CN1108596C - 过程控制变送器 - Google Patents

Abstract

一过程控制系统中的变送器包括用于连接一过程控制环路(12)的输入/输出电路(74)，具有第一阻抗的第一传感器感应第一感应参数，具有第二阻抗的第二传感器感应第二感应参数，第一和第二激发信号(S₁，S₂)被施加到第一和第二传感器(40L，40H)上，一个求和结点(44)将第一、第二传感器(40L，40H)的输出信号(O_L，O_H)求和，一个模数转换器(54)提供表示被求和信号的一个数字输出，连接模数转换器(54)的数字信号处理电路(70)提供一个对应于第一、第二传感器(40L，40H)输出信号的输出给输入/输出电路(72)以通过过程控制环路(12)进行传送。

Description

过程控制变送器

背景技术

本发明涉及一种带有一个模数转换器的过程控制变送器，该模数转换器可以提供一个传感器输入信号的数字表示。更具体地说，本发明涉及带有一个能产生一种传感器信号的传感器的过程控制变送器，该传感器信号对应于被转换成传感器信号的数字表示的感应参数，传感器信号表示被感应的参数。

在过程控制工业中，变送器一般是通过两股线与一个控制器连接，且变送器和控制器均通过这两股线获得电力。一个变送器从一个控制器获得指令并发射表示被感应物理参数的输出信号返给控制器。通常办法是使用一个电流环路，利用环路中在4-20mA幅度内的变化的电流来表示感应参数。

本变送器包括一个用来感应一个与某一过程相关的参数的传感器。该传感器输出一个模拟信号，以表示由控制过程的特性所决定的各种变量中的一个。这些变量有压力、温度、流量、pH值、浑浊度和气体稠密度等。有些变量有一个非常大的动态范围，比如对应于流速的传感器输出信号的振幅的最大值和最小值就相差10,000倍。

变送器中的模数转换器将模拟传感器信号转换成被感应的物理参数的一种数字表示，用于变送器内的后续分析或向远距离地点发送。一个微处理器一般是补偿被感应并被数字化的信号，变送器内的输出电路通过双线环路向远距离地点发射代表被补偿过的物理参数的输出。物理参数每秒一般只被变换几次，这由要控制的过程的特性来决定，而模数转换器一般则要具有16比特分辨率和对噪音的低敏感度。

电量平衡转换器用于变送器中以提供模数转换。美国专利“带电平衡反馈测量电路”(专利号5,083,091，1992年1月21日授权给Frick等人)中描述了一个这样的变送器。这种变送器中的传感器提供一个根据过程变量而变化的阻抗。

该阻抗的输出被带电平衡转换器转换成阻抗的数字表示。这个数字表示可以超过一个将感应电路与其它变送器电路分隔开的隔离阻挡层而被发射出去。电量平衡转换器是一种Sigma-delta(∑Δ)转换器，这种转换器的输出是1比特宽的串行比特流。这种1比特宽的二进制信号含有所有对传感器阻抗输出信号的振幅和频率进行数字化表示所必需的信息。输出的串行格式非常适于越过隔离阻挡层发射。∑Δ转换器还提供低噪音敏感性、高分辨率的输出。

本发明的内容概述

本发明提供了一种将一个以上的信号多路传输给用于过程控制系统中的变送器内的一个模数转换器的技术。这些信号可以是过程变量传感器、基准传感器或其它用于补偿的传感器的输出，通常地，这些信号可用来代表被感应的参数。变送器包括连接一过程控制环路的输入/输出电路。

一个第一传感器具有一个根据诸如过程的过程变量等被感应参数进行变化的第一阻抗。一个第二传感器具有根据另一个被感应参数进行变化的第二阻抗。一个第一激励信号被提供给第一传感器，一个第二激励信号被提供给第二传感器。第一和第二传感器的输出对应于第一、第二激励信号和感应参数。一个求和结点将来自第一、第二传感器的输出累加。一个模数转换器将累加后的信号转换成数字格式。数字信号处理电路从模数转换器的数字输出中抽取感应参数。数字信号处理电路提供一个取决于被感应参数的输出给通过过程控制环路进行发送的输入/输出电路。

