CN104460575A - 归一化过程动态 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种传感系统，包括滤波器构造模块，其构造用于对表示过程变量的传感器值进行滤波的高通滤波器，滤波器构造模块基于表示产生所述传感器值的传感器的温度的温度值设置滤波器的参数的值。

Description

归一化过程动态

背景技术

在过程工厂中，气体和液体被发送通过各种管道和储罐。为了控制工厂的运作，必须监控在工厂的各个部分中的液体和气体的当前状态，以及例如阀和燃烧器之类的受控装置的状态。被监控以确定这些状态的变量统称为过程变量，并且可以包括压力、压差、温度、罐的液位、阀的位置等等。使用产生表示过程变量的电信号的一个或多个传感器来确定这些过程变量。因为过程工厂是动态的，为过程变量产生的电信号也是动态的，而且往往随着时间的推移显著变化。

在过去，滤波已被用于去除或抑制过程信号中的变化。最近，统计过程监控(SPM)已被引入，其中，过程变量的动态被用作过程变量的状态的量度。根据SPM，过程变量信号的中值或平均值可以被确定为代表过程变量本身，而标准偏差或变量系数可以计算出来，以提供过程变量的动态性质的量度。

有些过程变量具有正常变化量或正常标准偏差。当标准偏差增加高于或明显低于标准偏差的正常量时，这可以表示在过程工厂的一部分中的异常情况。例如，如果压差传感器的标准偏差下降，这可以表示堵塞的脉冲管线。

一般是由现场设备内的电子元件，例如定位在过程环境内的传感器、变送器和阀控制器，确定统称为SPM数据的统计值。这些现场设备可以被配置为在SPM的数据超过表示异常操作的阈值时产生警报。这些警报被发送到主机系统，主机系统可以使警报对于操作者可见。可代替地，现场设备可以通过数字通信协议发送SPM数据到主机系统。主机系统可以被配置为当SPM数据跨过多个阈值时产生警报。此外，可以在主机系统处对SPM数据上进行多变量统计分析。

发明内容

一种过程现场设备，包括提供表示过程变量的信号的传感器和提供表示该传感器的温度的信号的温度传感器。转换器电路用于将传感器信号转换成传感器值和将温度传感器信号转换成温度值。处理器实现对传感器值进行滤波以生成滤波传感器值，并执行从滤波传感器值计算统计值的统计过程监控指令，其中数字滤波器是随温度变化的，使得该滤波器随着温度值变化而变化。

一种传感系统包括构造滤波器的滤波器构造模块，所述滤波器用于对表示过程变量的传感器值进行滤波，滤波器构造模块基于温度值设定用于滤波器的参数的值，所述温度值表示传感器的产生所述传感器值的温度。

在进一步的实施例中，控制系统包括随温度变化的滤波器，该响应于温度值对一系列传感器值进行滤波以产生滤波后的值。控制系统进一步包括统计过程监控单元，该统计过程监控单元从所述滤波后的值确定统计值，并且在统计值超过阈值时发出警报。

在一种方法中，调整用于随温度变化的滤波器参数的系数。接收传感器信号和温度信号，并且使用随温度变化的滤波器参数和温度信号构造滤波器。将传感器信号应用到滤波器以产生滤波信号，并且从滤波信号产生统计值。当统计值超过阈值时警报被激活。

附图说明

图1是过程工厂的框图。

图2是由三个变送器产生的原始压差传感器信号的曲线图。

图3是图2的压差信号的标准偏差的曲线图。

图4针对压差传感器的各种温度提供作为频率的函数的标准偏差的曲线图。

图5在不同温度处针对已经由高通差分滤波器滤波的压差信号提供作为频率的函数的标准偏差的曲线图。

图6针对压差传感器的操作范围的集合提供作为频率的函数的标准偏差的曲线图。

图7针对由高通差分滤波器滤波的压差传感器信号的操作范围的集合提供作为频率的函数的标准偏差的曲线图。

图8是在现场设备和工作站中用于实现各种实施例的电路元件的框图。

图9是用于实现各种实施例的软件元件的框图。

图10是构造和使用高通滤波器的方法的流程图。

图11是用于压差信号的标准偏差的目标频率响应的曲线图。

图12是用于压差信号的标准偏差的第二目标频率响应的曲线图。

图13提供作为温度的函数的滤波器参数b₀的曲线图。

图14提供作为温度的函数的滤波器参数b₁的曲线图。

图15提供作为温度的函数的滤波器参数b₂的曲线图。

具体实施方式

图1图示用于描述一个方式的目的的过程工厂的一部分50，在所述方式中，可以由与异常情况预防系统35相关联的部件执行统计数据收集和处理以及在一些情况下进行异常情况检测。该异常情况预防系统包括配置和数据采集应用程序38、可以包括统计数据收集和处理模块的观看或界面应用程序40、以及规则引擎开发和执行应用程序42。情况预防系统35还存储统计过程监控数据库43，统计过程监控数据库43存储从各种过程参数生成的统计数据。

