CN102378917A - 线路噪声分析和检测以及测量错误减少 - Google Patents

线路噪声分析和检测以及测量错误减少 Download PDF

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Abstract

一种方法，包括：感测过程参数以产生包括过程信号和线路噪声分量的传感器信号(102)；以采样率数字化传感器信号(102)；检测传感器信号中的线路噪声零交叉(104)；根据检测到的线路噪声零交叉来确定线路噪声频率(106)；以及根据线路噪声频率来调节采样率，以降低线路噪声对数字化传感器信号的影响(110)。

Description

线路噪声分析和检测以及测量错误减少
背景技术
本发明涉及噪声管理，更具体地，涉及由于与传感器信号耦合的线路噪声的噪声特性(signature)而引起的传感器测量调节。
传感器在多种设置(例如工业过程设备中的监测过程)中使用以产生数据信号。这些数据信号可以被传输到执行数字化、分析、通信延迟或其它功能的电路。对于数据获取，一般地期望快速更新而又高度精确的过程测量。在工业过程测量领域，一般地，更新是指将信息传输到控制室或其它控制装置，指定的过程更新可以包括绑定在一起的多个离散传感器测量、在合起来平均的多个离散传感器测量等等。
但是，在操作期间，线路噪声常常可以与来自传感器的数据信号相耦合。例如，位于承载有传感器数据信号的导线附近的电源(或其它噪声源)可以将线路噪声耦合到数据信号。典型地，来自电源的线路噪声产生AC噪声信号，AC噪声信号在美国具有大约60Hz的频率，在欧洲具有大约50Hz的频率。对于特定类型的传感器(例如温度传感器)，线路噪声可能是特别成问题的，所述特定类型的传感器典型地位于远离过程电路的位置，并且具有将传感器连接到过程电路的导线。与传感器数据信号耦合的线路噪声是不令人期望的，并且存在测量错误的风险。
现有技术工业过程测量系统已经提供了50/60Hz的开关，允许在安装或维护期间手动选择50Hz或60Hz的传感器信号滤波，以在稍后的操作期间降低线路噪声的影响。对于很多应用来说，这个方法是有效果。然而，滤波选择受限于预定选择，不可预测的噪声源仍然可以存在测量错误的风险。此外，使用手动开关的滤波选择假设：在系统安装或维护期间，噪声源相对于操作者是明确和已知的。如果操作者进行了不正确的滤波选择，上述在安装期间存在操作者错误的风险，并且还会增加系统安装所需的时间和努力。
此外，具有滤波选择开关的现有技术工业过程测量系统使用恒定滤波。但是，恒定滤波(例如，抽取滤波器(decimation filter))会降低更新率，并且可以增大过程测量系统的功率消耗。一般地，与较快的更新率相比，较慢的更新率是不令人期望的。同样，工业过程测量系统(特别是那些无线通信的系统)可以由期望低功率消耗的电池组或能量采集系统供电。
发明内容
根据本发明的方法包括：感测过程参数以产生包括过程信号和线路噪声分量的传感器信号；以采样率数字化传感器信号，检测传感器信号中的线路噪声零交叉；根据检测到的线路噪声零交叉确定线路噪声频率；根据线路噪声频率调解率采样率，以降低线路噪声对数字化传感器信号的影响。
附图说明
图1是根据本发明的工业过程测量系统的框图。
图2是用于工业过程测量系统的噪声检测器电路的框图。
图3是示出了传感器信号和中断信号的电压对时间图。
图4是示出了传感器信号和中断信号的另一电压对时间图。
图5是示出了根据本发明的线路噪声控制方法的流程图。
图6是示出了根据本发明的另一线路噪声控制方法的流程图。
具体实施方式
一般来说，本发明提供了一种用于检测、分析和减小传感器信号中线路噪声的系统和方法。本发明可以帮助降低与实质上DC过程或数据信号相耦合的线路噪声的不期望影响，所述数据信号由模数(A/D)转换器数字化。上述可以包括调节A/D转换器的采样率，并且还可以包括调节与A/D转换器相关联的滤波器的抽取周期，以减少由于传感器信号的线路噪声分量而引起的传感器信号错误。根据本发明的系统可以包括被配置为自动执行多种关联噪声检测、分析和降低功能的电路。在本发明的一个方面中，一种方法包括：感测过程参数以产生包括过程信号和线路噪声分量的传感器信号；以采样率数字化传感器信号；检测传感器信号中的线路噪声零交叉；根据检测到的线路噪声零交叉确定线路噪声频率；根据线路噪声频率调解采样率，以降低线路噪声对数字化传感器信号的影响。在本发明的另一方面中，一种线路噪声管理方法包括：建立噪声幅度阈值；感测过程参数以产生包括过程信号和线路噪声分量的传感器信号；以采样率数字化传感器信号；将传感器信号与噪声幅度阈值进行比较；产生对传感器信号何时与噪声幅度阈值交叉加以指示的中断信号；以及当传感器信号的幅度大于或等于噪声幅度阈值时，根据中断信号降低采样率。
