CN1236463A - 用于基于电阻的传送器的诊断 - Google Patents

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Abstract

过程控制系统中的一个传送器(100)包含一阻抗传感器(110),以用来感知过程变量并且提供传感器输出。耦合到传感器(110)的传感器监测电路(116)提供一个与传感器(110)有关的次级信号。耦合到传感器输出和传感器监测电路(116)的模数转换电路(114)提供了一个数字化的传感器输出和一个数字化的次级信号。耦合到过程控制回路路(102,104)的输出电路(124)传送一个与传感器的残留期有关的残留期估计。存储器存有一系列的与次级信号和传感器(110)有关的预测结果(120)。诊断电路(118)提供作为存储于该存储器中的预测结果(120)、数字化的传感器输出和数字化次级信号的一个函数的残留期估计。

Description

用于基于电阻的传送器的诊断
本发明涉及用于过程控制工业型的传送器。更确切的说，本发明涉及用于过程控制传送器的诊断。
过程控制传送器用于监测工业过程中的过程变量。例如，某传送器可能监测压力、温度或流量并且把这些信息传回控制室。而且，这些传送器可以直接完成控制功能。为了监测某个过程变量，传送器必须包括某种类型的传感器。例如，传送器可能包括具有一定容抗或阻抗的传感器，其容抗或阻抗能随温度，形变或应力而变化，从而使传送器可以测量温度、压力、流量、海拔、pH值或浊度。
随着传感器的老化或由于恶劣的回路境条件的影响，传感器的准确性逐渐变差。补救的方法之一是定期地重新测量此传送器。一般来说，这要求操作员进入现场对传送器进行测量操作。对操作员来说，这是一件费时又麻烦的事情。而且，这种方法在传感器最终失效之前很难确定传感器的状态。
随着传感器的老化，必须定期进行替换。但是，很难精确的知道何时必须进行替换。因此，传感器或者是远在它们失效之前就被替换了，或者是意外失效。
一个过程控制系统中的传送器用一个基于阻抗的传感器来测量过程变量并且产生一个传感器输出。耦合于传感器的监测电路提供一个与传感器有关的次级信号。耦合于传感器输出的模数转换电路与传感器监测电路提供一个数字化的传感器输出，而且至少有一个数字化的次级信号。这六个次级信号包括传感器阻抗变化(ΔR1)，壳芯电压(VP)，绝缘阻抗(RIR)，α的变化(Δα)，δ的变化(Δδ)，自热(SH)。存储器储存了一系列有关次级信号和传感器的预测结果。诊断电路提供作为存储于存储器中的预测结果、数字化的传感器输出和数字化次级信号的一个函数的残留期估计。耦合于过程控制回路的输出电路传送有关传感器残留期的估计值。
图1是一个包含依照本发明的传送器的过程控制系统。
图2本发明的传送器的方块图。
图3是依照本发明的一个实施例的传送器的简化方块图。
图4是简化神经网络图。
图5A是一神经网络图，它包含多个输入信号以用来提供从传送器输出的残留期估计。
图5B是一温度传感器的残留期-时间曲线图。
图1是过程控制系统2的简图，它包括现场安装的传送器40，它通过一双线过程控制回路6耦合到控制室4。传送器40监测处理管道18的处理流体的温度，但是本发明可用于任何基于阻抗的过程变量测量，如阻抗压力测量。传送器40通过控制流经回路6的电流由回路6往控制室4传送温度信息。例如，流经回路6的电流可以被控制在4-20mA之间，从而可以调整到用以指示温度。而且传送器40可以通过回路6往控制室4传送与温度有关的数字信息，如用HART或Fieldbus协议。传送器40包括了此处将要详细描述的电路，它将提供与温度传感器操作有关的高级诊断。
本发明的过程控制传送器的方块图在图2中示出。传送器100一般配置为双线传送器，它有两个端子102,104，这两个端子电耦合于一个为传送器100提供电源并与之通信的控制器。此控制器的电子模型在图2中示出，其中电阻106与电源108相连。在本发明中传送器100也可是3线或4线传送器。
本发明也可用软件实现，软件驻留在一控制系统中许多回路节中的任意一个即可。特别地，本发明如果用软件实现的话，可以驻留在一控制系统，甚至是在最终控制元件，例如，阀门、马达或开关中。而且，现代数字协议如Fieldbus、Profibus和其他协议，可以使实现本发明的软件在控制系统的不同部分能相互通讯，并且把传送器感知到的控制变量送达软件。
