CN104251713B - 具有变频时钟电路的过程变量变送器 - Google Patents

具有变频时钟电路的过程变量变送器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种过程变量变送器，在所述过程变量变送器中，使用时钟信号以传感器采样频率对传感器信号进行采样。还以传感器采样频率对干扰进行采样。进行比较以确定在传感器采样频率或传感器采样频率的谐波处的干扰是否超过阈值水平。如果超过阈值水平，则改变时钟信号以调节传感器采样频率使之远离干扰频率。

Description

具有变频时钟电路的过程变量变送器
技术领域
本发明涉及在过程控制和监测系统中使用的过程变量变送器。更具体地，本发明涉及改变时钟频率以除去时钟同步噪声。
背景技术
过程变量变送器用于测量过程控制或监测系统中的过程参数。基于微处理器的变送器通常包括传感器、用于将来自传感器的输出转换成数字形式的模-数转换器、用于补偿数字化输出的微处理器、和用于发送补偿输出的输出电路。当前，这种传送通常经由诸如4-20mA控制回路的过程控制回路或无线地进行。
由这种系统测量的一个示例性参数是通过测量基于电容的差压传感器的电容而感测到的压力。当然，这些类型的压力传感器仅是示例性的并且可以也可以使用其它压力传感器。类似地，压力仅是一个示例性过程变量，并且也可以测量多种其它过程控制参数，例如流量、pH、温度、液面等。因此，虽然相对于压力传感器进行本论述，但是将要认识的是可以相对于其它传感器容易地进行该论述。
过程变量变送器通常受到各种类型的噪声，所述噪声可能会影响测量电路的精度。模-数(A/D)转换器中的显著噪声源是同步噪声。同步噪声是在重复转换中在A/D转换过程中在相同的相对时间出现的噪声。这类干扰的一个示例是由微处理器产生的总线噪声。如果A/D转换器与处理器总线同步，这类噪声可以在A/D转换器输出中产生偏移误差。
各种类型的过程变量变送器要进行电磁相容性(EMC)测试程序，所述测试程序寻找在实施射频(RF)辐射测试中产生的干扰的敏感性。同步噪声是响应于收到这类干扰的过程变量变送器的一种机理。
在这类EMC测试程序中，共模电压噪声相对于变送器的模块壳体被施加到回路接线。这种电压作为壳体与传感器之间的电容偏差而在测量电路显露出来。当A/D转换器对传感器信号进行采样时，A/D转换器还对通过偏离耦合的噪声进行采样，使得在采样频率的谐波处或附近的噪声在基带中被显露出来，并且显露为测量误差。过程变量变送器对这类噪声输入的系统响应以两种不同的类型出现。第一是宽带误差，第二是窄带误差。当干扰在传感器采样频率或谐波处或附近供给到传感器采样电路时产生窄带误差。这在非常低的频率下(接近直流电流或DC)在基带中产生重叠误差。
发明内容
在过程变量变送器中，使用时钟信号以传感器采样频率对传感器信号进行采样。还以传感器采样频率对干扰进行采样。进行比较以确定在传感器采样频率或传感器采样频率的谐波处的干扰是否超过阈值水平。如果超过阈值水平，则改变时钟信号以调节传感器采样频率使之远离干扰频率。
附图说明
图1是显示工业过程控制系统的简图；
图2是更详细地显示图1的变送器的方框图；
图3是显示图1-2中所示的谐波能量检测器和变频时钟电路的整体操作的一个实施例的流程图；
图4是变频时钟电路的一个实施例的方框图；
图5是显示图1的变送器的方框图，其中更详细地显示了A/D转换器；以及
图6显示示出了测试结果的两个频率扫描。
具体实施方式
图1是显示工业过程控制系统5的简化方框图。在图1中，过程管道7输送过程流体。过程变量变送器10连接到过程管道7。变送器10包括过程变量传感器18，在一个实施例中，所述过程变量传感器包括压力传感器。然而，这只是示例性的。变送器10将信息传送到诸如过程控制室6的远程位置。所述传送可以通过诸如2-线控制回路11的过程控制回路。过程控制回路可以基于任何期望的形式，包括例如4-20mA过程控制回路、传输数字通信的过程控制回路、无线过程控制回路等。在图1所示的示例中，过程控制回路11由在控制室6处的电源6A供电。该电力用于给过程变量变送器10提供电力。感测电阻器6B可以用于感测流动通过回路11的电流，尽管其它机构也可以使用。
