DE60014709T2 - Zweidraht-sender mit selbstprüfung und niedriger leistung - Google Patents

Zweidraht-sender mit selbstprüfung und niedriger leistung Download PDF

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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In der Prozessindustrie werden Prozessvariablen-Sender zur Überwachung von Prozessvariablen, die mit Substanzen wie z.B. Feststoffen, Aufschlämmungen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen in Chemie-, Trübe-, Rohöl- Pharmazie-, Lebensmittel- und anderern Verarbeitungsbetrieben verbunden sind, verwendet. Prozessvariablen schließen Druck, Temperatur, Strömung, Pegel, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften ein.
  • In typischen Verarbeitungsbetrieben wird ein Kommunikationsbus, wie z.B. eine 4–20 mA-Stromschleife zum Betreiben des Prozessvariablen-Senders verwendet. Beispiele für derartige Stromschleifen schließen eine FOUNDATION®-Fieldbusverbindung oder eine Verbindung in Übereinstimmung mit dem HART-Kommunikationsprotokoll (Highway Adressable Remote Transducer = Autobahn-adressierbarer abgesetzter Wandler) ein. In von einer Zweidrahtschleife betriebenen Sendern muss die Energie zur Einhaltung von Eigensicherungsanforderungen niedrig gehalten werden.
  • Ein Prozesstemperatursender liefert ein Ausgangssignal, das mit einer gemessenen Prozesstemperatur einer Substanz in Zusammenhang steht. Die Ausgabe des Temperatursenders kann über die Schleife an eine Steuerwarte übertragen werden, oder die Ausgabe kann zu einer anderen Prozessvorrichtung übertragen werden, so dass der Prozess überwacht und geregelt werden kann. Für die Überwachung einer Prozesstemperatur weist der Sender einen Sensor auf, beispielsweise eine Widerstands-Temperaturvorrichtung (WTV) oder ein Thermoelement.
  • Eine WTV verändert den Widerstand ansprechend auf eine Veränderung der Temperatur. Durch Messen des Widerstands der WTV kann die Temperatur berechnet werden. Eine derartige Messung des Widerstands wird im Allgemeinen durch Hindurchleiten eines bekannten Stroms durch die WTV und Messen der damit verbundenen an der WTV entwickelten Spannung erreicht.
  • Ein Thermoelement liefert ansprechend auf eine Temperaturveränderung eine Spannung. Der Seebeck-Effekt sorgt dafür, dass verschiedene Metallverbindungen eine Spannung aufgrund der Vereinigung der verschiedenen Metalle in einem Temperaturgefällezustand erzeugen. So steht die an dem Thermoelement gemessene Spannung in Zusammenhang mit der Temperatur des Thermoelements.
  • Mit zunehmendem Alter neigen Temperatursensoren dazu, dass sich ihre Messgenauigkeit verschlechtert, bis der Temperatursensor letztendlich ganz ausfällt. Geringe Qualitätsverluste im Ausgangssignal aus dem Sensor sind jedoch schwer zu erfassen und von tatsächlichen Veränderungen der gemessenen Temperatur zu trennen. In der Vergangenheit verwendeten Temperatursender für die Erfassung eines Qualitätsverlustes des Sensors zwei Temperatursensoren. Falls das Ausgangssignal aus den beiden Sensoren nicht übereinstimmt, kann der Temperatursender ein Fehler-Ausgangssignal liefern. Diese Technik ist jedoch nicht in der Lage, einen Qualitätsverlust im Sensor-Ausgangssignal zu erfassen, falls sich beide Temperatursen soren mit der selben Geschwindigkeit und auf die selbe Art und Weise verschlechtern.
  • Ein Verfahren, welches in Situationen verwendet worden ist, in denen die Energie keine Einschränkung darstellt, wird in den am 3. Februar 1998 bzw. 30. März 1999 erteilten US-Patenten 5,713,668 und 5,887,978 von Lunghofer et al mit dem Titel "SELF VERIFYING TEMPERATURE SENSOR" = "SELBSTPRÜFENDER TEMPERATURSENSOR" beschrieben. Diese Druckschriften beschreiben einen Temperatursensor, der eine Vielzahl von Ausgangssignalen aufweist. Die Vielzahl von Ausgangssignalen variiert als Funktion der Temperatur. Die Beziehungen zwischen den verschiedenen Ausgangssignalen und der Temperatur sind jedoch nicht identisch.
  • Ein weiterer Vorschlag ist in dem US-Patent 5,469,156 offenbart, das ein Feldsensor-Kommunikationssystem beschreibt, in dem ein Feldsensor mit einer Einheit auf "einem höheren Pegel" kommuniziert, bei der es sich um einen Empfänger oder eine Kommunikationseinheit handeln kann.
