DE69914086T2

DE69914086T2 - "Widerstandsbasierte Fehlerdiagnose für Prozesssteuervorrichtungen".

Info

Publication number: DE69914086T2
Application number: DE69914086T
Authority: DE
Inventors: Evren Eryurek; Jogesh Warrior; T. Andrew PATTEN
Original assignee: Rosemount Inc; Micro Motion Inc
Current assignee: Rosemount Inc; Micro Motion Inc
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2019-08-12
Also published as: JP2002523820A; JP4738596B2; WO2000011524A1; EP1105781A1; EP1105781B1; DE69914086D1; HK1039807A1; HK1039807B; CN1313964A; AU5478899A; CN1282048C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen der Art, wie sie in der Prozesssteuerindustrie verwendet werden. Insbesondere betrifft die Erfindung Fehlerdiagnose in Prozesssteuervorrichtungen, in denen die Fehlerdiagnose eine Funktion eines Widerstandes darstellt.
Prozesssteuervorrichtungen werden zur Überwachung von Prozessgrößen sowie zur Steuerung industrieller Prozesse verwendet. So könnte ein Prozesssteuersender beispielsweise die Temperatur überwachen und derartige Informationen zurück zu einer Steuerwarte senden. Darüber hinaus dient eine Prozesssteuervorrichtung, wie beispielsweise eine Ventilsteuervorrichtung, zur Steuerung des Prozesses.
Da Sensoren Elemente oder andere Bauteile steuern oder rauhen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, neigt die Genauigkeit des Systems zur Verschlechterung. Es ist möglich, diese Verschlechterung durch regelmäßiges Nachkalibrieren der Vorrichtung zu kompensieren. Typischerweise erfordert dies das Betreten des Arbeitsbereichs durch einen Bediener und die Durchführung eines Kalibrierverfahrens an der Vorrichtung an Ort und Stelle. Dies ist sowohl unangenehm als auch zeitaufwändig für den Bediener. Weiterhin ist es schwierig, den Zustand eines Geräts vor dessen endgültigem Versagen festzustellen.
Es ist ebenfalls erforderlich, die Vorrichtung oder ihre Bauteile mit zunehmendem Alter regelmäßig zu ersetzen. Es ist jedoch schwierig, exakt festzustellen, wann ein derartiger Austausch nötig ist. Daher werden Bauteile in der Regel lange vor ihrem Versagen ersetzt, oder in manchen Fällen können sie unerwartet versagen und somit ein außerplanmäßiges Abschalten des Systems erforderlich machen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche 1, 10 und 16 definiert.
Eine Vorrichtung in einem Prozesssteuersystem weist ein elektrisches Element mit einem Widerstand auf. Eine mit dem Element verbundene Selbsterwärmungsschaltung liefert ein Selbsterwärmungssignal, das zu dem Widerstand des elektrischen Elements in Beziehung steht. Eine Fehlerdiagnoseschaltung liefert ein Ausgangssignal als eine Funktion des Selbsterwärmungs-Ausgangssignals, beispielsweise eine Schätzung über die verbleibende Lebensdauer des Elements oder ein Kalibrierungsausgangssignal.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Prozesssteuersystem einschließlich eines erfindungsgemäßen Senders;
2 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Senders;
3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Senders gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Prozesssteuervorrichtung; und
6 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Diagramm des Prozesssteuersystems 2, einschließlich des vor Ort angebrachten Temperatursenders 40 und eines Ventilreglers 12, die jeweils über eine Zweidraht-Prozessregelschleife 6 bzw. 14 elektrisch mit der Steuerwarte 4 verbunden sind. Der Sender 40, der auf einer Rohrverzweigung befestigt und mittels einer Rohrverzweigung mit dem Rohr verbunden ist, überwacht die Prozessgröße des Prozessfluids in der Prozessrohrleitung 18. Die vorliegende Erfindung ist auf jedes beliebige elektrische Element in einer Prozesssteuervorrichtung anwendbar. Beispiele für Prozessgrößensensoren, die einen Widerstand aufweisen, sind u. a. Sensoren für Druck, Durchfluss, pH-Wert, Trübung, Pegel usw. In einer Ausführungsform ist der Sender 40 ein Temperatursender, der Temperaturinformationen durch Steuerung des durch die Schleife 6 fließenden Stroms über die Schleife 6 zur Steuerwarte 4 überträgt. Der durch die Schleife 6 fließende Strom kann beispielsweise zwischen 4 und 20 mA gesteuert und entsprechend kalibriert werden, um die Temperatur anzuzeigen. Zusätzlich oder alternativ können erfindungsgemäße Sender digitale Informationen im Zusammenhang mit der Temperatur über die Schleife 6 zur Steuerwarte 4 übertragen, wobei ein HART^®-Protokoll oder ein voll digitales Protokoll wie beispielsweise das Fieldbus-Protokoll verwendet werden können. Der Sender 40 weist eine im Folgenden noch ausführlicher beschriebene Schaltung auf, die eine fortschrittliche Fehlerdiagnose im Zusammenhang mit dem Betrieb des Sensors liefert.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Erkennung einer engen Wechselbeziehung, in manchen Fällen einer linearen Beziehung, zwischen Selbsterwärmungsindex (SE-Index) und dem "Alpha" eines Widerstands-Temperatur-Messsensors (RTD-Sensor). Es ist bekannt, dass das Alpha eines Sensors mit der Kalibrierung des Sensors und somit mit seiner Lebensdauer in Zusammenhang steht. Dementsprechend kann bei einer Messung des Selbsterwärmungsindex die Lebensdauer des Sensors geschätzt werden. Darüber hinaus kann das Sensorausgangssignal als eine Funktion des Ausmaßes der Verschlechterung (z. B. Unterschied zwischen einem im Voraus gewählten Wert des Selbsterwärmungsindex und dem tatsächlichen Stromwert des Selbsterwärmungsindex) in Echtzeit korrigiert werden. Dadurch ist eine Selbstkorrektur des Senderausgangssignals möglich.
