專利名稱：用于過程控制系統(tǒng)中的溫度變送器的傳感器開路診斷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用在過程控制系統(tǒng)中的變送器。尤其是本發(fā)明涉及到用于確定溫度變送器中的一個(gè)開路傳感器狀態(tài)診斷技術(shù)。
過程控制變送器是用以在過程控制系統(tǒng)中測(cè)量過程參數(shù)。以微處理器為基礎(chǔ)的變送器包括一個(gè)傳感器，一個(gè)用于變換從傳感器的輸出到數(shù)字形式的模/數(shù)變換器，一個(gè)用于補(bǔ)償校正數(shù)字輸出的微處理器和一個(gè)傳送補(bǔ)償校正輸出的輸出電路。尤其是，這個(gè)傳送是通過一個(gè)過程控制環(huán)路，如4-20毫安的電流環(huán)。一典型的溫度參數(shù)是傳感器通過測(cè)量RTD(電阻類溫度器件)的電阻，還有一種稱PRT(鉑電阻溫度計(jì))的電阻，或者熱電耦的輸出電壓而得到。
溫度測(cè)量是通過變換傳感器的輸出(電阻或電壓)到傳感器的溫度指示輸出。然而當(dāng)傳感器與變送器間的連接松動(dòng)時(shí)就會(huì)發(fā)生問題。模/數(shù)變換器的采樣周期數(shù)目是有限的，一個(gè)間斷的開路可能發(fā)生在任何一個(gè)采樣周期之間，而這些采樣周期與采樣周期的間歇是平均的。那么，這個(gè)間斷的連接可能隱藏在采樣周期之間。因此，系統(tǒng)軟件不能可靠地檢測(cè)出傳感器間斷連接的發(fā)生。任何一個(gè)持續(xù)時(shí)間比采樣周期少的開路連接，微處理器將檢測(cè)不到而產(chǎn)生不精確的溫度讀數(shù)。
發(fā)明的公開過程控制系統(tǒng)中的溫度變送器包括一個(gè)與測(cè)量溫度有關(guān)的能提供輸出的傳感器和一個(gè)連接到傳感器輸出的模/數(shù)變換器。模/數(shù)變換器提供一個(gè)與傳感器輸出有關(guān)的數(shù)字輸出。一個(gè)微處理器連接到數(shù)字輸出并補(bǔ)償校正該數(shù)字輸出及給出一個(gè)溫度輸出。比較電路比較傳感器的輸出和第一閥值電壓，并且如果該傳感器的輸出超出了第一閥值電壓，他將提供一禁止信號(hào)給微處理器。在一實(shí)施例中，微處理識(shí)別禁止信號(hào)為一錯(cuò)誤并提供一報(bào)警輸出?？梢允褂玫诙y值電壓而且比較電路確定傳感器輸出是否在第一和第二閥值電壓界限內(nèi)。比較電路響應(yīng)時(shí)間比模/數(shù)變換器的響應(yīng)時(shí)間要快。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1A是根據(jù)一實(shí)施例的一個(gè)連接到具有RTD測(cè)量溫度傳感器的溫度變送器方框圖。
圖1B如圖1A一樣，是一個(gè)連接到具有熱電耦測(cè)量溫度變送器方框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一個(gè)顯示微處理器執(zhí)行步驟的流程圖。
實(shí)施例的詳細(xì)說明圖1A是一個(gè)連接到具有RTD測(cè)量溫度傳感器的溫度變送器10的方框圖。根據(jù)本發(fā)明。溫度變送器10包括傳感器開路診斷電路12。如下所述，電路12監(jiān)視著變送器10的溫度傳感器同時(shí)提供一個(gè)傳感器開路狀態(tài)的輸出。電路12有能力檢測(cè)一個(gè)短暫開路狀態(tài)而該狀態(tài)期間變送器10是肯定檢測(cè)不到的。這條信息是變送器10用來診斷一個(gè)開路的狀態(tài)。例如，為了避免不精確的溫度測(cè)量參數(shù)，在變送器10有短暫開路時(shí)測(cè)量的溫度參數(shù)可能勿略掉。
