CN105190251A - 用于过程仪表设施的测量变换器和用于监控其传感器状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于过程仪表设施的测量变换器(1)，其具有用于检测物理或化学参量的传感器(S)，所述传感器的供电电压(Vref)通过横向调节器(R2，R3，OP1，T1，Rm)调节到一个恒定值上。为了检测传感器误差，测定通过横向调节器设定的、并行于传感器(S)流动的电流(Ip)的电流强度，并且监控对预设标准的遵守。由此能够以尤其简单且有效的方式确定传感器(S)的故障状态。

Description

用于过程仪表设施的测量变换器和用于监控其传感器状态的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于过程仪表设施的测量变换器，其具有用于检测物理或化学参量的传感器，以及涉及一种根据权利要求6的前序部分所述的用于监控传感器状态的方法。

背景技术

在过程技术设备中为了控制过程使用用于过程仪表设施的多种场设备。测量变换器例如用于检测过程变量、例如温度、压强、通流量、料位、介质的气体浓度或密度。借助于通常安装在平坦基底上的传感器将物理或化学参量转换成电测量信号。所述基底于是用作为将灵敏的传感器机械地固定在载体上，并且还用作为相对于外部影响的保护，例如用于改进电磁兼容性。尤其在压阻的压强传感器的情况下，存在将传感器的电传感器元件安装到基底上的可行性，该元件嵌入基底中并且基底添加在所述元件附近，其中电元件和基底之间存在电接触。二极管类型的PN结在适当地施加电压的情况下用于将元件和基底的电分离。将信号从传感器引导到外部接触部的电导线为了评估信号而连接到驱控和评估装置上，所述驱控和评估装置例如经由现场总线将相应于相应压强的测量值输出给主站或可编程逻辑控制器。

从EP2269009B1中已知用于过程仪表设施的测量变换器，其中对基底的状态监控因化学污染引起的变化，所述基底承载用于产生测量信号的传感器的电元件。附加地，对传感器元件和其连接线路监控断裂，即监控电中断。

传感器断裂的检测例如能够经由对连接成惠斯通电桥的测量电阻的电流消耗的测量来进行，所述测量电阻通常能够称作为传感器元件。因为所述电阻的温度灵敏度与其压强灵敏度相比较高，所以需要高精确地测定所消耗的电流以及附加的温度补偿。对此所需的、高精度的测量电阻装置由于所需要的低器件偏差以不利的方式与高的耗费联系在一起。因为在总是更多地应用测量变换器时，在测量物理和化学参量时需要极其高的可靠性，然而总是能够更少见地弃用对传感器监控故障或短路，其中所述可靠性通过相应的认证、例如根据IEC61508来确认。在此，传感器的故障还能够由于信号和/或供电线的拉断或例如在电阻性的压强传感器中因嵌入基底上的材料的短路而引起，所述信号和/或供电线能够作为基底上的导线构成或能够构成为接合线。

发明内容

本发明基于如下目的：实现一种用于过程仪表设施的测量变换器，其中能够可靠地且以小的耗费对传感器的状态监控传感器或馈线的断裂或拉断。

为了实现所述目的，开始提出类型的新型的测量变换器具有在权利要求1的特征部分中提出的特征。在从属权利要求中描述了本发明的有利的改进形式并且在权利要求6中描述了监控方法。

横向调节器、也称作为并联调节器或分路调节器并联于传感器，并且总是消耗必须经由与传感器串联的电阻引导的那样多的电流，以便将在电阻上降下的电压进而传感器的供电电压保持恒定。如果传感器消耗更高的电流，通过横向调节器设定的电流则因此相应地下降。相反地，当经由传感器例如由于其温度相关性而流动较小的电流时，横向调节器则设定更高的电流。因为传感器的供电电压通过横向调节器保持恒定，那么所述供电电压尽可能与温度无关。这具有的优点是：测量信号与传感器的供电电压的可能的非线性相关性不影响测量变换器的测量精度。对传感器消耗的电流的间接测量和其用于检测故障表现或短路的监控在此具有的优点是：其具有相对于评估电子装置中的器件偏差的相对小的敏感度。

因此，本发明具有如下优点：以尤其简单的方式且以小的耗费能够对传感器监控变化，其中所述传感器设置用于检测测量变换器中的物理或化学参量，其中所述变化例如伴随有基底中的裂纹形成或线断裂。在此能够出现：基底的裂纹形成已经引起通过横向调节器设定的、并行于传感器流动的电流的可检测到的变化，而在传感器中还仅引起其用于产生测量信号的特性的悄然变化进而引起测量值的偏移、即所谓的漂移，所述漂移仅表达为测量值扭曲并且在没有应用横向调节器的情况下借助电流评估不能够识别为故障。因此，测量变换器提供的测量值的可靠性也被改进。在出现例如识别为电流过高的故障的情况下，测量变换器输出故障通知，并且一个其中使用测量变换器的过程必要时能够进入到安全状态中。因此，可能的误差的引入到安装状态中的份额提高了所谓的“安全失效分数(SFF)”。

