用于斷線檢測的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測量系統(tǒng)和用于操作測量系統(tǒng)用于在測量系統(tǒng)中的斷線的檢測的方法，包括至少一個第一傳感器，該傳感器由至少兩根導(dǎo)線連接到測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)包括電流源，該電流源在導(dǎo)線中產(chǎn)生電流并且通過至少一個第一傳感器，其電流在測量系統(tǒng)中被檢測，該測量系統(tǒng)基于測量的電流或電壓來測量至少第一傳感器的阻抗，該測量系統(tǒng)將所述阻抗的測量的結(jié)果發(fā)送到連接的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在基于RTD或TC的基本溫度測量中，一些用于確定RTD的阻抗或跨越TC的電壓的導(dǎo)線，將是電流較少的，并且因此在斷線的情況下促使錯誤的測量。
[0003]斷線檢測在溫度變送器(temperature transmitter)行業(yè)內(nèi)是已知的并且?guī)讉€專利描述了不同的技術(shù):
[0004]專利號JP55060828 “Detector for thermocouple failure (用于熱電偶故障的檢測器)”描述了一種技術(shù)，其中差動電流和共模電流兩者被饋送到TC傳感器以分析絕緣惡化和斷線。在測試期間，TC電壓的測量，并由此溫度是無效的。
[0005]專利號JP59065267“Apparatus for detecting wire breakage of temperaturedetecting element (用于檢測溫度檢測元件的斷線的裝置)”描述了一種技術(shù)，其中兩個RTD被用來估計兩個RTD傳感器之一內(nèi)的斷線的存在。并且該技術(shù)不支持補償線電阻。
[0006]專利號JP2011242349 “Resistance temperature detector circuit (電阻溫度檢測器電路)”描述了一種用于3線RTD測量的技術(shù)，其包括基于饋送到RTD的電流中的變化的斷線檢測。如果在不同的RTD傳感器電流的連續(xù)兩次測量表示不同的RTD值，由于電流變化，所有電壓電平將相應(yīng)地發(fā)生變化，并由此也能夠檢測斷線的指示。
[0007]基于通過非導(dǎo)電導(dǎo)線的測試電流的周期性注入，接著結(jié)果電壓的測試，溫度變送器通常實施于斷線檢測系統(tǒng)。斷線將會導(dǎo)致電壓增加。在測試電流的注入期間以及然后松弛時期，溫度測量被禁止，因為該測量將被注入電流影響，從而無效。這個斷線檢測方法會導(dǎo)致溫度測量相對慢(上升時間為0.5到1秒的范圍)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是能夠在使用2線、3線或4線RTD和TC溫度測量的溫度傳感器系統(tǒng)中檢測斷線和傳感器故障同時溫度測量。此外本發(fā)明一般可以用于導(dǎo)線的監(jiān)測以及高電阻電壓測量。
[0009]本發(fā)明的另一個目的是部分地使用用于斷線檢測的溫度測量信號路徑，而不違反或影響溫度測量。
[0010]該目的可以通過公開在權(quán)利要求1的前序部分的一種系統(tǒng)來實現(xiàn)，并進一步被修改使得測量系統(tǒng)包括AC電流源，該AC電流源產(chǎn)生AC電流，該AC電流被傳輸通過導(dǎo)線，并且通過至少第一傳感器，該AC信號在測量系統(tǒng)中被分析，該測量系統(tǒng)分析AC信號的電壓和電流之間的相位角的變化，測量系統(tǒng)通過相位角的分析檢測至少一個導(dǎo)線的斷線。
