ВЕРИФИКАЦИЯ ТОКА КОНТУРА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА
VERIFICATION OF PROCESS CONTROL CIRCUIT CURRENT

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к устройствам контроля процесса, используемым в технологических процессах. В частности, настоящее изобретение относится к устройствам, таким как датчики, которые управляют электрическим током в контуре управления процесса.
Полевые устройства, такие как контроллеры, мониторы и датчики процесса, используются в отрасли управления процессами, чтобы удаленным образом управлять, выполнять мониторинг или воспринимать переменную процесса. Например, переменная процесса может передаваться в диспетчерскую посредством датчика для использования в управлении процесса или для предоставления информации об операции процесса в контроллер. Например, информация, относящаяся к давлению технологической жидкости, может передаваться в диспетчерскую и использоваться для управления процесса, такого как переработка нефти.
Один из типичных способов для передачи информации по предшествующему уровню техники относится к управлению величиной тока, протекающего через контур управления процесса. Ток подается из источника тока, находящегося в таком месте как диспетчерская, и датчик управляет током, протекающим в контуре, из своего удаленного местоположения в поле. Например, сигнал 4 мА может использоваться, чтобы указывать нулевое показание, а сигнал 20 мА может использоваться, чтобы указывать предельное показание. В последнее время в датчиках используется цифровая схема, которая осуществляет связь с диспетчерской, используя цифровой сигнал, который накладывается на аналоговый сигнал тока, протекающего через контур управления процесса. Одним из примеров такого способа является протокол связи HART, разработанный компанией Rosemount Inc. Протокол HART и другие такие протоколы, как правило, включают в себя набор команд или инструкций, которые могут передаваться в датчик, чтобы вызвать желаемый ответ, такой как управление или опрос датчика.
Когда аналоговый ток контура используется, чтобы представлять информацию, такую как переменная процесса, точность, с которой может быть установлен ток контура, может стать ограничивающим фактором для точности передаваемой переменной процесса. Управляемый ток контура может быть подвержен дрейфу. Иначе говоря, управляемый ток контура со временем может менять значение, поскольку электрические компоненты, которые управляют током, имеют тенденцию стареть.
Раскрытие изобретения
Устройство контроля процесса сконфигурировано для соединения с двухпроводным контуром управления процесса. Схема вывода тока контура сконфигурирована, чтобы применять к двухпроводному контуру управления процесса выходной ток. Схема верификации тока контура соединена с двухпроводным контуром управления процесса и сконфигурирована, чтобы детектировать ошибки в применяемом выходном токе. По меньшей мере, часть схемы верификации тока контура независима от схемы вывода тока контура.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема системы 10 управления процесса, которая включает в себя датчик, соединенный с технологической трубой;
Фиг.2 - перспектива датчика, которая иллюстрирует один пример конфигурации содержащихся в нем блоков схемы;
Фиг.3 - упрощенная структурная схема датчика;
Фиг.4 - упрощенная структурная схема, иллюстрирующая один вариант осуществления схемы верификации тока контура;
Фиг.5 - упрощенная схема, иллюстрирующая еще один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором схема верификации тока контура сформирована с использованием аналого-цифрового преобразователя, соединенного параллельно резистору;
Фиг.6 - упрощенная электрическая схема одного варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.7, 7А и 7В - более детализированные виды электроники в датчике для реализации вариантов осуществления схемы верификации тока контура;
Фиг.8 - иллюстрация еще одного варианта осуществления схемы, которая предоставляет вывод дрейфа;
Фиг.9 - иллюстрация еще одного варианта осуществления схемы с выводом дрейфа;
Фиг.10 - иллюстрация еще одного варианта осуществления схемы с выводом 413 дрейфа;
Фиг.11- иллюстрация установки калибровки для выполнения калибровки вывода 4-20 миллиампер и вывода дрейфа;
Фиг.12 - иллюстрация схемы последовательности операций для выполнения калибровки вывода схемы и вывода дрейфа;
Фиг.13 - иллюстрация графика калибровки схемы после завершения калибровки, как описано в связи с Фиг.12;
Фиг.14 - иллюстрация схемы последовательности операций для автоматической обработки вывода дрейфа.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение предоставляет способ верификации аналогового тока контура для подтверждения, что ток, применяемый технологическим устройством к контуру управления процесса, установлен в желаемое значение. Схема верификации тока контура используется, чтобы детектировать ошибки в применяемом уровне вывода тока. По меньшей мере, часть схемы верификации тока контура независима от схемы, используемой, чтобы задавать ток контура в контуре управления процесса. Это предоставляет независимую (или избыточную) верификацию тока контура управления процесса. Это изобретение может быть реализовано в любом устройстве контроля процесса, которое используется, чтобы управлять током в контуре управления процесса, и оно не ограничено описанным здесь иллюстративным устройством контроля процесса. Например, одно описанное здесь устройство контроля процесса представляет собой датчик, который включает в себя сенсор для восприятия переменной процесса. Датчик управляет током, протекающим через контур управления процесса, по аналоговой величине, которая представляет воспринятую переменную процесса. Однако для реализации различных аспектов настоящего изобретения необязательно, чтобы устройство контроля процесса воспринимало переменную процесса. На основании результатов верификации тока контура могут быть предприняты различные действия, такие как передача тревожного сигнала, регулирование тока контура желаемым образом и т.п. Примеры таких действий описаны в патенте США №10/733558, поданном 11-го декабря 2003 - «Устройство контроля процесса с блокировкой контура».
TM
Фиг.1 представляет собой схему системы 10 управления процесса, которая включает в себя датчик 12, соединенный с технологической трубой 16. Датчик 12 соединен с двухпроводным контуром 18 управления процесса, который работает согласно стандарту FOUNDATION Fieldbus, Profibus или HART. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничено этими стандартами или двухпроводной конфигурацией. Двухпроводной контур 18 управления процесса протягивается между датчиком 12 и диспетчерской 20. В варианте осуществления, в котором контур 18 работает согласно протоколу HART, контур 18 может проводить ток I, который представляет воспринятую переменную процесса. В дополнение протокол HART предоставляет возможность наложения цифрового сигнала на протекающий по контуру 18 ток, так что цифровая информация может передаваться или приниматься от датчика 12.
