检测断线的系统和方法
【专利摘要】本发明的名称为检测断线的系统和方法。本发明提供了一种电路，其包括电源和通过开关电耦合到电源的传感器电路。该电路还包括电耦合到传感器电路的A/D转换器，该A/D转换器用于读取电阻元件两端的电压差以确定传感器电路的阻抗。本发明还提供了一种方法，其包括闭合将电源电耦合到传感器电路的开关，在电耦合到传感器电路的A/D转换器上测量电阻元件两端的电压差。该方法还包括基于该电压差确定传感器电路的阻抗。
【专利说明】检测断线的系统和方法
[0001]本申请要求2008年5月2日提交的，专利申请号为61/049828的临时申请的权益，该临时申请的公开内容并入本申请中。
【技术领域】
[0002]本申请涉及断线的检测，特别是提供一种检测传感器电路中断线的方法和系统。
【背景技术】
[0003]工业过程可以由采用传感器的电子系统部分地控制。一些工厂的自动化过程可能很重要且/或是对时间敏感的。错误的传感器值禁止传送到中央控制器以避免扰乱这些过程。
[0004]在过程控制系统中，很重要的是传回到中央控制器的所有过程数据是有效的。在断线事件发生时，若使用传统的断线检测系统，由于断线事件与模块的内部电路不同步，可能发送中间过程数据值。断线事件与内部电路的时序不同步可能导致中间数据结果被记录下来，即使这些中间数据不代表有效的传感器数据，而断线事件与内部电路的时序不同步在传统的断线检测电路中不会触发断线事件。
[0005]用于确定传感器线路完整性的方法典型地在传感器线路不完整时会导致传感器的输入值被迫变成无效状态的激励。在这种情况下，不总是能区分过电压/欠电压条件和断线事件。这些条件在一些过程控制系统中是不可接受的。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种方法以确保在数据传送到中央控制器之前至传感器的线路对于每一个过程值是完整的。
[0007]本发明提供一种电路，包括电源和通过开关电耦合到该电源的传感器电路。该电路还包括电耦合到传感器电路的A/D转换器，该A/D转换器用于读取电阻元件两端的电压差从而确定传感器电路的阻抗。
[0008]在上述电路中，当开关断开时传感器电路可用于输出测量电压，A/D转换器可用于读取与物理量成比例的测量电压。
[0009]上述电路还可包括控制器，用于将传感器电路的阻抗与可接受的范围比较。这个可接受的范围表明断线情况不存在。控制器还用于当阻抗落入可接受范围时记录测量电压，控制器还可用于当阻抗落到可接受范围外时输出错误信号。
[0010]本发明还提供了一种方法，包括闭合使电源电耦合到传感器电路的开关，以及在电耦合到传感器电路的A/D转换器上测量电阻元件两端的电压差，该方法还包括基于该电压差确定传感器电路的阻抗。
[0011]本领域技术人员可以通过参考下面的详细说明书和附图明显得出本发明的这些以及其它优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是根据本发明的检测断线的示例电路的电路原理图示；
[0013]图2是根据本发明的检测断线的示例方法的流程图示；
[0014]图3是图1所示示例电路中和/或图2所示示例方法采用的信号的时序波形图示；
[0015]图4是根据本发明的实施例的计算机的框图。
【具体实施方式】
[0016]本发明提供一种用于确定传感器线路完整性的新方法，该方法可用于区别过电压/欠电压的条件和断线事件。电路被施加偏压，使得在断线事件期间读数是在传感器的正常测量范围之外的幅度数量级以便可以与标准的过电压/欠电压条件区分开来。当传感器线路完整时，偏压将导致电压读数在传感器正常测量范围之外的区域中。例如，由电源输出的电压可能给传感器施加数量是测量电压最大值两倍的偏压，或替换地施加数量是测量电压最大值十倍的偏压。这样，用于非断线条件的电压读数不会明显受传感器接收的信号影响。
[0017]通过对传感器读数采样之后对断线监控器采样，只有该断线监控器的当前状态用于触发新的断线事件。然而，为了消除由于异步断线事件而产生的中间数据结果，断线监控器的当前状态以及之前状态可用于指示该线路在传感器的过程值发送到中央控制器之前是否是完整的。
[0018]图1示出了用于检测断线的系统，模数转换器100(在这里指A/D转换器100)包括输入101，102，103以及104。A/D转换器100的输入可以是成对的以测量电压差。例如，输入101和输入102(在这里指输入A或第一组输入)可测量传感器120两端的电压差。传感器120可以是热电偶(在这里指TC)，或其它合适的基于物理量的测量而产生电压差的传感器元件。传感器120测量对电压121进行驱动的物理量。
