CN1918460A - 测量装置、尤其是温度测量换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量装置，尤其是温度测量换能器，其具有根据要测量的化学或物理量改变其值的电阻，并且该电阻通过至少三个导线(L1...L4)与分析装置(A)连接。该分析装置检查所述导线(L1...L4)的断开，并在出现断开时根据需要从四线电路转换为三线或两线电路，以便继续测量运行。由此提高了测量装置的可用性。

Description

测量装置、尤其是温度测量换能器

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1的上位概念的测量装置，尤其是温度测量换能器，具有根据化学或物理量改变阻值的电阻。

背景技术

具有这种测量装置的温度测量换能器例如由US-PS 5317520公开。对作为化学或物理量的温度的测量利用电阻来进行，该电阻根据该化学或物理量改变其值。该电阻在三线或四线电路中与分析装置连接。该电阻的每一侧都与分别具有两个导线的四线电路接触。其中两个导线用于传导电流通过该电测量电阻。另外两个导线用于引出测量期间在测量电阻上的电压降。通过这种方式可以测量测量电阻的值，而无需有电流流经两个引出电压的导线。由此使测量结果不受测量导线上电压降的影响。在同样描述过的三线电路中，采用三个导线将电测量电阻与分析单元连接。在此同样可以补偿导线电阻对测量结果的影响，例如通过确定一个用于引出电阻上的电压的导线和一个传导电流的回线之间的电压差并在计算测量结果时以合适方式考虑该电压差。公知测量换能器的分析装置可以检查导线的连接断开情况，其中连接到电阻的每个导线与该电阻分离。可以在该测试运行方式下识别测量值的变化，并由此推断连接断开。由此通过公知的测量换能器，可以识别测量导线的断开并将该故障告知自动化技术设备中的控制中心。测量换能器转换到故障模式下，并且不再输出其它温度信号。由此根据设备的不同安全概念，可能以有缺陷的方式触发设备的立即静止状态。在向操作人员告知该故障状态之后，可以通过维护人员消除导线的故障。

由于大型设备中的故障查找完全可能耗费时间并且应当避免较长的设备静止状态，因此冗余地实施例如由JP2001-208617A公开的测量换能器。在这种冗余实施中，可以在一个测量换能器发生故障时采用另一个测量换能器来继续采集过程温度，而不必在出现故障之后将设备置于非运行状态。但测量换能器的冗余设置具有以下缺点；该设置带来了很高的花费，因为除了设备自动化实际所需的测量换能器之外还必须设置另外的、必要时可以接管失灵的测量换能器的功能的测量换能器。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种测量装置、尤其是温度测量换能器，具有根据化学或物理量改变其阻值的电阻，该测量装置由于更高的可用性而更为有利，在此与传统测量装置相比减少了多余的花费。

为了解决该技术问题开头所述类型的新测量装置具有权利要求1的特征部分给出的特征。在从属权利要求中描述了本发明的优选扩展。

本发明的优点是允许在连接到电阻同一侧的一个或两个导线中出现导线断开时继续测量该电阻的阻值。由此用于将电阻与分析装置连接的导线的断开不再必然导致测量装置的失灵。尤其是在用于测量自动化技术设备中的过程温度的测量换能器中，还可以足够高的精度继续测量过程温度，并将自动化设备保持在运行状态下。由此减少了设备停止的次数并节省了与此相关的高额成本。由于测量换能器在一个导线断开时还继续提供有效的测量值，因此在出现故障时不必马上进行维修工作，而是可以在根据轮次的维护工作中进行。由测量换能器的冗余设置带来的高额花费可以通过本发明有利地避免。

如果补偿第二导线的导线电阻对测量结果的影响，则带来的优点是就是在出现导线断开之后也能以较高的精度进行测量。例如可以在四线电路的一个导线失灵时转换为采用三线电路的测量，该测量同样提供了较高的测量精度。

