檢測斷線的系統和方法
【專利摘要】本發明的名稱為檢測斷線的系統和方法。本發明提供了一種電路，其包括電源和通過開關電耦合到電源的傳感器電路。該電路還包括電耦合到傳感器電路的A/D轉換器，該A/D轉換器用于讀取電阻元件兩端的電壓差以確定傳感器電路的阻抗。本發明還提供了一種方法，其包括閉合將電源電耦合到傳感器電路的開關，在電耦合到傳感器電路的A/D轉換器上測量電阻元件兩端的電壓差。該方法還包括基于該電壓差確定傳感器電路的阻抗。
【專利說明】檢測斷線的系統和方法
[0001]本申請要求2008年5月2日提交的，專利申請號為61/049828的臨時申請的權益，該臨時申請的公開內容并入本申請中。
【技術領域】
[0002]本申請涉及斷線的檢測，特別是提供一種檢測傳感器電路中斷線的方法和系統。
【背景技術】
[0003]工業過程可以由采用傳感器的電子系統部分地控制。一些工廠的自動化過程可能很重要且/或是對時間敏感的。錯誤的傳感器值禁止傳送到中央控制器以避免擾亂這些過程。
[0004]在過程控制系統中，很重要的是傳回到中央控制器的所有過程數據是有效的。在斷線事件發生時，若使用傳統的斷線檢測系統，由于斷線事件與模塊的內部電路不同步，可能發送中間過程數據值。斷線事件與內部電路的時序不同步可能導致中間數據結果被記錄下來，即使這些中間數據不代表有效的傳感器數據，而斷線事件與內部電路的時序不同步在傳統的斷線檢測電路中不會觸發斷線事件。
[0005]用于確定傳感器線路完整性的方法典型地在傳感器線路不完整時會導致傳感器的輸入值被迫變成無效狀態的激勵。在這種情況下，不總是能區分過電壓/欠電壓條件和斷線事件。這些條件在一些過程控制系統中是不可接受的。
【發明內容】
[0006]本發明提供一種方法以確保在數據傳送到中央控制器之前至傳感器的線路對于每一個過程值是完整的。
[0007]本發明提供一種電路，包括電源和通過開關電耦合到該電源的傳感器電路。該電路還包括電耦合到傳感器電路的A/D轉換器，該A/D轉換器用于讀取電阻元件兩端的電壓差從而確定傳感器電路的阻抗。
[0008]在上述電路中，當開關斷開時傳感器電路可用于輸出測量電壓，A/D轉換器可用于讀取與物理量成比例的測量電壓。
[0009]上述電路還可包括控制器，用于將傳感器電路的阻抗與可接受的范圍比較。這個可接受的范圍表明斷線情況不存在。控制器還用于當阻抗落入可接受范圍時記錄測量電壓，控制器還可用于當阻抗落到可接受范圍外時輸出錯誤信號。
[0010]本發明還提供了一種方法，包括閉合使電源電耦合到傳感器電路的開關，以及在電耦合到傳感器電路的A/D轉換器上測量電阻元件兩端的電壓差，該方法還包括基于該電壓差確定傳感器電路的阻抗。
[0011]本領域技術人員可以通過參考下面的詳細說明書和附圖明顯得出本發明的這些以及其它優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是根據本發明的檢測斷線的示例電路的電路原理圖示；
[0013]圖2是根據本發明的檢測斷線的示例方法的流程圖示；
[0014]圖3是圖1所示示例電路中和/或圖2所示示例方法采用的信號的時序波形圖示；
[0015]圖4是根據本發明的實施例的計算機的框圖。
【具體實施方式】
[0016]本發明提供一種用于確定傳感器線路完整性的新方法，該方法可用于區別過電壓/欠電壓的條件和斷線事件。電路被施加偏壓，使得在斷線事件期間讀數是在傳感器的正常測量范圍之外的幅度數量級以便可以與標準的過電壓/欠電壓條件區分開來。當傳感器線路完整時，偏壓將導致電壓讀數在傳感器正常測量范圍之外的區域中。例如，由電源輸出的電壓可能給傳感器施加數量是測量電壓最大值兩倍的偏壓，或替換地施加數量是測量電壓最大值十倍的偏壓。這樣，用于非斷線條件的電壓讀數不會明顯受傳感器接收的信號影響。
