專利名稱：最小死區(qū)時間數(shù)字補償過程變送器的制作方法
最小死區(qū)時間數(shù)字補償過程變送器
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及過程變送器。具體地，本發(fā)明是一種過程變送器，特征在于具有改進的 動態(tài)性能的數(shù)字補償。過程變送器被用于監(jiān)控工業(yè)過程參數(shù)(或過程變量)，諸如差分壓力、計量壓力、 絕對壓力、流體流量、液位、溫度、PH等?，F(xiàn)代高性能過程變送器利用數(shù)字信號補償來實現(xiàn) 較低的總誤差。利用模擬至數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器來數(shù)字化未補償?shù)倪^程信號，并傳送至主微 控制器以用于數(shù)字補償。環(huán)境溫度信息也被數(shù)字化，并被傳送至主控制器以用于溫度補償。 工廠特征化生成校正系數(shù)，使得裝置輸出線性很強并且被溫度補償，其對靜態(tài)輸入環(huán)境提 供非常低的總誤差。該數(shù)字補償方案的一個結(jié)果已經(jīng)犧牲了動態(tài)性能。除了數(shù)字補償過程之外，A/D過 程還增加了到變送器的顯著數(shù)量的死區(qū)時間。具有數(shù)字補償?shù)牡湫瓦^程變送器可以具有范 圍從IOOmS至500mS的死區(qū)時間。對于比如漿狀物/紙頭盒(pulp/paper head box)壓力 控制或緊急停工應用的需要快速控制回路的應用，死區(qū)時間存在問題。追溯到1970’s的過程變送器實質(zhì)上是全模擬的。缺乏A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字處理器， 這些裝置實質(zhì)上沒有死區(qū)時間，并且能夠非?？焖俚仨憫獎討B(tài)輸入信號。不幸的是，以當今 的標準，它們的總性能不良。存在提供以下性能的過程變送器的需要提供數(shù)字補償裝置的靜態(tài)性能，并且提 供沒有死區(qū)時間的全模擬裝置的動態(tài)性能。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面中，一種過程變送器包括傳感器、第一信號路徑和第二信號 路徑以及根據(jù)來自第一和第二信號路徑的信號來生成變送器輸出的輸出電路。該第一信號 路徑數(shù)字地補償通過傳感器生成的過程信號，而第二信號路徑不數(shù)字補償過程信號，或者 以比第一信號路徑小的延遲來補償過程信號。在另一方面中，過程變送器包括過程傳感器、模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器、用于生成數(shù)字補 償過程信號的數(shù)字信號處理器、以及用于通過模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出的一部分以便生成 高速數(shù)字信號的帶通濾波器。根據(jù)來自數(shù)字處理器的數(shù)字補償信號和來自帶通濾波器的高 速信號，輸出電路生成變送器輸出。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字補償過程變送器的方塊圖；圖2是具有數(shù)字補償和增強的動態(tài)性能的過程變送器的方塊圖；圖3示出了圖1的現(xiàn)有技術(shù)的過程變送器的模型；圖4是示出了根據(jù)在圖3中模型化的現(xiàn)有技術(shù)的變送器對階躍輸入響應的時間的 歸一化輸出的曲線圖；圖5是描述了圖2的過程變送器的模型的示意圖6是根據(jù)如圖5中模型化的，圖2的變送器的時間的歸一化輸出的曲線圖；圖7是根據(jù)用于圖2的過程變送器的頻率的歸一化響應的曲線圖。
具體實施例方式圖1示出了典型的數(shù)字補償過程變送器10的方塊圖，其包括過程傳感器12、模擬 至數(shù)字(A/D) Σ -Δ調(diào)制器14、抽取(decimating)數(shù)字低通濾波器16、主處理器18、環(huán)境 溫度傳感器20、模擬至數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器22、數(shù)字至模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器24以及輸出電路 26。過程傳感器12生成過程信號，該過程信號根據(jù)過程變量而改變，該過程變量例如 是差分壓力、絕對壓力、計量壓力、流體溫度、液位、流量等。通過A/D Σ -Δ調(diào)制器14數(shù)字 化來自過程傳感器12的過程信號。