CN102410847A - 噪声检测和避免 - Google Patents

Abstract

本发明涉及噪声检测和避免。提供了一种过程变量变送器，包括：传感器驱动控制器，输出用于驱动感测过程变量的传感器的传感器驱动信号。所述传感器驱动控制器改变所述传感器驱动信号的频率以避免出现噪声且可能与传感器信号发生干扰的频率和相关谐波。

Description

噪声检测和避免

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2010年8月11日提交的美国临时专利申请No.61/372,637的优先权，其全部内容并入此处以供参考。

技术领域

本发明涉及在过程控制和监视系统中使用的过程变量变送器。更具体地，本发明涉及检测过程噪声频率并调整传感器控制信号，从而将传感器控制信号频率移动到远离所检测到的噪声频率，以避免过程噪声所引发的错误。

背景技术

过程变量变送器用于在过程控制或监视系统中测量过程参数。基于微处理器的变送器通常包括：传感器；模数转换器，用于将传感器的输出转换成数字形式；微处理器，用于补偿数字化输出；以及输出电路，用于发送补偿后的输出。目前，这种发送通常通过过程控制环路(例如4-20mA控制环路)或以无线方式进行。

由这种系统测量的一个示例参数是经过过程中的管子或管道的导电流体的体积流量。这可以例如使用磁流量计而进行。

一种示例磁流量计包括管道，在管道的横截面的相对侧布置有线圈。线圈由来自变送器的线圈驱动电流通电，并沿着管道的横截面形成磁场。两个电极沿着与磁场垂直的线彼此横跨在管道上。流经管道的流体是导电的。由于导电流体移动经过磁场，因此在由电极检测到的流体中感应了电势或电动势(EMF)。

这些类型的磁流量计通常布置在各种物质被添加至流经管道的、所感测和测量的流体流的过程中。例如，在一些纸处理轧机中，在纸过程中将硅石添加至流经管道的流体。可以使用由可变频率驱动电动机控制的活塞泵将硅石添加至该过程，以控制添加至该过程的硅石的流量。

活塞泵通常使用备选地连接至输入端口和输出端口的一组活塞进行操作。交替地，通过活塞的往复动作，通过入口端口来抽入要用泵抽的物质，然后通过出口端口来用泵抽出该物质。当使用这种类型的泵将物质添加至流经过程中的管道的流体时，该泵可以将与泵的操作速度相对应的压力调制添加至流。该压力调制可以由磁流量计来观察，并可以包含用于驱动磁流量计中的线圈的线圈驱动频率的奇次谐波处的显著能量。这可以导致在测量过程流量的测量输出信号中出现拍频。

当然，由活塞泵引起的周期性噪声的这种类型的引入(与流量测量发生干扰)仅仅是可以与表示测量过程变量的测量输出信号发生干扰的周期性或间歇性噪声的一个示例来源。多种其他噪声源可以造成以类似方式与过程变量的测量发生干扰的噪声。例如，举几个例子，类似类型的噪声可以由造成脉动压力、振动和外部电干扰的来源产生。

发明内容

一种过程变量变送器，包括：传感器驱动控制器，输出用于驱动感测过程变量的传感器的传感器驱动信号。所述传感器驱动控制器改变所述传感器驱动信号的频率，以避免出现噪声且可能与传感器信号发生干扰的频率和相关谐波。