如果分析单元具有控制和计算单元和至少一个可断开的电流源，其中该电流源与连接在测量电阻的第一侧的导线这样连接，使得可以选择将电流源连接在两个导线中的一个上，则可以特别简单的方式检查将测量电阻与分析装置连接的导线的状态。如果在电流源连接到一个导线时没有设置电流，则可以推断在该导线中存在导线断开。通过这种方式可以简单地检查在四线电路中通常引导电流的两个导线。

为了检查与测量电阻的第二侧连接的导线，可以相应的方式在分析装置中设置可控的转换器，该转换器可以通过控制和计算单元来控制。该转换器可以这样与连接到测量电阻的第二侧的两个导线连接，使得可以选择与两个导线中的任一个连接，以传递通过电流源馈入测量电阻的电流。如果在连接状态中没有电流流过测量电阻，则可以推断存在导线断开。

如果在具有未破损导线的测量装置运行时通过分析装置确定各导线的电阻，则带来的优点是在出现导线断开之后可以通过控制和计算单元计算地补偿导线电阻对测量结果的影响。由此提高了测量精度。

附图说明

下面借助附图详细解释本发明以及实施方式和优点。

图1示出本发明的实施例。

具体实施方式

图1示出具有电阻RS的测量装置的原理图，该电阻在温度测量换能器中根据温度改变其阻值。电阻RS通过4个导线L1、L2、L3、L4与分析装置A连接。在此涉及的是所谓的四线电路，其中两个导线L1和L2与电阻RS的第一侧S1连接，两个导线L3和L4与电阻RS的第二侧S2连接。通过在该电路图中加入集中的电阻RL1、RL2、RL3、RL4来考虑缠绕导线L1…L4的电阻膜层。分析装置A包含控制和计算单元SR，后者主要通过微处理器和用于存储合适运行程序的程序存储器以及用于存储变量的数据存储器来实现。利用该控制和计算单元SR可以调节两个与导线L1和L2连接的可控的电流源I1和I2。此外可以通过控制和计算单元SR控制两个开关SW1、SW2，该开关可选择将参考电阻RR的一侧与导线L3或导线L4连接，该参考电阻的另一侧接地M。开关SW1、SW2可近似作为转换器运行。电压U1、U2、U3、U4在与分析装置A连接的导线L1、L2、L3、L4的末端具有地电位作为参考电位，并被引入控制和计算单元SR的模拟输入端，在那里被转换为数字值用于进一步处理。基于电流而设置在参考电阻RR上的电压UR也是如此。

在正常运行方式下电流源I1的电流流过导线L1的电阻RL1，并通过测量电阻RS流过导线L4的导线电阻RL4、开关SW1和参考电阻RR。测量两个电压U2、U3之差以及电压UR。对于电阻RR下式成立：

$\mathrm{RS}=\frac{(U2-U3)}{\mathrm{UR}}\·\mathrm{RR}.$

也就是说，在该测量中接通电流源I1，断开电流源I2，闭合开关SW1，断开开关SW2。

在测量运行进行期间，不间断地监控导线L1至L4是否存在导线断开。在导线L1或L4中出现导线断开时，在该运行方式下没有电流流过参考电阻RR，并且通过控制和计算单元SR测量的电压UR为0V。因此该导线断开马上就能识别出来。为了检查导线L2和L3，短时断开电流源I1而接通电流源I2，断开开关SW1并闭合开关SW2。如果在该状态下电压UR＝0V，则识别出导线L2和/或L3断开了。根据是L1至L4中哪个导线断开来选择两个电流源中哪个必须被接通，同时选择两个开关中哪个需要闭合，由此可以继续测量电阻RS。

