CN104081176A - 压电换能器的具有自测的现场设备 - Google Patents

Abstract

一种具有压电换能器的工业过程现场设备在自测模式期间，执行对压电换能器的状况的自测。向所述压电换能器供给充电电流，监控由于充电电流而引起的在压电换能器上的电压。基于所述电压的幅值，产生对压电换能器的状况加以表示的诊断测试结果。

Description

压电换能器的具有自测的现场设备

技术领域

本发明涉及一种工业过程监控和控制系统。更具体地，本发明涉及一种具有正常操作模式和诊断自测模式的现场设备，例如过程发射机(process transmitter)或过程控制器，在所述诊断自测模式下测试压电换能器的状况。

背景技术

过程发射机包括：感测元件或换能器，对过程变量进行响应；以及信号调节和处理电路，将感测到的变量转换为随所感测的过程变量变化的发射机输出。术语“过程变量”是指物质的物理或化学状态或能量的转换。过程变量的示例包括压力、温度、气流、电导率、PH和其他特性。过程发射机通常用于监控过程变量，并且将测量值发送回化学、石油、燃气、制药或其它液体处理工厂的控制室。通常，这些环境经受恶劣并且多变的环境状况。

过程控制器包括致动器(actuator)或换能器以及致动器驱动电路，将电学命令转换为物理输出。例如，过程控制器可以响应于从液体处理工厂的控制室接收到的命令，打开或关闭阀，或改变例如压力的过程参数。

现场设备的所有电学组件(包括换能器和电路)有可能发生故障或失效。这种故障将导致通过过程发射机向控制室发送错误测量值，或执行所命令行为的过程控制器的失效。由技术人员进行例程测试可以检测现场设备的问题，但是需要技术人员物理地访问所述现场设备。在具有大量分布式现场设备的设施中，对技术人员访问并测试每个现场设备的频率存在实际限制。

在一些过程发射机中，将压电换能器用作传感器。压电传感器可以是产生随所施加的力变化的电学传感器输出的无源传感器或发送并接收信号的有源传感器。在一些过程控制器中，还将压电换能器用作致动器或驱动元件。

使用压电换能器的过程发射机的一个示例是在危险环境下检测气体/蒸汽泄露。发射机检测是否打开或关闭安全阀、凝气阀(steamtraps)中的透气或堵塞状况(blow through or plugged conditions)。发射机包括压电传感器、信号调节电路和微控制器。发射机可以经过有线回路、有线传输总线或通过无线传输(例如，通过无线网状网)，向控制室发送测量值。通过超声频率范围内的振动(例如，当凝气阀失效时而产生的)激发压电传感器。

由于用于检测气体/蒸汽泄露的过程发射机通常部署在危险/安全至关重要的应用中，过程发射机需要具有自测或自我诊断能力。可以使用经常执行的诊断例程来验证电子设备。另一方面，通过压电换能器的功能的处理器的自测是不可用的。

检查用于检测气体/蒸汽泄露的过程发射机的压电换能器的一种方式是故意地产生泄露，以便验证压电传感器的功能。然而，这种技术具有明显缺陷。首先，在安全阀的状况下，对于在诊断过程期间释放到大气的气体而言，需要承担惩罚。其次，产生故意泄露以验证换能器功能不适用于凝气阀的状况。

发明内容

具有正常操作模式和自测模式的现场设备包括：压电换能器、换能器电路和自测电路。压电换能器感测过程变量。在正常模式期间，传感器电路从压电传感器得到表示过程变量的传感器信号。在自测模式期间，自测电路向所述压电传感器供给充电电流，并且根据由于充电电流而引起的压电传感器上的电压来提供测试输出。

附图说明

图1A和1B分别是在正常操作模式期间和在用于测试压电传感器的状况的自测模式期间的过程发射机的示意图。

图2是示出了在向压电传感器供给充电电流的自测模式期间，随着时间变化在压电传感器两端的电压的图。

具体实施方式

图1A和1B分别示出了在正常操作模式和自测模式下的现场设备，过程发射机10。过程发射机10包括压电传感器12、传感器电路14、模数转换器(ADC)16、微控制器18、输入/输出(I/O)接口20以及自测电路，所述自测电路包括开关30和32、电阻器34和场效应晶体管(FET)36。开关30和32是在微控制器18的控制下的模拟开关。开关30包括共用端子30C、正常模式端子30N和测试模式端子30T。类似地，开关32包括共用端子32C、正常模式端子32N和测试模式端子32T.

