CN1205771A - 具有采用热噪声在线校准的温度变送器 - Google Patents

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Abstract

一个温度变送器(10)和一个过程控制系统包括一个用来连接到具有与温度有关的电阻温度传感器(16)的传感器输入端(1,2,3,4)。电阻测量电路(20,26,50)连接到传感器输入端(1,2,3,4)并且提供一个与温度有关电阻的电阻输出。模数变换电路(78,88)连接到传感器的输入端(1,2,3,4)并且提供一个与传感器输入端交流信号有关的数字输出。数字信号处理电路(64)隔离交流信号的热噪声成分并且提供一个数字的热噪声输出。温度测量电路基于电阻输出和数字热噪声输出提供一个校准温度输出。输出电路(24)在过程控制环(11)上传送校准温度输出。

Description

具有采用热噪声在线校准的温度变送器
本发明的技术领域
本发明涉及到用于测量过程的温度类型的变送器。尤其是，本发明涉及到一个具有在线校准能力的温度变送器。
例如，温度变送器是用在过程工业中测量过程流体的温度。典型地，温度变送器安装在远距离的场所并且经过一个4-20mA的电流环路连接到一个控制室。温度传感器被安置在过程流体中并且提供一个与过程流体的温度有关的输出。例如，温度传感器可以是一个具有一个温度独立电阻器件的RTD(电阻温度探测器)。该变送器注入电流到RTD中而在RTD两端产生的电压降是用来测量电阻。该电压用一个模拟到数字的变换器变换到数字形式并且提供给一个微处理器。该微处理器变换这个所测的电压到一个温度的数字表示值。基于所用RTD传感器的特殊类型或由操作员执行的周期校准，微处理器可以在该数字电压上执行附加的校准和补偿。该数字温度值在4-20mA的电流环路上传输是由控制室内的控制电路接收。在4-20mA的电流环路上的传输可能通过控制模拟电流大小来表示测量的温度或者通过数字调制信息到环路上。
RTD的电阻与温度之间的关系有助于在整个时间上改变。这些改变能够周期地校准系统的输出以保持温度测量的精度。例如，一个操作员周期地需要去外场校准变送器。该变送器是通过放在已知温度槽中的RTD传感器和监视温度变送器的输出来校准的。温度槽的实际温度和输出温度的差别用来作为一个校准系数并且存储在存储器中为以后微处理器使用。
用于校准一个温度测量器件的另一个技术是公开在由谢泼得(Shepard)等的1993年7月20日公布的美国专利号No．5228780中。标题是双模式自校准电阻／热噪声温度计系统。这个专利描述一种测量热噪声(约翰逊噪声)去校准一个RTD传感器的技术。热噪声描述产生在电阻元件中的以及直接与元件的温度有关的交流(AC)噪声信号。热噪声是在一个原子晶格中由于原子的热噪声错位随机激发的导电电子的结果。这产生一个小的，宽频带的交流电压或电流。为了精确地测量热噪声，该噪声信号必须在一个相对长时间周期累积。这个累积使对一个过程温度的经常、连续的监视热噪声不实际。谢泼得等的参考文献没有直接与一个过程控制变送器一起使用。再者，谢泼得的参考文献使用对于来自源的与热噪声不同噪声的噪声非常敏感及高灵敏的抑制电路。
因此，可以看到该技术缺少一个能够精确在线自校准的温度变送器。
本发明内容
一个用在过程控制系统中的温度变送器包括一个用于连接到温度传感器的一个传感器输入。该温度传感器有一个与温度传感器的温度有关的电阻。连接到传感器输入的电阻测量电路提供一个与温度传感器的电阻有关的温度输出。连接到电阻测量电路的测量电路相应地提供一个与温度传感器的温度有关的温度输出。一个模拟到数字变换电路连接到传感器输入并且提供一个表示温度传感器中交流噪声的数字输出。数字信号处理电路分离交流噪声中的热噪声成分并且提供一个数字热噪声输出。温度测量电路提供一个基于电阻输出和数字热噪声输出的校准温度输出。输出电路在过程控制环上传输该校准温度。在一实施例中，该温度变送器是通过过程控制环路供电。
附图简介：
图1是显示根据本发明的温度变送器的一个简单方框图。
图2是图1中温度变送器的一个详细方框图。
图3一个对应于RTD温度传感器中产生的交流噪声信号频率的功率谱密度图。
最佳实施例的详细描述