在图1中图示的过程工厂的该部分50包括分布式过程控制系统54，分布式过程控制系统54具有通过输入／输出(I／O)卡或设备68和70连接到一个或多个现场设备64和66的一个或多个过程控制器60，所述输入／输出(I／O)卡或设备68和70可以是符合任何所需的通信或控制器协议的任何期望类型的I／O设备。现场设备64被图示为HART现场设备，并且现场设备66图示为Fieldbus现场设备，虽然这些现场设备可以使用任何其他期望的通信协议，并且例如可以通过诸如以太网、光纤和无线之类的有线或无线通信结构进行通信。此外，例如，现场设备64和66可以是任何类型的设备，如传感器、阀、变送器、定位器等，并且可以符合任何期望的开放的、专有的或其他通信或编程协议，可以理解，I／O设备68和70必须与由现场设备64和66所使用的目标协议兼容。

在任何情况下，可以由诸如配置工程师、过程控制操作者、维护人员、工厂管理者、监督者等工厂人员访问的一个或多个用户界面或计算机72和74(其可以是任何类型的个人计算机、工作站等)通过线路或总线76被连接到过程控制器60，可以使用任何期望的硬连线或无线通信结构来实现通信，并且例如使用诸如以太网协议的任何期望的或合适的通信协议。此外，数据库78可以连接到通信总线76以作为数据记录系统运行，该数据记录系统收集并存储配置信息以及在线过程变量数据、参数数据、状态数据和与在过程工厂10中的过程控制器60和现场设备64和66相关联的其它数据。因此，数据库78可以作为配置数据库运行以存储当前配置，包括过程配置模块，以及如被下载并被存储在过程控制器60以及现场设备64和66内的用于在过程控制系统54的控制配置信息。同样地，数据库78可以存储历史异常情况预防数据，包括由在过程工厂内的现场设备64和66收集和／或产生的统计数据或从由现场设备64和66收集的过程变量确定的统计数据。

虽然过程控制器60、I／O设备68和70以及现场设备64和66通常定位在有时恶劣的工厂环境内并且分布在有时恶劣的整个工厂环境中，但工作站72和74以及数据库78通常定位在方便操作者、维修人员等访问的控制室、维修室或其他较少恶劣的环境下。

一般来说，过程控制器60存储并执行使用多个不同的、独立地执行的控制模块或部件实现控制策略的一个或多个控制器应用程序。每个控制模块可以由通常称为函数块的模块构成，其中每个函数块是整个控制程序的一部分或子程序，并且与其他函数块一起操作(通过称为链路的通信)，以在过程工厂内实现过程控制回路。如众所周知的那样，函数块(其可以是在面向对象的编程协议中的对象)，典型地执行如与变送器、传感器或其他过程参数测量装置相关联的输入功能、如与执行PID、模糊逻辑等控制相关联的控制功能、或控制诸如阀之类的一些设备的操作以在过程工厂内执行某些物理功能的输出功能中的一个。当然，存在混合的和其他类型的复杂函数块，如模块预测控制器(MPC)、优化器等。可以理解的是，虽然Fieldbus协议和Delta^TM系统协议使用被以面向对象的编程协议设计和实施的控制模块和函数块，但控制模块可以使用任何期望的控制编程方案设计，包括例如，顺序函数块、梯形逻辑等，并且不仅限于被设计成使用函数块或任何其他特定编程技术设计。

如图1所示，维护工作站74包括处理器74A、存储器74B和显示装置74C。存储器74B以如下方式存储异常情况预防应用程序38，40和42：这些应用程序可以在处理器74A中被执行以通过显示屏74C(或任何其它显示装置，例如打印机)将信息提供给用户。

另外，如图1所示，一些现场设备64和66(并且可能是全部)包括数据收集和处理部件80和82。同时，部件80和82关于图1被描述为超前诊断部件(ADBS)，该超前诊断部件是可以添加到现场总线设备以收集和过程在现场总线设备中的过程统计数据的Foundation Fieldbus功能部件，为了本讨论的目的，部件80和82可以是或可以包括任何其他类型的部件或定位在过程装置内的模块，其收集设备数据并计算或确定用于该数据的一个或多个统计测量值或参数，无论这些部件是否定位在Foundation Fieldbus设备中或符合Fieldbus协议。虽然图1的部件80和82被图示为定位在一个设备64中和一个设备66中，但这些或类似的模块可以定位在任意数量的现场设备64和66中，可以定位在诸如控制器60、I／O设备68，70之类的其它设备中，定位在位于工厂内并且与多个传感器或变送器通信以及与控制器60通信的中间设备中，或者定位在工作站72或74中。此外，部件80和82可以位于设备64和66的任意子集中。

