專利名稱：現(xiàn)場變送器的內(nèi)裝式檢測裝置的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及運行于過程控制工業(yè)中的過程控制變送器。特別是，變送器的內(nèi)裝式檢測裝置，它在解決帶有微處理器的變送器中所產(chǎn)生的失效或故障問題時是有用的。
有效的操縱被控過程中的一個過程變量要求很快地確認出變送器或與它有關的傳感器或通訊電路中的故障，以實現(xiàn)相應的校正措施或相應的警告。在中止過程并從一個過程環(huán)路中去除變送器之前，對故障或錯誤的確認提供了內(nèi)在的效率。當今帶有微處理器的變送器包含有復雜的電路，這些電路有時看上去發(fā)生了故障，而實際上只是出現(xiàn)了泄漏或旁路電流。例如，影響環(huán)路電流的電路泄漏電流會被報告為一個變送器故障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括多種在排除安裝于過程控制環(huán)路中的變送器故障中有用的變送器診斷測量技術。本發(fā)明的技術周期性地計算過程環(huán)線電阻、變送器端電壓、過程環(huán)路電源電壓、變送器電子器件耗電以及過程環(huán)路電流。
本發(fā)明包括一個帶有模-數(shù)轉換器的并與環(huán)路相耦合的微處理器。該模-數(shù)轉換器測量環(huán)路電流、泄漏電流和端電壓。微處理器通過一個數(shù)-模轉換器控制環(huán)路電流，并且計算環(huán)路電阻和電源電勢。
附圖
概述唯一的附圖是一張本發(fā)明的電子器件與環(huán)路電流測量電路的簡圖。
本發(fā)明的最佳實施方式本發(fā)明是一個在雙線過程控制環(huán)中的變送器，它包括對電流環(huán)路電阻和給環(huán)路供電的電源電壓進行測量的電子器件。當變送器電子器件電流產(chǎn)生大的泄漏電流或旁路電流時，比如當潮氣或其它一些導電體接觸到用于變送器內(nèi)部電子器件電路的電源時，流入過程環(huán)路中的電流將超過所希望的過程環(huán)路電流值。
附圖中表示了變送器6，它通過雙線電流環(huán)路從傳感器8發(fā)送一個信號。唯一的附圖顯示了一個電路圖，它表示了測量變送器內(nèi)旁路電流的電路34，以及測量流入過程環(huán)路中的電流的電路10。變送器的電子器件耗電值可以用實際流入過程環(huán)路的電流減去旁路電流來求得。
用箭頭12表示的在過程環(huán)路中的電流在過程環(huán)線中流動，該環(huán)線本身就具有隨電線長度而線性變化的電阻。用R(loop)表示的電阻阻礙電流流過電線，因此，當電流隨后流過環(huán)流控制傳感電阻R(S2)時，它便在變送器端子13上產(chǎn)生一個相對于參考電壓或地電勢15的負電勢。通過一個耦合于端子13和傳感電阻R(S2)第一端的運算放大器14來放大并反相這個在端子13上的負電勢。運算放大器14連著兩個高阻抗電阻R(f1)和R(i)的第一端，這兩個電阻耦合于放大器14的反相端16，用來在節(jié)點18處產(chǎn)生電勢V(s1)，該電勢表示在過程環(huán)路中的電流，在節(jié)點18處高阻抗反饋電阻R(f1)第二端電耦合到放大器14的輸出端20。在節(jié)點18處的電勢V(s1)與實際流過相關過程環(huán)路的電流有關，并且由下面的等式?jīng)Q定(1)V(s1)＝[(I(loop)*R(s2))*(-1*(R(f1)/R(i))]V(s1)由耦合于微處理器38和EEPROM 44的模-數(shù)轉換器(ADC)測量，且該值與實際環(huán)路電流12成比例。這是因為電路10具有跨越寬的溫度范圍的特征，所以必須采取適當?shù)男Ｕ齺砘謴妥兯推鬏敵鲂盘柕木€性度。在工廠的特征化過程中，所有環(huán)路電流控制電路運行在溫度循環(huán)周期內(nèi)，覆蓋預期的變送器的完整工作范圍。產(chǎn)生于這些循環(huán)周期的校正系數(shù)貯存于輸出電子器件存儲器中，并用于工作過程中的信號校正。這個補償數(shù)據(jù)貯存于非易失EEP-ROM存儲器44中。這個數(shù)據(jù)保存在變送器的EEPROM44，因此如果變送器的電源中斷，變送器在供電后仍是可運行的。這個補償數(shù)據(jù)用來校正并線性化4～20mA的輸出信號。
再參考附圖，在32處全面地表示了用于測量端電壓的電路簡圖。只要端電壓和環(huán)路電流值決定了，用下文公開的一個算法便可求出實際的環(huán)路電阻和電源電壓。
