CN106066641A - 现场仪器 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个方式的现场仪器具有：传感器；A/D转换器，其连续执行将从所述传感器输出的检测信号转换为数字信号的转换处理；以及运算部，其将所述数字信号转换为过程值，该运算部在从对所述检测信号的采样区间进行规定的定时信号的开始时刻起以所述A/D转换器的转换处理所需的处理时间延迟后的第1时刻，开始读取从所述A/D转换器输出的数字信号，在从所述定时信号的结束时刻起以所述处理时间延迟后的第2时刻，结束读取从所述A/D转换器输出的数字信号。

Description

现场仪器
技术领域
本发明涉及一种现场仪器。
本申请针对2015年4月24日申请的日本特许申请第2015-089313号要求优先权，并在这里引用其内容。
背景技术
当前，在车间或工厂等构建有分散控制系统(DCS：DistributedControl System)，实现高级的自动操作，该系统将被称为现场仪器的现场设备与执行它们的控制的控制装置经由通信单元进行连接。在这样的分散控制系统中使用的现场仪器被大致分为流量计或温度传感器等测定器、和阀设备或致动器设备等操作器。
作为现场仪器的一种的测定器大致具有：传感器，其检测各种状态量(例如流量、温度等)；放大器，其将传感器的检测信号放大；A/D(模拟/数字)转换器，其将放大后的检测信号转换为数字信号；运算部，其将数字信号转换为过程值；以及输出部，其将过程值输出至外部。另外，作为现场仪器的一种的操作器基本上执行与控制装置的控制相对应的操作，但有时与测定器相同地具有传感器、A/D转换器。例如，阀设备为了检测阀的实际的开度，有时也具有传感器、A/D转换器。
在专利文献1(日本特开2012-93168号公报)、专利文献2(日本特开2011-33491号公报)、专利文献3(日本特开2010-276470号公报)中，公开了作为现场仪器的一种的电磁流量计的现有例。该电磁流量计例如检测通过对在配管内流过的流体施加磁场所产生的电动势(与流速成正比的电动势)而测定流体的流量。这样的电磁流量计具有将上述的电动势的检测结果转换为过程值(流量)而输出至外部的结构(相当于上述的传感器、放大器、A/D转换器、运算部以及输出部的结构)。
作为设置于现场仪器的A/D转换器的代表，例举逐次比较型的A/D转换器和Σ型的A/D转换器。这些A/D转换器均会发生将模拟型号转换为数字信号的转换处理所需时间量的延迟(群延迟)。因此，可以想到例如在设置于现场仪器的运算部读取由A/D转换器转换后的数字信号时，需要考虑群延迟而执行读取。
逐次比较型的A/D转换器能够对将模拟信号转换为数字信号的区间(以下称为“采样区间”)进行控制，从逐次比较型的A/D转换器仅输出在采样区间内转换后的数字信号。因此，在对逐次比较型的A/D转换器在采样区间内转换后的数字信号进行读取时，无需特意考虑群延迟。然而，Σ型的A/D转换器不能像逐次比较型的A/D转换器那样控制采样区间，从Σ型的A/D转换器连续输出数字信号。因此，为了在从Σ型的A/D转换器连续输出的数字信号之中，仅读取为实现准确的运算所需的数字信号，需要严格地考虑群延迟。
基于这样的理由，在具有如Σ型的A/D转换器那样的A/D转换换器(发生群延迟、不能控制采样区间、连续执行转换处理的A/D转换器)的现场仪器中，有时难以准确地仅读取与一定周期的信号同步转换后的数字信号。例如，在上述的专利文献1～3所公开的电磁流量计中，为了避免微分噪声的影响，与励磁信号(用于向流体施加磁场的信号)同步，仅将从传感器得到的检测信号的特定区间转换为数字信号。然而，在设置于电磁流量计的A/D转换器为Σ型的A/D转换器那样的A/D转换器的情况下，根据上述的理由，有时难以准确地仅取得特定区间的数字信号。
发明内容
本发明的一个方式提供一种现场仪器，该现场仪器即使具有连续执行转换处理的A/D转换器，也能够准确且容易地仅读取与周期性的信号同步转换后的数字信号。