Ein Aspekt der Erfindung beinhaltet ein neues Verfahren zur Bestimmung des Selbsterwärmungsindex eines Widerstandselements in einem Sender. Typischerweise wurde die Messung des Selbsterwärmungsindex nach dem Stand der Technik durch Überwachung der Temperaturänderung in dem Element aufgrund eines angelegten Stroms durchgeführt. In einer Prozesssteuervorrichtung ist die Durchführung einer derartigen Messung aufgrund der begrenzten Energie und der Notwendigkeit einer separaten Temperaturmessung jedoch unpraktisch. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform beinhaltet die Definition des Selbsterwärmungsindex als die Widerstandsänderung eines elektrischen Elements bei einer bestimmten Änderung der Energiezufuhr zu diesem Element. Dieses Verfahren ist für eine Prozesssteuervorrichtung bevorzugt, da es keine Kalibrierung des Widerstandselements auf die Temperatur erfordert. Darüber hinaus erfordert das Verfahren keine Entfernung des Elements aus dem Prozess, so dass Echtzeitdaten ohne die mit einer Unterbrechung des Prozesses verbundenen Schwierigkeiten und Kosten gewonnen werden können. Der Selbsterwärmungsindex kann in einer Prozesssteuervorrichtung beispielsweise durch Anlegen zweier unterschiedlicher Eingangsströme I₁ und I₂, von 5 bzw. 15 mA, an das elektrische Element errechnet werden. Die entstehenden Spannungen an dem Widerstandselement werden gemessen, und der Widerstand des Elements wird für die beiden unterschiedlichen Stromstärken beispielsweise mit Hilfe der Formel R = V/I berechnet. Die an das Element angelegte Leistung P₁, P₂ wird für die beiden unterschiedlichen Stromstärken als P = I·V bestimmt. Der Selbsterwärmungsindex (SEI) wird gemäß Gleichung 1 berechnet:
Die Erfindung ist an jeder Beliebigen einer Anzahl von Stellen in einem Prozesssteuersystem anwendbar. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung, wie sie in Software und einem Mikroprozessor realisiert ist, in einem Zentralregler oder einem Endregelglied wie beispielsweise einem Ventil, einem Motor oder einem Schalter angebracht sein. Darüber hinaus ermöglichen moderne digitale Protokolle wie beispielsweise Fieldbus, Profibus und andere die Übertragung der die vorliegende Erfindung anwendenden Software zwischen Elementen in einem Prozesssteuersystem, und sie machen es ebenfalls möglich, dass Prozessgrößen in einem Sender gemessen und dann zur Software übermittelt werden.
2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der in einem mit dem RTD-Temperatursensor 10 verbundenen Temperatursender 40 angewandten Erfindung. Der Sender 40 weist den Anschlussblock 44, die Stromquelle 45, den Multiplexer 46, den Differentialverstärker 48, den hochpräzisen A/D-Wandler 50, den Mikroprozessor 52, den Taktschaltkreis 54, den Speicher 56 sowie den Eingabe-Ausgabe-Schaltkreis 58 auf.