附图说明

图1是与传感器和过程相连的过程变量变送器的简化框图。

图2是磁流量计的一个实施例的简化部分示意图和部分框图。

图3是示意了图1所示的系统的表征传感器驱动信号的操作的流程图。

图4是示意了图1所示的系统的用于检测噪声的操作的一个实施例的流程图。

图5是示意了图1所示的系统的用于修改传感器驱动信号以避免噪声频率的操作的一个实施例的流程图。

具体实施方式

图1是根据一个实施例的变送器10的简化框图。在图1所示的实施例中，变送器10包括模数(A/D)转换器12、处理器14、存储器16、噪声检测器18和线圈驱动控制器20。变送器10被示作与流量传感器22和0个或更多个其他过程变量(PV)传感器24相连。变送器10还被示作与过程控制环路26相连。当然，变送器10可以连接至无线传输连接以代替过程控制环路26，或者除了过程控制环路26还连接至无线传输连接。在一个实施例中，过程控制环路26给变送器10提供功率。处理器14通过过程控制环路26来发送信息，也通过过程控制环路26从其他电路或系统接收信息。作为示例，示意性地，过程控制环路26可以是4-20mA过程控制环路，并可以使用合适的通信协议进行操作。其他示例格式包括Modbus、Profibus或Fieldbus。备选地，过程控制环路26可以被无线连接所替代或者与无线连接一起使用，采用各种无线技术或配置对信息进行无线传输。

示意性地，传感器22和24是从所感测的过程28接收输入的过程变量传感器。示意性地，传感器22是用于感测过程28中的流量的流量传感器，其他PV传感器24可以是多种其他传感器，如感测压力、温度、PH等的传感器。示意性地，传感器22和24向A/D转换器12提供了指示所感测的参数的模拟输出。

传感器22和24可以是由不同频率处的各个传感器驱动信号驱动的传感器。这里讨论的实施例涉及在由传感器22输出的信号和由PV传感器24输出的信号中检测噪声，并改变用于驱动传感器的传感器驱动信号的频率，使得过程中的噪声的频率不与提供给变送器10的传感器信号的测量发生干扰。本说明书将在以下方面描述这一点：控制由线圈驱动控制器20输出的线圈驱动信号的频率以驱动流量传感器22上的线圈。改变线圈驱动频率以使得由过程28以特定频率产生的噪声不与由流量传感器22输出的传感器信号发生干扰。当然，应当认识到，也可以以这种方式控制用于驱动其他传感器24的其他传感器驱动信号的频率，以便提高由这些传感器输出、由变送器10测量的传感器信号的精度。

将关于通过活塞泵的往复运动在系统中引入噪声的示例实施例继续本讨论。这仅是示意性的，并且，也可以应用相同步骤来检测和避免其他噪声源。也就是说，图1示意了过程28示意性地具有由活塞泵32向其添加的物质30。例如，在过程28用于处理纸的情况下，示意性地，要添加至过程28的物质30可以是硅石。当然，许多种不同的过程可以由过程28来表示。在图1所示的具体实施例中，活塞泵32由驱动组件34驱动。例如，驱动组件34可以包括变量驱动控制器36，变量驱动控制器36驱动电动机38，最终驱动活塞泵32以将物质30用泵抽入过程28中。

在图1的虚线框中示出了线圈驱动控制器20和噪声检测器18，以指示它们可以是分离的组件或合并到处理器14内。在这里描述的实施例中，处理器14是具有相关存储器和时钟电路并通过过程控制环路26提供与所感测的参数有关的信息的计算机微处理器。当然，应当注意，处理器14可以包括输入/输出(I/O)电路，或者，可以分离地提供I/O电路，I/O电路通过控制流经环路26的电流，在环路26上以数字格式或者以模拟格式来发送信息。在任何情况下，变送器10通过过程控制环路26来提供与所感测的参数有关的信息。

如上所述，仅作为示例，将图1中的流量传感器22描述为感测流经过程28中的管道的导电流体的流量的磁流量计。图2是与包括流量传感器22在内的磁流量计相连的变送器10的部分示意部分框图。图2示出了变送器10连接至承载电流I和A/C供电线(未示出)的双线4-20mA通信环路。流量传感器22包括流量管子40、一对线圈42和44以及一对电极46和48。变送器10提供负载电流I_L以驱动与流量管子40相邻的线圈42和44。这在流经管子40的流体中产生磁场。沿着与流体中的磁场大体垂直的线将电极46和48安装在流量管子40中，以感测流体流量中感应的EMF。变送器10感测电极46和48之间的EMF，并控制表示所感测的EMF的输出电流I，输出电流I进而与管子40中的流体流量成比例。变送器10可以使用多种不同的模拟或数字通信格式来发送该信息。