如图1A所示，过程发射机10包括正常操作模式，其中将压电传感器12用于感测过程变量(例如，气体或蒸汽泄露)。在正常操作模式期间，开关30、32的共用端子30C、32C分别与正常模式端子30N和32N相连。因此，在正常操作模式期间，传感器电路14具有分别与压电传感器12的相对端子12A和12B相连的输入INA和INB。在正常模式下，通过开关32的端子32N和32C将传感器电路14的输出OUT与ADC16的输入相连。将ADC16的输出提供给微控制器18的输入端口IN。

将微控制器18的端口P0与FET36的栅极相连。在如图1A和1B所示的实施例中，FET36是N沟道MOSFET，其中当端口P0是逻辑低时所述FET36截止，当端口P0是逻辑高时所述FET36导通。在正常操作模式期间，端口P0是逻辑低，FET36是截止的。

微控制器18的端口P1与电阻器34相连，其中所述电阻器36接着分别与开关30和32的测试端子30T和32T相连。在正常操作模式期间，端口P1是逻辑低，并且开关30和32的端子30T和32T不与共用端子30C和32C相连。因此，在正常操作模式期间，没有电流流经电阻器34，并且电阻器34不与压电传感器12相连。

在正常操作模式期间，压电传感器12根据感测到的过程变量在输入INA和INB处产生信号。例如，可以将压电传感器12绑到蒸汽管上，并对当凝气阀失效时而产生的振动的频率和幅值进行响应。传感器电路34调节来自传感器12的信号，将该传感器信号提供给ADC16作为模拟输入。通过ADC16将来自传感器电路14的模拟传感器信号转换为数字形式，并将其提供给微控制器18。

通常包括具有相关存储器的微处理器的微控制器18进一步处理所述数字化的传感器信号，并产生测量值。微控制器18通过输入/输出接口20与控制室或其它监控系统进行通信。微控制器18向控制室提供过程变量的测量值以及其它数据，所述其它数据包括例如次级变量数据和诊断数据。I/O接口20可以以经由双线回路的模拟形式或模拟和数字形式二者、以经由多点数字总线的数字形式、或以经由无线网络的无线形式，与控制室进行通信。

如图1B所示，过程发射机10还包括诊断自测模式，其中通过向压电传感器12供给充电电流Ic并执行瞬态响应分析，来测试压电传感器12的状况。在自测模式期间，压电传感器12的电容C和电阻器34的电阻R构成RC电路。在充电时间段期间，通过ADC16对压电传感器12两端的电压进行采样。

控制器18确定什么时候执行诊断自测模式。所述测试可以基于通过I/O接口20从控制室向微控制器18提供的指令，或可以将所述测试编程到微控制器18，以便根据周期性的进度进行自测操作。

为了开始自测操作，微控制器18分别向开关30和32提供开关控制信号SW1和SW2。信号SW1和SW2引起开关30和32改变状态，使得将共用端子30C和32C与测试端子30T和32T相连。因此，通过开关30将压电传感器12的端子12A与电阻器34相连，通过开关32将其与ADC16的输入相连。

在自测模式期间，微控制器18引起端口P0和P1输出逻辑高。因此，FET36导通，将传感器12的端子12B与地相连。在端口P1处输出逻辑高引起充电电流Ic从端口P1流经电阻器34、端子30T和端子30C，到达传感器12的端子12A。

当于向压电传感器12供给充电电流Ic时，由ADC16对传感器12两端的电压进行采样。在端口P0和P1输出逻辑高之后的预定时间段内，传感器12将充电到可以由ADC16读取的值，并将该值提供给微控制器18。根据采样数据(即，来自ADC16的ADC计数)，微控制器18可以确定压电传感器12的状态。如图2所示，可以检测到三个可能状况。图2是示出了针对三个不同状况，在压电传感器12的端子12A处(以及ADC16的输入处)随时间变化的电压，所述三个不同状况包括：正常运作的压电传感器(“传感器正常”)、用作电学短路的失效传感器(“传感器短路”)以及用作电学开路的失效传感器(“传感器开路”)。

如图2所示，在ADC16的数据采样时间期间，用作短路的失效传感器将示出接近零的电压。开路状况下无法运作的传感器具有快速上升到由端口P1确定的最大电压的充电曲线。相反，如图2所示，展现正常电容的压电传感器将具有一般形状的RC充电曲线。如图2所示，由ADC16采样的电压的范围在第一或最小阈值电平到第二或最大阈值电平之间。相反，展现短路状况的传感器将展现在最小阈值以下的电压，在开路状况下无法运作的传感器将展现在最大阈值以上的电压。