  • Weiter verändern sich die unterschiedlichen Bauelemente im Temperatursensor im Laufe der Zeit mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, und auf verschiedene Art und Weise, und reagieren unterschiedlich auf verschiedene Arten von Versagen. Ein Computer überwacht das Ausgangssignal aus dem Sensor, indem er einen Multiplexer verwendet. Der Computer ordnet Datenpunkte vom Sensor in einer Matrix an. Durch Überwachen der unterschiedlichen Einträge in die Matrix und durch Erfassen von Veränderungen in dem verschiedenen Element oder den Elementen der Matrix in Relation zu anderen Elementen liefert der Computer ein "Vertrauensgrad"-Ausgangssignal für die gemessene Temperatur. Falls der Vertrauensgrad einen Schwellenwert überschreitet, kann ein Alarmsignal bereitgestellt werden.
  • Die Technik der Prozessvariablen-Sender mit einem geringen Energieverbrauch weist jedoch einen ständigen Bedarf an verbesserten Temperatursensoren wie beispielsweise solchen auf, die eine verbesserte Messgenauigkeit oder ein Fehlerdiagnose-Ausgangssignal, welches den Zustand des Temperatursensors anzeigt, liefern.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schafft einen Zweidrahtsender, der an eine Zweidraht-Prozessregelschleife zum Messen der Temperatur eines Prozesses anschließbar ist, wobei der Sender Folgendes aufweist: eine Energieversorgungsvorrichtung, die an die Zweidraht-Prozessregelschleife zur Lieferung von Energie über die Zweidrahtschleife an den Temperatursender anschließbar ist; eine Schleifen-Übertragungsvorrichtung, die derart konfiguriert ist, dass sie zumindest Informationen über die Zweidraht-Prozessregelschleife sendet; eine Temperatur-Messvorrichtung; an die Temperatur-Messvorrichtung angeschlossene Messvorrichtungen zum Liefern von Daten, welche eine Temperatur der Temperatur-Messvorrichtung wiedergeben; und eine an die Messvorrichtung gekoppelte Berechnungsvorrichtung, wobei die Berechnungsvorrichtung basierend auf mindestens zwei temperaturempfindlichen Elementen mit unterschiedlichen Verschlechterungseigenschaften eine Prozesstemperatur berechnet; dadurch gekennzeichnet, dass die Energie einzig über die Zweidrahtschleife an den Temperatursender geleitet wird; dass die Temperatur-Messvorrichtung einen Temperatursensor aufweist, der mindestens zwei temperaturempfindliche Elemente aufweist, welche jeweils Elementen-Ausgänge aufweisen, wobei sich die Elemente gemäß unterschiedlichen Verschlechterungseigenschaften verschlechtern; und dass die Berechnungsvorrichtung einen Mikroprozessor aufweist.
  • Weiter stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Mes sung der Prozesstemperatur mit Hilfe eines Zweidraht-Temperatursenders bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: das Messen eines Primärsensorelements eines Temperatursensors mit Hilfe des Zweidraht-Temperatursenders zur Lieferung eines Primärsensorsignals; das Liefern des Primärsignals an einen Mikroprozessor des Senders; das Berechnen einer Prozesstemperatur basierend auf zumindest dem Primärsensorelement; das Berechnen eines Vertrauensgrads der Prozesstemperatur basierend auf dem Primärsensorsignal; und das Liefern eines gültig gesetzten Prozesstemperatur-Ausgangssignals basierend auf dem Temperatur-Ausgangssignal und dem Vertrauensgrad; und das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: das Messen mindestens eines Sekundärsensorelements mit Hilfe des Zweidraht-Temperatursenders zum Erhalt mindestens eines Sekundärsensorsignals; das Liefern des Sekundärsensorsignals an den Mikroprozessor des Senders; und das Berechnen des Vertrauensgrads basierend auf dem Primärsensorsignal und einem oder mehreren Sekundärsensorsignalen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Zweidraht-Temperatursender an eine Zweidraht-Prozessregelschleife zum Messen einer Prozesstemperatur anschließbar. Der Sender weist einen Analog-Digital-Umwandler auf, der so konfiguriert ist, dass er ansprechend auf ein analoges Eingangssignal ein digitales Ausgangssignal liefert. Eine Zweidrahtschleifen-Übertragungsvorrichtung ist so konfiguriert, dass sie an die Prozessregelschleife koppelt und Informationen auf der Schleife sendet. Ein Mikroprozessor ist mit dem digitalen Ausgangsignal gekoppelt und so konfiguriert, dass er mit Hilfe der Zweidrahtschleifen-Übertragungsvorrichtung mit der Temperatur in Zusammenhang stehende Informationen auf der Prozessregelschleife sendet. Eine Energieversorgung ist so konfiguriert, dass sie die Zweidraht-Prozessregelschleife vollständig betreibt. Ein Temperatursensor weist mindestens zwei temperaturempfindliche Elemente mit Elementen-Ausgangssignalen auf, die sich gemäß unterschiedlicher Ver schlechterungseigenschaften verschlechtern. Die Elementen-Ausgangssignale werden an den Analog-Digital-Umwandler geliefert, so dass der Mikroprozessor die mit der Temperatur in Zusammenhang stehenden Informationen als Funktion mindestens eines Elementen-Ausgangssignals aus einem ersten temperaturempfindlichen Element und mindestens als Funktion einer Verschlechterungseigenschaft eines zweiten temperaturempfindlichen Elements berechnet.