[0019]A/D转换器100还包括输入103和104 (这里指输入B或者第二组输入)，这两个输入是成对的用以测量指示断线条件的电压。A/D转换器100与控制器130通信，该控制器130操作为分析输入A/D转换器100的两电压差的数字化读数的。A/D转换器100可以替换成两个A/D转换器，例如一个A/D转换器具有输入101和102，另一个A/D转换器具有输入 103 和 104。
[0020]在图1中，电源140用来驱动断线检测系统。电源140可以是可变的直流电压源。替换的，电源140也可以是电流源，该电流源操作为驱动流过系统的电流以检测断线。开关150用于将来自电源140的电压或电流输出施加到系统上用以检测断线。开关150通过二极管151连接到传感器电路上，且通过电阻152连接到地161。图1所示的电路也可采用二极管和电阻的替换布置，任何数量的离散线性元件(这里指电阻元件)也可以按照本领域中公知的方式采用。第二电源141驱动参考源110，该第二电源141可以是可变的直流电压源或可以用来驱动电流流过系统以检测断线的电流源，其可替换的是电源140的另一个输出。参考源110为系统提供参考电压，该参考电压可以输入到A/D转换器110中。输入104可以读出系统的参考电压111。参考电压111可以设置为2.5V。替换地，参考电压111可以设置为任何合适的参考电压。
[0021]在A/D转换器100的输入101和102可以测量传感器输出电压112。当开关150闭合以允许断线检测系统运行时，传感器输出电压112可以是1.5V。传感器输出电压112和参考电压111例如可以相差-1V，这代表了电阻113两端的电压降。此断线压差表明存在断线条件。A/D转换器100的满量程电压条件输入101和102可以是+/-1.5V。在图1中，传感器输出电压112可由电阻114与地160隔尚。
[0022]在下面图1电路功能的说明中，使用热电偶/电压输入作为图解目的来解释传感器线路完整性监控电路。当确定线路连接的完整性时，开关150是闭合的。A/D转换器100的差分输入B (输入103和104)起作用，而输入A (输入101和102)是不起作用的。闭合开关150来将电源140(这里指Vpwr，例如5V)连接到传感器线路。这将引起电流流经传感器线路。位于B输入之间的电阻113两端的压降直接通过A/D转换器100的输入B测量。通过此电压，传感器线路的阻抗可以通过耦合到A/D转换器100的控制器130中的CPU计笪
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[0023]当测量传感器120 (这里指热电偶或TC)的电压121时，开关150断开。A/D转换器100的差分输入A起作用，而输入B不起作用。电压121的过程值或TC电势被测量。流经布置在参考电压111 (这里指Vref且例如2.5V)和地160之间的电阻113和114的偏置电流将传感器输出电压112 (这里指输入的共模电压)设置为Voffset (如1.5V)。这使得可以测量多达+/-Voffset的满量程(例如+/-1.5V)。更低的电压可以通过设置A/D转换器100的内部可编程增益放大器(PGA)来测量以获得更多的增益。电阻152可以施加负的偏压到二极管151，二极管151将开关150 (这里指断线检测开关)和电源140耦合到传感器电路上，从而避免断线电路与TC/电压测量电路的干扰。
[0024]图2示出了由控制器130执行的示例方法。此方法由操作200开始，其指示模块启动。该方法从操作200行进到操作210,操作210指示初始化及参数化该模块。该流程然后行进到操作220，操作220指示读取通道数据(N)。通道数据(N)代表传感器数据，因此可以代表图1中A/D转换器100的输入端101和102的输入。该流程接着行进到操作230，操作230指示开始断线转换(N)。此过程代表了开关150的闭合以及图1中读取A/D转换器100的输入103和104的开始。该流程继续从操作230行进到判决步骤235，该判决步骤询问转换是否完成。如果转换没有完成，该流程再次转向判决步骤235，再次询问转换是否完成。