模-數(shù)轉換器28把表示過程變量且在節(jié)點30處的模擬輸出信號V(t2)轉換為數(shù)字形式。如下面的等式所示，節(jié)點30處的變送器模擬輸出信號是一個與端電壓V(t)成比例的電勢(2)V(t2)＝[V(t)－(I(loop)*R(s2)]*[R2/R1＋R2)]因為環(huán)路電流R(s2)、R1和R2都是已知值，所以只要V(t2)已知，關于V(t)的方程就有解。
為了求得環(huán)路電阻R(loop)，環(huán)路電流被微處理器38設置成第一已知毫安值i(ll)。輸出電勢信號V(t2)被模-數(shù)轉換器ADC28轉換而端電壓V(t1)由微處理器38解出。隨后，環(huán)路電流被微處理器改變成大于第一值的第二已知值i(lh)，且V(t2)被模-數(shù)轉換器ADC轉換，以及當端電壓V(th)低于一個預選值時，就被求解并顯示，在低于該預選值時，如果變送器試圖運行從而需要更多的電能時，故障就會發(fā)生。這樣，用一個已知的固定電源信號V(ps)和跨電阻Rs2的電壓降V(Rs2)，就能用以下等式求出過程環(huán)線阻抗值R(loop)(3)R(loop)＝[(V(tl)－V(th)/(i(lh)－i(ll)]－V(Rs2)必須注意，當變送器在最初就供給電能時，這一計算式才成立，這是因為這個技術要求不同的測試電流通過過程環(huán)路。即使對于具有很短周期的過程環(huán)路來說，一個技術熟練的操縱人員也能夠實施這個技術并得到相應的結果。
現(xiàn)在電源電壓V(ps)就能根據(jù)被認為是常數(shù)的過程環(huán)路電阻R(loop)的已知值和一種環(huán)路電流測試情況，例如i(lh)，而如下求解出來(4)V(ps)＝V(t)＋V(d1)＋V(d2)＋i(lh)(R(loop)＋V(Rs2))二極管的阻抗值V(d1)和V(d2)被認為是常值或被完全忽略不計，這是因為提供足夠能量來記錄數(shù)據(jù)的標準電壓V(c)在沒有它們的情況下也能實現(xiàn)。如果我們假設在變送器所要求的工作耗電范圍內(nèi)二極管所引起的電壓降相差不是很大，它們就可以被忽略。
應用如上所述的同樣電路，本發(fā)明可適用于指示過程控制變送器是否能安全地把過程數(shù)據(jù)存入電子數(shù)據(jù)記錄器。相應地，必須能獲得足夠電源電壓來提供已知非易失可編程存儲器裝置所要求的電能。一些非易失可編程存儲器在將數(shù)據(jù)寫到記錄裝置時消耗附加量的電流。這種附加量的電流有可能會消耗相當多的電流從而使電壓干線(rail)或電源(在本例中是3.5伏直流電)崩潰。如果干線崩潰，將要記錄的數(shù)據(jù)便丟失了。足夠的電源電壓可以防止3.5伏干線崩潰。為了防止這種情況發(fā)生，本發(fā)明提供了一種測量變送器端電壓的方法，它采用當已知環(huán)路電流通過時，把一已知量值的電阻插入并串聯(lián)到環(huán)路電路中來實現(xiàn)。這樣，確定峰電流是否會留下足夠的端電壓來記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄是一個將信息寫到非易失存儲器的過程，并需要大量的能量。
各電壓的可能值可以歸類到下面三種形式(1)如果V(ps)在V(c)+0.5伏以內(nèi)，通過在HART協(xié)議中設置一個軟件標識位來觸發(fā)一個低電源電壓的警告；(2)如果V(ps)＝V(c)，可能在記錄所要求的峰值電流下無法實現(xiàn)記錄，并設置相應的警告標識符；(3)在試圖記錄事件以前，對以上兩個等式的分析將提供與成功完成記錄的能力有關的信息。應注意到，在峰值電流下進行記錄時，只要V(c)＝V(ps)，必須首先把一個數(shù)據(jù)記錄到EEPROM或其它本地的存儲設備中，這樣一旦由于企圖記錄數(shù)據(jù)而導致干線電壓崩潰，仍可以保存住數(shù)據(jù)。
特別是對于電池供電的過程控制變送器來說，電源電壓的測量是一種非常有用的診斷方法。對低電源電壓的警告提供了有利于最終用戶的預防性維護診斷，它可以在本地顯示或通過工業(yè)標準HART協(xié)議進行遠程傳輸。這樣，通過電路36調(diào)節(jié)流經(jīng)環(huán)路中的電流，計算出的環(huán)路電阻和電源電勢值就能從環(huán)線上輸送出去。
而且，環(huán)路電阻的測量給出了一種追蹤視在(apparent)環(huán)路電阻增長的方法，因此，從雙絞線到地的泄漏路徑或旁路電流就可以被檢測出來，或者無需中止過程并檢測在環(huán)路中的變送器，便能確定現(xiàn)場電纜線的長度，它可以在本地顯示或通過工業(yè)標準HART通訊協(xié)議進行遠程傳輸。