一般来说，部件80和82或这些部件的子元件收集诸如过程变量数据之类的数据，并且对该数据进行统计处理或分析。例如，部件80包括一组四个统计过程监控(SPM)部件或单元SPM1-SPM4，其可以收集过程变量或其它数据并且对所收集的数据执行一个或多个统计计算以确定，例如，所收集的数据的均值、中值、标准偏差、均方根(RMS)、变化速度、范围、最小值和最大值等，和／或检测收集到的数据中的诸如偏移、偏置、噪音、尖峰等事件。所生成的具体的统计数据或者生产数据的方法都不是至关重要的。因此，可以额外地或代替地产生以上描述的特定类型的不同类型的统计数据。此外，各种技术，包括公知的技术，可以用来产生这样的数据。术语统计过程监控(SPM)部件在本文中用于描述对至少一个过程变量或其他过程参数执行统计过程监控的功能性，并且可以通过在该设备内或者甚至在为其收集数据的设备外的任何期望的软件、固件或硬件来执行。

作为另一个例子，图1中的被图示为与变送器82相关的部件82，包括一组四个SPM部件或单元SPM1-SPM4，SPM部件或单元SPM1-SPM4可以收集变送器内的过程变量或其它数据，并且对所收集的数据执行一个或多个统计计算，例如用于确定所收集的数据的平均值、中值、标准偏差等。虽然部件80和82中的每一个被示为包括4个SPM部件，但在这些部件80和82中可以具有任何其他数量的用于收集数据和确定与该数据相关的统计测量值的SPM部件。虽然本文所讨论的SPM部件可以是已知的Foundation FieldbusSPM模块，但术语统计过程监控(SPM)部件在本文中用于指示收集数据(如过程变量数据)并且对该数据进行一些统计过程以确定统计测量值，如平均值、标准偏差等的任何类型的部件或元件。因此，这个术语旨在涵盖软件或固件或执行此功能的其他元件，无论这些元件是否是功能块的形式或其他类型的块、程序、例程或元件，无论这些元件是否符合FoundationFieldbus协议或其他一些协议，如PROFIBUS、WORLDFIP、Device-Net(设备-网络)、AS-接口、HART、CAN等协议。

现场设备内的SPM模块的参数可以通过总线或通信网络76和控制器60被提供给诸如工作站74的外部客户端。另外地或代替地，通过部件80和82内的SPM模块所收集或生成的参数等信息例如可以通过通信服务器89提供给工作站74。这种连接可以是无线连接、硬连线连接、间歇性连接(如使用一个或多个手持设备的连接)，或使用任何期望的或合适的通信协议的任何其他期望的通信连接。当然，本文描述的任何通信连接可以使用通信服务器，以将从不同类型设备接收到的数据以共同的或一致的格式整合。

在当前基于SPM的设施中，通过设置用于诸如中值／平均值和标准偏差的各种SPM参数的阈值，设置警报。已经知道，被设置成在不同的检测范围内操作的现场设备应该使用不同的阈值用于其警报极限。在一般情况下，在用于检测过程变量的值的较小的变化的范围内操作的传感器应具有比在较大的范围内操作的传感器小的警报极限。

本发明人进一步发现，为了充分利用SPM的优势，变送器温度、范围和制造过程可变性的影响一己脉冲管线温度的影响应该被最小化。这将在不同操作条件下提供更多可重复的测量值和更好的SPM警报。

图2示出用于三个单独的变送器的原始压差传感器信号的例子。图3示出图2的压差传感器信号中的每一个的标准偏差。如图3所示，在变送器3与变送器1和2之间的标准偏差的变化是在火焰不稳定点300期间相当大，变送器3具有明显低于变送器1和2的峰值304标准偏差峰值302。因此，图3示出在在相同范围内并且在相同的温度处操作的变送器之间存在标准偏差变化。

标准偏差值还受导管或容器内的过程中变化的频率影响。在较高频率处，传感器不能足够快速响应来检测过程变量中的变化，并且作为结果，在较高频率处的过程信号的标准偏差趋于下降。换句话说，标准偏差具有非恒定的频率响应。另外，标准偏差的频率响应随着传感器的温度变化。在一般情况下，在传感器较冷时传感器更慢地响应，导致在所有频率范围内在较低温度处具有较低的标准偏差。

图4提供在压差传感器在一组温度处的标准偏差的频率响应的曲线图。在图4中，频率被显示沿着水平轴线400并且压差的标准偏差被显示沿着垂直轴线402。频率响应曲线404，406，408，410和412分别地表示压差传感器在185°F，130°F，75°F，20°F和-40°F处的标准偏差的频率响应。图4还示出理想标准偏差414，其表示幅值为1的正弦波的标准偏差。这个理想的标准偏差对于全部频率和温度具有0.71的值。

