CN104950213A - 用于利用dc偏置电流的连接故障自监测的系统、方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于利用DC偏置电流的连接故障自监测的系统、方法和设备。本发明的某些实施例可包括用于利用dc偏置电流的连接故障自监测的系统、方法和设备。根据本发明的示例实施例，提供方法以用于获得测量并且检测与电压模式传感器关联的连接性故障。该方法可以包括将DC偏置电流（322）耦合进入电路（240）。该电路包括电压模式传感器（202），并且该电压模式传感器（202）可以输出时变信号（323）。该方法还可以包括设置该DC偏置电流（322）的标称水平，监测与该DC偏置电流（322）关联的电压（324），以及至少部分基于监测该电压（324）确定电路连接性状态。

Description

用于利用DC偏置电流的连接故障自监测的系统、方法和设备

技术领域

本发明大体上涉及连接故障监测，并且具体地涉及利用DC电流的连接故障自监测。

背景技术

传感器系统常常需要多个连接器和长电缆线路来从传感器元件传送信号到位于远处的接收器和处理器。当连接器故障或当电缆产生导线断开状况，错误信号可传播而未被注意到并且可导致例如不安全的状况，或者正被监测的机器可不正确地运转直到操作员注意到该问题并且修复连接。在某些传感器中，特别地在基于线性可变差动变压器（LVDT）传感器中，远程产生的激励信号可以由例如屏蔽双绞线激励电缆提供给传感器元件。通过LVDT传感器耦合的作为传感器位置的函数的激励信号的振幅例如然后可经由单独的回流屏蔽双绞线传送回到远程接收器。存在某些断路连接场景，其中激励信号可经由屏蔽或接地路径从激励源耦合于接收器而没有从实际传感器换能。在这样的场景中，接收的激励信号可以表现为有效信号，并且可极难诊断和校正。

发明内容

上文的需求中的一些或全部可由本发明的某些实施例解决。本发明的某些实施例可包括用于利用DC偏置电流（biasing current）的连接故障自监测的系统、方法和设备。

根据本发明的示例实施例，提供方法用于获得测量并且检测与电压模式传感器关联的连接性故障。该方法可以包括将DC偏置电流耦合进入电路。该电路可以包括电压模式传感器，并且该电压模式传感器可以输出时变信号。该方法还可以包括设置该DC偏置电流的标称水平，监测与该DC偏置电流关联的电压，以及至少部分基于监测该电压确定电路连接性状态。

根据另一个示例实施例，提供系统用于获得测量并且检测连接性故障。该系统包括用于产生时变信号的电压模式传感器、差动放大器、可操作成在该电压模式传感器和该差动放大器之间传送信号的至少一个传送电缆，以及可操作用于提供DC偏置电流给包括该电压模式传感器和该至少一个传送电缆的电路的至少一个源。该系统还包括至少一个处理器，其与该差动放大器通信并且配置用于至少部分基于监测与该偏置电流关联的电压确定该电路的连接性。

根据另一个示例实施例，提供设备用于获得测量并且检测连接性故障。该设备包括与电压模式传感器通信的差动放大器、可操作用于提供DC偏置电流给该电压模式传感器的至少一个源，以及用于将该DC偏置电流从该至少一个源耦合于该电压模式传感器的一个或多个电阻器。

本发明的其他实施例和方面在本文中详细描述并且认为是所要保护的发明的一部分。其他实施例和方面可以参照下列详细说明、附图和权利要求理解。

附图说明

现在将参照附表和图，其不必须按比例绘制，并且其中：

图1是根据本发明的示例实施例的说明性位置感测系统的框图。

图2是具有通过接地或屏蔽完成的激励信号路径的常规LVDT电路的电路图。

图3是根据本发明的示例实施例的利用DC偏置电流的说明性自监测电路的框图。

图4是根据本发明的示例实施例的示例方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例将在下文参照其中示出本发明的实施例的附图更充分地描述。然而，本发明可采用许多不同的形式体现并且不应该解释为限制于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是全面和完整的，并且将充分地传达本发明的范围给本领域内技术人员。相似的号码始终指相似的元件。

本发明的某些实施例可实现与传感器系统关联的电路连接性问题的自监测。根据某些示例实施例，小偏置电流可注入电压模式传感器的电路路径使得该偏置电流流过所有串联连接、电缆和传感器。由于电压模式传感器的小电阻，当传感器和电缆电连接时该偏置电流可产生传感器两端的小压降，但该小压降可能不足以损害传感器信号源。根据本发明的示例实施例，传感器、电缆和/或连接器两端的压降在开路状况中可增加到更高的值。根据示例实施例，可在接收器监测压降以确定系统的连接性。根据示例实施例，系统监测可检测范围外的输入值并且引起待宣称的指示无效输入状况的警报或状态信号。可按照该信号行动以减轻该状况的影响和/或可存储该信号以用于稍后在系统诊断期间访问。

