协议通信。10. -种校准过程燃烧变送器的方法，所述方法包括以下步骤： 将校准气体流供给至至少部分由测量单元和扩散器限定的腔室中； 当所述校准气体流动时测量所述腔室内的校准气体的压力； 测量所述测量单元对所述校准气体的响应；并且 根据所述测量单元的响应和所测量的压力提供被调整的校准。11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述测量单元包括氧气传感器。12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述测量单元为基于氧化锆的氧气传感器。13. 根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：根据所测量的压力提供扩散器阻 塞的指示。14. 根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：在校准之后等待选定的时间量，以 使用被调整的校准开始提供过程测量。15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述选定的时间量基于在校准期间测量的压 力。16. 根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：在正常工作期间测量腔室内的压 力，并且提供补偿的过程变量输出。
【专利摘要】本发明提供了一种过程燃烧变送器(10)，该过程燃烧变送器(10)包括：过程探针(12)，所述过程探针可伸入过程燃烧废气流中。所述过程探针(12)具有测量单元(36)和扩散器(32)，所述测量单元和所述扩散器在所述过程探针中限定腔室(52)。电子电路(42)连接至所述测量单元(32)，并且被配置为根据所述测量单元(32)的输出信号提供关于燃烧过程的指示。压力传感器(50)连接至所述电子电路(42)，并且流体连接至所述腔室(52)。所述电子电路(42)被配置为根据校准期间在所述腔室(52)内测量的压力提供被调整的校准。
【IPC分类】F23N5/02
【公开号】CN104903649
【申请号】CN201480003735
【发明人】詹姆斯·D·克雷默, 约瑟夫·C·尼默尔, 安妮·S·韦, 道格拉斯·E·西默斯, 马克·斯托伊科夫
【申请人】罗斯蒙特分析公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月27日
【公告号】CA2903404A1, US20140290329, WO2014160866A1
【专利说明】具有改进的诊断和补偿功能的现场探针
【背景技术】
[0001] 工业过程行业主要依赖包括一个或多个燃烧过程的能源。这些燃烧过程包括火炉 或锅炉运行以从燃烧中产生然后用于该过程的能量。虽然燃烧提供了相对低成本的能量， 然而它的使用通常受到规制，并且力图最大化燃烧效率。因此，过程管理行业的一个目标是 通过最大化现有的火炉和锅炉的燃烧效率来减少温室气体的产生。
[0002] 现场或过程中分析仪常常被用于燃烧过程的监测、优化和控制。通常，这些分析仪 采用被加热至相对高的温度并且直接在火炉或锅炉的燃烧区域上面或附近工作的传感器。 燃烧分析仪通常采用被加热至高于约700°摄氏度（1300°华氏度）的温度的氧化锆传感 器，燃烧分析仪例如为俄亥俄州梭伦市的RosemountAnalytical，Inc.(艾默生过程管理的 商业部门）的以商品名称氧气分析仪或6888型燃烧废气变送器售卖的产品。
[0003] 现场分析仪通常采用烧结金属过滤器或定位在测量单元和过程燃烧气体之间的 其它扩散器，以允许过程燃烧气体扩散至测量区，同时最小化流动影响并减少测量单元的 污染。扩散器易于允许过程燃烧气体接触被加热的测量单元。然而，如果扩散器被部分或 完全堵塞，那么它会给测量引入误差。因此，提供能够更好地诊断扩散器障碍物和/或补偿 该障碍物的影响的现场氧气探针将提高过程分析测量和控制的技术。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种过程燃烧变送器，该过程燃烧变送器包括：过程探针，所述过程 探针可伸入过程燃烧废气流中。所述过程探针具有测量单元和扩散器，所述测量单元和所 述扩散器在所述过程探针中限定腔室。电子电路连接至所述测量单元，并且被配置为根据 所述测量单元的输出信号提供关于燃烧过程的指示。压力传感器连接至所述电子电路，并 且流体连接至所述腔室。所述电子电路被配置为根据校准期间在所述腔室内测量的压力提 供被调整的校准。
【附图说明】
[0005] 图1为使用其本发明的实施例特别有用的现场分析仪的示意图。
[0006] 图2为根据本发明的实施例的过程分析的氧气变送器的分解示意图。
[0007] 图3为根据本发明的实施例的过程分析的氧气变送器的方框图。
