CN204389992U - 霍尔效应传感器系统和过程控制系统 - Google Patents

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CN204389992U CN201420506135.0U CN201420506135U CN204389992U CN 204389992 U CN204389992 U CN 204389992U CN 201420506135 U CN201420506135 U CN 201420506135U CN 204389992 U CN204389992 U CN 204389992U
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Abstract

本实用新型公开了一种霍尔效应传感器系统和一种过程控制系统。该霍尔效应传感器系统包括：霍尔效应传感器；电流驱动器，其耦接到霍尔效应传感器；以及耦接到电流驱动器的微控制器。微控制器被配置为：控制电流驱动器以提供具有第一值的激励电流给霍尔效应传感器；当利用具有第一值的激励电流激励霍尔效应传感器时，获得与霍尔效应传感器的电压输出相对应的第一测量值。微控制器还被配置为：控制电流驱动器以提供具有第二值的激励电流给霍尔效应传感器；并且当利用具有第二值的激励电流激励霍尔效应传感器时，获得与霍尔效应传感器的电压输出相对应的第二测量值。微控制器还被配置为：至少基于第一测量值和第二测量值，验证霍尔效应传感器的操作。

Description

霍尔效应传感器系统和过程控制系统
技术领域
本实用新型整体涉及霍尔效应传感器并且更具体地涉及霍尔效应传感器系统中的诊断。
背景技术
传感器在过程控制系统中用在许多应用中，例如在监视应用中以监视各种过程条件和/或在控制应用中以提供控制回路的反馈来控制过程变量。在过程控制和/或监视应用中经常使用的一种类型的传感器是霍尔效应传感器。霍尔效应传感器一般包括霍尔元件，霍尔元件一般是携带恒定电流的金属或其他导电材料的薄板。当暴露于磁场时，霍尔元件产生与电场强度成比例的电压。
霍尔效应传感器用于所感测的变量调制磁场的许多类型的传感设备中。该设备一般包括可以响应于所感测的变量的改变而移动或旋转的磁体。霍尔效应传感器可以用在液体液位控制器中以提供罐中的液体液位的测量或者用在阀控制器中以提供阀的位置的测量。作为一个实例，在液体液位传感器配置中，磁体可以附接到扭矩管，扭矩管继而可以附接到浸在液体中的浮子。液体的液位的改变导致浮子位置的改变。浮子位置的改变传递到扭矩管，这导致附接到扭矩管的磁体的旋转，从而改变由霍尔效应传感器感测到的磁场。
实用新型内容
可以看出，在上述现有技术中，霍尔效应传感器系统依赖于霍尔效应传感器的能力来准确并且一致地将由传感器感测的磁场强度转换为与所感测的磁场成比例的输出电压信号，但是并没有验证该霍尔效应传感器是否正确地工作以及是否提供过程变量的正确测量值的能力。针对这一技术问题，本实用新型提出了一种能够验证该霍尔效应传感器是否正确地工作以及是否提供过程变量的正确测量值的方案。
根据第一示例性方案，一种用于操作在过程控制系统中的现场设备中的霍尔效应传感器系统包括：霍尔效应传感器；电流驱动器，其耦接到霍尔效应传感器；以及耦接到电流驱动器的微控制器。微控制器被配置为：控制电流驱动器以提供具有第一值的激励电流给霍尔效应传感器；当利用具有第一值的激励电流激励霍尔效应传感器时，获得与霍尔效应传感器的电压输出相对应的第一测量值。微控制器还被配置为：控制电流驱动器以提供具有第二值的激励电流给霍尔效应传感器，第二值与第一值不同；并且当利用具有第二值的激励电流激励霍尔效应传感器时，获得与霍尔效应传感器的电压输出相对应的第二测量值。微控制器还被配置为：至少基于第一测量值和第二测量值，验证霍尔效应传感器的操作。
根据第二示例性方案，一种过程控制系统包括现场设备，现场设备包括被配置为测量过程控制系统中的过程变量的霍尔效应传感器系统。霍尔效应传感器系统包括：霍尔效应传感器；电流驱动器，其耦接到霍尔效应传感器的激励电流输入端；以及耦接到电流驱动器的微控制器。微控制器被配置为：控制电流驱动器以提供具有第一值的激励电流给霍尔效应传感器；并且当利用具有第一值的激励电流激励霍尔效应传感器时，获得与霍尔效应传感器的电压输出相对应的第一测量值。微控制器还被配置为：控制电流驱动器以提供具有第二值的激励电流给霍尔效应传感器，第二值与第一值不同；并且当利用具有第二值的激励电流激励霍尔效应传感器时，获得与霍尔效应传感器的电压输出相对应的第二测量值。微控制器还被配置为：至少基于第一测量值和第二测量值，验证霍尔效应传感器的操作。
进一步根据第一方案和/或第二方案，一种霍尔效应传感器系统以及一种过程控制系统可以进一步以任意组合的方式包括以下优选形式中的任意一个或多个。
在一个优选形式中，验证霍尔效应传感器的操作是进一步基于获取的用于霍尔效应传感器的校准数据的。
在另一个优选形式中，获得用于霍尔效应传感器的校准数据包括：提供具有第一值的激励电流给霍尔效应传感器；并且在以第一激励电流值激励霍尔效应传感器时，获得与施加于霍尔效应传感器的多个磁场强度值相对应的多个测量值。
在另一个优选形式中，获得校准数据包括：提供具有第二值的激励电流给霍尔效应传感器；并且在以第二激励电流值激励霍尔效应传感器时，获得与施加于霍尔效应传感器的多个磁场强度值相对应的多个测量值。
在另一个优选形式中，验证霍尔效应传感器的操作包括：基于存储的校准数据确定与第一测量值相对应的磁场值；并且基于存储的校准数据确定与所确定的磁场值并且与具有第二值的激励电流相对应的期望输出电压值。