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm der Umgebung eines Prozesstemperatursenders;
  • 2 eine schematische Ansicht des Prozesstemperatursenders aus 1;
  • 3 ein System-Blockdiagramm eines Prozesstemperatursenders;
  • 4 ein Diagramm eines Neuronennetzes, das in dem Sender von 3 realisiert ist; und
  • 5 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Messen der Temperatur eines Prozessfluids mit einem Zweidraht-Prozesstemperatursender.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die 1 und 2 zeigen die Umgebung eines Prozesstemperatursenders gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
  • 2 zeigt ein Prozessregelsystem 10 mit einem Prozesstemperatursender 12, der über die Zweidraht-Prozessregelschleife 16 elektrisch an den Monitor 14 (als Spannungsquelle und Widerstand ausgeführt) angeschlossen ist. Verwendungsgemäß bedeutet die Zweidraht-Prozessregelschleife hier einen Übertragungskanal mit zwei Drähten, die verbundene Prozessvorrichtungen betreiben und eine Kommunikation zwischen den verbundenen Vorrichtungen bereitstellen.
  • Der Sender 12 ist auf einem Behälter für das Prozessfluid, beispielsweise einem Rohr 18, befestigt und mit diesem verbunden. Der Sender 12 überwacht die Temperatur des Prozessfluids in dem Prozessrohr 18 und sendet Temperaturinformationen über die Schleife 16 an den Monitor 14.
  • 3 ist ein System-Blockdiagramm des Prozesstemperatursenders 12 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der Prozesstemperatursender 12 schließt einen Analog-Digital-Umwandler 20 ein, der so konfiguriert ist, dass er ansprechend auf ein analoges Eingangssignal 24 ein digitales Ausgangssignal 22 liefert. Eine Zweidrahtschleifen-Übertragungsvorrichtung 26 ist so konfiguriert, dass sie an die Zweidraht-Prozessregelschleife 16 koppelt und Informationen auf der Schleife 16 von einem Mikroprozessor 28 sendet. Mindestens eine Stromversorgung 30 ist so ausgelegt, dass sie an die Schleife 16 koppelt, um Energie nur von der Schleife 16 zu erhalten und um eine Energieausgabe (Pwr) zum Betreiben einer Schaltkreisanordnung in dem Sender 12 mit von der Schleife 16 erhaltener Energie zu liefern. Ein Temperatursensor 34 koppelt über den Multiplexer 36, der das analoge Signal 24 liefert, an den Analog-Digital-Umwandler 20. Der Temperatursensor 34 weist temperaturempfindliche Elemente, wie z.B. eine Widerstands-Temperaturvorrichtung WTV 40 und Thermoelemente 42, 44 und 46 auf.
  • Der Temperatursensor 34 arbeitet in Übereinstimmung mit den in dem US-Patent 5,713,668 beschriebenen Verfahren. Zusätzlich zu dem in 3 gezeigten Sender kann auch die Lehre des US-Patents 5,828,567 von Eryurek et al. mit dem Titel "DIAGNOSTICS FOR RESISTANCE BASED TRANSMITTER" = "DIAGNOSTIK FÜR MESSUMFORMER AUF WIDERSTANDSBASIS" auf den Sensor 34 angewendet werden.
  • Bei dem Mikroprozessor 28 kann es sich um einen Mikroprozessor mit geringem Energieverbrauch handeln, wie zum Beispiel ein Motorola 6805HCll, der von der Firma Motorola Inc. erhältlich ist. In vielen Mikroprozessorsystemen ist ein Speicher 50 im Mikroprozessor enthalten, der mit einer Geschwindigkeit arbeitet, die durch einen Takt 52 bestimmt wird. Der Speicher 50 weist sowohl Programmierungsanweisungen für den Mikroprozessor 28 als auch einen temporären Speicher für Messwerte auf, die beispielsweise vom Temperatursensor 34 erhalten werden. Die Frequenz des Taktes 52 kann reduziert werden, um den Energieverbrauch des Mikroprozessors 28 noch weiter zu reduzieren.
