CN1047442C - 用于过程控制系统中的温度变送器的传感器开路诊断系统 - Google Patents

Abstract

一种在过程控制系统中的温度变送器，它包括测量温度并提供与该测量的温度相关的传输输出的温度传感器(16、18)。一个与传感器输出端连接提供与传感器输出相关的数字化输出的模/数变换器(28)。微处理器(22)接收数字输出，补偿数字输出并提供温度输出。比较电路(12)比较传感输出与第一阀值V_REF1，并且如果传感器输出超出第一阀值V_REF1则向微处理器(22)提供一禁止信号。

Description

用于过程控制系统中的温度变送器的传感器开路诊断系统

本发明的技术领域

本发明涉及到用在过程控制系统中的变送器。尤其是本发明涉及到用于确定温度变送器中的一个开路传感器状态诊断技术。

过程控制变送器是用以在过程控制系统中测量过程参数。以微处理器为基础的变送器包括一个传感器，一个用于变换从传感器的输出到数字形式的模/数变换器，一个用于补偿校正数字输出的微处理器和一个传送补偿校正输出的输出电路。尤其是，这个传送是通过一个过程控制环路，如4-20毫安的电流环。一典型的温度参数是传感器通过测量RTD(电阻类温度器件)的电阻，还有一种称PRT(铂电阻温度计)的电阻，或者热电耦的输出电压而得到。

温度测量是通过变换传感器的输出(电阻或电压)到传感器的温度指示输出。然而当传感器与变送器间的连接松动时就会发生问题。模/数变换器的采样周期数目是有限的，一个间断的开路可能发生在任何一个采样周期之间，而这些采样周期与采样周期的间歇是平均的。那么，这个间断的连接可能隐藏在采样周期之间。因此，系统软件不能可靠地检测出传感器间断连接的发生。任何一个持续时间比采样周期少的开路连接，微处理器将检测不到而产生不精确的温度读数。

发明的公开

过程控制系统中的温度变送器包括一个与测量温度有关的能提供输出的传感器和一个连接到传感器输出的模/数变换器。模/数变换器提供一个与传感器输出有关的数字输出。一个微处理器连接到数字输出并补偿校正该数字输出及给出一个温度输出。比较电路比较传感器的输出和第一阀值电压，并且如果该传感器的输出超出了第一阀值电压，他将提供一禁止信号给微处理器。在一实施例中，微处理识别禁止信号为一错误并提供一报警输出。可以使用第二阀值电压而且比较电路确定传感器输出是否在第一和第二阀值电压界限内。比较电路响应时间比模/数变换器的响应时间要快。

附图的简要说明

图1A是根据一实施例的一个连接到具有RTD测量温度传感器的温度变送器方框图。

图1B如图1A一样，是一个连接到具有热电耦测量温度变送器方框图。

图2是根据本发明一实施例的一个显示微处理器执行步骤的流程图。

实施例的详细说明

图1A是一个连接到具有RTD测量温度传感器的温度变送器10的方框图。根据本发明。温度变送器10包括传感器开路诊断电路12。如下所述，电路12监视着变送器10的温度传感器同时提供一个传感器开路状态的输出。电路12有能力检测一个短暂开路状态而该状态期间变送器10是肯定检测不到的。这条信息是变送器10用来诊断一个开路的状态。例如，为了避免不精确的温度测量参数，在变送器10有短暂开路时测量的温度参数可能勿略掉。

变送器10连到过程控制环路11、该环路给变送器10提供电源及发送和接收信息的路径。变送器10有一个从端子1到4的接线端盒14，该接线端是为了连接RTD温度传感器16或者温度热电耦传感器18(如图1B所示)。图1A画出电连接RTP16的连接图。传感器16(和传感器18)即可以是变送器10内部的也可是外接的。变送器10包括一个由经输入/输出电路24(I/O)连接到控制环11的微处理器22控制的多路转换器20。多路转换器20切换来自接线端子1到4的合适的信号组合到与高精度A/D变换器28相接的差分放大器26的正负输入端。在一实施例中，变换器28有17位的精度及每秒14次采样的变换率。存储器30存储微处理器的指令和信息，其工作速度由时钟32来决定。多路变换器20有选择地连接对信号到差分放大器的正负输入端。连接到多路变换器20的参考电阻R_REF38是与RTD16串联的。