[0011]由此，如果在測量傳感器上的阻抗的信號的頻率和導(dǎo)線測試基本信號的頻率中的足夠差值是足夠高的，則使得可能在接收信號的系統(tǒng)中在第一測量信號和下一第二線測試信號之間進行區(qū)分。在傳感器被操作為低頻傳感器的情況下，然后高頻導(dǎo)線檢測是可能的。這里，可能測量在激活A(yù)C電流和AC電壓的測量之間的相位差。取決于傳感器的類型，只要導(dǎo)線正導(dǎo)通，電流和電壓之間的相位角將具有相對恒定值。在導(dǎo)線被損壞的情況下，存在在產(chǎn)生電流的AC源和測量的AC電壓之間的相位差中的變化。因此，可以立刻指示斷線。通過在頻率中的足夠差值，在低頻信號的分析被執(zhí)行之前，可能通過簡單的濾波來濾除AC信號。不同的測量方法是可能的，例如，其中注入交流電流信號的一些減少被執(zhí)行的模擬濾波器，但更復(fù)雜的數(shù)字的濾波也是可能的，其中由交流電流的注入產(chǎn)生的所有信號都被移除。通過連續(xù)操作AC電流源，將有可能執(zhí)行導(dǎo)線的連續(xù)分析。在一些應(yīng)用中，以時間間隔執(zhí)行斷線的檢測是可能的。導(dǎo)線的阻抗中的任何快速變化，也許還有在傳感器中的任何快速變化可以被檢測，因為它們將導(dǎo)致在電流和測量的電壓之間的相位角的變化。如果系統(tǒng)具有有關(guān)從傳感器預(yù)期的信號的最大頻率的知識，則有可能簡單地通過檢測阻抗中的快速變化，通過指示相位角中的變化，以指示存在斷線或者可能故障的傳感器。
[0012]可以在交流源產(chǎn)生的AC信號的頻率比從傳感器接收的信號的頻率高很多。傳感器測量帶寬和產(chǎn)生的AC信號之間的頻率中的足夠的距離必須存在。如果用來去除注入的斷線檢測信號的、傳感器測量路徑中的濾波器被實施為窄帶陷波濾波器，則充足相對頻率距離可以非常小。
[0013]測量系統(tǒng)可以包括模擬輸入濾波器。因此較高頻率的影響可以被減小。
[0014]測量系統(tǒng)可以包括電壓測量裝置，該電壓測量裝置接收來自AC源的輸入，該輸入表示在所述AC源生成的AC電流的相位，該測量設(shè)備測量在交流電流源和出現(xiàn)在電壓測量裝置的輸入處的交流電壓之間的相位差。因此，對于電壓測量裝置可能測量所產(chǎn)生的電流和結(jié)果的電壓之間的相位差。該檢測可以通過模擬比較來作出，或者可能使用相位差的數(shù)字測量。用于相位差檢測的許多傳統(tǒng)的公知方法是可能的。傳統(tǒng)地，使用零交叉并測量從所產(chǎn)生的電流的過零點并且直到結(jié)果的電壓的下一個過零點出現(xiàn)的時間這是公知的。以這種方式有可能通過數(shù)字計數(shù)裝置非常精確地測量時間。
[0015]測量系統(tǒng)可以包括sigma-delta模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該sigma_delta轉(zhuǎn)換器可以包括抗混疊濾波器。為了達到最佳可能的結(jié)果，有必要在sigma-delta轉(zhuǎn)換器之后執(zhí)行濾波以便減少任何更高頻率。以同樣的方式，為了達到最佳可能的結(jié)果，抗混疊濾波器減少通過使用sigma-delta轉(zhuǎn)換時可能出現(xiàn)的進一步的故障。
[0016]sigma-delta轉(zhuǎn)換器可以利用過采樣頻率實施，該過采樣頻率可以比所需帶寬高得多，以便獲得經(jīng)濾波的數(shù)字輸出的所要求的分辨率/精度，該注入交流電流頻率可以位于比初級輸出信號的所需帶寬高的、并且比sigma-delta轉(zhuǎn)換器的采樣頻率的一半低的頻率，由此，sigma-delta轉(zhuǎn)換器的輸出可以用于數(shù)字相位差檢測器。由此，可以實現(xiàn)不僅所測量的信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，而且結(jié)果的交流電壓將全部數(shù)字轉(zhuǎn)換，使得交流電壓之后可以從數(shù)字信號而獲得。
