壓電換能器的具有自測的現場設備的制作方法

壓電換能器的具有自測的現場設備的制作方法
【專利摘要】一種具有壓電換能器的工業過程現場設備在自測模式期間，執行對壓電換能器的狀況的自測。向所述壓電換能器供給充電電流，監控由于充電電流而引起的在壓電換能器上的電壓。基于所述電壓的幅值，產生對壓電換能器的狀況加以表示的診斷測試結果。
【專利說明】壓電換能器的具有自測的現場設備

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種工業過程監控和控制系統。更具體地，本發明涉及一種具有正常操作模式和診斷自測模式的現場設備，例如過程發射機(process transmitter)或過程控制器，在所述診斷自測模式下測試壓電換能器的狀況。

【背景技術】
[0002]過程發射機包括:感測元件或換能器，對過程變量進行響應；以及信號調節和處理電路，將感測到的變量轉換為隨所感測的過程變量變化的發射機輸出。術語“過程變量”是指物質的物理或化學狀態或能量的轉換。過程變量的示例包括壓力、溫度、氣流、電導率、PH和其他特性。過程發射機通常用于監控過程變量，并且將測量值發送回化學、石油、燃氣、制藥或其它液體處理工廠的控制室。通常，這些環境經受惡劣并且多變的環境狀況。
[0003]過程控制器包括致動器(actuator)或換能器以及致動器驅動電路，將電學命令轉換為物理輸出。例如，過程控制器可以響應于從液體處理工廠的控制室接收到的命令，打開或關閉閥，或改變例如壓力的過程參數。
[0004]現場設備的所有電學組件(包括換能器和電路)有可能發生故障或失效。這種故障將導致通過過程發射機向控制室發送錯誤測量值，或執行所命令行為的過程控制器的失效。由技術人員進行例程測試可以檢測現場設備的問題，但是需要技術人員物理地訪問所述現場設備。在具有大量分布式現場設備的設施中，對技術人員訪問并測試每個現場設備的頻率存在實際限制。
[0005]在一些過程發射機中，將壓電換能器用作傳感器。壓電傳感器可以是產生隨所施加的力變化的電學傳感器輸出的無源傳感器或發送并接收信號的有源傳感器。在一些過程控制器中，還將壓電換能器用作致動器或驅動元件。
[0006]使用壓電換能器的過程發射機的一個示例是在危險環境下檢測氣體/蒸汽泄露。發射機檢測是否打開或關閉安全閥、凝氣閥(steam traps)中的透氣或堵塞狀況(blowthrough or plugged condit1ns)。發射機包括壓電傳感器、信號調節電路和微控制器。發射機可以經過有線回路、有線傳輸總線或通過無線傳輸(例如，通過無線網狀網)，向控制室發送測量值。通過超聲頻率范圍內的振動(例如，當凝氣閥失效時而產生的)激發壓電傳感器。
[0007]由于用于檢測氣體/蒸汽泄露的過程發射機通常部署在危險/安全至關重要的應用中，過程發射機需要具有自測或自我診斷能力。可以使用經常執行的診斷例程來驗證電子設備。另一方面，通過壓電換能器的功能的處理器的自測是不可用的。
[0008]檢查用于檢測氣體/蒸汽泄露的過程發射機的壓電換能器的一種方式是故意地產生泄露，以便驗證壓電傳感器的功能。然而，這種技術具有明顯缺陷。首先，在安全閥的狀況下，對于在診斷過程期間釋放到大氣的氣體而言，需要承擔懲罰。其次，產生故意泄露以驗證換能器功能不適用于凝氣閥的狀況。


【發明內容】

[0009]具有正常操作模式和自測模式的現場設備包括:壓電換能器、換能器電路和自測電路。壓電換能器感測過程變量。在正常模式期間，傳感器電路從壓電傳感器得到表示過程變量的傳感器信號。在自測模式期間，自測電路向所述壓電傳感器供給充電電流，并且根據由于充電電流而引起的壓電傳感器上的電壓來提供測試輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1A和IB分別是在正常操作模式期間和在用于測試壓電傳感器的狀況的自測模式期間的過程發射機的示意圖。
[0011]圖2是示出了在向壓電傳感器供給充電電流的自測模式期間，隨著時間變化在壓電傳感器兩端的電壓的圖。