[0025]当转换完成并且因此判决步骤235的应答是肯定的时，该流程行进到操作240，其指示读取断线数据(N)。断线数据(N)是图1中A/D转换器100的输入端103和104的输入。该流程然后行进到操作250，其指示开始通道转换(N+1)。该流程从操作250行进到判决步骤260，其询问第N-1次读取的断线数据以及第N次读取的断线数据是否均准备好。断线检测因此在读取通道数据之前和之后立即开始，如果对判决步骤260的回答是否定的(即，如果在通道之前和之后读数中的任一个指示了断线)，则流程继续行进到操作265，其指示了报告一个断线诊断(这里指错误信号)。操作265因此代表了警报，信号和/或可视化的给人或其他机器的输出。如果对判决步骤260的应答是肯定的(即，如果在通道读取之前或之后的读数中没有断线指示)，则该流程行进到操作270，其指示了过程/比例通道数据(N)。操作270还可包括记录测量数据以及输出数据至用于操作或监控过程的另一个系统。
[0026]在操作270处理通道数据之后，流程行进到操作280，其指示了报告通道数据(N)。该流程从操作280和操作265行进到判决步骤290，其询问通道转换(N+1)是否完成。如果对判决步骤290的应答是否定的，该流程再次转换到判决步骤290，所以这是在通道转换完成之间的有效暂停。当对判决步骤290中提出的问题的应答是肯定的，该流程行进到操作220。
[0027]图2中流程的替换布置也可取决于图1中所示系统内可能的转换速度。例如，指示了开始通道转换(N+1)的操作250，在替换的示例实施例中可以在判决步骤290之前立即进行。
[0028]用于确保图2所示测量的每个过程值的完整性的方法可以总结如下。开关SI闭合，测量A/D转换器上的输入B。控制CPU可以计算流经传感器的电流以及判定线路是否完整且具有指定的阻抗，这里也指可接受的范围。接下来，开关SI可以断开，并且测量输入A。这个值由控制CPU缩放和存储。接着，开关SI再一次闭合，输入B再次被测量，并且可以再次计算线路阻抗。如果这两个线路阻抗计算结果被发现处于有效连接，换句话说，如果这两个阻抗读数均落入可接受的范围内，那么来自传感器(输入A)的存储的过程值视作有效的且传送到系统中。如果一个或两个阻抗读数落到设计规格或可接受范围之外，那么存储的过程值不被传送到系统去。而是在这种情况下传送线路错误。该序列对每一个测量周期都重复，从而避免了无效过程值(由于线路错误)被传送到中央控制器。图2示出了示例过程周期，图3示出了信号时序。
[0029]图3提供了代表每个不同通道上的不同信号的时序波形图300。断线使能信号310显示在时序波形图300的顶部。中间的波形是通道使能320，底部的波形是过程/比例使能330。在WB (N-1) 340，WB (N) 342和WB (N+1) 344上，断线使能310是“断开”或是正的。当断线使能310断开时，通道使能320是闭合的。在通道(N) 350和通道(N+1) 352上，断线使能320是“断开”或是正的。过程/比例使能330在通道使能320断开的同时断开，然而，过程/比例使能330不会在通道使能320上的全部正信号期间持续。过程/比例使能330包括比例(N-1) 360，比例(N) 362以及比例(N+l)364。
[0030]图4是根据本发明一个实施例的计算机的高级框图。计算机400可以例如作为图1中的控制器130操作。控制器130可以是可编程逻辑控制器(PLC)，下面对计算机400的描述同样可以描述PLC作为控制器130使用时的操作。另外，计算机400可以执行上面针对图2描述的步骤。计算机400包含处理器410，该处理器通过执行定义了这些操作的计算机程序指令控制计算机的操作，这些计算机程序指令可以存储在计算机可读取的记录介质中。计算机程序指令可以存储在存储器420 (例如磁盘，数据库)中，且在期望执行计算机程序指令时加载进内存430。因此，计算机操作将由存储在内存430和/或存储器420中的计算机程序指令定义，且计算机400将由执行计算机程序指令的处理器410来控制。计算机400还包括一个或多个网络接口 440用于与其它装置通信，例如其它计算机，服务器，或网站。网络接口 440可以是例如本地网络，无线网络，企业网或互联网。当计算机400是PLC时，网络接口 440可以是工业以太网或工业现场总线。计算机400还包括输入/输出450，其代表了允许用户与计算机400交互的装置(例如显示器，键盘，鼠标，扬声器，按键，网络摄影机等等)。本领域技术人员将会认识到实际计算机的实施也会包含其他组件，图4是用于说明目的的这样一个计算机的一些组件的高级展示。
[0031]上述详细的描述应被理解为是对本发明每个方面的说明和示例，而非限制，在此所公开的本发明的范围不是由上面的详细描述来限定，而是根据专利法所能允许的最大范围解释的权利要求确定的。可以理解这里显示和描述的实施例仅是用来解释本发明的原理，只要不背离本发明的精神和范围，本领域的技术人员可对本发明进行各种改变。
【权利要求】