如已经在上面阐述：通过传感器和与其并联的横向调节器消耗的电流的总和尽可能是恒定的。因此，几乎不出现电流消耗的样本特定的波动，并且在传感器单元和驱控和评估电子装置的模块化的构造中并不进行将接口样本特定地匹配于传感器单元的相应的电流消耗。本发明因此适宜地作用于测量变换器的模块性。这尤其在其中传感器单元必须与驱控和评估装置分开设置的测量变换器的结构中是有利的。例如，在传感器单元构成用于使用在区0的易爆区域中时可行的是：将传感器单元设置在箱体之内，而所属的仅适合于区1的易爆区域的驱控和评估装置位于箱体之外。

当在传感器单元中测定传感器温度且将分别相关联的极限值以温度特征曲线的形式保存时，能够实现监控的尤其良好的反应灵敏度，其中监控所述极限值的超过情况作为用于检测故障的预设的标准。

在本发明的尤其有利的设计方案中，在传感器功能完好且传感器的电流消耗最大的情况下通过横向调节器仅设定相对小的并行于传感器流动的电流。当设定了例如与在传感器的最小电流消耗时相比小了一个数量级的电流时，因此有利地仅非显著地提高了通过横向调节器引起的总电流消耗。这适宜地影响测量变换器的电流消耗。

用于确定并行于传感器流动的电流的尤其简单的可行性是：经由测量电阻引导所述电流，所述测量电流接入到要测定的电流的路径中。出现的电流值的区域能够通过为了简化评估而适当地确定电阻值来反映到宽的电压范围上。如此产生的电压信号例如能够为了评估而引导到用于数字继续处理的数模转换器上，或者为了与预设极限值比较而输出到比较器输入端上，其中所述电压信号的值等于电流强度的相应值，在所述比较器输入端的另外的输入端处施加等于相应的预设极限值的比较电压。

为了将测量信号转换成数字测量值，通常设有模数转换器。为了改进测量变换器的测量精度有利的是：将传感器的供电电压引导到其参考电压输入端上。这允许高精度的比率式的测量，所述测量与传感器的供电电压的小波动无关。

附图说明

下面，根据其中示出本发明的实施例的附图详细阐述本发明以及设计方案和优点。

其示出：

图1示出了第一实施例的电路图，

图2示出了第二实施例的电路图，和

图3示出了电流图表。

在附图中彼此相应的部件设有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中仅示出测量变换器1的有助于更好理解本发明的部分，所述部分用于检测物理或化学参量、例如压强。在构成为压强灵敏的膜片的衬底上将传感器S的四个应变灵敏的电阻互联成惠斯通电桥。在测量变换器运行中将基本上恒定的供电电压Vref施加到所述惠斯通电桥上。电流Is流动通过基本上由惠斯通电桥构成的传感器S，所述电流一方面与相应存在的压强相关，但是另一方面也与温度相关。在接口X+和X-之间能够分接电压，所述电压的电平对应于相应的压强，并且所述电压在所示出的实施例中是测量信号，所述测量信号通过传感器产生。测量信号以已知的方式通过驱控和评估装置2继续处理成用于物理或化学参量的测量值，所述测量值在过程技术设备中使用测量变换器1时经由现场总线3例如输出给自动化设备或主站。

限制电流的电阻R1连接在传感器S的恒定的供电电压Vref和供电电压Vcc之间。通过横向调节器与传感器S并联并且将在电阻R1上下降的电压V1调节到恒定的值上，其中所述横向调节器包括由两个电阻R2和R3构成的分压器、运算放大器OP1、晶体管T1和接地的测量电阻Rm。在供电电压Vcc基本上恒定的情况下，因此传感器S的供电电压Vref也尽可能是恒定的且与其温度无关。同样地，经由电阻R1流动的电流Io通过横向调节器保持恒定。并行于传感器S流动的且通过横向调节器设定的电流Ip因此相反于流动经过传感器S的电流Is。如果传感器S的欧姆表现由于故障、例如基底的污染而出现的泄漏电流、基底中的裂纹、导线短路或短路而改变，那么通过横向调节器设定的电流Ip相应地改变，并且在电阻Rm上下降的电压由此而改变。因此，借助电阻Rm获得对应于电流Ip的电流强度的电压，所述电流强度又相反于电流Is的电流强度。因此，在传感器S处出现故障能够通过对电流Ip的所测定的电流强度监控预设标准的遵守情况来确定。在所示出的实施例中，借助于运算放大器OP2对电流Ip的电流强度监控超过预设的阈值的情况，所述阈值借助于驱控和评估装置2的和连接在下游的低通滤波器的脉宽调制的输出端PWM产生，所述低通滤波器作为RC环节由电阻R4和电容C1构成。运算放大器OP2的输出端被引导到驱控和评估装置2中的数字输入端Int上。如果出现基底的或连接线路的拉断或断裂，那么这引起数字输入端Int处的电平切换。例如在将适当的软件应用于对在驱控和评估装置2中使用的微处理器进行编程时，所存在的信号状态能够通过所谓的轮询(Polling)来确定。同样地，能够应用微处理器的中断输入端，如其在当前的实例中的情况那样。