Der Anschlussblock 44 weist die Anschlüsse 1 bis 5 zum Koppeln beispielsweise an den RTD-Temperatursensor 10 auf. Der Sensor 10 kann entweder innerhalb oder außerhalb des Senders 40 angeordnet sein. Der Sensor 10 weist ein RTD-Sensorelement 61 mit einem Widerstand R₁ auf, der mit sich ändernder Umgebungstemperatur variiert. Die Leitungen 16 weisen vier Elementleitungen 62, 64, 66 und 68 auf. Leitung 62 ist zwischen dem Sensorelement 61 und Anschluss 4 angeschlossen, Leitung 64 ist zwischen dem Sensorelement 61 und Anschluss 3 angeschlossen, Leitung 66 ist zwischen dem Sensorelement 61 und Anschluss 2 angeschlossen, und Leitung 68 ist zwischen dem Sensorelement 61 und Anschluss 1 angeschlossen.
Die Stromquelle 45 ist mit dem Anschlussblock 44 verbunden und liefert einen Messstrom I_s über Anschluss 4, Sensorelement 61, Anschluss 1, Referenzwiderstand R_REF Pull-Down-Widerstand R₂ und Masseanschluss 72. Das Sensorelement 61 entwickelt einen Spannungsabfall über den Anschlüssen 2 und 3, der eine Funktion des Widerstands R₁ und somit der Temperatur des Sensorelements 61 ist. Der Referenzwiderstand R_REF ist zwischen Anschluss 1 und dem Pull-Down-widerstand R₂ angeschlossen.
Der Multiplexer 46 ist in zwei Bereiche aufgeteilt, nämlich einen aktiven Multiplexer mit einem Ausgang, der mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differentialverstärkers 48 verbunden ist, und einen Referenzmultiplexer mit einem Ausgang, der mit dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 48 verbunden ist. Der Mikroprozessor 52 steuert den Multiplexer 46, um entsprechende Sätze analoger Signale, einschließlich Signalen von den Anschlüssen 1 bis 3, zu dem nicht-invertierenden und dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 48 zu multiplexen. Der Differentialverstärker 48 weist einen Ausgang auf, der mit dem A/D-Wandler 50 verbunden ist. In einer Ausführungsform verfügt der A/D-Wandler 50 über eine Genauigkeit von 17 Bits und eine Umwandlungsgeschwindigkeit von 14 Werten/Sekunde. Der A/D-Wandler 50 wandelt die Spannung am Ausgang des Differentialverstärkers 48 in einen digitalen Wert um und leitet diesen Wert an den Mikroprozessor 52 zur Analyse oder zur Übertragung über die Prozessregelschleife 6 durch den Eingabe-Ausgabeschaltkreis 58.
Der Eingabe-Ausgabe-Schaltkreis 58 weist in einer bevorzugten Ausführungsform einen HART^®-Kommunikationsabschnitt, einen FIELDBUS-Kommunikationsabschnitt und einen analogen Schleifenabschnitt von 4 bis 20 mA zur analogen Kommunikation oder zur digitalen Zweirichtungs-Kommunikation über die Schleife 6 gemäß einem ausgewählten Protokoll in bekannter Art und Weise auf. Auch andere Protokolle können verwendet werden, beispielsweise kann eine Vierdrahtkonfiguration benutzt werden, in der Energie aus einer separaten Quelle erhalten wird. Die Schleife 6 liefert über den Eingabe-Ausgabe-Schaltkreis 58 auch Energie an die verschiedenen Bauteile des Senders 40. Bevorzugt wird der Sender 40 gänzlich (vollständig) durch die Zweidrahtschleife 6 mit Energie versorgt.
Der Speicher 56 speichert Befehle und Informationen für den Mikroprozessor 52, der mit einer vom Taktschaltkreis 60 bestimmten Geschwindigkeit arbeitet. Der Taktschaltkreis 60 weist einen Echtzeittakt und einen Präzisions-Hochgeschwindigkeitstakt auf, die auch verwendet werden, um den Betrieb des A/D-Wandlers 50 sequentiell zu ordnen. Der Mikroprozessor 52 führt mehrere Funktionen aus, darunter die Steuerung des Multiplexers 46 und des A/D-Wandlers 50, die Steuerung der Übertragungen über die Schleife 6, Temperaturkompensation, Speichern von Konfigurationsparametern des Senders und Durchführen einer Sensor-Fehlerdiagnose.
Der Mikroprozessor 52 wendet zur Berechnung der Temperatur des RTD-Sensorelements 61 die folgende Gleichung an:
mit
R₁ = Widerstand des RTD-Sensorelements 61;
V_R1 = Spannungsabfall über dem RTD-Sensorelement 61;
V_RREF = Spannungsabfall über dem Widerstand R_REF; und
R_REFNOM = Nennwiderstand des Referenzwiderstands RREF in Ohm und/oder im Speicher 56 gespeichert.