在工作时，变送器测量传感器16的温度并传送该温度参数到控制环11。变送器10用下面的方程式去计算RTD16的温度主要值。 $R_{\mathrm{INPUT}}=\frac{V_{\mathrm{RINPUT}}}{V_{\mathrm{RREF}}}\left(R_{\mathrm{REFNOM}}\right)$      方程式1其中：

R_REFNOM=正常的参考电阻的电阻值欧姆，并且/或者存在存储器30中；

V_RINPUT=输入端的电压降；

V_RREF=电阻R_REF两端的电压降。

电流源50经过传感器16(通过接线端子1和4)和参考电阻38提供电流I_s。微处理器22通过多路变换器20测量接线端子2和3之间跨过RTD16的电压降(V_RINPUT)，并且测量参考电阻38两端的电压降。R_REFNOM是从存储器30取出的计算常量。象这样的四线电阻测量中，端子2到端子3连线上电降压被大大忽略掉，因为实际几乎所有的电流都流过端子1和4，这在测量精度上有一点点误差。R_INPUT是通过一个可查的表或者存在存储器30中的适当公式转换到温度的单位。

图1B描述用可以在接线端子1和2之间产生电压V_TCINPUT的热电耦传感器18连接的温度测量变送器10。多路变换器20连接差分放大器26的输入端到接线端2和1。图1 B显示参考电压(V_TCREF)36连接到多路变换器20和电流源50。

变送器10测量热电耦传感器18的温度是通过下面的方程式来确定热电耦电压V_TC： $V_{\mathrm{TC}}=\frac{V_{\mathrm{TCINPUT}}}{V_{\mathrm{TCREF}}}\left(V_{\mathrm{TCREFNOM}}\right)$        方程式2

其中：

V_TCINPVT=由放大器26读出的接线盒14中端子1和2两端的测量电压。

V_TCREF=由放大器26读出的参考电压36产生的测量电压。

V_TCREFNOM=存储在存储器30中的电压基准的正常值。

然而，两种不同金属在接线端1上构成的接点引入一个比例于接点温度的冷接点误差电压。该误差电压是通过测量基于PRT(铂电阻温度计)传感器34接线端子1上的接点的温度及随后用一个标准方程或查表确定冷接点误差电压而取得。传感器34电阻R_CJCPRJ是通过从电流源50加一个电流Is用方程式测量而得。微处理器20按照方程式2计算V_TC，然后用查表或方程式有效地从V_CT中减掉R_CJCPRJ。接下来传感传器18的结果补偿温度通过输出电路24的耦合到环路11。

在图1A和图1B的实施例中，按照本发明的传感器开路诊断电路12和电流源I_s，I₂和I₃的都被显示出来。传感器开路诊断电路12包括比较器60，它有一反相输入端连到差分放大器26的输出端或者连到多路变换器20的输出端，而其同相输入端接到开关62。开关62在微处理器22的控制下选择连接比较器60的非反相输入端到电压参考端V_REF1或V_REF2。比较器60的输出提供给异或门(XOR)64。异或门(XOR)64的第二输入是由微处理器22提供的。异或门64的输出为锁定电路66提供输入。锁定电路66还包括一个接到微处理器22的复位输入端和一个输出端。

在工作时，由于电流是由恒流源I₂或I₃提供，传感器的开路状态将使放大器26或多路变换器20的输出超出其正常的工作范围不是太高就是太低。输出变化的方向取决于连接到多路交换器20的输入电路的结构。例如，电流源I₂和I₃可以是上拉或下拉电阻式。微处理器22控制比较器60与V_REF1和V_REF2的连接。再有，微处理器22能够通过异或门64反相比较器60的输出。