在另一个优选形式中，验证霍尔效应传感器的操作还包括：将从霍尔效应传感器获得的第二测量值与期望输出电压值进行比较；并且基于从霍尔效应传感器获得的第二测量值与期望输出电压值的比较，确定霍尔效应传感器测量值是(i)有效的还是(ii)无效的。
在另一个优选形式中，霍尔效应传感器系统包括用于调节并且数字化霍尔效应传感器输出信号的模拟前端。
在另一个优选形式中，霍尔效应传感器能够检测模拟前端中的故障。
在另一个优选形式中，检测模拟前端中的故障包括：提供参考电压给模拟前端；并且从模拟前端获得与提供给模拟前端的参考电压相对应的测量值。
在另一个优选形式中，检测模拟前端中的故障还包括：将获得的测量值与存储的、当在霍尔效应传感器系统的校准期间将参考电压施加于模拟前端时从模拟前端获得的测量值进行比较；并且当获得的测量值与所存储的测量值不匹配时，在模拟前端中检测到故障。
在另一个优选形式中，霍尔效应传感器系统包括在操作在过程控制系统中的现场设备中。
在另一个优选形式中，验证霍尔效应传感器的操作包括确定从霍尔效应传感器获得的测量值是i)有效的还是ii)无效的。
在另一个优选形式中，响应于确定从霍尔效应传感器获得的测量值是无效的，将现场设备的操作自动设置到安全模式。
在另一个优选形式中，操作在过程控制系统中的现场设备是数字液位控制器。
在另一个优选形式中，当确定从霍尔效应传感器获得的测量值是无效的时发送警报信号给主机站。
在另一个优选形式中，微控制器还被配置为获得用于霍尔效应传感器的校准数据。
在另一个优选形式中，微控制器还被配置为检测模拟前端中的故障。
在另一个优选形式中，霍尔效应传感器还包括连接在霍尔效应传感器和模拟前端之间的开关，并且检测模拟前端中的故障包括控制开关以将模拟前端的输入从霍尔效应传感器的输出切换到参考电压。
现场设备是数字液位控制器，并且其中，过程变量是以下之中的一个：(i)罐中的液体的液位、(ii)罐中的多个液体之间的分界面的液位或者(iii)罐中的液体的密度。
利用本实用新型的方案，能够验证该霍尔效应传感器是否正确地工作以及是否提供过程变量的正确测量值。
附图说明
图1是根据一个实施方式能够验证从霍尔效应传感器获得的测量值的霍尔效应传感器系统的图。
图2是示出了典型的霍尔效应传感器(如图1的霍尔效应传感器)的输出电压与输入电流的线性关系的图。
图3是根据一个实施方式的一个示例性校准过程30的流程图。
图4是根据一个实施方式可以被执行以验证霍尔效应传感器的操作并且验证从霍尔效应传感器获得的测量值的验证过程的流程图。
图5是在图4的验证过程中实现的验证方案的一个可能的实现的流程图。
图6是示出了霍尔效应传感器的计算响应与测量响应之间的比较的图。
图7是根据另一个实施方式的具有诊断能力的霍尔效应传感器系统的方框图。
图8示出了一个示例性过程控制系统，其中，在该过程控制系统中可以包括具有本实用新型的霍尔传感器系统的现场设备。
具体实施方式
霍尔效应传感器通常用在过程控制系统中以提供过程变量的测量值以监视过程变量并且/或者提供控制回路的反馈以控制过程变量。例如，霍尔效应传感器可以用在液体液位控制器中以提供罐中的液体液位的反馈或者在阀位置控制器中以提供阀的位置的反馈。通常，霍尔效应传感器通过检测由磁通量源(如磁体)所生成的磁场并且产生与该磁场的强度成比例的输出电压信号来进行操作。由霍尔效应传感器产生的电压信号通常是提供给霍尔效应传感器的输入电流的函数。因此，为了获得仅表示施加于霍尔效应传感器的磁场强度的电压输出信号，在典型的霍尔效应传感器应用中利用稳压电压或电流源来提供恒定电流给霍尔效应传感器。该霍尔效应传感器系统依赖于霍尔效应传感器的能力来准确并且一致地将由传感器感测的磁场强度转换为与所感测的磁场成比例的输出电压信号，但是通常没有验证该霍尔效应传感器是否正确地工作以及是否提供过程变量的正确测量值的能力。
图1是根据一个实施方式能够验证从霍尔效应传感器获得的测量值的霍尔效应传感器系统的图。霍尔效应传感器系统10可以包括在操作在过程控制系统中的现场设备中并且可以用于提供过程控制系统中的过程变量的测量值。作为一个实例，霍尔效应传感器系统10可以包括在液位控制器(例如数字液位控制器)中并且可以提供用于表示罐中的液体的液位、罐中的多个液体之间的交界液位、罐中的液体的密度等等的反馈。作为另一个实例，在另一个实施方式中，霍尔效应传感器系统10可以包括在阀位置控制器中并且可以提供用于表示阀的位置的反馈。通常，霍尔效应传感器系统10可以用于所感测的变量能够调制磁场的任意感测应用中。
霍尔效应传感器系统10被示出为包括耦接到模拟信号调节单元14的霍尔元件12(在本文又被称为“霍尔效应传感器”)，模拟信号调节单元14继而耦接到模数转换器(ADC)16。如图1中所示出的，在一个实施方式中，模拟信号调节单元14和ADC16包括耦接在霍尔效应传感器12与微处理器单元(MCU)18之间的、霍尔效应系统10的模拟前端。电流驱动器19耦接到霍尔传感器12的激励输入端，以提供激励电流给霍尔效应传感器12。MCU18耦接到电流驱动器19并且被配置为控制电流驱动器19以设置电流驱动器19的输出电流水平，并且从而控制提供给霍尔传感器12的激励电流的值。例如，MCU18可以生成控制信号，并且可以经由连接21发射控制信号给电流驱动器19，以将电流驱动器19的输出电流设置到特定的希望水平以用于激励霍尔效应传感器12，其中连接21可以是MCU18与电流驱动器19之间的任意合适的有线或无线连接。