由传感器所产生的标准偏差的频率响应是不希望的，因为其在0Hz处具有明显大的值。因为这一点，如果标准偏差的频率响应被直接使用，在过程中的阶跃变化会触发警报，因为标准偏差对这种阶跃变化会强烈地响应。为了避免这种情况，本领域已经在计算标准偏差之前对传感器信号采用高通滤波器，以使标准偏差的频率响应在0赫兹处为0。

图5提供在不同的温度处的滤波后的传感器信号的标准偏差的曲线图。在图5中，频率沿着水平轴线500被显示，高通滤波后的标准偏差值沿着垂直轴线502被显示。在图5中，曲线504、506、508、510和512分别表示在185、130、75、20和-40华氏度处操作的传感器的滤波信号的标准偏差的频率响应。如从图5可以看出，即使在应用高通滤波器之后，标准偏差的频率响应显著地根据传感器的温度变化。其结果是，难以为其中传感器的温度可能正改变或其中类似的传感器在不同的操作温度下用在处理工厂中的环境中的标准偏差设置警报。

图6和7示出由于压差传感器的操作范围中的变化引起的压差传感器信号的标准偏差的频率响应的变化。在图6中，沿着水平轴线600显示频率和沿着垂直轴线602显示标准偏差。曲线604，606和608分别提供用于在范围0、范围1和范围2处操作的传感器的标准偏差的频率响应。如在图6中可以看到，当在不同的范围内操作时，压差传感器具有显著不同的标准偏差频率响应。图7提供图6的当信号在标准偏差被确定之前由高通差分滤波器滤波时的频率响应的曲线。在图7中，沿着水平轴线700显示频率和沿着垂直轴线702显示标准偏差值。曲线704，706和708提供由分别地在范围0、范围1和范围2处操作的传感器产生的滤波信号的标准偏差的频率响应。如图7所示，滤波信号的标准偏差的频率响应对于在不同范围处操作的压差传感器是明显不同的。

本文描述的实施例提供被设计成用于归一化标准偏差的频率响应以除去由于温度、传感器范围和制造变化性引起的变化的动态高通滤波器。通过归一化标准偏差的频率响应，在此描述的实施例使得能够针对在不同的温度处、在不同范围处操作的传感器和针对被以不同方式制造的传感器设置共同的标准偏差警报阈值。

根据本发明的实施例，图8示出图1的设备64和工作站74的电路。设备64被显示为包括传感器模块232和电路模块234。传感器模块232包括传感器246、模拟电子元件和传感器处理器电子元件。设备电路模块234包括输出电子元件。在传感器模块232中的模拟电子元件包括调节电路252、转换器电路254和铂电阻温度计(PRT)256。传感器处理器电子元件包括传感器微处理器258、存储器260和时钟262。输出电子元件包括输出微处理器264、存储器266以及通信电路268。工作站74包括微处理器270、输入装置272、输出装置274、存储器276、外围设备278和通信接口280。电源222提供电力给工作站74以及通过工作站74提供电力给设备64。

在本实施例中，例如，传感器246传感过程变量，例如静压力、压差、温度、和阀位置。虽然为简单起见，仅仅示出单个传感器，但设备64可以具有多个不同传感器。来自传感器246的模拟输出被发送到放大和调节(如滤波)信号的调节电路252。变换器电路254将由传感器246生成模拟信号转换成可由微处理器258使用的数字信号。如图8所示，转换器电路包括电压-数字(V／D)转换器和电容-数字(C／D)转换器两者。PRT256提供表示邻近传感器246的温度的温度信号给转换器电路254，以便可以针对温度变化对传感器信号进行补偿。微处理器258从转换器电路254接收被数字化并且被调节的传感器信号，包括来自PRT256的数字化温度信号。微处理器258针对传感器具体误差和非线性使用存储在存储器260中的校正常数来补偿和线性化传感器信号。时钟262为微处理器258提供时钟信号。数字化、补偿和校正的传感器信号然后被传送到微处理器264。

微处理器264分析传感器信号来确定过程状态。特别地，存储器266(其可以是非易失性随机存取存储器(NVRM))包括其中存储算法系数的查找表，所述算法系数用于基于检测到的过程变量的幅值确定诸如质量流量之类的过程状态的特定值。此外，诸如承载过程流体的管道的类型和孔直径以及过程流体的粘性和密度之类的硬件参数和过程流体参数通过控制回路218被上传到存储器266。在其它实施例中，涉及硬件参数和流体参数的数据通过用户界面(图8中未表示)被直接输入变送器264。此外，过程流体参数也可以是过程变量的函数，使得各种过程流体参数被存储在查找表中并且基于其它流体参数和检测到的过程变量被选择。