Σ -Δ調(diào)制器14的輸出是高速低分辨率信號。例如， 來自Σ -Δ調(diào)制器14的數(shù)字化過程信號可以是高速1比特數(shù)字流。抽取數(shù)字低通濾波器16減小來自Σ -Δ調(diào)制器14的數(shù)字化過程信號的數(shù)據(jù)率， 并消除存在于信號中的幾乎全部噪聲。低通濾波的數(shù)字化過程信號被提供給主處理器18 以用于數(shù)字補償。典型是微處理器的主處理器18執(zhí)行校正算法，以便線性化和溫度補償數(shù)字化過 程信號。溫度補償基于來自環(huán)境溫度傳感器20的環(huán)境溫度信號，其被A/D轉(zhuǎn)換器22數(shù)字 化，并被提供給主處理器18。也可以執(zhí)行線壓補償。為了期望的輸出變換功能，通過主處理 器18縮放過程信號，以便調(diào)節(jié)用戶校準跨度。在圖1中示出的過程變送器10中，通過D/A轉(zhuǎn)換器24將來自主處理器18的經(jīng)補 償和縮放的過程信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。輸出電路26將過程變送器10與兩個布線環(huán)(wire loop)相接，以便提供作為感測的過程變量的函數(shù)的模擬輸出。在其中過程變送器10被連 接至雙布線環(huán)的典型系統(tǒng)中，模擬輸出可以在4毫安(零)至20毫安(全刻度)之間改 變。由過程變送器10提供的數(shù)字補償允許變送器輸出線性很強并且被溫度補償，從而存在 對于靜態(tài)輸入條件的非常低的總誤差。模擬過程信號至數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換以及用以線性化、 溫度補償和縮放過程變量的隨后的數(shù)字補償生成一定量的死區(qū)時間。圖2是過程變送器30的方塊圖，其提供具有增強的動態(tài)性能的數(shù)字補償。在該實 施例中，過程變送器30包括與變送器10相同的多個元件，比如過程傳感器12、A/D Σ -Δ 調(diào)制器14、抽取數(shù)字低通濾波器16、主處理器18、環(huán)境溫度傳感器20、A/D轉(zhuǎn)換器22、D/A 轉(zhuǎn)換器24以及輸出電路26。此外，變送器30包括帶通濾波器32，其被布置在A/D Σ -Δ 調(diào)制器14的輸出和輸出電路26之間。結(jié)果，附加的信號路徑被提供用于從A/D Σ - Δ調(diào) 制器14(即數(shù)字化的過程信號)至輸出電路26的高速數(shù)據(jù)。來自Σ - Δ調(diào)制器14的數(shù)字 化過程信號實際上沒有死區(qū)時間，并且也非?？?。由于如過程傳感器12的電容型壓力傳感 器，由機械傳感器系統(tǒng)的響應時間而不是Σ-Δ調(diào)制器14，來確定對動態(tài)過程擾動的Σ-Δ 調(diào)制器14的輸出處的數(shù)字過程信號的響應時間。例如，電容型傳感器可以具有大約20mS 的時間常量，而A/D Σ -Δ調(diào)制器14的時間常量小于5mS。帶通濾波器32通過直接從Σ -Δ調(diào)制器14至輸出電路26的一些數(shù)字化過程信 號，從而使變送器輸出繼承了在高速信號中固有的高速響應。帶通濾波器32的高頻截止被 設(shè)置成能夠通過高速信號的期望部分，但阻擋超過感興趣頻率的噪聲。帶通濾波器32的低頻截止被設(shè)置成使過程傳感器30的總頻率響應在期望的范圍中。根據(jù)來自主計算機18和 D/A轉(zhuǎn)換器24 (即“慢”信號路徑)的經(jīng)補償和縮放的過程信號，以及由帶通濾波器32 (即 “快”信號路徑)濾波的數(shù)字化過程信號，輸出電路26生成變送器輸出。例如，輸出電路26 可以對來自主處理器18的高精度低速信息和來自帶通濾波器32的較低精度的高速信息求 和。根據(jù)需要，不同的權(quán)重可被應用于來自兩個信號路徑的信息。凈結(jié)果是具有較好靜態(tài) 精度和較好動態(tài)響應(即最小死區(qū)時間，快速響應)的變送器輸出。在一些實施例中，可以期望具有選擇由數(shù)字補償提供的靜態(tài)性能或通過包括來自 帶通濾波器32高速信號實現(xiàn)的增強性能的能力。在這些實施例中，可以在A/D Σ -Δ調(diào)制 器14和輸出電路26 (帶通濾波器32的上流或下流)之間的高速或快信號路徑中提供開關(guān)。 在通過主處理器18的軟件控制下，開關(guān)可被啟用或禁用。因此，過程變送器30在軟件控制 下是可配置的，以便通過同時利用來自包括帶通濾波器32的快信號路徑的高速信號和來 自包括主處理器18的慢信號路徑的數(shù)字補償信號，提供數(shù)字補償系統(tǒng)的靜態(tài)性能或增強 的動態(tài)性能。