Der Mikroprozessor 52 misst den Spannungsabfall V_R1 über dem RTD-Sensorelement 61 zwischen den Anschlüssen 2 und 3 sowie den Spannungsabfall VRREF über dem Referenzwiderstand RREF mit dem Multiplexer 46. In einer Vierdraht-Widerstandsmessung wie der in 2 gezeigten wird der Spannungsabfall über den Verbindungen zu den Anschlüssen 2 und 3 zum großen Teil beseitigt, da im Wesentlichen der gesamte Strom I_s zwischen den Anschlüssen 1 und 4 fließt und nur geringe Auswirkung auf die Messgenauigkeit hat. Der Mikroprozessor 52 wandelt den gemessenen Widerstand R₁ mit Hilfe einer Verweistabelle oder geeigneten, im Speicher 30 gespeicherten Gleichungen in Temperatureinheiten um. Eine solche Gleichung ist beispielsweise die Callender-Van Dusen-Gleichung, die wie folgt lautet:
mit
R(t) = Widerstand bei Temperatur t in Ohm;
R₀ =Widerstand bei Temperatur 0 in Ohm;
t = Temperatur in °C;
α, δ, β = Kalibrierungskonstanten;
β = 0 für t > 0°C.
Sowohl die gespeicherten Verweistabellen als auch die Gleichung G2 müssen jedoch für einen bestimmten RTD-Temperatursensor entsprechend kalibriert sein. Weiterhin tendiert eine derartige Kalibrierung im Laufe der Zeit zu Veränderung, da das Alpha (α) des Sensors sich verschiebt. Das Kalibrieren eines RTD erfordert eine präzise Thermometerreferenz, um eine Anzahl korrekter Temperaturwerte zu erhalten und so präzise die Konstanten α, R₀ und δ zu bestimmen. Die Gleichung G3 und die Kalibrierung des Senders sind im PRT Handbook Bulletin 1042 aus dem Februar 1985 beschrieben, das von Rosemount veröffentlicht wurde und auf das in dieser Anmeldung als Referenz verwiesen wird.
Der Selbsterwärmungsindex wird berechnet, wenn der Mikroprozessor 52 den Schalter 138 betätigt, um die Stromquelle 140 mit dem Sensor 61 zu verbinden. P₁ und R₁ der Gleichung G1 werden mit Hilfe des Stroms I_SH aus der Stromquelle 140 berechnet, der durch den Sensor 61 fließt. Der Mikroprozessor 52 bestimmt P₂ und R₂ aufgrund des Stroms 2_s aus der Stromquelle 45. Der Selbsterwärmungsindex wird mit Hilfe der Gleichung G1 berechnet. Wird der Sender 40 vollständig von der Schleife 6 aus mit Energie versorgt, so sind die Stromstärken I_SH und I_s auf den Strom 2 in der Schleife 6, abzüglich jedem zum Betrieb der Schaltung im Sender 40 benötigten Strom, beschränkt.
Der Mikroprozessor 52 führt mit Hilfe des Selbsterwärmungsindex Fehlerdiagnose im Bezug auf den Betrieb des Senders 40 durch. Im Folgenden wird eine Reihe von Ausführungsformen zur Umsetzung der Fehlerdiagnoseschaltung im Sender 40 beschrieben. Solch eine Fehlerdiagnose beinhaltet die Bestimmung des Zustands des Sensors, die Durchführung einer Schätzung der verbleibenden Lebensdauer, die ein bevorstehendes Versagen des Sensors anzeigen kann, oder die Durchführung einer Selbstkorrektur der Temperaturmessung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Verwendung des Selbsterwärmungsindex zur Korrektur der Temperaturmessung und somit einer Reduzierung von Fehlern aufgrund einer Verschiebung von Alpha (α) und R₀. Mit zunehmendem Alter des RTD-Sensors ändern sich die Konstante Alpha (α) sowie R₀ (angegeben in Gleichung G2) des Sensors, wodurch Ungenauigkeiten bei den Temperaturmessungen verursacht werden. Es wurde eine im Wesentlichen lineare Beziehung zwischen dem Selbsterwärmungsindex und dem Fehler bei der Temperaturmessung aufgrund der Verschiebung von Alpha (α) und R₀ festgestellt. Eine Korrektur der Temperatur kann mit Hilfe der folgenden Gleichung erfolgen: Tkorrigiert = Tgemessen·ΔSEI·K G4mit
T_gemessen = gemessene Temperatur;
K = Proportionalitätskonstante;
ΔSEI = Änderung des Selbsterwärmungsindex; und
T_korrieiert = selbstkorrigierte Temperatur.