微处理器264使用硬件参数、过程流体参数、检测到的过程变量和算法系数执行运行时计算。运行时计算评估过程条件方程式，以确定过程条件或流体状态，如质量流量。表示计算出的过程条件的过程条件信号和传感器信号使用通信电路268在控制回路218上被发送到工作站74。通信电路268包括电压调节器268A、调制器电路268B、回路电流控制器268C和协议接收器，如4-20mA接收器或收发器268D，以使得变送器电路模块234能够与工作站74的通信接口280进行通信。

NVRAM266还包含用于统计过程监控(SPM)的指令。这些指令与用于生成过程状态的指令被并行执行。SPM指令根据传感器信号计算一个或多个传感器信号的统计值，如平均值／中值、标准偏差等。特别地，并且如下文详述，SPM指令引起微处理器264执行多个步骤，在这些步骤中，高通滤波器被动态地构造，以将期望的频率响应提供至由SPM形成的统计值。根据一些实施例，所构造的高通滤波器补偿在传感器处的温度变化、传感器的由于传感器的范围设定引起的频率响应的变化、和传感器中的制造变化性。

根据一些实施例中，NVRAM266还保持警报阈值，并且微处理器264能够确定何时统计值超过阈值，当这种情况发生时，微处理器使用通信电路268传达警报以及时间标记到工作站74。

代替地或者另外地，由微处理器264所产生的统计值通过通信电路268被发送到工作站74。工作站74可以将统计值存储在存储器276中，并且可以在输出显示器274上显示历史统计值。工作站74的微处理器270可以比较统计值与存储在存储器276中的阈值，并且可以在统计值超过阈值时发出警报。注意，可以通过高于或低于给定阈值而超过阈值。

工作站74通常包括个人计算机，如便携式计算机，其安装在工业过程附近以监控和调节过程变量和工业过程的过程条件。工作站74包括输入装置272，如键盘、鼠标或其他用户界面，使得操作者能够输入过程控制输入到存储器276中。工作站74还包括输出装置274，如显示器，其使得能够从工作站274提取数据。例如打印机或其它常用的设备的外围设备278也可以连接到工作站74，以将数据输入微处理器270和从微处理器270提取数据。工作站74包括通信接口280，其发送数据到微处理器264和从微处理器264接收到数据。工作站74被配置为提供模块234的能力和由传感器246产生的传感器信号的完整的评估和分析。

图9提供软件元件的框图，所述软件元件由微处理器264执行以计算标准偏差并且动态地构造和使用归一化标准偏差的高通滤波器。在图9中，代表由图8的微处理器258提供的数字化传感器值的一系列或连串的传感器测量值900由微处理器264接收并且被应用到高通滤波器902，以产生滤波后的传感器值904。滤波后的传感器值904被应用于标准偏差计算装置906，以产生SPM的标准偏差908。

图10提供了一种方法的流程图，该方法用于动态地构造高通滤波器902，使得标准偏差908的频率响应匹配目标或期望的频率响应。在步骤1000中，传感器频率响应测量单元910确定在多个温度处的传感器频率响应。要做到这一点，传感器频率响应测量单元910首先使用传感器温度控制器912设定传感器温度。在各种实施例中，传感器温度控制器912能够调节传感器的温度。根据一个实施例，传感器温度控制器912能够将传感器设置到五个不同温度处：185°F，130°F，75°F，20°F和-40°F。传感器频率响应测量单元910指示传感器温度控制器912将传感器设置到所述多个温度中的一个处。频率响应测量单元910然后激活换能器914，换能器914例如在由传感器测量的诸如流体的压力或液位之类的流体特征中引起正弦变化。特别地，单元910引起换能器914以特定频率产生正弦变化。响应于由换能器914提供的输入信号所产生的传感器信号然后被设置为测量值900，所述测量值900旁通高通滤波器902而不会被滤波。未经滤波的传感器值被提供给标准偏差计算装置906，标准偏差计算这种906计算未滤波的传感器测量值的标准偏差。未经滤波的传感器测量值的标准偏差然后被提供给传感器频率响应测量单元910。频率响应测量单元910将由换能器914引入的正弦变化的频率的标准偏差值作为传感器的频率响应916的一部分进行存储。

频率响应测量单元910然后指示换能器914改变流体变化的频率并且传感器的所得测量值被再次转换成标准偏差。这个新的标准偏差值然后由频率响应测量单元910存储。以这种方式，频率响应测量单元910能够确定用于多个频率的标准偏差值，并且因而可以确定用于在给定温度处的传感器的标准偏差的频率响应。当在选定的温度处已经确定完整的频率响应时，频率响应测量单元910指示传感器温度控制器912将传感器的温度改变到新的温度值。在新的温度值处，频率响应测量单元910再次指示换能器914以各种不同频率改变流体，以取得在新的温度处的标准偏差的频率响应。通过为每个温度重复这些步骤，频率响应测量单元910产生传感器频率响应916，传感器频率响应916包括传感器在每个选定的温度下的频率响应。

