CN104006895A - 传感器诊断改进的过程温度变送器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种过程温度变送器，其能够与具有多根引线的至少一个温度传感器一起运行。该过程温度变送器包括测量电路，该测量电路能够可操作地连接至所述至少一个温度传感器以提供所述至少一个温度传感器的电参数的指示。控制器连接至测量电路以获得所述指示并提供过程温度输出。电流源将测试电流同时施加至所述多根引线。诊断电路测量每根引线上的电压响应以提供温度传感器的诊断指示。

Description

传感器诊断改进的过程温度变送器
技术领域
本发明涉及用来监测工业过程中的过程变量的类型的过程变量变送器。更具体地，本发明涉及用来检测过程的温度的过程变量变送器。
背景技术
加工工业采用过程变量变送器检测与化学、泵、石油、制药、食品和其它加工工厂中的诸如固体、浆体、液体、蒸汽和气体之类的物质相关的过程变量。过程变量包括压力、温度、流量、液位、浊度、密度、浓度、化学成分和其它特性。过程流体温度变送器提供与检测到的过程物质温度相关的输出。到控制室的温度控制回路或其它输出可以被发送到另一个过程装置，以便可以监测和控制该过程。为了监测过程流体温度，变送包括温度传感器，如热电偶或电阻式温度装置(RTD)。
在温度测量应用中，重要的是确认温度测量何时是不正确的。这可能由引线/传感器破裂、过多的线路电阻或短路情况引起。在温度传感器和过程温度变送器之间通常存在可能出现故障或变成老化的大量连接点。一些商用过程温度变送器在提供读数之前验证温度传感器连接完整性。其中，包括诊断的温度变送器的示例包括Kirkpatrick等人(名称为“TWO-WIREFLUID TEMPERATURE TRANSMITTER WITH THERMOCOUPLEDIAGNOSTICS”的美国专利No.6,556,145)，Castle(名称为“COMPUTERIZED REMOTE RESISTANCE MEASUREMENT SYSTEMWITH FAULT DETECTION”的美国专利No.5,317,520)、Kirkpatrick(名称为“OPEN SENSOR DIAGNO STIC SYSTEM FOR TEMPERATURETRANSMITTER IN A PROCESS CONTROL SYSTEM”的美国专利No.5,703,575)。
已经用在温度变送器中的一种这样的诊断技术基于多个测量值的收集。这些测量值由过程温度变送器顺序地收集以独立地测试每个导体。对于断路传感器和过多的线路电阻测试，过程温度变送器可以将电流脉冲独立地施加至温度传感器引线中的每一根，并测量所产生的电压。如果测量到的电压超过阈值，则可以确认出现故障。如果引线或温度传感器元件断路，则电流脉冲将测量到的电压驱动到高至足以超过阈值。当引线合适地连接和传感器元件未损坏时，提供用于电流流动的路径，并且检测到的电压将保持低于阈值，指示正确的连接。对于四线式RTD，这需要三个断路传感器测量值以评估RTD的完整性(一根线总是连接至电流返回路径共用的电路)。
绕线式RTD温度传感器容易由于暴露至振动而变为断路。这种振动可以包括大振幅瞬态活动、持久的低振幅活动或二者。为了测试断路传感器状态，获得温度检测元件的电阻测量值。如果欧姆测量值低于由软件设定的阈值，则确定传感器被断路了。这个过程目前需要三个测量点来确认这种状态，并且可能花费200毫秒量级的时间。
存在对改进温度传感器诊断的不断需求。
发明内容
一种过程温度变送器，其能够与具有多根引线的至少一个温度传感器一起运行。该温度变送器包括测量电路，该测量电路能够可操作地连接至所述至少一个温度传感器以提供所述至少一个温度传感器的电参数的指示。控制器连接至测量电路以获得所述指示并提供过程温度输出。电流源将测试电流同时施加至所述多根引线。诊断电路测量每根引线上的电压响应以提供温度传感器的诊断指示。
附图说明
图1是过程流体温度变送器的环境的示意图。
图2是过程流体温度变送器12的示意图。
图3是过程流体温度变送器的系统框图。
图4是示出至温度传感器的电连接的示意图。
图5是示出诊断期间RTD的引线上的输入电压的信号曲线图。
图6A为根据本发明的实施例的测试温度传感器的方法的流程示意图。
