过程控制回路电流验证的制作方法

专利名称：过程控制回路电流验证的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业过程中使用的过程设备。更具体地，本发明涉及控制过程控制回路中的电流的设备，例如变送器(transmitter)。
技术背景在过程控制行业中，使用例如过程控制器、监测器和变送器等的 现场设备来远程地控制、监测或感测过程变量。例如，过程变量可以 由变送器传送到控制室，用于控制过程或向控制器提供与过程操作有 关的信息。例如，与过程流体的压力有关的信息可以被传送到控制室 并用于控制过程，例如炼油。一种用于传送信息的典型现有技术涉及控制流过过程控制回路 的电流量。从例如位于控制室中的电流源来提供电流，而且变送器控 制电流从其在现场中的远端位置开始在回路中流动。例如，4mA信号可 以用于指示零读数，而20mA信号可以用于指示全范围读数。更近的， 变送器采用数字电路，该数字电路使用被叠加到流过过程控制回路的 模拟电流信号上的数字信号与控制室进行通信。该技术的一个例子是 由Rosemount Inc开发的HAI^^通信协议。HAIT^协议和其他这些协议典型地包括命令集或指令集，这些命令集或指令集能够被发送至变送器 以引发期望的响应，例如变送器控制或询问。当模拟回路电流用于表示例如过程变量的信息时，可以设置的回 路电流的精确度将会对所传送的过程变量的精确度造成限制。受控的 回路电流可能易受漂移的影响。换句话说，受控回路电流的值会随着 控制电流的电子组件的老化而随时间发生变化。发明内容一种过程设备，被配置为耦合至两线过程控制回路。回路电流输 出电路被配置为把输出电流施加到两线过程控制回路。回路电流验证 电路耦合至两线过程控制回路，并被配置为检测所施加的输出电流中 的误差。回路电流验证电路中至少一部分与回路电流输出电路是独立 的。


图1是包括与过程管道相连的变送器的过程控制系统10的示意图。图2是变送器的透视图，其示出了变送器中承载的电路块的一个 示例配置。图3是变送器的简化框图。图4是示出回路电流验证电路的一个实施例的简化框图。 图5是示出本发明另一个实施例的简化框图，其中使用连接在电 阻器两端的模拟至数字转换器来形成回路电流验证电路。 图6是本发明一个实施例的简化电气图。图7、 7A和7B提供了用于实现回路电流验证电路的实施例的变送 器中电子组件的更为详细的视图。图8示出了提供漂移输出的电路的另一个实施例。图9示出了具有漂移输出的电路的另一个实施例。图10示出了具有漂移输出413的电路的另一个实施例。图11示出了用于校准4-20毫安输出和漂移输出的校准装置。图12示出了用于校准电路输出和漂移输出的流程图。图13示出了在完成结合图12所述的校准后的电路校准图表。图14示出了用于自动处理漂移输出的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种模拟回路电流验证技术，用于验证由过程设备 施加到过程控制回路的电流被设置为期望值。回路电流验证电路用于 检测所施加电流输出电平中的误差。回路电流验证电路中至少一部分 与用于设置过程控制回路上的回路电流的电路独立。这提供了对过程 控制回路电流的独立(或冗余)验证。本发明能够以用于控制过程控 制回路中的电流的任意过程设备来实现，并且不限于这里讨论的示意 性过程设备。例如，这里描述的一种过程设备是包括用于感测过程变 量的检测器的传感器。变送器控制流过过程控制回路的电流为代表所 感测的过程变量的模拟值。然而，不需要过程设备感测过程变量以实 现本发明的各个方面。基于回路电流验证的结果，可以采取各种步骤， 例如发送警报信号、把回路电流调整为期望值等。这些步骤的示例在2003年12月11日提交的、标题为PROCESS DEVICE WITH LOOP OVERRIDE 的美国专利序列号No. 10/733， 558中有所描述。图1是包括与过程管道16相连的变送器12的过程控制系统10的示 意图。变送器12耦合至两线过程控制回路18，两线过程控制回路18根 据FOUNDATIONTM现场总线、Profibus或HAI^^标准而操作。然而，本发 明不限于这些标准或两线配置。两线过程控制回路18在变送器12和控 制室20之间运行。在回路18根据HAIT^协议进行操作的实施例中，回路 18能够携带代表所感测的过程变量的电流I。另外，HAIH^协议允许把 数字信号叠加到经过回路18的电流上，使得能够把数字信息发送到变 送器12或从变送器12接收数字信息。图2是变送器12的透视图，其示出了变送器12中承载的电路块的一 个示例配置。在这个示例实施例中，变送器12包括耦合至感测模块42 的特征模块40。感测模块42通过集合管过程管接(coupling) 44耦合 至过程管道16 (图l所示)。特征模块40包括特征模块电子电路50，特征模块电子电路50耦合 至感测模块42中承载的感测模块电子电路52。典型地，感测模块电子 电路52耦合至过程变量传感器，例如图1所示的传感器21，该传感器用 于检测与过程操作有关的过程变量。特征模块电子电路50包括回路电 流输出电路60以及回路电流验证电路64。电路64能够以硬件、软件或 两者的混合组合来实现，并可以位于变送器12内的任何地方。电路64 的至少一个组件或功能至少部分地与电路64的电路分离或独立。在操作中，回路电流输出电路60控制流过回路18的电流I的值，以