可以在模擬或數(shù)字域中實現(xiàn)帶通濾波器32。對于如通過Σ -Δ調(diào)制器14生成的 高速數(shù)據(jù)，調(diào)制器14的輸出同時用作模擬信號和數(shù)字信號。結(jié)果，利用帶通濾波器32可以 采用模擬或者數(shù)字濾波方案。對于其中高速過程信號實質(zhì)上是嚴格數(shù)字或嚴格模擬的其他 測量系統(tǒng)，帶通濾波器32被設(shè)計成與高速過程信號的特性相適合。模擬濾波器可以非常高效。它可以僅需要少量的電阻器和電容器，以便提供帶通 濾波器32所需的帶通功能。過程變送器經(jīng)常包括范圍下可配置性，即，用于將變送器輸出的靈敏度設(shè)置成感 測的過程參數(shù)的能力。為了在過程變送器30中提供范圍下可配置性，類似的縮放特征必須 被包括在帶通濾波器32中，從而使增強的動態(tài)響應可以在被用于生成數(shù)字補償信號的任 何范圍下因數(shù)處工作。主處理器18依據(jù)變送器30的范圍下因數(shù)設(shè)置帶通濾波器32的增 益，以便實現(xiàn)期望的響應。可以實現(xiàn)帶通濾波器32中的可編程增益功能，例如利用運算放 大器和其他支持電路，當帶通濾波器32是模擬類型濾波器時。對于利用數(shù)字帶通濾波的實 現(xiàn)方式，帶通濾波器32典型地包括結(jié)合高速D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號處理器，從而使來自快 信號路徑的模擬“快”信號在輸出電路26處可與來自慢信號路徑的D/A轉(zhuǎn)換器24的模擬 慢信號相組合。利用數(shù)字實現(xiàn)方式，縮放因數(shù)可被包括到數(shù)字信號處理器中，并且通過主處 理器18，縮放因數(shù)的選擇被提供給數(shù)字信號處理器。過程變送器30還可以包括可在各種電平處被設(shè)置的用戶可選擇變送器阻尼。這 可以有效地改變用于慢信號的補償路徑的時間常量。通過根據(jù)用戶阻尼來改變帶通濾波器 32的配置可以調(diào)節(jié)可選擇阻尼的效應。根據(jù)由用戶選擇的變送器阻尼，主處理器18可以控 制帶通濾波器32的配置。由于通過帶通濾波器32的數(shù)字過程信號繞過了由主處理器18執(zhí)行的數(shù)字補償， 來自帶通濾波器32的信號的精度在某些程度上被折衷。然而，由于在DC(或接近DC)處沒 有任何東西可以通過帶通濾波器32，變送器30的靜態(tài)精度將不被影響。用于變送器30的 參考精度和溫度效應測試將基本上給出與比如不提供改進的動態(tài)性能的變送器10的設(shè)備 相同的性能。然而，由于到達變送器輸出的數(shù)字化過程信號的未補償部分，將折衷動態(tài)信號的精度。對于集成變送器輸出的應用，需要考慮精度。高速數(shù)字化過程信號在許多情況中相對有噪聲。帶通濾波器32會除去大量的該 噪聲，但合成模擬輸出噪聲可能會增加。許多現(xiàn)代的測量系統(tǒng)在測量噪聲和響應時間或等 待時間之間提供折衷。這是該類型的折衷的又一示例。如果由高速路徑引起的精度或噪聲退化是不期望的，則先前描述的開關(guān)機構(gòu)可以 用于禁用高速信號路徑。該變送器30恢復成在圖1中描述的傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)?；谟嬎銠C的仿真被用于比較圖1的數(shù)字補償過程變送器10的性能與圖2的過 程變送器30的增強性能。利用Matlab Simulink執(zhí)行計算機仿真。圖3示出了模型10M，其是圖1的現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字補償?shù)倪^程變送器10的模型。 模型IOM包括階躍塊40、死區(qū)時間塊42以及低通塊44。在模型IOM中，輸入是由階躍塊40表示的階躍，具有在時間零處0的初始值，并且 在仿真的持續(xù)時間內(nèi)階躍至“1”的值。死區(qū)時間塊42對輸入增加IOOmS的簡單延遲。低 通塊44應用低通濾波器至信號。在該情況中，濾波時間常量tau被設(shè)置成與1.6Hz的低通 截止頻率Fc相對應的100mS。在圖4中示出了模型IOM的時域響應。在圖5中示出的模型30M是圖2的增強的過程變送器30的模型。在圖5中示出 了模型IOM和30M所共有的模型IOM的那些元件(階躍40、死區(qū)時間42以及低通44)。這 些元件形成慢信號路徑，用以生成在圖5中被標記為“慢”的緩慢、精確的補償信號。高速或快信號路徑也被包括在模型30M中。