在步骤1002处，目标标准偏差频率响应918由微处理器264检索或计算。根据一个实施例，目标频率响应是由在选定的温度处并且在与现场设备的传感器相同的范围内操作的模型传感器产生的滤波后的传感器信号的标准偏差频率响应，并且由高通差分滤波器滤波。这样的目标频率响应的例子示于图11，其中频率沿着水平轴线1100被显示，通过在选定的温度处的模型传感器产生的滤波传感器信号的标准偏差在垂直轴线1102上被显示。根据一个实施例，所选择的温度为室温。通过构造滤波器使得标准偏差频率响应匹配图11的目标频率响应，能够滤波在不同温度处获取的传感器测量值，从而归一化在所述温度范围内的标准偏差的频率响应。这是通过随着温度变化动态地改变滤波器完成的，使得不考虑传感器温度，实现相同的标准偏差频率响应。

在其它实施例中，目标频率响应是滤波传感器信号的标准偏差频率响应，所述滤波传感器信号由在选定温度处并在与本传感器的范围无关选定范围内操作的模型传感器产生并且通过高通差分滤波器过滤。因为模型传感器在选定范围内操作，模型传感器的范围有时与在现场设备中的传感器的范围不同。通过选择由在选定温度处并在与现场设备中的传感器的范围无关的选定范围内操作的模型传感器产生的目标频率响应，标准偏差的频率响应可以被归一化，以便去除由于现场设备中的传感器的温度和操作范围引起的变化。

在又一个实施例中，目标频率响应可以是由具有恒定的频率响应的模型传感器和诸如高通差分滤波器之类的模型高通滤波器的组合形成的标准偏差频率响应。图12提供了由在所有操作温度处具有恒定的频率响应的模型传感器和高通差分滤波器的组合形成的目标频率响应1200的曲线图。如果使用图12中的目标频率响应，则由于温度、操作范围和频率引起的传感器响应的变化被归一化。

在步骤1004中，滤波器匹配单元922为从目标频率响应和在每个温度处传感器频率响应构造的高通滤波器构造滤波器参数924。因此，滤波器拟合单元922针对每个温度构造单独的高通滤波器。

滤波器拟合单元922通过首先产生滤波器的频率响应将滤波器构造为：

$H(\mathrm{\ω},T)=\frac{D\left(\mathrm{\ω}\right)}{A(\mathrm{\ω},T)}$   方程式1

其中，D(ω)是目标标准偏差的频率响应，A(ω，T)是温度为T处的传感器频率响应，H(ω，T)是所构造的滤波器在温度T处的频率响应。

一旦已经采用上述方程式1确定该滤波器的频率响应，则确定高通滤波器的参数以获得该滤波器的频率响应。根据一个实施例中，高通滤波器被构造为采取下述形式的有限脉冲响应滤波器：

$y_k=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{x}_{k-i}$   方程式2

其中，N是滤波器的阶数，b₀、B₁、B₂、...b_N为滤波器的系数。

在FIR滤波器类别中，存在已知为广义线性相位(GLP)滤波器的滤波器。线性相位特性在数字滤波器常常是希望的，因为它减少例如音频信号中的失真量。存在四种类型的GLP滤波器。GLP类型IV滤波器通常非常适于诊断，因为它在直流电流(0赫兹)处严格地具有0响应，但在是采样频率的一半的奈奎斯特频率处可以被给予任意响应。GLP类型IV滤波器需要产生偶数滤波器系数的奇数阶N。GLP类型IV型滤波器的系数还具有反对称对称，其含义是b_i=-b_N-i。高通差分滤波器

实际上是阶数N=1的很简单的GLP类型IV滤波器。使用启发式方法，本发明人发现，5阶GLP类型IV滤波器在每个不同的温度处都提供了对采用方程式1计算的标准偏差频率响应的良好曲线拟合。

5阶GLP类型IV型滤波器被表示为：

y_k=b_Qx_k+b₁x_k-1+b₂x_k-2-b₂x_k-3-b₁x_k-4-b₀x_k-5  方程式3

其中，y_k是滤波器在x_k、x_k-1、x_k-2、x_k-3、x_k-4和x_k-5处的输出，x_k、x_k-1、x_k-2、x_k-3、x_k-4和x_k-5分别是传感器的测量值，b₀、b₁和b₂分别是高通滤波器的参数。注意，虽然在方程式3中存在六个乘法运算，但只存在三个唯一的系数b₀、b₁和b₂。其结果是，滤波器拟合单元922仅需要在构造滤波器时确定b₀、b₁和b₂的值，以获得通过方程式1计算的标准偏差频率响应。