图6B为根据本发明的实施例的用于产生用于诊断传感器退化的各种信息的配置的示意图。
图7为根据本发明的实施例的用于短路温度传感器的测试的配置的示意图。
具体实施方式
本发明提供用于过程温度变送器的诊断。在多个方面中，本发明提供用于快速地和精确地确定温度传感器的状态的方法和设备，包括确认变送器正确地连接至温度传感器。本发明的实施例主要为断路和/或短路传感器状态或其它退化行为提供同时测试多个且优选全部温度传感器线路的方法和设备，从而降低或潜在地最小化传感器评估时间。下述诊断可以在每次温度传感器测量之前或者根据需要以选定的间隔或其它时间处进行。
图1和2图示根据本发明的实施例的二线式过程流体温度变送器的环境。图1示出包括过程流体温度变送器12的过程流体控制系统10。图2图示过程控制系统10，过程控制系统10包括过程流体温度变送器12，过程流体温度变送器12通过二线式过程控制回路16电连接至控制室14(被建模为电压源和电阻)。变送器12安装和连接到诸如管道18之类的过程流体容器上。变送器12监测过程流体过程管道18的温度并通过回路16将温度信息发送到控制室14。变送器12能够通过接线端17(图3中示出)连接至回路16。过程控制回路16被图示为二线式过程控制回路。在这种结构中，同样的两条线用于同时载送信息以及提供电力到变送器12。例如，变送器12可以控制二线式回路16上的表示检测到的温度的模拟电流电平。在更高级的结构中，可以在二线式过程控制回路上发送和/或接收数字信息。一种这样的协议是通信协议。然而，本发明不限于这种特定的二线式实施方案，并且可以采用任何类型的过程控制回路。另一种示例性过程控制回路是其中无线地传送信息的无线过程控制回路。无线通信技术的一个示例与依照IEC62591的无线通信协议一致。也可以使用标准以太网、光纤连接或其它通信信道。
图3为根据本发明的实施例的过程流体变送器12的系统框图。变送器12包括电源模块20、回路通信装置22、RTD输入端24、测量电路26、电流源28和控制器30。变送器12能够连接至RTD32，使得变送器12可以获得来自RTD32的电压测量值，并且将该测量值与计算出的过程流体温度相关联。变送器12随后在二线式过程控制回路16上提供计算出的过程流体温度。
电源模块20设置在变送器12内，并能够连接至二线式过程控制回路16。模块20恰当地调节从回路16接收的用于变送器12的各个部件的电力。采用电源模块20，变送器12能够根据从过程控制回路16接收的电力单独地运行。模块20可以包括例如已知的电子元件，如DC-DC电力调整装置。在回路16上(在一些实施例中采用4mA和20mA之间的模拟信号传输)，模块20运行以限制4安培或更少安培电流，用于提供至变送器12内的其它部件。此外，模块20可以被调整为防止从回路16接收的电噪声到达所述其它部件。
回路通信装置22能够连接到二线式过程控制回路16，并被配置为在回路16上进行通信。通信装置22可以为本领域通常已知类型的。例如，通信装置22可以被恰当地选择以提供模拟通信、数字通信或二者的组合。如上所述，模拟和数字通信的一种这样的组合已知为高速可编址远程传感器协议。协议的一个版本在4-20mA模拟信号上叠加数字信号。采用这种协议，可以在一种模式(如模拟模式)中提供感兴趣的主变量，同时以另一种模式提供诊断信号。然而，可以以纯模拟通信以及纯数字通信(如由FOUNDATIONTM Fieldbus提供)实践本发明，并且也可以采用无线协议实施本发明。
变送器12还包括RTD输入或接线板24。输入或接线板24提供可拆除的电连接至RTD32。典型地，该连接将提供四线连接，从而可以获得至RTD的Kelvin连接。采用Kelvin连接，两条电线用来发送电流通过RTD，第二对电线用来检测RTD上的电压。如本领域已知的那样，这减少了电阻测量中的误差。
测量电路26设置在变送器12内，并且适于响应于采用电流源28施加的电流测量RTD32上的电压。测量电路26可以包括放大器和/或模数转换器。为了诊断目的，下文更详细地讨论电流源的操作。