表示例如所测量的过程变量。这可以用于监测或控制工业过程的操作。在一些应用中，输出电路60还用于向变送器12内的电路提供电力，使 用从回路18上接收的功率来产生该电力。在一些应用中，例如获得安 全集成等级(SIL)认证，需要变送器12满足特定的可靠性标准。例如， 为了确保过程在发生故障或即将发生故障时被关闭， 一些认证要求适 当地发送警报信号，从而即使变送器12中的某些组件发生故障，也能 够安全地进行关闭。回路电流验证电路64能够应用于该配置。图3是变送器12的简化框图。如图3所示，变送器12包括耦合至过 程变量传感器21的测量电路70。电路70可以包括在图2所示的感测模块 电路52中。输出级72连接至测量电路70，并被配置用于在过程控制回 路18上发送(以及在一些实施例中接收)信息。输出级72包括输出电 路60。然而，可以根据其他实施例来配置电路60。测量电路70被配置 为对传感器21所感测的过程变量提供初始处理。测量电路70的实现通 常包括微处理器。微处理器还可以用于实现变送器12中其他电路的功 能。在正常操作期间，传感器21所感测的过程变量被转换为模拟回路 电流，使用输出电路60在过程控制回路18上传输该模拟回路电流。回 路电流验证电路64能够与输出电路60串联、并联或串并联，或包括在 电路60中。也可以使用其他配置。回路电流验证电路64包括与回路电流输出电路60所使用的组件部 分独立或独立的至少一个组件。回路电流验证电路64把流过回路18的 电流I与期望的电流值进行比较，并作为响应，提供与该比较有关的比 较输出67。例如，如果电流I超出其期望值的预定或可调整阈值时，可 以提供输出67。这些比较可以基于固定偏差，或基于百分数偏差，或 与输出电流I的期望值的其他关系。此外，输出67能够以绝对或相对的 形式来指示实际输出回路电流I与期望输出回路电流的误差量。为了使回路电流验证电路64对回路电流I与回路电流的期望值进 行比较，电路64必须具有与这个期望值有关的信息。例如，这可以是 与测量电路70的连接、或变送器12内向回路电流验证电路64提供与这 个期望值有关的信息的其他电路的连接。在另一个示例中，变送器12 能够进入测试模式，在测试模式中，通过回路18的回路电流I被设置为 一个或更多个预定回路电流，或回路电流图案。在这个测试模式期间， 回路电流验证电路64可以把流过回路18的实际回路电流与期望的回路 电流进行比较。可以基于这个比较而给出合适的输出，例如通过HART 给出模拟警报或数字值。在其他示例中，(实际和期望的回路电流之间 的)差可以通过本地显示来通告，例如LCD读出差值或响应HART请求而 以数字值而传送。如果差超过特定阈值，或其他标准，则这个信息可 以通过如下方式而通告显示本地错误消息、响应HART请求而传送数 字错误消息、在HART突发模式(附加情况)下传送数字错误消息、在 控制回路上提供模拟警报或提供模拟图案输出。输出校正可以用于修 改发送到数字至模拟转换器以补偿该差值的值。还可以发起自动校准 例程。在其他配置中，例如如果差超过了阈值，可以提供诊断输出。 例如，这个差可以通过可视指示符或接触点闭合来通告。还可以使用 其他变送器配置，例如诊断HART4-20mA输出。例如，可以对输出模式 进行切换，并且可以在模拟回路上提供诊断输出。在例如包括无线功 能的其他变送器配置中，可以响应请求或由变送器发起而发送无线响 应。图4是示出回路电流验证电路64的一个实施例的简化框图。在图4 中，比较器74用于感测与回路电流I串联的电阻器76两端上的压降，比 较器74可以被配置为检测回路电流超过"REFERENCE"输入设置的预定 误差值的变化，并作为响应，提供输出信号。比较器74可以包括多个 比较器，例如用于检测超过误差上阈值和误差下阈值的电流偏移。可 以使用任意适合的装置来产生比较器74的基准输入，例如电阻器梯形 网络、二极管或其他技术，包括微处理器控制。例如，可以使用数字 至模拟转换器来设置基准。图5是示出本发明另一个实施例的简化示意图，其中使用连接在电 阻器76两端的模拟至数字转换器80来形成回路电流验证电路64。如上 所述，电阻器76与回路18串联，从而电阻器76两端的压降指示回路电 流I。模拟至数字转换器80的输出可以耦合至例如图6所示的微控制器 92。微处理器把数字化的回路电流值与存储器中存储的阈值进行比较，