【具體實施方式】
[0012]圖1A和IB分別示出了在正常操作模式和自測模式下的現場設備，過程發射機10。過程發射機10包括壓電傳感器12、傳感器電路14、模數轉換器(ADC) 16、微控制器18、輸入/輸出(I/o)接口 20以及自測電路，所述自測電路包括開關30和32、電阻器34和場效應晶體管(FET) 36。開關30和32是在微控制器18的控制下的模擬開關。開關30包括共用端子30C、正常模式端子30N和測試模式端子30T。類似地，開關32包括共用端子32C、正常模式端子32N和測試模式端子32T.
[0013]如圖1A所示，過程發射機10包括正常操作模式，其中將壓電傳感器12用于感測過程變量(例如，氣體或蒸汽泄露)。在正常操作模式期間，開關30、32的共用端子30C、32C分別與正常模式端子30N和32N相連。因此，在正常操作模式期間，傳感器電路14具有分別與壓電傳感器12的相對端子12A和12B相連的輸入INA和INB。在正常模式下，通過開關32的端子32N和32C將傳感器電路14的輸出OUT與ADC16的輸入相連。將ADC16的輸出提供給微控制器18的輸入端口 IN。
[0014]將微控制器18的端口 PO與FET36的柵極相連。在如圖1A和IB所示的實施例中，FET36是N溝道M0SFET，其中當端口 PO是邏輯低時所述FET36截止，當端口 PO是邏輯高時所述FET36導通。在正常操作模式期間，端口 PO是邏輯低，FET36是截止的。
[0015]微控制器18的端口 Pl與電阻器34相連，其中所述電阻器36接著分別與開關30和32的測試端子30T和32T相連。在正常操作模式期間，端口 Pl是邏輯低，并且開關30和32的端子30T和32T不與共用端子30C和32C相連。因此，在正常操作模式期間，沒有電流流經電阻器34，并且電阻器34不與壓電傳感器12相連。
[0016]在正常操作模式期間，壓電傳感器12根據感測到的過程變量在輸入INA和INB處產生信號。例如，可以將壓電傳感器12綁到蒸汽管上，并對當凝氣閥失效時而產生的振動的頻率和幅值進行響應。傳感器電路34調節來自傳感器12的信號，將該傳感器信號提供給ADC16作為模擬輸入。通過ADC16將來自傳感器電路14的模擬傳感器信號轉換為數字形式，并將其提供給微控制器18。
[0017]通常包括具有相關存儲器的微處理器的微控制器18進一步處理所述數字化的傳感器信號，并產生測量值。微控制器18通過輸入/輸出接口 20與控制室或其它監控系統進行通信。微控制器18向控制室提供過程變量的測量值以及其它數據，所述其它數據包括例如次級變量數據和診斷數據。I/O接口 20可以以經由雙線回路的模擬形式或模擬和數字形式二者、以經由多點數字總線的數字形式、或以經由無線網絡的無線形式，與控制室進行通信。
[0018]如圖1B所示，過程發射機10還包括診斷自測模式，其中通過向壓電傳感器12供給充電電流Ic并執行瞬態響應分析，來測試壓電傳感器12的狀況。在自測模式期間，壓電傳感器12的電容C和電阻器34的電阻R構成RC電路。在充電時間段期間，通過ADC16對壓電傳感器12兩端的電壓進行采樣。
[0019]控制器18確定什么時候執行診斷自測模式。所述測試可以基于通過I/O接口 20從控制室向微控制器18提供的指令，或可以將所述測試編程到微控制器18，以便根據周期性的進度進行自測操作。
[0020]為了開始自測操作，微控制器18分別向開關30和32提供開關控制信號SWl和Sff20信號SWl和SW2引起開關30和32改變狀態，使得將共用端子30C和32C與測試端子30T和32T相連。因此，通過開關30將壓電傳感器12的端子12A與電阻器34相連，通過開關32將其與ADC16的輸入相連。
[0021]在自測模式期間，微控制器18引起端口 PO和Pl輸出邏輯高。因此，FET36導通，將傳感器12的端子12B與地相連。在端口 Pl處輸出邏輯高引起充電電流Ic從端口 Pl流經電阻器34、端子30T和端子30C，到達傳感器12的端子12A。
[0022]當于向壓電傳感器12供給充電電流Ic時，由ADC16對傳感器12兩端的電壓進行采樣。在端口 PO和Pl輸出邏輯高之后的預定時間段內，傳感器12將充電到可以由ADC16讀取的值，并將該值提供給微控制器18。根據采樣數據(即，來自ADC16的ADC計數)，微控制器18可以確定壓電傳感器12的狀態。如圖2所示，可以檢測到三個可能狀況。圖2是示出了針對三個不同狀況，在壓電傳感器12的端子12A處(以及ADC16的輸入處)隨時間變化的電壓，所述三個不同狀況包括:正常運作的壓電傳感器(“傳感器正常”)、用作電學短路的失效傳感器(“傳感器短路”)以及用作電學開路的失效傳感器(“傳感器開路”)。