例如，任何已知的数值数字滤波器的设计算法，如窗口设计、频率采样，加权最小二乘法、等波纹、雷米兹交换、以及Parks-McClellan，可用于识别方程式1中计算的最适合滤波器的值。针对每个温度，在步骤1004处确定的b₀、b₁和b₂的值在步骤1006处作为滤波器参数924被存储。

图13、14和15提供了用于获得在各种温度处的标准偏差的目标频率响应所需要的b₀、b₁和b₂的值的曲线图。在图13、14和15中，沿着水平轴线示出从-1变化到1的归一化温度，其中归一化温度值被计算为：

$t=\frac{T-75}{115}$

                                        方程式4

图13、14和15中的纵轴表示的参数的值。在室温处，b₀和b₁被设置为0，b₂被设置为-0.5。为了实现这一点，所有的参数值偏移用于要求b₀、b₁和b₂在室温处具有这些值的量。通过确保b₀=0，b₁=0，和b₂=-0.5，本文中描述的实施例确保了高通滤波器将作为差分滤波器在室温处操作。

在步骤1008中，参数曲线拟合926将一曲线拟合至图13、14和15中示出的参数值。根据一个实施例，作为归一化温度的函数的三阶曲线根据下述方程式被拟合到每个参数值：

b_i=a_i，0+a_i，1t+a_i，2t²+a_i，3t³，fori=0，1，2  方程式5

其中，t表示归一化温度，A_i，0、Ai，1、A_i，2和Ai，3是滤波器参数曲线的系数，b_i是滤波器参数。

在步骤1010中，根据温度曲线构造系数矩阵以产生系数矩阵928。这样的系数矩阵的一个例子是：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{\mathrm{0,0}}& a_{\mathrm{0,1}}& a_{\mathrm{0,2}}& a_{\mathrm{0,3}}\\ a_{\mathrm{1,0}}& a_{\mathrm{1,1}}& a_{\mathrm{1,2}}& a_{\mathrm{1,3}}\\ a_{\mathrm{2,0}}& a_{\mathrm{2,1}}& a_{\mathrm{2,2}}& a_{\mathrm{2,3}}\end{array}\right]$   方程式6

注意，该系数矩阵不是必要的，但有助于理解和计算滤波器参数。

在已经构造系数矩阵之后，现场设备准备动态地构造随温度变化的高通滤波器，以达到在步骤1002中针对传感器的任何温度选定的目标频率响应。在步骤1012中，表示传感器的由PRT256测得的温度的温度值932被提供给滤波器构造单元930。在步骤1014中，滤波器构造单元930使用方程式4来确定归一化温度。在步骤1016中，滤波器构造单元930使用系数矩阵928和归一化温度来计算滤波器参数b₀、b₁和b₂的值。尤其是，方程式6的系数矩阵乘以下述温度矩阵：

$T-\left[\begin{array}{c}t\\ t^2\\ t^3\end{array}\right]$   方程式7

其中T是温度矩阵，t是归一化温度。

在步骤1018中，滤波器参数被存储为高通滤波器902并被应用到测量值900，测量值900可以被存储在NVRAM266中，或者在从处理器258接收到测量值900时可以由处理器264对测量值900进行处理。测量结果900包括共同代表传感器信号的一系列传感器值。高通滤波器902的输出是滤波信号904，滤波信号904在步骤1020中被应用于标准偏差计算906，以形成具有目标频率响应的标准偏差908。在步骤1022中，标准偏差与警报阈值进行比较，并且如果标准偏差超过报警阈值，则警报被激活。

虽然上文参照标准偏差，但是例如，可以采用其它统计度量，如最大值和最小值，代替标准偏差。

虽然上文使用传感器的温度，但在其它实施例中，也可以代替传感器的温度，使用系统的不同部分的温度。例如，在一些实施例中，连接至传感器的脉冲管线的温度可被用于构造高通滤波器。根据一个特定实施例中，压力传感器定位在阀附近以检测该阀处的汽蚀。在这种实施例中，压力传感器通过脉冲管线连接到该阀。通过测量脉冲管线的温度，高通滤波器可以被构造成补偿脉冲管线中影响根据压力传感器信号产生的SPM数据的温度变化。这是在系统级对变送器进行补偿或在现场设备级进行补偿的示例。

虽然已经参照较佳实施例描述本发明，本领域技术人员将认识到，可以在形式和细节上变化而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.一种过程现场设备，包括：

传感器，该传感器提供表示过程变量的信号；

提供表示该传感器的温度的信号的温度传感器；

转换器电路，用于将传感器信号转换成传感器值和将温度传感器信号转换成温度值；

处理器，实现数字滤波器，所述数字滤波器对传感器值进行滤波以生成滤波传感器值，并且该处理器执行从已被滤波的传感器值计算统计值的统计过程监控指令，其中数字滤波器是随温度变化的，使得该数字滤波器随着温度值变化而变化。