變送器10連到過程控制環(huán)路11、該環(huán)路給變送器10提供電源及發(fā)送和接收信息的路徑。變送器10有一個(gè)從端子1到4的接線端盒14，該接線端是為了連接RTD溫度傳感器16或者溫度熱電耦傳感器18(如圖1 B所示)。圖1A畫出電連接RTP16的連接圖。傳感器16(和傳感器18)即可以是變送器10內(nèi)部的也可是外接的。變送器10包括一個(gè)由經(jīng)輸入/輸出電路24(I/O)連接到控制環(huán)11的微處理器22控制的多路轉(zhuǎn)換器20。多路轉(zhuǎn)換器20切換來自接線端子1到4的合適的信號(hào)組合到與高精度A/D變換器28相接的差分放大器26的正負(fù)輸入端。在一實(shí)施例中，變換器28有17位的精度及每秒14次采樣的變換率。存儲(chǔ)器30存儲(chǔ)微處理器的指令和信息，其工作速度由時(shí)鐘32來決定。多路變換器20有選擇地連接對(duì)信號(hào)到差分放大器的正負(fù)輸入端。連接到多路變換器20的參考電阻RREF38是與RTD16串聯(lián)的。
在工作時(shí)，變送器測(cè)量傳感器16的溫度并傳送該溫度參數(shù)到控制環(huán)11。變送器10用下面的方程式去計(jì)算RTD16的溫度主要值。
其中RREFNOM＝正常的參考電阻的電阻值歐姆，并且/或者存在存儲(chǔ)器30中；VRINPUT＝輸入端的電壓降；VRREF＝電阻RREF兩端的電壓降。
電流源50經(jīng)過傳感器16(通過接線端子1和4)和參考電阻38提供電流Is。微處理器22通過多路變換器20測(cè)量接線端子2和3之間跨過RTD16的電壓降(VRINPUT)，并且測(cè)量參考電阻38兩端的電壓降。RREFNOM是從存儲(chǔ)器30取出的計(jì)算常量。象這樣的四線電阻測(cè)量中，端子2到端子3連線上電降壓被大大忽略掉，因?yàn)閷?shí)際幾乎所有的電流都流過端子1和4，這在測(cè)量精度上有一點(diǎn)點(diǎn)誤差。RINPUT是通過一個(gè)可查的表或者存在存儲(chǔ)器30中的適當(dāng)公式轉(zhuǎn)換到溫度的單位。
圖1B描述用可以在接線端子1和2之間產(chǎn)生電壓VTCINPUT的熱電耦傳感器18連接的溫度測(cè)量變送器10。多路變換器20連接差分放大器26的輸入端到接線端2和1。圖1B顯示參考電壓(VTCREF)36連接到多路變換器20和電流源50。
變送器10測(cè)量熱電耦傳感器18的溫度是通過下面的方程式來確定熱電耦電壓VTC
其中VTCINPVT＝由放大器26讀出的接線盒14中端子1和2兩端的測(cè)量電壓。
VTCREF＝由放大器26讀出的參考電壓36產(chǎn)生的測(cè)量電壓。
VTCREFNOM＝存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器30中的電壓基準(zhǔn)的正常值。
然而，兩種不同金屬在接線端1上構(gòu)成的接點(diǎn)引入一個(gè)比例于接點(diǎn)溫度的冷接點(diǎn)誤差電壓。該誤差電壓是通過測(cè)量基于PRT(鉑電阻溫度計(jì))傳感器34接線端子1上的接點(diǎn)的溫度及隨后用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方程或查表確定冷接點(diǎn)誤差電壓而取得。傳感器34電阻RCJCPRJ是通過從電流源50加一個(gè)電流IS用方程式測(cè)量而得。微處理器20按照方程式2計(jì)算VTC，然后用查表或方程式有效地從VCT中減掉RCJCPRJ。接下來傳感傳器18的結(jié)果補(bǔ)償溫度通過輸出電路24的耦合到環(huán)路11。
在圖1A和圖1B的實(shí)施例中，按照本發(fā)明的傳感器開路診斷電路12和電流源IS，I2和I3的都被顯示出來。傳感器開路診斷電路12包括比較器60，它有一反相輸入端連到差分放大器26的輸出端或者連到多路變換器20的輸出端，而其同相輸入端接到開關(guān)62。開關(guān)62在微處理器22的控制下選擇連接比較器60的非反相輸入端到電壓參考端VREF1或VREF2。比較器60的輸出提供給異或門(XOR)64。異或門(XOR)64的第二輸入是由微處理器22提供的。異或門64的輸出為鎖定電路66提供輸入。鎖定電路66還包括一個(gè)接到微處理器22的復(fù)位輸入端和一個(gè)輸出端。