根据本发明的示例实施例，传感器系统可提供以测量一个或多个物理现象，例如位置、压力、温度、加速度、水平、电流、电压等。在示例实施例中，信号可认为是有效的，只要它们保持在它们的预期操作范围内即可。例如连接断开故障（open connection fault）可引起信号接收器产生在某个范围内的无效电压信号，并且可引起不当的、自毁或甚至不安全的系统行为。根据示例实施例，警报或健康状态信号可以在范围外的事件中触发以避免有害反应并且提供修复的诊断指导。在这样的具有冗余传感器输入的示例系统中，了解特定信号源出错可允许系统隔离该出错信号源直到它被修复为止，并且与剩下的有效输入正常反应，由此增加系统可用性。

在本发明的某些示例实施例中，传感器和检测器电路的正常操作范围可设置成补偿由偏置电流产生的小偏压，并且可允许对传感器输出和它的对连线、连接、电缆和其他连接性部件的激励两者上的断开的和短路的输入连线两者的检测。

现在将根据本发明的示例实施例参照附图描述用于提供偏置电流并且监测连接性的各种部件和电路。

图1图示根据本发明的示例实施例的示例位置感测系统100的框图。在某些示例实施例中，该系统100可以包括激励源和反馈检测器框102，其可包括用于产生激励信号104的激励源103、用于产生偏置电流的偏置电流电路122和用于从传感器116接收电压模式信号的差动放大器124。在本发明的某些实施例中，该传感器116可是电压模式传感器，例如线性可变差动变压器（LVDT）等。在本发明的某些示例实施例中，该激励信号104可经由激励电缆106传送到传感器116。在本发明的某些示例实施例中，该激励电缆106、传感器116和回流电缆120可提供直流信号（由偏置电流电路122产生）的路径以用于监测传感器和关联的电缆与连接的连接性。该激励电缆106例如可包括用于传送激励信号104和偏置电流到传感器116的双绞线导线。在本发明的某些示例实施例中，由传感器产生的（或可变直接耦合的）反馈信号118可经由回流电缆120传播回到差动放大器124。在某些示例实施例中，该反馈信号118可包括产生于传感器116两端的压降的直流（DC）电压分量，以及与激励信号104的缩放形式关联的交流（AC）电压分量。在本发明的示例实施例中，回流电缆120可包括用于传送反馈信号118到差动放大器124的双绞线导线。在示例实施例中，由差动放大器产生的信号可传送到处理器126用于进一步分析、记录或其他参数的控制。

根据本发明的示例实施例，激励电缆106和/或回流电缆120可包括屏蔽，其可联接到例如接地屏蔽条。在本发明的某些实施例中，激励电缆106和回流电缆120的电缆长度110可以具有相当可观的长度（例如，10-100米）使得双绞线到地的电容可为激励信号104的一部分提供非计划的路径以使其在电路开路场景下在差动放大器124的输入上显现，如现在将参照图2论述的。

图2示出LVDT位置传感器系统200的常规电路图以突出当激励信号通过地和屏蔽（经由电缆电容）耦合于接收器的输入时可以发生的问题。该系统200描绘其中AC激励源201在最左边并且接收器框220在最右边的感测系统的形式。在该场景中，屏蔽激励电缆203可供应来自AC激励源201的激励信号给在LVDT传感器202中的绕组。在某些系统中，LVDT传感器202可配置成允许小百分比的激励信号直接通过LVDT传感器202、通过屏蔽信号回流电缆204，并且到感测或负载电阻器210以供由运算放大器222测量。该系统200还描绘到地208（或到屏蔽）的电缆电容206。该电缆电容206可与电缆（203、204）的长度成比例，并且当电缆（203、204）长时可变得相当大。例如，500英尺（152.4米）电缆可具有大约0.03微法的到地电容，其可提供用于电流流到地（或到屏蔽）的路径。0.03微法的到地电缆电容可向例如3.2KHz激励信号提供大约1500ohm的到地路径。在示例场景中，其中电缆或连接器失灵并且在第一开路位点232或第二开路位点233形成开路，通过地（或屏蔽）的信号路径234可完成该电路，并且激励信号104的非计划部分可出现在差动放大器222的输入处的负载电阻器210的两端并且产生错误信号。

