具有集成光学传感的过程控制器的制造方法
【专利说明】具有集成光学传感的过程控制器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年4月16日申请的、申请号为61/812，625的临时专利申请的优先权。该申请的公开内容在此通过引用并入本申请。
技术领域
[0003]本
【发明内容】
大体上涉及过程控制器与光学传感。
【背景技术】
[0004]本节陈述仅仅提供关于本
【发明内容】
的背景信息，可能不构成现有技术。
[0005]许多工业过程需要能在超高压环境中提供精确并可复验的温度控制的过程控制系统。通常应用于测量过程变量的传统电子传感器由于受到高压的电磁干扰的不利影响，并不能充分适应高压环境。
【发明内容】
[0006]在一种形式中，用于过程控制的系统包括具有多个过程输入的过程控制器，多个通信端口，以及集成到该过程控制器中的至少一个光学传感器，其中该光学传感器的数据驻留于该过程控制器中。控制部件与上述多个通信端口以及上述至少一个光学传感器通
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[0007]在另一种形式中，集成的过程控制装置包括控制器，多个通信端口，以及多个光学传感器。上述多个通信端口和上述光学传感器与上述控制器通信，上述控制器被配置为从上述多个光学传感器接收第一光信号和第二光信号，并对应于该第一光信号或该第二光信号传送至少一个控制信号至受控装置。
[0008]从此处提供的说明中，更多领域的适用性显而易见。应理解，说明和具体示例只是为了解释，并不限制本发明的范围。
【附图说明】
[0009]为了使本
【发明内容】
能被更好地理解，在此描述其通过示例的方式参照附图给出的各种形式，在附图中:
[0010]图1为根据本
【发明内容】
介绍的具有用于光学温度传感器的集成控制的过程控制器的框图；
[0011]图2为根据本
【发明内容】
介绍的具有用于光学传感器的集成控制的过程控制器的框图；
[0012]图3为根据本
【发明内容】
介绍的通过具有用于光学传感器的集成控制的过程控制器来执行PID控制的方法的流程图；
[0013]图4为根据本
【发明内容】
介绍而构造的具有用于光学传感器的集成控制的封闭式过程控制器的立体图；
[0014]图5为根据本
【发明内容】
介绍而构造的具有开放板结构的、具有用于光学传感器的集成控制的过程控制器的主视图；
[0015]图6为根据本
【发明内容】
介绍而构造的具有集成光学传感的封闭式过程控制器的另一个实施方式的立体图；以及
[0016]图7为根据本
【发明内容】
介绍而构造的具有集成光学传感的封闭式过程控制器的再一个形式的立体图。
[0017]在此描述的附图仅出于解释的目的，并不以任何方式限制本发明的范围。
【具体实施方式】
[0018]以下说明本质上仅为示范性的，并不限制本
【发明内容】
、应用或使用的范围。应理解，遍及附图中的相应参考标号表明类似或相应部件与特征。
[0019]参见图1，显示了具有对于光学传感器、例如示例光学温度传感器的集成控制的用于过程控制的系统101的框图。系统101大体上包括控制器102，控制器102包括多个光学传感器104。每个光学传感器104包括光源106和光检测器108。在该示例中，每个光学传感器104通过光纤电缆110连接至光探头112，以便检测加热室118的第一区114和第二区116的温度。该实施可使集成系统101能从每个光探头112测量温度信号，并通过各种闭环过程控制方法，包括比例控制、积分控制以及微分(PID)控制，来控制加热室118的温度。
[0020]系统101特别是有助于在无线电频率(RF)活跃性升高的环境中测量温度。一些环境可包括需要超高电压的过程，例如举例来说，等离子体增强化学与物理反应、高压变压器、高场强医疗设备、工业加热器、电子业、发动机，以及其它产生增强RF水平的高压设备。由于附近的、高场强部件、电线以及传感器(电导)造成的电磁(EM)干扰，这些环境对传统电子测量装置的运转有不利的影响。传统控制器依赖电气连接，由于RF干扰，电气连接可能不能精确地测量温度。由于光学传感器的集成，公开的控制器102可提供需要在高场强环境中测量环境因素的不同过程的精确的、可复验的测量与控制。光学传感器104的集成可通过光学传感器进一步提供原本不可能的高级信息的整合。
[0021]与传统的电子温度测量装置不同，光学传感器104不受上文提出的电场或磁场的影响。该系统101可提供连续的温度测量，这是用其它系统不可能做到的。通过经由光纤电缆110按路线发送光，由于光纤电缆不导电，可在实际环境中建立温度信号。