[0017]通過對傳感器讀數采樣之后對斷線監控器采樣，只有該斷線監控器的當前狀態用于觸發新的斷線事件。然而，為了消除由于異步斷線事件而產生的中間數據結果，斷線監控器的當前狀態以及之前狀態可用于指示該線路在傳感器的過程值發送到中央控制器之前是否是完整的。
[0018]圖1示出了用于檢測斷線的系統，模數轉換器100(在這里指A/D轉換器100)包括輸入101，102，103以及104。A/D轉換器100的輸入可以是成對的以測量電壓差。例如，輸入101和輸入102(在這里指輸入A或第一組輸入)可測量傳感器120兩端的電壓差。傳感器120可以是熱電偶(在這里指TC)，或其它合適的基于物理量的測量而產生電壓差的傳感器元件。傳感器120測量對電壓121進行驅動的物理量。
[0019]A/D轉換器100還包括輸入103和104 (這里指輸入B或者第二組輸入)，這兩個輸入是成對的用以測量指示斷線條件的電壓。A/D轉換器100與控制器130通信，該控制器130操作為分析輸入A/D轉換器100的兩電壓差的數字化讀數的。A/D轉換器100可以替換成兩個A/D轉換器，例如一個A/D轉換器具有輸入101和102，另一個A/D轉換器具有輸入 103 和 104。
[0020]在圖1中，電源140用來驅動斷線檢測系統。電源140可以是可變的直流電壓源。替換的，電源140也可以是電流源，該電流源操作為驅動流過系統的電流以檢測斷線。開關150用于將來自電源140的電壓或電流輸出施加到系統上用以檢測斷線。開關150通過二極管151連接到傳感器電路上，且通過電阻152連接到地161。圖1所示的電路也可采用二極管和電阻的替換布置，任何數量的離散線性元件(這里指電阻元件)也可以按照本領域中公知的方式采用。第二電源141驅動參考源110，該第二電源141可以是可變的直流電壓源或可以用來驅動電流流過系統以檢測斷線的電流源，其可替換的是電源140的另一個輸出。參考源110為系統提供參考電壓，該參考電壓可以輸入到A/D轉換器110中。輸入104可以讀出系統的參考電壓111。參考電壓111可以設置為2.5V。替換地，參考電壓111可以設置為任何合適的參考電壓。
[0021]在A/D轉換器100的輸入101和102可以測量傳感器輸出電壓112。當開關150閉合以允許斷線檢測系統運行時，傳感器輸出電壓112可以是1.5V。傳感器輸出電壓112和參考電壓111例如可以相差-1V，這代表了電阻113兩端的電壓降。此斷線壓差表明存在斷線條件。A/D轉換器100的滿量程電壓條件輸入101和102可以是+/-1.5V。在圖1中，傳感器輸出電壓112可由電阻114與地160隔尚。
[0022]在下面圖1電路功能的說明中，使用熱電偶/電壓輸入作為圖解目的來解釋傳感器線路完整性監控電路。當確定線路連接的完整性時，開關150是閉合的。A/D轉換器100的差分輸入B (輸入103和104)起作用，而輸入A (輸入101和102)是不起作用的。閉合開關150來將電源140(這里指Vpwr，例如5V)連接到傳感器線路。這將引起電流流經傳感器線路。位于B輸入之間的電阻113兩端的壓降直接通過A/D轉換器100的輸入B測量。通過此電壓，傳感器線路的阻抗可以通過耦合到A/D轉換器100的控制器130中的CPU計笪