图2是图1所示的工业过程控制系统5的一部分的方框图，并且变送器10被更加详细地示出。变送器10示意性地包括测量电路22、处理器32、谐波能量检测器34和变频时钟电路52。测量电路22本身示意性地包括采样部件24、模-数(A/D)转换器26和调节部件28(例如，低通滤波器)。谐波能量检测器34本身包括采样部件36、调节部件38、和比较器40。
在图2中，传感器18示意性地为从正在被感测的过程接收输入14的过程变量传感器。输入14示意性地是流动通过管道7(图1所示)的过程流体，并且传感器18示意性地为压力传感器。然而，传感器18可以是不同类型的传感器，例如，用于感测pH、流量、温度等的传感器。传感器18还可以是多个不同类型的压力传感器中的一个。在这些实施例中的任一个中，在变送器10中，传感器18示意性地将指示感测参数的模拟输出信号20提供给测量电路22。
在一个实施例中，信号20接着被提供给采样部件24。采样部件24示意性地以由时钟信号30提供的采样频率对传感器信号20进行采样。采样模拟信号20被提供给A/D转换器26，在所述A/D转换器26处，采样模拟信号20被转换成数字化输出，所述数字化输出被提供给调节部件28并最终提供给处理器32。来自调节部件28的数字化输出示意性地是由传感器18提供的模拟信号20的数字指示。处理器32具有相关联的存储器和时钟电路，并且可以补偿所述数字指示并提供通过过程控制回路11提供关于感测到的参数的信息。应该注意的是处理器24可以包括输入/输出(I/O)电路，或者I/O电路可以被单独提供，所述I/O电路以在回路11上的数字格式或模拟格式传送信息，例如通过控制流过回路11的电流或通过提供模拟输出电压。
如背景技术中所述，与从变送器10的壳体到变送器10中的电路有关的干扰可能会产生窄带误差，尤其在干扰出现在接近时钟信号30的频率的频率(以该频率对传感器信号20进行采样)或其谐波处的情况下会产生窄带误差。因此，在图2所示的实施例中，变送器10还包括谐波能量检测器34。
谐波能量检测器34本身包括采样部件36、调节部件38、和比较器40。采样部件36被连接以接收来自装置壳体(由方框42指示)的干扰信号46，并以通过测量电路22对传感器信号20进行采样的频率相同的频率对干扰信号46进行采样。因此可以看到采样部件36接收提供给采样部件24的相同的时钟信号。采样到的干扰信号46被从采样部件36提供给调节部件38，所述调节部件38可以示意性地放大并过滤或以其它方式调节干扰信号46，并将所述干扰信号46提供给比较器40。在一个实施例中，对于在传感器采样频率的谐波处或附近的频率处的干扰，产生的混叠频率(alias frequency)小于5Hz。调节部件38因此可以是在小于5Hz的频率的情况下仅使干扰通过的低通滤波器。这仅以示例的方式给出，并且还可以是任何其它类型的滤波器或调节电路。当干扰在不会产生大的窄带误差的频率和幅度下时，调节部件38将输出低电压。当干扰处于产生大的窄带误差的频率和幅度时，调节部件38输出高电压电平。
比较器40比较来自调节部件38的输入电压与参考电压。当输入电压超过参考电压时，比较器40给变频时钟电路52产生触发信号。因此，即使干扰非常接近谐波，比较器40也不会触发器时钟电路52，直到干扰还具有开动(trip)比较器40的足够幅度为止。在一个实施例中，如果干扰具有足够的幅度并且处于30Hz的谐波内的干扰频率处，比较器40则将被开动。如果是这样的话，则可能会在变送器10的输出处产生问题。因此，如果比较器40在干扰信号中检测到足够的能量，并且所述干扰信号出现在谐波中的一个附近(例如，谐波中的30Hz的一个的范围内)，则比较器40将触发信号48发送给变频时钟电路52中的锁存器50。当锁存器50被触发信号48致动时，变频时钟电路52示意性地改变时钟信号30的时钟频率以切换到不同的采样频率，所述不同的采样频率至少远离初始传感器采样频率一给定距离。选择两个采样频率之间的距离，使得对于每一个采样频率的敏感度窄带都没有重叠。以示例的方式，假定窄带的近似宽度是20Hz，则当变频时钟电路52改变时钟信号30的频率时，变频时钟电路52将所述时钟信号30的频率改变成使得所述时钟信号30的频率远离时钟信号30的前一个频率50Hz。在具有一些裕量的情况下，这会超过20Hz宽度。这仅是示例性的。
更详细的示例可以是有用的。假定变频时钟电路52仅在两个单独的时钟频率之间进行切换。如果第一频率是460kHz，则时钟信号30的采样频率可以示意性地是23.0kHz(例如，时钟频率除以20)。如果第二频率是462kHz，则采样频率将为23.1kHz(再次，时钟频率除以20)。由于两个采样频率间隔开100Hz，因此所述两个采样频率满足由变频时钟电路52提供的两个采样频率至少间隔开50Hz的准则。
