CN101600945A - 用于现场设备的接线端泄露监测 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现场设备，该现场设备采用电压变化比值来检测现场设备的接线板区域中的第一接线端和第二接线端之间的接线端泄露的存在，其中所述电压变化比值基于位于现场设备的输出端之间的接线端电压的变化和位于电流调节电路的电流调节电压的变化。较佳地，该现场设备测量初始电压变化比值κ₀和后续电压变化比值κ_i。基于初始电压变化比值κ₀和后续电压变化比值κ_i，能够计算存在于第一接线端和第二接线端之间的接线端泄露。

Description

用于现场设备的接线端泄露监测

技术领域

本发明涉及对现场设备的状况的监测。具体地，本发明涉及用于检测现场设备中流体的存在的系统。

背景技术

在许多工业设置中，控制系统用来监测和控制库存、工艺等。典型的控制系统包括中央控制室和在地理位置上远离该控制室的多个现场设备。现场设备采用模拟或数字通信手段将工艺数据传输至控制室。

传统上，已经采用二线式双绞线电流回路将模拟现场设备连接至控制室，每个现场设备采用单个二线式双绞线回路连接至控制室。位于现场设备壳体内的是用于将双绞线电流回路连接至现场设备内的电路的接线端。该区域称为现场设备的接线板区。通常，接近20至25伏的电压差保持在两条线之间，并且4和20毫安(mA)的电流流过回路。模拟现场设备通过将流过电流回路的电流调制为与所感应的过程变量成比例的电流而将信号传递至控制室。接收装置测量通过通常位于控制室中的负荷电阻器两端的电压，以确定所调制的电流的大小。

而传统的现场设备仅能够完成一种功能，近来，将数字数据叠加在电流回路上的混合系统已经用在分布式控制系统中了。高速寻址远程变换器(Highway Addressable Remote Transducer)(HART)和美国仪表协会(ISA)Fieldbus SP 50标准将数字载波信号叠加在电流回路信号上。HART标准采用频移键控(FSK)技术在电流回路上传输数字数据，并以1200波特和2400波特(baud)的频率进行工作。其它在电流回路上通信数字信息的公共协议为Foundation FieldbU、Profibus和DeviceNet。通常，这些系统以比HART协议高的频率进行工作。数字载波信号能够用来发送二次信号和诊断信息。在载波信号上提供的信息的例子包括二次过程变量(secondary processvariables)、诊断信息(诸如传感器诊断、设备诊断、线诊断、过程诊断等)、工作温度、传感器温度、校正数据、设备ID号码、结构信息等。因此，单个现场设备可以具有多种输入和输出变量，并可以实现多种功能。

现场设备通常位于物理上具有挑战性的环境中，一个潜在的问题是流体在现场设备的接线板区中的积聚。存在于接线板区中的流体会在现场设备的接线端之间产生导电路径，通常称为接线端泄露(terminal leakage)。在现场设备中存在接线端泄露影响了现场设备将所测量的过程变量精确地传输至控制室的能力。将与所测量的过程变量相关的值精确地传输至控制室的能力对确保恰当的控制过程操作是非常重要的。然而，对于在接线板中存在流体，周期性地检查每个现场设备是困难的、且耗费时间的。因此，有利的是设计一种用于自动检查现场设备的接线板区中存在流体的系统。

发明内容

在本发明的一个方面中，通过基于接线端电压变化值和电流调节器变化值的比较来测量电压比值而检测接线端泄露。通过将电压比值与先前测量的电压比值进行比较，来确定接线端泄露。

附图说明

图1为现场设备的透视图。

图2为位于现场设备中的部件的功能块图。

图3为由现场设备采用的电流调节器电路的电路图。

图4A和4B为说明接线端泄露存在和不存在的情况下的通过电流回路连接至控制室的现场设备的电路图。

图5为位于现场设备的通信芯片组内的用来检查现场设备的接线板中流体的部件的功能块图。

图6为用来计算接线端电压和电流调节器电压之间的电压比值的电压比值转换器的功能块图。

图7为说明监测和检查接线板区的接线端泄露的方法的流程图。

图8A和8B为用来测试本发明的实用性和精确性的硬件的电路图。

虽然上述附图阐明了本发明的一个实施例，如在讨论中所提及的那样，其它实施例也是所希望的。在所有的情况中，本公开以代表性的而非限制的方式呈现本发明。应当理解，本领域技术人员可以想出落入本发明的原理性的范围和精神之内的各种其它变形和实施例。附图没有按比例画出。在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的部件。