并作为响应，基于该比较提供输出。在另一个示例中，微处理器可以 把数字化的回路电流值与期望的回路电流值进行比较。例如，期望的 回路电流值可以是回路电流针对所感测的过程变量的特定值而应当被 设定的值。如果所感测的回路电流值与期望的回路电流值的变化大于 预定量，例如某个百分比，则微处理器可以提供不能验证回路电流的指示。微处理器可选择地被看作电流验证电路74的一部分。图6是示出变送器12中的电路的一个示例的更加详细的框图。在图 6中，所示的特征模块电子组件50通过旁路调节器82和回路反馈电阻器 76耦合至两线过程控制回路18。功率调节器86耦合至传感器模块电子 组件52。传感器模块电子组件52还示出为通过过程变量传感器88耦合 至过程。回路电流验证电路64可以部分地在微控制器92中实现，微控制器 92耦合到数字至模拟(D/A)转换器93和模拟至数字(A/D)转换器74。 (注意，"微控制器"、"微处理器"和"处理器"在这里可以互换使用)。 模拟至数字转换器74被配置为测量回路电流，而且还能够实现回路电 流验证电路64的功能。在操作中，微控制器92被配置为使用D/A 93和旁路调节器82， 控制通过回路18的电流I以及被调制到该电流上的任何数字数据。模拟 至数字转换器74提供指示流过回路18的电流I的输出。微控制器92包括 存储器99，存储器99可以包含在检测警报条件中使用的一个或更多个 阈值或其他电流关系。通过周期性地把所测量的回路电流与存储器99 中存储的阈值进行比较，或基于所感测的过程变量与期望的回路电流 值进行比较，微控制器92可以确定是否出现误差。利用本发明，为现场设备提供了通过精确地读取回路电流并将其 与设置值或期望值进行比较而检测模拟输出中的误差的技术。通过把 测量的值与期望值进行比较，该设备能够检测回路电流随时间的变化， 例如由于组件漂移。如果检测到测量的电流与期望的电流之间出现过 量的差，则可以提供(例如在回路18上)指示需要进行维护的输出。 在该情况下，可以对变送器进行重校准(手动地或自动地)，而且回路 电流验证电路用于随后的误差检测。在另一个示例中，例如可通过图l中所示的数字通信装置26提供周期性查询，以请求模拟电流回路的正 常状态。如果该响应指示不存在实质的漂移误差，则操作员可以确定 该设备操作正常且不需要服务。这减小了维护间隔、维护成本、为变 送器提供服务所花费的时间量、以及由于不必要的维护引起误差的可 能性。在另一个示例中，本发明可以用于数字通信系统中，监测该装 置中的回路电流。该电流可以与期望电流有关，并以数字方式传递结 果。在一种配置中，使用精确基准且微控制器92被配置用于变送器12 的自校准。例如，微控制器可以调整回路电流，使得其与基准回路电 流相匹配。可以使用数学修正或等式与该绝对基准的进行比较，从而 校正回路电流，而不需要在回路电流到达极端的端点处进行测量。上面的讨论提供了用于实现回路电流验证电路的各种示例技术。 图7示出了提供变送器100中电子组件的更加详细视图的第一实施例， 用于实现电流验证电路和提供漂移输出102。漂移输出102由比较器 104、 106产生。比较器104、 106感测线路108上的求和节点电压与线路 111上从感测电阻器110导出的电压之间的差。感测电阻器110传导回路 电流I LOOP,并产生相对于由小三角符号表示的公共回线(return) ("DC common")的电压VSENSE。比较器104、 106由正电压干线112与 公共回线("DC common") 114之间施加电压并操作。为了使比较器104、 106正常操作，线路108、 lll上的两个比较电压必须均具有也处于正电 压干线和公共回线之间的电压。然而，感测电阻器110处产生的电压VSENSE相对于公共回线114为 负，因而处于比较器104、 106的操作范围之外。为了在线路lll上提供 操作范围内的电压，在电压VSENSE与线路124上的+3V电源电压之间串 联有包括电阻器(Rl) 120和电阻器(R2) 122的电阻分压网络。该电 阻分压网络用于对线路lll上的电压进行"上拉"，从而线路lll上的电 压处于该操作范围内。线路111连接到电阻器120和122之间的节点，并 提供线路lll上的正电压。线路lll上体现的电压在机能上取决于 VSENSE。线路lll上提供的电压范围还具有相对低的幅度变化，作为示例，