图3描绘根据本发明的示例实施例的自监测电路300。该电路300的示例实施例可便于检测在电缆连接、连接器和与电压模式传感器关联的其他部件中的开路状况。在示例实施例中，电路300可包括包括差动放大器304的感测框301、包括电阻器（303、306）和电压供应（308、310）的电流偏置框302（其是来自图2的框210的变型），以及电缆连接和传感器框320。在本发明的某些实施例中，正电压供应308可通过高侧偏置电阻器303供应偏置电流322。该偏置电流可流过电缆连接和传感器320，并且通过低侧偏置电阻器306到负电压供应310。根据本发明的示例实施例，电缆连接和传感器框320内的传感器可包括小串联电阻，其可引起传感器两端的具有偏压324的小DC压降。该偏压324和由传感器产生或传递的任何时变信号323然后可由运算放大器304检测。

根据本发明的示例实施例，正常操作偏压324可通过控制例如传感器串联电阻、偏置电阻器（303、306）和/或供应电压（308、310）等值设置。在本发明的某些示例实施例中，当偏置电流322路径的任何部分断路时，正电压供应308和负电压供应310之间的近似电压差可在差动放大器304的输入上出现，并且可由处理器326检测并且解释为断路。

用于获得测量并且检测与电压模式传感器关联的连接性故障的示例方法400现在将参照根据本发明的实施例的图4的流程图描述。该方法400在框402开始并且包括将DC偏置电流耦合进入包括电压模式传感器的电路，其中该电压模式传感器输出时变信号。在框404中，该方法400包括设置该DC偏置电流的标称水平。在框406，并且根据示例实施例，该方法400包括监测与该DC偏置电流关联的电压。在框408，该方法400包括至少部分基于监测该电压确定电路连接性状态。

根据本发明的某些示例实施例，可实现另外的方法元素。例如，在一个实施例中，方法可包括提供激励信号104给电压模式传感器116，并且监测来自电压模式传感器116的反馈信号118。在示例实施例中，该反馈信号118可至少包括该激励信号104的耦合部分（当电路300闭合时）。在某些示例实施例中，方法还可包括至少部分基于比较该反馈信号118的整流平均与电压极限来确定电路连接性状态。在示例实施例中，方法可包括监测来自电压模式传感器116的时变信号323并且至少部分基于监测该时变信号323来确定电路连接性状态。在本发明的示例实施例中，方法可包括将DC偏置电流322耦合进入与远程时变电压模式传感器116通信的本地端口，并且通过用一个或多个限流器303、306限制DC偏置电流322来设置DC偏置电流的标称水平。在示例实施例中，将DC偏置电流322耦合进入电路300可包括耦合来自至少一个源308、310的DC偏置电流。在本发明的某些示例实施例中，限流器303、306可是电阻器。在该方法的某些示例实施例中，将DC偏置电流322耦合进入电路可包括将DC偏置电流322耦合进入一个或多个信号电缆。

系统100的某些示例实施例可包括可操作成检测偏置电流322路径中的开路状况的自监测电路300。在示例实施例中，系统100可包括可操作用于提供激励信号104给电压模式传感器116的激励信号发生器103。在某些示例实施例中，至少一个处理器126配置用于监测来自电压模式传感器116的反馈信号118，其中该反馈信号118至少包括该激励信号104的耦合部分（当电路300闭合时）。

系统100的某些示例实施例可包括至少一个整流器或整流器电路，其用于将与电压模式传感器116关联的交流反馈信号118转换成直流信号，其中该直流信号可代表传感器输出和/或电路300连接性。在系统100的某些示例实施例中，至少一个处理器126可进一步可操作成用于监测来自电压模式传感器116的时变信号323并且至少部分基于监测该时变信号323来确定电路连接性状态。在某些示例实施例中，系统100可包括自监测电路300，其中该自监测电路300可包括至少一个源308、310，其可操作成用于将DC偏置电流322耦合进入电路300。在示例实施例中，耦合DC偏置电流322可包括将DC电流耦合进入与远程电压模式传感器和电缆连接320通信的本地端口。

因此，本发明的示例实施例可以提供形成提供传感器电路的连接性状态的自监测的某些系统、方法和设备的技术效果。本发明的示例实施例可以提供另外的技术效果，即是提供用于当传感器、连接器或连接电缆的连接性变化时产生与传感器电路关联的电压中的可测量变化的系统、方法和设备。