具体实施方式

图1展示出现场设备10，其包括壳体12、传感器板14、电路板16和接线板17(其包括至少两个标示18a和18b的接线端)。传感器板14测量过程变量(如，压力、温度、流量等等)，并将所测量的过程变量转化为电信号。采用传统的4-20mA模拟通信技术、或数字通信协议(如，HART)的某些形式，电路板16将由传感器板14提供的信号转化成能传输至控制室的信号。来自控制室的配线通过现场导管端口20进入现场设备10，并连接至接线板(terminal block)17内的接线端18a和18b。

接线板17包括允许盖子21放在接线板17上的螺纹。理想的是，壳体12和盖子21用来保护接线端18a和18b远离外界因数(如积聚在接线板17中的流体)的影响。尽管进行了这些努力，流体有时还是会在接线板17内积聚。由于在接线端18a和18b之间存在流体会不利地影响现场设备10和控制室之间的通信(如图4A和4B所示)，则检查接线板17内的接线端泄露的能力将会非常有用。

图2为功能块图，说明所监测的过程变量在被传输至控制室之前如何在现场设备10中被处理。如图2所示，传感器板14包括传感器件22和模拟到数字(analog-to-digital)转换器24，且电路板16包括微处理器26和通信芯片组28。传感器件22测量诸如压力或温度的过程变量，并将所测量的过程变量转换成模拟信号。传感器件22将表示所感应的过程变量的模拟信号提供至A/D转换器24，A/D转换器24将模拟信号转换成被提供至微处理器26的数字信号。微处理器26(也称为微控制器)广义上涉及能够进行计算并与其它部件进行通信的装置。微处理器26可包括用于存储由所连接的装置提供的输入的存储器件。在微处理器26的要求下，通信芯片组28将从微处理器26接收的信号转换成能够传输至控制室的信号。

通信芯片组28与控制室进行通信，在一个实施例中，通过调节被提供至接线端18a和18b的4-20mA之间的电流来进行，其中由通信芯片组28提供的电流的大小表示所感应的过程变量的大小。此外，通信芯片组28可以通过将数字信号叠加在标准的4-20mA信号上(即，采用熟知为HART协议的协议)而与控制室进行通信。通过以±0.5mA的幅度调制4-20mA信号而传输。在另一个实施例中，代替采用4-20mA电流调节的模拟通信，现场设备10采用熟知为Foundation Fieldbus的协议与控制室进行数字通信。虽然本发明也适用于采用数字通信的实施例，本公开的大部分描述其中现场设备10通过标准4-20mA模拟信号与控制室进行通信的实施例。

图3为说明电流调节器电路30的实施例的电路图，该电流调节器电路30位于通信芯片组28(如图2中所示)中，该通信芯片组28将由微处理器26(仍然如图2中所示)提供的数字信号转换成被提供至控制室的模拟4-20mA信号。电流调节器电路30包括输入端V_TXA和输入端V_MSB、电容器C1、C2、C3、C4和C5、电阻器R0(也称为电流调节器电阻R0)、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8和R9，运算放大器OpAmp1，晶体管Q1和Q2，以及连接至接线端18a和18b的输出端+PWR和-PWR。输入由微处理器26在输入端V_TXA和V_MSB提供，且输出通过输出端+PWR和-PWR提供至控制室。

电流调节器电路30基于在输入端V_TXA和V_MSB接收的输入而调节通过电阻R0产生的电流。由微处理器26提供至输入端V_MSB的信号表示所感应的过程变量，并且提供至输入端V_MSB的信号的大小表示通过电阻R0提供的4-20mA电流的大小。即，电流调节器电路30基于在输入端V_MSB提供的信号在4mA和20mA之间改变通过电阻R0提供的电流。

除了由电流调节器电路30基于表示所感应的过程变量的输入而提供的4-20mA模拟电流调节，电流调节器电路30还可以调节通过电阻R0的电流，以将数字信号传输至控制室。通过以±0.5mA的幅度调制4-20mA信号而传输数字信号(即，执行HART数字通信协议)。在该实施例中，数字信号由微处理器26在输入端V_TXA处提供至电流调节电路。