在工作時(shí)，由于電流是由恒流源I2或I3提供，傳感器的開路狀態(tài)將使放大器26或多路變換器20的輸出超出其正常的工作范圍不是太高就是太低。輸出變化的方向取決于連接到多路交換器20的輸入電路的結(jié)構(gòu)。例如，電流源I2和I3可以是上拉或下拉電阻式。微處理器22控制比較器60與VREF1和VRFF2的連接。再有，微處理器22能夠通過異或門64反相比較器60的輸出。
根據(jù)取自多路變換20的讀數(shù)類型和電流源IS、I2和I3的方向，微處理器可以被編程識(shí)別超出正常工作范圍的讀數(shù)。例如，在方程式1中，微處理器22能夠監(jiān)測(cè)VRINPUT或VRREF。與此類似，微處理器22可以監(jiān)測(cè)跨接傳感器端子1和端子2的電壓以測(cè)試傳感器引線2是否開路，或者監(jiān)測(cè)跨接傳感器端子1和3的電壓以判斷傳感器引線3是否開路。同樣微處理器也可監(jiān)測(cè)VTCINPUT或VTCREF。例如，對(duì)任何一個(gè)開路的傳感器引線，一個(gè)斷開的連接都將使放大器26的輸出超出正常的工作范圍值，微處理器22控制開關(guān)62連接合適的參考電平到比較器60。這種情況將導(dǎo)致開路傳感器狀態(tài)使得比較器60的輸出變到邏輯低電平。在一實(shí)施例中，異或門64的輸入端可以置位以致異或門反相該信號(hào)到高電平以告之微處理器22傳感器失效。在一實(shí)施例中，微處理器22還可以在一個(gè)診斷周期分別控制電流源I2和I3，并且有選擇地連接他們到相應(yīng)的接線端2和3。
鎖定電路66連接到異或門64的輸出端是用來鎖定異或門64的輸出。例如，如果傳感器開路或傳感器引線開路是發(fā)生在比模/數(shù)變換器28的采樣周期小的周期內(nèi)的一個(gè)短暫的“假信號(hào)脈中”，門64提供的傳感器失效的信號(hào)將由鎖定電路66鎖定并提供給微處理器22。這告之微處理器22在采樣周期內(nèi)有一個(gè)傳感器為開路狀態(tài)。微處理器22提供一復(fù)位信號(hào)給鎖定電路66復(fù)位其輸出。
圖2是流程圖100，它顯示了圖1A實(shí)施例中微處理器22的工作過程。微處理器22的工作是按照存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器30的指令去工作的。微處理器22在流程框102時(shí)從存儲(chǔ)器30調(diào)出RREFNOM。在方框104，微處理器22控制開關(guān)62連接比較器60的非反相輸入端到電壓基準(zhǔn)VREF1。接下來，微處理器22提供一高電平輸入到異或門64。微處理器22在流程框108時(shí)控制多路變換器20連接接線盒14的接線端2和3到差分放大器26的輸入端。此時(shí)允許VRIINPUT的測(cè)量。在控制方框110，微處理器22復(fù)位鎖定電路66。微處理器22通過模/數(shù)變換器28在方框112時(shí)測(cè)得VRINPUT。在獲得VRINPUT后，微處理器22在方框114觀察鎖定電路66的輸出。鎖定電路66的高電平輸出表示接線盒14的接線端子2和3間的電壓超過預(yù)定的最大值，該最大值是由變換器28在模/數(shù)變化之間由VREF1確定的。如果鎖定電路66提供一高電平輸出，控制被通過到下一方框116，否則就到方框118VRREF的測(cè)量開始。VREF2是由微處理器22通過開關(guān)62連接到比較器60。在方框120，邏輯低電平被提供到異或門64的輸入端。
下一步在方框122，微處理器22控制多路變換器20去測(cè)量電阻38兩端的電壓VREF。在方框124，鎖定電路66被微處理器22復(fù)位，并且微處理器在方框126讀取來自模/數(shù)變換器28的VREF。讀出VREF后，微處理器22在方框128監(jiān)視鎖定電路66的輸出。如果鎖定電路輸出是高電平，微處理器確定一個(gè)錯(cuò)誤已發(fā)生，控制通過到萬框116。如果沒有錯(cuò)誤發(fā)生，則控制轉(zhuǎn)移到方框130，在那兒遵照方程式1計(jì)算RINPUT。在方框132，RINPUT利用一個(gè)算法或查詢存在存儲(chǔ)器30中的表轉(zhuǎn)換成溫度并且在方框134將其值傳送。緊隨著傳送，過程被重復(fù)且控制返回到方框102。還有一類似方式，這些診斷還是用電流源I2和I3在引線端2和3上周期地執(zhí)行。典型地，所有的引線端在每一次傳感器更新數(shù)據(jù)時(shí)掃描檢測(cè)一遍。