3 ist ein Blockdiagramm 150, das die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit der Selbstkorrektur des Temperaturausgangssignals als einer Funktion des Selbsterwärmungsindex darstellt. Das Diagramm 150 zeigt Vorgänge, die typischerweise vom Mikroprozessor 52 in 2 ausgeführt würden. In Block 152 wird der vorherige Wert des Selbsterwärmungsindex (SEI₁ beispielsweise aus dem Speicher 56 erhalten. Dieser Wert kann während der Herstellung im Speicher gespeichert worden sein, zu einem früheren Zeitpunkt vom Mikroprozessor 52 erzeugt worden sein oder bei Inbetriebnahme des Sensors oder sogar zu einem vorher gewählten Zeitpunkt während des Betriebs des Senders 40 bestimmt und gespeichert worden sein. In Block 154 wird der momentane Wert des Selbsterwärmungsindex (SEI₂) durch den Mikroprozessor 52 bestimmt. Ist die Änderungsgeschwindigkeit m gleich einer maximal zulässigen Änderungsgeschwindigkeit (m_max) oder größer, so liefert der Entscheidungsblock 158 ein Warn-Ausgangssignal. Im Allgemeinen wird ein Wert, der die Differenz zwischen SEI₂ und SEI₁ anzeigt, in Block 156 bewertet. Ein bevorzugtes Verfahren für diese Differenzierungsfunktion ist die Berechnung des Gefälles der Werte der beiden Selbsterwärmungsindizes über einen Zeitraum. Es können jedoch ohne Block 156 auch andere Bewertungsverfahren für die Größe der Differenz angewandt werden, unter denen so einfache sind wie ein Vergleich des SEI₂ mit einem Schwellenwert. Das Ausgangssignal kann beispielsweise über die Schleife 6 weitergeleitet werden, um anzuzeigen, dass der Sensor derart an Qualität verloren hat, dass ein Versagen droht und er ersetzt werden muss. Auch andere Arten der Fehlerdiagnose können durchgeführt werden, so beispielsweise diejenigen, die in der am 7. November 1996 eingereichten Basisanmeldung mit der US- Seriennummer 08/774,980 angeführt sind. Der Wert von m_max wird im Speicher 56 gespeichert und kann basierend auf der für einen bestimmten Prozess gewünschten Genauigkeit anwenderkonfigurierbar sein. Die Warnfunktion in Block 158 ist optional, jedoch bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
Ohne diese Warnfunktion geht die Steuerung zum Entscheidungsblock 160 über, in dem der gemessene Selbsterwärmungsindex (SEI₂) mit dem gespeicherten Selbsterwärmungsindex (SEI₁ verglichen wird. Sind sie in etwa gleich, so geht die Steuerung zu Block 162 über und die Temperatur wird bestimmt. Besteht andererseits eine Differenz zwischen den beiden Werten, so wird durch den Mikroprozessor 52 in Block 164 ein neuer Wert für ΔSEI in der Gleichung G4 berechnet. weiterhin können andere, komplexere Verfahren der stochastischen Kurvenermittlung verwendet werden, um den Selbsterwärmungsindex mit der Sensorkalibrierung in Beziehung zu setzen. Die Steuerung geht zum Block 162 über, und der neue Wert von ΔSEI in der Gleichung G4 wird zur Bestimmung der Temperatur verwendet. Der neue Wert von ΔSEI wird im Speicher gespeichert, um den vorherigen wert zu ersetzen.
Die unterschiedlichen in 3 aufgeführten Funktionen können von einem entfernten Standort aus durchgeführt werden, in einer Prozesssteuervorrichtung, in der Steuerwarte, in einem Computer an einem anderen Standort oder an mehreren dieser Orte. Im Allgemeinen kann die Erfindung an einer Beliebigen einer Anzahl von Stellen in einem Prozesssteuersystem angewendet werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung, wie sie in Software und einem Mikroprozessor realisiert ist, wie in 1 gezeigt in einem Zentralregler oder sogar einem Endregelglied wie beispielsweise einem Ventil, einem Motor oder einem Schalter angebracht sein. Darüber hinaus ermöglichen moderne digitale Protokolle wie beispielsweise Fieldbus, Profibus und andere die Übertragung der die vorliegende Erfindung anwendenden Software zwischen Elementen in einem Prozesssteuersystem, und sie machen es ebenfalls möglich, dass Prozessgrößen in einem Sender gemessen und dann zur Software übermittelt werden.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fehlerdiagnoseschaltung verwendet empirische Arbeitsmodelle oder polynomische stochastische Kurvenermittlung, die Funktionen des Selbsterwärmungsindex sind. Ein Polynom, das eine Funktion des Selbsterwärmungsindex ist, wird beispielsweise zur Berechnung der Schätzung der verbleibenden Lebensdauer verwendet. Die Konstanten und/oder Gleichungen können über die Zweidrahtschleife an den Sender 40 übermittelt werden. Ein weiterer Fehlerdiagnoseschaltkreis ist mit einem mehrschichtigen neuronalen Netz versehen. Zwar kann eine Reihe von Trainings-Algorithmen verwendet werden, um ein Modell des neuronalen Netzes für unterschiedliche Ziele zu entwickeln, jedoch weist eine Ausführungsform das bekannte Backpropagation Network (BPN) zur Entwicklung von Modulen neuronaler Netze auf, die die nicht-lineare Beziehung in einer Gruppe von Eingangs- und Ausgangssignalen erfassen.