整体而言，霍尔效应传感器12感测提供给霍尔效应传感器12的磁场，并且输出与感测的磁场的强度成比例的电压信号(Vhall)。将输出电压信号Vhall提供给模拟信号调节单元14，模拟信号调节单元14执行霍尔效应传感器输出信号Vhall的模拟信号调节。例如，模拟信号调节单元14可以放大输出信号Vhall，可以对输出信号Vhall应用温度补偿以补偿霍尔传感器12的操作温度的改变，可以线性化霍尔传感器输出信号Vhall等等。由模拟信号调节单元14产生的已调节输出信号(Vout)提供给ADC16，ADC16数字化该输出信号并且经由连接20提供该输出信号的数字版本给微控制器单元(MCU)18。ADC16与MCU18之间的连接20可以是串行外围接口总线(SPI)连接或者能够提供数字信号给MCU18的任意其他合适的连接。
MCU18可以是计算机，如具有存储器和处理器的微型计算机，其接收来自ADC16的数字化信号Vout并且基于信号Vout的值生成表示用于调制由霍尔传感器元件12感测的磁场的过程变量的信号。在一些实施方式中，在生成输出信号之前，MCU18提供对于数字化信号Vout的进一步的调节，例如对数字化信号应用进一步的温度补偿以补偿例如过程的温度的改变。由MCU18产生的输出信号可以例如包括4-20mA信号、0-10VDC信号、无线信号和/或数字信号等等，其可以经由合适的通信信道发送给控制系统(例如控制系统中的主机站)。例如，在输出信号是4-20mA信号的情况中，数字数据通信协议例如公知的高速可寻址远程传感器(HART)协议可用于通过有线连接与控制系统通信。在另一个实例中，输出信号可以使用无线HART协议无线地发送给控制系统。在其他实例中，输出信号可以是0-10VDC信号或其他类型的信号。
整体而言，经受特定磁场的典型的霍尔效应传感器的电压输出取决于并且与提供给霍尔效应传感器的输入电流线性成比例。图2是示出了典型的霍尔效应传感器(如图1的霍尔效应传感器12)的输出电压与输入电流的线性关系的图26。示例性图26示出了当霍尔效应传感器受到0.1特斯拉(T)的磁场(B)时霍尔效应传感器的输出电压与输入电流响应。如图2中所示的，受到0.1T的恒定磁场的霍尔效应传感器的输出电压是不恒定的而是与提供给霍尔效应传感器的输入电流线性成比例。作为一个实例，当将4mA提供给霍尔效应传感器时，暴露于0.1T的磁场的霍尔效应传感器所产生的输出电压近似等于60mV。另一方面，当将6mA提供给暴露于相同的磁场强度(即0.1T)的霍尔效应传感器时，霍尔效应传感器的输出电压近似等于100mV。在一个实施方式中，霍尔传感器系统10利用霍尔效应传感器的线性的输出电压(Vout)对激励电流(Iext)特性来验证从霍尔效应传感器12获得的测量值。为此目的，在霍尔效应传感器系统10的操作期间，MCU18可以在提供给霍尔传感器12的两个或更多个不同的激励电流值上，采集与霍尔效应传感器12的霍尔效应传感器输出信号Vhall相对应的测量值，并且可以确定获得的测量值对于霍尔效应传感器12是否展现期望的线性Vout对Iext关系。在一个实施方式中，为了确保采集的测量值对应于相同的磁场值，应该优选地以这样一种方式采集这些测量值，其中，该方式使得正在被测量的变量在进行测量之间的时间内仍然足够恒定。
为了允许MCU18随后基于从霍尔效应传感器12获得的两个或更多个测量值来验证从霍尔效应传感器12接收的测量值，可以首先由MCU18采集或者向MCU18提供用于特征化霍尔效应传感器12的期望行为的校准数据。该校准数据可以在霍尔效应传感器系统10(或则包括霍尔效应传感器系统10的设备)的工厂校准期间获得，并且可以例如存储在存储器15中。另外地或可替换地，在一些实施方式中，传感器系统10的校准或重校准可以在包括系统10的现场设备的现场安装时或者在现场设备的现场操作期间执行，以获得用于特征化霍尔效应传感器12的期望行为的校准数据。图3是根据一个实施方式的用于获得用于特征化霍尔效应传感器的期望行为的校准数据的一个示例性校准过程30的流程图。在一个实施方式中，执行校准过程30以采集用于特征化霍尔效应传感器12的期望行为的校准数据。在方框32处，具有第一值的激励电流Iext被提供给霍尔效应传感器12。第一激励电流可以是例如6mA或者可以是任意其他合适的值。在方框34处，随着施加于霍尔效应传感器12的磁场随着霍尔效应传感器12的操作范围而变化，采集在第一激励电流值上测量的数字化输出电压Vout。例如，在施加于霍尔效应传感器12的磁场经由磁体的旋转而变化的情况中，随着生成施加于霍尔效应传感器12的磁场的磁体在磁体旋转的操作范围上旋转，例如从-6度旋转到+6度，可以在具有第一值的激励电流Iext上，从霍尔效应传感器12获得输出电压Vout测量值。因此，在向霍尔效应传感器12施加磁场的磁体的旋转的操作范围上，在霍尔效应传感器12被具有第一值的激励电流Iext激励时，可以在多个角度旋转样本点中的每一个处获得输出电压Vout测量值。在方框34处获得的测量值可以存储在包括在或者耦接到MCU18的存储器如存储器15中。在一个实施方式中，在方框34采集的数据提供用于表征霍尔效应传感器12在霍尔效应传感器12的操作范围上的期望行为的第一测量点集合。
在方框36处，将具有第二值的激励电流提供给霍尔效应传感器12。激励电流的第二值可以是例如4mA或与在方框32处提供的激流电流Iext的第一值不同的任意其他合适的值。在方框38处，随着施加于霍尔效应传感器12的磁场在霍尔效应传感器12的操作范围上改变，采集在第一激励电流值上测量的数值化输出电压Vout。例如，在施加于霍尔效应传感器12的磁场经由磁体的旋转而变化的情况中，随着生成施加于霍尔效应传感器12的磁场的磁体在磁体旋转的操作范围上旋转，例如从-6度旋转到+6度，可以在具有第二值的激励电流Iext上，从霍尔效应传感器12获得输出电压Vout测量值。因此，在向霍尔效应传感器12施加磁场的磁体的旋转的操作范围上，当霍尔效应传感器12被具有第二值的激励电流Iext激励时，可以在多个角度旋转样本点中的每一个处获得输出电压Vout测量值。在方框34处获得的测量值可以存储在包括在或者耦接到MCU18的存储器如存储器15中。在一个实施方式中，在方框38处采集的数据提供第二测量点集合，该第二测量点集合与在方框34处获得的第一测量点集合一起使得MCU18能够表征在霍尔效应传感器12的操作范围上、在提供给霍尔效应传感器12的不同激励电流处、霍尔效应传感器12的期望行为。