图1是具有工业过程变送器22的工业过程测量系统20的框图，工业过程变送器22用于感测工业过程24。工业过程24可以是过程管理期望的任何过程类型，可以针对特定应用而改变。工业过程变送器22包括传感器26、具有西格玛德尔塔抽取滤波器30的A/D转换器28、微处理器32、噪声检测器电路34和通信电路36。工业过程变送器22可以可操作地与控制室38或其它外部设备相连。应该理解，在另外的实施例中，更一般地，工业过程变送器22和系统20可以包括在图1中未示出的附加组件，例如电池、能量收集子系统、等等。
传感器26被配置为感测与工业过程24相关联的参数。在一个实施例中，传感器26是常规温度传感器。在备选实施例中，传感器26可以被配置为感测与工业过程相关联的几乎所有参数，例如压力、振动、流量等。传感器26产生模拟传感器信号，模拟传感器信号被发送到A/D转换器28以被数字化。在所示实施例中，在传感器26附近存在噪声源40。噪声源40可以是任何噪声源(例如，邻近AC电源系统)，并且可以将噪声分量与传感器信号的过程信号分量相耦合。传感器信号的过程信号分量反映了与工业过程24相关的信息。典型地，传感器信号的过程信号分量实质上是DC，而传感器信号的噪声信号分量是AC。
A/D转换器28可操作地与传感器26相连，在操作期间，以采样率数字化传感器信号。A/D转换器28的采样率是可调节的。在所示实施例中，将西格玛德尔塔抽取滤波器集成到A/D转换器28中。然而，在备选实施例中，可以提供与A/D转换器28分离的滤波器电路，所述滤波器电路可以是西格玛德尔塔抽取滤波器类型。滤波器30允许可调节抽取时间段设置所控制的指定频率下信号中噪声分量的锯齿衰减(notchedattenuation)，一般地，这提供指定频率及其谐波下的降噪。
噪声检测器电路34可操作地连接在传感器26与微处理器32之间，并且还从传感器26接收传感器信号。噪声检测器电路34能够分析传感器信号(包括与其中的过程信号分量相耦合的噪声分量)，检测与噪声分量相关联的参数，根据接收到的传感器信号产生中断信号。以下进一步说明对噪声检测器电路进行配置和操作的细节。
微处理器32可以是现有技术中典型公知常规处理器。微处理器可操作地与噪声检测器电路34、A/D转换器28(包括西格玛德尔塔抽取滤波器30)和通信电路36相连。将来自A/D转换器28的数字化传感器信号发送到微处理器32，微处理器32可以对数字化信号执行任何想要的处理，并且可以将数字化传感器信号(或根据数字化传感器信号生成的其它信号)发送到通信电路36。典型地，微处理器32将在一段时间段上从数字化传感器信号收集信息，并且将离散更新传输至通信电路36。更新的更新率等于与包括在更新中的采样数目相乘的转换率，其中，转换率与A/D转换器28的采样率的周期相关。微处理器32可以向A/D转换器28和西格玛德尔塔抽取滤波器30发送命令信号。微处理器32还可以向噪声检测器电路34发送命令信号，并且从噪声检测器电路34接收中断信号。如下文进一步说明的，微处理器32可以根据来自噪声检测器电路34的中断信号，产生用于A/D转换器28和西格玛德尔塔抽取滤波器30的命令信号。
通信电路36被配置为将来自工业过程变送器22的更新(或其它任何想要的数据)传输到外部位置，例如传输到控制室38。控制室38可以包括显示器、处理器、存储器、控制软件(可从Emerson过程管理、Chanhas sen、MN获得的AMSTM程序组和
Figure BPA00001445401100041
软件)以及用于管理和控制工业过程24并且收集和分析来自工业过程变送器22的数据的其它组件。通信电路36可以可操作地经由无线连接或有线连接与控制室38相连。诸如无线继电器之类的中间设备(未示出)可以可操作地连接在通信电路36与控制室38之间。
在图1中示出的实施例中，工业过程变送器22包括可选开关40，所述可选开关40允许从两个或多个预设选项中手动选择线路噪声频率。