对于模拟的4-20mA信号和数字的±0.5mA信号两者，知道输出端+PWR和-PWR之间的总电阻允许电流调节器电路30通过电阻R0产生正确的电流大小。特别地，电流调节器电路30确定设置在电阻R0两端的合适的电压，使得在输出端+PWR和-PWR之间产生合适的4-20mA电流。如下面的图4A和4B所示，接线端泄露的存在改变了系统的整体电阻，且因此扭曲了由电流调节电路30产生的电流的大小。如果由接线端泄露产生的增加电阻非常大，则提供至控制室的电流的大小不能精确地反映所感应的过程变量的大小。

图4A和4B说明现场设备10至控制室32的连接。现场设备10通过绞合线对34(由电阻器R_loop1和R_loop2所示)连接至控制室32，控制室32包括电源Vc和内部电阻Rc。控制室32还可能包括允许控制室32翻译由所连接的现场设备提供的数据的多个硬件部件。例如，位于控制室32中的部件包括计算系统、通信卡和存储装置。

在现场设备10和控制室32之间产生的电流路径称为电流回路I_loop。现场设备10由现场接线端18a和18b表示，且电流调节电路30负责将回路电流I_loop调节至与所测量的过程变量成比例的大小。电流调节电路30(在图3中更详细地显示)在此模块为理想电流源I_loop和电流调节电阻Ro(与图3所示的电阻相同)。

接线端装置10接收来自电源Vc的电源，该电源Vc将约20-25伏的电压提供至绞合线对和终端装置。电流调节电路30调节通过电阻R₀的电流(如关于图3所描述的)，以将所感应的过程变量传输至控制室32。此外，电流调节电路30以±0.5mA的幅度调制通过电阻R₀的电流，以与控制室32进行数字通信。

如图4A所示，由于在现场设备10和控制室32之间仅存在单一电流路径，由电流调节电路30设置的通过电阻R₀的电流的大小等于由控制室32测量的通过电阻Rc的电流的大小。以这种方式，过程变量的大小被精确地从终端装置10传输至控制室32。

采用Kirchoff电压定律，接线端电压V_X(即，接线端18a和18b之间的电压)和电流调节电压V₀(即，由电流调节器电路30在电阻R₀两端产生的电压)之间的关系可以由下述等式表示。

$\frac{\mathrm{\δ}{V}_X}{\mathrm{\δ}{V}_0}=-\frac{R_A}{R_0}$ 等式1

接线端电压Vx和电流调节电压V₀分别表示为电压变化δV_X和δV₀。电压变化值表示最大值的电压和最小值的电压之间的差分(如，δV_X＝V_{X_max}-V_{X_min})。通过调制回路电流，产生了接线端电压V_X和电流调节电压V₀之间的电压变化。在一个实施例中，现场设备的数字通信能力用来产生所希望的电流调制(如，现场设备的HART通信装置可以用来调制回路电流±0.5mA)。测量接线端电压变化δV_X和电流调节电压变化δV₀具有使接线端泄露的计算独立于供给电压(其随时间变化)和回路电流(其基于所测量的过程变量而变化)的变化的好处。值R_A被定义为等于现场设备10外部的回路电阻(即，R_A＝R_loop1+R_loop2+R_C)。该等式限定了接线端V_X两端的电压和由电流调节电路28产生的电阻R₀两端的电压之间的关系。

图4B说明存在于现场设备10的接线端18a和18b之间的接线端泄露如何影响回路电流，其中接线端泄露由电阻Rx模拟。接线端泄露的存在导致控制室32和现场设备10之间的电流回路分成三部分：电流调节部分I₁、接线端泄露部分I₂和控制室/回路部分I₃。这三个电流部分之间的关系由下述等式定义：

I₃＝I₁+I₂  等式2

电流调节电路28调节通过电阻R₀的电流，使得该电流与由现场设备10测量的过程变量成比例。因此，电流调节部分I₁表示由现场设备10测量的过程变量。然而，接线端泄露电流部分I₂的存在导致控制室/回路电流部分I₃的大小大于电流调节部分I₁。电流调节部分I₁和控制室/回路电流I₃之间的大小的差别导致控制室32曲解了所测量的过程变量的值。