  • Die Schleifen-Übertragungsvorrichtung 26 kommuniziert auf der Zweidraht-Prozessregelschleife 16 gemäß bekannten Protokollen und Verfahren. Beispielsweise kann die Übertragungsvorrichtung 26 den Schleifenstrom I gemäß einer vom Mikroprozessor 28 erhaltenen Prozessvariablen anpassen, so dass der Strom I mit der Prozessvariablen in Beziehung steht. Beispielsweise kann ein Strom mit einer Stärke von 4 mA einen niedrigeren Wert einer Prozessvariablen darstellen und ein Strom mit einer Stärke von 20 mA kann einen oberen Wert für die Prozessvariable darstellen. In einer weiteren Ausführungsform prägt eine Übertragungsvorrichtung 26 ein digitales Signal auf einen Schleifenstrom I ein und überträgt Informationen in einem digitalen Format. Weiter können derartige digitale Informationen von der Zweidraht-Prozessregelschleife 16 mit Hilfe der Übertragungsvorrichtung 26 erhalten und an den Mikroprozessor 28 geliefert werden, damit dieser den Betrieb des Temperatursenders 12 regelt.
  • Der Analog-Digital-Umwandler 20 arbeitet unter Niederleistungsbedingungen. Ein Beispiel für einen Analog-Digital-Umwandler 20 ist ein Sigma-Delta-Umwandler. Beispiele für in Prozessvariablensendern verwendete Analog-Digital-Umwandler sind dem US-Patent 5,083,091 mit dem Titel "CHARGE BALANCE FEEDBACK MEASUREMENT CIRCUIT" = "LADUNGSGLEICHGEWICHT-RÜCKKOPPLUNGS-MESSSCHALTKREIS", das am 21. Januar 1992 erteilt wurde, und im US-Patent 4,878,012 mit dem Titel "CHARGE BALANCE FEEDBACK TRANSMITTER" = "RÜCKMELDE-ÜBERTRAGUNGSVORRICHTUNG MIT AUSGEGLICHENER LAST", das am 31. Oktober 1989 erteilt wurde, beschrieben, wobei diese Analog-Digital-Umwandler häufig bei der vorliegenden Anmeldung angewendet werden.
  • Der Sensor 34 weist mindestens zwei temperaturempfindliche Elemente auf, welche jeweils Elementen-Ausgangssignale aufweisen, die sich gemäß unterschiedlichen Verschlechterungseigenschaften verschlechtern. Wie dargestellt weist der Sensor 34 Leiter 60, 62, 64, 66 und 68 auf. In einer Ausführungsform sind zumindest einige der Leiter 60–68 verschiedene Leiter, die mit der Temperatur in Zusammenhang stehende Eigenschaften aufweisen, die sich auf unterschiedliche Art und Weise verändern. Beispielsweise können die Leiter 60 und 62 unterschiedliche Metalle aufweisen, so dass sie ein Thermoelement an einem Übergang 42 bilden. Durch Verwendung eines Muliplexers 36 können verschiedene Spannungs- und Widerstandsmessungen des Sensors 34 durch den Mikroprozessor 28 ausgeführt werden. Weiter wird eine Vierpunkt-Kelvinverbindung mit einer Widerstands-Temperaturvorrichtung WTV 40 über die Leiter 60, 62, 66 und 68 zum Erhalt einer genauen Messung des Widerstands der Widerstands-Temperaturvorrichtung WTV 40 verwendet. In einer derartigen Messung wird Strom injiziert, indem beispielsweise die Leiter 60 und 68 in der WTV 40 sowie die Leiter 62 und 66 zur Durchführung einer Spannungsmessung verwendet werden. Der Leiter 64 kann auch zur Durchführung einer Spannungsmessung an einem Mittelpunkt in der WTV 40 verwendet werden. Spannungsmessungen können auch zwischen jedem beliebigen Leiterpaar, wie z.B. den Leiten 60/62, 60/64, 62/66 usw., durchgeführt werden. Weiter können noch verschiedene Spannungs- oder Widerstandsmessungen zum Erhalt von zusätzlichen Daten zur Verwendung durch den Mikroprozessor 28 kombiniert werden.