本发明的一个方式的现场仪器可以具有：传感器；A/D转换器，其连续地进行将从所述传感器输出的检测信号转换为数字信号的转换处理；以及运算部，其将所述数字信号转换为过程值，该运算部在从对所述检测信号的采样区间进行规定的定时信号的开始时刻起以所述A/D转换器的转换处理所需的处理时间延迟后的第1时刻，开始读取从所述A/D转换器输出的数字信号，在从所述定时信号的结束时刻起以所述处理时间延迟后的第2时刻，结束读取从所述A/D转换器输出的数字信号。
在上述的现场仪器中，所述运算部可以具有：第1计数器，其对从所述定时信号的开始时刻至结束时刻为止的时间进行计时；以及第2计数器，其对所述处理时间进行计时。
在上述的现场仪器中，所述第1计数器及所述第2计数器可以在所述定时信号的开始时刻分别开始计时。所述运算部可以将所述第2计数器的计时结束的时刻设为所述第1时刻，将从所述第2计数器的计时结束的时刻起经过由所述第1计数器所计数的时间后的时刻设为所述第2时刻。
在上述的现场仪器中，所述定时信号可以准备有多个。所述运算部可以针对每个所述定时信号，独立地执行所述数字信号的读取的开始及结束。
上述的现场仪器可以还具有输出部，该输出部输出由所述运算部转换后的所述过程值。
上述的现场仪器可以为电磁流量计，该电磁流量计检测通过对流体施加磁场所产生的电动势而测定流体的流量。
上述的现场仪器可以还具有放大电路，该放大电路将从所述传感器输出的所述检测信号放大，并输入至所述A/D转换器。
在上述的现场仪器中，所述A/D转换器可以为Σ型的转换器。
在上述的现场仪器中，所述输出部可以具有：传输部，其将从所述运算部输出的所述过程值转换为能够进行传输的信号并传输至外部；以及显示部，其显示从所述运算部输出的所述过程值。
上述的现场仪器可以还具有励磁电路，该励磁电路基于从所述运算部输出的励磁控制信号，生成供给至所述传感器的励磁信号。
在上述的现场仪器中可以为，所述励磁电路的波形形状为矩形，生成极性以固定的周期交替变化的所述励磁信号。
在上述的现场仪器中，所述传感器可以输出与所述励磁信号同步后的所述检测信号。
上述的现场仪器可以还具有时钟部，该时钟部输出所述定时信号。
在上述的现场仪器中，所述时钟部可以输出所述励磁信号的2倍频率的所述定时信号。
在上述的现场仪器中，所述第1计数器可以在所述定时信号的结束时刻停止计时。所述第2计数器可以在所述定时信号的结束时刻继续计时。
在上述的现场仪器中，所述运算部可以对在所述定时信号的结束时刻计时得到的所述第1计数器的值进行保存。
在上述的现场仪器中，所述运算部可以从所述第1时刻起执行所述第1计数器的数值量的数字信号的读取。
在上述的现场仪器中，所述传感器可以具有2个励磁线圈，该励磁线圈被所述励磁信号所励磁，产生对所述流体施加的磁场。
在上述的现场仪器中，所述励磁线圈可以将与正励磁相对应的磁场和与负励磁相对应的磁场交替地施加至所述流体。
在上述的现场仪器中，所述传感器可以还具有2个检测所述电动势的检测电极。
发明的效果
根据本发明的一个方式，运算部在从规定检测信号的采样区间的定时信号的开始时刻起以A/D转换器的转换处理所需的处理时间延迟后的第1时刻，开始读取从A/D转换器输出的数字信号，运算部在从定时信号的结束时刻起以处理时间延迟后的第2时刻，结束读取从A/D转换器输出的数字信号。因此，即使具有连续执行转换处理的A/D转换器，也能够准确且容易地仅读取与周期性的信号同步转换后的数字信号。
附图说明
图1是表示作为本发明的一个实施方式涉及的现场仪器的电磁流量计的要部结构的框图。
图2是用于说明在本发明的一个实施方式中执行的数字数据的读取处理的时序图。
图3是用于说明在本发明的一个实施方式中执行的数字数据的读取处理的时序图。