[0008] 图4为校准根据本发明的实施例的过程分析的氧气变送器的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0009] 图1为现场过程燃烧分析仪的示意图。变送器10可以为包括上面列出的x-stream 〇2燃烧废气变送器的任何合适的分析仪。变送器10包括探针组件12,探针组件12布置在 烟囱或烟道14内，并且测量与在燃烧器16处发生的燃烧相关的至少一个参数。通常地，变 送器10为氧气变送器，但是也可为测量与燃烧过程相关的任何合适的参数的任何装置。燃 烧器16可操作地连接至空气或氧气源18和可燃燃料源20。源18和20中的每一个优选地 通过某种阀连接至燃烧器，以将受控量的的氧气和/或燃料传递至燃烧器16,以控制燃烧 过程。变送器10测量在燃烧废气流中氧气的含量，并且给燃烧控制器22提供氧气水平指 示。控制器22控制一个或两个阀24、26,以提供闭环燃烧控制。变送器10包括氧气传感 器，该氧气传感器通常采用氧化锆传感器基底，以提供表示废气中的氧气浓度、成分或百分 比的电信号。
[0010] 周期地和/或不然在任何期望的时候，变送器10通过从源28向探针12提供校准 气体来校准。通过测量探针12内传感器多个传感器）对校准气体的响应，能够探测并补偿 误差。在一些实例中，公开的规范要求校准气体的最小流速，以保证单元区域完全填满校准 气体，并且没有废气能够与校准测试气体混合。在一个规范中，要求5SCFH的最小校准气体 流速。
[0011] 经过长年累月的时间，探针12的扩散器元件可能被完全或部分阻塞。当这种情况 发生时，一些公开的规范所要求的最小流速（例如5SCFH)将只有在高压下才能获得。在手 动校准的实例中，技术人员将增大校准气体的压力直至观察到期望的流速。例如，仪器技术 人员可以对阻塞严重的扩散器执行校准，并且当校准气体瓶打开时注意到，20PSI的校准气 体压力只提供2SCFH的流速，而不是标称的5SCFH的流速。在这种情况下，技术人员将调 节校准气体压力调节器，直至获得期望的5SCHL要求达到该流速所产生的压力可能高于 20PSI，并且可能甚至一定程度上压迫探针组件的测量单元。即使在测量单元以2PSI(约56 英寸/1422. 4mm水柱）的量级被压迫的情况下执行校准，也将影响校准过程本身，并且引入 误差。这是因为在校准之后测量单元将回到正常工作压力下，并且将读取错误的数值，例如 人为低（0.5%氧气）的数值。此外，当扩散器被部分或完全阻塞时，校准气体将困在测量单 元和扩散器之间，并且扩散器因此不期望地影响过程变量的测量。
[0012] 此外，在工作中，当扩散器被部分阻塞时，由于燃烧或排放气体通过部分或完全阻 塞的扩散器到测量单元的更慢的扩散，这导致过程变量的响应时间变慢。
[0013] 根据本发明的一方面，校准气体背压和/或接近测量单元本身处的压力在校准期 间被测量。由于测量单元密封探针的一侧，校准气体必须流过或者不然扩散通过扩散器。因 此，如果扩散器被部分或完全阻塞，校准气体将不能逃逸，并且背压或腔室的压力将上升。 当压力被测量并且超过阈值时，能够提供阻塞的指示。该指示能够由在装置上本地通知、通 过过程通信环或段传递或两者的警报器提供。进一步地，在校准过程中观察到的压力的大 小可以与能被补偿的校准误差相关。再进一步地，也可以根据阻塞的量采取附加的补救措 施。例如，如果扩散器被阻塞50%，那么变送器可以在校准之后、提供过程变量测量之前等 待更长时间，以允许校准气体有更多时间通过部分阻塞的扩散器逸出。
[0014]图2为根据本发明的实施例的现场过程燃烧分析仪的示意图。探针组件12通常被 配置为容纳传感器芯组件，该传感器芯组件包括被布置为与测量单元36邻近的扩散器32。 测量单元36和加热器组件38电连接至壳体44内包含在电路板42上的电子电路。变送器 10还包括多个气体入口 46和48,以分别接收参考气体和校准气体。
[0015] 如图2所示，变送器10包括压力传感器50,压力传感器50流体连接至位于测量单 元36和扩散器32之间的腔室或区域52。在图2所示的实施例中，压力传感器50被沿着校 准气体管路（示出为连接至入口 48)布置，并且从而测量接近区域52的校准气体的压力。 然而，在其它实施例中，压力传感器50可以布置在区域52内。压力传感器50电连接至电 路板42上的电子电路。这样，压力传感器50能够在校准、正常工作或两者的过程中提供区 域52内的压力的电指示。压力传感器50可以为任何合适类型的压力传感器，包括可偏转 薄膜、基于电容的压力传感器、可偏转薄膜应变仪、基于电阻的压力传感器或任何其它合适 类型的压力传感器。然而，压力传感器应该被配置为暴露于在废气环境下工作的相对低的 压力和相对高的温度下。此外，压力传感器50可被布置为接近废气或在电子壳体区域（安 全）中。