在方框40处，基于在方框34处得到的第一测量集合和在方框38处得到的第二测量集合中的对应的测量值，对于多个样本点中的每一个，得出用于表征霍尔效应传感器12的期望行为的Vout对Iext关系。例如，对于多个样本点中的每一个，可以在方框40处确定跨越在方框34处获得的第一激励电流值上的第一Vout测量值和在方框38处获得的第二激励电流值上的第二Vout测量值的直线的斜率。在方框42处，可以将在方框38处计算的Vout对Iext关系存储在包括在MCU18中或耦接到MCU18的存储器如存储15中，并且随后可以被MCU18用于在系统10的诊断期间和/或在包括系统10的现场设备的在线操作期间，验证从霍尔效应传感器12获得的测量值。在一些实施方式中，省略方框40，并且MCU18可以随后直接利用在方框34和方框38中存储在存储器中的Vout测量值来在系统10的诊断期间和/或在包括系统10的现场设备的在线操作期间，验证从霍尔效应传感器12获得的测量值。
图4是根据一个实施方式可以被执行以验证从霍尔效应传感器获得的测量值的验证过程50的流程图。参考图1，在一个实施方式中，过程50可以由MCU18实现以验证从霍尔效应传感器12获得的测量值。验证过程50可以在霍尔效应传感器系统10的诊断期间或者在包括霍尔效应传感器系统10的现场设备的在线操作期间执行。例如，验证例程可以存储在存储器如存储器15中，并且可以在诊断期间或者在传感器系统10的在线操作期间由MCU18执行以执行过程50。这种验证例程可以由MCU18在预定时间或以预定时间间隔执行，或者可以在需要或希望验证霍尔传感器12时由用户执行。
在方框52处，将具有第一值的激励电流Iext提供给霍尔效应传感器12。激励电流Iext的第一值可以是例如6mA或者可以是任意其他合适的值。在方框54处，从霍尔效应传感器12获得与提供给霍尔效应传感器12的第一激励电流值相对应的第一Vout测量值。在方框56处，将具有第二值的激励电流Iext提供给霍尔效应传感器12。激励电流Iext的第二值可以是例如4mA或者可以是不同于激励电流Iext的第一值的任意其他合适的值。在方框58处，从霍尔效应传感器12获得与提供给霍尔效应传感器12的第二激励电流值相对应的第二Vout测量值。在方框60处，验证霍尔效应传感器的操作。在一个实施方式中，在方框60处执行的验证是基于在方框54处获得的第一Vout测量值和在方框58处获得的第二Vout测量值的。在一个实施方式中，在方框60处执行的验证是进一步基于存储的用于表征霍尔效应传感器12的期望行为的校准数据，如根据图3的校准过程30获得的校准数据的。通常，在方框60处可以实现各种校准例程，以基于在方框54处获得的第一Vout测量值和在方框58处获得的第二Vout测量值，验证霍尔效应传感器12的操作(例如验证从霍尔效应传感器12获得的测量值)。下文结合图5描述在方框60处实现的一个示例性验证方案。
图5是在图4的方框60处执行的验证方案的一个可能的实现的流程图。在方框60a处，确定与第一Vout测量值相对应的磁场强度。确定磁场强度可以例如包括访问将Vout与在提供给霍尔传感器12的第一激励电流值上的磁场强度相关联的存储的数据。在方框60b处，基于存储的用于表征霍尔效应传感器12的期望行为的校准数据，计算在第二激励电流值上的第二Vout测量值的期望值。例如，利用用于表征与在方框60a处确定的磁场相对应的Vout对Iext关系的直线的斜率来确定将具有第二值的激励电流提供给霍尔效应传感器12得到的Vout的期望值。在方框60c处，确定在方框54处获得的Vout的测量值是否在在方框58处所确定的Vout的期望值的特定百分比之内。例如，在方框54处获得的Vout的测量值与在方框58处确定的Vout的期望值之间的数学差可以被计算出并且与预先确定的门限进行比较。当该数学差小于或等于该预先确定的门限时，在方框60d处可以确定从霍尔效应传感器12获得的测量值是有效的。在该情况中，可以推断霍尔效应传感器是正确地工作的。另一方面，当数学差大于预先确定的门限时，在方框60e处可以确定从霍尔效应传感器12获得的测量值是无效的。在该情况中，可以检测到霍尔效应传感器12的故障。作为另一个实例，在方框60c处可以确定在方框54处获得的Vout的测量值与在方框58处确定的Vout的期望值的比，并且可以将该比(而不是该数学差)与预先确定的门限进行比较。在任意情况中，当在方框60c处确定Vout的测量值在Vout的期望值的特定百分比之内时，在方框60d处就认为霍尔效应传感器的测量值是有效的。另一方面，当在方框60c处确定Vout的测量值不在Vout的期望值的特定百分比之内时，在方框60e处就认为霍尔传感器的测量值是无效的。
在一个实施方式中，在检测到霍尔效应传感器12的故障之后，MCU18可以使得将用于指示霍尔效应传感器12不在正确地运行的警报信号发射给控制系统和/或可以使得将故障的指示显示给位于包括霍尔效应传感器系统10的现场设备处本地的用户。另外地或可替换地，在一个实施方式中，MCU18可以被配置为将霍尔效应传感器系统10的输出设置为安全输出状态和/或可以将包括霍尔效应传感器系统10的现场设备的操作设置为安全状态。
