[发明专利]压电换能器的具有自测的现场设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业过程监控和控制系统。更具体地，本发明涉及一种具有正常操作模式和诊断自测模式的现场设备，例如过程发射机(process transmitter)或过程控制器，在所述诊断自测模式下测试压电换能器的状况。

背景技术

过程发射机包括：感测元件或换能器，对过程变量进行响应；以及信号调节和处理电路，将感测到的变量转换为随所感测的过程变量变化的发射机输出。术语“过程变量”是指物质的物理或化学状态或能量的转换。过程变量的示例包括压力、温度、气流、电导率、PH和其他特性。过程发射机通常用于监控过程变量，并且将测量值发送回化学、石油、燃气、制药或其它液体处理工厂的控制室。通常，这些环境经受恶劣并且多变的环境状况。

过程控制器包括致动器(actuator)或换能器以及致动器驱动电路，将电学命令转换为物理输出。例如，过程控制器可以响应于从液体处理工厂的控制室接收到的命令，打开或关闭阀，或改变例如压力的过程参数。

现场设备的所有电学组件(包括换能器和电路)有可能发生故障或失效。这种故障将导致通过过程发射机向控制室发送错误测量值，或执行所命令行为的过程控制器的失效。由技术人员进行例程测试可以检测现场设备的问题，但是需要技术人员物理地访问所述现场设备。在具有大量分布式现场设备的设施中，对技术人员访问并测试每个现场设备的频率存在实际限制。

在一些过程发射机中，将压电换能器用作传感器。压电传感器可以是产生随所施加的力变化的电学传感器输出的无源传感器或发送并接收信号的有源传感器。在一些过程控制器中，还将压电换能器用作致动器或驱动元件。

使用压电换能器的过程发射机的一个示例是在危险环境下检测气体/蒸汽泄露。发射机检测是否打开或关闭安全阀、凝气阀(steam traps)中的透气或堵塞状况(blow through or plugged conditions)。发射机包括压电传感器、信号调节电路和微控制器。发射机可以经过有线回路、有线传输总线或通过无线传输(例如，通过无线网状网)，向控制室发送测量值。通过超声频率范围内的振动(例如，当凝气阀失效时而产生的)激发压电传感器。

由于用于检测气体/蒸汽泄露的过程发射机通常部署在危险/安全至关重要的应用中，过程发射机需要具有自测或自我诊断能力。可以使用经常执行的诊断例程来验证电子设备。另一方面，通过压电换能器的功能的处理器的自测是不可用的。

检查用于检测气体/蒸汽泄露的过程发射机的压电换能器的一种方式是故意地产生泄露，以便验证压电传感器的功能。然而，这种技术具有明显缺陷。首先，在安全阀的状况下，对于在诊断过程期间释放到大气的气体而言，需要承担惩罚。其次，产生故意泄露以验证换能器功能不适用于凝气阀的状况。

发明内容

具有正常操作模式和自测模式的现场设备包括：压电换能器、换能器电路和自测电路。压电换能器感测过程变量。在正常模式期间，传感器电路从压电传感器得到表示过程变量的传感器信号。在自测模式期间，自测电路向所述压电传感器供给充电电流，并且根据由于充电电流而引起的压电传感器上的电压来提供测试输出。

附图说明

图1A和1B分别是在正常操作模式期间和在用于测试压电传感器的状况的自测模式期间的过程发射机的示意图。

图2是示出了在向压电传感器供给充电电流的自测模式期间，随着时间变化在压电传感器两端的电压的图。

具体实施方式

图1A和1B分别示出了在正常操作模式和自测模式下的现场设备，过程发射机10。过程发射机10包括压电传感器12、传感器电路14、模数转换器(ADC)16、微控制器18、输入/输出(I/O)接口20以及自测电路，所述自测电路包括开关30和32、电阻器34和场效应晶体管(FET)36。开关30和32是在微控制器18的控制下的模拟开关。开关30包括共用端子30C、正常模式端子30N和测试模式端子30T。类似地，开关32包括共用端子32C、正常模式端子32N和测试模式端子32T.