[0016] 过去，氧化锆感测技术已经通过使用周围环境或仪表的空气作为参考（20. 95%的 氧气）来测量过程氧气。周期地，测量单元38内的传感器可能需要在精确控制的氧气量能 被引入到传感器并且暴露于测量单元36的情况下校准。因此，端口 46和48被连接至将参 考气体和校准气体引导到测量单元36的导管。参考气体被提供到氧化锆基底的远离过程 气体的一侧。然而，在校准过程中，校准气体被供应至氧化锆基底的与暴露于参考气体的侧 相反的侧。以这种方式，每侧都暴露于气体。校准气体应当充满区域52,并且流出扩散器 32。然而，当扩散器被部分阻塞时，校准气体流出扩散器32的能力也会降低。这将导致升高 的校准气体压力，如上面提出的。如果校准气体具有比标称压力更高的压力，那么该更高的 压力将产生由校准气体内的氧气传感器产生的升高的氧气读数。如果传感器在该更高的压 力下被校准，那么当压力降低至正常工作压力时校准的传感器将读数过低。然而，通过在校 准过程中测量区域52内的实际压力，能够测量并补偿该影响。此外，压力本身的大小能够 被用于提 供扩散器阻塞程度的一般指示。最后，由压力测量确定的阻塞程度能被用于增加 在校准之后、提供过程氧气测量之前变送器等待的时间量。这样，在部分阻塞的扩散器中， 在提供过程氧气测量之前给予校准气体更多的时间以扩散出区域52。
[0017] 图3为根据本发明的实施例的过程分析的氧气变送器的方框图。为了清楚起见， 只描绘了探针组件12的区域52的一部分。然而，图3确实显示了电路板42的附加的部 件。具体地，电路板42上的电子电路包括连接至通信模块62和测量电路64的控制器60。 此外，控制器60还可操作地连接至螺线管66,其控制从源28到腔室52的校准气体的流动。 控制器60可以为任何合适的装置，其执行一系列指令，以完成一个或多个控制功能。在一 个实施例中，控制器60为微处理器。
[0018] 通信模块62连接至控制器60,并且允许控制器60根据有线的过程工业标准通信 协议与一个或多个例如为燃烧控制器22(图1中所示）的处理装置通信。该协议的实例包 括高速通道可定址远程转换器IIAK_TU协议，以及无线过程通信协议，例如IEC62591。
[0019] 在一个实施例中，测量电路64包括被配置为测量压力传感器50的电气特性（例 如，电容）、并提供其数字指示给控制器60的模数转换器，其中压力传感器指示腔室52内的 压力。测量电路64还可根据需要包括合适的放大、过滤和/或线性化电路。
[0020] 在正常工作期间，控制器60保持螺线管66在空闲状态，这样将校准气体源28与 腔室52隔离。来自燃烧过程的废气/燃烧气体通过扩散器32扩散，并且与氧气传感器68 接触。根据现有的技术，氧气传感器68将产生于与腔室52的处理侧70和参考侧72之间 的氧气分压的差值相关的电压。该电压通过合适的测量电路测量，例如测量电路64,并且 指示给控制器60。然后，控制器60通过通信模块62将过程变量输出传送给任何合适的装 置，例如燃烧控制器22。
[0021] 图4为校准根据本发明的实施例的过程分析的氧气变送器的方法的流程图。还将 相对于图3的方框图描述图4显示的方法。方法100在方框102开始，其中控制器60接合 螺线管66,使校准气体从源28流入并填充腔室52。校准气体将通过扩散器32流出腔室 52。当校准气体这样流动时，控制器通过压力传感器50和测量电路64监测腔室52内的压 力，如方框104显示的。在方框106中，被监测的压力与阈值进行比较，并且如果压力大于 阈值，那么控制器60将在方框108中指示出扩散器阻塞。该指示可以为利用本地的通知、 利用通过模块62的通信或两者。一旦产生了阻塞通知/指示，控制前进到方框110。此外， 如果被监测的压力不大于阈值，那么控制简单地从方框106前进到方框110。
[0022] 在方框110中，获得响应于校准气体的传感器68的输出。在方框112中，根据在方 框104中测量的压力调整校准气体。这样，如果扩散器被部分阻塞，并且压力足够高以产生 校准误差，那么该压力能够被测量，并且基于该压力对校准本身进行调整。所测量的压力和 对校准的影响之间的关系能够以任何合适的格式为特征，包括查阅表114或曲线拟合计算 116。这些关系能够通过测试获得，并且由装置的生产商提供。一旦获得了调整，新的校准 值（多个校准值）被存储在方框118中。一旦校准值（多个校准值）被存储，控制器60切 断螺线管66的电源，并且停止校准气体的流动。在方框120中，控制器60在进入方框122 中并以新的校准值（多个校准值）开始工作之前等待直至过去足够的时间。根据本发明的 一个实施例，基于在方框104中测量的压力调节该等待的时间。这样，如果测量到更高的压 力（指示部分阻塞），那么它将等待更长的时间，以使校准气体扩散出腔室52。这样，在进 入方框122之前，控制器60将等待更长的时间。