对于通过25欧姆感测电阻器RSENSE从4毫安变为20毫安的回路电流变 化，该电压的幅度变化范围大约在270毫伏的范围内。在图7的配置中， 回路电流(Iloop)是与所测量的过程变量成比例缩放的输出。这个输 出根据传感器输入而计算，并被縮放和补偿微处理器系统的温度效应。 然后，补偿后的值被用于使用数字至模拟转换器和有关的电路来产生 Ilo叩值。数字至模拟转换器使用基准D1向求和节点提供精确值，求和节点用于向电流回路中的传递元件Q1提供控制信号。由于求和节点处 的电压还与Ilo叩值成比例，所以可以测量这个电压以确定回路电流输出的精确度。使用比较器电路104和106，针对Ilo叩的上界和下界创建简单的传 递失败指示器。基准电压从3V电源与负端之间连接的分压电阻器R1和 R2中得到。这个电压包括Rsense (110)两端的压降，该压降与回路电 流Iloop成比例。使用与数字至模拟转换器电路所使用的基准独立的基 准D2来得到3V电源。对R1和R2进行缩放，以提供与求和节点和回路电 流输出成比例的电压。电路中的任何漂移可以由求和节点与R1和R2所提供的电压之间的 电压差而表示。然后，各个比较器将指示漂移的方向。在回路输出漂 移为高的情况下，比较器106将指示高输出。在回路输出漂移为低的情 况下，比较器104指示高输出。比较器(102)的输出可以反馈至微处 理器，所以可以向用户发送指示。在图7A所示的另一个示例示意图中，使用模拟至数字转换器电路 131。在这个配置中，回路电流(Iloop)是与所测量的过程变量成比 例縮放的输出。这个输出根据传感器输入而计算，并被縮放和补偿微 处理器系统进中的温度效应。然后，补偿后的值被用于使用数字至模 拟转换器及有关电路来产生Iloop值。数字至模拟转换器使用基准D1 向求和节点提供精确值，求和节点用于向电流回路中的传递元件Q1提 供控制信号。Rsense与Iloop串联，所以电阻器两端的电压与回路电流 成比例。可以使用A/D转换器测量这个电压以检测漂移。这个A/D转换 器使用与数字至模拟转换器输出使用的基准独立的基准D3。然后，把 这个回路电流验证值反馈至微处理器电路，与期望的Iloop值进行比较。在工厂对回路电流输出电路进行校准。可以同时对回路电流验证 电路进行校准。作为安装过程的一部分，回路电流可以由端用户再次 校准。同时对回路电流验证进行校准，以减小输出和测量的值之间的误差。在安装该设备后，将会连续地或周期性地对回路电流测量值和回路电流期望值进行比较。如果在基准或用于建立Iloop输出的电路的组件中存在任何漂移，则该漂移将会由期望的回路电流与测量值之间的 差来指示。可以通过状态比特或转变至警报状态而向端用户指示这个 漂移。图7B是另一个示例配置。这个配置与图7A的配置类似。这个配置 包括把基准电压切换为A/D转换器输入的能力，所以它能够用于对 Iloop输出进行校准。当对Iloop输出进行校准时，得到独立电压基准 的额外A/D读数(D4)。这可以是没有用于创建Iloop输出的电路的一部 分中使用的电压基准，或特别针对这个目的而布置的电压基准。然后， 把回路电流测量值与独立的电压基准值进行比较。针对回路电流测量 值，计算縮放的偏移和增益值。这可以是简单的a二mx+b的计算，或可 以包括更加复杂的计算，包括线性和温度补偿。这些縮放因数允许把 任何Ilo叩输出与独立的电压基准读数进行比较。原始的电压基准读数 和缩放因数存储在例如EEPROM的非易失性存储器中，以便将来进行计 算。在对电流回路进行校准的任意时刻，将更新该计算以提供新的偏 移和增益计算。在安装该设备后，可以连续地或间或地对Iloop测量值和回路电流 期望值进行比较。另外，测量独立基准值并与其初始存储的值进行比 较。最后测量的独立电压基准读数与原始的独立电压基准值之间的差 表示A/D转换器的基准漂移或独立基准的漂移。在这种情况下，向端用户提供需要回路电流校准的指示。在校准期间，对校准进行更新，提 供新的偏移和增益值。Iloop期望值与回路电流测量值之间的差表示模拟输出电路中使 用的一些组件或Ilo叩测量基准中的漂移。如果独立电压基准读数表示与存储器中存储的原始值没有变化，那么可以自动地对该漂移进行补偿，不需要使该设备停机(out of service)。可通过改变用于设置Iloop 值的偏移和增益值来调整测量的和期望的回路电流值之间的变化量。 一旦使用新的值来设置输出，则可以使用回路电流测量值对该变化进 行验证。在下文结合图8-14所述的实施例中，描述了对回路电流验证的进 一步讨论。感测电压与反相放大器输入端相连，放大的输出为正且位 于公共回线和正供电电压之间。反相放大器的使用避免了通过电阻分 压器把感测电压连接至正干线。例如，针对通过25欧姆感测电阻器 RSENSE的回路电流从4毫安变为20毫安，放大器输出产生的放大后的电 压在800毫伏的范围内变化。图8示出了提供漂移输出202的电路200的一个实施例。电路200包 括正端204、负端206、以及由三角符号表示的公共回线208。电路200 优选为过程变量变送器的一部分。正端204和负端206在控制回路中可 访问地与激励源210和输出设备212相连。