基于rf空腔的過程流體傳感器的制造方法
【專利摘要】一種用于感測過程流體參數(shù)的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，包括空腔、調(diào)諧器和信號耦合器。空腔被配置為以中心頻率諧振，所述中心頻率響應(yīng)于過程流體參數(shù)而移動。調(diào)諧器被配置為調(diào)諧所述中心頻率。信號耦合器被配置為接收查詢信號，以及當(dāng)查詢信號與移動后的中心頻率匹配時，發(fā)送回波信號。
【專利說明】基于RF空腔的過程流體傳感器
[0001] 本申請是2011年12月7日（申請日：2010年4月6日）向中國專利局遞 交并進(jìn)入中國國家階段的題為"基于RF空腔的過程流體傳感器"的發(fā)明專利申請 No. 201080025260. 4 (PCT 國際申請 No. PCT/US2010/001031)的分案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明大體上涉及流體處理，具體涉及用于過程流體測量和控制的遠(yuǎn)程感測系 統(tǒng)。具體地，本發(fā)明涉及一種用于遠(yuǎn)程處理位置的無源傳感器系統(tǒng)，其中功耗和通信要求是 重要的設(shè)計問題。

【背景技術(shù)】
[0003] 準(zhǔn)確的流體測量對于大量的處理應(yīng)用（包括大量流體的存儲和運(yùn)輸、食品和飲料 籌備、化學(xué)和制藥生產(chǎn)、水和空氣的配給、環(huán)境控制、農(nóng)業(yè)、碳?xì)浠衔锾崛?、燃料精煉）?(使用熱塑性塑料、薄膜、膠水、樹脂和其他流體材料的）多種制造過程來說非常重要。許多 這些應(yīng)用需要將傳感器布置在遠(yuǎn)處隔離的位置或限制進(jìn)入的位置，或者布置在經(jīng)受高溫、 極端壓力、爆炸性環(huán)境、腐蝕性藥劑和其他危險條件的處理環(huán)境中。
[0004] 在這些應(yīng)用中，功耗和通信要求會影響系統(tǒng)成本，并且可能對總體系統(tǒng)設(shè)計造成 限制。存在對遠(yuǎn)程感測系統(tǒng)的持續(xù)需求，該系統(tǒng)能夠以成本有效的方式解決功率和通信問 題，并且適用于多種遠(yuǎn)程的、限制進(jìn)入的且危險的操作環(huán)境。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明涉及一種用于測量過程流體參數(shù)的遠(yuǎn)程系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：空腔，被配置 為以中心諧振頻率產(chǎn)生諧振；調(diào)諧器，被配置為調(diào)諧該諧振頻率；以及信號耦合器?？涨话?括具有諧振頻率的波導(dǎo)或RF空腔諧振器，該諧振頻率響應(yīng)于與過程流體的熱力學(xué)（壓力或 熱）接觸而移動。調(diào)諧器耦合至空腔，并通過調(diào)整空腔的有效諧振長度來調(diào)諧該諧振頻率。 信號耦合器也耦合至空腔，并且被配置為當(dāng)輸入的查詢信號與調(diào)諧且移動后的諧振頻率匹 配時，發(fā)送回波（echo)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1是示出了在無線實施例中、用于過程流體測量的遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)的剖面示意 圖。
[0007] 圖2A是示出了在線纜實施例中、圖1的遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)的剖面示意圖。
[0008] 圖2B是示出了在使用線纜和無線傳感器傳感器兩者的實施例中、圖1的遠(yuǎn)程傳感 器系統(tǒng)的備選剖面圖。
[0009] 圖3A是示出了在具有圓柱狀空腔諧振器的無線實施例中、圖1的系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳感 器的透視圖。