通過低通塊46和高通塊48模型化圖 2的帶通濾波器32。低通塊46具有1. 25的增益，IOOmS的時間常量tau，以及1. 6Hz的截止頻率f。。實 際上，由于受到過程傳感器12的機械阻尼的影響，這將是Σ -Δ調(diào)制器14的輸出。高通塊48通過超過2. 12Hz的截止頻率f。的信號。高通塊48的時間常量tau是 75mS。高通塊48被優(yōu)化成實現(xiàn)期望的模擬輸出特性。低通塊46和高通塊48 —起生成具有1. 8377Hz的中心頻率的帶通濾波器。該通 帶增益是0. 5357，并且Q是0. 4949。慢(即數(shù)字補償信號)路徑的輸出是慢信號50，并且快(即高速未補償信號)路 徑的輸出是快信號52。加法器54組合慢信號50和快信號52，以便生成模擬輸出56。加法 器54模型化變送器30的輸出電路26的功能。在圖6中示出了變送器模型30M的階躍響應。慢信號波形50示出與圖4相同的 響應。在圖6中示出的快信號波形52示出了帶通濾波器32的響應，如通過低通濾波器塊 46和高通濾波器塊48模型化的。由于快信號路徑?jīng)]有死區(qū)時間，快信號52立即響應來自 階躍塊40的階躍輸入。然而，在IOOmS的時間處，帶通響應到達它的峰值，并且快信號52 開始衰減。這被設(shè)計成處于當慢信號路徑的死區(qū)時間結(jié)束而慢信號50開始上升時的時間 處。模擬輸出56是通過將慢信號50和快信號52求和所形成的合成信號。模擬輸出 信號56跟隨從0至IOOmS的快信號52，然后從快信號52過渡至慢信號50，直至快信號52 在大約500mS至700mS處衰減。從那時起，模擬輸出56跟隨慢信號50。圖7是表示模型化的過程變送器30M的振幅頻率響應的曲線圖。由于模型30M由 線性元件構(gòu)成，對正弦波輸入的響應也是正弦的。從圖7可以獲得數(shù)個觀測值。
首先，振幅響應在1. 6Hz的頻率處大約是0. 7。這涉及模型30M中的1. 6Hz低通塊 44和46。低于1.6Hz，很少或沒有衰減。第二，在IOHz周圍出現(xiàn)峰值。這是慢信號路徑的死區(qū)時間延遲與輸入信號的周期 相匹配的位置。相對于快信號路徑，慢信號路徑中存在360度的相移，從而使兩個相位同相 和相加(additive)。理想地，該峰值將不存在，并且通過用于模型30M(并因此在變送器30 中)中的濾波結(jié)構(gòu)的進一步細化可以消除該峰值。本發(fā)明的過程變送器提供數(shù)字補償變送器的靜態(tài)性能，同時提供減小或消除死區(qū) 時間的改進的動態(tài)性能。通過在除了數(shù)字補償慢信號路徑之外還提供快信號路徑，并且同 時利用來自快和慢信號路徑的信號來生成變送器輸出，過程變送器保持數(shù)字補償過程變送 器的總性能，同時提供近似傳統(tǒng)的模擬過程變送器的動態(tài)性能。在上面討論的實施例中，快信號路徑被示出為僅包括高通濾波器32。在其他實施 例中，快信號路徑也可以包括快信號的補償，從而減小動態(tài)精度的退化。通過比用于慢信號 路徑中的數(shù)字補償算法更容易和更快速地執(zhí)行的簡單的補償算法，可以提供補償。例如，考 慮生成比慢信號路徑更新快九倍的快信號路徑。基于快信號路徑中的信號(例如在它已經(jīng) 被帶通濾波器32濾波之后)，通過主處理器18執(zhí)行的簡單的補償算法可以提供具有動態(tài)精 度的較小退化的改進動態(tài)性能。盡管參照優(yōu)選實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到，可以進 行形式和細節(jié)上的改變，只要不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種過程變送器，包括用于根據(jù)過程參數(shù)來生成過程信號的傳感器；其中過程信號被數(shù)字補償?shù)牡谝恍盘柭窂?；其中過程信號經(jīng)受比第一信號路徑小的延遲的第二信號路徑；以及輸出電路，用于根據(jù)從第一信號路徑和第二信號路徑接收的信號來生成變送器輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的過程變送器，其中輸出電路發(fā)送來自第一信號路徑和第二信號路 徑的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的過程變送器，其中第二信號路徑包括帶通濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的過程變送器，其中根據(jù)變送器范圍下因數(shù)來控制帶通濾波器的參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的過程變送器，其中根據(jù)變送器范圍下因數(shù)控制的帶通濾波器的參 