如果鎖定電路66的輸出表示一個(gè)錯(cuò)誤發(fā)生了，控制過程通過到方框116。在方框116，從模/數(shù)變換器28獲得的數(shù)值被放棄。在方框136，微處理器22利用輸入/輸出電路24傳送一信號(hào)經(jīng)過環(huán)路11，表示有一錯(cuò)誤發(fā)生?？刂七^程然后返回到方框102并且重復(fù)上述過程。
在控制室中的監(jiān)視器能夠監(jiān)視變送器10的工作和檢測(cè)來自變送器10的錯(cuò)誤信號(hào)。如果變送器10重復(fù)地傳送錯(cuò)誤信號(hào)，控制室的監(jiān)視器可以用這信息向操作員警示在變送器中有一傳感器處于開路狀態(tài)。另外，如果錯(cuò)誤發(fā)生僅僅是周期出現(xiàn)，操作員被告之將有問題發(fā)生在變送器10的傳感器上。間斷的錯(cuò)誤還能鎖存在微處器軟件中以提供連續(xù)報(bào)警。
對(duì)于圖1B中的實(shí)施例的傳感器松動(dòng)連接診斷工作類似上面對(duì)圖1A的描述，方程式2和3用于確定溫度參數(shù)。
在本發(fā)明中所闡述的電路可做相應(yīng)的修改將會(huì)被那些技術(shù)上成熟的人們認(rèn)可。例如如果輸出電壓是高于或低于一定的閥值，多個(gè)電路可以同時(shí)檢測(cè)。更進(jìn)一步，也可采用多于兩個(gè)的參考電壓。另一個(gè)例子，參考電壓值可以由微處理器用模/數(shù)變換器去控制致使微處理器可以獨(dú)立選擇電壓閥值。
雖然本發(fā)明已經(jīng)依據(jù)是提出的實(shí)施例進(jìn)行了陳述，但是技術(shù)熟練的人將認(rèn)識(shí)到在形式上和細(xì)節(jié)上可作出的改變并沒有離開本發(fā)明的精神和范圍。例如，比較器電路可以連接到任意合適的位置，例如，可以置于多路變換器和差分放大器之間。
權(quán)利要求
1.過程控制系統(tǒng)中的一種溫度變送器，其特征在于包括一個(gè)采集溫度和提供與采集溫度有關(guān)的溫度輸出的溫度傳感器；一個(gè)連到傳感器輸出端提供與傳感器輸出有關(guān)的數(shù)字化輸出的模/數(shù)變換器；一個(gè)連接到數(shù)字輸出的微處理器，它補(bǔ)償和處理該數(shù)字輸出并提供一溫度輸出；和一個(gè)比較傳感器輸出和第一閥值電壓及如果傳感器輸出超出第一閥值提供一禁止信號(hào)給微處理器的比較電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其特征在于該傳感器的輸出包括經(jīng)過一個(gè)多路變換器分別連接到比較電路的多個(gè)傳感器引線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其特征在于比較器電路比較傳感器輸出和第二閥值電壓，同時(shí)如果傳感器輸出超出第一和第二閥值電壓時(shí)比較電路提供一個(gè)禁止信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度變送器，其特征在于包括一個(gè)連接到第一和第二閥值電壓的開關(guān)，該開關(guān)還連接到比較器電路輸入端，根據(jù)來自微處理器的控制信號(hào)該開關(guān)將比較器電路輸入端連接到第一閥值電壓或是第二閥值電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其特征在于微處理器連接到禁止信號(hào)并且該禁止信號(hào)禁止溫度輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其特征在于比較器電路有一個(gè)比A/D變換器快的響應(yīng)時(shí)間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其特征在于比較器電路包括一個(gè)用于選擇反相禁止輸出的極性控制輸入。