[0010] 圖3B是示出了在具有不同的縱向縱橫比的實施例中、圖3A中的遠(yuǎn)程傳感器的備 選透視圖。
[0011] 圖4A是用于圖1的遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)的矩形諧振器的透視圖。
[0012] 圖4B是在具有任意的橫向縱橫比的實施例中、圖4A中的矩形諧振器的備選透視 圖。

【具體實施方式】
[0013] 圖1是示出了在無線實施例中、用于過程流體測量的遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)10的剖面示 意圖。系統(tǒng)10包括變送器11和基于空腔的過程流體傳感器12,過程流體傳感器12與過程 貯液器14中的過程流體13熱力學(xué)接觸。在這個無線實施例中，變送器11和傳感器12經(jīng) 由從變送器11傳播至傳感器12的RF (射頻）查詢信號15A以及從傳感器12傳播至變送 器11的RF響應(yīng)信號15B形成無線鏈接。
[0014] 變送器11包括變送器外殼16,該變送器外殼16具有微處理器/控制器17 (虛線 示出）、信號廣播元件18和信號接收元件19。外殼16由堅固耐用的可加工材料（例如鋁、 鋼、不銹鋼和其他金屬）、耐用的聚合材料（例如PVC塑料或ABS塑料）或者其組合形成。 將外殼16塑造為多個側(cè)壁、端壁、蓋板和其他結(jié)構(gòu)，其通過機(jī)械手段（例如焊接、螺釘或螺 栓）裝配到一起。外殼16形成變送器11的微處理器17和其他內(nèi)部組件的保護(hù)套，并且提 供對外部組件（包括廣播元件18和接收元件19)的支撐體。典型地，外殼16還形成流體 和壓力密封以保護(hù)內(nèi)部不受泄露和腐蝕性或爆炸性藥劑的影響。
[0015] 控制器17執(zhí)行變送器11的通信、控制和信號處理功能，包括廣播元件18和 接收元件19的操作。經(jīng)由多種硬件和無線連接（例如，環(huán)線或電源/數(shù)據(jù)總線、紅 外（IR)、光學(xué)或RF系統(tǒng)或其組合）來提供變送器11和過程監(jiān)控器/系統(tǒng)控制器20 之間的通信。過程通信還使用多種不同的命令和控制協(xié)議，包括但不限于：標(biāo)準(zhǔn)模擬 (4-20mA)協(xié)議、諸如H ART:r的混合模擬-數(shù)字協(xié)議、以及諸如Foundation? Fieldbus和 PROFf BUS/PROlf \I_:T協(xié)議的數(shù)字協(xié)議。使用這些代表性通信系統(tǒng)的多種變送器和 其他現(xiàn)場設(shè)備例如可以從位于明尼蘇達(dá)州Chanhassen市的Rosemount Inc.(-家愛默生 過程管理公司）獲得。
[0016] 在圖1的無線實施例中，信號廣播元件18包括用于向傳感器12發(fā)送無線RF查詢 信號15A的RF廣播天線，信號接收元件19包括用于從傳感器12獲取無線響應(yīng)信號15B的 RF接收天線。在一些實施例中，廣播元件18和接收元件19是不同的（如圖1所示），而在 其他實施例中，廣播元件18和接收元件19被組合到單個收發(fā)機(jī)器件中，該收發(fā)機(jī)器件既具 有廣播（broadcast)(信號發(fā)送）功能又具有接收（信號獲取或收集）功能。
[0017] RF信號15A和15B包含大范圍的頻段和波段，包括微波、短波無線電信號、高頻無 線電信號和超高頻無線電信號。在典型實施例中，RF信號15A和15B的頻率范圍是從大約 300MHz至大約30GHz，對應(yīng)于從大約1厘米（lcm)至大約1米（lm)的真空波長。在擴(kuò)展范 圍的實施例中，RF信號15A和15B的頻率范圍是從大約30MHz至大約300GHz，對應(yīng)于從大 約1毫米（1mm)至大約10米（10m)或更大的真空波長。
[0018] 傳感器12是用于過程流體測量的基于空腔的傳感器，每一個傳感器包括諧振器 空腔21、信號耦合器22和空腔調(diào)諧器23。對傳感器12進(jìn)行定位使得空腔諧振器21與過 程流體13熱力學(xué)接觸，例如通過使用傳感器座24,將傳感器12定位于貯液器14內(nèi)并使傳 感器12至少部分地處于流體13內(nèi)。