图2是用于工业过程测量系统20的噪声检测电路34的一个实施例的框图。如图2中所示，噪声检测电路34包括电压跟随器50、带通滤波器52、可调谐电压阈值设备54(例如，数字分压器或其它分压器)、比较器56和高通滤波器58。传感器信号60(即如图1中所示，来自传感器26的传感器信号)是电压跟随器50的输入，所述电压跟随器50对传感器信号60进行缓存。将来自电压跟随器50的输出传递至带通滤波器52中以适当滤波，然后传递至比较器56。带通滤波器52可以选择从邻近DC到略大于120Hz的频率范围，以帮助滤除传感器信号的DC分量(比如过程信号)，从而可以对传感器信号60的AC分量(例如噪声)进行分析。将电压参考(Vref)信号62提供给可调谐电压阈值设备54，所述可调谐电压阈值设备54可以根据需要可调节地对Vref信号62进行分压。Vref信号62是相对稳定的电压信号，例如以常规方式在工业过程变送器22内可用的1.225V参考信号。可调谐电压阈值设备54的输出传递至比较器56中。
比较器56将缓冲和滤波的传感器信号60与分压Vref信号62进行比较。来自比较器56的输出经过高通滤波器58以产生中断信号64，其中，高通滤波器58帮助在中断信号64中产生短脉冲。如以下进一步说明，基于可调谐电压阈值设备54的调节，比较器56允许零交叉检测和其它阈值交叉检测。
图3是示出了传感器信号70(在图的顶部)和中断信号72(在图的底部)的电压对时间图。传感器信号70包括实质上的DC过程信号分量，如虚线所示的DC偏移量74，在图3中示出了实质上的DC过程信号分量。如图3中所示，传感器信号70的线路噪声分量典型地是AC，使得传感器信号70具有正弦形状。如上所描述的，工业过程变送器22能够对输入信号70进行滤波以补偿DC偏移量74。当将可调谐电压阈值设备54适当地设置为如上进行操作时，噪声检测电路34可以检测滤波的传感器信号70的零交叉，并且根据滤波的传感器信号70的零交叉生成中断信号72。可以在中断信号72中产生脉冲76A和76B以指示滤波的传感器信号70的正向(positive-going)零交叉。在图3中示出的实施例中，在中断信号72中仅反映出正向零交叉。微处理器32(或其它合适电路)可以通过对中断信号72中脉冲76A与76B之间的时间进行计数来确定线路噪声频率周期P。
图4是示出了传感器信号80(在图的顶部)和中断信号82(在图的底部)的另一电压对时间图。传感器信号包括由如虚线所示DC偏移量84表示的过程信号分量。中断信号82包括脉冲86。相对于传感器信号80示出噪声幅度阈值88。对于特定应用，微处理器32可以在合适电平下选择噪声幅度阈值88的量级。例如，在一个实施例中，噪声幅度阈值88可以是大约1V或更小，而在另一实施例中，噪声幅度阈值88可以是大约100mV或更少。如图4中所示，在噪声检测器电路34对传感器信号80滤波之后，传感器信号80初始地具有小于噪声幅度阈值88的幅度。随着时间的过去，在所示出的实施例中，传感器信号80的线路噪声分量的幅度增大，并且传感器信号在时刻90达到或超过噪声幅度阈值88。在时刻90产生中断信号82中的脉冲86，所述脉冲86指示传感器信号80达到噪声幅度阈值88。
如将更详细地描述一样，在第一时间段92期间，工业过程变送器22可以将A/D转换器28的采样率调节到第一采样率(例如，相对快速的采样率)，当时刻90在中断信号82中产生脉冲86时，第二时间段94可以开始，其中，A/D转换器28的采样率被调节为第二采样率(例如，相对低的采样率)。一般来说，这允许工业过程变送器22在第一时间段92期间相对快速地产生更新，允许较快的数据收集和降低的总功率消耗，而没有由于线路噪声引起的测量精度的任何显著降低。在低幅度处，传感器信号80的线路噪声分量具有忽略不计的负面影响。在第二时间段94，尽管更新在一定程度上较慢，但是第二采样率允许对线路噪声进行较好的滤波。这种调节过程当传感器信号80的线路噪声分量达到噪声幅度阈值时，允许仅在有限环境中将更新放慢，但是另外允许以相对低的功率消耗快速地实现更新。