  • Der Mikroprozessor 28 speichert die Datenpunkte im Speicher 50 und arbeitet mit den Daten gemäß den in den US-Patenten 5,713,668 und 5,887,978 beschriebenen Verfahren. Diese werden zur Erzeugung eines mit der Temperatur in Zusammenhang stehenden Prozessvariablen-Ausgangssignals verwendet, das an die Schleifen-Übertragungsvorrichtung 26 geliefert wird. Beispielsweise kann eines der Elemente im Sensor 34, wie z.B. die WTV 40, das Primärelement sein, während die verbleibenden, mit der Temperatur in Zusammenhang stehenden Datenpunkte sekundäre Datenpunkte bereitstellen. Der Mikroprozessor 28 kann das Prozessvariablen-Ausgangssignal zusammen mit einer Angabe des Vertrauensgrades, der Genauigkeitswahrscheinlichkeit oder eines Temperaturbereichs bereitstellen, d.h. plus oder minus eines gewissen Temperaturbetrags oder eines Prozentsatzes basierend auf den sekundären Datenpunkten. Beispielsweise kann das Prozessvariablen-Ausgangssignal als analoges Signal (d.h. mit einer Stärke zwischen 4 und 20 mA) ausgegeben werden, während die Angabe des Vertrauens als digitales Signal bereitgestellt werden kann. Die Angabe des Vertrauens kann durch empirische Messungen erzeugt werden, in denen alle Datenausgangssignale über eine große Bandbreite von Temperaturen beobachtet werden, und während Elemente beginnen, sich im Laufe der Zeit oder durch andere Versagen zu verschlechtern. Der Mikroprozessor 28 kann tatsächliche Messungen mit im Speicher 50 gespeicherten Eigenschaften vergleichen, wobei die Eigenschaften unter Verwendung der empirischen Prüfungen erzeugt worden sind. Durch Verwendung dieses Verfahrens können anormale Anzeigen von einer oder mehreren Datenmessungen erfasst werden. Abhängig von der Ernsthaftigkeit der Verschlechterung kann der Mikroprozessor 28 das Temperatur-Ausgangssignal korrigieren, um das verschlechterte Element zu kompensieren. Für ein ernst haft verschlechtertes Element kann der Mikroprozessor 28 anzeigen, dass der Sensor 34 dabei ist, zu versagen, und dass das Temperatur-Ausgangssignal ungenau ist.
  • Der Mikroprozessor 28 kann zudem ein Prozessvariablen-Ausgangssignal als Funktion des Primärsensorelements und einem oder mehreren Sekundärsensorelementen liefern. Beispielsweise kann es sich bei dem Primärsensorelement um eine WTV handeln, die z.B. eine Temperatur von 98°C anzeigt, während ein Sekundärsensorelement wie z.B. ein Thermoelement von der Art eines J eine Temperatur von 100°C anzeigen kann, wobei die Bereitstellung einer gleichen numerischen Gewichtung für jeden Sensor ein Prozesstemperatur-Ausgangssignal von 99°C liefern würde. Da unterschiedliche Arten von Sensoren und Sensorfamilien unterschiedliche elektrische Eigenschaften in verschiedenen Temperaturbereichen aufweisen, kann der Mikroprozessor 28 so programmiert werden, dass er die Sensorelementgewichtung basierend auf der Prozessvariablen selbst variiert. So kann, während die gemessene Temperatur einen Nutzbereich einer Art von Sensor zu überschreiten beginnt, die Gewichtung für diesen Sensor reduziert oder beseitigt werden, so dass man sich auf zusätzliche Sensoren mit höheren Temperatur-Nutzbereichen verlassen kann. Zudem wird, da unterschiedliche Arten von Sensoren und Sensorfamilien unterschiedliche Zeitkonstanten aufweisen, in Betracht gezogen, dass die Gewichtungsfaktoren ansprechend auf eine Veränderungsgeschwindigkeit der gemessenen Temperatur verändert werden können. Beispielsweise hat eine WTV aufgrund der reinen Masse eines gewickelten Sensordrahtes und der Tatsache, dass der Sensordraht im Allgemeinen um eine keramische Spule gewickelt ist, die noch zusätzlich eine thermisch wirksame Masse liefert, im Allgemeinen eine größere thermisch wirksame Masse als ein Thermoelement. Die Thermoelement-Übergänge können jedoch eine erheblich geringere thermisch wirksame Masse als die WTV aufweisen, und können so rasche Temperaturveränderungen wirksamer als die WTV aufspüren. Auf diese Weise können, wenn der Mikroprozessor 28 mit der Er fassung einer raschen Temperaturveränderung beginnt, die Sensorelementen-Gewichtungen so angepasst werden, dass das Prozessvariaben-Ausgangssignal stärker auf den Themoelementen beruht.