[0019] 過程流體13典型地是貯液器14內(nèi)存儲的大量流體，例如水、氨水、化學(xué)溶劑或其 他化學(xué)溶液、或流體碳?xì)浠衔锶剂?。在備選實施例中，貯液器14表示油罐或其他天然的 貯液器，其中在線纜實施例（參見圖2A)中典型地將傳感器12用于井下應(yīng)用。在其他實施 例中，貯液器14表示壓力容器、處理容器、流導(dǎo)管、流管道或另一流體提取、存儲、運(yùn)輸元件 或處理系統(tǒng)，而且流體13具有液態(tài)、氣態(tài)或多相態(tài)。
[0020] 在無線實施例中，貯液器14有時由RF信號相對可穿透的材料（例如塑料或其他 聚合材料）形成。在這些實施例中，信號15A和15B傳播通過貯液器14的壁，如圖1所示。 備選地，貯液器14具有一個或更多個RF可穿透窗25,對這些窗25進(jìn)行定位以允許變送器 11和一個或更多個傳感器12之間的無線RF通信。
[0021] 傳感器12與過程流體13之間的熱力學(xué)接觸包含熱接觸和壓力接觸，使得傳感器 12感受空腔諧振器21處的過程流體13的壓力條件和熱條件。在一些實施例中，傳感器12 與過程流體13之間的熱力學(xué)接觸還提供了差壓敏感性，使得傳感器12響應(yīng)于沿空腔諧振 器21的差壓效應(yīng)（包括由于流體流動造成的差壓效應(yīng)）。
[0022] 每一個基于空腔的遠(yuǎn)程傳感器12具有中心諧振頻率，該中心諧振頻率取決于空 腔諧振器21的幾何屬性。例如，有效諧振長度描述了這些幾何屬性。當(dāng)傳感器12與過程 流體13之間具有熱力學(xué)接觸時，有效諧振長度發(fā)生變化，使得中心諧振頻率響應(yīng)于流體13 的熱力學(xué)屬性而發(fā)生移動。具體地，有效諧振長度和中心諧振頻率響應(yīng)于沿空腔諧振器21 或空腔諧振器21附近的壓力、溫度和流速而移動或變化。
[0023] 例如，在一個實施例中，傳感器12包括液位傳感器，并且空腔21的有效諧振長度 響應(yīng)于流體13的局部絕對壓力或表壓而移動。該壓力是密度、相對于傳感器12的相對高 度的流體深度d以及外部過壓的函數(shù)。在其他實施例中，空腔21的幾何形狀響應(yīng)于差壓、 或響應(yīng)于過程流體13內(nèi)的溫度或流速而發(fā)生改變。
[0024] 為了測量有關(guān)的過程流體參數(shù)，變送器11在關(guān)于空腔21的中心諧振而定義的頻 率范圍上掃描查詢信號15A。信號耦合器22接收查詢信號15A，并將信號能量發(fā)送至空腔 21。當(dāng)查詢信號（或采樣信號）15A與移動后的諧振頻率匹配時，以該諧振驅(qū)動傳感器12， 并且空腔21內(nèi)的電磁能增大。空腔21被設(shè)計為高Q系統(tǒng)以減少吸收，從而進(jìn)入的能量中 的絕大部分經(jīng)由信號耦合器22被重新廣播（或重新發(fā)送）以創(chuàng)建回波（echo)信號（或響 應(yīng)信號）15B。即，信號耦合器22將空腔21耦合至查詢信號（采樣信號）15A的電磁場，并 通過以諧振進(jìn)行散射而產(chǎn)生響應(yīng)信號（回波信號）15B。
[0025] 如圖1所示，RF信號15A和15B是定向的，沿著變送器11和傳感器12之間的大 致方向傳播。在其他實施例中，變送器11和傳感器12產(chǎn)生偶極型電磁輻射場，其中RF信 號15A和15B關(guān)于天線19和23實質(zhì)上旋轉(zhuǎn)對稱。在另外的實施例中，信號15A和15B的 特征由實質(zhì)上各向同性的輻射場來描述。備選地，信號15A和15B沿著線纜或其他導(dǎo)體傳 遞，而不是通常地在環(huán)境中廣播，如下文結(jié)合附圖2A和2B所述。
[0026] 通過掃描查詢信號直到獲得響應(yīng)或散射回波信號，變送器11確定傳感器12的移 動后的諧振頻率。移動后的諧振頻率由諧振腔21的有效諧振長度來確定，后者又取決于與 過程流體13的熱力學(xué)接觸。因此，移動后的諧振頻率是描述了過程流體13的壓力、溫度、 流速和其他過程變量的函數(shù)。