Фиг.2 представляет собой перспективу датчика 12, которая иллюстрирует один пример конфигурации содержащихся в нем блоков схемы. В этом примере осуществления датчик 12 включает в себя особый модуль 40, который присоединен к чувствительному модулю 42. Чувствительный модуль 42 присоединен к технологический трубе 16 (показанной на Фиг.1) через технологическое соединение 44.
Особый модуль 40 включает в себя электронную схему 50 особого модуля, которая присоединена к электронной схеме 52 чувствительного модуля, входящего в состав чувствительного модуля 42. Как правило, электронная схема 52 чувствительного модуля присоединена к сенсору переменной процесса, например, показанному на Фиг.1 сенсору 21, который используется для восприятия переменной процесса, относящейся к ходу процесса. Электронная схема 50 особого модуля включает в себя схему 60 вывода тока контура и схему 64 верификации тока контура. Схема 64 может быть реализована посредством аппаратного обеспечения, программного обеспечения или гибридной комбинации аппаратного и программного обеспечений, и она может располагаться в любом месте внутри датчика 12. По меньшей мере, один компонент или функция схемы 64 является, по меньшей мере, отдельной или независимой от схемы 64.
В действии схема 60 вывода тока контура управляет значением тока I, протекающего через контур 18, чтобы представлять, например, измеренную переменную процесса. Это может использоваться, чтобы выполнять мониторинг или управлять операцией технологического процесса. В некоторых приложениях схема 60 вывода также используется, чтобы снабжать энергией схему в датчике 12, которая генерируется, используя энергию, принятую через контур 18.
В некоторых приложениях, таких как для получения сертификации Уровня Полноты Безопасности (Safety Integrity Level, SIL), необходимо, чтобы датчик 12 удовлетворял определенному критерию надежности. Например, чтобы обеспечить остановку процесса при отказе или близком отказе, некоторые сертификации требуют, чтобы должным образом быть передан тревожный сигнал, так чтобы могло быть выполнено аварийное отключение, даже если в датчике 12 отказали некоторые компоненты. Схема 64 верификации тока контура может быть применима к подобной конфигурации.
Фиг.3 представляет собой упрощенную структурную схему датчика 12. Как показано на Фиг.3, датчик 12 включает в себя измерительную схему 70, которая соединена с сенсором 21 переменной процесса. Схема 70 может входить в состав схемы 52 чувствительного модуля, показанной на Фиг.2. Выходная ступень 72 соединена с измерительной схемой 70 и сконфигурирована для передачи (и, как в некоторых вариантах осуществления, для приема) информации через контур 18 управления процесса. Выходная ступень 72 включает в себя схему 60 вывода. Однако схема 60 может быть сконфигурирована согласно другим вариантам осуществления. Измерительная схема 70 сконфигурирована, чтобы предоставлять начальную обработку переменных процесса, воспринятых сенсором 21. Реализация измерительной схемы 70 часто включает в себя микропроцессор. Микропроцессор может также использоваться, чтобы осуществлять другие функции схемы датчика 12.
В режиме нормальной работы переменная процесса, воспринимаемая сенсором 21, преобразуется в аналоговый ток контура для передачи по контуру 18 управления процесса, используя схему 60 вывода. Схема 64 верификации тока контура может быть соединена последовательно, параллельно или параллельно-последовательно со схемой 60 вывода или она может входить в схему 60. Также могут использоваться другие конфигурации.
Схема 64 верификации тока контура включает в себя, по меньшей мере, один компонент, который частично независим или независим от компонентов, используемых схемой 60 вывода тока контура. Схема 64 верификации тока контура сравнивает ток I, протекающий через контур 18, с намеченным значением тока и в ответ предоставляет вывод 67 сравнения, относящийся к этому сравнению. Например, вывод 67 может быть предоставлен, если ток I контура находится вне допустимых пределов предопределенного или регулируемого порога намеченного значения. Эти сравнения могут быть основаны на фиксированном расхождении или на относительном расхождении в процентах, или на другом соотношении с намеченным значением выходного тока I. Кроме того, вывод 67 может быть индикацией величины ошибки (в абсолютных или относительных показателях) между действительным выходным током I контура и желаемым выходным током контура.
Для того чтобы схема 64 верификации тока контура сравнивала ток I контура с желаемым значением тока контура, схема 64 должна иметь информацию, относящуюся к этому желаемому значению. Это может быть выполнено, например, путем соединения с измерительной схемой 70 или другой схемой в датчике 12, которая обеспечивает схему 64 верификации тока контура информацией, относящейся к этому желаемому уровню. В другом примере датчик 12 может войти в тестовый режим, в котором ток I контура, протекающий через контур 18, устанавливается равным одному или более предопределенным значениям токов контура, или посредством образцовых значений тока контура. В течение этого тестового режима схема 64 верификации тока контура может сравнивать действительный ток контура, протекающий через контур 18, с желаемым током контура. На основании этого сравнения может быть выдан соответствующий вывод, например, аналоговый сигнал тревоги или цифровое значение посредством протокола HART. В других примерах разность (между действительным и намеченным током контура) может быть выведена через локальный дисплей, например, вывод значения разности на жидкокристаллический индикатор, или передана как цифровое значение в ответ на запрос HART. Если разность превышает определенный предел, или по другому критерию, эта информация может быть предоставлена путем отображения локального сообщения ошибки, передачи цифрового сообщения ошибки в ответ на запрос HART, передачи цифрового сообщения ошибки в монопольном режиме HART (дополнительный статус), предоставления аналогового сигнала тревоги или предоставления вывода аналоговой образцовой величины по контуру управления. Для модификации значения, передаваемого в цифроаналоговый преобразователь, может использоваться коррекция вывода, чтобы компенсировать значения разности. Также может быть инициирована рутинная процедура автоматической калибровки. В других конфигурациях может быть предоставлен диагностический вывод, например, если разность превышает порог. Эта разность может быть предоставлена посредством, например, визуального индикатора или замыкания контактов. Также могут использоваться другие конфигурации датчика, такие как диагностический вывод HART 4-20 мА. Например, режим вывода может быть переключен, и диагностический вывод может быть предоставлен по аналоговому контуру. В других конфигурациях датчика, таких как те, в которых присутствует возможность беспроводной передачи, беспроводной ответ может быть передан в ответ на запрос или этот ответ может быть инициирован датчиком.