在本發(fā)明中，環(huán)路電流的特征表現(xiàn)在跨一個寬的溫度范圍并帶有一個數(shù)-模轉換器(DAC)，該轉換器在正常的工作條件下可以對環(huán)路電流進行精確的控制。該數(shù)-模轉換器DAC提供了一個預置電流而且環(huán)路電流等于電子器件電流與任一旁路電流之和。本發(fā)明的電路總是給出數(shù)-模轉換器所要求的預定電流，只要流入變送器電子器件的電子器件電流不超過所希望的環(huán)路電流，原因是旁路電流不可能為負。
對于工業(yè)標準4～20mA的變送器，已標定的變送器測量的滿量程要求滿16mA的范圍，以便在刻度的低端記錄并傳送測量值。如所知，如果在電子器件中發(fā)生一個故障從而導致電子器件消耗6mA，環(huán)路電流就只能低到6mA。因此，即使當變送器在6～20mA范圍內(nèi)正常運行，對于某些工業(yè)標準通訊協(xié)議來說，變送器便無法與遠程控制器或其它過程控制設備進行通訊。例如，被稱為干線(highway)可尋址遠程變換器協(xié)議或HART的開放性通訊協(xié)議，不能在6mA時運行，這是因為HART協(xié)議要求+/-0.5mA的旁路電流調(diào)制，以便進行通訊并工作。過程操作員也許不知道這個問題，當變送器需要發(fā)送任何低于6mA的過程控制信號時，他就會收到不正確的數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明的電路在本地顯示一個信息，并當電子電流超過預定值或變送器端電壓降到預定值以下時發(fā)出一個表示錯誤情況的適當信號。與這個電路相結合，本發(fā)明的第二部分教授了一個用于測量端電壓的電路。如果數(shù)據(jù)記錄或其它消耗電能的操作是可行的，則需要確定足夠的端電壓。已發(fā)現(xiàn)，只要端電壓和環(huán)路電流已知，就能求出實際的環(huán)路電阻和電源電壓。相應的警告或狀態(tài)信號將被發(fā)送，以使過程控制變送器的操作員能采取必要的校正手段。
盡管根據(jù)最佳實施方式說明了本發(fā)明，本技術領域中的熟練人員將認識到，在沒有改變本發(fā)明精神和范圍的條件下，在一些形式和細節(jié)上可以作一些改進。
盡管根據(jù)最佳實施方式說明了本發(fā)明，本技術領域中的熟練人員將認識到，在沒有改變本發(fā)明精神和范圍的條件下，在一些形式和細節(jié)上可以作一些改進。
權利要求
1.一種測量變送器，具有連接到一個雙線電路上的兩個端子，該電路有一個電源和一個環(huán)路電阻，環(huán)路電流通過變送器、電源和環(huán)路電阻流動，該變送器包括用于將環(huán)路電流設置成第一和第二電流水平的裝置；用于在兩個電流水平上檢測端子之間電勢的裝置；以及用于把檢測到的電勢除以電流水平的變化以得到環(huán)路電阻值的微處理器裝置。
2.權利要求1的測量變送器，其中該微處理器包括根據(jù)環(huán)路電阻和一個電流水平來計算電源電勢的裝置。
3.一種具有連接到一個雙線過程控制環(huán)路上的兩個端子的變送器，包括用于測量流過該環(huán)路的電流并提供一個電流環(huán)路輸出的裝置；用于測量兩個端子之間的電勢并提供一個端電勢輸出的裝置；以及一個微處理器，包括一個耦合到環(huán)路電流輸出上的輸入、一個耦合到端電勢輸出上的輸入和一個與環(huán)路電阻相關的輸出。
4.采用一個具有連接到雙線電路上的兩個端子的變送器，來測量雙線電流的環(huán)路電阻和電源電勢的一種方法，包括將通過雙線電路的環(huán)路電流設置成第一電流水平；檢測兩個端子之間的第一電勢；將通過雙線電路的環(huán)路電流設置成第二電流水平；檢測兩個端子之間的第二電勢；以及將第一電勢和第二電勢之間的差值除以第一電流水平和第二電流水平之間的差值來計算環(huán)路電阻。
5.權利要求4的方法，包括作為環(huán)路電阻和一個電流水平的函數(shù)來計算電源電勢。
全文摘要
一種用于帶有微處理器的變送器且經(jīng)過改進的錯誤檢測，該變送器處在工作于過程控制工業(yè)中的雙線過程控制環(huán)路中。特別是，介紹了一些在處理帶微處理器的變送器產(chǎn)生的錯誤與失效中有用的技術。當變送器(6)被供電時，過程環(huán)線的阻抗被求出并存儲，并且如所需被顯示或傳送。環(huán)路阻抗用來計算給控制環(huán)路供電的電源電勢。以上這些信息用于檢測雙線環(huán)路。
文檔編號G01R27/14GK1130945SQ94193389
公開日1996年9月11日 申請日期1994年8月15日 優(yōu)先權日1993年9月15日
發(fā)明者卡文·D·沃吉勒, 簡·B·蘭科托特, 布賴恩·L·韋斯特菲爾德 申請人:羅斯蒙德公司