Eine weitere Ausführungsform der Fehlerdiagnoseschaltung 52 verwendet eine Reihe von "wenn dann"-Anweisungen, um zu einem Schluss bezüglich des Zustands des Temperatursensors RTD 61 zu gelangen. Der Selbsterwärmungsindex wird überwacht und sein gegenwärtiger wert mit einer Ober- und Untergrenze verglichen. Die Ober- und Untergrenze werden empirisch durch Überprüfen zahlreicher RTD-Sensoren festgelegt. Basierend auf dem Vergleich wird eine Entscheidung getroffen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Änderungsgeschwindigkeit des Selbsterwärmungsindex mit der Lebenserwartung des Sensors 61 in Beziehung gesetzt. Die Änderungsgeschwindigkeit des Selbsterwärmungsindex wird zu der in dem Mikroprozessor 52 eingebauten Fehlerdiagnoseschaltung geleitet, die ein Ausgangssignal liefert, das die erwartete Lebensdauer anzeigt und auch eine Warnung umfasst, wenn die erwartete verbleibende Lebensdauer des Sensors unter ein Minimum gesunken ist.
5 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Prozesssteuervorrichtung 200 gemäß allgemeineren Aspekten der vorliegenden Erfindung, die an die Prozessregelschleife 6 gekoppelt ist. Die Vorrichtung 200 kann jede Art von Prozesssteuervorrichtung sein, die ein elektrisches Element mit einem messbaren Widerstand auf- weist. Der Sender 40 aus 1 ist ein Beispiel für das Instrument 202. Die Vorrichtung 200 weist den Mikroprozessor 202 auf, der mit einem Speicher 206 sowie über die Eingabe-Ausgabe-Schaltung 204 mit der Schleife 6 verbunden ist. Die Selbsterwärmungsschaltung 208 koppelt an ein Prozessregelglied 210 und leitet ein Selbsterwärmungssignal an den Mikroprozessor 202. Das Prozessregelglied 210 weist ein Widerstandselement 212 mit einem elektrischen Widerstand auf, für den durch die Selbsterwärmungsschaltung 208 mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verfahren ein Selbsterwärmungswert bestimmt wird. Die Verbindung mit dem Widerstand 212 kann zum Erhalt präziserer Messungen als Vierpunkt-Kelvinverbindung ausgeführt sein. Zwischen dem Element 210 und dem Mikroprozessor 202 ist eine gestrichelte Linie abgebildet. Die Linie 214 stellt beispielsweise jede beliebige Verbindung oder jeden beliebigen Signalaustausch zwischen Element 210 und Mikroprozessor 202 dar. Ist das Element 210 beispielsweise ein Prozessgrößensensor, so liefert die Verbindung 214 Prozessgrößendaten an den Mikroprozessor 202. Entsprechend leitet die Verbindung 214, wenn das Element 210 ein Regelglied ist, eine Führungsgröße vom Mikroprozessor 202 zum Element 210. Ein Aspekt der Erfindung beinhaltet die Verwendung von Selbsterwärmungs-Fehlerdiagnoseverfahren zur Durchführung von Fehlerdiagnose an jeder beliebigen Art von Prozessregelglied. Bei der Verwendung in dieser Beschreibung schließt "Prozessregelglied" beispielsweise jedes beliebige Element in einem Prozess (Sender, RTD, Dehnungsmesser, Sonden- oder Antriebsspule usw.) mit einem Widerstand ein. Prozesssteuervorrichtungen schließen Vorrichtungen zur Messung von Durchfluss (magnetische, Coriolis-, Wirbel-, Differenzdruck-Durchflussmesser usw.), Druck, Pegel, pH-Wert, Trübung, Temperatur usw. sowie Regeleinrichtungen wie Ventilschieber, Elektromagneten usw ein. Einige Beispiele für Prozessregelglieder sind unter anderem der oben beschriebene RTD 61, wie auch elektrische Spulen, an Sensoren koppelnde Verdrahtung, Abschlüsse, Anschlussblöcke, Dehnungsmesser oder andere Arten von Sensoren, Stellgliedern oder anderen elektrischen Bauteilen.