[0023] 虽然本文描述的方面和实施例通常测量校准期间校准气体的压力，本发明的方面 还能包括在正常工作期间连续测量接近测量单元处的压力。由于在过程中的压力导致传感 器输出的误差，这允许补偿传感器输出的实时的压力。这样，在废气中压力的变化能被测量 并且也被补偿。
[0024] 虽然一些技术能够根据传感器响应于过程改变的速度提供阻塞的扩散器的指示， 可以相信的是，本发明的实施例将提供比这些技术更快并且更量化的诊断。
[0025] 虽然已经参考优选的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将能够认识到在 不偏离本发明的精神和范围的情况下可以在形式上和细节上作出改变。
【主权项】
1. 一种过程燃烧变送器，包括： 过程探针，所述过程探针可伸入过程燃烧废气流中，所述过程探针具有测量单元和扩 散器，所述测量单元和所述扩散器在所述过程探针中限定腔室； 电子电路，所述电子电路连接至所述测量单元，并且被配置为根据所述测量单元的输 出信号提供关于燃烧过程的指示； 压力传感器，所述压力传感器可操作地连接至所述电子电路并且流体连接至所述腔 室;并且 其中，所述电子电路被配置为根据校准期间在所述腔室内测量的压力提供被调整的校 准。2. 根据权利要求1所述的过程燃烧变送器，其中所述电子电路被配置为根据在校准期 间测量的压力提供扩散器阻塞的指示。3. 根据权利要求2所述的过程燃烧变送器，其中所述指示为本地通知。4. 根据权利要求2所述的过程燃烧变送器，其中所述指示根据过程通信协议被传送。5. 根据权利要求1所述的过程燃烧变送器，其中所述电子电路被配置为在使用被调整 的校准进行校准之后重新开始过程测量。6. 根据权利要求5所述的过程燃烧变送器，其中所述电子电路被配置为在校准之后、 重新开始过程测量之前等待选定的时间量。7. 根据权利要求6所述的过程燃烧变送器，其中根据在校准期间测量的压力选定所述 时间量。8. 根据权利要求1所述的过程燃烧变送器，其中所述电子电路包括与测量电路连接的 控制器，并且其中所述测量电路可操作地连接至所述压力传感器。9. 根据权利要求8所述的过程燃烧变送器，并且其中所述电子电路还包括通信模块， 该通信模块与所述控制器连接并且被配置为根据过程通信协议通信。10. -种校准过程燃烧变送器的方法，所述方法包括以下步骤： 将校准气体流供给至至少部分由测量单元和扩散器限定的腔室中； 当所述校准气体流动时测量所述腔室内的校准气体的压力； 测量所述测量单元对所述校准气体的响应；并且 根据所述测量单元的响应和所测量的压力提供被调整的校准。11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述测量单元包括氧气传感器。12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述测量单元为基于氧化锆的氧气传感器。13. 根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：根据所测量的压力提供扩散器阻 塞的指示。14. 根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：在校准之后等待选定的时间量，以 使用被调整的校准开始提供过程测量。15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述选定的时间量基于在校准期间测量的压 力。16. 根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：在正常工作期间测量腔室内的压 力，并且提供补偿的过程变量输出。
【专利摘要】本发明提供了一种过程燃烧变送器(10)，该过程燃烧变送器(10)包括：过程探针(12)，所述过程探针可伸入过程燃烧废气流中。所述过程探针(12)具有测量单元(36)和扩散器(32)，所述测量单元和所述扩散器在所述过程探针中限定腔室(52)。电子电路(42)连接至所述测量单元(32)，并且被配置为根据所述测量单元(32)的输出信号提供关于燃烧过程的指示。压力传感器(50)连接至所述电子电路(42)，并且流体连接至所述腔室(52)。所述电子电路(42)被配置为根据校准期间在所述腔室(52)内测量的压力提供被调整的校准。
【IPC分类】F23N5/02
【公开号】CN104903649
【申请号】CN201480003735
【发明人】詹姆斯·D·克雷默, 约瑟夫·C·尼默尔, 安妮·S·韦, 道格拉斯·E·西默斯, 马克·斯托伊科夫
【申请人】罗斯蒙特分析公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月27日
【公告号】CA2903404A1, US20140290329, WO2014160866A1
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