CN101939708A - 最小死区时间数字补偿过程变送器 - Google Patents

Abstract

一种过程变送器(10)，包括用于根据过程参数来生成模拟过程信号的传感器(12)。通过A/D转换器(14)数字化未补偿的模拟过程信号，并通过数字处理器(18)数字补偿所述过程信号。来自模拟至数字转换器(14)的数字化信号也被带通滤波。组合数字补偿信号和带通滤波信号以便生成变送器输出。

Description

最小死区时间数字补偿过程变送器

背景技术

本发明涉及过程变送器。具体地，本发明是一种过程变送器，特征在于具有改进的动态性能的数字补偿。

过程变送器被用于监控工业过程参数(或过程变量)，诸如差分压力、计量压力、绝对压力、流体流量、液位、温度、pH等。现代高性能过程变送器利用数字信号补偿来实现较低的总误差。利用模拟至数字(A/D)转换器来数字化未补偿的过程信号，并传送至主微控制器以用于数字补偿。环境温度信息也被数字化，并被传送至主控制器以用于温度补偿。工厂特征化生成校正系数，使得装置输出线性很强并且被温度补偿，其对静态输入环境提供非常低的总误差。

该数字补偿方案的一个结果已经牺牲了动态性能。除了数字补偿过程之外，A/D过程还增加了到变送器的显著数量的死区时间。具有数字补偿的典型过程变送器可以具有范围从100mS至500mS的死区时间。对于比如浆状物/纸头盒(pulp/paper head box)压力控制或紧急停工应用的需要快速控制回路的应用，死区时间存在问题。

追溯到1970’s的过程变送器实质上是全模拟的。缺乏A/D转换器和数字处理器，这些装置实质上没有死区时间，并且能够非常快速地响应动态输入信号。不幸的是，以当今的标准，它们的总性能不良。

存在提供以下性能的过程变送器的需要：提供数字补偿装置的静态性能，并且提供没有死区时间的全模拟装置的动态性能。

发明内容

在本发明的一个方面中，一种过程变送器包括传感器、第一信号路径和第二信号路径以及根据来自第一和第二信号路径的信号来生成变送器输出的输出电路。该第一信号路径数字地补偿通过传感器生成的过程信号，而第二信号路径不数字补偿过程信号，或者以比第一信号路径小的延迟来补偿过程信号。

在另一方面中，过程变送器包括过程传感器、模拟至数字转换器、用于生成数字补偿过程信号的数字信号处理器、以及用于通过模拟至数字转换器的输出的一部分以便生成高速数字信号的带通滤波器。根据来自数字处理器的数字补偿信号和来自带通滤波器的高速信号，输出电路生成变送器输出。

附图说明

图1是现有技术的数字补偿过程变送器的方块图；

图2是具有数字补偿和增强的动态性能的过程变送器的方块图；

图3示出了图1的现有技术的过程变送器的模型；

图4是示出了根据在图3中模型化的现有技术的变送器对阶跃输入响应的时间的归一化输出的曲线图；

图5是描述了图2的过程变送器的模型的示意图；

图6是根据如图5中模型化的，图2的变送器的时间的归一化输出的曲线图；

图7是根据用于图2的过程变送器的频率的归一化响应的曲线图。

具体实施方式

图1示出了典型的数字补偿过程变送器10的方块图，其包括过程传感器12、模拟至数字(A/D)∑-Δ调制器14、抽取(decimating)数字低通滤波器16、主处理器18、环境温度传感器20、模拟至数字(A/D)转换器22、数字至模拟(D/A)转换器24以及输出电路26。

过程传感器12生成过程信号，该过程信号根据过程变量而改变，该过程变量例如是差分压力、绝对压力、计量压力、流体温度、液位、流量等。通过A/D∑-Δ调制器14数字化来自过程传感器12的过程信号。∑-Δ调制器14的输出是高速低分辨率信号。例如，来自∑-Δ调制器14的数字化过程信号可以是高速1比特数字流。

抽取数字低通滤波器16减小来自∑-Δ调制器14的数字化过程信号的数据率，并消除存在于信号中的几乎全部噪声。低通滤波的数字化过程信号被提供给主处理器18以用于数字补偿。

典型是微处理器的主处理器18执行校正算法，以便线性化和温度补偿数字化过程信号。温度补偿基于来自环境温度传感器20的环境温度信号，其被A/D转换器22数字化，并被提供给主处理器18。也可以执行线压补偿。为了期望的输出变换功能，通过主处理器18缩放过程信号，以便调节用户校准跨度。