Фиг.4 представляет собой упрощенную структурную схему, иллюстрирующую один вариант осуществления схемы 64 верификации тока контура. В Фиг.4 компаратор 74 используется, чтобы воспринимать падение напряжения на резисторе 76, который последовательно соединен с током I контура. Компаратор 74 может быть сконфигурирован, чтобы детектировать изменения тока контура сверх предопределенных уровней ошибок, как установлено вводом «ЭТАЛОН», и в ответ предоставлять выходной сигнал. Компаратор 74 может содержать множество компараторов, например, чтобы детектировать отклонения тока сверх верхнего и нижнего порогов ошибки. Эталонный ввод в компаратор 74 может быть сгенерирован с использованием любого подходящего средства, например, резистивной цепочки, диода или другим способом, включая микропроцессорное управление. Например, эталон может быть установлен, используя цифроаналоговый преобразователь.
Фиг.5 представляет собой упрощенную схему, иллюстрирующую еще один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором схема 64 верификации тока контура сформирована с использованием аналого-цифрового преобразователя 80, соединенного параллельно резистору 76. Как описано выше, резистор 76 соединен последовательно контуру 18, так что падение напряжения на резисторе 76 является показателем тока I контура. Вывод из аналого-цифрового преобразователя 80 может быть соединен с, например, микроконтроллером 92, показанным на Фиг.6. Микроконтроллер сравнивает оцифрованное значение тока контура с пороговыми значениями, хранимыми в памяти, и в ответ предоставляет вывод, основанный на сравнении. В еще одном другом примере микропроцессор может сравнивать оцифрованное значение тока контура с ожидаемым значением тока контура. Например, ожидаемое значение тока контура может быть значением, равным которому должен быть установлен ток контура для конкретного значения воспринятой переменной процесса. Если воспринятое значение тока контура отличается от ожидаемого значения тока контура более чем на предопределенную величину, например, в процентах, то микропроцессор может предоставить индикацию о том, что ток контура не может быть верифицирован. Микропроцессор опционально может рассматриваться как часть схемы 74 верификации тока.
Фиг.6 представляет собой более детальную структурную схему, иллюстрирующую один пример схемы в датчике 12. На Фиг.6 электроника 50 особого модуля показана соединенной с двухпроводным контуром 18 управления процесса через шунтовой регулятор 82 и резистор 76 обратной связи контура. Регулятор 86 мощности соединен с электроникой 52 чувствительного модуля. Электроника 52 чувствительного модуля также показана соединенной с процессом через датчик 88 переменной процесса.
Схема 64 верификации тока контура может быть частично реализована в микроконтроллере 92, который соединен с цифроаналоговым преобразователем 93 и аналого-цифровым преобразователем 74. (Примечание: термины «микроконтроллер», «микропроцессор» и «процессор» использованы здесь как взаимозаменяемые). Аналого-цифровой преобразователь 74 сконфигурирован, чтобы измерять ток контура, и он также может выполнять функцию схемы 64 верификации тока контура.
В действии микроконтроллер 92 сконфигурирован, чтобы управлять током I, протекающим через контур 18, и любыми цифровыми данными, модулированными на этом токе, используя цифроаналоговый преобразователь 93 и шунтовой регулятор 82. Аналогово-цифровой преобразователь 74 предоставляет вывод, который является показателем тока I, протекающего через контур 18. Микроконтроллер 92 включает в себя память 99, которая содержит одно или более пороговых значений или иных отношений тока, используемых в детектировании состояния тревоги. Путем периодического сравнения измеренного тока контура с пороговыми значениями, хранимыми в памяти 99, или с ожидаемым значением тока контура, основанным на воспринятой переменной процесса, микроконтроллер 92 может определить, произошла ли ошибка.
Согласно настоящему изобретению полевым устройствам предоставляется способ детектирования изменений в аналоговом выводе путем точного считывания тока контура и его сравнения с установленным или ожидаемым значением. Путем сравнения измеренного значения с ожидаемым значением, устройство может детектировать изменения тока контура, происходящие со временем, например, из-за дрейфа компонентов. Если детектируется чрезмерная разность между измеренным током и ожидаемым током, то, например, через контур 18 может быть предоставлен вывод, указывающий о необходимости обслуживания. В подобной ситуации датчик может быть повторно откалиброван (вручную или автоматически), и схема верификации тока контура может использоваться для последующего детектирования ошибок. В еще одном другом примере может быть предоставлен периодический запрос посредством, например, цифрового коммуникатора 26, как показано на Фиг.1, чтобы запросить информацию о состоянии контура аналогового тока. Если ответ указывает отсутствие существенной ошибки из-за дрейфа, то оператор может определить, что устройство работает должным образом и не требует обслуживания. Это уменьшает интервалы между обслуживаниями, затраты на обслуживание, количество времени, проводимого на обслуживание датчиков, и вероятность возникновения ошибки из-за ненужного обслуживания. В еще одном другом примере изобретение может использоваться в системе цифровой связи путем выполнения мониторинга тока контура в такой установке. Ток может быть соотнесен с ожидаемым током, и результат может быть передан в цифровой форме.
В одной конфигурации используется эталон точности, и микроконтроллер 92 сконфигурирован для самостоятельной калибровки датчика 12. Например, микроконтроллер может регулировать ток контура так, чтобы он совпадал с эталонным током контура. Сравнение с подобным абсолютным эталоном может использоваться вместе с математической коррекцией или уравнением, чтобы корректировать ток контура без необходимости проведения измерений в конечных точках крайних значений тока контура.