图6是示出了在施加于霍尔效应传感器的磁场强度的范围上，霍尔效应传感器的计算或期望响应与霍尔效应传感器的测量响应之间的比较的图72、74和76。具体而言，图72对应于当利用具有第一值的激励电流(其在图6的实例中等于750μA)来激励霍尔效应传感器时霍尔效应传感器的测量输出电压。图74对应于当利用具有第二值的激励电流(其在图6的实例中等于500μA)来激励霍尔效应传感器时霍尔效应传感器的期望输出电压响应，该期望输出电压响应是基于与具有第一值的激励电流或750μA(图72中所描述的)相对应的测量输出电压响应计算的。另外，图76对应于当利用具有第一值或500μA的激励电流来激励霍尔效应传感器时霍尔效应传感器的实际测量输出电压响应。如从图74和76可以看出的，在图74中描述的霍尔效应传感器的输出电压的计算或期望响应至少基本上与在图76中描述的霍尔效应传感器的输出电压的测量响应相同。因此，图74和76示出了可以基于在提供给霍尔效应传感器的两个激励电流值上从霍尔效应传感器获得的两个测量值准确地验证从霍尔效应传感器获得的测量值。
图7是根据另一个实施方式的具有诊断能力的霍尔效应传感器系统80的方框图。霍尔效应传感器系统80类似于图1的霍尔效应传感器系统10并且包括一些与图1的霍尔效应传感器系统10相同或相似的元件。由于图7所示的实例的一些元件与上文结合图1讨论的那些相同，所以在这里不重复相同的元件的描述。相反，在图7中利用相同的附图标记示出相同的元件，并且感兴趣的读者往回参考上文结合图1给出的描述得到那些类似地标号的元件的完整的描述。
霍尔效应传感器系统80包括MCU84，MCU84与图1的MCU18相似并且可以包括图1的MCU18的功能。因此，MCU84可能能够通过例如实现图5的验证过程50来验证从霍尔效应传感器12获得的测量值。除了检测到霍尔效应传感器12的故障之外，MCU84可以另外或改为能够检测霍尔效应传感器系统80的模拟前端13中的故障。霍尔效应传感器系统80的模拟前端13中的故障可以包括模拟信号调节单元14中的故障、ADC16中的故障或者ADC16与MCU18之间的连接20中的故障。
如图7中所示的，霍尔效应传感器系统80包括具有输入端子82a和82b以及输出端子82c的开关82。开关82的输入端子82a和82b分别耦接霍尔效应传感器12和外部提供的参考电压，并且开关82的输出端子82c耦接到模拟信号调节单元14。为了检测霍尔效应传感器系统80的模拟前端13中的故障，MCU84可以被配置为控制开关82经由开关82的输入82b引导提供给模拟信号调节单元14的参考电压Vref。可以在执行诊断之前确定当将电压Vref提供给信号调节单元14时作为响应而由ADC16产生的期望信号，以检测模拟前端13中的可能的故障。例如，在霍尔效应传感器系统80的校准期间，MCU84可以控制开关82以将输入82b切换到提供Vref到模拟调节单元14，并且当提供Vref给模拟调节单元14时可以从ADC16获得测量值。在系统80的校准期间获得的测量值可以存储在包括在MCU18中或者与MCU18相关联的存储器如存储器15中。
然后，如在由MCU84实现的诊断例程期间，为了验证模拟前端13的操作并且为了检测模拟前端13中的可能的故障，MCU84可以将模拟信号调节单元14的输入切换到由MCU84提供的电压Vref，并且从ADC16获得当提供Vref给模拟信号调节单元14时的测量值。MCU84然后可以将从ADC16获得的测量值与存储的、在霍尔效应传感器系统80的校准期间获得的测量值进行比较。基于该比较，MCU84可以验证模拟前端13的操作，或者可以检测模拟前端13中的故障。例如，当从ADC16获得的测量值与存储的、在系统80的校准期间获得的值匹配或者位于存储的、在校准期间获得的值的特定百分比之内时，MCU84可以确定模拟前端13在正确地运行。另一方面，当从ADC16获得的测量值与存储的、在系统80的校准期间获得的值不匹配或者不位于存储的、在校准期间获得的值的特定百分比之内时，MCU84可以确定模拟前端13在不正确地运行，并且因此可以检测模拟前端13中的故障。为了确定从ADC16获得的测量值是否位于存储的在校准期间获得的值的特定百分比之内，MCU84可以例如计算在从ADC16获得的测量值与存储的在校准期间获得的值之间的数学差，并且可以将该数学差与预先确定的门限进行比较。作为另一个实例，MCU84可以计算从ADC16获得的测量值与存储的在校准期间获得的值的比，并且可以将该比与预先确定的门限进行比较。
在一个实施方式中，在检测到模拟前端13中的故障之后，MCU84可以使得发射用于指示模拟前端13中的故障的警报信号给主机和/或可以使得将故障的指示显示给位于包括霍尔效应传感器系统80的现场设备本地的用户。另外地或可替换地，在一个实施方式中，MCU84可以被配置为将包括霍尔效应传感器系统80的现场设备的输出设置操作设置为安全状态。
图8示出了一个示例性过程控制系统100，其中，在该过程控制系统中可以包括具有本实用新型的霍尔传感器系统的现场设备。可以例如将包括图1的霍尔效应传感器系统10或图7的霍尔效应传感器系统80的现场设备(如液体液位控制器)包括在过程控制系统(如过程控制系统100)中。参考图8，过程控制系统100包括有线工厂自动化网络110和无线工厂自动化网络150，其中有线工厂自动化网络110根据工业自动化协议(例如HART、PROFIBUS DP(集中外围)等等)或其他合适的通信协议来操作，无线工厂自动化网络150根据合适的无线通信协议(例如无线HART、ISA100.11a、Wi-Fi协议、无线个域网(WPAN)协议、专用无线协议等等)或另一个合适的无线通信协议来操作。在各种实施方式中，有线工厂自动化网络110或无线工厂自动化网络150可以用于在包括在现场设备的霍尔效应系统中检测到故障之后，将故障信号从现场设备发送到主机站。