图3是显示在采样干扰和改变用于传感器信号20的采样频率时谐波能量检测器34和变频时钟电路52的整体操作的一个实施例的流程图。首先，采样部件36以传感器采样频率(与用于采样传感器信号20的频率相同)对干扰进行采样。这由图3中的方框60指示。
比较器40接着确定足以接近传感器采样频率(或所述传感器采样频率的谐波)的干扰是否超过阈值水平。这由方框62指示。如果为否，过程返回到方框60，在方框60处，采样部件36持续以与采样部件24对传感器信号20进行采样的频率相同的频率对来自干扰信号46的干扰进行采样。
然而，如果在方框62处比较器40确定传感器采样频率或谐波中的一个处(或附近)的干扰超过阈值水平，则比较器40将触发信号48提供给变频时钟电路52。在图2所示的实施例中，触发器闩锁指示将要改变时钟频率的电路52的锁存器50。变频时钟电路52改变到替换时钟频率，使得信号30当前处于新的传感器采样频率下，并且信号30以新频率被再次提供给采样部件24和采样部件36两者。因此，采样部件36(所述采样部件36对干扰信号46进行采样)再次以与采样部件24(所述采样部件24对传感器信号20进行采样)相同的频率进行采样。改变时钟频率以调节传感器采样频率由图3中的方框64指示。
图4是更详细地显示变频时钟电路52的一个实施例的方框图。图4显示在一个实施例中变频时钟电路52示意性地包括逻辑部件66(所述逻辑部件66可以与锁存器50相同或者是不同的逻辑部件)、电压受控振荡器68，时钟分频电路70、电阻器R1和R2和开关S1。在图4所示的实施例中，变频时钟电路52仅在两个不同的时钟频率之间进行切换。然而，将要认识的是它可以容易地提供在各种不同的时钟频率之间的选择。
在任何情况下，逻辑部件66从谐波能量检测器34接收触发信号48。这指示由信号46反映的干扰足以接近传感器采样频率或谐波中的一个，并超过阈值水平，使得所述干扰在变送器10的输出中产生问题。因此，逻辑部件66将信号提供给开关S1以改变开关S1的状态。如果开关S1当前打开，则开关S1将被关闭。如果开关S1当前关闭，则开关S1将被打开。这改变由电阻器R1和R2提供的电阻网的结构，并因此改变输入到电压受控振荡器68的电压电平。因此，电压受控振荡器68的输出信号74的频率也将改变。即，如果开关S1关闭，则电阻器R2被旁通，并且电压受控振荡器68将以第一频率提供输出信号74。然而，如果开关S1打开，则电阻器R2在电阻网中，并且电压受控振荡器68将以第二频率提供输出信号74，所述第二频率至少距离第一频率一阈值距离。在一个实施例中，阈值距离为大约50Hz，但是所述阈值距离也可以是其它值。
在图4所示的实施例中，变频时钟电路52还包括分频电路70，所述分频电路分配来自电压受控振荡器68的输出信号74以将时钟信号30提供给采样部件24和26(图2所示)。在一个实施例中，分频电路70将来自电压受控振荡器68的输出信号74的频率除以20。然而，所述分频电路可以期望地使所述信号除以其它值，或分频电路70可以被去除。
因此可以看到的是当变频时钟电路52提供时钟30的两个不同可选频率时，所述变频时钟电路52可以容易地被设计成提供3个或更多个不同的频率。由将电阻器和开关简单地添加到图4所示的电阻网，通过提供来自逻辑部件66的多个输出，或通过提供多个逻辑部件(并且例如，谐波能量检测器34中的多个比较器)，还可以提供电压受控振荡器68以从三个或更多个单独的频率中进行选择。这提供可以避免由于多频干扰信号导致的误差的选择方案。
图5是类似于图2所示的变送器的变送器10的方框图，并且类似的部件以类似的方式被编号。然而，图5显示在一个实施例中，A/D转换器26具有不同的放大器80和∑△转换器82。∑△转换器82以示例的方式被显示，并且还可以使用其它转换机构。
图5还显示了传感器18示意性地具有可以分别连接到输入端子88和90的两个导线84和86。在一个实施例中，端子88和90两端的电压指示由传感器18感测到的温度。要注意的是传感器18可以示意性地是具有连接到另外的端子的另外的导线的四导线传感器。或者，另外的传感器可以连接到这些端子，并且多路转接器可以用于选择输入信号以进行测量。然而，为了本示例，继续描述具有分别连接到端子88和90的导线的传感器。