图4是用于说明在本发明的一个实施方式中执行的数字数据的读取处理的变形例的时序图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的一个实施方式涉及的现场仪器详细地进行说明。以下，为了容易理解，作为现场仪器而举例说明电磁流量计，该电磁流量计测定在配管内流过的流体的流量。但是，本发明并不限制于这样的电磁流量计，能够适用于任意的现场仪器(测定器及操作器)。
图1是表示作为本发明的一个实施方式涉及的现场仪器的电磁流量计的要部结构的框图。如图1所示，例如，电磁流量计1(现场仪器)具有：检测部10(传感器)、转换部20、传输部30(输出部)、以及显示部40(输出部)。电磁流量计1检测通过对作为测定对象的流体施加磁场所产生的电动势(与流速成正比的电动势)而测定流体的流量，将该测定结果输出至外部。
检测部10安装于测定管P，该测定管P是使作为测定对象的流体流过的配管。检测部10对在测定管P内流过的流体施加磁场，检测由此产生的电动势。例如，该检测部10具有2个励磁线圈11及2个检测电极12。励磁线圈11被配置在测定管P的外侧。励磁线圈11被从转换部20输出的励磁信号S1励磁而产生磁场，该磁场施加于在测定管P内流过的流体。在图1所示的例子中，2个励磁线圈11串联连接，隔着测定管P配置。但是，励磁线圈11的数量也可以为1个或者大于或等于3个，励磁线圈11的配置也能够任意地设定。
检测电极12为了检测电动势而设置，该电动势是对在测定管P内流过的流体施加磁场时产生的。检测电极12在测定管P内以隔着测定管P的中心轴的方式相对地设置。在图1所示的例子中，2个检测电极12相对地设置在测定管P内，以使得相对于励磁线圈11相对的方向成为90度的角度。从检测电极12输出与检测出的电动势相对应的流量信号S2(检测信号)。
例如，转换部20具有：励磁电路21、放大电路22、A/D(模拟/数字)转换器23、运算部24、以及时钟部25。这样的转换部20对检测部10供给励磁信号S1，使用从检测部10得到的流量信号S2对在测定管P内流过的流体的流量进行测定。另外，转换部20将测定结果(流体的流量)输出至传输部30或者显示部40。转换部20由例如DSP(Digital Signal Processor)、门阵列、FPGA(Field—Programmable Gate Array)、MPU(Micro-Processing Unit)等实现。
励磁电路21基于从运算部24输出的励磁控制信号C1，生成应该供给至检测部10的励磁信号S1。例如，励磁电路21以预先规定的励磁频率(例如几～一百几十[Hz])生成极性交替变化的励磁信号S1。如果该励磁信号S1被供给至检测部10，则励磁线圈11的正励磁及负励磁交替进行。励磁电路21使进行正励磁的情况下的励磁信号S1和进行负励磁的情况下的励磁信号S1成为相同的大小。
放大电路22与检测部10的2个检测电极12连接。放大电路22将从检测电极12得到的流量信号S2放大。A/D转换器23执行用于将从放大电路22输出的信号转换为数字数据的转换处理，将所得到的数字数据D1输出至运算部24。该A/D转换器23为例如Σ型的A/DA/D转换器，连续执行从放大电路22输出的信号的转换处理。A/D转换器23会发生群延迟，不能如逐次比较型的A/D转换器那样控制采样区间。
运算部24对励磁电路21输出励磁控制信号C1，对施加于励磁线圈11的励磁信号S1进行控制。另外，运算部24在从A/D转换器23连续输出的数字数据D1之中，取得由从时钟部25输出的定时时钟CK(定时信号)规定的期间的数字数据D1，对在测定管P内流过的流体的流量进行测定。这样，运算部24执行将从A/D转换器23得到的数字数据D1转换为过程值(表示流量的过程值)的处理。
运算部24在从定时时钟CK的开始时刻起以A/D转换器23的转换处理所需时间延迟后的时刻(第1时刻)，开始读取从A/D转换器23输出的数字数据D1。另外，运算部24在从定时时钟CK的结束时刻起以A/D转换器23的转换处理所需时间延迟后的时刻(第2时刻)，结束读取从A/D转换器23输出的数字数据D1。执行这样的读取是因为考虑了A/D转换器23的群延迟。