下面示例性描述了如何识别和处理图1中通过虚线T1标注的导线L1的断开。在正常测量期间测量电流从电流源I1经导线L1流过电阻RS，经导线L4和开关SW1流过电阻RR。只要电压UR＝0V就识别出有导线断开。现在需要检查是导线L1还是导线L4出现了问题。为此激活电流源I2并断开电流源I1。现在电流经导线L2流入电阻RS的一侧S1。由于对于所标注的分隔线T1现在电压UR＞0，因此可以直接推断导线L1断开了。如果电压UR继续等于0V，则可以推断导线L4断开或两个导线L1和L4都出现了问题。根据识别出的故障情况选择合适的运行方式以继续测量电阻RS。对于图1中用断裂的分隔线T1表示的只有导线L1断开的例子，可以根据三线电路的类型继续执行测量。其同样具有较高的测量精度。电阻RS根据下式确定：

$\mathrm{RS}=\frac{[(U2-U4)-2\·(U3-U4)]}{\mathrm{UR}}\·\mathrm{RR}.$

在此断开电流源I1，接通电流源I2，闭合开关SW1并断开开关SW2。

在导线L4断开时可以相应的方式根据下式计算电阻RS：

$\mathrm{RS}=\frac{[(U1-U3)-2\·(U1-U2)]}{\mathrm{UR}}\·\mathrm{RR}.$

在此接通电流源I1，断开电流源I2，断开开关SW1并闭合开关SW2。

在导线L2或L3断开时可以类似方式利用三线电路继续确定电阻RS的值。为此在后面两个等式中只将电压U2替换成U1或将电压U3替换成U4。

利用导线L1至L4具有相同的电阻RL1、RL2、RL3、RL4的前提条件，三线电路中的测量结果与四线电路中的测量结果相同。因此当从四线电路转换为三线电路时，不会由于4个导线L1至L4中一个导线的断开而出现精度问题。

在图1中示出的具有通过分隔线T1示出的导线L1的断开的电路，如上所述相当于三线电路。下面描述该电路在运行时如何能执行对其它导线的断开的检查，以及如何在导线L3或L4之一又出现断开时继续测量电阻RS。对于三线电路根据上述等式测量电阻RS。在测量运行方式进行期间不间断地监控导线L2、L3和/或L4是否出现了导线断开。在出现导线断开时不可能再有电流流过电阻RR，因此电压UR等于0V。因此在正常测量期间检查导线L2和L4。为了检查导线L3，通过控制和计算单元SR短时断开开关SW1并闭合开关SW2。如果现在电压UR＝0V，则识别出导线断开，然后检查导线L2、L3和/或L4中哪个导线有问题。根据检查结果通过开关SW1或SW2接通电流源I2的电流，并选择合适的测量类型。

下面假定除了导线L1之外导线L4也断开了，在图1中用两个断裂的分隔线T1和T2表示。三个导线L2、L3和L4中哪一个导线断开，例如可以根据下面的措施来确定。在正常测量中，即电流I2流经导线L2、电阻RS、导线L4、开关SW1和电阻RR，控制和计算单元SR识别导线L4出现导线断开，因为电压UR＝0。现在检查是导线L2还是导线L4有问题。为此通过控制和计算单元SR更改开关SW1和SW2的设置，使得开关SW1断开，而开关SW2闭合。如果在该状态下电压UR＝0V，则L2就是断开的导线。而如果电压UR＞0V，则可以直接推断必定是导线L4有问题。对于导线L2断开的情况，不能再执行其它测量。在导线L4断开的情况下，可以继续在两线电路中测量电阻RS。因此根据下式计算电阻RS：