附图的简要说明

图1为本发明的一实施例中变送器的简化方框图。

图2为图1所示的变送器的较详细的方框图，图中显示了实施例中的信号转换电路。

图3为标示两个电容传感器的输出的矢量图。

图4为本发明的另一实施例的简化原理图。

图5A为用于本发明的变形正弦波的振幅—时间坐标图。

图5B为图5A中的正弦波相位移90°后的振幅—时间坐标图。

最佳实施例的详细描述

图1为本发明的一个实施例中在连结端子14处连接有过程控制环路12的变送器10的简化框图。变送器10包括有测量电路16和传感器电路18。测量电路16连接双线环路12并被用来在环路12上发射和接收信息。测量电路16还包括向变送器10提供产生于流过环路12的环路电流I的一个电力供应输出的电路。在一个具体装置中，测量电路16和传感器电路18被分隔地设置于变送器10内不同区域并由隔离器20进行了电隔离。隔离器20是一个电接地传感器所必需的一种隔离。传感器电路18包括一个传感器22(图中为阻抗)，传感器22对应于被感应参数产生多个可变阻抗。本实施例中，感应参数包括反映一个过程的过程变量(如温度、压强、压差、流量、应变、pH值等)、参考电平和补偿变量(如用来补偿其它被感应变量的传感器温度)。激励信号由激励输入电路24通过电连接26提供给阻抗22。其它激励信号可包括光信号、机械信号和磁信号等。阻抗22响应于来自激励输入24的激励输入信号而在输出27上产生输出信号。输出信号根据被感应的参数而发生变化。

本发明中，阻抗元件22包括一个或多个与来自激励输入24的不同激励信号相耦合的独立可变阻抗。每个阻抗都向转换电路28提供一个输出信号，转换电路28则将这些信号结合并进行数字化形成一单股数字输出流。转换电路28在输出线30上向将转换电路28电隔离的隔离器20提供一个输出。隔离器20在感应参数的测量中可以减小接地回路噪音并在线32上提供一个被隔离的输出给测量电路16。测量电路16发射在环路12上接收的来自转换电路28的数字化后的信号表示。在一个具体实施例，这种表示是一个模拟电流电平或一个数字信号。在一个最佳实施例中，测量电路接收这个数字信号并恢复阻抗元件22中的各独立阻抗分别所产生的信号。线26、27、30和32可以由任何合适的传输介质构成，其中包括电导体、光缆线、压力通道或其它联接方式。

图2是通过双线过程控制环路12连接到控制室电路36上的变送器10的更为详细的方框图。控制室电路36被模化为一个电阻36A和电压源36B。电流从环路流过变送器10。

在图2所示的实施例中，传感器22包括电容压力传感器40H和40L，两传感器各具有分别对应于压力P_H和P_L的电容C_H和C_L。例如，电容C_H和C_L可以表示一个过程的感应压力。电容器40L通过输入线26接收来自输入电路24的激励输入信号S₁。电容器40H通过输入线26接收来自输入电路24的激励输入信号S₂。电容器40H和40L各自在输出线42H和42L上分别产生输出信号O_H和O_L。输出线42H和42L在通过线27与转换电路28相连的求和结点44处连接在一起。

转换电路28包括高阻抗输入放大器46。在一个具体实施例中，放大器46由一个运算放大器48组成，放大器48可通过电容器50从一个输出端子向一个反相输入端子形成负反馈。放大器48的非反相输入连接机壳或电接地52。运算放大器48的反相输入通过线27连接求和结点44。放大器46的输出被提供给根据众所周知的∑Δ转换技术运行的∑Δ转换电路54。刊登在1988年12月出版的《固态电路电子和电气公司协会学报》第6卷第23册第1298-1308页上，题目为《∑Δ调制模数转换器设计》一文中就描述了∑Δ转换的设计方案。∑Δ转换电路54可以被制成具有相当高的抽样率和分辨率，以适于某种特殊传感器即用作覆盖传感器输出动态范围的传感器22。∑Δ转换电路54提供一比特宽的位流到线30上。这个数字输出包括对放大器46提供的输入信号的振幅、频率和相位进行数字化显示所必需的全部信息。