例如，运算部24具有：计数器CT1(第1计数器)和计数器CT2(第2计数器)，使用这些计数器CT1、CT2执行上述的读取。计数器CT1对从定时时钟CK的开始时刻至结束时刻为止的时间进行计时，计数器CT2对A/D转换器23的转换处理所需时间(已知的时间)进行计时。关于使用计数器CT1、CT2进行的数字数据D1的读取处理的详情进行后述。
时钟部25输出定时时钟CK，该定时时钟CK是对从放大电路22输出的信号的采样区间进行规定的信号。为了容易理解，将定时时钟CK的开始时刻(采样区间的开始时刻)设为定时时钟CK的上升沿，将定时时钟CK的结束时刻(采样区间的结束时刻)设为定时时钟CK的下降沿。
传输部30将从运算部24输出的测定结果(流体的流量)转换为能够进行传输的信号并传输至外部。例如，传输部30将从运算部24输出的测定结果转换为能够以使用4-20mA信号的通信方式进行传输的信号(模拟信号)，并送出至传输线(4～20mA信号的传输所使用的传输线)。显示部40显示从运算部24输出的测定结果。显示部40具有例如液晶显示装置等显示装置。
下面，对由运算部24执行的数字数据D1的读取处理的详情进行说明。图2及图3是用于说明在本发明的一个实施方式中执行的数字数据的读取处理的时序图。在图2中，图示了励磁信号S1、流量信号S2、以及定时时钟CK。另外，在图3中，图示了流量信号S2、数字数据D1、以及定时时钟CK。
如图2所示，励磁信号S1的波形形状呈矩形形状，极性以周期T交替地进行变化。励磁信号S1的1周期内的正极性的期间为T1，负极性的期间为T2。另外，流量信号S2是与励磁信号S1同步的信号，在励磁信号S1的上升沿的定时上升，在励磁信号S1的下降沿的定时下降。如图2所示，流量信号S2在上升沿部分出现上冲，在下降沿部分出现下冲，这是微分噪声。
定时时钟CK是在采样区间的开始时刻(例如时刻t1)上升，在采样区间的结束时刻(例如时刻t2)下降的矩形形状的信号。在图2所示的例子中，为了避免微分噪声的影响，采样区间被设定在励磁信号S1的各周期中的、正极性的区间T1的结束部分和负极性的区间T2的结束部分。即，定时时钟CK的频率被设定为励磁信号S1的频率的2倍的频率。如图2所示，将采样区间的长度(从采样区间的开始时刻至结束时刻为止的长度)设为Ts，将A/D转换器23的群延迟设为Td。
在图2所示的例子中，运算部24在从定时时钟CK的开始时刻即时刻t1起，以A/D转换器23的转换处理所需时间即群延迟Td延迟后的时刻即时刻t3，开始读取从A/D转换器23输出的数字数据D1。另外，运算部24在从时刻t3起经过采样区间的长度Ts后的时刻即时刻t4，结束读取从A/D转换器23输出的数字数据D1。时刻t4也是从定时时钟CK的结束时刻即时刻t2起，以A/D转换器23的转换处理所需时间即群延迟Td延迟后的时刻。
具体的说，运算部24使用计数器CT1、CT2如下所述地执行数字数据D1的读取。如图3所示，如果成为定时时钟CK的开始时刻即时刻t1，则计数器CT1、CT2开始计数。如果成为定时时钟CK的结束时刻即时刻t2，则计数器CT1停止计数，但计数器CT2继续计数。运算部24将在时刻t2停止计数的计数器CT1的计数值Cts进行保存。
如果计数器CT2的计数值成为与上述的群延迟Td相当的值，则计数器CT2停止计数。于是，运算部24开始读取从A/D转换器23输出的数字数据D1。运算部24在每次读取数字数据D1时，对所读取的数字数据D1的数量进行计数。在该计数值成为上述的计数值Cts的时刻(时刻t4)，运算部24结束数字数据D1的读取。
A/D转换器23的采样周期和运算部24的读取周期相同。因此，如果运算部24从时刻t3起读取上述的计数值Cts数量的数字数据D1，则在从A/D转换器23连续输出的数字数据D1之中，能够不过多或过少地取得在图3中的区间Ta所采样到的数字数据D1(图3中的区间Tb的数字数据D1)。