在本发明的示例实施例中，位置感测系统100和自监测电路300可包括任何数目的硬件和/或软件应用程序，其被执行以便于操作中的任何操作。

在示例实施例中，一个或多个I/O接口可便于位置感测系统100和自监测电路300与一个或多个输入/输出装置之间的通信。例如，通用串行总线端口、串行端口、盘驱动器、CD-ROM驱动器和/或一个或多个用户界面装置（例如显示器、键盘、小键盘、鼠标、控制面板、触摸屏显示器、麦克风等）可便于与位置感测系统100和自监测电路300的用户交互。该一个或多个I/O接口可用于从许多种输入装置接收或收集数据和/或用户指令。接收的数据可由如在本发明的各种实施例中期望的一个或多个计算机处理器处理和/或存储在一个或多个存储器装置中。

一个或多个网络接口可便于位置感测系统100和自监测电路300输入和输出与一个或多个适合的网络的连接和/或多个连接；例如，便于与关联于系统的任何数量的传感器通信的连接。该一个或多个网络接口可进一步便于到一个或多个适合的网络的连接；例如，局域网、广域网、互联网、蜂窝网络、射频网络、支持Bluetooth^TM（由Telefonaktiebolaget LM Ericsson拥有）的网络、支持Wi-Fi^TM（由Wi-Fi 联盟拥有）的网络、基于卫星的网络、任何有线网络、任何无线网络等，以便用于与外部装置和/或系统通信。

如期望的，本发明的实施例可包括位置感测系统100和自监测电路300，其具有在图1和3中图示的差不多的部件。

本发明在上文中参照根据本发明的示例实施例的系统、方法、设备和/或计算机程序产品的框图和流程图描述。将理解框图和流程图中的一个或多个框以及在框图和流程图中的框的组合分别可以由计算机可执行程序指令实现。同样，根据本发明的一些实施例，框图和流程图的一些框可能不必定必须采用提供的顺序进行，或可能根本不必定必须进行。

这些计算机可执行程序指令可装载到通用计算机、专用计算机、处理器或其他可编程数据处理设备上以产生特别的机器，使得在计算机、处理器或其他可编程的数据处理设备上执行的指令形成用于实现在流程图框或多个框中规定的一个或多个功能的工具。这些计算机程序指令还可存储在计算机可读存储器中，其可以指导计算机或其他可编程数据处理设备采用特别的方式起作用，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括实现流程图框或多个框中规定的一个或多个功能的指令工具的制品。作为示例，本发明的实施例可提供计算机程序产品，其包括具有包含于其中的计算机可读程序代码或程序指令的计算机可用介质，所述计算机可读程序代码适应于被执行以实现流程图框或多个框中规定的一个或多个功能。计算机程序指令还可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上以使一系列操作元素或步骤在计算机或其他可编程设备上执行以产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图框或多个框中规定的功能的元素或步骤。

因此，框图和流程图的框支持用于进行规定功能的工具的组合、用于进行规定功能的元素或步骤和用于执行规定功能的程序指令工具的组合。还将理解框图和流程图的每个框以及在框图和流程图中的框的组合可以由进行规定功能、元素或步骤的专用、基于硬件的计算机系统或专用硬件和计算机指令的组合来实现。

尽管本发明已经连同目前认为是最实用的和各种的实施例描述，要理解本发明不限于公开的实施例，而相反，本发明意在涵盖包括在附上的权利要求的范围内的各种修改和等同设置。尽管本文采用特定术语，它们仅在一般和说明意义上使用并且不是为了限制的目的。

该书面说明使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和进行任何包含的方法。本发明的专利范围在权利要求中限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。

部件列表

100	位置感测系统框图	102	激励源和反馈检测器框
				103	激励发生器	104	激励信号
106	长激励电缆（双绞线）	110	电缆长度
				116	传感器	118	反馈信号
120	回流电缆	121	屏蔽条
				122	偏置电流电路	124	差动放大器
126	处理器	200	LVDT位置传感器系统的电路图
				201	AC激励源	202	LVDT二次绕组
203	激励电缆	204	信号回流电缆
				206	到地或屏蔽的电缆电容	208	地
210	负载电阻器	220	接收器/缓冲器
				222	运算放大器	232	第一开路位点
233	第二开路位点	234	通过屏蔽电容的信号路径
				300	利用DC偏置电流的自监测电路	301	感测框
302	电流偏置框	303	限流器（高侧偏置电阻器）
				304	运算放大器	306	限流器（低侧偏置电阻器）
308	正电压供应	310	负电压供应
				320	传感器和电缆连接	322	偏置电流
323	时变信号	324	偏压
				326	处理器	400	方法流程图
402	框	404	框
				406	框	408	框