根据取自多路变换20的读数类型和电流源I_s、I₂和I₃的方向，微处理器可以被编程识别超出正常工作范围的读数。例如，在方程式1中，微处理器22能够监测V_RINPUT或V_RREF。与此类似，微处理器22可以监测跨接传感器端子1和端子2的电压以测试传感器引线2是否开路，或者监测跨接传感器端子1和3的电压以判断传感器引线3是否开路。同样微处理器也可监测V_TCINPUT或V_TCREF。例如，对任何一个开路的传感器引线，一个断开的连接都将使放大器26的输出超出正常的工作范围值，微处理器22控制开关62连接合适的参考电平到比较器60。这种情况将导致开路传感器状态使得比较器60的输出变到逻辑低电平。在一实施例中，异或门64的输入端可以置位以致异或门反相该信号到高电平以告之微处理器22传感器失效。在一实施例中，微处理器22还可以在一个诊断周期分别控制电流源I₂和I₃，并且有选择地连接他们到相应的接线端2和3。

锁定电路66连接到异或门64的输出端是用来锁定异或门64的输出。例如，如果传感器开路或传感器引线开路是发生在比模/数变换器28的采样周期小的周期内的一个短暂的“假信号脉中”，门64提供的传感器失效的信号将由锁定电路66锁定并提供给微处理器22。这告之微处理器22在采样周期内有一个传感器为开路状态。微处理器22提供一复位信号给锁定电路66复位其输出。

图2是流程图100，它显示了图1A实施例中微处理器22的工作过程。微处理器22的工作是按照存储在存储器30的指令去工作的。微处理器22在流程框102时从存储器30调出R_REFNOM。在方框104，微处理器22控制开关62连接比较器60的非反相输入端到电压基准V_REF1。接下来，微处理器22提供一高电平输入到异或门64。微处理器22在流程框108时控制多路变换器20连接接线盒14的接线端2和3到差分放大器26的输入端。此时允许V_RINPUT的测量。在控制方框110，微处理器22复位锁定电路66。微处理器22通过模/数变换器28在方框112时测得V_RINPUT。在获得V_RINPUT后，微处理器22在方框114观察锁定电路66的输出。锁定电路66的高电平输出表示接线盒14的接线端子2和3间的电压超过预定的最大值，该最大值是由变换器28在模/数变化之间由V_REF1确定的。如果锁定电路66提供一高电平输出，控制被通过到下一方框116，否则就到方框118V_RREF的测量开始。V_REF2是由微处理器22通过开关62连接到比较器60。在方框120，逻辑低电平被提供到异或门64的输入端。

下一步在方框122，微处理器22控制多路变换器20去测量电阻38两端的电压V_REF。在方框124，锁定电路66被微处理器22复位，并且微处理器在方框126读取来自模/数变换器28的V_REF。读出V_REF后，微处理器22在方框128监视锁定电路66的输出。如果锁定电路输出是高电平，微处理器确定一个错误已发生，控制通过到方框116。如果没有错误发生，则控制转移到方框130，在那儿遵照方程式1计算R_INPUT。在方框132，R_INPUT利用一个算法或查询存在存储器30中的表转换成温度并且在方框134将其值传送。紧随着传送，过程被重复且控制返回到方框102。还有一类似方式，这些诊断还是用电流源I₂和I₃在引线端2和3上周期地执行。典型地，所有的引线端在每一次传感器更新数据时扫描检测一遍。

如果锁定电路66的输出表示一个错误发生了，控制过程通过到方框116。在方框116，从模/数变换器28获得的数值被放弃。在方框136，微处理器22利用输入/输出电路24传送一信号经过环路11，表示有一错误发生。控制过程然后返回到方框102并且重复上述过程。