下面，对上述结构的电磁流量计1的动作简单地进行说明。如果动作开始，则从运算部24对励磁电路21输出励磁控制信号C1。然后，从励磁电路21对检测部10输出图2所示的励磁信号S1，由此交替进行励磁线圈11的正励磁及负励磁。如果进行这样的励磁，则会对在测定管P内流过的流体交替地施加与正励磁相对应的磁场和与负励磁相对应的磁场。于是，在测定管P内产生下述电动势，即，该电动势与由励磁线圈11所施加的磁场的大小(磁通密度)和流体的平均流速之积成正比。
在测定管P内产生的电动势分别由2个检测电极12进行检测。从检测电极12输出图2所示的流量信号S2。该流量信号S2由放大电路22放大，由A/D转换器23转换为数字数据D1。由A/D转换器23转换后的数字数据D1依次输出至运算部24，按照使用图2及图3进行了说明的方法被运算部24读取。
如果执行数字数据D1的读取，则在运算部24执行使用数字数据D1求出流体的流量的处理。具体的说，执行下述处理，即，根据数据数字D1求出流体的平均流速，对该平均流速乘以测定管P的截面积而求出流体的流量。表示由运算部24所求出的流量的信息被输出至传输部30而传输至外部，并且被输出显示在显示部40。
如上所述，在本实施方式中，运算部24使用对A/D转换器23的转换处理所需时间进行计时的计数器CT2，开始读取从A/D转换器23输出的数字数据D1。另外，运算部24使用对从定时时钟CK的开始时刻至结束时刻为止的时间进行计时的计数器CT1，结束读取从A/D转换器23输出的数字数据D1。因此，即使具有连续执行转换处理的A/D转换器23，也能够准确且容易地仅读取与定时时钟CK同步转换后的数字信号D1。
在以上说明的实施方式中，对运算部24基于1个定时时钟CK执行数字数据D1的读取的例子进行了说明。然而，也能够基于多个定时时钟执行数字数据D1的读取。但是，需要设置多个计数器CT1、CT2。图4是用于说明在本发明的一个实施方式中执行的数字数据的读取处理的变形例的时序图。在图4中，与图2相同地图示了励磁信号S1、流量信号S2、以及定时时钟CK。
在图4所示的例子中，图示了3个定时时钟CK1～CK3。定时时钟CK1与图2所示的定时时钟CK相同，用于对在励磁信号S1的各周期的、正极性的区间T1的结束部分和负极性的区间T2的结束部分进行采样。定时时钟CK2用于对在励磁信号S1的各周期的、正极性的区间T1的起始部分和负极性的区间T2的起始部分进行采样。定时时钟CK3用于每隔励磁信号S1的1个周期对励磁信号S1的整个1个周期进行采样。
如果运算部24使用定时时钟CK1执行数字数据D1的读取，则在运算部24会读取到微分噪声的影响少的数字数据D1。另外，如果运输部24使用定时时钟CK2执行数字数据D1的读取，则在运算部24会读取到微分噪声的影响大的数字数据D1，能够进行微分噪声的大小的测定。由此，能够检测异常大小的微分噪声而利用于诊断。另外，如果运算部24使用定时时钟CK3执行数字数据D1的读取，则会读取到励磁信号S1的1个周期量的数字数据D1。如此，通过使用多个定时时钟，从而能够独立地读取多个采样区间的数字数据。
以上，对本发明的一个实施方式涉及的现场仪器进行了说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在本发明的范围内能够自由地进行变更。例如，在上述实施方式中，举例说明了电磁流量计，但本发明不仅适用于其他方式的流量计(例如，科式质量流量计)，还能够适用于任意的现场仪器(测定器及操作器)。
另外，在上述实施方式中，说明了在转换部20设置时钟部25并在时钟部25生成对采样区间进行规定的定时时钟CK的例子。然而，也可以省略时钟部25，使用运算器24的定时功能(省略图示)生成定时时钟CK。
另外，在上述实施方式中，为了容易理解，假设A/D转换器23的群延迟固定而进行了说明。然而，A/D转换器23的群延迟与A/D转换器23的种类相对应地存在多种。因此，也可以通过软件或硬件(开关等)设定A/D转换器23的群延迟(由计数器CT2计时的时间)。由此，能够应对各种种类的A/D转换器23。