  • In einer Ausführungsform wird die Software im Speicher 50 zur Realisierung eines Neuronennetzes im Mikroprozessor 28 verwendet, wie z.B. das in 4 gezeigte Neuronennetz 100. 4 veranschaulicht ein mehrschichtiges Neuronennetz. Das Neuronennetz 100 kann mit Hilfe bekannter Lernalgorithmen, wie z.B. dem Rück-Ausbreitungs-Netzwerk (RAN) zur Entwicklung der neuralen Netzwerkmodule geschult werden. Das Netzwerk weist Eingangsknoten 102, verdeckte Knoten 104 und einen Ausgangsknoten 106 auf. Unterschiedliche Datenmessungen D1-DN werden als Eingangssignale in die Eingangsknoten 102 bereitgestellt, die als Eingangspuffer arbeiten. Die Eingangsknoten 102 modifizieren die empfangenen Daten durch unterschiedliche Gewichtungen gemäß einem Lernalgorithmus und die Ausgangssignale werden an die verdeckten Knoten 104 geliefert. Die verdeckte Schicht 104 wird zur Charakterisierung und Analysierung der nichtlinearen Eigenschaften des Sensors 34 verwendet. Die letzte Schicht, die Ausgangsschicht 106, liefert ein Ausgangssignal 108, das eine Anzeige der Genauigkeit der Temperaturmessung ist. Ähnlich kann ein zusätzliches Ausgangssignal für die Bereitstellung einer Anzeige der gemessenen Temperatur verwendet werden.
  • Das Neuronennetz 100 kann entweder durch Formgebungs- oder empirische Verfahren geschult werden, in welchen tatsächliche Sensoren zur Lieferung von Schulungs-Eingangssignalen in das Neuronennetz 100 verwendet werden. Zusätzlich kann ein wahrscheinlicherer Schätzwert der Prozesstemperatur als das Ausgangssignal basierend auf dem Betrieb des Neuronennetzes als Antwort auf die verschiedenen Sensorelementensignale bereitgestellt werden.
  • Ein weiteres Verfahren zur Analyse der vom Sensor 34 erhalte nen Daten erfolgt durch Verwendung eines auf Regeln basierenden Systems, in welchem der Speicher 50 Regeln, erwartete Ergebnisse und Empfindlichkeitsparameter aufweist.
  • 5 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Messen einer Prozesstemperatur mit einem Zweidraht-Prozesstemperatursender. Das Verfahren beginnt bei Block 120, bei dem ein Primär-Sensorelement unter Verwendung eines Zweidraht-Temperatursenders, wie z.B. Sender 12, gemessen wird. Bei Block 122 werden ein oder mehrere Sekundärsensorelemente gemessen, indem der Zweidraht-Temperatursender verwendet wird. Es versteht sich, dass Block 122 nicht nach jeder einzelnen Primärsensor-Elementenmessung durchgeführt werden muss, sondern dass Block 122 periodisch oder ansprechend auf einen externen Befehl ausgeführt werden kann. Bei Block 124 werden die Primärsensor-Elementenund Sekundärsensor-Elementensignale an einen Mikroprozessor des Senders geliefert, wie z.B. den Mikroprozessor 28 (in 3 gezeigt). Bei Block 126 berechnet der Mikroprozessor 28 ein Prozessvariablen-Ausgangssignal basierend auf einem oder mehreren des Primärsensor-Elementensignals und der Sekundärsensor-Elementensignale. Bei Block 128 berechnet der Mikroprozessor ein Vertrauen des Prozessvariablen-Ausgangssignals basierend auf dem Primärelement-Sensorsignal und einem oder mehreren Sekundärsensor-Elementensignalen. Schließlich werden bei Block 130 das Prozesstemperatur-Ausgangssignal und eine Anzeige der Ausgangssignal-Validation oder des -Vertrauens in dem Prozesstemperatur-Ausgangssignal durch den Zweidraht-Prozesstemperatursender geliefert. Eine derartige Anzeige kann in Form eines numerischen Wertes vorliegen, der eine Toleranz, oder eine Genauigkeitswahrscheinlichkeit oder einen Temperaturbereich darstellt, d.h. plus oder minus eines gewissen Temperaturwerts oder Prozentsatzes basierend auf einem oder mehreren Sekundärsensorsignalen; oder die Anzeige kann auch ein Alarm oder eine andere Benutzerbenachrichtigung sein, welche die Zulässigkeit des Prozessvariablen-Ausgangssignals anzeigt. Zusätzlich kann die Anzeige des Vertrauens in Form einer Schätzung der verbleibenden Zeit vorliegen, die bis zu dem Zeitpunkt verbleibt, an dem der Zweidraht-Prozesssender nicht mehr in der Lage ist, das Prozessvariablen-Ausgangssignal geeignet mit der Prozesstemperatur in Zusammenhang zu setzen. Weiter ermöglicht die Bereitstellung einer validierten Prozesstemperatur auch die Validierung und Fehlerdiagnose anderer Prozessvariablen, die durch die Prozesstemperatur beeinflusst werden können.