1.一种电路,包括: 电源； 通过开关电耦合到电源上的传感器电路，其中电源偏压传感器电路，使得在断线事件期间读数是在传感器的正常测量范围之外的幅度数量级；以及 电耦合到传感器电路上的A/D转换器，适用于经第二输入组读取电阻元件两端的电压差以确定传感器电路的第一阻抗， 其特征在于， 控制器，该控制器用于将传感器电路的第一阻抗与可接受的范围比较，该可接受的范围指示断线条件不存在，该控制器还用于比较传感器电路的第二阻抗，该第二阻抗由A/D转换器通过经所述第二输入组读取电阻元件两端的指示断线条件的第二电压差确定，该控制器还用于在第一阻抗和第二阻抗均落入该可接受的范围时记录经所述A/D转换器的第一输入组确定的测量电压。
2.如权利要求1所述的电路，其中: 该传感器电路适于在开关断开时输出测量电压；以及 A/D转换器适于读取该测量电压。
3.如权利要求2所述的电路，其中所述测量电压与物理量成比例。
4.如权利要求2所述的电路，其中所述电源是电压源，且该电压源的电压输出是所述测量电压的最大值的至少两倍。
5.如权利要求4所述的电路，其中所述电压是所述测量电压的最大值的至少十倍。
6.如权利要求1所述的电路，其中，所述控制器还用于在所述阻抗位于可接受范围之外时输出错误信号。
7.如权利要求1所述的电路，其中，所述控制器还用于在所述阻抗和第二阻抗的至少一个位于可接受的范围之外时输出错误信号。
8.如权利要求1所述的电路，其中: 在开关断开之前，所述电源使得电阻元件两端存在电压差； 所述开关断开以使得传感器电路输出测量值；且 所述电源使得开关在断开之后再闭合后，电阻元件两端存在第二电压差。
9.如权利要求1所述的电路，其中A/D转换器包括两组输入，第一组输入用于读取测量电压，第二组输入用于读取电压差。
10.如权利要求1所述的电路，其中: 传感器电路用于在开关断开时输出测量电压；且 另一个A/D转换器用于读取该测量电压，所述A/D转换器和所述另一个A/D转换器每一个都使用单输入通道。
11.如权利要求1所述的电路，其中所述电源是电流源。
12.—种方法,包括: 闭合将电源电耦合到传感器电路的开关，其中电源偏压所述电路，使得在断线事件期间读数是在传感器的正常测量范围之外的幅度数量级； 在电耦合到传感器电路的A/D转换器上经第二输入组测量电阻元件两端的电压差；且 基于该电压差确定传感器电路的第一阻抗， 该方法还包括: 通过控制器将传感器电路的第一阻抗与可接受的范围比较，该可接受的范围指示断线条件不存在； 通过控制器比较传感器电路的第二阻抗，该第二阻抗由A/D转换器通过经所述第二输入组读取电阻元件两端的指示断线条件的第二电压差确定； 如果第一阻抗和第二阻抗均落入该可接受的范围，则记录经所述A/D转换器的第一输入组确定的测量电压。
13.如权利要求12所述的方法，还包括: 当开关断开时，传感器电路输出测量电压；以及 在A/D转换器上读取该测量电压。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述测量电压与物理量成比例。
15.如权利要求13所述的方法，其中: 所述电源是电压源； 所述电压施加到传感器电路上；且 该电压是所述测量电压最大值的至少两倍。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述电压是测量电压最大值的至少十倍。
17.如权利要求16所述的方法，还包括当所述阻抗位于可接受范围之外时通过控制器输出错误信号。
18.如权利要求12所述的方法，还包括:如果所述第一阻抗和第二阻抗的至少一个位于可接受的范围之外，则通过控制器输出错误信号。
19.如权利要求12所述的方法，还包括: 断开开关使得传感器电路输出测量值；其中: 所述电压差在开关断开之前由电源引起； 第二电压差在开关断开之后由电源引起。
20.如权利要求13所述的方法，其中， 在A/D转换器的第一组输入上读取测量电压； 在A/D转换器的第二组输入上读取电压差。
21.如权利要求12所述的方法，还包括: 当开关断开时通过传感器电路输出测量电压； 在另一个A/D转换器上读取测量电压，所述A/D转换器和所述另一个A/D转换器每一个均使用单输入通道。
22.如权利要求12所述的方法，其中所述电源是电流源。
【文档编号】G01R31/08GK104198883SQ201410370968
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2009年4月30日 优先权日:2008年5月2日
【发明者】R.A.维德尔, J.F.阿彻尔 申请人:西门子工业公司