再次采用Kirchoff电压定律，接线端电压V_X和电流调节电压V₀之间的关系由下述等式定义：

$\frac{\mathrm{\δ}{V}_X}{\mathrm{\δ}{V}_0}=-\frac{R_A//R_X}{R_0}$ 等式3

接线端电压V_X和电流调节电压V₀表示为电压变化δV_X和δV₀。等式1和3之间的比较显示出，如果能够测量接线端电压变化δV_X和电流调节电压变化δV₀之间的比值，则能够确定接线端泄露电阻R_X。在一个实施例中，下述方法用来确定接线端泄露值R_X。为了对此进行解释，δV_X和δV₀之间的电压变化之间的比值表示为无量纲参数κ。对于不存在接线端泄露的情况，该参数由下述等式表示：

${\mathrm{\κ}}_0=\frac{\mathrm{\δ}{V}_0}{\mathrm{\δ}{V}_X}=\frac{R_0}{R_A}=\frac{g_A}{g_0}$ 等式4

在该等式中，术语‘g_A’涉及与现场设备10外部的电流回路相关的电导值，且术语‘g₀’涉及图4A和4B所示的电阻R₀的电导。

对于存在接线端泄露的情况，无量纲参数κ₁由下述等式表示为电导：

${\mathrm{\κ}}_t=\frac{\mathrm{\δ}{V}_0}{\mathrm{\δ}{V}_X}=\frac{R_0}{R_A//R_X}=\frac{g_A+g_X}{g_0}$ 等式5

在该等式中，术语‘g_X’将图3B所示的作为电阻Rx的接线端泄露电阻的电导。

基于等式4和5，泄露电导可以由下述等式表示：

g_X＝(κ_t-κ₀)×g₀    等式6

因此，等式6表明，如果能够在初始状态测量接线端电压变化δV_X与电流调节电压变化δV₀的比值，当没有泄露电阻存在时，该比值的后续测量值(与已知的电阻R₀的电导一起)可以用来计算现场设备接线端18a和18b之间的泄露电阻(或电阻)。

图5为功能块图，说明位于通信芯片组28内(如图2所示)的、允许检查接线板17中的接线端18a和18b之间的接线端泄露的部件之间的连接。所述部件包括电源36、电流调节器电路30(在图3中更详细地显示)和电压比值计算装置38(在图6中更详细地显示)。在一个实施例中，这些部件中的每一个都位于图2所示的通信芯片组28内。

如关于图4A和4B所讨论的，控制室32在接线端18a和18b之间提供约20-25伏的电压，在图4A和4B中标示为接线端电压V_X。电源36连接在接线端18a和18b之间，采用由控制室32提供的20-25伏的电压，以将调节的电源(标示为PWR)提供至位于现场设备10内的装置和部件(如，微处理器26、电流调节器电路30和电压比计算装置38)。

电流调节器电路30连接为从微处理器26接收输入，并调节提供至接线端18a和18b的电流。如关于图3所讨论的，从微处理器26接收的输入可包括表示所感应的过程变量的信号和将采用如HART之类的数字通信标准进行传输的信号。除了数字通信，为了测量与接线端电压V_X和电流调节电压V₀相关的电压变化的唯一目的，微处理器还可以指示电流调节器电路30调制回路电流。

电压比值计算装置38连接为监测在接线端18a和18b之间提供的接线端电压V_X和在电流调节器电路30内的电流调节电阻R₀上产生的电流调节电压V₀。基于所监测的接线端电压V_X和电流调节电压R₀，电压比值计算装置38计算电压变化比值κ(如图5所示)。电压比值计算装置38将所计算的电压变化比值κ提供至微处理器26。

在一个实施例中，微处理器26存储所计算的电压变化比值κ。在另一个实施例中，微处理器将所计算的电压变化比值κ提供至电流调节器电路30，并指示电流调节器电流30以采用数字通信协议将所计算的值传输至控制室32。