来自激励输入电路24的激励信号S₁和S₂可以利用任何适当的技术产生。在图示的实施例中，信号S₁和S₂是由数字信号发生器60产生的，该发生器60向数模转换器62提供数字信号输出D₁和D₂。数模转换器62相应地产生模拟信号S₁和S₂。发生器60被与转换电路54相连并向该电路提供时钟信号。一种最佳实施方式是，信号S₁和S₂是频率在约10Hz到约100Hz之间、相位差为90°的正弦信号。在一个具体实施例中信号发生器60的输出被调整用以补偿电容器40H和40L的生产过程中的偏差，例如可以对信号的相位、频率、波形和振幅加以调整。信号发生器60接收通过隔离器20的时钟信号和通信信号。时钟信号还被电源61利用以产生一个向电路18提供电源的被隔离的供应电压V_SI。

测量电路16包括一个微处理器/数字信号处理器70，处理器70接收通过隔离器20A和十进制滤波器72的来自∑Δ转换电路54的输出。在一个具体实施例中，数据总线73传送的滤波器72的输出的宽度为16-24比特，并具有24比特的分辨率。十进制滤波器72将具有较低数据流速数字的线32上的单比特宽数据流重新格式化成为1字节宽的数据流而为微处理器70所用。微处理器/数字信号处理电路70还接收输入电路24的输入，电路24提供对应于激励信号S₁和S₂的基准信号。微处理器70处理数字化信号并从每个独立电容器40H和40L所产生的信号中来抽取信号。一般地，这两个不同的信号用指示激励信号D₁和D₂的相位、频率和振幅的信息来抽取。微处理器70计算被电容器40H感应的绝对压力、电容器40L感应的绝对压力和压差。微处理器70通过数据总线76提供此信息给输入/输出电路74。输入/输出电路74通过端子14连接过程控制环路12并接收环路电流I_L。I/O电路74通过电流I_L来产生用于供应变送器10内的线路16的电能的电源电压Vs。I/O电路74通过环路12发射对应于感应压力的信息给控制室36。这种信息的发射可以通过数字发射技术或任何合适的发射技术对电流I_L进行控制而实现。

图3是信号O_H、O_L和O_H+O_L的矢量图。图3中显示了求和结点44处的模拟求和器产生的O_H+O_L的合成信号。独立信号O_H和O_L可以通过分别在相位+45°和-45°处所确定的振幅来恢复。这样可以确定由容器4O_H和4O_L所感应的压强P_H和P_L。为了以最大精确度和分辨率确定P_H-P_L值，可以在时域内测量合成信号O_H+O_L的相位移θ_R。

图2中所示的技术可用于越过变送器内一个独立隔离器来发射大量不同的信道的信息。例如，一个变送器的传感器电路可以测量任何感应参数，诸如压差、绝对压力、温度变化、绝对温度和传感器温度等。附加参数被用来补偿压差读数和绝对压力读数。本发明中，电容传感器可被所有的信息信道使用并用不同的频率、相位、振幅或波形的信号激励。这些电容传感器的输出在模拟域内被累加求和并由一个模数转换器将它们数字化。然后该数字信号越过隔离器被发射给测量电路，测量电路中，独立信号是通过数字信号处理而被识别的。这些信号在被通过过程控制环路发射出去之前而先被补偿并用于计算中。数字信号处理过程计算每一个频率成分的振幅和相位。例如，数字滤波器可以用来分离信号。输出可以被进一步处理以测量振幅和相位。一个由快速傅里叶变换FFT实现的离散型傅里叶DFT可以被用来提供某种信号的频谱，检测该信号就能确定所需频率的独立信号的量值。在具体实施例中，尽管模拟滤波器可能具有有限的分辨率，它们还是被用来恢复各独立的信号。

在具体实施例中，激励信号是对应于一个系统时钟的频率能产生的不同频率的激励信号。数字信号处理电路使用时钟信号作为一个基准以识别响应不同的激励信号而产生的信号。不同的实施例中可以使用具有不同相位、振幅的激励信号。