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[0023]當測量傳感器120 (這里指熱電偶或TC)的電壓121時，開關150斷開。A/D轉換器100的差分輸入A起作用，而輸入B不起作用。電壓121的過程值或TC電勢被測量。流經布置在參考電壓111 (這里指Vref且例如2.5V)和地160之間的電阻113和114的偏置電流將傳感器輸出電壓112 (這里指輸入的共模電壓)設置為Voffset (如1.5V)。這使得可以測量多達+/-Voffset的滿量程(例如+/-1.5V)。更低的電壓可以通過設置A/D轉換器100的內部可編程增益放大器(PGA)來測量以獲得更多的增益。電阻152可以施加負的偏壓到二極管151，二極管151將開關150 (這里指斷線檢測開關)和電源140耦合到傳感器電路上，從而避免斷線電路與TC/電壓測量電路的干擾。
[0024]圖2示出了由控制器130執行的示例方法。此方法由操作200開始，其指示模塊啟動。該方法從操作200行進到操作210,操作210指示初始化及參數化該模塊。該流程然后行進到操作220，操作220指示讀取通道數據(N)。通道數據(N)代表傳感器數據，因此可以代表圖1中A/D轉換器100的輸入端101和102的輸入。該流程接著行進到操作230，操作230指示開始斷線轉換(N)。此過程代表了開關150的閉合以及圖1中讀取A/D轉換器100的輸入103和104的開始。該流程繼續從操作230行進到判決步驟235，該判決步驟詢問轉換是否完成。如果轉換沒有完成，該流程再次轉向判決步驟235，再次詢問轉換是否完成。
[0025]當轉換完成并且因此判決步驟235的應答是肯定的時，該流程行進到操作240，其指示讀取斷線數據(N)。斷線數據(N)是圖1中A/D轉換器100的輸入端103和104的輸入。該流程然后行進到操作250，其指示開始通道轉換(N+1)。該流程從操作250行進到判決步驟260，其詢問第N-1次讀取的斷線數據以及第N次讀取的斷線數據是否均準備好。斷線檢測因此在讀取通道數據之前和之后立即開始，如果對判決步驟260的回答是否定的(即，如果在通道之前和之后讀數中的任一個指示了斷線)，則流程繼續行進到操作265，其指示了報告一個斷線診斷(這里指錯誤信號)。操作265因此代表了警報，信號和/或可視化的給人或其他機器的輸出。如果對判決步驟260的應答是肯定的(即，如果在通道讀取之前或之后的讀數中沒有斷線指示)，則該流程行進到操作270，其指示了過程/比例通道數據(N)。操作270還可包括記錄測量數據以及輸出數據至用于操作或監控過程的另一個系統。
[0026]在操作270處理通道數據之后，流程行進到操作280，其指示了報告通道數據(N)。該流程從操作280和操作265行進到判決步驟290，其詢問通道轉換(N+1)是否完成。如果對判決步驟290的應答是否定的，該流程再次轉換到判決步驟290，所以這是在通道轉換完成之間的有效暫停。當對判決步驟290中提出的問題的應答是肯定的，該流程行進到操作220。
[0027]圖2中流程的替換布置也可取決于圖1中所示系統內可能的轉換速度。例如，指示了開始通道轉換(N+1)的操作250，在替換的示例實施例中可以在判決步驟290之前立即進行。
[0028]用于確保圖2所示測量的每個過程值的完整性的方法可以總結如下。開關SI閉合，測量A/D轉換器上的輸入B。控制CPU可以計算流經傳感器的電流以及判定線路是否完整且具有指定的阻抗，這里也指可接受的范圍。接下來，開關SI可以斷開，并且測量輸入A。這個值由控制CPU縮放和存儲。接著，開關SI再一次閉合，輸入B再次被測量，并且可以再次計算線路阻抗。如果這兩個線路阻抗計算結果被發現處于有效連接，換句話說，如果這兩個阻抗讀數均落入可接受的范圍內，那么來自傳感器(輸入A)的存儲的過程值視作有效的且傳送到系統中。如果一個或兩個阻抗讀數落到設計規格或可接受范圍之外，那么存儲的過程值不被傳送到系統去。而是在這種情況下傳送線路錯誤。該序列對每一個測量周期都重復，從而避免了無效過程值(由于線路錯誤)被傳送到中央控制器。圖2示出了示例過程周期，圖3示出了信號時序。