[0017]系統(tǒng)可以包括微控制器，該微控制器可適于執(zhí)行相位差檢測，該微控制器可適于將來自sigma-delta ADC的輸出饋送到濾波和抽取功能，用于產(chǎn)生具有等于所述電流注入頻率的3dB帶寬的低通濾波的輸出，該微控制器可適于接收同步解調(diào)/采樣信號，該信號由注入信號觸發(fā)，該微控制器適于執(zhí)行后濾波以減少來自電源線頻率的噪聲，該微控制器可適于確定注入電流和電壓響應(yīng)之間的相位差。通過使微控制器執(zhí)行濾波，可以利用極少電子元件來實現(xiàn)系統(tǒng)。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換大多可以在微控制器內(nèi)執(zhí)行，并且通過連續(xù)工作為在微控制器中的軟件的一部分的算法，可以很容易地實現(xiàn)所產(chǎn)生的電流和結(jié)果的AC電壓的相位之間的合作。
[0018]未決專利申請進一步公開了一種用于操作系統(tǒng)的方法，由該方法在至少一對導(dǎo)線中產(chǎn)生直流電流，執(zhí)行流過導(dǎo)線和通過至少一個傳感器的電流的連續(xù)測量，分析由直流電流產(chǎn)生的直流電壓，計算傳感器的阻抗，將阻抗的測量的結(jié)果發(fā)送到系統(tǒng)的輸出端，由此提出的斷線檢測方法在導(dǎo)線中產(chǎn)生AC電流，檢測導(dǎo)線的交流電壓，執(zhí)行交流電流和交流電壓之間的相位角的分析，以檢測斷線。
[0019]通過上述公開的方法，有可能實現(xiàn)連接傳感器和確定傳感器值的裝置的導(dǎo)線的高效率的分析并執(zhí)行斷線的連續(xù)的或周期性的測試。通過執(zhí)行斷線的連續(xù)分析，能夠符合IEC61508中fx.建立的安全標準。交流電流和結(jié)果電壓之間的實際相位差的分析將是連接傳感器的導(dǎo)線的一個非常有效的測試。因為存在在初級測量信號和斷線分析信號之間的頻率的差，然后在系統(tǒng)中可能隔離兩個信號，以便對來自傳感器的信號的測量的影響不以任何方式被斷線的交流測試而干擾。
[0020]在本專利中的發(fā)明在如下方面不同于在上述專利中描述的斷線檢測:用于斷裂檢測的信號是處于溫度測量所興趣的頻帶之外的頻率的注入電流。由此，電壓測量或電阻確定可以與斷線監(jiān)視并行地執(zhí)行。斷線檢測因此將不會限制初級信號(電壓信號)的上升時間或任何帶寬。
[0021]—種斷線檢測系統(tǒng)基于在測量裝置的輸入處的連續(xù)頻帶外交流(AC)信號的注入，其中基于注入信號的相位響應(yīng)差，由于a:沒有由包括導(dǎo)線的能力的傳感器引起的斷線，和b:在從測量單元到斷線的導(dǎo)線的能力引起的斷線的情況下，所述傳感器斷線被檢測。
[0022]一種斷線檢測系統(tǒng)，其中，所述相位檢測是基于混合器中或者在模擬相位差檢測電路中的模擬檢測。
[0023]—種斷線檢測系統(tǒng)，其中，所述相位差檢測是基于數(shù)字相位差檢測。
[0024]—種斷線檢測系統(tǒng)，其中，所述相位檢測是基于該信號的同步解調(diào)，其是模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的作為所需初級傳感器電壓信號。
【附圖說明】
[0025]圖la公開了一種4線RTD測量；
[0026]圖lb公開了一種3線RTD測量；
[0027]圖lc公開了一種TC⑶測量；
[0028]圖2a公開了分布式電纜電容；
[0029]圖2b公開了簡化的傳感器和電纜模型；
[0030]圖2c中開了 AC電流如何被饋送到傳感器；
[0031]圖3a公開了一種模擬輸入濾波器；
[0032]圖4公開了一種sigma-delta轉(zhuǎn)換器；
[0033]圖5公開了一種微控制器優(yōu)化的相位差檢測器。
【具體實施方式】
[0034]在下面的文本中，將一個一個地描述附圖并且在附圖中見到的不同部分和位置在不同的圖中將以相同的數(shù)字編號。并非在特定圖中顯示的所有的部件和位置都必須與該圖一起被討論。
[0035]本發(fā)明是一種斷線檢測系統(tǒng)，用在TC和RTD溫度變送器和電壓測量系統(tǒng)中。與初級電壓測量同時執(zhí)行斷線檢測，因為用于