2.根据权利要求1所述的过程现场设备，其中处理器通过将温度值应用于一方程式来构造所述数字滤波器，所述方程式是通过将一曲线与多个参数值相拟合确定的，所述多个参数值是为针对多个温度值而构造的多个滤波器确定的。

3.根据权利要求2所述的过程现场设备，其中针对多个温度值构造的所述多个滤波器中的每一个被构造成用于产生目标频率响应。

4.根据权利要求3所述的过程现场设备，其中目标频率响应包括已被滤波的传感器值的标准偏差的频率响应。

5.根据权利要求3所述的过程现场设备，其中目标频率响应包括与模型传感器相关联的频率响应，所述模型传感器在与传感器不同的范围中并且在选定的温度处操作。

6.根据权利要求3所述的过程现场设备，其中所述目标频率响应包括在所有温度处都具有恒定频率响应的模型传感器的频率响应。

7.一种传感系统，包括：

构造滤波器的滤波器构造模块，所述滤波器用于对表示过程变量的传感器值进行滤波，滤波器构造模块基于温度值设定用于滤波器的参数的值，所述温度值表示产生所述传感器值的传感器的温度。

8.根据权利要求7所述的传感系统，其中滤波器构造模块通过将温度值应用于一方程式来设定用于参数的值，所述方程式是通过将一曲线与多个参数值相拟合确定的，所述多个参数值是为针对多个温度值而构造的多个滤波器确定的。

9.根据权利要求8所述的传感系统，其中针对多个温度值构造的所述多个滤波器中的每一个被构造成用于产生目标频率响应。

10.根据权利要求9所述的传感系统，其中目标频率响应包括已被滤波的传感器信号的标准偏差的频率响应，其中传感器信号由在与传感器相同的范围内并且在选定的温度处操作的模型传感器产生。

11.根据权利要求9所述的传感系统，其中目标频率响应包括已被滤波的传感器信号的标准偏差的频率响应，其中传感器信号由在与传感器不相同的范围内并且在选定的温度处操作的模型传感器产生。

12.根据权利要求9所述的传感系统，其中目标频率响应包括已被滤波的传感器信号的标准偏差的频率响应，其中传感器信号由在全部温度处都具有恒定频率响应的模型传感器产生。

13.一种控制系统，包括：

滤波器，该滤波器对一系列传感器值进行滤波以产生滤波值；和

统计过程监控单元，该统计过程监控单元从所述滤波值确定统计值并且在统计值超过阈值时发出警报，

其中滤波器对传感器值进行滤波以实现统计值的目标频率响应，该目标频率响应匹配从由在选定的范围内操作的传感器所产生的传感器值产生的统计值的频率响应。

14.根据权利要求13所述的控制系统，其中滤波器包括随温度变化的滤波器，所述随温度变化的滤波器是通过将温度值应用到相应的方程式而被构造成的，每个方程式限定该滤波器的单独的参数。

15.根据权利要求14所述的控制系统，其中每个方程式是通过将一曲线与在不同温度处确定的滤波器参数的多个值相拟合而构造成的。

16.根据权利要求13所述的控制系统，其中统计值的目标频率响应进一步匹配从由在选定的温度处操作的传感器产生的传感器值产生的统计值的频率响应。

17.根据权利要求13所述的控制系统，其中统计值的目标频率响应包括至少部分地由在与产生该系列传感器值的传感器不同的范围内操作的传感器产生的频率响应。

18.根据权利要求13所述的控制系统，其中统计值的目标频率响应包括至少部分地由与产生该系列传感器值的传感器不同地制造的传感器产生的频率响应。

19.一种方法，包括下述步骤：

调整用于随温度变化的滤波器参数的系数；

接收传感器信号和温度信号；

使用温度信号和随温度变化的滤波器参数构造滤波器；

应用传感器信号到滤波器以产生滤波信号；

从滤波信号产生统计值；和

在统计值超过阈值时激活警报。

20.根据权利要求19所述的方法，其中调整用于随温度变化的滤波器参数的系数的步骤包括：

选择用于所述统计值的模型频率响应；

针对多个温度中的每一个，选择产生该统计值的匹配该统计值的模块频率响应的频率响应的滤波器参数值；和

对于每一个滤波器参数，将是温度的函数的曲线与多个温度处的滤波器参数的值相拟合，以产生用于滤波器参数的系数。

21.根据权利要求20所述的方法，其中模型频率响应包括至少部分地由在选定的温度处操作的传感器产生的频率响应。

22.根据权利要求21所述的方法，其中传感器在选定的操作范围内操作。

23.根据权利要求20的方法，其中温度信号表示连接到产生传感器信号的传感器的脉冲管线的温度。

24.根据权利要求23所述的方法，其中脉冲管线还被连接在一阀附近，并且传感器检测该阀处的汽蚀。