Вышеизложенное описание предоставляет различные примеры способов для осуществления схемы верификации тока контура. Фиг.7 иллюстрирует первый вариант осуществления, который предоставляет более детальный вид электроники в датчике 100 для осуществления схемы верификации тока и предоставления вывода 102 дрейфа. Вывод 102 дрейфа генерируется компараторами 104, 106. Компараторы 104, 106 воспринимают разность между напряжением суммирующего узла на линии 108 и напряжением на линии 111, которое выводится из чувствительного резистора 110. Чувствительный резистор 110 проводит ток Iконтур контура и генерирует напряжение Vвоспр относительно общей обратной шины ("Общей обратной шины постоянного тока"), обозначенной маленьким треугольным символом. Компараторы 104, 106 снабжаются энергией от и работают между шиной 112 положительного напряжения и общей обратной шиной 114. Для того чтобы компараторы 104 и 106 работали должным образом, два сравниваемых напряжения на линиях 108, 111 должны иметь напряжения также между шиной положительного напряжения и общим обратным проводом.
Однако напряжение Vвоспр, генерируемое на чувствительном резисторе 110, является отрицательным относительно общей обратной шины 114 и, следовательно, находится вне рабочего диапазона компараторов 104, 106. Для того чтобы представить на линию 111 напряжение, которое находится в рабочем диапазоне, резистивная разделительная цепь, содержащая резистор (R1) 120 и резистор (R2) 122, соединена последовательно между напряжением Vвоспр и напряжением питания +3 вольт на линии 124. Резистивная разделительная цепь действует, чтобы «подтянуть» напряжение на линии 111 так, чтобы напряжение на линии 111 находилось в рабочем диапазоне. Линия 111 соединена с узлом между резисторами 120 и 122, и она предоставляет на линии 111 напряжение, которое является положительным. Напряжение, представленное на линии 111, является функционально зависимым от Vвоспр.
Представленное на линию 111 изменение напряжения также имеет относительно малое амплитудное изменение, например, в диапазоне изменения примерно 270 милливольт для изменения тока контура от 4 до 20 миллиампер через чувствительный резистор Rчувств сопротивлением 25 Ом. В конфигурации с Фиг.7, ток Iконтур контура представляет собой масштабированный вывод, который пропорционален измеренной переменной процесса. Этот вывод вычисляется из ввода сенсора, и в микропроцессорной системе он масштабируется и корректируется с учетом компенсации температурных эффектов. Тогда компенсированное значение используется, чтобы генерировать значение Iконтур, используя цифроаналоговый преобразователь и связанную схему. Эталон D1 используется цифроаналоговым преобразователем, чтобы предоставлять в суммирующий узел точное значение, которое используется, чтобы предоставлять сигнал управления в проходной элемент Q1 в контуре тока. Поскольку напряжение в суммирующем узле также пропорционально значению Iконтур, это напряжение измеряется, чтобы определить точность вывода тока контура.
Использование схемы 104 и 106 компаратора создает простой индикатор неудачи прохождения для верхней и нижней границ Iконтур. Эталонное напряжение создается из резистивного разделителя R1 и R2, соединенного между источником питания 3 вольт и отрицательной клеммой. Это напряжение включает в себя падение на Rчувст (110), которое пропорционально току Iконтур контура. Источник питания 3 вольта создается, используя эталон D2, который независим от эталона, используемого схемой цифроаналогового преобразователя. R1 и R2 являются масштабированными, чтобы предоставлять напряжение, пропорциональное выводу суммирующего узла и тока контура.
Любой дрейф в схеме может быть индицирован посредством разности между напряжением суммирующего узла и напряжением, создаваемым R1 и R2. Соответствующий компаратор в таком случае укажет направление дрейфа. В случае дрейфа вывода контура в большую сторону компаратор 106 укажет большой вывод. В случае дрейфа вывода контура в меньшую сторону компаратор 104 укажет большой вывод. Выводы компараторов (102) могут быть введены обратно в микропроцессор, так что пользователю может быть передана индикация.
В другом примере принципиальной схемы, показанной на Фиг.7А, используется схема 131 аналого-цифрового преобразователя. В этой конфигурации ток Iконтур контура представляет собой масштабированный вывод, который пропорционален измеренной переменной процесса. Этот вывод вычисляется из ввода сенсора, и в микропроцессорной системе он масштабируется и корректируется с учетом компенсации температурных эффектов. Тогда компенсированное значение используется, чтобы генерировать значение Iконтур, используя цифроаналоговый преобразователь и связанную схему. Эталон D1 используется цифроаналоговым преобразователем, чтобы предоставлять в суммирующий узел точное значение, которое используется, чтобы предоставлять сигнал управления в проходной элемент Q1 в контуре тока. Rчувств подключен последовательно Iконтур, так что напряжение на резисторе пропорционально току контура. Это напряжение может быть измерено, чтобы детектировать дрейф, используя аналого-цифровой преобразователь. Этот аналого-цифровой преобразователь использует эталон D3, который независим от эталона, используемого выводом цифроаналогового преобразователя. Это значение верификации тока контура подается обратно в схему микропроцессора, где оно может быть сравнено с ожидаемым значением Iконтур.
Схема вывода тока контура калибруется на заводе. Одновременно может калиброваться схема верификации тока контура. Ток контура повторно может быть откалиброван конечным пользователем как часть процесса инсталляции. Одновременно калибруется верификация тока контура, чтобы уменьшить ошибку между значениями вывода и измерения.
После инсталляции устройства измеренное значение тока контура и ожидаемое значение тока контура будут непрерывно или периодически сравниваться. Если в эталоне или компонентах в схеме, используемых для установления вывода Iконтур, присутствует дрейф, то это будет указано разностью между ожидаемым и измеренным значениями тока контура. Этот дрейф может быть указан конечному пользователю посредством битов индикации статуса или путем перехода в состояние тревоги.