另外，图5显示处理器32示意性地提供到I/O电路92的传感器信号的指示。I/O电路92以回路11上的数字格式或模拟格式通过控制流过回路11的电流传送信息。与感测参数(通过传感器18感测到)有关的信息通过变送器10经由过程控制回路11提供。
可以看到的是变频时钟电路52用于设定系统采样频率，使得施加到系统的外部干扰不会产生显著的输出误差。闭环反馈系统用于控制系统采样频率。谐波能量检测器34使用相同的时钟以相同的系统采样频率对干扰信号进行采样。当干扰中的谐波能量达到在测量的变量中可能会产生显著误差的水平时，谐波能量检测器34将触发信号发送给变频时钟电路52。当变频时钟电路52接收到触发信号48时，所述变频时钟电路将输出频率改变到新频率，所述新频率与前一个频率充分间隔开，使得干扰不再使谐波能量检测器具有有源触发信号48。在一个实施例中，变频时钟电路52在两个间隔开的频率之间切换。然而，频率的数量可以扩大到多于两个以允许可以避免不希望的干扰的概率增加。
图6显示用于基线系统(其中仅使用单个时钟系统采样频率)和修改系统(其中当谐波能量检测器34检测到在传感器采样频率处的不希望的干扰时使用变频时钟电路52改变传感器采样频率)的测试结果的图表。图6显示在非常窄的频率带中出现误差。当运行EMC测试时，在大范围内扫描频率。在误差较大的情况下所述扫描在窄带中仅耗费非常短的时间。然而，在现场应用中，干扰在窄带频率中可能是持久的。因此，误差与时间曲线图可以看到非常缓慢变化的偏移误差，而根本不像窄带误差。
图6显示两个曲线图100和102。曲线图100是基线系统，而曲线图102是具有变时钟频率的系统。在所示的实施例中，传感器采样频率是23.5kHz。在200秒的时窗中从23.44kHz到23.71kHz扫描干扰频率。曲线图100显示示出了+/-1％的跨度的误差带的两条线104和106。最高模拟误差出现在近似23.49kHz频率处，其接近23.5kHz的谐波采样频率。在这种情况下，误差的大小高到足以使4-20mA过程变送器的输出饱和。
对于曲线图102来说在扫描频率范围之前，传感器采样频率为23.5kHz。当谐波能量检测器34以采样频率(或谐波)检测到能量时，变频时钟电路52将采样频率改变到23.7kHz，并且结果显示对于在测试下的装置来说在+/-1％的跨度内的模拟误差大小。与大于百分之五十跨度测量的基线系统相比较，具有变时钟频率的装置在测试下小于百分之一的跨度。这显示了在实施RF装置敏感度的窄带EMC中使误差减少超过50:1。
虽然描述参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员要认识到在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可以在形式和细节上进行改变。

Claims (20)

1.一种过程变量变送器，包括：
壳体；
测量电路，所述测量电路以第一采样频率接收采样时钟信号并以第一采样频率对指示感测到的过程变量的模拟传感器信号进行采样，并将采样到的模拟传感器信号转换成数字信号；
谐波能量检测器，所述谐波能量检测器接收采样时钟信号并以第一采样频率对干扰进行采样，并且在所述干扰满足阈值干扰值的情况下产生触发信号，其中所述干扰是在所述壳体和所述过程变量变送器中的工作回路之间的噪声信号；
变频时钟电路，所述变频时钟电路接收所述触发信号，并响应于所述触发信号将采样时钟信号的频率改变成替换采样频率，所述替换采样频率不同于第一采样频率；以及
处理器，所述处理器接收所述数字信号并提供指示感测到的过程变量的输出。
2.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述变频时钟电路被构造成将采样时钟信号的频率改变成替换采样频率，所述替换采样频率与第一采样频率相差阈值频率量。
3.根据权利要求2所述的过程变量变送器，其中，所述阈值频率量超过对应于第一采样频率的敏感度窄带。
4.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述谐波能量检测器被构造成确定采样到的干扰在第一采样频率或第一采样频率的谐波的阈值距离内的频率处是否满足所述阈值干扰值。
5.根据权利要求4所述的过程变量变送器，其中，所述谐波能量检测器还包括：