在图1中示出的过程变送器10中，通过D/A转换器24将来自主处理器18的经补偿和缩放的过程信号转换成模拟信号。输出电路26将过程变送器10与两个布线环(wire loop)相接，以便提供作为感测的过程变量的函数的模拟输出。在其中过程变送器10被连接至双布线环的典型系统中，模拟输出可以在4毫安(零)至20毫安(全刻度)之间改变。由过程变送器10提供的数字补偿允许变送器输出线性很强并且被温度补偿，从而存在对于静态输入条件的非常低的总误差。模拟过程信号至数字信号的转换以及用以线性化、温度补偿和缩放过程变量的随后的数字补偿生成一定量的死区时间。

图2是过程变送器30的方块图，其提供具有增强的动态性能的数字补偿。在该实施例中，过程变送器30包括与变送器10相同的多个元件，比如过程传感器12、A/D∑-Δ调制器14、抽取数字低通滤波器16、主处理器18、环境温度传感器20、A/D转换器22、D/A转换器24以及输出电路26。此外，变送器30包括带通滤波器32，其被布置在A/D∑-Δ调制器14的输出和输出电路26之间。结果，附加的信号路径被提供用于从A/D∑-Δ调制器14(即数字化的过程信号)至输出电路26的高速数据。来自∑-Δ调制器14的数字化过程信号实际上没有死区时间，并且也非常快。由于如过程传感器12的电容型压力传感器，由机械传感器系统的响应时间而不是∑-Δ调制器14，来确定对动态过程扰动的∑-Δ调制器14的输出处的数字过程信号的响应时间。例如，电容型传感器可以具有大约20mS的时间常量，而A/D∑-Δ调制器14的时间常量小于5mS。

带通滤波器32通过直接从∑-Δ调制器14至输出电路26的一些数字化过程信号，从而使变送器输出继承了在高速信号中固有的高速响应。带通滤波器32的高频截止被设置成能够通过高速信号的期望部分，但阻挡超过感兴趣频率的噪声。带通滤波器32的低频截止被设置成使过程传感器30的总频率响应在期望的范围中。根据来自主计算机18和D/A转换器24(即“慢”信号路径)的经补偿和缩放的过程信号，以及由带通滤波器32(即“快”信号路径)滤波的数字化过程信号，输出电路26生成变送器输出。例如，输出电路26可以对来自主处理器18的高精度低速信息和来自带通滤波器32的较低精度的高速信息求和。根据需要，不同的权重可被应用于来自两个信号路径的信息。净结果是具有较好静态精度和较好动态响应(即最小死区时间，快速响应)的变送器输出。

在一些实施例中，可以期望具有选择由数字补偿提供的静态性能或通过包括来自带通滤波器32高速信号实现的增强性能的能力。在这些实施例中，可以在A/D∑-Δ调制器14和输出电路26(带通滤波器32的上流或下流)之间的高速或快信号路径中提供开关。在通过主处理器18的软件控制下，开关可被启用或禁用。因此，过程变送器30在软件控制下是可配置的，以便通过同时利用来自包括带通滤波器32的快信号路径的高速信号和来自包括主处理器18的慢信号路径的数字补偿信号，提供数字补偿系统的静态性能或增强的动态性能。

可以在模拟或数字域中实现带通滤波器32。对于如通过∑-Δ调制器14生成的高速数据，调制器14的输出同时用作模拟信号和数字信号。结果，利用带通滤波器32可以采用模拟或者数字滤波方案。对于其中高速过程信号实质上是严格数字或严格模拟的其他测量系统，带通滤波器32被设计成与高速过程信号的特性相适合。

模拟滤波器可以非常高效。它可以仅需要少量的电阻器和电容器，以便提供带通滤波器32所需的带通功能。

过程变送器经常包括范围下可配置性，即，用于将变送器输出的灵敏度设置成感测的过程参数的能力。为了在过程变送器30中提供范围下可配置性，类似的缩放特征必须被包括在带通滤波器32中，从而使增强的动态响应可以在被用于生成数字补偿信号的任何范围下因数处工作。主处理器18依据变送器30的范围下因数设置带通滤波器32的增益，以便实现期望的响应。可以实现带通滤波器32中的可编程增益功能，例如利用运算放大器和其他支持电路，当带通滤波器32是模拟类型滤波器时。对于利用数字带通滤波的实现方式，带通滤波器32典型地包括结合高速D/A转换器的数字信号处理器，从而使来自快信号路径的模拟“快”信号在输出电路26处可与来自慢信号路径的D/A转换器24的模拟慢信号相组合。利用数字实现方式，缩放因数可被包括到数字信号处理器中，并且通过主处理器18，缩放因数的选择被提供给数字信号处理器。