激励源210优选是DC电源，而输出设备优选是控制系统输入端，它由输入电阻示意性地表示。控制 回路承载优选为4-20毫安模拟电流的回路电流(IL00P) 214。回路电 流214优选为电路200提供全部电激励。公共回线208优选是DC公共导 体，它对于电路200之外的连接是不可访问的。电路200还包括把回路电流214从正端204传导至公共回线208的过 程变量转换器216。回路电流214为转换器电路216供电。过程变量转换 器还提供正供电电压224。转换器电路216优选地检测过程变量218，并 根据过程变量218的数值来控制回路电流214的数值。转换器216还包括 感测输入端220，其优选是用于接收指示回路电流214的实际数值的反 馈的电压感测输入端。电路200包括把回路电流214从公共回线208传导至负端206的感测 电阻(RSENSE) 226。感测电阻226优选具有大约25欧姆的电阻值，其 高度稳定且不会发生明显的漂移。公共回线208收集几乎所有经过过程 变量转换器216的回路电流214，从而几乎所有回路电流214经过感测电 阻226。感测电阻226在负端206产生表示回路电流的感测电压。电路200还包括放大器230，其信号输入232耦合至负端206。信号 输入232具有相对于公共回线208的负电压。放大器230具有耦合至检测 输入220的放大输出234，以提供反馈。放大器230优选是反相放大器， 其响应负放大器信号输入232而提供正放大器输出234。放大器230优选 具有例如负2的增益，以便在放大输出234上提供增大的信号电平。当 回路电流处于2. 8-28. 0毫安的范围内时，放大输出234相对于公共回线 为正。这个较宽的范围包括了额定的4-20mA回路电流范围。过程变量转换器216提供漂移输出202，该漂移输出202指示基于过 程变量218的回路电流214的期望值与实际值之间的差，所述实际值基 亍当施加到过程变量转换器的检测输入端时来自感测电阻器226和放 大器230的反馈。过程变量转换器优选包括用于计算这个差的微处理器 或ASIC。漂移输出202可以显示在与电路200—同安装在变送器中的LCD 读出器上。电路200优选被封入外壳(未示出)，以形成过程变量变送器。可 以使用电路200来构造过程变量变送器，例如压力变送器、流量变送器、 温度变送器以及其他已知种类的变送器。图9示出了具有漂移输出的电路300的另一个实施例。图9所示的电 路300与图8所示的电路200类似。图9中使用的与图8中使用的相同的附图标记表示相同或相似的特征。在图9中，由三角符号所示的公共回线208耦合至放大器230以及转 换器216。过程变量转换器216产生耦合至放大器230的正供电电势(+V) 302。在图9中，放大器230包括耦合至信号输入232的输入电阻器304。 输入电阻器304优选地至少为感测电阻226的1000倍，以减小泄露到信 号输入232的电流。作为示例，输入电阻器304是100， OOO欧姆，而感 测电阻226是25欧姆。放大器230还包括运算放大器306，其反相(-) 放大器输入耦合至输入电阻器304。运算放大器306的正相(+ )输入直 接地或通过阻抗(未示出)耦合至公共回线208。放大器230还包括耦 合在放大输出234与运算放大器306的反相输入之间的反馈电阻器308。
运算放大器306具有大的开环电压增益，该增益被限制为由电阻器308、 304组成的电阻分压器网络所设置的精确较低增益。作为示例，电阻器 308优选地具有两倍于电阻器304的电阻，以提供-2的增益。感测电阻 器226、输入电阻器304以及反馈电阻器308都是稳定的无源组件，具有 可以忽略的漂移特性。在图9中，过程变量转换器216包括感测过程变量218的传感器330， 以及为传感器330供电、并向微处理器系统334提供可用形式的过程变 量输出333的传感器电路332。微处理器系统334向数字至模拟转换器 336提供数字编号"N"，数字至模拟转换器336把该数字编号转换为待 馈送至达林顿晶体管338的模拟电流，以控制回路电流214。小于4mA 的电流量用于为转换器216供电，而且达林顿晶体管338传导使总电流 达到4和20mA之间的期望值所需的额外电流量，其表示过程变量218。过程变量转换器216还包括模拟至数字转换器340，模拟至数字转 换器340把感测输入端220上的放大输出转换为表示回路电流的实际数 值的数字编号"M"。模拟至数字转换器340优选地包括稳定的高精度电 压基准，从而电路300能够执行其自身的校准调整而不用技术人员的关 注，这将在下文结合图14所示的示例而详细描述。数字编号"M"耦合 至所示的微处理器系统334。微处理器系统334把编号"M"与"N"进 行比较，以产生表示期望回路电流与实际回路电流之间的差的漂移输 出203。