在控制室中的监视器能够监视变送器10的工作和检测来自变送器10的错误信号。如果变送器10重复地传送错误信号，控制室的监视器可以用这信息向操作员警示在变送器中有一传感器处于开路状态。另外，如果错误发生仅仅是周期出现，操作员被告之将有问题发生在变送器10的传感器上。间断的错误还能锁存在微处器软件中以提供连续报警。

对于图1B中的实施例的传感器松动连接诊断工作类似上面对图1A的描述，方程式2和3用于确定温度参数。

在本发明中所阐述的电路可做相应的修改将会被那些技术上成熟的人们认可。例如：如果输出电压是高于或低于一定的阀值，多个电路可以同时检测。更进一步，也可采用多于两个的参考电压。另一个例子，参考电压值可以由微处理器用模/数变换器去控制致使微处理器可以独立选择电压阀值。

虽然本发明已经依据是提出的实施例进行了陈述，但是技术熟练的人将认识到在形式上和细节上可作出的改变并没有离开本发明的精神和范围。例如，比较器电路可以连接到任意合适的位置，例如，可以置于多路变换器和差分放大器之间。

Claims (21)

1、过程控制系统中的一种温度变送器，其特征在于包括：

一个采集温度和提供与采集温度有关的温度输出的温度传感

器；

一个连到传感器输出端提供与传感器输出有关的数字化输出的模/数变掺器；

一个连接到数字输出的微处理器，它补偿和处理该数字输出并提供一温度输出；和

一个比较传感器输出和第一阀值电压及如果传感器输出超出第一阀值提供一禁止信号给微处理器的比较电路。

2、根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于该传感器的输出包括经过一个多路变换器分别连接到比较电路的多个传感器引线。

3、根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于比较器电路比较传感器输出和第二阀值电压，同时如果传感器输出超出第一和第二阀值电压时比较电路提供一个禁止信号。

4、根据权利要求2所述的温度变送器，其特征在于包括一个连接到第一和第二阀值电压的开关，该开关还连接到比较器电路输入端，根据来自微处理器的控制信号该开关将比较器电路输入端连接到第一阀值电压或是第二阀值电压。

5、根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于微处理器连接到禁止信号并且该禁止信号禁止温度输出。

6、根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于比较器电路有一个比A/D变换器快的响应时间。

7、根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于比较器电路包括一个用于选择反相禁止输出的极性控制输入。

8、据根据权利要求7所述的温度变送器，其特征在于该报极性控制的输入是连接到微处理器。

9、根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于包括连接到一个双线过程控制环路的输出电路，控制环路是用以在过程控制环上传送温度输出信号。

10、根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于传感器是一个RTD。

11、根据权利要求1所述的温度变送器，其持征在于传感器是热电耦。

12、根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于微处理器是连接到禁止信号并且提供一个响应诊断输出。

13、在一过程控制系统中一个过程测量温度的方法，其在特征于由下列步骤组成：

获得与过程温度有关的传感器输入信号；

提供与该传感器输出有关的数字输出信号；

补偿校正数字输出并且提供一个表示过程温度的补偿输出；

比较第一传感器的输入与一个阀值电压；提供一个基于比较后的错误信号。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于包括响应于错误信号禁止补偿输出的步骤。

15、根据权利要求13所述的方法，其特征在于包括：

比较该传感器的输入与第二阀值电压；和

根据与第二阀值电压有关的比较提供错误信号。

16、根据权利要求13所述的方法，其特征在于包括根据提供传感器输入的一类传感器调整第一阀值电压。

17、根据权利要求13所述的方法，其特征在于比较的步骤比提供数字输出的步骤快。

18 、根据权利要求13所述的方法，其特征在于包括通过双线的过程控制环传送该补偿输出。

19、根据权利要求13所述的方法，其特征在于包括有选择地变换错误信号的极性。

20、根据权利要求13所述的方法，其特征在于该传感器输入包括多个传感器引线，该方法包括分别将来自每个传感器引线端的传感器输入与一阀值电压比较。

21、根据权利要求13所述的方法，其特征在于包括提供一个与错误信号相应的诊断输出。

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