Claims (20)

1.一种现场仪器，其具有：
传感器；
A/D转换器，其连续地进行将从所述传感器输出的检测信号转换为数字信号的转换处理；以及
运算部，其将所述数字信号转换为过程值，该运算部在从对所述检测信号的采样区间进行规定的定时信号的开始时刻起以所述A/D转换器的转换处理所需的处理时间延迟后的第1时刻，开始读取从所述A/D转换器输出的数字信号，在从所述定时信号的结束时刻起以所述处理时间延迟后的第2时刻，结束读取从所述A/D转换器输出的数字信号。
2.根据权利要求1所述的现场仪器，其中，
所述运算部具有：
第1计数器，其对从所述定时信号的开始时刻至结束时刻为止的时间进行计时；以及
第2计数器，其对所述处理时间进行计时。
3.根据权利要求2所述的现场仪器，其中，
所述第1计数器及所述第2计数器在所述定时信号的开始时刻分别开始计时，
所述运算部将所述第2计数器的计时结束的时刻设为所述第1时刻，将从所述第2计数器的计时结束的时刻起经过由所述第1计数器所计数的时间后的时刻设为所述第2时刻。
4.根据权利要求1所述的现场仪器，其中，
所述定时信号准备有多个，
所述运算部针对每个所述定时信号，独立地执行所述数字信号的读取的开始及结束。
5.根据权利要求1所述的现场仪器，其中，
还具有输出部，该输出部输出由所述运算部转换后的所述过程值。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的现场仪器，其中，
所述的现场仪器为电磁流量计，该电磁流量计检测通过对流体施加磁场所产生的电动势而测定流体的流量。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的现场仪器，其中，
还具有放大电路，该放大电路将从所述传感器输出的所述检测信号放大，并输入至所述A/D转换器。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的现场仪器，其中，
所述A/D转换器为Σ型的转换器。
9.根据权利要求5所述的现场仪器，其中，
所述输出部具有：
传输部，其将从所述运算部输出的所述过程值转换为能够进行传输的信号并传输至外部；以及
显示部，其显示从所述运算部输出的所述过程值。
10.根据权利要求6所述的现场仪器，其中，
还具有励磁电路，该励磁电路基于从所述运算部输出的励磁控制信号，生成供给至所述传感器的励磁信号。
11.根据权利要求10所述的现场仪器，其中，
所述励磁电路的波形形状为矩形，生成极性以固定的周期交替变化的所述励磁信号。
12.根据权利要求11所述的现场仪器，其中，
所述传感器输出与所述励磁信号同步的所述检测信号。
13.根据权利要求10所述的现场仪器，其中，
还具有时钟部，该时钟部输出所述定时信号。
14.根据权利要求13所述的现场仪器，其中，
所述时钟部输出所述励磁信号的2倍频率的所述定时信号。
15.根据权利要求3所述的现场仪器，其中，
所述第1计数器在所述定时信号的结束时刻停止计时，
所述第2计数器在所述定时信号的结束时刻继续计时。
16.根据权利要求15所述的现场仪器，其中，
所述运算部对在所述定时信号的结束时刻计时得到的所述第1计数器的值进行保存。
17.根据权利要求16所述的现场仪器，其中，
所述运算部从所述第1时刻起执行所述第1计数器的数值量的数字信号的读取。
18.根据权利要求10所述的现场仪器，其中，
所述传感器具有2个励磁线圈，该励磁线圈被所述励磁信号励磁，产生施加至所述流体的磁场。
19.根据权利要求18所述的现场仪器，其中，
所述励磁线圈将与正励磁相对应的磁场和与负励磁相对应的磁场交替地施加至所述流体。
20.根据权利要求18所述的现场仪器，其中，
所述传感器还具有2个检测所述电动势的检测电极。
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