基于阻抗的传感器R1(标号为110)用于在一过程中感知过程变量。过程变量代表压力、温度等能影响传感器R1电阻的因素。传感器110可以是基于压敏电阻的传感器，这在感应压力时用得较多，或者是一铂阻温度计，以用来在一过程控制应用中感知温度。传感器110的输出是一模拟信号，在A/D转换和补偿电路114中经过信号调整和恰当的数字化。传感器110的输出电连接到传感器监测电路116，监测电路116输出一些次级信号到总线118上，这些次级信号代表传感器110阻抗变化(ΔR1)、绝缘电阻、壳芯电压(VP)、α的变化(Δα)、δ的变化(Δδ)，自热(SH)。测量每个次级信号的电路规格将要在下文中讨论。A/D转换和补偿电路114也通过查表或多项式曲线拟合方程等方法来补偿初级变量R1的已知重复性误差。为了节约能源，电路114最好用低功耗的微处理器来实现。由于传送器100完全由传送器100，电源108和电阻106所形成的双线回路来供电，在本发明中节能显得极为重要。
由传送器100中的传感器110感知到的数字化的初级过程变量和数字化的次级信号耦合到诊断电路118。同样出于传送器100节能的考虑，诊断电路118最好用低功耗微处理器来实现，如摩托罗拉6805HC11。
包含每个次级信号预测结果(有时也叫标称值)的存储器标号为120。存储器120输出到诊断电路118，诊断电路118产生一输出122来指示传感器110的残留期(即残留期估计)。例如，对次级信号ΔR1，存储器120存储了传感器110某一特定时间段的预测变化值或漂移值。预测数值取决于所用传感器的型号、生产方法、传送器100在特定应用中的精度。根据经验，存储的ΔR1一般通过测量许多传感器110的产品样本而由计算得到。存储的RIR值同样是基于传感器110的产品样本，代表了传感器110的外壳与传感器110之间的阻抗。此发明申请的受让人罗斯蒙德(Rosemount)生产了多种型号的PRT，可以作为传感器110使用。每种型号有特定的外壳到传感器的阻抗IR。存储器120中还存有VP值。VP值代表了传感器110与外壳之间的电压，理想情况下该值基本为0。但是，如果传感器中有水分进入，传感器中的不同金属通过电耦合就会产生一个电压。考虑大数目产品样本的VP之后，存储器120中存储了一个近似于0的次级信号经验值。存储器120中还存储了Δα,Δδ的值，此值与PRT传感器的温度-阻抗特征有关。生产过程与指定精度决定了Δα,Δδ的预测值，这是基于传感器110的大数目产品样本的经验测定。存储器120中还存储了SH值。SH值是传感器中一个小偏移脉冲产生之后加热或者冷却PRT传感器110的预测时间常数。
诊断电路118接收存储器120的存储内容，然后计算残留期估计122。诊断电路计算作为预测结果、传感器110的数字化输出和一个数字化次级信号的函数的传感器110的残留期估计。对于在电路118中使用的计算方法的一个最佳实施例是一系列的多项式。然而，电路118也可用许多其他方法来实现，例如神经网络、门限电路、自回归模型或模糊逻辑。
输出电路124从电路118接受到残留期估计，从传感器110接受调节输出，合适的情况下，把残留期估计输出到双线回路路。
图3是根据本发明的而做的一个连接到RTD温度传感器10的传送器40的方框图。传送器40包括终端块44、电流源45、多路复用器46、差分放大器48、高精度A/D转换器50、微处理器52、时钟电路54、存储器56、以及输入输出电路58。
终端块44包括端子1，可通过5耦合到RTD温度传感器10，或热偶温度传感器60(见图5)。传感器10和60既可在传送器40的内部，也可在其外部。传感器10包括RTD传感器元件61，其电阻R1随紧靠壳12周围的回路境温度变化而变化。导线16包括四个元件引线62、64、66、68，和一个有壳导线70。导线62连接传感器元件61和端子3，导线66连接传感器元件61和端子2，导线68连接传感器元件61和端子1。有皮导线70连接传感器壳12和端子5。
电流源45连接到终端块44，且通过终端4、传感器元件61、端子1、参考阻抗RREF、下拉电阻R2、接地端72提供电流测量值IS。传感器元件61在终端23之间有一压降，此压降是电阻R1和传感器元件61温度的函数。参考电阻RREF连接终端1和下拉电阻R2。