电流源28连接至输入端24、电源模块20和控制器30。电流源28可以为能够使已知的诊断电流通过连接至输入端24的RTD的任何合适的电路。可以使用低至1微安的诊断电流。例如，源28可以为精确的半导体电流器件等。源28可以适于使直流(DC)或交流(AC)通过RTD32。此外，源28可以为提供未知的电流通过已知的电阻的电路，以便可以任选地采用测量电路26测量电流。在诊断模式期间，源28使诊断电流通过RTD32。诊断电流可以沿任一方向传递通过RTD32，并且还可以沿相反的方向交替地通过RTD32。当诊断电流通过RTD32时，测量电路26提供信号至控制器30，该信号与RTD32上的电压相关联，并且因此与RTD32的电阻相关联。
控制器30设置在变送器12内，并连接至电源模块20、回路通信装置22、测量电路26和电流源28。控制器30可以为能够将从测量电路26接收的电压信息与过程流体温度相关联并且能够提供RTD诊断的任何合适的电路。具体地，控制器30可以为微处理器等。在正常操作期间，电流源28使电流通过RTD32，并且测量电路26测量产生的电压。控制器30通过合适的公式或查找表将从测量电路26接收的信息与过程流体温度相关联。控制器30随后将过程变量输出信息传递至回路通信装置22，以便在二线式过程控制回路16上发送过程变量。
在操作期间，可能是RTD出现故障，至RTD的电连接出现故障，或者相关联的测量电路出现故障。如在背景部分中描述的那样，已知多种技术用来检测这种故障。然而，这些技术中的多种具有限制。例如，过程温度会快速地变化。这可能特别是在过程中出现问题时。而且，即使在不是问题的情况中，迅速地提供过程温度读数可以允许改善的分辨进入过程，从而便于诊断和/或优化。然而，一些现有诊断技术在不能获得温度测量值期间会花费大量时间。
一些现有诊断技术会花费相当长的时间来确定温度传感器是否有故障。在断路传感器的情况中，每个4线式RTD传感器进行高达三次测量，每次需要约60毫秒(mS)。一些温度变送器已经将该时间降低至20mS速率，这是典型硬件的限制。然而，由于一些温度变送器可以测量8个三线式RTD传感器，每个三线式RTD传感器需要2次断路传感器扫描用于检测，变送器必须贡献每个传感器至少40mS，或总共320mS，用于断路传感器检测。
一些温度变送器的另一个限制是，它们不能确定RTD传感器是否短路，直到计算出最终的测量值。在高密度装置中，这个时间可能是相当多的时间(每个传感器约200mS)。
过程温度变送器中的另一个误差源是由传感器线路电容引起的，传感器线路电容会在传感器电缆变老化时增加，导致测量时间常数增加。测量回路中增加的时间常数会由于在A/D转换器内设定的不足够的建立时间而引起错误。这种情况不能通过针对断路指示简单地测试传感器线路而检测到。这种情况可能仅在操作者手动评估测量系统的精确度时检测到。此外，过程温度变送器内的电容也会增加。
根据本发明的实施例，通过下述方式同时测试多个传感器测量引线，即通过同时将电流注入到每个这种传感器引线上并监测引线的电压特性。这种技术可以用来同时(并行)确定断路、短路和老化传感器状态。可以在A/D专用集成电路(ASIC)之内或之外实践本发明的实施例。
图4为根据本发明的实施例的变送器12中的连接至RTD32以同时测试多根引线的断路传感器诊断电路70的示意图。电路70可以设置在A/D转换器内，设置在A/D转换ASIC内，或者简单地被设置为过程温度变送器，如变送器12，内的电路的一部分。电路70具有连接至接线板24的对应的接线端80，82，84和86的输入端72，74，76和78。RTD32的四根引线中的每一根连接至接线板24上的对应的接线端。在开关92闭合时，来自电流源输出端28的电流同时连接至RTD32的所有引线。如图4中所示，RTD32的每根引线连接至对应的比较电路96A，96B，96C和96D，比较电路96A，96B，96C和96D比较在阈值内的外部引线电压，以评估断路传感器状态。多个，优选全部，引线被同时测试。如在本文中使用的那样，被″同时″或“同时地”测试意味着测试电流同时流动至多个引线。因此，虽然比较器输出端96A-D的测试可以通过控制器30的编程执行顺序地发生，但这种测试视为同时发生，因为微控制器以比之前的顺序引线测试快的数量级循环。如果所有的引线被正确地连接并且未断路，则每个比较器96A-D将产生指示它的对应的输入端72，74，76，78上的电压已经超过其参考接线端处施加的电压的信号。然而，如果一根引线断路，则在比较器的输入端处将不能看到预期电压。