[0023]如圖2所示，在ADC16的數據采樣時間期間，用作短路的失效傳感器將示出接近零的電壓。開路狀況下無法運作的傳感器具有快速上升到由端口 Pi確定的最大電壓的充電曲線。相反，如圖2所示，展現正常電容的壓電傳感器將具有一般形狀的RC充電曲線。如圖2所示，由ADC16采樣的電壓的范圍在第一或最小閾值電平到第二或最大閾值電平之間。相反，展現短路狀況的傳感器將展現在最小閾值以下的電壓，在開路狀況下無法運作的傳感器將展現在最大閾值以上的電壓。
[0024]微控制器18接收來自ADC16的ADC計數，將該計數與最小和最大閾值進行比較。如果該計數在最小閾值之下或在最大閾值之上，則微控制器18產生診斷輸出，指示存在傳感器失效的狀況。如果ADC計數在最小和最大閾值之間，則微控制器18提供診斷輸出，指示壓電傳感器16處于沒有失效的狀況或處于正常狀況。診斷輸出可以僅指示傳感器失效，或可以識別失效的本質(短路或開路失效狀況。)
[0025]過程發射機10的診斷自測模式提供了一種驗證壓電傳感器或換能器的功能的方式。在發射機在危險環境下檢測氣體/蒸汽泄露的背景下，診斷自測模式避免了產生故意泄露以便驗證傳感器功能的需要。
[0026]盡管在具有壓電傳感器(具體地，可以用于檢測氣體/蒸汽泄露的傳感器)的過程發射機的背景下描述了診斷自測，然而可以將向壓電換能器使用充電電流的自測用于檢測在多種不同應用中的壓電換能器的失效。壓電換能器可以用于感測參數，或可以是用于將電能轉換為物理行為的致動器。
[0027]盡管參考示例實施例描述了本發明，然而本領域技術人員應清楚，可以在不脫離本發明的范圍的前提下，進行多種改變，并且可以用等同物代替實施例中的元件。此外，在不脫離本發明的本質范圍的前提下，根據本發明的教義，可以進行多種修改以便適應特定狀況或材料。因此，應清楚，本發明不限于所公開的特定實施例，本發明將包括落在所附權利要求范圍內的所有實施例。
【權利要求】
1.一種現場設備,包括: 壓電換能器； 正常模式電路，用于在正常操作模式期間操作所述壓電換能器；以及 自測電路，用于在診斷自測模式期間向壓電換能器供給充電電流并根據由于充電電流而引起的壓電傳感器上的電壓來提供測試信號。
2.根據權利要求1所述的現場設備，其中所述自測電路包括: 電阻器，用于經由電阻器向所述壓電換能器供給充電電流；以及 開關電路，用于在診斷自測模式下將所述電阻器與所述壓電換能器相連接。
3.根據權利要求2所述的現場設備，其中所述自測電路包括: 模數轉換器，所述模數轉換器在診斷自測模式期間通過開關電路連接，以便產生隨壓電換能器上的電壓變化的數字輸出。
4.根據權利要求3所述的現場設備，其中所述自測電路包括: 微控制器，所 述微控制器向開關電路提供開關控制信號，并且基于數模轉換器的數字輸出提供所述測試信號。
5.根據權利要求4所述的現場設備，其中所述電流源在診斷自測模式期間向電阻器供給電壓。
6.根據權利要求4所述的現場設備，其中所述壓電換能器包括壓電傳感器，并且所述正常模式電路從所述壓電傳感器得到傳感器信號。
7.根據權利要求6所述的現場設備，其中在正常操作模式期間，所述開關電路將所述正常模式電路與所述模數轉換器相連。
8.根據權利要求7所述的現場設備，其中在正常操作模式期間，所述模數轉換器根據傳感器信號來產生數字輸出。
9.根據權利要求2所述的現場設備，其中所述開關電路包括開關，其中在診斷自測模式期間所述開關將壓電換能器的一個端子與地相連。
10.根據權利要求1所述的現場設備，其中如果壓電換能器上的電壓小于第一閾值，則所述自測電路提供指示失效狀況的測試信號。
11.根據權利要求1所述的現場設備，其中如果壓電換能器上的電壓大于第二閾值，則所述自測電路提供指示失效狀況的測試信號。
12.根據權利要求1所述的現場設備，其中如果壓電換能器上的電壓大于第一閾值并小于第二閾值，則所述自測電路提供指示正常狀況的測試信號。
13.一種用于測試現場設備中的壓電換能器的狀況的方法，所述方法包括: 在測試期間，向壓電換能器供給充電電流； 在測試期間，監控由于充電電流而引起的壓電換能器上的電壓；以及 基于所述電壓的幅值，產生指示壓電換能器的狀況的診斷測試結果。
14.根據權利要求13所述的方法，其中如果所述電壓小于第一閾值，則診斷測試結果指示壓電換能器的失效狀況。
15.根據權利要求13所述的方法，其中如果所述電壓大于第二閾值，則診斷測試結果指示壓電換能器的失效狀況。
16.根據權利要求13所述的方法，其中如果所述電壓在第一和第二閾值之間，則診斷測試結果指示壓電換能器的正常狀況。
17.根據權利要求13所述的方法，其中所述壓電換能器是在正常操作模式期間用于感測過程變量的傳 感器。
【文檔編號】G01L27/00GK104081176SQ201280067520
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年5月28日 優先權日:2012年1月20日
【發明者】加瓦哈·阿魯那卡拉姆, 尤達亞尚卡爾·班加羅爾·卡斯圖里 申請人:羅斯蒙特公司