漂移输出203是叠加在回路电流214上的数字信号。漂移输出优 选地具有标准化的格式，例如HART协议。虽然结合HART协议对电路300进行了描述，然而本领域的技术人员 可以理解，可以使用其他己知的通信协议来代替HART协议，例如 Fieldbus、 CAN、 Profibus等。图10示出了具有漂移输出413的电路400的另一个实施例。电路400 包括正端404和负端406以及公共回线408。电路400还包括把回路电流414从正端404传导至公共回线408的过 程变量转换器416。感测电阻426把回路电流414从公共回线408传导至 负端406。反馈电路430感测负端406上的电压，并把放大的反馈电压434反馈 至过程变量转换器416的感测输入端420。放大的反馈电压434表示实际 回路电流414的数值。反馈电路430提供了电平转移和放大，从而放大 的反馈输出434处于过程变量转换器416可以处理的值的范围内。过程变量转换器416根据过程变量而提供回路电流数字编号"N"， 并提供指示回路电流设置"N"与实际回路电流的表述"M"之间的差 的漂移输出413。从模拟至数字转换器440获得表述"M"。模拟至数字 转换器440感测放大的反馈电压434。处理器452中的比较器450以数字 的方式对编号"M"和"N"进行比较，并产生漂移输出413。漂移输出 413可以被显示、传送至远端位置或由处理器452内部使用，以提供对 漂移的小的校正。本发明描述了基于电阻器(RSENSE)的回路电流验证电路，其创 建了作为回路电流的缩放表示的电压(VSENSE)。对于本领域的技术人 员，可以使用其他的回路电流读取方法。例如但不限于，电流镜或惠 斯通电桥/零位电路(nulling circuit)。图11示出了用于校准4-20毫安输出和漂移输出的校准装置500。电 路502控制延伸至电路502以外的控制回路506中流动的电流(I LOOP) 504。控制回路506包括DC电源508和与能够由技术人员读取的电流指示 器512相连的电阻负载510。通信装置514通过引线516、 518与控制回路 506相连。通信装置514优选是使用HART协议与电路502进行通信的 Rosemount型号275/375通信装置，并包括用于调整电路502中存储的修 整值N4、 N20、 M4禾隨20的固件。通信装置514包括小键盘，用于根据需 要向上或向下调整所选择的修整值。电路502使用HART通信协议传送漂 移输出，而通信装置514接收漂移输出，并在作为通信装置514—部分 的读出器上显示该漂移输出。如下文结合图12-13所述，图11所示的装置可以用于调整电路502 中存储的修整值N4、 N20、 M4和M20。图12示出了用于校准电路输出和漂移输出的流程图。在对回路进行激励后，在602处，电路502 (图ll)被设置用于通 过通信装置514校准4mA电流。技术人员观察电流指示器512，并在606 处使用通信装置514上的小键盘根据需要对修整值N4向上或向下进行 调整或修整，直到在608处电流指示器指示4. OOO毫安。接下来在610处，技术人员使用小键盘调整通信装置514以在通信 装置上显示漂移输出。如果漂移输出为零，那么不需要对M4进行调整。 如果漂移输出不为零，则技术人员可以判断漂移输出的值是否过大以 使得需要对电路502进行维修。如果漂移输出不为零且在小的正常漂移 范围内，则在612处技术人员可以使用小键盘调整M4，使得在614处所指示的漂移为零。在618处，技术人员使用小键盘调整通信装置以针对20mA回路电流 对电路进行校准。技术人员观察电流指示器512，并在620处使用通信 装置514上的小键盘根据需要对修整值N20向上或向下进行调整或修 整，直到在622处电流指示器指示20.000毫安。接下来在624处，技术人员使用小键盘调整通信装置514以显示针 对20mA电流的漂移输出。如果漂移输出为零，则不需要对M20进行调整。 如果漂移输出不为零，则技术人员可以判断漂移输出值是否过大以使 得需要对电路502进行维修。如果漂移输出不为零且在小的正常漂移范 围内，则在626处技术人员可以使用小键盘调整M20，使得在628处所指 示的漂移为零。在630处，技术人员使用通信装置514上的小键盘把电路502从校准 模式改变为服务模式。然后，技术人员可以使控制回路506 (图ll)处 于服务中。图13是在完成结合图12所述的校准后的电路502的校准图表700。 在图13中，垂直轴702表示施加到例如图9中的D/A转换器336的D/A转换 器的数字编号或计数值N。水平轴704以毫安表示回路电流。直线706 表示基于完成校准后的计数值N的回路电流。如点708所示，已经对计 数值N4进行了调整，从而当N二N4时回路电流为4.000毫安。如点710所 示，已经对计数值N20进行了调整，从而当N二N20时回路电流为20.000 毫安。在校准后，漂移输出在点708和710指示大致为零的值，并在操 作期间在直线706的整个范围上大致为零。本领域的技术人员可以理 解，当被高度放大时，由于D/A转换器的分辨率，直线706具有阶梯状 的外观。