过程变送器30还可以包括可在各种电平处被设置的用户可选择变送器阻尼。这可以有效地改变用于慢信号的补偿路径的时间常量。通过根据用户阻尼来改变带通滤波器32的配置可以调节可选择阻尼的效应。根据由用户选择的变送器阻尼，主处理器18可以控制带通滤波器32的配置。

由于通过带通滤波器32的数字过程信号绕过了由主处理器18执行的数字补偿，来自带通滤波器32的信号的精度在某些程度上被折衷。然而，由于在DC(或接近DC)处没有任何东西可以通过带通滤波器32，变送器30的静态精度将不被影响。用于变送器30的参考精度和温度效应测试将基本上给出与比如不提供改进的动态性能的变送器10的设备相同的性能。

然而，由于到达变送器输出的数字化过程信号的未补偿部分，将折衷动态信号的精度。对于集成变送器输出的应用，需要考虑精度。

高速数字化过程信号在许多情况中相对有噪声。带通滤波器32会除去大量的该噪声，但合成模拟输出噪声可能会增加。许多现代的测量系统在测量噪声和响应时间或等待时间之间提供折衷。这是该类型的折衷的又一示例。

如果由高速路径引起的精度或噪声退化是不期望的，则先前描述的开关机构可以用于禁用高速信号路径。该变送器30恢复成在图1中描述的传统体系结构。

基于计算机的仿真被用于比较图1的数字补偿过程变送器10的性能与图2的过程变送器30的增强性能。利用Matlab Simulink执行计算机仿真。

图3示出了模型10M，其是图1的现有技术的数字补偿的过程变送器10的模型。模型10M包括阶跃块40、死区时间块42以及低通块44。

在模型10M中，输入是由阶跃块40表示的阶跃，具有在时间零处0的初始值，并且在仿真的持续时间内阶跃至“1”的值。死区时间块42对输入增加100mS的简单延迟。低通块44应用低通滤波器至信号。在该情况中，滤波时间常量tau被设置成与1.6Hz的低通截止频率Fc相对应的100mS。在图4中示出了模型10M的时域响应。

在图5中示出的模型30M是图2的增强的过程变送器30的模型。在图5中示出了模型10M和30M所共有的模型10M的那些元件(阶跃40、死区时间42以及低通44)。这些元件形成慢信号路径，用以生成在图5中被标记为“慢”的缓慢、精确的补偿信号。

高速或快信号路径也被包括在模型30M中。通过低通块46和高通块48模型化图2的带通滤波器32。

低通块46具有1.25的增益，100mS的时间常量tau，以及1.6Hz的截止频率f_c。实际上，由于受到过程传感器12的机械阻尼的影响，这将是∑-Δ调制器14的输出。

高通块48通过超过2.12Hz的截止频率f_c的信号。高通块48的时间常量tau是75mS。高通块48被优化成实现期望的模拟输出特性。

低通块46和高通块48一起生成具有1.8377Hz的中心频率的带通滤波器。该通带增益是0.5357，并且Q是0.4949。

慢(即数字补偿信号)路径的输出是慢信号50，并且快(即高速未补偿信号)路径的输出是快信号52。加法器54组合慢信号50和快信号52，以便生成模拟输出56。加法器54模型化变送器30的输出电路26的功能。

在图6中示出了变送器模型30M的阶跃响应。慢信号波形50示出与图4相同的响应。在图6中示出的快信号波形52示出了带通滤波器32的响应，如通过低通滤波器块46和高通滤波器块48模型化的。由于快信号路径没有死区时间，快信号52立即响应来自阶跃块40的阶跃输入。然而，在100mS的时间处，带通响应到达它的峰值，并且快信号52开始衰减。这被设计成处于当慢信号路径的死区时间结束而慢信号50开始上升时的时间处。

模拟输出56是通过将慢信号50和快信号52求和所形成的合成信号。模拟输出信号56跟随从0至100mS的快信号52，然后从快信号52过渡至慢信号50，直至快信号52在大约500mS至700mS处衰减。从那时起，模拟输出56跟随慢信号50。