如上所述，初始电压变化比值κ₀和后续电压变化比值κ_t的计算允许确定存在于接线端18a和18b之间的接线端泄露。

图6示出用来实现电压比值计算装置38(如图5所示)的部件的实施例。电压比值计算装置38包括σ-δ(sigma-delta)模拟至数字(analog to digital)转换器(ADC)40和SINC滤波器42。在该实施例中，在接线端18a和18b之间提供的接线端电压V_X和在电阻R₀两端提供的电流调节电压V₀被提供至σ-δADC 40。在一个实施例中，σ-δADC 40由一系列开关、电容器、积分器(即，具有电容反馈的运算放大器)和比较器组成。σ-δADC 40操作，以平衡由接线端电压V_X和电流调节电压V₀提供的电荷。

以±0.5mA的幅度调制回路电流导致在接线端电压V_X和电流调节电压V₀上都产生电压变化(在图6中由符号V₀ ⁺和V_X ⁺以及V₀ ^-和V_X ^-示出，其中V₀ ⁺和V_X ⁺表示与回路电流调制相关的峰值，而V₀ ^-和V_X ^-表示与回路电流调制相关的谷值或低点)。通过平衡由接线端电压V_X和电流调节电压V₀提供的电荷，σ-δADC 40测量至σ-δADC的输入之间的比值。通过调制回路电流，以在接线端电压V_X和电流调节电压V₀中产生变化，σ-δADC 40产生表示这些电压变化之间的比值的单比特流。即，1和0流的密度表示接线端电压V_X的变化和电流调节电压V₀的变化之间的比值。

熟知为脉冲编码调制(PCM)的1和0单比特流，提供至SINC滤波器42。基于1和0的PCM流，SINC滤波器42将该流转换成表示接线端电压变化δV_X和电流调节电压变化δV₀的比值的数字值。该比值由无量纲参数κ表示。随后，所测量的κ参数能够沿着通常的数字通信装置传输至微处理器26。微处理器可以本地存储所计算的参数，或者可以指示电流调节器30将所计算的参数传输至控制室32。

图7为说明确定存在接线端泄露的方法的一个实施例的流程图。在步骤50，进行接线端电压V_X和电流调节电压V₀之间的比值的初始测量，称为κ₀。在一个实施例中，控制室32可以向现场设备10发出指令，指示现场设备10(特别是电压比值计算装置38)测量电压变化比值κ的值(称为κ₀值)。在另一个实施例中，一旦装配好，现场设备10可以自动开始κ₀值的测量。

在步骤52，初始无量纲参数κ₀存储在存储器中。现场设备10可以本地存储κ₀值，或者可以将κ₀传输至控制室32，控制室32随后存储κ₀值。

在步骤54，在κ₀值的初始测量之后的一定时间处，现场设备10对接线端电压V_X和电流调节电压V₀之间的比值进行二次测量，称为κ_t。可以相应于从控制室30接收的指令进行κ_t值的测量，或者由现场设备10周期性地进行，以确保在现场设备10的接线端18a和18b之间不存在接线端泄露。

在步骤56，后续电压变化比值κ_t存储至存储器。电压变化比值κ_t再次本地存储在现场设备10上，或者可以传输至控制室32，进行存储。

在步骤58，基于电压变化参数κ₀的初始测量，以及电压变化参数κ_t的随后测量，能够采用等式6估计泄露电阻或电导g_X。这种计算可以由微处理器26本地进行，或者所测量的κ_t参数可以传输至控制室32，控制室32随后进行泄露电阻的计算。

在步骤60，基于所计算的泄露电导g_X，确定泄露电导是否高得引起由现场设备10提供的信号的失真。即，所计算的泄露电导可以与阈值比较，以确定是否需要发出关于现场设备10的通知或警告。

图8A和8B说明用来测试基于电压比值的测量而进行的泄露电阻的计算的实用性和精确性的硬件的连接。为了实施该试验，采用下述部件：电压源VCC、表示现场设备10外部的电阻的270欧姆(Ω)电阻、表示泄露电阻R_X的1350Ω电阻、罗斯蒙特(Rosemount)3051C压力传送器66、调制解调器68和个人计算机70。3051C压力传送器66包括现场接线端72a和72b以及输出电子组件74，输出电子组件74包括如图8B所示的电流调节电路。调制解调器68和PC 70连接在270Ω电阻两端，以允许用户为了试验的目的控制通过270Ω电阻产生的电流。