在一个实施例中，线圈驱动控制器20包括晶体管桥电路，晶体管桥电路控制产生经过线圈42和44的交流负载电流I_L的恒定电流驱动。处理器14控制线圈驱动控制器20，使得负载电流I_L沿一个方向流经线圈42和44，然后以这里被称作线圈驱动频率的给定频率开启和关断。然后，处理器14控制驱动控制器20以反转负载电流I_L的流，使得负载电流I_L沿相反方向流经线圈42和44，然后以线圈驱动频率开启和关断。流经线圈42和44的电流在管子40中流动的流体中产生磁场，并且，导电流体移动经过管子40在流体流中感应出由电极46和48感测的EMF。A/D转换器12将由电极46和48提供的模拟信号转换为数字值，将数字值提供给处理器14以进行测量。处理器14提供表示所感测的EMF的输出电流I，输出电流I进而与管子40中的流体流量成比例。

再次参照图1，活塞泵32中活塞的往复运动(以便将物质30添加至过程28)可以将压力调制添加至流经管子40的流体流。压力调制与泵32的速度相对应。该压力调制是可以在由电极46和48提供的信号中观察到的，这些信号可以在用于驱动线圈42和44的线圈驱动频率的主频和奇次谐波处包含显著能量。这可以导致在由流量传感器22输出的信号中出现拍频，从而，该拍频可以被合并到由处理器14通过过程控制环路26提供的输出中。因此，由泵32引入的压力调制可以是表示所感测的流经管子40的流体流的流量信号中的差错的来源。

为了避免这种差错，在一个实施例中，处理器14首先控制流量传感器22，以识别由线圈驱动控制器22用于驱动线圈42和44的线圈驱动信号的频率特性。然后，处理器14使用这些特性来检测与线圈驱动频率足够近而导致测量不准确的噪声频率。然后，处理器14控制线圈驱动控制器20，以便以距所检测到的噪声频率足够远的频率来驱动线圈42和44，使得噪声频率不会将差错引入所测量的输出信号中。

图3是变送器10为了首先识别线圈驱动信号的频率特性而进行的操作的一个示意性实施例的流程图。在图3所示的实施例中，处理器14接收线圈驱动信号(或者指示线圈驱动信号的频率的一些代表性信号)。这由图3中的框50指示。

然后，处理器14检测线圈驱动信号的主频和谐波的特性。这由框52指示。在一个实施例中，检测器14检测主频与谐波之比并将比值存储在存储器16中。在图1所示的实施例中，存储器16是变送器10中的非易失性存储器。存储线圈驱动信号的主频和谐波的特性由图3中的框54指示。

一旦已检测并存储了线圈驱动频率的特性，处理器14就可以使用噪声检测器18来检测由流量传感器22提供的流量信号中的噪声。图4是示意了变送器10在检测噪声时的操作的一个实施例的流程图。一旦已识别并存储了线圈驱动信号的特性，处理器14就可以检测作为由电极46和48提供给变送器10的电极信号中的不合适谐波内容的噪声。然后，根据各个实施例，处理器14可以进行多个不同操作之一。在一个实施例中，处理器14间歇地(如周期性地)将线圈驱动频率相移180度。这有效地消除了噪声。这由图4中的框65指示。该周期性相移基本上将由泵拍击引起的低频噪声转换为高频噪声。利用RC滤波器，可以更容易地对高频噪声进行滤波。在一个实施例中，在对线圈驱动频率进行周期性相移的情况下，使用了两秒嵌位RC滤波器。已经看出，峰-峰噪声比对线圈频率未经相移的信号进行的测量小14倍。

在另一实施例中，处理器14监视电极频谱以检测噪声何时接近线圈驱动主频或奇次谐波，然后改变线圈驱动频率，使得线圈驱动频率距噪声频率足够远以避免差错。

在进行该操作时，处理器14首先从电极46和48接收流量信号。这由图4中的框60指示。然后，处理器14控制驱动控制器20，以短暂禁用线圈驱动控制器20，从而检测由与流经管子40的流体流不同的来源所引起的噪声。其他这样的来源包括脉动压力、振动、外部电干扰等。当然，应当注意，在该步骤中，处理器14将检测由活塞泵32的压力调制引入的噪声。禁用线圈驱动和检测噪声分别由图4中的框62和64指示。