$\mathrm{RS}=\frac{\left[(U2-U3)\right]}{\mathrm{UR}}\·\mathrm{RR}.$

在此断开电流源I1，接通电流源I2，断开开关SW1，闭合开关SW2。

如果不是导线L4断开而是导线L3断开，则同样可以类似的方式继续测量电阻RS。在这种情况下只需在上述针对电阻RS的等式中将电压U3替换成电压U4。

在没有其它措施的情况下，在两线电路中的电阻测量结果与三线或四线电路中的测量结果不同。其原因是两线电路中导线的导线电阻不允许被忽略。因此在从三线电路转换为两线电路时减小了测量精度。在优选方式中，通过由控制和计算单元SR在连线还正常的时刻确定电阻RL1、RL2、RL3和/或RL4的相应阻值，可避免上述情况。如果给出了各阻值，则可以在导线断开和转换为两线电路时借助现在已知的阻值来校正测量结果，这样测量结果就具有与三线或四线电路接近相等的精度。但测量结果中的剩余不精确性由于导线电阻对温度的依赖还依然存在，这种依赖必须通过其它措施来校正。各导线电阻RL1…RL4的测量和计算可以在图1示出的无故障的四线电路中例如根据以下等式进行：

$\mathrm{RL}1=\frac{(U1-U2)}{\mathrm{UR}}\·\mathrm{RR}$

其中I2断开，I1接通；SW1闭合，SW2断开，

$\mathrm{RL}2=\frac{(U2-U1)}{\mathrm{UR}}\·\mathrm{RR}$

其中I2接通，I1断开；SW1断开，SW2闭合，

$\mathrm{RL}3=\frac{(U4-U3)}{\mathrm{UR}}\·\mathrm{RR}$

其中I2接通，I1断开；SW1断开，SW2闭合，

$\mathrm{RL}4=\frac{(U3-U4)}{\mathrm{UR}}\·\mathrm{RR}$

其中I2断开，I1接通；SW1闭合，SW2断开。

如果存在导线断开，则分析电路A可以根据需要而选择另一个三线或两线电路的合适的电路类型，并在没有大的精度损失的情况下继续测量运行。在将该测量装置用于例如具有PROFIBUS接口或HART接口的智能型测量换能器时，可以将识别出的导线断开作为状态信息传送给控制中心，并在可能时引入对断开导线的修理。

除了所描述的实施例之外，即采用电流源将测量电流馈入测量电阻，当然还可以采用电压源，并采集所设置的电流值来确定测量电阻的阻值。

Claims (6)

1.一种测量装置，尤其是温度测量换能器，具有根据化学或物理量改变阻值的电阻(RS)，并且该电阻通过至少三个导线(L1…L4)与分析装置(A)连接，通过该分析装置可以检查该导线(L1…L4)的断开，其特征在于，所述分析装置(A)构造为，在连接到所述电阻(RS)的同一侧(S1)的两个导线(L1，L2)中的第一导线(L1)断开时，可以在不使用该有问题的第一导线(L1)的情况下用另一个第二导线(L2)继续测量所述阻值，其中流过该电阻(RS)的电流经由该第二导线(L2)引入，并且在该电阻上的电压降由该第二导线(L2)引出。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述分析装置(A)还构造为，可以对所述第二导线(L2)的导线电阻(RL2)对测量结果的影响进行补偿。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述分析装置(A)具有控制和计算单元(SR)以及至少一个可断开的电流源(I1，I2)，其中为了检查导线可以选择将该电流源(I1，I2)连接在与测量电阻(RS)的第一侧(S1)连接的两个导线(L1，L2)中的一个上，并且可以采集和分析流过该测量电阻(RS)的电流，以确定导线的断开。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述分析装置(A)还具有可控的转换器(SW1，SW2)，使得可以为了检查导线而选择将与测量电阻(RS)的第二侧(S2)连接的两个导线(L3，L4)中的一个接入，以导出通过电流源(I1，I2)馈入测量电阻(RS)的电流，并且可以采集和分析流过测量电阻(RS)的电流，以确定导线的断开。

5.根据上述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于，所述分析装置(A)还构造为，在导线(L1…L4)未破损时确定导线电阻(RL1…RL4)。

6.根据上述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于，其适于作为测量温度的测量换能器的组成部分，也适于在自动化设备中的应用。

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