  • Ein weiteres Analyseverfahren ist Fuzzy-Logik. Beispielsweise können Fuzzy-Logik-Algorithmen bei den Datenmessungen D1-DN angewendet werden, bevor sie in das Neuronennetz 100 von 4 eingegeben werden. Darüber hinaus kann das Neuronennetz 100 einen fuzzy-neuralen Algorithmus ausführen, bei dem die verschiedenen Neuronen des Netzwerks Fuzzy-Algorithmen ausführen. Die verschiedenen Analyseverfahren können alleine oder in Kombination miteinander verwendet werden. Zusätzlich werden andere Analyseverfahren als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend angesehen, solange sie die Anforderung erfüllen, dass das System in der Lage ist, vollständig mit Energie zu arbeiten, die von einer Zweidraht-Prozessregelschleife erhalten wird.
  • Obwohl nur ein einziger Analog-Digital-Umwandler 20 gezeigt ist, kann ein derartiger Analog-Digital-Umwandler eine Vielzahl von Analog-Digital-Umwandlern aufweisen, die dadurch den Multiplexing-Grad reduzieren oder beseitigen können, der ausgeführt wird, wenn der Sensor 34 mit den Analog-Digital-Umwandlern gekoppelt wird.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute in der Technik erkennen, dass Veränderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung gemäß Definition durch die Ansprüche abzuweichen. Beispielsweise wurden unterschiedliche Funktionsblöcke der Erfindung im Hinblick auf ihre Schaltkreisanordnung beschrieben, viele Funktionsblöcke können jedoch in anderer Form, wie z.B. in Form von digitalen und analogen Schaltkreisen, Software und ihren Mischformen realisiert sein. Bei Realisierung in einer Software, führt ein Mikroprozessor die Funktionen aus, und die Signale umfassen digitale Werte, mit denen die Software arbeitet. Es können ein Allzweck-Prozessor, der mit Befehlen programmiert ist, die den Prozessor veranlassen, die gewünschten Prozesselemente auszuführen, anwendungsspezifische Hardware-Bauelemente, die Schaltkreise aufweisen, die zur Ausführung der gewünschten Elemente verdrahtet sind, und jede beliebige Kombination der Programmierung eines Allzweck-Prozessors und Hardware-Bauelementen verwendet werden. Deterministische oder Fuzzy-Logik-Verfahren können je nach Bedarf verwendet werden, um Entscheidungen in der Schaltkreisanordnung oder Software zu treffen. Aufgrund der natürlichen Beschaffenheit der komplexen digitalen Schaltkreisanordnung können Schaltkreiselemente nicht in separate Blöcke wie gezeigt getrennt werden, sondern für unterschiedliche funktionale Blöcke verwendete Bauelemente können vermischt und gemeinsam benutzt werden. Ebenso können bei der Software einige Befehle als Teil mehrerer Funktionen gemeinsam benutzt werden und mit nicht damit in Zusammenhang stehenden Befehlen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung vermischt werden.

Claims (14)

  1. Zweidrahtsender (12), der an eine Zweidraht-Prozessregelschleife (16) zum Messen einer Temperatur eines Prozesses anschließbar ist, wobei der Sender Folgendes aufweist: eine Energieversorgungsvorrichtung (14), die an die Zweidraht-Prozessregelschleife anschließbar ist, um Energie über die Zweidrahtschleife an den Temperatursender zu liefern; eine Schleifen-Übertragungsvorrichtung (26), die derart konfiguriert ist, dass sie zumindest Informationen über die Zweidraht-Prozessregelschleife sendet; eine Temperatur-Messvorrichtung (34); an die Temperatur-Messvorrichtung angeschlossene Messvorrichtungen (28, 36) zum Liefern von Daten, welche eine Temperatur der Temperatur-Messvorrichtung wiedergeben; und eine an die Messvorrichtung gekoppelte Berechnungsvorrichtung (28), wobei die Berechnungsvorrichtung basierend auf mindestens zwei temperaturempfindlichen Elementen mit unterschiedlichen Verschlechterungseigenschaften eine Prozesstemperatur berechnet; dadurch gekennzeichnet, dass die Energie einzig über die Zweidrahtschleife an den Temperatursender geleitet wird; dass die Temperatur-Messvorrichtung (34) einen Temperatursensor aufweist, der mindestens zwei temperaturempfindliche Elemente (40, 42, 44, 46) aufweist, welche jeweils Elemen ten-Ausgänge aufweisen, wobei sich die Elemente gemäßunterschiedlichen Verschlechterungseigenschaften verschlechtern; und dass die Berechnungsvorrichtung (28) einen Mikroprozessor aufweist.