Die Vorrichtung 200 kann einen Coriolis-Durchflussmesser aufweisen, wie er in dem am 3. August 1993 erteilten US-Patent 5,231,884 beschrieben wird, worin das Prozessregelglied 210 die in einem Geschwindigkeitssensor oder einem Treiber verwendete Spule ist. 6 ist beispielsweise ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Coriolis-Durchflussmessers 230 entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, der ein Durchflussrohr 232 und Messelektronik 234 aufweist. Die Messrohre 236 sind mit dem Durchflussrohr 232 verbunden, eine Antriebsspule 240 in einem Antriebselement versetzt die Rohre 236 auf ein Antriebssignal hin in Schwingung und Messglieder, die Messspulen 242 sowie Messmagneten 244 aufweisen, liefern Signale der linken und rechten Geschwindigkeit im Zusammenhang mit der entstehenden Schwingung der Rohre 236. Ein RTD-Temperatursensor 246 liefert ein RTD-Signal im Zusammenhang mit der Temperatur des Rohrs 236. Die im Coriolis-Durchflussmesser 230 eingebaute erfindungsgemäße Fehlerdiagnoseschaltung kann zur Überwachung der Spulen 240 oder 242 oder des RTD-Sensors 246 sowie zur Lieferung eines Fehlerdiagnoseausgangssignals als Erwiderung verwendet werden.
Somit kann die vorliegende Erfindung unterschiedliche Arten des Versagens in einer Prozesssteuervorrichtung erfassen, einschließlich der Korrosion eines elektrischen Bauteils. Beispielsweise kommt es in einem Draht, einem Abschluss, einer Spule, einem RTD, einem Thermoelement, einer elektrischen Leiterbahn auf einer gedruckten Leiterplatte oder einem anderen elektrischen Bauteil, das mit der Zeit korrodiert, zu einer entsprechenden Reduzierung der Fläche, was zu einem Anstieg des Widerstands führt. Die vorliegende Erfindung kann eine derartige Verschlechterung vor dem endgültigen Versagen der Vorrichtung erfassen. Elektrische Bauteile können durch vielfache Verwendung an Qualität verlieren, was schließlich ebenfalls zu einem Versagen aufgrund von Materialermüdung führen könnte. Die erfindungsgemäßen Selbsterwärmungsverfahren können eine derartige Ermüdung erfassen. Weiterhin kann ein loser Abschluss, wie er beispielsweise bei einer "kalten" Lötverbindung auftritt, mit einer Verschlechterung des Abschlusses erfasst werden.
Beispiele für unterschiedliche Versagensarten, die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung erfasst werden können, sind unter anderem ein Bruch einer Spulenwicklung, eines Abschlusses oder einer minderwertigen Lötverbindung, eine beschädigte Leiterbahn auf einer gedruckten Leiterplatte, ein minderwertiger Abschluss einer Wickelverbindung, ein Lötfehler, ein minderwertiges Verbindungsstück, eine Beschädigung an einem Draht oder einem Bauteil durch Benutzung, eine Beschädigung an einem Drahtbauteil durch Temperaturschwankung. Mit nochmaligem Bezug auf 3 kann ein derartiges Versagen beispielsweise in Block 158 erfasst werden, in dem die Änderung des Selbsterwärmungsindex (ΔSEI) mit einem Schwellenwert verglichen und zur Anzeige eines Versagensmodus verwendet werden kann. In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Fehlerdiagnoseausgangssignal zur Kompensation der Verschlechterung des elektrischen Elements verwendet. Beispielsweise kann das Ausgangssignal eines Sensors ebenso kompensiert werden wie das zu einem Regelglied gelieferte Eingangssignal.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass Änderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen.

Claims

Eine Prozesssteuervorrichtung in einem Prozesssteuersystem, die Folgendes aufweist: – ein elektrisches Element mit einem elektrischen Widerstand; – eine Prozessregeleinrichtungsschaltung, die mit dem elektrischen Element verbunden ist, um so eine Prozessregelungsfunktion auszuüben; – eine Selbsterwärmungsschaltung, die mit dem elektrischen Element verbunden ist, und in Verbindung mit einem Selbsterwärmungsindex des elektrischen Elements aufgrund dessen elektrischem Widerstand ein Selbsterwärmungssignal erzeugt; – eine Schaltung, die mit einem geschlossenen Prozessregelkreis verbunden ist, und die Einrichtung mit dem Regelkreis verbindet; und – eine Fehlerdiagnoseschaltung, die mit der Selbsterwärmungsschaltung verbunden ist, und ansprechend hierauf eine Fehlerdiagnoseausgabe über den Zustand des elektrischen Elements als eine Funktion des Selbsterwärmungssignals zurück liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem einen Speicher umfasst, in dem mindestens ein in Verbindung mit dem Selbsterwärmungssignal erwartetes Ergebnis gespeichert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Fehlerdiagnoseschaltung ein neuronales Netz und/oder Regressionsmodelle umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fehlerdiagnoseausgabe mit einer Schätzung über die verbleibende Lebensdauer des elektrischen Elements in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Fehlerdiagnoseschaltung die Schätzung über die verbleibende Lebensdauer als eine Funktion der Änderungsgeschwindigkeit (ROC) des Selbsterwärmungssignals vornimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Selbsterwärmungsschaltung eine Stromquelle sowie eine Spannungsmessschaltung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Selbsterwärmungsschaltung den Selbsterwärmungsindex als eine Funktion der Änderung des Widerstandes des elektrischen Elements ansprechend auf eine Änderung des an das elektrische Element angelegten Stroms festlegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ausgangsschaltung das elektrische Element als eine Funktion des Selbsterwärmungssignals kalibriert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das elektrische Element eine Spule ist, und die Spule einen Sensor in einem oder einen Antrieb eines Coriolis-Durchflussmessers enthält.