图8B说明输出电子组件74中的电路配置，包括二极管D1、晶体管Q3、电阻R10和电流调节电阻R₀。在该实施例中，电流调节电阻R₀具有135欧姆的电阻。如图8B所示，测量现场接线端72a和72b上的接线端电压V_X，并测量电阻R₀两端的电流调节电压V₀。

为了在本文中进行该试验，如图8A和8B所示的试验配置可以与图1所示的现场变送器10进行比较。图8A所示的3051现场设备10对应于图1所示的现场设备10。图8A所示的输出电子组件74对应于图1和2所示的电路板16。图8A和8B所示的现场接线端72a和72b对应于图1所示的现场接线端18a和18b。图8A所示的1350Ω电阻对应于图4B所示的电阻R_X。

在该试验中，采用调制解调器68和PC 70将流过270Ω电阻的回路电流设为不同的值。通过测量在电流设置大于所选择的电流值0.5mA的情况下的结果电压V_X和V₀，和随后测量在电流设置小于所选择的电流值0.5mA的情况下的结果电压V_X和V₀，从而测量对于每一个电流值的电压变化δV_X和δV₀。通过分别从接线端电压V_X和电流调节电压V₀的第二测量值中减去接线端电压V_X和电流调节电压V₀的第一测量值，确定电压变化δV_X和δV₀。通过用电压变化δV_X除电压变化δV₀，确定比值κ。确定电压变化的该方法仅用于该试验目的。现场设备中的实际实施会存在变化。例如，如关于图6所讨论的，由σ-δ调节器和SINC滤波器组成的电压比值数字转换器可以用来测量δV_X和δV₀之间的电压变化比值。

表1(下面所示)说明对于不存在泄露的情况(即，当从配置中去除泄露电阻R_X时)所进行的测量和计算结果。第一栏表示由调制解调器68和PC70设定的回路电流。第二栏显示关于第一栏所示的对应的回路电流所计算的电压变化δV₀的结果。第三栏显示关于第一栏所示的对应的回路电流所计算的电压变化δV_X的结果。第四栏示出电压变化比值κ₀的结果，并基于第二和第三栏所示的所测量的电压变化进行计算。

表1-不存在泄露电阻时的电压变化的测量值

回路电流	δV0	δVX	κ0
				5.0±0.5mA	-134.80mV	280.3mV	0.4809
12.0±0.5mA	-134.80mV	274.8mV	0.4907
				19.0±0.5mA	-134.80mV	273.3mV	0.4937

表2说明采用在现场接线端72a和72b之间连接泄露电阻R_X(1350Ω)所进行的测量，模拟在现场接线端之间存在泄露电阻的情况。流过电阻R₀的电流再次由调制解调器68和PC70设定为三个不同的值，对于每个值，测量相应的电压变化比值。基于所测量的电压变化，通过用δV_X除电压变化比值δV₀，计算无量纲参数κ_t。

表2-存在泄露电阻时的电压变化的测量值

回路电流	δV0	δVX	κt
				5.0±0.5mA	-134.80mV	233.7mV	0.5768
12.0±0.5mA	-134.80mV	228.6mV	0.5898
				19.0±0.5mA	-134.80mV	227.4mV	0.5931

表3说明采用表1和2的第四栏中列出的κ₀和κ_t的计算值以及上述等式6计算的泄露电阻，为了简单，在此重写出等式6：

g_X＝(κ_t-κ₀)×g₀    等式6

表3-泄露电阻的估值

回路电流	κt-κ0	RX
			5.0±0.5mA	0.0959	1408
12.0±0.5mA	0.0991	1362
			19.0±0.5mA	0.0994	1358

表3展示出，对于所提供的回路电流的每一个值，采用等式6计算出泄露电阻的准确预测值。因此，上述试验不仅表明本发明适合用于检查和量化现场设备的接线端之间的泄露电阻，而且表明泄露电阻的计算不依赖于回路电流的大小。电压变化(δV_X和δV₀)的采用使得接线端泄露的计算独立于外部因数(如电源变化和回路电流)的变化。即，将回路电流设为5.0±0.5mA与将回路电流设为19.0±0.5mA产生近似相同的泄露电阻计算值(1408Ω对比1358Ω)。因此，不需要关于回路电流的目前状态或值的特殊信息来满足测量并确定泄露电阻的目的。