[0029]圖3提供了代表每個不同通道上的不同信號的時序波形圖300。斷線使能信號310顯示在時序波形圖300的頂部。中間的波形是通道使能320，底部的波形是過程/比例使能330。在WB (N-1) 340，WB (N) 342和WB (N+1) 344上，斷線使能310是“斷開”或是正的。當斷線使能310斷開時，通道使能320是閉合的。在通道(N) 350和通道(N+1) 352上，斷線使能320是“斷開”或是正的。過程/比例使能330在通道使能320斷開的同時斷開，然而，過程/比例使能330不會在通道使能320上的全部正信號期間持續。過程/比例使能330包括比例(N-1) 360，比例(N) 362以及比例(N+l)364。
[0030]圖4是根據本發明一個實施例的計算機的高級框圖。計算機400可以例如作為圖1中的控制器130操作。控制器130可以是可編程邏輯控制器(PLC)，下面對計算機400的描述同樣可以描述PLC作為控制器130使用時的操作。另外，計算機400可以執行上面針對圖2描述的步驟。計算機400包含處理器410，該處理器通過執行定義了這些操作的計算機程序指令控制計算機的操作，這些計算機程序指令可以存儲在計算機可讀取的記錄介質中。計算機程序指令可以存儲在存儲器420 (例如磁盤，數據庫)中，且在期望執行計算機程序指令時加載進內存430。因此，計算機操作將由存儲在內存430和/或存儲器420中的計算機程序指令定義，且計算機400將由執行計算機程序指令的處理器410來控制。計算機400還包括一個或多個網絡接口 440用于與其它裝置通信，例如其它計算機，服務器，或網站。網絡接口 440可以是例如本地網絡，無線網絡，企業網或互聯網。當計算機400是PLC時，網絡接口 440可以是工業以太網或工業現場總線。計算機400還包括輸入/輸出450，其代表了允許用戶與計算機400交互的裝置(例如顯示器，鍵盤，鼠標，揚聲器，按鍵，網絡攝影機等等)。本領域技術人員將會認識到實際計算機的實施也會包含其他組件，圖4是用于說明目的的這樣一個計算機的一些組件的高級展示。
[0031]上述詳細的描述應被理解為是對本發明每個方面的說明和示例，而非限制，在此所公開的本發明的范圍不是由上面的詳細描述來限定，而是根據專利法所能允許的最大范圍解釋的權利要求確定的。可以理解這里顯示和描述的實施例僅是用來解釋本發明的原理，只要不背離本發明的精神和范圍，本領域的技術人員可對本發明進行各種改變。
【權利要求】
1.一種電路,包括: 電源； 通過開關電耦合到電源上的傳感器電路，其中電源偏壓傳感器電路，使得在斷線事件期間讀數是在傳感器的正常測量范圍之外的幅度數量級；以及 電耦合到傳感器電路上的A/D轉換器，適用于經第二輸入組讀取電阻元件兩端的電壓差以確定傳感器電路的第一阻抗， 其特征在于， 控制器，該控制器用于將傳感器電路的第一阻抗與可接受的范圍比較，該可接受的范圍指示斷線條件不存在，該控制器還用于比較傳感器電路的第二阻抗，該第二阻抗由A/D轉換器通過經所述第二輸入組讀取電阻元件兩端的指示斷線條件的第二電壓差確定，該控制器還用于在第一阻抗和第二阻抗均落入該可接受的范圍時記錄經所述A/D轉換器的第一輸入組確定的測量電壓。
2.如權利要求1所述的電路，其中: 該傳感器電路適于在開關斷開時輸出測量電壓；以及 A/D轉換器適于讀取該測量電壓。
3.如權利要求2所述的電路，其中所述測量電壓與物理量成比例。
4.如權利要求2所述的電路，其中所述電源是電壓源，且該電壓源的電壓輸出是所述測量電壓的最大值的至少兩倍。