多路复用器46由两部分组成，即一主动多路复用器和一参考多路复用器。主动多路复用器具有连接到差分放大器48的非反相端的输出端，参考多路复用器具有接到差分放大器48的反相端的输出端。微处理器52控制多路复用器46连接到多路模拟信号，包括端子1到端子3的信号，连接到差分放大器48的反相端和非反相端。差分放大器48具有连接到到A/D转换器50输出端。在一个实例中，A/D转换器50有17位精度，14采样/秒的转换速率。A/D转换器50把差分放大器48的输出转换为数字值，并把此值提供给微处理器52，用于分析或通过输入输出电路58与过程控制回路42进行通信。
在一个最佳实施例中，输入输出电路58包括一HART通讯部分，一FIELDBUS通讯部分，一4-20mA模拟回路部分，模拟回路部分根据所选协议以一种已知的方式通过回路42进行模拟和双向数字通讯。其他协议也可使用，例如，在电源分开的情况下，可以使用四线配置。回路42通过输入输出电路58为传送器40的不同部件提供电源。传送器40完全由双线回路42供电。
存储器56存储了微处理器52的指令和信息。微处理器52的工作速度由时钟电路60来决定。时钟电路60包括一实时时钟和一精密高速时钟，后者用于控制A/D转换器50的操作。微处理器52完成几种功能，包括控制多路复用器46和A/D转换器50，通过回路42控制通信、温度计算、漂移纠正、电路诊断、存储传送器配置参数以及进行传感器诊断。
微处理器52利用如下的等式来计算RTD传感器元件61的温度主值： R 1 = V R 1 V RREF ( R REFNOM )                                                     (等式1)
其中：
    R1=     RTD传感器元件61的阻抗；
    VR1=    RTD传感器元件61的压降；
    VRREF=  RREF的压降VRREF
    RREFNOM=参考电阻RREF的标称阻抗的欧姆值，此阻抗可能存于
            存储器56中
微处理器52测量端子2和3之间的RTD传感器61的压降VR1和多路复用器46的参考电阻RREF的压降。在如图2所示的四线电阻测量中，端子2和3连接之间的压降大部分被消除了，这是因为，大体上电流IS都流经端子1和4，从而对测量的准确度影响很小。微处理器52通过查表或存储在存储器30之间的合适的等式把测量到的电阻R1转换为温度单位。
热噪声在测量PRT传感器61的电阻或下面的六个次级信号的应用中可以用来测量电阻。
                    Ⅱ．测量次级信号
本发明测量或确定用于传送器高级诊断的次级信号/输入。次级信号包括：传感器电阻的变化(ΔR1)、壳芯电压(VP)、绝缘电阻(RIR)、α的变化(Δα)、δ的变化(Δδ)、以及自热(SH)。
A．传感器电阻的变化
RTD传感器元件61电阻的变化(ΔR1)由如上所述的监测R1的方法确定。微处理器利用时钟54监测R1和时间信息。R1值和此时的时间存储在存储器56中。在实例中，只有R1的变化和变化发生的时间段被存储下来。
B．壳芯电压和绝缘电阻
传送器40利用壳芯电压测量电路76和绝缘电阻测量电路80来测量壳芯电压VP和绝缘电阻RIR。在温度传感器10中，由于传感器中不同金属被由陶瓷杂质离子组成的电解质分开或者是由于水分侵入系统，在传感器壳12和传感器元件61之间有时会产生电压。壳芯电压在图3的模型中示为电压源VP。传送器40通过壳芯电压测量电路76来测量电压VP。当测量壳芯电压时，微处理器52关掉外部电压源或电流源，如连接到温度传感器10的电压源45，因此放大器78只测量传感器10中由电解作用引起的电压。
电路76有一个放大器78，它有一个耦合到端子1的反相输入，耦合到端子5的非反相输入，耦合到A/D转换器50的输出。放大器78因此横跨传感器10的绝缘电阻层(即横跨壳12和元件引线62、64、66、68中的一个)，所以能够测量绝缘电阻层的电压差。A/D转换器50在微处理器52的控制下以一定的速率采样由放大器78提供的壳芯电压。微处理器52在存储器56中储此采样值，从而就可根据多项式等式，以一个关于存储的预测值VP，新存储的VP值的函数来计算残留期估计。