然后，处理器14确定框64中检测的噪声频率是否与线圈驱动频率或其谐波太接近从而可能引起不期望的噪声量。在进行该操作时，处理器14访问存储器16中存储的线圈驱动频率和谐波特性，并将它们与所检测到的噪声频率进行比较。确定噪声频率是否与线圈驱动频率或其谐波太接近由图4中的框66指示。在发生实质干扰之前这两个频率可以精确地有多接近将取决于特定应用。这是可以事先或者在运行时确定的，也是可以根据经验来确定的。

如果噪声频率与线圈驱动频率或其谐波不太接近，则处理器14不需要改变线圈驱动频率，而是仅如框69所指示，启用线圈驱动器。然而，如果两者太接近，则处理器14调整线圈驱动控制器20以改变线圈驱动频率，从而避免由于所检测到的噪声而引起的不准确。这由图4中的框67指示。在一个实施例中，调整线圈驱动频率是仅通过改变频率以使其足够远来进行的，避免了来自脉动噪声的谐波，从而防止噪声与所感测的过程变量的测量发生干扰。

尽管图4示出了检测可避免的噪声的一个实施例，但是也可以使用其他实施例。例如，在框62处不是简单地短暂禁用线圈驱动器，而是噪声检测可以是用户命令的测试的一部分。在该实施例中，用户可以简单地请求检测噪声，处理器14可以在更长的时间段内禁用线圈驱动器，在该更长的时间段内可以检测噪声，可选地，可以识别噪声源。当然，在检测噪声时，也可以使用其他变型。

图5是示意了调整线圈驱动以避免由于所检测到的噪声而引起的不准确(在图4的框67中示出)的多个不同实施例的流程图。在图5所示的一个实施例中，处理器14仅调整线圈驱动频率(通过控制线圈驱动控制器20)，使得线圈驱动频率及其谐波与噪声频率足够远以防止噪声与所进行的测量发生干扰。这由图5中的框70指示。

在图5所示的另一实施例中，处理器14可以控制线圈驱动控制器20，使得线圈驱动控制器20在可操作频率的范围内间歇地或随机地改变线圈驱动频率。通过常常改变线圈驱动频率，处理器14确保线圈驱动频率具有干扰频率范围之外的足以维持测量精度的内容。即，如果线圈驱动频率与噪声频率足够远以避免噪声干扰的时间段足够大，那么即使线圈驱动频率可能在较短的时间段内间歇地与噪声频率太接近，噪声仍不会以任何显著的方式与所测量的信号发生干扰。以这种方式随机地或间歇地改变线圈驱动频率由图5中的框72指示。

避免由周期性噪声引起的干扰的另一实施例是：检测脉动的周期(或噪声干扰的周期)，然后将其滤除掉。例如，在图5中，检测器14可以使用噪声检测器18来检测由活塞泵32引起的脉动的周期或者任何其他干扰噪声的周期。这由框74指示。在已检测到干扰噪声的周期之后，处理器14可以仅应用移动平均滤波器来滤除掉脉动(或干扰)噪声。这由框76指示。当然，也可以使用调整线圈驱动器以避免由于所检测到的噪声而引起的不准确的其他方式。

应当理解，尽管本描述主要针对由活塞泵引入流量信号中的噪声而进行，但是可以使用相同的技术，在由传感器(该传感器具有以给定频率驱动传感器的驱动器)感测到的、受到在可检测到的频率处发生干扰的干扰噪声的影响的实质上任何其他过程变量中避免噪声。因此，本描述不应限于仅避免与流量传感器相关联的周期性噪声。

尽管参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (20)