虽然已经参照较佳实施例描述了本发明，本领域技术人员将会认识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行各种变化。特别地，本发明已经描述了关于通过基于所感应的过程变量调制4-20mA回路电流而与控制室进行通信的现场设备。在其它实施例中，可以与仅采用数字通信协议(如Foundation Fieldbus)进行通信的现场设备一起实施本发明。

Claims (25)

1.检测接线端泄露的现场设备，该现场设备包括：

传感器件，用于测量过程变量；

第一接线端和第二接线端，连接为与控制室进行通信，在所述第一接线端和所述第二接线端之间存在接线端电压；

电流调节电路，连接至所述现场设备的所述第一接线端和所述第二接线端，其中所述电流调节电路通过调节电流调节电压而调节提供至所述现场设备的所述第一接线端和第二接线端的电流；和

电压比计算装置，连接至所述第一接线端和所述第二接线端，并连接至所述电流调节电路，所述电压比计算装置基于由通过所述电流调节电路进行的电流的调制而引起的接线端电压的变化和电流调节电压的变化，来测量电压变化比值κ，其中，基于所测量的电压变化比值κ检测存在于所述第一接线端和所述第二接线端之间的接线端泄露。

2.根据权利要求1所述的现场设备，其中所述电压比计算装置包括：

SIGMA-DELTA(σ-δ)调制器，接收所述接线端电压和所述电流调节电压作为输入，并提供单比特输出流，该单比特输出流表示所述接线端电压的变化和所述电流调节电压的变化之间的比；和

SINC滤波器，将由所述σ-δ调制器提供的所述单比特输出流转化为表示所述电压变化比值κ的数字值。

3.根据权利要求1所述的现场设备，进一步包括：

微处理器，用于基于由所述电压比计算装置测量的并提供至所述微处理器的电压变化比值κ来计算所述接线端泄露。

4.根据权利要求3所述的现场设备，其中：所述微处理器通过比较第一被测量的电压变化比值κ₀和随后被测量的电压变化比值κ_t来计算所述现场设备的所述第一接线端和所述第二接线端之间的接线端泄露。

5.根据权利要求1所述的现场设备，进一步包括：

存储器件，用于存储由所述电压比计算装置计算的电压变化比值。

6.根据权利要求1所述的现场设备，其中基于下述等式：

g_X＝(κ_t-κ₀)×g₀

进行所述现场设备的所述第一接线端和所述第二接线端之间的所述接线端泄露的检测，其中κ₀表示第一电压变化比值，κ_t表示后续电压变化比值，g₀表示第一电阻器的电导(电阻的倒数)，且g_X表示所述现场设备的所述第一接线端和所述第二接线端之间的所述接线端泄露的电导。

7.一种检测位于现场设备的壳体内的第一接线端和第二接线端之间的接线端泄露的方法，该方法包括：

在初始时刻t₀调制所述第一接线端和所述第二接线端之间的回路电流；

基于所述第一接线端和所述第二接线端之间的初始接线端电压的变化和连接在所述第一接线端和所述第二接线端之间的电流调节电路中的初始电流调节电压的变化，来测量初始电压变化比值κ₀；

在后续时刻t_t调制所述第一接线端和所述第二接线端之间的回路电流；

基于后续接线端电压的变化和后续电流调节电压的变化，来测量后续电压变化比值κ_t；以及

基于所述初始电压变化比值κ₀和所述后续电压变化比值κ_t，来计算接线端泄露。

8.根据权利要求7所述的方法，其中：基于所述初始电压变化比值κ₀和所述后续电压变化比值κ_t的测量值来计算接线端泄露的步骤是基于下述等式而进行的：g_X＝(κ_t-κ₀)×g₀。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

将所述初始电压变化比值κ₀存储至位于所述现场设备上的存储器件；以及

将所述后续电压变化比值κ_t存储至位于所述现场设备上的存储器件，其中，所述初始电压变化比值κ₀和所述后续电压变化比值κ_t对于微处理器计算接线端泄露是可用的。

10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

将所述初始电压变化比值κ₀传输至连接到所述现场设备的控制室；以及

将所述后续电压变化比值κ_t传输至连接到所述现场设备的控制室，其中，所述控制室基于所述初始电压变化比值κ₀和所述后续电压变化比值κ_t来计算所述接线端泄露。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，测量所述初始电压变化比值κ₀的步骤包括：