Фиг.7В представляет собой еще один пример конфигурации. Эта конфигурация схожа с конфигурацией с Фиг.7А. Эта конфигурация включает в себя способность переключения эталонного напряжения на ввод аналого-цифрового преобразователя, чтобы оно могло быть использовано для калибровки вывода Iконтур. Когда вывод Iконтур калибруется по независимому эталону (D4) напряжения получается дополнительное аналого-цифровое показание. Это может быть эталоном напряжения, используемым в части схемы, которая не используется для создания вывода Iконтур, или эталоном напряжения, специально выделенным для этой цели. Тогда измеренное значение тока контура сравнивается со значением независимого эталона напряжения. Для измеренного значения тока контура вычисляются масштабированные значения смещения и усиления. Это может быть простым вычислением в форме a=mx+b или также может включать в себя более сложные вычисления, включая линейную и температурную компенсацию. Эти масштабные коэффициенты предоставляют возможность сравнения любого вывода Iконтур с показанием независимого эталона напряжения. Исходное показание эталона напряжения и масштабные коэффициенты хранятся в энергонезависимой памяти, такой как ЭСППЗУ, для будущих вычислений. В любое время, когда калибруется ток контура, вычисления будут обновлены, чтобы предоставить новые значения смещения и усиления.
После инсталляции устройства измеренное значение Iконтур и ожидаемое значение тока контура будут непрерывно или время от времени сравниваться. В добавление значение независимого эталона измеряется и сравнивается с его первоначальным сохраненным значением.
Разность между последним измеренным показанием независимого эталона напряжения и первоначальным значением независимого эталона напряжения указывает дрейф эталона для аналого-цифрового преобразователя или независимого эталона. В этом случае конечному пользователю предоставляется индикация о том, что необходима калибровка тока контура. В течение выполнения калибровки, калибровки обновляются, предоставляя новые значения смещения и усиления.
Разность между ожидаемым значением Iконтур и измеренным значением тока контура указывает дрейф в некоторых компонентах, используемых в схеме аналогового вывода, или в эталоне для измерения Iконтур. Если показание независимого эталона напряжения указывает отсутствие изменения относительно первоначального значения, хранимого в памяти, то дрейф автоматически может быть скомпенсирован без вывода устройства из работы. Допустимая ошибка между значениями измеренного и ожидаемого тока контура может быть отрегулирована путем изменения значений смещения и усиления, используемых для установления значения Iконтур. После того, как новые значения используются, чтобы установить вывод, значение измеренного тока контура может быть использовано, чтобы верифицировать изменение.
В вариантах осуществления, описанных ниже в связи с Фиг.8-14, приведено дальнейшее описание верификации тока контура. Воспринимаемое напряжение соединено с вводом инверторного усилителя, и усиленный вывод между общей обратной шиной и положительным напряжением питания является положительным. Использование инвертирующего усилителя предоставляет возможность избежать соединения воспринимаемого напряжения с положительной шиной через резистивный делитель напряжения. Вывод усилителя генерирует изменения усиленного напряжения, например, в диапазоне изменений 800 милливольт для изменений тока контура от 4 до 20 миллиампер для чувствительного резистора Rчувств сопротивлением 25 Ом.
Фиг.8 представляет собой иллюстрацию еще одного варианта осуществления схемы 200, которая предоставляет вывод 202 дрейфа. Схема 200 содержит положительную клемму 204, отрицательную клемму 206 и общую обратную шину 208, обозначенную треугольным символом. Предпочтительно, схема 200 является частью датчика переменной процесса. Положительная и отрицательная клеммы 204, 206 доступны для соединения в контуре управления с источником 210 возбуждения и устройством 212 вывода. Источник 210 возбуждения, предпочтительно, является источником постоянного тока, а устройство 212 вывода, предпочтительно, является вводом системы управления, который схематически представлен входным сопротивлением. Контур управления проводит ток Iконтур 214 контура, который предпочтительно является аналоговым током 4-20 миллиампер. Предпочтительно, ток 214 контура предоставляет всю необходимую электрическую энергию для схемы 200. Предпочтительно, общая обратная шина 208 представляет собой общий проводник постоянного тока, который не доступен для соединения вне схемы 200.
Схема 200 также содержит преобразователь 216 переменной процесса, который проводит ток 214 контура от положительной клеммы 204 к общей обратной шине 208. Ток 214 контура обеспечивает энергией схему 216 преобразователя. Преобразователь переменной процесса также предоставляет положительное напряжение 224 питания. Предпочтительно схема 216 преобразователя воспринимает переменную 218 процесса и управляет величиной тока 214 контура как функцией от величины переменной 218 процесса. Преобразователь 216 также содержит чувствительный ввод 220, который, предпочтительно, является воспринимающим вводом напряжения, подходящим для приема информации обратной связи, указывающей действительную величину тока 214 контура.
Схема 200 содержит чувствительное сопротивление (Rчувств) 226, которое проводит ток 214 контура от общей обратной шины 208 к отрицательной клемме 206. Предпочтительно, чувствительное сопротивление 226 имеет значение сопротивления примерно 25 Ом, и оно является постоянным и не подвержено значительному дрейфу. Общая обратная шина 208 собирает, по существу, весь ток 214 контура, который проходит через преобразователь 216 переменной процесса, так что, по существу, весь ток 214 контура проходит через чувствительное сопротивление 226. Чувствительное сопротивление 226 генерирует на отрицательной клемме 206 воспринимаемое напряжение, которое является показателем тока контура.
Схема 200 также содержит усилитель 230, который имеет сигнальный ввод 232, соединенный с отрицательной клеммой 206. Сигнальный ввод 232 имеет отрицательное напряжение относительно общей обратной шины 208. Усилитель 230 имеет усиленный вывод 234, который соединен с чувствительным вводом 220, чтобы предоставлять обратную связь. Усилитель 230 предпочтительно представляет собой инвертирующий усилитель, который предоставляет положительный вывод 234 усилителя в ответ на отрицательный сигнальный ввод 232 усилителя. Предпочтительно, усилитель 230 имеет усиление, равное, например, минус 2, чтобы предоставлять повышенный уровень сигнала на усиленном выводе 234. Усиленный вывод 234 является положительным относительно общей обратной шины, когда ток контура находится в диапазоне 2,8-28,0 мА. Номинальный диапазон 4-20 мА тока контура входит в этот более широкий диапазон.