图7是表示模型化的过程变送器30M的振幅频率响应的曲线图。由于模型30M由线性元件构成，对正弦波输入的响应也是正弦的。从图7可以获得数个观测值。

首先，振幅响应在1.6Hz的频率处大约是0.7。这涉及模型30M中的1.6Hz低通块44和46。低于1.6Hz，很少或没有衰减。

第二，在10Hz周围出现峰值。这是慢信号路径的死区时间延迟与输入信号的周期相匹配的位置。相对于快信号路径，慢信号路径中存在360度的相移，从而使两个相位同相和相加(additive)。理想地，该峰值将不存在，并且通过用于模型30M(并因此在变送器30中)中的滤波结构的进一步细化可以消除该峰值。

本发明的过程变送器提供数字补偿变送器的静态性能，同时提供减小或消除死区时间的改进的动态性能。通过在除了数字补偿慢信号路径之外还提供快信号路径，并且同时利用来自快和慢信号路径的信号来生成变送器输出，过程变送器保持数字补偿过程变送器的总性能，同时提供近似传统的模拟过程变送器的动态性能。

在上面讨论的实施例中，快信号路径被示出为仅包括高通滤波器32。在其他实施例中，快信号路径也可以包括快信号的补偿，从而减小动态精度的退化。通过比用于慢信号路径中的数字补偿算法更容易和更快速地执行的简单的补偿算法，可以提供补偿。例如，考虑生成比慢信号路径更新快九倍的快信号路径。基于快信号路径中的信号(例如在它已经被带通滤波器32滤波之后)，通过主处理器18执行的简单的补偿算法可以提供具有动态精度的较小退化的改进动态性能。

尽管参照优选实施例已经描述了本发明，本领域普通技术人员将认识到，可以进行形式和细节上的改变，只要不脱离本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种过程变送器，包括：

用于根据过程参数来生成过程信号的传感器；

其中过程信号被数字补偿的第一信号路径；

其中过程信号经受比第一信号路径小的延迟的第二信号路径；以及

输出电路，用于根据从第一信号路径和第二信号路径接收的信号来生成变送器输出。

2.根据权利要求1的过程变送器，其中输出电路发送来自第一信号路径和第二信号路径的信号。

3.根据权利要求1的过程变送器，其中第二信号路径包括带通滤波器。

4.根据权利要求3的过程变送器，其中根据变送器范围下因数来控制带通滤波器的参数。

5.根据权利要求4的过程变送器，其中根据变送器范围下因数控制的带通滤波器的参数是缩放参数。

6.根据权利要求1的过程变送器，其中根据用户可选择的阻尼来控制带通滤波器的参数。

7.根据权利要求1的过程变送器，其中第二信号路径在传感器和输出电路之间可选择地被连接。

8.根据权利要求1的过程变送器，还包括：

模拟至数字转换器，用于从模拟至数字转换过程信号。

9.根据权利要求8的过程变送器，其中第一信号路径和第二信号路径在模拟至数字转换器和输出电路之间连接。

10.根据权利要求9的过程变送器，其中第一信号路径包括数字低通滤波器和数字处理器。

11.根据权利要求10的过程变送器，其中数字处理器针对环境温度、线性和线压的至少一个来补偿过程信号，并且缩放过程信号。

12.一种过程变送器，包括：

用于根据过程参数来生成过程信号的过程传感器；

用于数字化过程信号的模拟至数字转换器；

用于数字补偿数字化过程信号的数字处理器；

带通滤波器，用于滤波来自模拟至数字转换器的数字化过程信号；以及

输出电路，用于根据数字补偿过程信号和滤波的过程信号来生成变送器输出。

13.根据权利要求12的过程变送器，其中输出电路对数字补偿的过程信号和滤波的过程信号求和。

14.根据权利要求12的过程变送器，其中输出电路生成模拟输出信号作为变送器输出。

15.根据权利要求12的过程变送器，其中数字处理器控制带通滤波器的一个或多个参数。

16.根据权利要求15的过程变送器，其中数字处理器根据变送器范围下因数来控制带通滤波器的缩放参数。

17.根据权利要求15的过程变送器，其中数字处理器根据用户选择的阻尼来控制带通滤波器的参数。

18.根据权利要求12的过程变送器，其中数字处理器控制是否将带通滤波的过程信号提供至输出电路。

19.根据权利要求12的过程变送器，还包括：

在模拟至数字转换器和数字处理器之间连接的抽取数字低通滤波器。

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