图4是另一个实施例中传感器电路150的简化电路图。传感器电路150包括电容传感器152、154、156、158和160。电容传感器152测量压力P₁，电容传感器154测量压力P₂，传感器156和158的结合测量P₁-P₂的压力值。电容传感器180提供一个用于校正系统和测量系统误差的校准电容。可变电阻162和164对应于温度T₁和T₂而变化，并连接运算放大器166的非反相输入。放大器166连接有负反馈并提供一个缓冲。放大器166的输出连接在电容器168上。可变阻抗152到164分别与提供激励信号e₁、e₂、e₃、e₄、e₅和e₆的信号源172、174、176、178、180和182连接。图4还显示了邻接于每个信号发生器172到182的信号e₁～e₆的波形。信号e₁的频率为f₁，相位移是0°；信号e₂、e₃的频率也都是f₁，在相位上分别移动了180°和90°；信号e₄的频率为f₂，如本例所示，f₂的数值相当于1/2 f₁，信号e₅和e₆的频率都是f₃，数值相当于2f₁，信号e₆相对于e₅的相位移为180°。在实际实施中，如果激励信号相隔180°，信号处理电路将不能隔离各单独的激励信号。

电容器152到160和电容器168的输出连接在放大器184反相输入的求和结点170。在图中，放大器184表现为运算放大器186，具有通过一个积分电容器188的负反馈，依据公式如下： $V_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{\Σ}{e}_n{C}_n}{C_I}$ (等式1)

上式中：e_n是来自信号源172到182的激励信号；C_n是电容器152到160和电容器168的电容值；C_I是电容器188的电容值。

放大器184向表示电容器152到160的输出与电容器168的输出的累加和的模数转换器190提供一个输出。

温度被对应于温度T₁和T₂而改变阻值的电阻162和164所感应。在一个混合运算中，电阻112和164有选择性权重信号e₅和e₆并通过放大器166向电容器168提供混合信号。数字信号处理电路(未在图4中显示)识别电容器152到160和168的输出并确定压力P₁、P₂、P₁-P₂，基准电容C_R和温差T₁-T₂，所有这些都反映了感应参数。在一个具体实施例中，反映基准电容的感应参数C_R被用来补偿和确定其它测量中的误差。

虽然图4显示的是积分倍频正弦波，其它非正弦信号也可以适用，非积分倍频信号、随机的或伪随机的信号、有限频带或任何所需的组合信号均可被采用。非正弦信号可用来产生线性、非线性或对数相位输出。激励信号的振幅、频率或相位可以被控制为感应参数的函数以产生所期望的传输功能。宽带确定性或随机激励信号可被用来增加对窄频信号干扰的抗扰性。例如，伪随机序列可用作激励信号，这可以是一个码分多址系统，就和应用在多用户传播系统(CDMA)中的相似。

确定感应参数可以运用任何合适的信号处理技术，例如，伴随着相位变化的瞬时频移就可以用来探测压力的变化。整个变化过程适应如下公式： $f_{\mathrm{OUT}}=f_{\mathrm{EX}}+K\frac{\mathrm{d\Θ}}{\mathrm{dt}}$ (等式2) $\∫(f_{\mathrm{OUT}}-f_{\mathrm{EX}})\mathrm{dt}=\mathrm{K\Θ}$ (等式3) $\mathrm{\ΔP}\∝\mathrm{\Θ}=\frac{\∫(f_{\mathrm{OUT}}-f_{\mathrm{EX}})\mathrm{dt}}{K}$ (等式4)

上述等式中，f_ex是激励信号的频率，f_out是一个电容传感器的输出，K是常量，Q是相位移，C是将K·θ转化为压力变化值的常系数。

正弦信号的变形也可被用作激励信号，并被用来优化传感器电路的灵敏度。例如在图5A中显示了一个变形正弦信号，图5B显示了图5A中所示信号相位移90°后的正弦信号。图5A、5B中所示的变形正弦波在ΔP＝0左右的条件下(如C_H＝C_L)能够增加测量电路的灵敏度。也可以调整波形，这样输出信号中有一个对数关系，而模数转换器不需要那么大的动态范围。

还可以在测量中使用基准波形。在本实施例中，C_H和C_L由在相位上移动了180°的激励信号驱动，一个基准电容由相对于任何一个驱动C_H和C_L的波形均相位移动了90°的波形驱动。最后的输出振幅可由下式决定：(等式5)