5.如權利要求4所述的電路，其中所述電壓是所述測量電壓的最大值的至少十倍。
6.如權利要求1所述的電路，其中，所述控制器還用于在所述阻抗位于可接受范圍之外時輸出錯誤信號。
7.如權利要求1所述的電路，其中，所述控制器還用于在所述阻抗和第二阻抗的至少一個位于可接受的范圍之外時輸出錯誤信號。
8.如權利要求1所述的電路，其中: 在開關斷開之前，所述電源使得電阻元件兩端存在電壓差； 所述開關斷開以使得傳感器電路輸出測量值；且 所述電源使得開關在斷開之后再閉合后，電阻元件兩端存在第二電壓差。
9.如權利要求1所述的電路，其中A/D轉換器包括兩組輸入，第一組輸入用于讀取測量電壓，第二組輸入用于讀取電壓差。
10.如權利要求1所述的電路，其中: 傳感器電路用于在開關斷開時輸出測量電壓；且 另一個A/D轉換器用于讀取該測量電壓，所述A/D轉換器和所述另一個A/D轉換器每一個都使用單輸入通道。
11.如權利要求1所述的電路，其中所述電源是電流源。
12.—種方法,包括: 閉合將電源電耦合到傳感器電路的開關，其中電源偏壓所述電路，使得在斷線事件期間讀數是在傳感器的正常測量范圍之外的幅度數量級； 在電耦合到傳感器電路的A/D轉換器上經第二輸入組測量電阻元件兩端的電壓差；且 基于該電壓差確定傳感器電路的第一阻抗， 該方法還包括: 通過控制器將傳感器電路的第一阻抗與可接受的范圍比較，該可接受的范圍指示斷線條件不存在； 通過控制器比較傳感器電路的第二阻抗，該第二阻抗由A/D轉換器通過經所述第二輸入組讀取電阻元件兩端的指示斷線條件的第二電壓差確定； 如果第一阻抗和第二阻抗均落入該可接受的范圍，則記錄經所述A/D轉換器的第一輸入組確定的測量電壓。
13.如權利要求12所述的方法，還包括: 當開關斷開時，傳感器電路輸出測量電壓；以及 在A/D轉換器上讀取該測量電壓。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述測量電壓與物理量成比例。
15.如權利要求13所述的方法，其中: 所述電源是電壓源； 所述電壓施加到傳感器電路上；且 該電壓是所述測量電壓最大值的至少兩倍。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述電壓是測量電壓最大值的至少十倍。
17.如權利要求16所述的方法，還包括當所述阻抗位于可接受范圍之外時通過控制器輸出錯誤信號。
18.如權利要求12所述的方法，還包括:如果所述第一阻抗和第二阻抗的至少一個位于可接受的范圍之外，則通過控制器輸出錯誤信號。
19.如權利要求12所述的方法，還包括: 斷開開關使得傳感器電路輸出測量值；其中: 所述電壓差在開關斷開之前由電源引起； 第二電壓差在開關斷開之后由電源引起。
20.如權利要求13所述的方法，其中， 在A/D轉換器的第一組輸入上讀取測量電壓； 在A/D轉換器的第二組輸入上讀取電壓差。
21.如權利要求12所述的方法，還包括: 當開關斷開時通過傳感器電路輸出測量電壓； 在另一個A/D轉換器上讀取測量電壓，所述A/D轉換器和所述另一個A/D轉換器每一個均使用單輸入通道。
22.如權利要求12所述的方法，其中所述電源是電流源。
【文檔編號】G01R31/08GK104198883SQ201410370968
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2009年4月30日 優先權日:2008年5月2日
【發明者】R.A.維德爾, J.F.阿徹爾 申請人:西門子工業公司
專業數控銑床產品供應商
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