有时在校准后，如果D/A电路的完整范围或零发生漂移，则漂移输 出将指示非零值。借助HART协议在电流回路上把漂移输出传递至控制 室(或通信装置)，技术人员可以在控制室中观察该漂移输出。技术人 员可以判断该漂移是否大到需要指示对电路进行维修。图14是用于自动处理漂移输出的流程图800。例如图9所示电路300 的电路可以包括微处理器系统334 (图9)中存储的软件程序，该程序 自动地把漂移与多个漂移界限进行比较，并基于多个比较而自动地采 取行动。从图14中的802处开始，程序流继续到计算块804，计算漂移 D= (M-N)，其中N是表示期望的回路电流的编号，而M是表示实际回路 电流的编号。程序流继续到决策块806，测试漂移D是否大于故障阈值。如果漂 移D大于故障阈值，则程序流继续到块808，提供漂移故障报告。漂移 故障报告可以在安装在电路的显示器上示出，或可以是在控制回路上 传送的HART通信信号。在完成故障报告后，程序流继续沿着线810回到 结束820。另外，可以使用上文讨论的其他警报和通告技术。如果漂移D不大于故障阈值，则程序流从决策块806继续到决策块 812，决策块812测试漂移D是否大于调整阈值。如果漂移D大于调整阈 值，则程序流继续到块814，以自动地按照需要调整N4和N20，以使漂 移输出回到零。因而，包括这个自动调整的现场设备可以自动地对其 自身进行校准，而不需要技术人员的关注。当在块814进行调整后，程 序流沿着线816继续到结束820。如果在决策块812处D不大于调整阈值， 则程序流沿着线818继续到结束820。图14所示的程序流以定时的间隔而执行，从而可以对时间间隔中 正常的小的漂移量进行校正，但是将对过大的偏移量进行报告。在结 束820之后，在返回开始802之前，在822处等待期望的时间间隔。该等 待时间间隔典型地为l个月，但可以调整为其他时间间隔。也可以对故 障和调整阈值进行调整。利用本发明，电路被配置为减小通常引起的故障。用于测量回路 电流的电路优选地设计为使该电路的硬件和软件方面彼此独立地合 并。例如，可以使用单独的电压基准(与回路电流发生电路使用的电
压基准相比)，或实现多样化的数据范围。其目标是防止或减少如下情 况故障引起回路电流输出电路和回路电流验证电路中的相同响应。 例如，如果相同的电阻器用于回路电流输出和回路电流验证，而且如 果数据范围相同，则共用的电阻器中的漂移将会影响具有相似方式的 每一个电路。在这种情况下，回路电流将不会是期望值，同时验证电 路将不能检测误差。利用本发明，可以响应回路验证电路而提供输出或行动。例如这包括提供包括模拟警报的警报；提供可视、数字化或无线的指示； 对误差进行补偿(校正输出)；或发起自动校准过程以对该设备进行重 校准。回路电流验证电路可以根据任意技术而操作。例如，该电路可 以把测量的回路电流与存储器中存储的基准值进行比较，包括把测量 的独立基准值与存储的值进行比较。该设备能够指示根据基准值测量 的输出与存储的基准值发生偏离。该设备还能够在执行手动校准时存 储新的电流回路校准数据，并在手动校准时存储新的独立的基准数 据。。回路电流的漂移或独立的基准可以在设备寿命期中被监测，并且 可以在漂移超出预定界限时提供输出。界限值可以存储在设备的存储 器中。尽管已经参考优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人 员可以理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和 细节上做出修改。如这里所使用，回路电流验证电路中的"独立"组 件包括回路电流输出电路不使用的组件。在一些实施例中，独立组件 是回路电流验证电路独占地使用、且不由过程变量变送器中的其他电 路所使用的组件。在其他配置中，除了共用的电源，用于测量或以其 他方式检测两线过程控制回路中的电流的回路电流验证电路所使用的 全部组件与用于设置两线过程控制回路中的回路电流的电路是独立 的。在一些配置中，回路电流验证电路把回路电流与阈值进行比较。 阈值可以是固定的或可调整的。在一些配置中，阈值可以远程地调整， 例如通过在两线过程控制回路上传送命令。在一种配置中，本发明提 供了一种包含电流调整输出的现场设备，例如包括Foundation Fieldbus或Prof ibus的4-20mA或Fieldbus协议输出。 一种现场设备具 有电流调整输出，该电流调整输出包含电压或电流基准，而且该电压 或电流基准的精确度和稳定性至少部分地决定了电流调整输出的精确 度和稳定性。该现场设备包含与用于产生电流调整输出的基准无关的 电压或电流基准。