绝缘电阻测量电路80测量传感器10中的传感器壳12和传感器元件61之间的绝缘层，在图3的模型中由绝缘电阻RIR表示。传感器壳12应该与传感器元件61和元件引线62,64,66，和68电隔离。绝缘电阻RIR是传感器壳12和任一元件引线62,64,66,68之间的电阻。在一个好的传感器中绝缘电阻RIR应该很大，为100-500兆的量级。若绝缘电阻小于一兆，则此传感器不能使用。测量电路80包括电压源82，测量电阻R3，放大器84和开关86。电压源82连接于电阻R3和端子72之间。测量电阻R3连接电压源82、开关86、绝缘电阻RIR、其中绝缘电阻RIR连接参考电阻RREF和下拉电阻R2。测量电阻R3、绝缘电阻RIR、参考电阻RREF、下拉电阻R2在电压源82和地终端之间形成一个电流路径。
流经此路径的电流是从传感器壳12到RTD传感器元件R1的泄漏电流，这是一个绝缘电阻RIR的函数。测量电阻R3的压降是泄漏电流IL的函数，因此也是绝缘电阻RIR的函数。放大器84的反相和非反相端的输入横跨测量电阻R3，从而可以测量R3上的压降。放大器84有一个很小的输入偏流。放大器84连接到A/D转换器50，而A/D转换器50在微处理器52的控制下以一定的速率把测量值转化为数字值。微处理器52把RIR的数字化值存在存储器56中。当进行绝缘电阻测量时，微处理器52关掉电流源45和开关86，把电路80和终端5连接起来，从而驱动流经绝缘电阻RIR的泄漏电流IL。只要测量完成，微处理器就打开开关86，也就把处理器壳和电压源82断开。微处理器52中的诊断电路根据一多项式，利用存储器56中预测值RIR新的测量值RIR来计算残留期输出。
C．测量传感器α,δ
α,δ是和特定的基于阻抗传感器的电阻-温度斜率有关的常数。它的计算方法请参考罗斯蒙德(Rosemount)在1985年出版的《RPT手册公告1042》。三个不同的R1值存在存储器56中，有时在过程的启动阶段就被使用，有时为了在微处理器52计算α,δ之前得到R1的足够大的差值，几天之后再使用这些值。一旦计算结果出来，新计算的α,δ只和存储器56中的预测值比较，从而得到Δα,Δδ。
残留期估计由Δα,Δδ得到，然后输出到I/O电路58和回路42上。
D．自热
利用电流源140，往RTD61中注入一已知电流ISH。一般情况下，RTD61的其他电流路径被切断，则所有的ISH电流流过RTD61。电流ISH导致RTD61发热，从而使电阻R1发生变化，R1可用如上所述的办法测量。由于电流ISH而产生的R1的电阻变化可由微处理器52监测到，并将在下文中使用。
而且，这种技术可用于测量传感器的温度时间常数。一旦传感器电流回到正常值，就可以得到一系列的DC值，从而得到传感器的温度回到常值的时间。时间常数由此时间段得到，并且此时间常数作为一个次级信号。如果过程温度发生变化，在这段时间内多次使用这种技术，平均之后就可得到一个最终值。一个长时间段内的时间常数的变化表明传感器和t-阱之间的热连接正在变差，或者是传感器元件和壳之间的绝缘性能正在变差。
                       Ⅲ．诊断电路
微处理器52至少利用如上所述的次级信号中的一个来诊断和传送器有关的操作。下面将要讨论在传送器40中实现诊断电路的一些实例。残留期估计代表着传感器的失效情况。在实例中，正常状态的输出指示着传感器的残留期，从而可以在适当的时机更换传感器。也可以在传感器失效之前往控制室4送一个报警信号。
A．多项式曲线拟合
本发明的诊断电路52的一个最佳实施例是利用经验模型或者多项式曲线拟合。
一个多项式等式被用来计算残留期估计，此多项式以六个次级信号作为变量项，是此六个次级信号和存储器56中所存常数的组合。如果传送器的存储器有限，常数和(或)等式可通过双线回路送到传送器40。
B．神经网络
诊断电路可通过多层神经网络来实现。为了不同的目的可以利用一些训练算法来得到神经网络模型，但是，可以利用已知的后向传输网络(BPN)来开发神经网络模块，这些模块可以捕捉到一系列输入和输出之间的非线性关系。图4是一个在微处理器52和存储器56中实现的典型的三层神经网络的拓扑结构。第一层，一般称为输入缓冲器，接受信息并输入到内层。第二层，在三层神经网络中一般称为隐蔽层，从第一层接受到信息，改变该连接的加权值，并继续往前传播。隐蔽层中因此能提取到所分析系统的特征。最后一层是输出层，在这一层中，计算所得到的输出(估计)送到外界。