微控制器18接收来自ADC16的ADC计数，将该计数与最小和最大阈值进行比较。如果该计数在最小阈值之下或在最大阈值之上，则微控制器18产生诊断输出，指示存在传感器失效的状况。如果ADC计数在最小和最大阈值之间，则微控制器18提供诊断输出，指示压电传感器16处于没有失效的状况或处于正常状况。诊断输出可以仅指示传感器失效，或可以识别失效的本质(短路或开路失效状况。)

过程发射机10的诊断自测模式提供了一种验证压电传感器或换能器的功能的方式。在发射机在危险环境下检测气体/蒸汽泄露的背景下，诊断自测模式避免了产生故意泄露以便验证传感器功能的需要。

尽管在具有压电传感器(具体地，可以用于检测气体/蒸汽泄露的传感器)的过程发射机的背景下描述了诊断自测，然而可以将向压电换能器使用充电电流的自测用于检测在多种不同应用中的压电换能器的失效。压电换能器可以用于感测参数，或可以是用于将电能转换为物理行为的致动器。

尽管参考示例实施例描述了本发明，然而本领域技术人员应清楚，可以在不脱离本发明的范围的前提下，进行多种改变，并且可以用等同物代替实施例中的元件。此外，在不脱离本发明的本质范围的前提下，根据本发明的教义，可以进行多种修改以便适应特定状况或材料。因此，应清楚，本发明不限于所公开的特定实施例，本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (17)

1.一种现场设备，包括：

压电换能器；

正常模式电路，用于在正常操作模式期间操作所述压电换能器；以及

自测电路，用于在诊断自测模式期间向压电换能器供给充电电流并根据由于充电电流而引起的压电传感器上的电压来提供测试信号。

2.根据权利要求1所述的现场设备，其中所述自测电路包括：

电阻器，用于经由电阻器向所述压电换能器供给充电电流；以及

开关电路，用于在诊断自测模式下将所述电阻器与所述压电换能器相连接。

3.根据权利要求2所述的现场设备，其中所述自测电路包括：

模数转换器，所述模数转换器在诊断自测模式期间通过开关电路连接，以便产生随压电换能器上的电压变化的数字输出。

4.根据权利要求3所述的现场设备，其中所述自测电路包括：

微控制器，所述微控制器向开关电路提供开关控制信号，并且基于数模转换器的数字输出提供所述测试信号。

5.根据权利要求4所述的现场设备，其中所述电流源在诊断自测模式期间向电阻器供给电压。

6.根据权利要求4所述的现场设备，其中所述压电换能器包括压电传感器，并且所述正常模式电路从所述压电传感器得到传感器信号。

7.根据权利要求6所述的现场设备，其中在正常操作模式期间，所述开关电路将所述正常模式电路与所述模数转换器相连。

8.根据权利要求7所述的现场设备，其中在正常操作模式期间，所述模数转换器根据传感器信号来产生数字输出。

9.根据权利要求2所述的现场设备，其中所述开关电路包括开关，其中在诊断自测模式期间所述开关将压电换能器的一个端子与地相连。

10.根据权利要求1所述的现场设备，其中如果压电换能器上的电压小于第一阈值，则所述自测电路提供指示失效状况的测试信号。

11.根据权利要求1所述的现场设备，其中如果压电换能器上的电压大于第二阈值，则所述自测电路提供指示失效状况的测试信号。

12.根据权利要求1所述的现场设备，其中如果压电换能器上的电压大于第一阈值并小于第二阈值，则所述自测电路提供指示正常状况的测试信号。

13.一种用于测试现场设备中的压电换能器的状况的方法，所述方法包括：

在测试期间，向压电换能器供给充电电流；

在测试期间，监控由于充电电流而引起的压电换能器上的电压；以及

基于所述电压的幅值，产生指示压电换能器的状况的诊断测试结果。

14.根据权利要求13所述的方法，其中如果所述电压小于第一阈值，则诊断测试结果指示压电换能器的失效状况。

15.根据权利要求13所述的方法，其中如果所述电压大于第二阈值，则诊断测试结果指示压电换能器的失效状况。

16.根据权利要求13所述的方法，其中如果所述电压在第一和第二阈值之间，则诊断测试结果指示压电换能器的正常状况。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述压电换能器是在正常操作模式期间用于感测过程变量的传感器。