有线工厂自动化网络110包括连接到一个或多个主机工作站或计算机111(其可以是任意类型的个人计算机或工作站)并且连接到输入/输出(I/O)设备组116的一个或多个控制器114，每个I/O设备组116继而连接到一个或多个现场设备122。仅作为实例而言可以是由Fisher-Rosemount公司所销售的DeltaVTM控制器的控制器114可以经由例如以太网连接120或其他通信链路可通信地耦接到主机计算机111。类似地，控制器114使用与例如标准4-20ma设备相关联的任意合适的硬件和软件和/或任意智能通信协议(如现场总线或HART协议)，可通信地耦接到现场设备122。如通常已知的，控制器114实现或者监管其中存储的或者与之相关联的过程控制例程，并且与设备122通信以按照任何希望的方式控制过程。
现场设备122可以是任意类型的设备如阀、阀定位器、开关、传感器(例如温度、压强、振动、流速或pH传感器)、泵、风扇等等或者两个或更多个该类型的组合，而卡组中的I/O卡可以是符合任意合适的通信协议或控制器协议如HART、Fieldbus、Profibus等等的任意类型的I/O设备。现场设备122执行过程或过程控制回路中的控制、监视和/或物理功能，如打开或关闭阀或者进行过程参数的测量。在图8所示的实施方式中，现场设备122a-122c是通过模拟线路与I/O卡116a通信的标准4-20ma设备。在另一个实施方式中，现场设备122a-122c是Hart设备并且I/O卡116a是Hart兼容的I/O卡。在一个实施方式中，控制系统100包括4-20ma设备以及Hart设备。因此，在该实施方式中，控制系统100包括一个或多个4-20ma兼容的I/O卡以及一个或多个Hart兼容的I/O卡。
在图8的实施方式中，现场设备122d-122f是智能设备如Fieldbus智能设备，其使用例如Fieldbus通信协议通过数字总线118与I/O卡118通信。当然，输出设备122和I/O卡组116可以符合除了4-20ma、HART或Fieldbus之外任意其他合适的标准或协议，包括在未来开发的任意标准或协议。
每个控制器114被配置为使用通常被称为功能块的东西来实现控制策略，其中，每个功能块是总体控制例程的部分(例如子例程)，其(经由被称为链路的通信)与其他功能块结合地操作以实现过程控制系统100内部的过程控制环路。功能块一般执行输入功能(如与发射器、传感器或其他过程参数测量设备相关联的输入功能)、控制功能(如与用于执行PID、模糊逻辑等等控制的控制例程相关联的控制功能)或用于控制一些设备如阀的操作以执行过程控制系统100内部的一些物理功能的输出功能中的一个功能。当然，在本文中存在并且可以利用混合的或其他类型的功能块。这些功能块的组称为模块。功能块和模块可以存储在控制器12中并且由控制器12执行，这一般是当这些功能块用于或者与标准4-20mA设备和一些类型的智能设备关联时的情况，或者功能块可以存储在现场设备中并且由现场设备自身实现，这可能是当利用现场总线设备时的情况。虽然本文使用功能块控制策略来提供对控制系统的描述，但是也可以使用其他惯例如梯形逻辑、顺序流程图等等并且使用任意其他适当的专用或非专用编程语言来实现或设计控制策略。
如上文所讨论的，过程控制系统100还包括利用或者根据合适的无线通信协议来操作的无线通信网络150。为了清楚起见，这里的讨论将参考无线HART通信协议，但是这里描述的技术和原理可以适用于除了无线HART之外另外或改为利用其他无线工业自动化协议的无线工厂自动化网络或者适用于仅利用有线通信的网络。
无线通信网络150包括以有线的方式连接到通信骨干120的网关151，并且可以使用合适的协议与主机站111通信。网关151可以被实现为独立的设备，实现为可以插入到一个主机工作站111的扩展槽中的卡，实现为可编程逻辑控制器(PLC)系统或分布式控制系统(DCS)的输入/输出(I/O)子系统的一部分或者实现为任意其他方式。网关151可以向主机站111和在主机站111上执行的应用提供对无线工厂自动化网络150的各种设备的访问。除了协议和命令转换之外，网关151还可以提供同步时钟，同步时钟被无线工厂自动化网络150的调度方案的时隙和超帧(即在时间上等间隔的通信时隙的集合)使用。
在一些实施方式中，网关151在功能上被划分为虚拟网关152和一个或多个网络接入点155。在图8中所示的过程控制系统100中，网络接入点155是与网关151有线地通信的独立的物理设备。可替换地，元件151、152、155和158可以改为是一体的设备的部件，并且/或者连接158可以是无线连接。物理独立的网络接入点155可以在策略上放置在多个不同的位置中，因而通过补偿一个或多个网络接入点155的位置处的差的信号质量来提高通信网络100的总体可靠性。具有多个网络接入点155还在一个或多个网络接入点155故障的情况下提供冗余。
网关设备151可以另外包括网络管理器软件模块153和安全管理器软件模块154。在另一个实施方式中，网络管理器软件模块153和/或安全管理器软件模块154可以运行在主机工作站111上。例如，网络管理器软件模块153可以运行在固定主机工作站111a上并且安全管理器软件模块154可以运行在移动主机工作站111b上。安全管理器软件模块154可以负责多个任务，如通信网络100的配置、多个无线HART设备之间的通信的调度(例如配置超帧)、路由表的管理和无线工厂自动化网络150的健康状况的监视和报告。虽然可以支持冗余的网络管理器软件模块153，但是一个示例性实施方式可以对于每个无线工厂自动化网络150仅包括一个活动的网络管理器软件模块153。安全管理器软件模块154可以负责管理和分配安全加密密钥，并且可以例如维护被授权加入无线工厂自动化网络150和/或有线工厂自动化网络110的设备的列表。
