專利名稱：現(xiàn)場(chǎng)變送器的內(nèi)裝式檢測(cè)裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及運(yùn)行于過程控制工業(yè)中的過程控制變送器。特別是，變送器的內(nèi)裝式檢測(cè)裝置，它在解決帶有微處理器的變送器中所產(chǎn)生的失效或故障問題時(shí)是有用的。
有效的操縱被控過程中的一個(gè)過程變量要求很快地確認(rèn)出變送器或與它有關(guān)的傳感器或通訊電路中的故障，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的校正措施或相應(yīng)的警告。在中止過程并從一個(gè)過程環(huán)路中去除變送器之前，對(duì)故障或錯(cuò)誤的確認(rèn)提供了內(nèi)在的效率。當(dāng)今帶有微處理器的變送器包含有復(fù)雜的電路，這些電路有時(shí)看上去發(fā)生了故障，而實(shí)際上只是出現(xiàn)了泄漏或旁路電流。例如，影響環(huán)路電流的電路泄漏電流會(huì)被報(bào)告為一個(gè)變送器故障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括多種在排除安裝于過程控制環(huán)路中的變送器故障中有用的變送器診斷測(cè)量技術(shù)。本發(fā)明的技術(shù)周期性地計(jì)算過程環(huán)線電阻、變送器端電壓、過程環(huán)路電源電壓、變送器電子器件耗電以及過程環(huán)路電流。
本發(fā)明包括一個(gè)帶有模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的并與環(huán)路相耦合的微處理器。該模-數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量環(huán)路電流、泄漏電流和端電壓。微處理器通過一個(gè)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路電流，并且計(jì)算環(huán)路電阻和電源電勢(shì)。
附圖
概述唯一的附圖是一張本發(fā)明的電子器件與環(huán)路電流測(cè)量電路的簡(jiǎn)圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式本發(fā)明是一個(gè)在雙線過程控制環(huán)中的變送器，它包括對(duì)電流環(huán)路電阻和給環(huán)路供電的電源電壓進(jìn)行測(cè)量的電子器件。當(dāng)變送器電子器件電流產(chǎn)生大的泄漏電流或旁路電流時(shí)，比如當(dāng)潮氣或其它一些導(dǎo)電體接觸到用于變送器內(nèi)部電子器件電路的電源時(shí)，流入過程環(huán)路中的電流將超過所希望的過程環(huán)路電流值。
附圖中表示了變送器6，它通過雙線電流環(huán)路從傳感器8發(fā)送一個(gè)信號(hào)。唯一的附圖顯示了一個(gè)電路圖，它表示了測(cè)量變送器內(nèi)旁路電流的電路34，以及測(cè)量流入過程環(huán)路中的電流的電路10。變送器的電子器件耗電值可以用實(shí)際流入過程環(huán)路的電流減去旁路電流來求得。
用箭頭12表示的在過程環(huán)路中的電流在過程環(huán)線中流動(dòng)，該環(huán)線本身就具有隨電線長(zhǎng)度而線性變化的電阻。用R(loop)表示的電阻阻礙電流流過電線，因此，當(dāng)電流隨后流過環(huán)流控制傳感電阻R(S2)時(shí)，它便在變送器端子13上產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于參考電壓或地電勢(shì)15的負(fù)電勢(shì)。通過一個(gè)耦合于端子13和傳感電阻R(S2)第一端的運(yùn)算放大器14來放大并反相這個(gè)在端子13上的負(fù)電勢(shì)。運(yùn)算放大器14連著兩個(gè)高阻抗電阻R(f1)和R(i)的第一端，這兩個(gè)電阻耦合于放大器14的反相端16，用來在節(jié)點(diǎn)18處產(chǎn)生電勢(shì)V(s1)，該電勢(shì)表示在過程環(huán)路中的電流，在節(jié)點(diǎn)18處高阻抗反饋電阻R(f1)第二端電耦合到放大器14的輸出端20。在節(jié)點(diǎn)18處的電勢(shì)V(s1)與實(shí)際流過相關(guān)過程環(huán)路的電流有關(guān)，并且由下面的等式?jīng)Q定(1)V(s1)＝[(I(loop)*R(s2))*(-1*(R(f1)/R(i))]V(s1)由耦合于微處理器38和EEPROM 44的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測(cè)量，且該值與實(shí)際環(huán)路電流12成比例。