8.據(jù)根據(jù)權(quán)利要求7所述的溫度變送器，其特征在于該報(bào)極性控制的輸入是連接到微處理器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其特征在于包括連接到一個(gè)雙線過程控制環(huán)路的輸出電路，控制環(huán)路是用以在過程控制環(huán)上傳送溫度輸出信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其特征在于傳感器是一個(gè)RTD。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其持征在于傳感器是熱電耦。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度變送器，其特征在于微處理器是連接到禁止信號(hào)并且提供一個(gè)響應(yīng)診斷輸出。
13.在一過程控制系統(tǒng)中一個(gè)過程測(cè)量溫度的方法，其在特征于由下列步驟組成獲得與過程溫度有關(guān)的傳感器輸入信號(hào)；提供與該傳感器輸出有關(guān)的數(shù)字輸出信號(hào)；補(bǔ)償校正數(shù)字輸出并且提供一個(gè)表示過程溫度的補(bǔ)償輸出；比較第一傳感器的輸入與一個(gè)閥值電壓；提供一個(gè)基于比較后的錯(cuò)誤信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于包括響應(yīng)于錯(cuò)誤信號(hào)禁止補(bǔ)償輸出的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于包括比較該傳感器的輸入與第二閥值電壓；和根據(jù)與第二閥值電壓有關(guān)的比較提供錯(cuò)誤信號(hào)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于包括根據(jù)提供傳感器輸入的一類傳感器調(diào)整第一閥值電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于比較的步驟比提供數(shù)字輸出的步驟快。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于包括通過雙線的過程控制環(huán)傳送該補(bǔ)償輸出。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于包括有選擇地變換錯(cuò)誤信號(hào)的極性。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于該傳感器輸入包括多個(gè)傳感器引線，該方法包括分別將來自每個(gè)傳感器引線端的傳感器輸入與一閥值電壓比較。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于包括提供一個(gè)與錯(cuò)誤信號(hào)相應(yīng)的診斷輸出。
全文摘要
一種在過程控制系統(tǒng)中的溫度變送器,它包括測(cè)量溫度并提供與該測(cè)量的溫度相關(guān)的傳感輸出的溫度傳感器(16、18)。一個(gè)與傳感器輸出端連接提供與傳感器輸出相關(guān)的數(shù)字化輸出的模/數(shù)變換器(28)。微處理器(22)接收數(shù)字輸出,補(bǔ)償數(shù)字輸出并提供溫度輸出。比較電路(12)比較傳感輸出與第一閥值V
文檔編號(hào)G01K7/02GK1187243SQ96194476
公開日1998年7月8日 申請(qǐng)日期1996年6月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月6日
發(fā)明者威廉·R·柯克帕特里克 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司