权利要求
1.一种过程设备，包括回路电流输出电路，被配置为向两线过程控制回路施加输出电 流；以及回路电流验证电路，耦合至所述两线过程控制回路，以检测所施 加的输出电流中的误差，其中，所述回路电流验证电路中至少一部分 与所述回路电流输出电路是独立的。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述回路电流验证电路包 括与所述两线过程控制回路串联的电阻器。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述回路电流验证电路包括比较器，所述比较器被配置为比较信号电平，并提供与所述两线过程控制回路中的电流有关的输出。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述回路电流验证电路包括模拟至数字转换器，所述模拟至数字转换器被配置为测量与通过 所述两线过程控制回路的电流有关的信号电平。
5. 根据权利要求1所述的设备，包括 正端和负端以及公共回线；感测电阻，把回路电流从所述公共回线传导至所述负端； 放大器，具有耦合至所述负端和放大输出的信号回线。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述回路电流验证电路把 测量的回路电流值与期望的回路电流值进行比较，并提供与所述比较 有关的输出。
7. 根据权利要求l所述的设备，包括对所述回路电流验证电路做 出响应的本地输出。
8. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述回路电流验证电路把 测量值与阈值进行比较。
9. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述回路电流验证电路被 配置为启动所述回路电流输出电路的校准。
10. 根据权利要求1所述的设备，包括输出端，所述输出端被配置为把来自所述回路电流验证电路的输出置于所述两线过程控制回路， 以指示检测到的误差。
11. 根据权利要求l所述的设备，包括可视指示输出端。
12. 根据权利要求1所述的设备，包括数字指示输出端。
13. 根据权利要求1所述的设备，包括无线指示输出端。
14. 根据权利要求1所述的设备，其中，响应检测到的误差对回路 电流输出进行补偿。
15. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述回路电流验证电路被 配置为测量独立基准的值。
16. —种在过程设备中验证两线过程控制回路中的回路电流的方 法，包括感测过程变量；根据所述感测过程变量来调整所述两线过程控制回路中的回路 电流；使用与用于设置所述两线过程控制回路中的回路电流的电子组 件独立的至少一个电子组件，验证所述两线过程控制回路中的电流的 值。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，验证电流的值包括感 测与所述两线过程控制回路串联的电阻两端的压降。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中，验证电流的值包括比 较信号电平，并提供与所述两线过程控制回路中的电流有关的输出。
19. 根据权利要求16所述的方法，包括对与通过所述两线过程 控制回路的电流有关的信号电平进行数字化。
20. 根据权利要求16所述的方法，其中，验证回路电流包括把 感测的回路电流值与期望的回路电流值进行比较，并提供与所述比较 有关的输出。
21. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述验证步骤至少部分地在微处理器中实现。
22. 根据权利要求16所述的方法，包括 感测从公共回线至负端的回路电流；以及 提供耦合至所述负端的信号回线以及放大输出端。
全文摘要
一种过程设备(12)，被配置为耦合至两线过程控制回路(18)。回路电流输出电路(60)被配置为向两线过程控制回路(18)施加输出电流。回路电流验证电路(64)耦合至两线过程控制回路(18)，并被配置为检测所施加的输出电流中的误差。回路电流验证电路(64)的至少一部分与回路电流输出电路(60)是独立的。
文档编号G01R19/25GK101147181SQ200680009701
公开日2008年3月19日 申请日期2006年3月16日 优先权日2005年3月31日
发明者兰迪·J·朗斯多夫, 卡丽·D·休伊森加, 詹姆斯·A·约翰逊 申请人:罗斯蒙德公司