图5是示出了线路噪声控制方法的流程图。首先，在期望的位置安装工业过程变送器22以感测工业过程24(步骤100)。然后传感器26产生传感器信号(步骤102)。线路噪声检测电路34可以根据传感器信号检测线路噪声零交叉(步骤104)。产生根据检测到的线路噪声零交叉产生中断信号(步骤106)。根据中断信号，(例如，在控制室38或在变送器22的显示器处)可以选择性地提供指示(步骤108)，例如在使用包括开关40的工业过程变送器22实现的实施例中。
接下来，对A/D转换器28进行调节以根据中断信号调节采样率(步骤110)。这个步骤可以包括将A/D转换器28的采样率选作线路噪声频率周期P的倍数。作为调节结果采样率可以增大或减小。此外，这个步骤可以包括对A/D转换器28的西格玛德尔塔抽取滤波器30进行相应的调节，以对应于线路噪声频率周期P。来自微处理器32的命令可以对A/D转换器28和西格玛德尔塔抽取滤波器30的调节进行管理。
一旦完成了对A/D转换器28的调节，工业过程变送器就可以进行对数据的收集(步骤112)。可以执行先前的步骤作为启动或校准程序的一部分，启动或校准程序在步骤100安装工业过程变送器22时执行。尽管在一些实施例中，希望周期性地或间歇性地再次执行步骤104-110，但是不需要再次执行步骤102-110。因此，可以判定对线路噪声进行检查(步骤114)。如果期望线路噪声检查，那么可以以检测线路噪声零交叉的步骤104为开始重复过程。可以由限定时间表来管理这个判定，或者只要线路噪声是问题或期望重新校准时，就可以根据需要执行这个决定。
图6是示出了另一线路噪声控制方法的流程图。可以结合参考图5描述的方法或独立于参考图5描述的方法来实现该另一线路噪声控制方法。如图6中所示，对噪声幅度阈值88进行初始设置(步骤200)。可以由微处理器32来建立噪声幅度阈值88，例如，其中，由微处理器32访问存储值。微处理器32可以命令噪声检测器电路34将可调谐电压阈值设备54调节到与噪声幅度阈值88相关联的期望电压电平。
在对工业过程变送器22进行操作期间，噪声检测器电路34的比较器56将传感器26产生的传感器信号80与噪声幅度阈值88进行比较(步骤202)。确定是否存在阈值交叉(步骤204)，所述阈值交叉可以在中断信号82中反映。如果存在阈值交叉，那么可以调节A/D转换器28(步骤206)。调节A/D转换器可以包括调节采样率以及调节西格玛德尔塔抽取滤波器30的抽取周期。例如，在存在正向阈值交叉的情况下，通过对抽取周期进行相应的调整，可以将A/D转换器28的采样率从第一、较高速率降低到第二、较低速率(例如，根据参考图5描述的方法确定的采样率)。可以根据线路噪声频率周期P确定特定采样率和抽取周期调节。如果传感器信号80在至少完整的线路噪声频率周期P或一些其它指定时间段内下降到噪声幅度阈值以下，即是说，当在给定时间段内没有检测到正向阈值交叉时，那么可以增大采样率(例如，从第二、较慢采样率到第一、较高采样率)。以这种方式，A/D转换器28的采样率可以在给定电流线路噪声条件的情况下尽可能的高，而仅当采样率被指示为相对高的线路噪声级别时，才降低采样率(和相应的更新率)。这允许相对快速地执行对控制室38的更新，同时仅在针对给定更新的相对短的时间段内传感器才消耗功率。在工业过程变送器22进行感测操作期间，可以实质上连续地执行图6的方法，这意味着默认方法可以回到步骤202。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但本领域普通技术人员将认识到，在不背离本发明精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。例如，可以彼此结合或独立地实现本发明的不同方法。此外，可以利用本发明来控制多种信号类型经历的线路噪声，而不仅仅是工业过程测量设置中产生的传感器信号。

Claims (22)

1.一种方法，包括：
感测过程参数以产生包括过程信号和线路噪声分量的传感器信号；
以采样率数字化传感器信号；
检测在传感器信号中的线路噪声零交叉；
根据检测到的线路噪声零交叉来确定线路噪声频率；以及
根据线路噪声频率来调节采样率，以降低线路噪声对数字化传感器信号的影响。
2.如权利要求1所述的方法，其中，根据线路噪声频率来调节采样率的步骤包括：
指示线路噪声的频率；以及
致动手动开关，以根据线路噪声的频率从多个设置选项中选择模数转换器的采样率，使得采样率与线路噪声频率周期的倍数相对应。
3.如权利要求1所述的方法，其中，根据线路噪声频率来调节采样率的步骤包括：