在另一个示例性实施例中，诊断电路70包括模数转换器。在这种配置中，模数转换器可以以非常快的方式顺序地数字化来自连接72，74，76和78的输出。随后可以根据编程指令在微处理器内进行与阈值的比较。在这种配置中，将数字化值与存储器等中存储的一个或多个阈值进行比较。可以基于特定应用或其它标准根据需要修改这些阈值。
图5是示出诊断期间RTD的引线上的输入电压的信号曲线图。针对退化传感器的测试类似于断路传感器测试，并且可以采用相同的电路。代替简单地施加测试电流，可以以控制器的每个时钟周期脉冲传输测试电流。一旦测试电流被脉冲传输通过传感器并且如果引线被正确地连接，则在传感器输入连接处能够检测到电压阶跃变化108。该阶跃变化的幅度和时间常数将取决于系统中存在的、在图4中的附图标记104处被示意性地建模的电阻和电容。如果传感器线路未被连接，则诊断电路将不能检测到预期的电压变化。如果存在过大的线路电阻或电容，则上升时间计数周期115将更长。可以在每个时钟周期处采样断路传感器测试输出以确定它是否达到阈值114。高于低阈值输入112和低于高阈值114的每个采样可以被累加并基于可以由变送器进一步用于其它量化方案的时钟信号被提供为计数值。也可以以相反的阈值以类似的方式累加下降时间，如在附图标记116处所指示的那样。所产生的时钟计数可以与预期值或相对时间增量进行比较，并用来指示退化的传感器。以这种方式，可以通过监测所检测的电流脉冲的上升时间和下降时间确定传感器退化。这允许温度变送器12监测由每根具体引线上的固有引线电阻和系统电容产生的时间常数。
图6A为根据本发明的实施例的测试温度传感器的方法的简化流程示意图。方法120在方框122处开始并控制转到方框124，其中COUNTER被初始化为零。接下来，在方框126处，正在测试的引线上的预先存在的电压被锁存为Vinput_t0。在方框128处，将测试电流施加至该引线。如上所述，该测试电流优选是以进行测试的控制器或微处理器的时钟频率施加的电流脉冲。在方框130处，将已调整的电压(Vadjusted)与输入电压(Vinput)进行比较。已调整的电压是所锁存的预先存在的输入电压Vinput_t0和在图4中的附图标记114处指示的断路传感器阈值电压(VOS_thresh)之和。比较的结果产生Open_Test_Out信号。例如，该信号在Vinput小于Vadjusted时为假，并在Vinput等于或大于Vadjusted时为真。还在图6B中示出的图示中示意性地指示这些多个信号的产生和运行。在方框132处，方法120在进行测试的控制器或微处理器的时钟的每个上升边缘采样、测试或以其它方式检查Open_Test_Out信号的状态。如果在方框134处，确定断路Open_Test_Out信号为高，则方法120在方框136处结束。然而，如果方框134确定Open_Test_Out不为高，则COUNTER的值基于时钟信号递增，并且控制返回方框132。以这种方式，方法120将反复直到Open_Test_Out变为高。此时，COUNTER将指示测试开始和Open_Test_Out变为高时之间出现的时钟脉冲的数量。因此，COUNTER的值将表示由被测试的引线上的固有引线电阻和系统电容产生的时间常数。当去除电流脉冲以监测下降时间时，可以采用类似的测试。注意到，也可以将计数与指示还未达到高或低阈值的最大值进行比较。
图7是根据本发明的实施例的用于测试短路温度传感器的配置的示意图。为了测试短路传感器，电路70监测RTD元件32两侧的选定引线之间的电压差。变送器指定的电压阈值用来与该电压差进行比较，以确定传感器是否处于短路状态。一旦电压差超过该阈值，则电路会指示传感器未被短路。图7中图示的配置采用设置在RTD32的温度敏感元件的相反侧的一对引线运行。第一引线上的电压(Vlead1)被测量并施加至差分节点140。第二引线上的电压(Vlead2)也是施加至差分节点140，使得节点140的输出142是Vlead1和Vlead2之间的差。节点140的输出与预选的短路电压阈值(Vshort_thresh)一起施加至差分节点144。节点144的输出指示(Vlead1-Vlead2)是否超过Vshort_thresh，并且因此指示RTD是否处于短路状态。