Claims (20)

1.一种用于获得测量并且检测与电压模式传感器关联的连接性故障的方法，其包括：

将DC偏置电流耦合进入包括电压模式传感器的电路，其中所述电压模式传感器输出时变信号；

设置所述DC偏置电流的标称水平；

监测与所述DC偏置电流关联的电压；以及

至少部分基于监测所述电压确定电路连接性状态。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括提供激励信号给所述电压模式传感器，并且监测来自所述电压模式传感器的反馈信号，其中当所述电路闭合时所述反馈信号至少包括所述激励信号的耦合部分。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括至少部分基于比较所述反馈信号的整流平均与电压极限来确定电路连接性状态。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括监测来自所述电压模式传感器的时变信号并且至少部分基于监测所述时变信号来确定电路连接性状态。

5.如权利要求1所述的方法，其中耦合所述偏置电流包括将电流耦合进入与远程时变电压模式传感器通信的本地端口。

6.如权利要求1所述的方法，其中设置所述DC偏置电流的所述标称水平包括用一个或多个限流器限制所述DC偏置电流。

7.如权利要求1所述的方法，其中将所述DC偏置电流耦合进入所述电路进一步包括将DC偏置电流耦合进入一个或多个信号电缆。

8.一种用于获得测量并且检测连接性故障的系统，其包括：

用于产生时变信号的电压模式传感器；

差动放大器；

能操作成在所述电压模式传感器和所述差动放大器之间传送信号的至少一个传送电缆；

能操作成用于提供DC偏置电流给包括所述电压模式传感器和所述至少一个传送电缆的电路的至少一个源；以及

至少一个处理器，其与所述差动放大器通信并且配置成用于至少部分基于监测与所述偏置电流关联的电压来确定所述电路的连接性。

9.如权利要求8所述的系统，进一步包括用于将所述DC偏置电流从所述至少一个源耦合进入所述电路的一个或多个电阻器。

10.如权利要求8所述的系统，进一步包括能操作成用于提供激励信号给所述电压模式传感器的激励信号发生器，其中所述至少一个处理器配置成用于监测来自所述电压模式传感器的反馈信号，其中当所述电路闭合时所述反馈信号至少包括所述激励信号的耦合部分。

11.如权利要求8所述的系统，进一步包括用于将与所述电压模式传感器关联的交流反馈信号转变成直流信号的整流器，其中所述直流信号表示传感器输出和电路连接性。

12.如权利要求8所述的系统，其中所述至少一个处理器进一步能操作成用于监测来自所述电压模式传感器的时变信号，并且至少部分基于监测所述时变信号来确定电路连接性状态。

13.如权利要求8所述的系统，其中所述至少一个源能操作成用于将DC偏置电流耦合进入所述电路，其中耦合所述DC偏置电流包括将DC电流耦合进入与远程电压模式传感器通信的本地端口。

14.一种用于获得测量并且检测连接性故障的设备，包括：

与电压模式传感器通信的差动放大器；

能操作成用于提供DC偏置电流至所述电压模式传感器的至少一个源，以及

用于将所述DC偏置电流从所述至少一个源耦合进入所述电压模式传感器的一个或多个电阻器，其中故障的连接性至少部分基于监测与所述偏置电流关联的电压来确定。

15.如权利要求14所述的设备，进一步包括至少一个处理器，其与所述差动放大器通信并且配置成用于至少部分基于监测与所述DC偏置电流关联的电压来确定所述电压模式传感器的连接性。

16.如权利要求15所述的设备，进一步包括能操作成用于提供激励信号至所述电压模式传感器的激励信号发生器，其中所述至少一个处理器配置成用于监测来自所述电压模式传感器的反馈信号，其中所述反馈信号包括至少所述激励信号的耦合部分。

17.如权利要求15所述的设备，其中所述至少一个处理器进一步能操作成用于监测来自所述电压模式传感器的时变信号，并且至少部分基于监测所述时变信号来确定电路连接性状态。

18.如权利要求15所述的设备，其中所述至少一个处理器进一步配置成用于当与所述DC偏置电流关联的所监测的电压在范围之外时输出警报或状态信号。

19.如权利要求14所述的设备，其中所述至少一个源能操作成用于将所述DC偏置电流耦合至所述电压模式传感器，其中耦合所述DC偏置电流包括将电流耦合进入与远程电压模式传感器通信的本地端口。

20.如权利要求14所述的设备，进一步包括用于将与所述电压模式传感器关联的交流信号转变成直流信号的整流器。