[0027] 圖1示出了系統(tǒng)10的多個優(yōu)點。首先，由于空腔21對與過程流體13的熱力學(xué)接 觸的直接幾何響應(yīng)，傳感器12直接響應(yīng)于壓力、溫度、流速和其他過程變量或流體參數(shù)。這 與機(jī)電壓力換能器和基于電路的諧振器不同，這些換能器和諧振器依賴于壓電元件、L-C或 L-R-C組件以及依賴于間接的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)的其他器件，而不是依賴于頻率和空腔的 幾何形狀之間的直接關(guān)系。
[0028] 另外，傳感器12和諧振器空腔21根據(jù)電磁諧振原理而操作，而不是根據(jù)聲諧振或 機(jī)械諧振而操作。這與表面聲波（SAW)傳感器、聲應(yīng)變儀傳感器和邊界聲波技術(shù)有所區(qū)別。 另外，傳感器12不需要電源。取而代之，變送器11經(jīng)由查詢信號15A問詢傳感器12,并且 當(dāng)發(fā)生諧振時，傳感器12簡單地反射或散射該查詢信號以產(chǎn)生回波或響應(yīng)信號15B，無需 額外的功率輸入。然后，變送器11基于回波信號15B確定相關(guān)的過程參數(shù)，其中，諧振散射 頻率是過程流體13內(nèi)的壓力、溫度和流速的函數(shù)，并且基于空腔21的幾何響應(yīng)。
[0029] 圖2A是示出了在線纜實施例中的遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)10的剖面示意圖。在該實施例 中，變送器11和傳感器12經(jīng)由RF線纜25 (部分以虛線示出）發(fā)送查詢信號和響應(yīng)信號。 這與圖1中的無線實施例不同，在圖1中，查詢信號和響應(yīng)信號是經(jīng)過過程流體13和系統(tǒng) 10的外部環(huán)境而行進(jìn)于變送器11和傳感器12之間的自由傳播廣播場。
[0030] 變送器11的線纜實施例典型地包括線纜連接器/收發(fā)機(jī)26,其合并了上文圖1中 獨立的廣播元件18和接收元件19的功能，并且提供了與線纜25的電耦合和機(jī)械耦合。在 這些實施例中，傳感器12的信號耦合器22典型地包括線纜連接器。線纜連接器通過把空 腔21耦合至線纜25內(nèi)部的電磁場（與自由傳播的（無線）廣播場不同），與圖1中的天線 型耦合器類似地工作。
[0031] 線纜25包括同軸線纜、波導(dǎo)、高頻傳輸線或在變送器11和傳感器12之間的查詢 信號和響應(yīng)信號的頻率范圍內(nèi)具有低阻抗的類似結(jié)構(gòu)。在典型實施例中，將線纜25與外部 輻射絕緣并且屏蔽，以增大回波信號的信噪比。
[0032] 在圖2A的具體實施例中，線纜25在端口 27處進(jìn)入貯液器/過程結(jié)構(gòu)14,端口 27 提供了貯液器14的壓力密封或流體密封。備選地，端口 27是開放的，并且提供壓力孔或流 體孔。
[0033] 系統(tǒng)10的線纜實施例適用于屏蔽的傳感器位置（包括井下應(yīng)用），也適用于過程 流體13或貯液器14對自由傳播的查詢信號和響應(yīng)信號造成很大衰減的實施例。線纜實施 例還可應(yīng)用于RF噪聲和RF敏感的操作環(huán)境（開放傳播的RF查詢信號和響應(yīng)信號可能會 造成干擾或受到干擾，或者可能會產(chǎn)生安全問題）。
[0034] 圖2B是系統(tǒng)10的備選剖面圖，該實施例中既使用了線纜傳感器12又使用了無線 傳感器12。在該實施例中，變送器11使用信號線纜25與自由傳播的廣播信號和響應(yīng)信號 的組合來與傳感器12通信。經(jīng)由傳感器座24將傳感器12支撐在流體13內(nèi)，或者經(jīng)由信 號線纜25使傳感器12懸掛在流體13內(nèi)。
[0035] 在一些實施例中，變送器11經(jīng)由第二天線28發(fā)送查詢信號并接收響應(yīng)信號。第二 天線28是具有組合的發(fā)送和接收功能的發(fā)射機(jī)天線，位于貯液器/過程結(jié)構(gòu)14內(nèi)部。如 同圖1中的RF窗25,當(dāng)貯液器14由防RF的材料（例如金屬）形成時，第二天線28提供了 信號通信的備選方式。