Преобразователь 216 переменной процесса предоставляет вывод 202 дрейфа, который указывает разность между желаемым значением тока 214 контура, основанным на переменной 218 процесса, и действительным значением тока 214 контура, основанным на обратной связи от чувствительного резистора 226 и усилителя 230, как применяется на чувствительном вводе 220 преобразователя переменной процесса. Преобразователь переменной процесса, предпочтительно, включает в себя микропроцессор или специализированную интегральную схему, чтобы вычислять эту разность. Вывод 202 дрейфа может быть отображен на жидкокристаллическом индикаторе, установленном вместе со схемой 200 в датчике.
Схема 200, предпочтительно, заключена в корпус (не проиллюстрирован), чтобы формировать датчик переменной процесса. Датчики переменной процесса, такие как датчики давления, датчики расхода, датчики температуры, и другие известные типы датчиков могут быть сконструированы с использованием схемы 200.
Фиг.9 представляет собой иллюстрацию еще одного варианта осуществления схемы 300 с выводом дрейфа. Схема 300, проиллюстрированная на Фиг.9, схожа со схемой 200, проиллюстрированной на Фиг.8. Использованные на Фиг.9 ссылочные номера, которые совпадают со ссылочными номерами, использованными на Фиг.8, обозначают одинаковые или схожие элементы.
На Фиг.9 общая обратная шина 208 соединена с усилителем 230 и преобразователем 216, как проиллюстрировано треугольными символами. Преобразователь 216 переменной процесса генерирует положительный потенциал (+V) 302 питания, который соединен с усилителем 230.
На Фиг.9 усилитель 230 содержит входной резистор 304, соединенный с сигнальным вводом 232. Предпочтительно, входной резистор 304 имеет величину, по меньшей мере, в 1000 раз больше, чем чувствительное сопротивление 226, чтобы уменьшить утечку тока в сигнальный ввод 232. Например, входной резистор 304 имеет номинал 100000 Ом, а чувствительное сопротивление 226 имеет номинал 25 Ом. Усилитель 230 также содержит операционный усилитель 306, имеющий инвертирующий (-) ввод усилителя, соединенный с входным резистором 304. Операционный усилитель 306 также имеет неинвертирующий (+) ввод, соединенный с общей обратной шиной 208 либо напрямую, либо через полное сопротивление (не проиллюстрировано). Усилитель 230 также содержит резистор 308 обратной связи, соединенный между усиленным выводом 234 и инвертирующим вводом операционного усилителя 306. Операционный усилитель 306 имеет большое усиление напряжения открытого контура, которое ограничено точным меньшим усилением, устанавливаемым резистивной разделительной цепью, сформированной из резисторов 308, 304. Например, резистор 308, предпочтительно, имеет сопротивление, которое в два раза больше сопротивления резистора 304, чтобы предоставлять усиление -2. Чувствительный резистор 226, входной резистор 304 и резистор 308 обратной связи являются постоянными пассивными компонентами, которые имеют пренебрежительно малые характеристики дрейфа.
На Фиг.9 преобразователь 216 переменной процесса включает в себя сенсор 330, который воспринимает переменную 218 процесса, схему 332 сенсора, которая снабжает энергией сенсор 330 и предоставляет вывод 333 переменной процесса в микропроцессорную систему 334 в пригодной форме. Микропроцессорная система 334 предоставляет дискретное число «N» в цифроаналоговый преобразователь 336, который преобразует дискретное число в аналоговый ток, который подается в транзистор 338 Дарлингтона, чтобы управлять током 214 контура. Величина тока, которая меньше 4 мА, используется для обеспечения энергией преобразователя 216, и транзистор 338 Дарлингтона проводит дополнительную величину тока, необходимую для приведения общего тока к желаемой величине между 4 и 20 мА, которая является показателем переменной 218 процесса.
Преобразователь 216 переменной процесса также включает в себя аналого-цифровой преобразователь 340, который преобразует усиленный вывод на чувствительном вводе 220 в дискретное число «M», которое представляет фактическую величину тока контура. Аналого-цифровой преобразователь 340, предпочтительно, содержит постоянный, высокоточный эталон напряжения, так что схема 300 может выполнять регулирование свой калибровки без вмешательства техника, как описано более подробно ниже в связи с примером, проиллюстрированным на Фиг.14. Как проиллюстрировано, дискретное число «M» соединяется с микропроцессорной системой 334. Микропроцессорная система 334 сравнивает числа «M» и «N», чтобы сгенерировать вывод 203 дрейфа, представляющий разность между желаемым током контура и фактическим током контура. Вывод 203 дрейфа представляет собой цифровой сигнал, наложенный на ток 214 контура. Вывод дрейфа, предпочтительно, предоставляется в стандартизированном формате, таком как протокол HART.
Несмотря на то, что схема 300 описана в связи с протоколом HART, специалистам в данной области техники будет очевидно, что вместо протокола HART могут использоваться другие известные протоколы связи, такие как Fieldbus, CAN, Profibus и т.п.
Фиг.10 представляет собой иллюстрацию еще одного варианта осуществления схемы 400 с выводом 413 дрейфа. Схема 400 содержит положительную клемму 404, отрицательную клемму 406 и общую обратную шину 408.
Схема 400 также содержит преобразователь 416 переменной процесса, который проводит ток 414 контура от положительной клеммы 404 к общей обратной шине 408. Чувствительное сопротивление 426 проводит ток 414 контура от общей обратной шины 408 к отрицательной клемме 406.
Схема 430 обратной связи воспринимает напряжение на отрицательной клемме 406 и подает усиленное напряжение 434 обратной связи обратно в чувствительный ввод 420 преобразователя 416 переменной процесса. Усиленное напряжение 434 обратной связи представляет величину действительного тока 414 контура. Схема 430 обратной связи предоставляет сдвиг уровней и усиление, так что усиленный вывод 434 обратной связи находится в диапазоне значений, которые могут быть обработаны преобразователем 416 переменной процесса.