根据线路噪声零交叉来产生中断信号；
将中断信号传输到微处理器；
根据中断信号产生微处理器的模数转换器控制信号；以及
根据模数转换器控制信号来控制采样率。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
调节滤波器的抽取周期，所述滤波器被配置为对传感器信号进行滤波。
5.如权利要求1所述的方法，其中，仅对由中断信号表示的正向零交叉进行分析以确定线路噪声频率。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
建立噪声幅度阈值；
将传感器信号与噪声幅度阈值进行比较；
产生对传感器信号何时与噪声幅度阈值交叉加以指示的中断信号；
当输入信号的幅度大于或等于噪声幅度阈值时，根据中断信号将采样率从第一速率降低到第二速率，其中，第二速率与进行调节以降低线路噪声对数字化传感器信号影响的采样率相对应。
7.如权利要求1所述的方法，其中，检测输入信号中线路噪声零交叉的步骤包括：
将可调谐电压阈值调节为零；以及
将传感器信号与可调谐电压阈值进行比较。
8.如权利要求1所述的方法，其中，调节采样率以降低线路噪声对数字化传感器信号的影响的步骤包括：将采样率调节到线路噪声频率的倍数。
9.如权利要求1所述的方法，其中，传感器信号的过程信号分量实质上是DC电信号。
10.一种线路噪声管理方法，包括：
建立噪声幅度阈值；
感测过程参数以产生包括过程信号和线路噪声分量的传感器信号；
以采样率数字化传感器信号；
将传感器信号与噪声幅度阈值进行比较；
产生对传感器信号何时与噪声幅度阈值交叉加以指示的中断信号；以及
当传感器信号的幅度大于或等于噪声幅度阈值时，根据中断信号降低采样率。
11.如权利要求10所述的方法，还包括：
利用电压跟随器缓存传感器信号；
利用带通滤波器对来自电压跟随器的缓存传感器信号滤波；
提供参考电压；以及
根据参考电压和调谐设置来建立噪声幅度阈值。
12.如权利要求10所述的方法，还包括：
检测传感器信号的线路噪声零交叉；
根据线路噪声零交叉来确定线路噪声频率；以及
根据线路噪声频率来调节采样率，
其中，调节采样率以降低线路噪声对数字化传感器信号的影响。
13.如权利要求12所述的方法，其中，根据线路噪声频率调节采样率的步骤包括：
指示线路噪声的频率；以及
根据线路噪声的频率，致动手动开关，以从多个设置选项中选择针对模数转换器的采样率，使得所述采样率与多个线路噪声频率周期相对应。
14.如权利要求12所述的方法，其中，根据线路噪声频率调解采样率的步骤包括：
产生对传感器信号何时与噪声幅度阈值交叉加以指示的中断信号；
根据中断信号来产生模数转换器控制信号；以及
根据模数转换器控制信号来控制采样率。
15.如权利要求12所述的方法，其中，调节采样率以降低线路噪声对数字化传感器信号的影响包括：将采样率调节到线路噪声频率的倍数。
16.如权利要求12所述的方法，其中，仅分析正向零交叉以确定线路噪声频率。
17.如权利要求12所述的方法，其中，检测传感器信号的线路噪声零交叉的步骤包括：
将可调谐电压阈值调节为零；以及
将传感器信号与可调谐电压阈值进行比较。
18.如权利要求10所述的方法，其中，噪声阈值是固定值。
19.一种工业过程变送器组件，包括：
传感器，用于感测过程参数，并且根据过程参数来产生传感器信号；
具有滤波器电路的模数转换器，其中，所述模数转换器被配置为，接收传感器信号，并且以采样率产生数字化传感器信号；
噪声检测器电路，包括：
电压跟随器，被配置为接收传感器信号；
带通滤波器，可操作地与电压跟随器相连；
可调谐电压阈值输入；以及
比较器，可操作地与带通滤波器和可调谐电压阈值输入相连，并且被配置为根据传感器信号来产生中断信号；以及
微处理器，可操作地与模数转换器和噪声检测器电路相连，其中，微处理器被配置为根据中断信号来控制模数转换器，并且基于数字化传感器信号产生输出信号。
20.如权利要求19所述的组件，噪声检测器电路还包括：
高通滤波器，可操作地与比较器相连。
21.如权利要求19所述的组件，模数转换器的滤波器包括西格玛德尔塔抽取滤波器。
22.如权利要求19所述的组件，其中，传感器是温度传感器。
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