這是因?yàn)殡娐?0具有跨越寬的溫度范圍的特征，所以必須采取適當(dāng)?shù)男Ｕ齺砘謴?fù)變送器輸出信號(hào)的線性度。在工廠的特征化過程中，所有環(huán)路電流控制電路運(yùn)行在溫度循環(huán)周期內(nèi)，覆蓋預(yù)期的變送器的完整工作范圍。產(chǎn)生于這些循環(huán)周期的校正系數(shù)貯存于輸出電子器件存儲(chǔ)器中，并用于工作過程中的信號(hào)校正。這個(gè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)貯存于非易失EEP-ROM存儲(chǔ)器44中。這個(gè)數(shù)據(jù)保存在變送器的EEPROM44，因此如果變送器的電源中斷，變送器在供電后仍是可運(yùn)行的。這個(gè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)用來校正并線性化4～20mA的輸出信號(hào)。
再參考附圖，在32處全面地表示了用于測(cè)量端電壓的電路簡(jiǎn)圖。只要端電壓和環(huán)路電流值決定了，用下文公開的一個(gè)算法便可求出實(shí)際的環(huán)路電阻和電源電壓。
模-數(shù)轉(zhuǎn)換器28把表示過程變量且在節(jié)點(diǎn)30處的模擬輸出信號(hào)V(t2)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。如下面的等式所示，節(jié)點(diǎn)30處的變送器模擬輸出信號(hào)是一個(gè)與端電壓V(t)成比例的電勢(shì)(2)V(t2)＝[V(t)－(I(loop)*R(s2)]*[R2/R1＋R2)]因?yàn)榄h(huán)路電流R(s2)、R1和R2都是已知值，所以只要V(t2)已知，關(guān)于V(t)的方程就有解。
為了求得環(huán)路電阻R(loop)，環(huán)路電流被微處理器38設(shè)置成第一已知毫安值i(ll)。輸出電勢(shì)信號(hào)V(t2)被模-數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC28轉(zhuǎn)換而端電壓V(t1)由微處理器38解出。隨后，環(huán)路電流被微處理器改變成大于第一值的第二已知值i(lh)，且V(t2)被模-數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換，以及當(dāng)端電壓V(th)低于一個(gè)預(yù)選值時(shí)，就被求解并顯示，在低于該預(yù)選值時(shí)，如果變送器試圖運(yùn)行從而需要更多的電能時(shí)，故障就會(huì)發(fā)生。這樣，用一個(gè)已知的固定電源信號(hào)V(ps)和跨電阻Rs2的電壓降V(Rs2)，就能用以下等式求出過程環(huán)線阻抗值R(loop)(3)R(loop)＝[(V(tl)－V(th)/(i(lh)－i(ll)]－V(Rs2)必須注意，當(dāng)變送器在最初就供給電能時(shí)，這一計(jì)算式才成立，這是因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)要求不同的測(cè)試電流通過過程環(huán)路。即使對(duì)于具有很短周期的過程環(huán)路來說，一個(gè)技術(shù)熟練的操縱人員也能夠?qū)嵤┻@個(gè)技術(shù)并得到相應(yīng)的結(jié)果。
現(xiàn)在電源電壓V(ps)就能根據(jù)被認(rèn)為是常數(shù)的過程環(huán)路電阻R(loop)的已知值和一種環(huán)路電流測(cè)試情況，例如i(lh)，而如下求解出來(4)V(ps)＝V(t)＋V(d1)＋V(d2)＋i(lh)(R(loop)＋V(Rs2))二極管的阻抗值V(d1)和V(d2)被認(rèn)為是常值或被完全忽略不計(jì)，這是因?yàn)樘峁┳銐蚰芰縼碛涗洈?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)電壓V(c)在沒有它們的情況下也能實(shí)現(xiàn)。如果我們假設(shè)在變送器所要求的工作耗電范圍內(nèi)二極管所引起的電壓降相差不是很大，它們就可以被忽略。