式中，C_H和C_L是高、低压传感器的电容值，C_R是一个基准电容值。在另一个实施例中，每一循环路中要测量两次相位，使噪音减小为原噪音的1/f并减少零交叉探测中的零点漂移误差。零点漂移误差会给两个信号分别增加或减少相同量的相位移，从而使两信号相互抵消。

在本发明克服了以往工艺中存在的一系列问题。例如，一项在先技术使用时分多路传输，这会增加噪音混淆的可能性，并限制转换电路调整其分辨率与响应时间相互关系的能力。使用多个模数转换器会增加电力消耗。更进一步，这些转换器会以不可预料的方式相互干扰，且使传感器电路的隔离更加复杂化。另外，使用两个转换器测量一个差分信号会使误差加倍。本发明通过利用模数转换器的大部分可变频宽而使用了一种低电耗技术，特别是∑Δ转换器的使用更突出此优点，在不同元件之间的相互干扰被减少而且增加了可预见性。混淆将受限制，因为所有的感应参数可以在一个∑Δ转换器的高发送频率下受到监控，而且在微处理器抽取传感器输出之前可以安装使用抗混淆数字滤波器。

此外提出的特定操作的变化亦被考虑在本发明的范围之内。例如，任何或所有的功能象信号产生、越过隔离器发射、滤波、信号处理、补偿、发射等等，均可以在模拟或数字电路中被实现。这些技术宜于减少测量中的噪音，即使只是测量单一感应参数。还有，针对各种特性的相适宜的装置也在本发明之内。激励信号可以由其它不是本文所介绍的技术产生。将各阻抗元件的输出相加求和的特定技术可以改动，可以采用不同类型的滤波器或不同类型的数模转换器或模数转换器。可以采用任何合适的阻抗和任何数量的元件，这些元件均具有响应可能被采用的感应参数的阻抗。可以适用其它探测和识别独立传感器输出的技术，以及其它同步技术或发电技术。也可以采用象模糊逻辑、中枢网络等的信号处理技术。亦可利用其它诸如锁定放大器技术等在数字或模拟技术中均可实现的信号处理技术。锁定放大器适宜利用一个基准信号将一个信号从其它信号中识别并隔离开来。

尽管本发明中描述了一些最佳实施例，本领域中的熟练工人将会意识到所做的各种形式及细节上的修改都不脱离本发明的范围及实质。

Claims (7)

1.一种过程控制系统中的变送器，包括用于与过程控制环路相连合的输入/输出电路，其特征在于：具有随第一感应参数而变化的第一阻抗的一个第一传感器；具有随第二感应参数而变化的第二阻抗的一个第二传感器；与第一传感器相耦合的第一激励交流信号；与第二传感器相耦合的第二激励交流信号；与结合了第一、二传感器的交流输出的第一、第二传感器的输出相耦合的一个求和结点；与用于提供代表第一和第二传感器的求和AC输出的数字输出的求和节点相连的模数转换器；与模数转换器的输出相耦合的数字信号处理电路，该模数转换器处理数字输出并通过过程控制环路向输入/输出电路提供用于传送的与第一和第二感应参数相关的输出。

2.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于：所述第一传感器包括一个电容器。

3.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于：所述的第一、第二激励信号彼此之间有相位移。

4.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于：所述的第一、第二激励信号是具有不同频率的信号。

5.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于：它包括有一个产生第一、第二激励信号的数字信号发生器；一个与第一、第二传感器相连，可将数字激励信号转换为第一、第二激励信号的数模转换器。

6.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于：所说的第一激励信号包括一种变形正弦波。

7.一个过程控制系统中的变送器，其特征在于：它包括具有响应于多个被感应的参数的多个可变阻抗的多个传感器；适用于多个传感器中的每一个、引出多个传感器输出信号的，产生于信号发生电路、彼此具有不同波形的多个激励信号；一个对应于多个传感器输出信号之和的被求和信号；与被求和信号耦合、具有一个对应被感应参数的输出的信号处理电路；与过程控制环路和信号处理电路相连、可通过过程控制环路发射与被感应参数相关的输出的输出电路。

Images