Преобразователь 416 переменной процесса предоставляет дискретное число «N» тока контура как функцию от переменной процесса, а также вывод 413 дрейфа, указывающий разность между установкой «N» тока контура и представлением «M» действительного тока контура. Представление «M» получают из аналого-цифрового преобразователя 440. Аналого-цифровой преобразователь 440 воспринимает усиленное напряжение 434 обратной связи. Компаратор 450 в процессоре 452 в цифровой форме сравнивает числа «M» и «N» и генерирует вывод 413 дрейфа. Вывод 413 дрейфа может быть отображен, передан в удаленное место или использован внутри процессором 452, чтобы предоставить малые коррекции дрейфа.
Настоящее изобретение описывает схему верификации тока контура, основанную на резисторе (Rчувств), который создает напряжение (Vвоспр), которое представляет собой масштабированное представление тока контура. Для специалистов в данной области техники очевидны другие возможные способы считывания тока контура. Примерами являются токовые зеркала или мосты Уитстона/обнуляющие схемы.
Фиг.11 представляет собой иллюстрацию приспособления 500 калибровки для выполнения калибровки вывода 4-20 миллиампер и вывода дрейфа. Схема 502 управляет током (Iконтур) 504, протекающим в контуре 506 управления, который выходит за пределы схемы 502. Контур 506 управления включает в себя источник 508 постоянного тока и резистивную нагрузку 510, соединенную с индикатором 512 тока, который может быть считан техником. Коммуникатор 514 соединен с контуром 506 управления посредством проводов 516, 518. Предпочтительно, коммуникатор 514 является коммуникатором Rosemount Model 275/375, который осуществляет связь со схемой 502, используя протокол HART, и включает в себя встроенную программу для регулирования настроечных значений N4, N20, M4 и M20, которые хранятся в схеме 502. Коммуникатор 514 включает в себя клавиатуру для регулирования выбранных настроечных значений в большую или меньшую сторону, как это требуется. Схема 502 передает вывод дрейфа, используя протокол HART, и коммуникатор 514 принимает и отображает вывод дрейфа на индикаторе, который является частью коммуникатора 514.
Показанная на Фиг.11 установка может использоваться, чтобы регулировать настроечные значения N4, N20, M4 и M20, хранимые в схеме 502, как описано ниже в связи с Фиг.12-13.
Фиг.12 представляет собой иллюстрацию схемы последовательности операций для выполнения калибровки вывода схемы и вывода дрейфа.
После того как на контур подается питание, на этапе 602 схема 502 (Фиг.11) устанавливается для калибровки тока 4 мА посредством коммуникатора 514. Техник следит за индикатором 512 тока и использует клавиатуру на коммуникаторе 514, чтобы как требуется регулировать или настраивать настроечное значение N4 в большую или меньшую сторону на этапе 606, до тех пор, пока индикатор тока не покажет значение 4,000 миллиампер на этапе 608.
Следующее, на этапе 610 техник использует клавиатуру, чтобы установить коммуникатор 514 для отображения вывода дрейфа. Если вывод дрейфа равен нулю, то регулирования M4 не требуется. Если вывод дрейфа отличен от нуля, то техник может определить, является ли вывод дрейфа настолько большим, что схема 502 нуждается в ремонте. Если вывод дрейфа отличен от нуля и находится в малом, нормальном диапазоне дрейфа, то техник может использовать клавиатуру, чтобы отрегулировать М4 на этапе 612 так, чтобы указываемый дрейф стал равен нулю на этапе 614.
На этапе 618 техник использует клавиатуру, чтобы установить коммуникатор для калибровки схемы по току контура 20 мА. На этапе 620 техник следит за индикатором 512 тока и использует клавиатуру на коммуникаторе 514, чтобы как требуется регулировать или настраивать настроечное значение N20 в большую или меньшую сторону, до тех пор, пока индикатор не покажет значение 20,000 миллиампер на этапе 622.
Следующее, на этапе 624 техник использует клавиатуру, чтобы установить коммуникатор 514 для отображения вывода дрейфа для тока 20 мА. Если вывод дрейфа равен нулю, то регулирования M20 не требуется. Если вывод дрейфа отличен от нуля, то техник может определить, является ли вывод дрейфа настолько большим, что схема 502 нуждается в ремонте. Если вывод дрейфа отличен от нуля и находится в малом, нормальном диапазоне дрейфа, то техник может использовать клавиатуру, чтобы отрегулировать М20 на этапе 626 так, чтобы указываемый дрейф стал равен нулю на этапе 628.
На этапе 620 техник использует клавиатуру на коммуникаторе 514, чтобы переключить схему 502 из режима калибровки в режим работы. Тогда, техник может ввести контур 506 (Фиг.11) управления обратно в работу.
Фиг.13 представляет собой иллюстрацию графика 700 калибровки схемы 502 после завершения калибровки, как описано в связи с Фиг.12. На Фиг.13 вертикальная ось 702 указывает дискретное число или счет N, применяемый к цифроаналоговому преобразователю, такому как цифроаналоговый преобразователь 336 с Фиг.9. Горизонтальная ось 704 указывает ток контура в миллиамперах. Прямая линия 706 указывает ток контура, как функцию от счета N после завершения калибровки. Как показано в точке 708, счет N4 был отрегулирован так, что ток контура равен 4,000 миллиампер, когда N=N4. Как показано в точке 710, счет N20 был отрегулирован так, что ток контура равен 20,000 миллиампер, когда N=N20. После калибровки вывод дрейфа указывает, по существу, нулевое значение в обеих точках 708, 710, а также по всему диапазону линии 706 в течение работы. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что линия 706 при сильном увеличении будет иметь ступенчатый вид из-за дискретности цифроаналогового преобразователя.
Если по истечении некоторого времени после калибровки предельное или нулевое показание цифроаналоговой схемы станет с дрейфом, то вывод дрейфа будет указывать отличное от нуля значение. Вывод дрейфа передается через контур тока посредством протокола HART в диспетчерскую (или в коммуникатор), где он может быть просмотрен техником. Техник может определить, является ли дрейф достаточно большим, чтобы указать о необходимости ремонта схемы.