比较器，在采样到的干扰具有在第一采样频率的谐波的敏感度窄带内的阈值能量水平的情况下，所述比较器产生所述触发信号。
6.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述变频时钟电路被构造成响应于所述触发信号将采样时钟信号的频率改变成多个替换采样频率中的一个。
7.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，变频时钟电路包括：
电压受控振荡器，所述电压受控振荡器接收电压输入信号并提供作为电压输入信号的函数的振荡器输出信号，所述采样时钟信号由振荡器输出信号产生；
具有一组开关的电阻网，所述一组开关构造成控制电压输入信号的值；以及
逻辑电路，所述逻辑电路接收触发信号并控制所述一组开关以改变电压输入信号。
8.根据权利要求1所述的过程变量变送器，还包括：
输入/输出电路，输入/输出电路从处理器接收所述输出并控制用于提供感测到的过程变量的指示的回路。
9.根据权利要求8所述的过程变量变送器，其中，所述回路包括4-20mA过程控制回路。
10.一种控制过程变量变送器的方法，包括以下步骤：
以第一传感器采样频率对指示感测到的过程变量的模拟传感器信号进行采样；
将采样到的传感器信号转换成数字值；
在过程控制回路上提供指示所述数字值的输出；
以第一传感器采样频率对干扰进行采样，所述过程变量变送器包括壳体，所述干扰是在所述壳体和所述过程变量变送器中的工作回路之间的噪声信号；
响应于确定采样到的干扰满足阈值干扰值，将第一传感器采样频率改变成替换传感器采样频率，所述替换传感器采样频率不同于第一传感器采样频率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述将第一传感器采样频率改变成替换传感器采样频率的步骤包括：
确定采样到的干扰在第一传感器采样频率或第一传感器采样频率的谐波的阈值范围内的频率处是否超过阈值干扰值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述阈值范围包括对应于第一传感器采样频率的敏感度带。
13.根据权利要求11所述的方法，其中改变第一传感器采样频率的步骤包括：
将第一传感器采样频率改变成替换传感器采样频率，所述替换传感器采样频率至少是距离第一传感器采样频率的最小距离并且超过所述阈值范围。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述最小距离包括所述阈值范围加上一裕量。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，改变第一传感器采样频率的步骤包括：
将第一传感器采样频率改变成多个替换传感器采样频率中的一个。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，在过程控制回路上提供输出的步骤包括：
在4-20mA过程控制回路上提供输出。
17.一种过程变量变送器，包括：
壳体；
采样部件，所述采样部件接收采样时钟信号并以第一采样时钟频率对模拟传感器信号进行采样；
模数转换器，所述模数转换器连接到采样部件，并将采样到的模拟传感器信号转换成数字值；
处理器，所述处理器提供指示所述数字值的输出信号；
干扰检测器，所述干扰检测器检测干扰信号中的干扰是否在输出信号中产生窄带误差，并响应地提供干扰检测器输出信号，其中所述干扰是在所述壳体和所述过程变量变送器中的工作回路之间的噪声信号；以及
变频时钟电路，所述变频时钟电路接收干扰检测器输出信号，并响应地将第一采样时钟频率改变成替换采样时钟频率。
18.根据权利要求17所述的过程变量变送器，其中，所述变频时钟电路将第一采样时钟频率改变成多个不同的替换采样时钟频率中的一个。
19.根据权利要求17所述的过程变量变送器，其中，所述干扰检测器包括：
干扰采样部件，并且其中干扰检测器通过使用干扰采样部件、以与采样部件对模拟传感器信号进行采样的频率相同的频率对干扰信号进行采样，来检测所述干扰是否产生窄带误差。
20.根据权利要求19所述的过程变量变送器，其中，所述干扰采样部件使用采样时钟信号对干扰信号进行采样。
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