數(shù)是縮放參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的過程變送器，其中根據(jù)用戶可選擇的阻尼來控制帶通濾波器的參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的過程變送器，其中第二信號路徑在傳感器和輸出電路之間可選擇 地被連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的過程變送器，還包括模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于從模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換過程信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的過程變送器，其中第一信號路徑和第二信號路徑在模擬至數(shù)字轉(zhuǎn) 換器和輸出電路之間連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的過程變送器，其中第一信號路徑包括數(shù)字低通濾波器和數(shù)字處理器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的過程變送器，其中數(shù)字處理器針對環(huán)境溫度、線性和線壓的至 少一個來補償過程信號，并且縮放過程信號。
12.一種過程變送器，包括用于根據(jù)過程參數(shù)來生成過程信號的過程傳感器； 用于數(shù)字化過程信號的模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器； 用于數(shù)字補償數(shù)字化過程信號的數(shù)字處理器； 帶通濾波器，用于濾波來自模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化過程信號；以及 輸出電路，用于根據(jù)數(shù)字補償過程信號和濾波的過程信號來生成變送器輸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的過程變送器，其中輸出電路對數(shù)字補償?shù)倪^程信號和濾波的過 程信號求和。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的過程變送器，其中輸出電路生成模擬輸出信號作為變送器輸出ο
15.根據(jù)權(quán)利要求12的過程變送器，其中數(shù)字處理器控制帶通濾波器的一個或多個參數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的過程變送器，其中數(shù)字處理器根據(jù)變送器范圍下因數(shù)來控制帶 通濾波器的縮放參數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的過程變送器，其中數(shù)字處理器根據(jù)用戶選擇的阻尼來控制帶通濾波器的參數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的過程變送器，其中數(shù)字處理器控制是否將帶通濾波的過程信號 提供至輸出電路。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的過程變送器，還包括在模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字處理器之間連接的抽取數(shù)字低通濾波器。
全文摘要
一種過程變送器(10)，包括用于根據(jù)過程參數(shù)來生成模擬過程信號的傳感器(12)。通過A/D轉(zhuǎn)換器(14)數(shù)字化未補償?shù)哪M過程信號，并通過數(shù)字處理器(18)數(shù)字補償所述過程信號。來自模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(14)的數(shù)字化信號也被帶通濾波。組合數(shù)字補償信號和帶通濾波信號以便生成變送器輸出。
文檔編號G05B13/02GK101939708SQ200980104140
公開日2011年1月5日 申請日期2009年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月6日
發(fā)明者斯蒂文·理查德·特林布爾, 特洛伊·邁克爾·雷勒, 約翰·保羅·舒爾特 申請人:羅斯蒙德公司