Фиг.14 представляет собой иллюстрацию схемы 800 последовательности операций для автоматической обработки вывода D дрейфа. Схема, такая как проиллюстрированная на Фиг.9 схема 300, может включать в себя программную рутинную процедуру, хранимую в микропроцессорной системе 334 (Фиг.9), которая автоматически сравнивает дрейф со множеством ограничений дрейфа и автоматически предпринимает действия, основанные на множестве сравнений. Начавшись с блока 802 на Фиг.14, программа переходит к блоку 804 вычисления, который вычисляет дрейф D=(M-N), где N является числом, представляющим желаемый ток контура, а M является числом, представляющим действительный ток контура.
Программа переходит к блоку 806 принятия решений, который проверяет, больше ли дрейф D порога неисправности. Если дрейф D больше порога неисправности, то программа переходит к блоку 808, который предоставляет отчет о неисправности из-за дрейфа. Отчет об неисправности, связанной с дрейфом, может быть показан на дисплее, установленном на схеме, или может быть передан через контур управления как сигнал HART. После формирования отчета о неисправности программа переходит по линии 810 в конец 820. В добавление, может быть использован другой тревожный сигнал и способы оповещения, описанные выше.
Если дрейф D не больше порога неисправности, то программа переходит от блока 806 принятия решений к блоку 812 принятия решений. Блок 812 принятия решений проверяет, больше ли дрейф D порога регулирования. Если дрейф D больше порога регулирования, то программа переходит к блоку 814, чтобы как требуется автоматически отрегулировать N4 и N20, чтобы вернуть вывод дрейфа к нулевому значению. Полевое устройство, которое включает в себя это автоматическое регулирование, может, следовательно, самостоятельно калиброваться без привлечения техника. После выполнения регулирования в блоке 814 программа переходит по линии 816 в конец 820. Если в блоке 812 определяется, что D не больше порога регулирования, то программа переходит по линии 818 к концу 820.
Последовательность операций программы, проиллюстрированная на Фиг.14, выполняется через временные интервалы, так что малая величина дрейфа (которая является нормальной), возникшая в течение временного интервала, может быть скорректирована, тогда как при чрезмерной величине дрейфа будет сформирован отчет. После завершения в конце 820 до возврата к началу 802 выдерживается требуемый временной интервал в блоке 822. Временной интервал выдержки составляет, как правило, один месяц, но он может быть изменен на другие временные интервалы. Пороги неисправности и регулирования могут также быть регулируемыми.
С помощью настоящего изобретения схема сконфигурирована, чтобы уменьшать отказы по общей причине. Предпочтительно, схема, используемая для измерения тока контура, сконструирована так, что аппаратные и программные аспекты схемы содержат независимость друг от друга. Например, может быть использован отдельный эталон напряжения (относительно эталона напряжения, используемого схемой генерации тока контура) или может быть реализован диапазон разных данных. Целью является предотвратить или уменьшить количество ситуаций, когда отказ приводит к одинаковой реакции в схеме вывода тока контура и схеме верификации тока контура. Например, если для вывода тока контура и верификации тока контура используется один и тот же резистор, и если диапазоны данных одинаковы, то дрейф в общем резисторе будет воздействовать на каждую схему одинаковым образом. В этой ситуации ток контура не будет иметь намеченного значения, и между тем схема верификации будет не в состоянии детектировать ошибку.
С помощью настоящего изобретения под действием схемы верификации тока контура может быть предоставлен вывод или действие. Это включает в себя, например, предоставление сигнала тревоги, в том числе аналогового сигнала тревоги, предоставление визуальной, цифровой или беспроводной индикации, компенсирование ошибок (корректировка вывода) или инициирование процедуры автоматической калибровки, чтобы повторно откалибровать устройство. Схема верификации тока контура может работать согласно любому способу. Например, схема может сравнивать измеренный ток контура с базовым значением, хранимым в памяти, включая сравнение измеренного значения независимого эталона с сохраненным значением. Устройство может указывать, что измеренный из эталонного значения вывод отличается от сохраненного значения эталона. Устройство также сохраняет новые данные калибровки контура тока, когда выполняется ручная калибровка, а также новые данные независимого эталона, когда выполняется ручная калибровка. Дрейф тока контура или независимого эталона может контролироваться в течение срока службы устройства, и когда дрейф превышает предопределенную границу, может быть предоставлен вывод. Предельные значения могут храниться в памяти устройства.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в форме и деталях могут быть выполнены изменения в рамках сущности и объема настоящего изобретения. В использованном здесь значении «независимый» компонент в схеме верификации тока контура включает в себя компоненты, которые не используются также схемой вывода тока контура. В некоторых вариантах осуществления независимый компонент является таким, который используется исключительно в соединении со схемой верификации тока контура и не используется другой схемой в датчике переменной процесса. В других конфигурациях все компоненты, используемые схемой верификации тока контура, которая используется для измерения или иным образом восприятия тока в двухпроводном контуре управления процесса, за исключением общего источника питания независимы от схемы, используемой чтобы устанавливать ток контура в двухпроводном контуре управления процесса. В некоторых конфигурациях схема верификации тока контура сравнивает ток контура с пороговым значением. Пороговое значение может быть фиксированным или регулируемым. В некоторых конфигурациях пороговое значение можно регулировать удаленным образом, например, передавая команды через двухпроводной контур управления процесса. В одной конфигурации настоящее изобретение предоставляет полевое устройство, которое содержит регулируемый вывод тока, такой как вывод 4-20 мА или вывод согласно протоколу Fieldbus, в том числе Foundation Fieldbus или Profibus. Полевое устройство имеет регулируемый вывод тока, который содержит эталон напряжения или тока, точность и стабильность которого, по меньшей мере, частично определяет точность и стабильность регулируемого вывода тока. Полевое устройство содержит эталон напряжения или тока, который независим от эталона, используемого для генерации регулируемого вывода тока.