无线工厂自动化网络150还包括一个或多个现场设备156、157，每个现场设备以一些方式被配置为用于与其他设备156、157、主机站、便携式设备等等的无线通信。现场设备156、157中的每一个可以例如是阀、阀定位器、开关、传感器(例如温度、压强、振动、流速或pH传感器)、泵、风扇等等或者是两个或更多个该类型的组合。现场设备156、157执行过程或过程控制回路中的控制、监视和/或物理功能，如打开或关闭阀或者进行过程参数的测量。在示例性无线工厂自动化网络150中，现场设备156、157还可以是无线通信分组(如无线HART分组)的生产者和消费者。现场设备156、157中的一些或全部可以另外作为来自其他设备以及到其他设备的消息的路由器。
现场设备156可以是无线HART设备，这意味着提供每个现场设备156作为支持无线HART协议栈的所有层的整体的单元。例如，现场设备156a可以是无线HART流量计，现场设备156b可以是无线HART压强传感器，现场设备156c可以是无线HART阀定位器，并且现场设备156d可以是无线HART振动传感器。现场设备157a可以是原有4-20ma设备，并且现场设备157b可以是有线HART设备。在图8中所示的示例性过程控制系统100中，每个现场设备157经由无线HART适配器(WHA)158连接到无线工厂自动化网络150。每个WHA158还可以支持其他通信协议，如FOUNDATIONFieldbus、PROFIBUS、DeviceNet等等，在该情况中WHA158支持在协议栈的较低层的协议转换。单个WHA158可以另外作为复用器并且支持多个HART或非HART设备。
除了主机站之外，工厂人员可以改为或另外使用手持或便携式通信设备进行网络设备或其他工厂设备的建立、安装、控制、监视和/或维护。整体而言，便携式通信设备(“便携式通信器”)是这样一件便携式设备，其可以经由无线或有线连接与现场设备122、156、158直接连接，或者可以直接连接到无线工厂自动化网络150，或者可以通过网关151连接到无线工厂自动化网络150。在图8中所示的示例性过程控制系统100中，便携式通信器125经由有线连接直接与现场设备122f通信，并且便携式通信器165直接与无线工厂自动化网络150通信。当与形成的无线工厂自动化网络150一起操作时，便携式通信器165可以例如加入无线工厂自动化网络150，作为另一个无线HART现场设备。当与未连接到无线HART网络的目标网络设备一起操作时，便携式通信器165可以通过形成他自己与目标网络设备的无线HART网络，作为网关设备151和网络管理器软件模块153的组合来操作。此外，在一些实施方式中，通常是有线自动化网络110的一部分的现场设备122可以被适配于经由无线适配器与便携式通信器(例如便携式通信器165)进行无线通信。通常，如本文所使用的术语“主机”可以是指任意固定或移动设备，如用于监视和控制现场设备的工作站、监视站、使用无线或有线连接以任意方式与现场设备通信的便携式通信器、或者在用于与现场设备通信的通信网络中组合的这种设备的组。
参考图8，示例性过程控制系统100的无线工厂自动化网络150还包括路由器设备162。路由器设备162是从一个网络设备向另一个网络设备转发分组的网络设备。作为路由器的网络设备使用内部路由表来确定路由网络设备应该将具体的分组转发到的另一个网络设备。当无线工厂自动化网络150上的其他设备支持路由的情况中，可能不需要独立的路由器，如路由器162。然而，增加专用路由器162给无线工厂自动化网络150以扩展网络或者以节省网络中的现场设备的功率可能是有益的。
所有直接连接到无线工厂自动化网络150的设备可以被称为无线工厂自动化网络150的网络设备。具体而言，为了路由和调度的目的，无线HART现场设备156、157、WHA158、路由器162、网关151、网络接入点155和手持设备165可以被称为无线工厂自动化网络150的网络设备。为了提供非常健壮和容易扩展的网络，所有网络设备可以支持路由，并且每个网络设备可以被它的HART地址来全局识别。此外，网络管理器软件模块153可以包括网络设备的完整的列表并且分配网络唯一的名称(例如16比特的名称)给每个设备。此外，每个网络设备可以存储与更新速率、连接会话和设备资源相关的信息。简而言之，每个网络设备可以维持与路由和调度相关的最新信息。在一些实施方式中，每当新设备(例如新现场设备)加入网络时或者每当网络管理员检测到或发起无线工厂自动化网络150的拓扑或调度的改变时，网络管理器软件模块153将该信息发送给网络设备。
除了生成、接收和/或转发与过程控制系统100的主要操作相关的数据(例如温度传感器数据、用于控制阀位置的数据等等)之外，过程控制系统100的设备可以发送与过程控制系统100中的设备的维护相关的数据。例如，当现场设备不正确地操作时(例如当阀定位器的滑阀不能操作时)，或者当现场设备处于不正常操作的风险中时(例如当设备的电源模块的电压下降到低于特定水平时)，现场设备可以发射数据给主机。作为另一个实例，现场设备可以连续地或周期性地发送与正确操作相关的数据(例如用于指示特定动作已经被现场设备成功地执行的数据)给主机。接收该数据的主机(例如主机工作站111)可以经由图形用户接口(GUI)显示基于该数据的指示符，从而允许操作人员采取合适的纠错或预防措施，或者可以利用该数据保持过程控制系统100中的设备和/或过程操作的历史记录。