Vorrichtung zur Verwendung in einem Prozesssteuersystem, die Folgendes aufweist: – eine Ein- und Ausgabeschaltung, die mit einem geschlossenen Prozessregelkreis verbunden werden kann; – ein elektrisches Element mit einem Widerstand; – eine Stromquelle, die mit dem elektrischen Element verbunden ist, um so einen Strom in das elektrische Element einzubringen; – eine Spannungsmessschaltung, die mit dem elektrischen Element verbunden ist, um so eine Ausgabe in Verbindung mit dem Spannungsabfall über dem elektrischen Element zu erzeugen; und – eine Fehlerdiagnoseschaltung, die eine Ausgabe des Selbsterwärmungsindex als eine Funktion des eingebrachten Stroms und des Spannungsabfalls über dem elektrischen Element aufgrund seines Widerstands zu erzeugt, welche Ausgabe den Zustand des elektrischen Elements anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Fehlerdiagnoseschaltung eine Ausgabe der erwarteten Lebensdauer des elektrischen Elements als eine Funktion des Selbsterwärmungsindex erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, einschließlich einer Messschaltung, die eine Ausgabe in Verbindung mit einer Prozessgröße als eine Funktion einer Ausgabe des elektrischen Elements und des Selbsterwärmungsindex erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Selbsterwärmungsindex als eine Funktion einer Änderung des Widerstands des elektrischen Elements als Reaktion auf eine Änderung des an das elektrische Element angelegten Stroms festgelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Selbsterwärmungsindex berechnet wird als (R₁ – R₂)/(P₁ – P₂), mit R₁, R₂ = Widerstandswerte des Elements bei zwei unterschiedlichen Stromstärken I₁, I₂ und den entsprechenden gemessenen Spannungen, und P₁, P₂ = Werte der so an dem Element anliegenden und bei den Stromstärken I₁ bzw. I₂ festgestellten Leistung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das elektrische Element einen Dehnungsmesser, ein Regelglied, einen Detektor, eine Spule und/oder ein Thermoelement enthält.
Verfahren zur Fehlerdiagnose bei einem elektrischen Element in einer Prozesssteuervorrichtung, das Folgendes aufweist: – Ermittlung eines Selbsterwärmungsindex für ein elektrisches Element der Vorrichtung, wobei das elektrische Element einen widerstand hat; – Erzeugung einer Fehlerdiagnoseausgabe für das elektrische Element als eine Funktion des Selbsterwärmungsindex.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Ermittlung des Selbsterwärmungsindex das Messen der Änderung des Widerstandes des elektrischen Elements als Reaktion auf eine Änderung des an dem elektrischen Element anliegenden Stroms aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei der Selbsterwärmungsindex berechnet wird als (R₁ – R₂)/(P₁ – P₂), mit R₁, R₂ = Widerstandswerte des Elements bei zwei unterschiedlichen Stromstärken I₁, I₂ und den entsprechenden gemessenen Spannungen, und P₁, P₂ = Werte der so an dem Element anliegenden und bei den Stromstärken I₁ bzw. I₂ festgestellten Leistung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, einschließlich einer Schätzung der verbleibenden Lebensdauer des elektrischen Elements auf Grund einer Änderungsgeschwindigkeit des Selbsterwärmungsindex.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei zur Ermittlung des Selbsterwärmungsindex gehört, dass nacheinander mindestens zwei Ströme unterschiedlicher Stromstärken in das elektrische Element eingebracht werden und der daraus resultierende Spannungsabfall über dem elektrischen Element gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, einschließlich der Festlegung der erwarteten Lebensdauer des elektrischen Elements als eine Funktion der Fehlerdiagnoseausgabe.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, einschließlich Kalibrieren des elektrischen Elements als eine Funktion des Selbsterwärmungsindex.