上文提出的技术和电路配置允许温度变送器更快地确定温度传感器，如RTD，是否被正确地连接和起作用。虽然时间节省对于单个温度传感器可能是有利的，但目前使用的高密度温度变送器将实现明显的时间节省，并且因此实现更快的传感器更新速率。虽然目前本发明的实施例的检测时间取决于A/D转换器转换采样率，但通过使A/D转换器在已经完成诊断时中断处理器，可以改善检测时间。
虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节方面进行改变。例如，虽然本发明的实施例大体上提供了连接至所有引线的单个脉冲式电流源，同时单个电路测量每根引线的电压，但也在单个检测器连接至所有引线以及在每根引线上引入不同的信号的情况中实践本发明的实施例。虽然这种实施例可能明显更复杂，但包括它以说明通过同时测试多根引线实现的可能性的幅度。进一步，各种部件可以具有多个功能。例如，用来测量温度的同一电流源、控制器和模数转换器也可以用来进行诊断。

Claims (20)

1.一种能够与具有多根引线的至少一个温度传感器一起运行的过程温度变送器，该过程温度变送器包括：
测量电路，该测量电路能够可操作地连接至所述至少一个温度传感器以提供所述至少一个温度传感器的电参数的指示；
控制器，该控制器连接至测量电路以获得所述指示并提供过程温度输出；
电流源，该电流源被配置为将测试电流同时施加至所述多根引线；和
诊断电路，该诊断电路被配置为测量每根引线上的电压响应并响应地提供温度传感器的诊断指示。
2.根据权利要求1所述的过程温度变送器，其中温度传感器是RTD。
3.根据权利要求1所述的过程温度变送器，其中所述多根引线包括四根引线。
4.根据权利要求1所述的过程温度变送器，其中所述诊断指示指示电短路。
5.根据权利要求1所述的过程温度变送器，其中所述诊断指示指示断路引线。
6.根据权利要求1所述的过程温度变送器，其中所述诊断指示指示传感器退化。
7.根据权利要求1所述的过程温度变送器，其中所述诊断指示由每根引线上的固有引线电阻和系统电容产生的时间常数。
8.根据权利要求1所述的过程温度变送器，其中用于将测试电流同时施加至所述多根引线的电路设置在模数转换器专用集成电路(ASIC)内。
9.根据权利要求1所述的过程温度变送器，其中所述诊断指示基于每根引线上的电压响应的上升时间。
10.根据权利要求1所述的过程温度变送器，其中所述诊断指示基于每根引线上的电压响应的下降时间。
11.根据权利要求10所述的过程温度变送器，其中所述诊断指示还基于每根引线上的电压响应的上升时间。
12.一种诊断与过程温度变送器连接在一起的至少一个温度传感器的方法，该方法包括下述步骤：
将测试电流同时施加至所述至少一个温度传感器的多根引线；
检测所述至少一个温度传感器的每根引线上的电压响应；以及
基于每根引线上的电压响应产生关于所述至少一个温度传感器的诊断指示。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一个温度传感器包括多个温度传感器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个温度传感器是RTD。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述诊断指示指示电短路。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述诊断指示指示断路引线。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述诊断指示指示传感器退化。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述诊断指示由每根引线上的固有引线电阻和系统电容产生的时间常数。
19.根据权利要求12所述的方法，其中该方法是在每次温度传感器测量之前进行的。
20.一种能够与具有多根引线的至少一个温度传感器一起运行的过程温度变送器，该过程温度变送器包括：
用于将测试电流同时施加至所述至少一个温度传感器的多根引线的装置；
用于检测所述至少一个温度传感器的每根引线上的电压响应的装置；以及
用于基于每根引线上的电压响应产生关于所述至少一个温度传感器的诊断指示的装置。
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