虽然图8将通信网络100描述为包括有线工厂自动化网络110和无线工厂自动化网络150，但是通信网络100可以改为仅包括有线工厂自动化网络110或仅包括无线工厂自动化网络150。在一个实施方式中，无线工厂自动化网络150是无线格型通信网络。
虽然在本文中将现场设备的各种功能和/或系统描述为“模块”、“组件”或“功能块”，但是注意，这些术语不限于单个集成单元。此外，虽然参考具体实例来描述了本实用新型，但是这些实例仅用于说明并且不用于限制本实用新型。对于本领域普通技术人员而言在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下显然可以对所公开的实施方式做出改变、增加或删除。可以例如以不同的次序(或同时地)执行上述方面的一个或多个部分，并且仍然实现希望的结果。

Claims (10)

1.一种霍尔效应传感器系统，用于操作在过程控制系统中的现场设备中，其特征在于，包括：
霍尔效应传感器；
电流驱动器，其耦接到所述霍尔效应传感器并且被配置为提供激励电流给所述霍尔效应传感器；以及
耦接到所述电流驱动器的微控制器，所述微控制器被配置为：
控制所述电流驱动器以提供具有第一值的激励电流给所述霍尔效应传感器；
当利用具有所述第一值的激励电流激励所述霍尔效应传感器时，获得与所述霍尔效应传感器的电压输出相对应的第一测量值；
控制所述电流驱动器以提供具有第二值的激励电流给所述霍尔效应传感器，所述第二值与所述第一值不同；
当利用具有所述第二值的激励电流激励所述霍尔效应传感器时，获得与所述霍尔效应传感器的电压输出相对应的第二测量值；
至少基于所述第一测量值和所述第二测量值，验证所述霍尔效应传感器的操作。
2.如权利要求1所述的霍尔效应传感器系统，其特征在于，所述微控制器还被配置为：获得用于所述霍尔效应传感器的校准数据，其中，验证霍尔效应传感器测量值是进一步基于所述校准数据的。
3.如权利要求2所述的霍尔效应传感器系统，其特征在于，所述微控制器被配置为至少通过以下步骤获得用于所述霍尔效应传感器的校准数据：
控制所述电流驱动器以提供具有所述第一值的激励电流给所述霍尔效应传感器；
在以第一激励电流值激励所述霍尔效应传感器时，获得与施加于所述霍尔效应传感器的多个磁场强度值相对应的多个测量值；
控制所述电流驱动器以提供具有所述第二值的激励电流给所述霍尔效应传感器；
在以第二激励电流值激励所述霍尔效应传感器时，获得与施加于所述霍尔效应传感器的多个磁场强度值相对应的多个测量值。
4.如权利要求1所述的霍尔效应传感器系统，其特征在于，所述微控制器被配置为：
基于存储的校准数据确定与所述第一测量值相对应的磁场值；
基于存储的校准数据确定与所确定的磁场值并且与具有所述第二值的激励电流相对应的期望输出电压值；
将从所述霍尔效应传感器获得的所述第二测量值与所述期望输出电压值进行比较；并且
基于从所述霍尔效应传感器获得的所述第二测量值与所述期望输出电压值的比较，确定所述霍尔效应传感器测量值是(i)有效的还是(ii)无效的。
5.如权利要求1所述的霍尔效应传感器系统，其特征在于，还包括模拟前端，其中，所述微控制器经由所述模拟前端耦接到所述霍尔效应传感器，并且其中，所述微控制器还被配置为检测所述模拟前端中的故障。
6.如权利要求5所述的霍尔效应传感器系统，其特征在于，还包括连接在所述霍尔效应传感器和所述模拟前端之间的开关，并且其中，所述微控制器被配置为：
控制所述开关以将所述模拟前端的输入从所述霍尔效应传感器的输出切换到参考电压；
从所述模拟前端获得所述参考电压的测量值；
将获得的测量值与存储的、当在所述霍尔效应传感器系统的校准期间将所述参考电压施加于所述模拟前端时从所述前端获得的测量值进行比较；并且
当所述获得的测量值与所存储的测量值不匹配时，在所述模拟前端中检测到故障。
7.如权利要求1所述的霍尔效应传感器系统，其特征在于，所述微控制器被配置为：确定所述霍尔效应传感器的测量值是i)有效的还是ii)无效的，并且，响应于确定所述霍尔效应传感器的测量值是无效的，将所述现场设备的操作设置到安全模式。
8.如权利要求1所述的霍尔效应传感器系统，其特征在于，所述微控制器还被配置为：当确定所述霍尔效应传感器测量值是无效的时使得发送警报信号给主机站。
9.一种过程控制系统，其特征在于，包括：
现场设备，所述现场设备包括被配置为测量所述过程控制系统中的过程变量的霍尔效应传感器系统，其中，所述霍尔效应传感器系统包括：
霍尔效应传感器；
电流驱动器，其耦接到霍尔效应传感器的激励输入端；以及
耦接到所述电流驱动器的微控制器，所述微控制器被配置为：
控制所述电流驱动器以提供具有第一值的激励电流给所述霍尔效应传感器；
当利用具有所述第一值的激励电流激励所述霍尔效应传感器时，获得与所述霍尔效应传感器的电压输出相对应的第一测量值；
控制所述电流驱动器以提供具有第二值的激励电流给所述霍尔效应传感器，所述第二值与所述第一值不同；
当利用具有所述第二值的激励电流激励所述霍尔效应传感器时，获得与所述霍尔效应传感器的电压输出相对应的第二测量值；
至少基于所述第一测量值和所述第二测量值，验证所述霍尔效应传感器的操作。
10.如权利要求9所述的过程控制系统，其特征在于，所述现场设备是数字液位控制器，并且其中，所述过程变量是以下之中的一个：(i)罐中的液体的液位、(ii)罐中的多个液体之间的分界面的液位或者(iii)罐中的液体的密度。
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