1.一种使用过程变量变送器在运行过程中控制过程变量传感器的方法，所述过程变量传感器感测过程变量，所述方法包括：

将传感器控制信号施加于所述过程变量传感器；

从所述过程变量传感器接收与所述过程变量、所述传感器控制信号和过程中的噪声相关的传感器信号；

调整传感器控制信号的传感器控制信号频率以减小过程中噪声的影响；以及

以调整后的传感器控制信号频率来控制所述过程变量传感器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，调整传感器控制信号频率的步骤包括：

对所述传感器控制信号频率的相位进行周期性相移，以消除噪声。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，周期性相移包括：

将所述传感器控制信号的相位周期性相移180度。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

检测在所述传感器信号中出现噪声的噪声频率；以及

其中，调整传感器控制信号频率的步骤包括：基于所检测到的噪声频率，调整传感器控制信号频率。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

在检测噪声频率之前，检测所述传感器控制信号的频率特性；以及

存储所述频率特性。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

在检测噪声频率之后，将所述噪声频率与所述传感器控制信号的频率特性进行比较。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

如果所述噪声频率与所述传感器控制信号的频率特性足够接近，则调整传感器控制信号频率。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，调整传感器控制信号频率的步骤包括：

调整传感器控制信号频率，使其与所述噪声频率足够远，以避免与所述传感器信号的实质干扰。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，调整传感器控制信号频率的步骤包括：

在期望的频率范围内随机地改变传感器控制信号频率。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，调整传感器控制信号频率的步骤包括：

检测所述噪声频率的周期；以及

将滤波器应用于所述传感器控制信号，以对所述传感器控制信号的分量进行滤波，从而滤除掉以所述噪声频率的周期出现的周期性噪声。

11.根据权利要求4所述的方法，还包括：

在检测噪声频率之前，间歇地禁用所述传感器控制信号，然后检测噪声频率。

12.根据权利要求4所述的方法，还包括：

在检测噪声频率之前，响应于用户请求而禁用所述传感器控制信号，然后，响应于检测噪声频率的用户请求而检测噪声频率。

13.一种过程变量变送器，从过程变量传感器接收传感器信号并使用控制信号来控制传感器，所述过程变量变送器包括：

噪声检测器，在传感器信号中检测具有噪声频率的噪声；

控制器，以控制频率产生控制信号；以及

处理器，与所述噪声检测器和所述控制器相连，被配置为基于噪声频率来调整控制频率。

14.根据权利要求13所述的过程变量变送器，还包括：

频率特性数据存储器，所述处理器识别控制信号的频率特性并将所述频率特性存储在所述频率特性数据存储器中。

15.根据权利要求14所述的过程变量变送器，其中，所述处理器将控制信号的频率特性识别为控制频率与控制频率的谐波之比。

16.根据权利要求13所述的过程变量变送器，其中，所述处理器通过在期望的频率范围内随机地改变控制频率来调整控制频率。

17.根据权利要求13所述的过程变量变送器，其中，所述处理器将控制频率周期性相移180度。

18.一种从磁流量计接收流量信号的过程变量变送器，所述流量信号指示了流经导管的过程流体的流量，所述过程变量变送器包括：

线圈驱动控制器，产生用于以线圈驱动频率来驱动磁流量计上的线圈的线圈驱动信号；

噪声检测器，检测流量信号中具有噪声频率的周期性噪声；以及

处理器，被配置为：间歇地禁用线圈驱动信号以使得噪声检测器能够检测到周期性噪声；将噪声频率与所存储的线圈驱动信号的频率特性进行比较；以及基于该比较来调整线圈驱动频率，从而避免周期性噪声与流量信号的实质干扰。

19.根据权利要求18所述的过程变量变送器，还包括：

频率数据存储器，其中，所述处理器识别线圈驱动信号的频率特性并将所述频率特性存储在所述频率数据存储器中。

20.根据权利要求18所述的过程变量变送器，其中，所述过程变量变送器从附加传感器接收指示其他所感测的过程变量的附加传感器信号，其中，所述噪声检测器检测附加传感器信号中具有噪声频率的周期性噪声，所述处理器基于附加传感器的传感器控制信号的频率特性与在附加传感器信号中检测到的周期性噪声的噪声频率之间的比较，调整用于控制附加传感器信号的传感器控制信号。

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