[0022]为了测量每个探头112的温度，光学传感器可通过光纤电缆110从每个光源106 (例如抽运光或LED)应用光脉冲。接着，脉冲光沿着光纤电缆110来到温度探头112。温度探头112可包括温度敏感性材料，例如凝胶或晶体，其能基于其温度吸收并反射脉冲光。光接着被吸收并通过光纤电缆被再发射到光检测器108，返回光的情况在这里由控制器判断。判断通过算法完成，其取决于应用和控制器设计可有很大的区别。本领域技术人员很容易地领会并理解如此算法的应用详情，不在此详细说明。
[0023]根据检测器的具体运行，来自光检测器108的电信号可包括各种数字或模拟信号。接着，温度可被应用于确定在温度区114、116的每一个的温度，并被应用于控制加热器120或过程、装置或对象的温度。
[0024]参见图2，根据本
【发明内容】
显示了具有集成的光学传感的过程控制器202的框图。过程控制器202可被应用于在极大升高的无线电频率(RF)环境中集成光学传感作为用于温度控制的输入。过程控制器202大体上包括控制器204，多个光学传感器206，以及用于各种过程的控制的多个通信电路(1/0)208。如关于图1中描述的，每个光学传感器可包括光源210和光检测器212。每个光学传感器206可进一步包括被配置为连接至光纤电缆的电缆接口 214。控制器202可类似于专利号为7，636，615、名称为“电源控制系统”美国专利中公开的，其基本上包含于本申请，其内容在此通过弓I用全部并入本申请。
[0025]光学传感器206可被应用以提供并检测环境中的电子温度信号，从而避免与高强度电磁场有关的不利影响。光学传感器206可被应用以测量各种有关温度的过程，并且在一些实施方式中，可通过应用有关光学装置进一步在其它条件下，例如腐蚀条件下，被应用于测量压力和应力，或气体浓度。通过将光学传感器206结合到环境中，过程控制器202通过改进可由光学传感器206测量的各种光信号的监控提供改进的光学传感。例如，改进的传感可包括合理化的数据路径、采样率、改进的速度与精确度，以及管理可靠性。由于额外的过程信息可通过集成光学传感器206被记录，改进的监控从而导致改进的过程控制。
[0026]控制器204大体上可包括处理装置，并且在一些情况下可包括微控制器或通过各种电路进行集成的多个处理器。控制器204可被配置以控制并从光学传感器206取样温度信号。由于控制器204从光学传感器206取样测量值，这种情况下温度测量值，测量值可被存储在可并入控制器204中的存储器中。温度测量值接着可被应用于计算并调整通过I/O电路208的至少一个输出。至少一个输出接着可被发送至加热器或作为过程控制输入受控(受控系统)的任何其它系统。
[0027]在一个示范性实施方式中，温度测量值可由PID控制方法通过时间得到判断。PID控制方法可通过将温度测量值与受控系统中的目标温度相比来计算误差。误差可被按比例地基于当前误差、整体上地基于以往误差的积累监控，并衍生地预测将来的误差。在该实施方式中，过程可被配置以监控温度测量值，并为多个光学传感器206从目标温度计算误差。根据计算误差，控制器可输出一个或多个控制信号到受控系统，以便修正误差并继续监控温度测量值并计算将来的控制信号。
[0028]过程控制器202可被进一步配置为传达控制性能、测量数据以及统计信息至报表服务器。报告功能可提供应用过程控制器202的额外好处。通过报告关于一个或多个受控系统的信息，可监控控制器的性能。特定过程或操作中的故障可通过I/O电路208被提供给监察或安全系统。这样的安全系统可被应用以避免受控系统的不当操作。
[0029]在一些情况下，光学传感器和电气测量源的结合可作为输入被提供给控制器202。测量源的数量，电气和光学，可通过模块电路设计被调整。过程控制器可提供宽范围的控制应用，各应用需要不同的处理和通信需求。根据被监控和受控的过程，来自光学传感器206的数据的控制器的具体采样率也可有很大区别。在此讨论的存储器可包括随机存取存储器(RAM)、易失存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪速存储器和/或存储数字信息的任何装置。
[0030]在此讨论的I/O电路208可包括多种通信标准。控制器可通过多种方法监控、控制并报告过程操作，其中一些例子可包括:RS-232或RS-485收发器，串行通信(FPGA，ASIC)，控制器局域网总线，Modbus通信协议，CIP，