图5A是利用神经网络模型来计算一温度传感器的残留期估计的简图。六个输入信号是传感器电阻的变化(ΔR1)、壳芯电压(VP)、绝缘电阻(RIR)、壳芯电压(VP)、α的变化(Δα)、δ的变化(Δδ)、以及自热(SH)。图5B是残留期—时间曲线图，显示了图5A的网络的样本输出。
次级信号可以在不同的实例中单独使用，也可在它们的组合中使用。输入的数目根据基于阻抗的传感器的类型不同而不同。其中的一个或多个参数可能会省去。
次级信号表示RTD传感器61或热偶的状态，后续的有关模型使微处理器52可以通过模式识别来判断是否失效发现当前的问题。
C．门限电路
诊断电路52的实例利用一系列“如果-就”规则来判断温度传感器RTD61的状态，并且可以很容易用模拟电路来实现。监测前面所述的输入参数(全部或它的一个子集)，并把它们的当前值与上限和下限比较。上限和下限是通过对许多传感器61进行广泛的测量而得到的。根据比较的结果，就可以做出一定结论。
在这种类型的诊断电路一个数字实例中，监测次级信号的值，而由微处理器52和可接受的边界进行比较。
下面是一个传感器电阻变化(ΔR1)的“如果-就”规则的例子：
如果ΔR1被大于RH的百分率相乘，传感器61的残留期估计就是n天。
此处：X=百分率边界
      ΔR1是在一段已知时间内传感器的阻抗变化值，
      RH是可接受范围的上限。
同样地，IR、VP、SH、α的变化(Δα)、δ的变化(Δδ)也有相应的上下限，在做判决规则的时候，需要使用这些值。
尽管上文已经参照最佳实施例对本发明进行了描述，但是在本领域内的技术人员会意识到在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上进行一定的改变。特别的，本发明可用于基于电压的传感器，例如热偶传感器或电压传感器。

Claims (13)

1．一种过程控制系统中的传送器，其特征在于，其中包括：
一个感知过程变量和提供传感器输出的电阻传感器；
耦合到该传感器并提供和该传感器有关的次级信号的传感器监测电路；
耦合到传感器输出和传感器监测电路的模数转换电路，此电路提供一个数字化的传感器输出和一个数字化的次级信号；
耦合到过程控制回路的输出电路，用来传送残留期估计；
用来存储与次级信号和传感器有关的预测结果；
耦合到数字化的次级信号和存储器的诊断电路，用来提供残留期估计，该残留期估计是存储器中的预测结果和数字化的次级信号的函数。
2．如要求1所述的传送器，其特征在于诊断电路包含一个神经网络。
3．如要求1所述的传送器，其特征在于诊断电路包含模糊逻辑。
4．如要求1所述的传送器，其特征在于诊断电路包含一个决定残留期估计输出的经验模型。
5．如要求1所述的传送器，其特征在于诊断电路对次级信号和门限进行比较来决定残留期估计输出。
6．如要求1所述的传送器，其特征在于诊断电路包含一个决定传感器的残留期估计的自回归模型。
7．如要求1所述的传送器，其特征在于次级信号包含传感器电阻变化。
8．如要求1所述的传送器，其特征在于次级信号包含阻抗传感器壳芯之间的电压。
9．如要求1所述的传送器，其特征在于次级信号包含传感器的绝缘阻抗。
10．如要求1所述的传送器，其特征在于次级信号包含阻抗传感器的α值。
11．如要求1所述的传送器，其特征在于次级信号包含阻抗传感器的δ值。
12．如要求1所述的传送器，其特征在于次级信号包含阻抗传感器的自热信号，该自热信号是一个信号作用于阻抗传感器之后产生的。
13．一种提供传感器的残留期估计的方法，其特征在于，其中包括：
感知和数字化传感器的输出从而提供一个数字化传感器输出；
感知和数字化一个与传感器有关的属性从而提供一个数字次级输出；
存储一个与传感器的寿命和次级输出有关的预测输出；以及
计算作为预测输出、数字化次级输出和数字化的传感器输出的函数的残留期估计。
CN97199524A 1996-11-07 1997-10-20 用于基于电阻的传送器的诊断 Pending CN1236463A (zh)

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