将所述初始接线端电压和所述初始电流调节电压提供至σ-δ调制器，该σ-δ调制器提供表示所述初始接线端电压的变化和所述初始电流调节电压的变化之间的比值的单比特流；以及

将所述单比特流提供至SINC滤波器，该SINC滤波器提供表示所述初始电压变化比值κ₀的数字值。

12.根据权利要求7所述的方法，其中，测量所述后续电压变化比值κ_t的步骤包括：

将所述后续接线端电压和所述后续电流调节电压提供至σ-δ调制器，该σ-δ调制器提供表示所述后续接线端电压的变化和所述后续电流调节电压的变化之间的比值的单比特流；以及

将所述单比特流提供至SINC滤波器，该SINC滤波器提供表示所述后续电压变化比值κ_t的数字值。

13.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

基于所计算的接线端泄露值，确定是否发出警报。

14.根据权利要求7所述的方法，其中：测量初始电压变化比值κ₀的步骤是在连接为与所述现场设备通信的控制室的要求下执行的。

15.根据权利要求7所述的方法，其中：测量初始电压变化比值κ₀的步骤是在安装所述现场设备时自动执行的。

16.根据权利要求7所述的方法，其中：测量后续电压变化比值κ_t的步骤是在连接为与所述现场设备通信的控制室的要求下执行的。

17.根据权利要求7所述的方法，其中：测量后续电压变化比值κ_t的步骤是由所述现场设备周期性地执行的。

18.根据权利要求7所述的方法，其中：在所述初始时刻t₀和所述后续时刻t_t调制所述回路电流的步骤是在微处理器的要求下进行的，以测量所述接线端电压和所述电流调节电压的电压变化。

19.根据权利要求7所述的方法，其中：在所述初始时刻t₀或所述后续时刻t_t调制所述回路电流是为了双重目的，即，在所述现场设备和控制室之间提供数字通信，并测量所述接线端电压和所述电流调节电压的电压变化。

20.一种现场设备，能够检测位于该现场设备的壳体内的第一接线端和第二接线端之间的接线端泄露，该现场设备包括：

电流调节电路，用于通过调节所述电流调节电路中的电流调节电压来调节在所述第一接线端和所述第二接线端之间流过的电流的大小，并用于调制所述第一接线端和所述第二接线端之间的电流；

基于对所述第一接线端和所述第二接线端之间的电流进行调制而引起的存在于所述第一接线端和所述第二接线端之间的接线端电压的变化和所述电流调节电压的变化来测量电压变化比值κ的装置；和

基于所测量的电压变化比值κ来计算接线端泄露的装置。

21.根据权利要求20所述的现场设备，其中：计算接线端泄露的装置将第一被测量的电压变化比值κ₀与后续被测量的电压变化比值κ_t进行比较，以计算所述接线端泄露。

22.根据权利要求21所述的现场设备，进一步包括：

存储装置，用于存储由测量电压变化比值κ的装置所测量的所述初始电压变化比值κ₀和所述后续电压变化比值κ_t。

23.根据权利要求20所述的现场设备，其中，所述电流调节电路包括：

将由所述测量电压比值的装置计算的所述电压变化比值传输至与所述现场设备相连的控制室的装置，其中所述控制室基于所述电压变化比值来计算所述接线端泄露。

24.根据权利要求20所述的现场设备，其中，所述测量电压变化比值的装置包括：

σ-δ调制器，接收所述电流调节器电压和所述接线端电压作为输入，并提供单比特流作为输出，所述单比特流表示所述接线端电压的变化和所述电流调节电压的变化之间的比值；和

SINC滤波器，连接至所述σ-δ调制器，所述SINC滤波器将由所述σ-δ调制器提供的所述单比特流转换成表示所述电压变化比值κ的数字值。

25.根据权利要求20所述的现场设备，其中，所述计算接线端泄露的装置包括：

基于所计算的接线端泄露值来确定是否发出警报的装置。

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