[0036] 如圖2B所示，信號線纜25表現(xiàn)為串行（"串級鏈"）和并行配置，其中線纜25的 一些分段提供了面向多個不同的傳感器12的傳輸路徑，而線纜25的其他分段專用于單個 傳感器12。在另外的實施例中，系統(tǒng)10使用并行和串行傳感器配置的任意組合，以及基于 線纜的（傳輸線）和自由傳播（廣播）的查詢信號和響應(yīng)信號的任意組合。
[0037] 為了對多個不同的傳感器12進(jìn)行區(qū)別，變送器11有時使用時間移動或" ΛΤ"測 量，其取決于查詢信號和響應(yīng)信號之間的時間差或延遲。延遲取決于變送器11和傳感器12 之間的往返信號傳輸路徑長度（S)以及信號傳播速度（v):
[0038]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于過程流體的空腔傳感器，包括： 第一和第二相對反射器； 波導(dǎo)，設(shè)置在第一和第二反射器之間，從而在第一和第二反射器之間限定空腔長度，其 中，所述空腔長度基于與過程流體的熱力學(xué)接觸； 波長調(diào)整器，連接至所述波導(dǎo)，獨立于所述熱力學(xué)接觸而調(diào)整所述空腔長度；以及 信號耦合器，將所述波導(dǎo)耦合至具有波長的電磁場，使得當(dāng)所述波長對應(yīng)于所述空腔 長度時，所述空腔傳感器對所述電磁場進(jìn)行強(qiáng)散射。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔傳感器，其中，所述波導(dǎo)限定了在大約1毫米和大約1米 之間的空腔長度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔傳感器，其中，所述空腔長度是實質(zhì)上縱向的有效諧振 長度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔傳感器，其中，所述空腔長度是實質(zhì)上橫向的有效諧振 長度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔傳感器，其中，所述信號耦合器包括線纜連接器，所述線 纜連接器用于將所述波導(dǎo)耦合至信號線纜內(nèi)部的電磁場。
6. -種用于感測過程流體參數(shù)的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，包括： 空腔，被配置為以空腔頻率諧振，所述空腔頻率響應(yīng)于過程流體參數(shù)而移動； 調(diào)諧器，耦合至所述空腔以調(diào)諧所述空腔頻率； 信號耦合器，耦合至所述空腔以接收查詢信號，以及當(dāng)所述查詢信號與所述空腔頻率 匹配時發(fā)送回波信號，所述信號耦合器包括線纜連接器，所述線纜連接器被配置為將所述 查詢信號從線纜傳導(dǎo)至所述空腔、以及將所述回波信號從所述空腔傳導(dǎo)至所述線纜；以及 變送器，被配置為向所述信號耦合器發(fā)送所述查詢信號，從所述信號耦合器接收所述 回波信號，以及根據(jù)所述回波信號來測量所述過程流體參數(shù)。
7. -種用于感測過程流體參數(shù)的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，包括： 空腔，被配置為以空腔頻率諧振，所述空腔頻率響應(yīng)于過程流體參數(shù)而移動； 調(diào)諧器，耦合至所述空腔以調(diào)諧所述空腔頻率；以及 信號耦合器，耦合至所述空腔以接收查詢信號，以及當(dāng)所述查詢信號與所述空腔頻率 匹配時發(fā)送回波信號， 其中，所述空腔由導(dǎo)電材料形成，并且具有大約為1的內(nèi)部折射率。
【文檔編號】G01D21/02GK104280067SQ201410465052
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2010年4月6日 優(yōu)先權(quán)日:2009年4月8日
【發(fā)明者】馬克·S·舒梅切爾, 盧良駒 申請人:羅斯蒙特公司