應(yīng)用如上所述的同樣電路，本發(fā)明可適用于指示過程控制變送器是否能安全地把過程數(shù)據(jù)存入電子數(shù)據(jù)記錄器。相應(yīng)地，必須能獲得足夠電源電壓來提供已知非易失可編程存儲(chǔ)器裝置所要求的電能。一些非易失可編程存儲(chǔ)器在將數(shù)據(jù)寫到記錄裝置時(shí)消耗附加量的電流。這種附加量的電流有可能會(huì)消耗相當(dāng)多的電流從而使電壓干線(rail)或電源(在本例中是3.5伏直流電)崩潰。如果干線崩潰，將要記錄的數(shù)據(jù)便丟失了。足夠的電源電壓可以防止3.5伏干線崩潰。為了防止這種情況發(fā)生，本發(fā)明提供了一種測(cè)量變送器端電壓的方法，它采用當(dāng)已知環(huán)路電流通過時(shí)，把一已知量值的電阻插入并串聯(lián)到環(huán)路電路中來實(shí)現(xiàn)。這樣，確定峰電流是否會(huì)留下足夠的端電壓來記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄是一個(gè)將信息寫到非易失存儲(chǔ)器的過程，并需要大量的能量。
各電壓的可能值可以歸類到下面三種形式(1)如果V(ps)在V(c)+0.5伏以內(nèi)，通過在HART協(xié)議中設(shè)置一個(gè)軟件標(biāo)識(shí)位來觸發(fā)一個(gè)低電源電壓的警告；(2)如果V(ps)＝V(c)，可能在記錄所要求的峰值電流下無法實(shí)現(xiàn)記錄，并設(shè)置相應(yīng)的警告標(biāo)識(shí)符；(3)在試圖記錄事件以前，對(duì)以上兩個(gè)等式的分析將提供與成功完成記錄的能力有關(guān)的信息。應(yīng)注意到，在峰值電流下進(jìn)行記錄時(shí)，只要V(c)＝V(ps)，必須首先把一個(gè)數(shù)據(jù)記錄到EEPROM或其它本地的存儲(chǔ)設(shè)備中，這樣一旦由于企圖記錄數(shù)據(jù)而導(dǎo)致干線電壓崩潰，仍可以保存住數(shù)據(jù)。
特別是對(duì)于電池供電的過程控制變送器來說，電源電壓的測(cè)量是一種非常有用的診斷方法。對(duì)低電源電壓的警告提供了有利于最終用戶的預(yù)防性維護(hù)診斷，它可以在本地顯示或通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HART協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。這樣，通過電路36調(diào)節(jié)流經(jīng)環(huán)路中的電流，計(jì)算出的環(huán)路電阻和電源電勢(shì)值就能從環(huán)線上輸送出去。
而且，環(huán)路電阻的測(cè)量給出了一種追蹤視在(apparent)環(huán)路電阻增長(zhǎng)的方法，因此，從雙絞線到地的泄漏路徑或旁路電流就可以被檢測(cè)出來，或者無需中止過程并檢測(cè)在環(huán)路中的變送器，便能確定現(xiàn)場(chǎng)電纜線的長(zhǎng)度，它可以在本地顯示或通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HART通訊協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。
在本發(fā)明中，環(huán)路電流的特征表現(xiàn)在跨一個(gè)寬的溫度范圍并帶有一個(gè)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)，該轉(zhuǎn)換器在正常的工作條件下可以對(duì)環(huán)路電流進(jìn)行精確的控制。該數(shù)-模轉(zhuǎn)換器DAC提供了一個(gè)預(yù)置電流而且環(huán)路電流等于電子器件電流與任一旁路電流之和。本發(fā)明的電路總是給出數(shù)-模轉(zhuǎn)換器所要求的預(yù)定電流，只要流入變送器電子器件的電子器件電流不超過所希望的環(huán)路電流，原因是旁路電流不可能為負(fù)。
對(duì)于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4～20mA的變送器，已標(biāo)定的變送器測(cè)量的滿量程要求滿16mA的范圍，以便在刻度的低端記錄并傳送測(cè)量值。如所知，如果在電子器件中發(fā)生一個(gè)故障從而導(dǎo)致電子器件消耗6mA，環(huán)路電流就只能低到6mA。因此，即使當(dāng)變送器在6～20mA范圍內(nèi)正常運(yùn)行，對(duì)于某些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議來說，變送器便無法與遠(yuǎn)程控制器或其它過程控制設(shè)備進(jìn)行通訊。例如，被稱為干線(highway)可尋址遠(yuǎn)程變換器協(xié)議或HART的開放性通訊協(xié)議，不能在6mA時(shí)運(yùn)行，這是因?yàn)镠ART協(xié)議要求+/-0.5mA的旁路電流調(diào)制，以便進(jìn)行通訊并工作。