  2. Zweidrahtsender nach Anspruch 1, wobei der Sender weiter einen Analog-Digital-Umwandler (20) aufweist, der mit den Elementen-Ausgangssignalen gekoppelt und derart konfiguriert ist, dass er ansprechend auf ein analoges Eingangssignal ein digitales Ausgangssignal liefert; und wobei der Mikroprozessor (28) mit dem digitalen Ausgang gekoppelt und derart konfiguriert ist, dass er in Zusammenhang mit der Temperatur stehende Informationen auf der Zweidraht-Prozessregelschleife (16) über die Zweidrahtschleifen-Übertragungsvorrichtung (26) sendet, wobei der Mikroprozessor (28) mit der Temperatur in Zusammenhang stehende Informationen als Funktion von mindestens einem Elementen-Ausgangssignal von einem ersten temperaturempfindlichen Element und zumindest als Funktion einer Verschlechterungseigenschaft mindestens eines zweiten temperaturempfindlichen Elements berechnet.
  3. Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifen-Übertragungsvorrichtung (26) derart konfiguriert ist, dass sie die mit der Temperatur in Zusammenhang stehenden Informationen und Gültigkeitsinformationen auf der Prozessregelschleife (16) übermittelt.
  4. Sender nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (28) weiter so ausgelegt ist, dass er einen Vertrauensgrad für die mit der Temperatur zusammenhängenden Informationen als Funktion der Verschlechterungseigenschaft zumindest des zweiten temperaturempfindlichen Elements liefert.
  5. Sender nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (28) weiter so ausgelegt ist, dass er eine Genauigkeitswahrscheinlichkeit für die mit der Temperatur zusammenhängenden Informationen basierend auf der Verschlechterungseigenschaft zumindest des zweiten temperaturempfindlichen Elements liefert.
  6. Sender nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (28) weiter so ausgelegt ist, dass er eine Bereichsangabe in Form von +/– Prozent für die mit der Temperatur zusammenhängenden Informationen als Funktion der Verschlechterungseigenschaft des mindestens einen temperaturempfindlichen Elements liefert.
  7. Sender nach Anspruch 4 oder einem der nachfolgenden Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertrauensgrad zumindest teilweise auf empirischen Daten basiert.
  8. Sender nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Temperatur in Zusammenhang stehenden Informationen als Funktion mindestens eines Elementen-Ausgangssignals aus dem ersten temperaturempfindlichen Element und zumindest als Funktion einer Verschlechterungseigenschaft mindestens eines zweiten temperaturempfindlichen Elements berechnet wird, und dass sowohl das erste temperaturempfindliche Element als auch das zweite temperaturempfindliche Element mit einer Gewichtung gewichtet werden, die mit der Prozessvariablen variiert.
  9. Sender nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Temperatur in Zusammenhang stehenden Informationen als Funktion mindestens eines Elementen-Ausgangssignals von dem ersten temperaturempfindlichen Element und zumindest als Funktion einer Verschlechterungs eigenschaft mindestens eines zweiten temperaturempfindlichen Elements berechnet werden, und dass sowohl das erste temperaturempfindliche Element als auch das zweite temperaturempfindliche Element mit einer Gewichtung gewichtet werden, die mit der Geschwindikeit der Veränderung der Prozessvariablen variiert.
  10. Sender nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (28) so ausgelegt ist, dass er die mit der Temperatur in Zusammenhang stehenden Informationen basierend auf einer Analyse eines Neuronennetzes (100) berechnet.
  11. Sender nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Mikroprozessor (28) angewendete Analyse des Neuronennetzes (100) mit empirischen Daten durchgeführt wird.
  12. Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Temperatur in Zusammenhang stehenden Informationen als Funktion eines auf Regeln basierenden Systems berechnet werden.
  13. Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Temperatur in Zusammenhang stehenden Informationen als Funktion eines vom Mikroprozessor (28) implementierten unscharfen oder Fuzzy-Algorithmus berechnet werden.
  14. Verfahren zur Messung der Prozesstemperatur mit Hilfe eines Zweidraht-Temperatursenders (12), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: das Messen eines Primärsensorelements (40) eines Temperatursensors (34) mit Hilfe des Zweidraht-Temperatursenders zur Lieferung eines Primärsensorsignals; das Liefern des Primärsignals an einen Mikroprozessor (28) des Senders; das Berechnen einer Prozesstemperatur basierend auf zumindest dem Primärsensorelement (40); das Berechnen eines Vertrauensgrads der Prozesstemperatur basierend auf dem Primärsensorsignal; und das Liefern eines gültig gesetzten Prozesstemperatur-Ausgangssignals basierend auf dem Temperatur-Ausgangssignal und dem Vertrauensgrad; und das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: das Messen mindestens eines Sekundärsensorelements (42, 44, 46) mit Hilfe des Zweidraht-Temperatursenders zum Erhalt mindestens eines Sekundärsensorsignals; das Liefern des Sekundärsensorsignals an den Mikroprozessor (28) des Senders; und das Berechnen des Vertrauensgrads basierend auf dem Primärsensorsignal und einem oder mehreren Sekundärsensorsignalen.
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