温度相关的电阻RT用于检测传感器S的温度并且与驱控和评估装置2的输入端ADC连接，在所述驱控和评估装置中通过数模转换器的确定数字的温度值。根据相应的温度值，相应于存储在驱控和评估装置2中的温度特征曲线，一方面执行测量值的温度补偿以改进测量精度，并且另一方面执行对用于传感器监控所需的极限值的匹配。

电阻R5使得能够比率式评估传感器S的测量信号并且因此同样用于改进测量精度，其中经由所述电阻将传感器S的供电电压Vref引导到驱控和评估装置2上。

图2示出相对于图1稍微修改的实施例，其中传感器单元4构成用于使用在易爆的区0中。在此，电阻R1是确定通过传感器单元4所消耗的功率的元件。位于传感器单元4的降低功率的区域的边界上的电阻R2、R5、R6和R7是相对高欧姆的。电流Ip通过运算放大器Op1的输出晶体管来设定，由此能够弃用附加的晶体管(图1中的T1)。

在根据图3的电流图表中，示出了并行于传感器流动的电流Ip与流动经过传感器的电流Is的相关性，流动经过传感器的电流本身又相应于函数f(T)而取决于传感器的温度T。根据温度T，电流Is位于最小值Ismin和最大值Ismax之间。通过横向调节器，相反于此设定电流Ip，如其在图3中通过曲线30表明的。在流动经过传感器的电流Is的最大值Ismax时、即在传感器的电流消耗最大的情况下，为电流Ip设定值Io-Ismax。该值相对于通过传感器最大消耗的电流Ismax较小。因此，通过横向调节器仅非显著地提高传感器单元的电流消耗。

电流Ip的在不同的温度下分别平均可预期的值例如能够作为关于温度的特征曲线来示出。为了在监控时并不由于器件偏差而出发故障报警，必须为了检测传感器故障表现而将温度特征曲线形式的极限值存储在驱控和评估装置2(图1和2)中，所述温度特征曲线稍微位于上方。因此，以简单的方式通过温度特性曲线向上平行移动一定数值进行对极限值的测定，所述数值稍微超过期望值的允许的偏差。

Claims (6)

1.一种用于过程仪表设施的测量变换器，所述测量变换器具有用于检测物理或化学参量的且用于产生测量信号(X+，X-)的传感器(S)和具有用于依赖于所述测量信号确定和输出所述物理或化学参量的测量值的驱控和评估装置(2)，其中所述传感器(S)与电阻(R1)串联以监控断裂，其特征在于，横向调节器(R2，R3，OP1，T1，Rm)与所述传感器(S)并联以用于对所述传感器供应恒定的电压(Vref)，并且设有用于测定通过所述横向调节器设定的、并行于所述传感器流动的电流(Ip)的电流强度的且用于根据对所测定的所述电流强度对预设的标准的遵守的监控来检测传感器故障的机构(Rm，OP2，R4，C1，2)。

2.根据权利要求1所述的测量变换器，其特征在于，存在用于测定传感器温度的机构(RT)，并且作为预设的标准对所述电流强度监控超过极限值的情况，所述极限值依赖于所测定的温度来预设。

3.根据权利要求1或2所述的测量变换器，其特征在于，所述横向调节器的调节区域预设成，使得在传感器功能完好且所述传感器的电流消耗最大的情况下仅设定相对小的并行于所述传感器流动的电流(Ip)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的测量变换器，其特征在于，测量电阻(Rm)接入到所述电流(Ip)的路径中，用于确定并行于所述传感器(S)流动的电流(Ip)的电流强度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的测量变换器，其特征在于，所述传感器(S)的供电电压(Vref)被引导到模数转换器的参考电压输入端上，所述模数转换器设置用于转换所述测量信号。

6.一种用于监控传感器(S)的状态的方法，所述传感器在用于过程仪表设施的测量转换器(1)中用于检测物理或化学参量并且用于产生测量信号(X+，X-)，其中，所述测量转换器具有驱控和评估装置(2)，用于依赖于所述测量信号确定和输出所述物理或化学参量的测量值的，并且其中，所述传感器(S)与电阻(R1)串联以监控断裂，其特征在于，通过并联的横向调节器(R2，R3，OP1，T1，Rm)将所述传感器(S)的供电电压(Vref)调节到恒定的数值上，测定通过所述横向调节器设定的、并行于所述传感器(S)流动的电流(Ip)的电流强度，并且根据监控所确定的所述电流强度对预设标准的遵守来检测传感器故障。