過程操作員也許不知道這個(gè)問題，當(dāng)變送器需要發(fā)送任何低于6mA的過程控制信號(hào)時(shí)，他就會(huì)收到不正確的數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明的電路在本地顯示一個(gè)信息，并當(dāng)電子電流超過預(yù)定值或變送器端電壓降到預(yù)定值以下時(shí)發(fā)出一個(gè)表示錯(cuò)誤情況的適當(dāng)信號(hào)。與這個(gè)電路相結(jié)合，本發(fā)明的第二部分教授了一個(gè)用于測(cè)量端電壓的電路。如果數(shù)據(jù)記錄或其它消耗電能的操作是可行的，則需要確定足夠的端電壓。已發(fā)現(xiàn)，只要端電壓和環(huán)路電流已知，就能求出實(shí)際的環(huán)路電阻和電源電壓。相應(yīng)的警告或狀態(tài)信號(hào)將被發(fā)送，以使過程控制變送器的操作員能采取必要的校正手段。
盡管根據(jù)最佳實(shí)施方式說明了本發(fā)明，本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員將認(rèn)識(shí)到，在沒有改變本發(fā)明精神和范圍的條件下，在一些形式和細(xì)節(jié)上可以作一些改進(jìn)。
盡管根據(jù)最佳實(shí)施方式說明了本發(fā)明，本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員將認(rèn)識(shí)到，在沒有改變本發(fā)明精神和范圍的條件下，在一些形式和細(xì)節(jié)上可以作一些改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量變送器，具有連接到一個(gè)雙線電路上的兩個(gè)端子，該電路有一個(gè)電源和一個(gè)環(huán)路電阻，環(huán)路電流通過變送器、電源和環(huán)路電阻流動(dòng)，該變送器包括用于將環(huán)路電流設(shè)置成第一和第二電流水平的裝置；用于在兩個(gè)電流水平上檢測(cè)端子之間電勢(shì)的裝置；以及用于把檢測(cè)到的電勢(shì)除以電流水平的變化以得到環(huán)路電阻值的微處理器裝置。
2.權(quán)利要求1的測(cè)量變送器，其中該微處理器包括根據(jù)環(huán)路電阻和一個(gè)電流水平來計(jì)算電源電勢(shì)的裝置。
3.一種具有連接到一個(gè)雙線過程控制環(huán)路上的兩個(gè)端子的變送器，包括用于測(cè)量流過該環(huán)路的電流并提供一個(gè)電流環(huán)路輸出的裝置；用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)端子之間的電勢(shì)并提供一個(gè)端電勢(shì)輸出的裝置；以及一個(gè)微處理器，包括一個(gè)耦合到環(huán)路電流輸出上的輸入、一個(gè)耦合到端電勢(shì)輸出上的輸入和一個(gè)與環(huán)路電阻相關(guān)的輸出。
4.采用一個(gè)具有連接到雙線電路上的兩個(gè)端子的變送器，來測(cè)量雙線電流的環(huán)路電阻和電源電勢(shì)的一種方法，包括將通過雙線電路的環(huán)路電流設(shè)置成第一電流水平；檢測(cè)兩個(gè)端子之間的第一電勢(shì)；將通過雙線電路的環(huán)路電流設(shè)置成第二電流水平；檢測(cè)兩個(gè)端子之間的第二電勢(shì)；以及將第一電勢(shì)和第二電勢(shì)之間的差值除以第一電流水平和第二電流水平之間的差值來計(jì)算環(huán)路電阻。
5.權(quán)利要求4的方法，包括作為環(huán)路電阻和一個(gè)電流水平的函數(shù)來計(jì)算電源電勢(shì)。
全文摘要
一種用于帶有微處理器的變送器且經(jīng)過改進(jìn)的錯(cuò)誤檢測(cè)，該變送器處在工作于過程控制工業(yè)中的雙線過程控制環(huán)路中。特別是，介紹了一些在處理帶微處理器的變送器產(chǎn)生的錯(cuò)誤與失效中有用的技術(shù)。當(dāng)變送器(6)被供電時(shí)，過程環(huán)線的阻抗被求出并存儲(chǔ)，并且如所需被顯示或傳送。環(huán)路阻抗用來計(jì)算給控制環(huán)路供電的電源電勢(shì)。以上這些信息用于檢測(cè)雙線環(huán)路。
文檔編號(hào)G01R27/14GK1130945SQ94193389
公開日1996年9月11日 申請(qǐng)日期1994年8月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月15日
發(fā)明者卡文·D·沃吉勒, 簡(jiǎn)·B·蘭科托特, 布賴恩·L·韋斯特菲爾德 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司