图1是一个根据本发明包括热噪声测量电路12连接到控制环路11的变送器10的简单方框图。变送器10被连接到由电流源50提供电流Is驱动的RTD(电阻温度器件)16。直流(DC)电压放大器26跨接在RTD温度传感器16上并且提供一个与RTD16两端电压降以及温度有关的输出给微处理器22。微处理器22变换这个电压到一个为过程控制环11上传输的表示RTD16温度的值。
热噪声测量电路12包括放大产生在RTD16两端的交流电压信号以及向数字信号处理电路64提供输出的交流耦合宽带电压前置放大器60和62。根据本发明数字信号处理(DSP)电路64监视两个噪声信号的交叉功率谱密度(CPSD)并且鉴别噪声的热噪声部分。该热噪声信号提供给微处理器22并且是微处理器22用来校准由直流电压放大器26作的温度测量的非常精确的参考信号。
图2是一个图1所示与RTD传感器16连接以测量温度的温度变送器10的详细方框图。根据本发明，温度变送器10包括热噪声测量电路12。变送器10连接到提供电源给变送器10的过程控制环11而且在这环路上信息被发送和接受。变送器10包括具有用于连接到如RTD温度传感器16的1到4接线端子的端子盒14。图2显示出到RTD16的连接。传感器16对于变送器10既可以是内部的也可以是外部的。变送器10包括由微处理器22控制的通过输入／输出(I／O)电路24连接到控制环11的多路转换器20。多路转换器20切换包括从端子1到4的合适的模拟信号集合给差分放大器26的正与负输入端，放大器连接到高精度模／数(A／D)变换器28。在一实施例中，变换器28具有17比特位精度和每秒14次采样的变换率。存储器30为微处理器22存储指令和信息，微处理器工作在由时钟决定的速度。多路转换器20分别成对连接到差分放大器26的正与负输入端。一个参考电阻RREF38与RTD16以串联形式连接到多路转换器20。
在工作中，变送器10测量传感器16的温度并且在控制环11上传送一个温度表示。变送器10使用下面的方程式计算RTD16的主要温度值： R INRUT = V RINPUT V RREF ( R REFNOM ) 方程式1其中：
RREFNOM=参考电阻欧姆数的标称值电阻，并且／或者存储在存储器30中；
VRINPUT=输入端的电压降；以及
VRREF=RREF两端的电压降。电流源50通过传感器16(端子1和4)和参考电阻38提供电流Is。微处理器22测量在接线端子2和3之间RTD16的电压降(VRINPUT)，以及与MUX20跨接电阻38的电压降。RREFNOM是一个计算常数并且是从存储器30恢复出来的。在一个如这样的四线电阻测量中，因为实际全部电流都在接线端子1和4之间流过，跨过连接接线端子2和3的电压降是大大地忽略了，所以这对测量精度只有较小的影响。RINPUT是用查表或用存储器30中合适的方程式转换到温度的单位。
图2中更详细的显示了热噪声测量电路12。交流耦合宽带电压前置放大器60包括具有通过电阻72负反馈的差分放大器70。放大器70的非反向输入端连接到接线端子盒14的接线端子2。放大器70的反向输入端经过交流分离电容74和开关76连接到接线端子盒14的接线端子3。放大器70的输出端连接到数字信号处理电路64。类似地，放大器62包括具有通过电阻82付反馈的差分放大器80。放大器80的非反向输入端连接到接线端子盒14的接线端子2而反向输入端经过交流分离电容84和开关86连接到接线端子盒14的接线端子3。放大器80的输出提供给数字信号处理电路64。放大器60和62是并行连接。在所提实施例中，放大器60和62由运算放大器组成。
数字信号处理电路64连接到时钟90，它可以工作在与时钟32不同的频率并且该时钟可以由时钟32产生的时钟信号导出。在图2所显示的实施例中，一个交流参考信号是由参考源92产生而差分放大器70和80的反向输入端经过开关76和86分别选择地连接到参考源92。放大器70的输出通过模数变换器78以数字形式提供给数字信号处理电路64。类似地，放大器80的输出通过模数变换器88以数字形式提供给数字信号处理电路。在一实施例中，模数变换器78和88以200KHz或更高的采样速率采样由放大器70和80提供的放大的交流噪声信号。
本发明的一方面包括采用数字信号处理电路去获得和确定在RTD16中产生的热噪声信号。这个热噪声信号趋于具有相对小的幅度并且难以确定和难以从其它可能提供给放大器60和62的噪声分开。
数字信号处理电路64对接收自放大器60和62的噪声信号进行频谱分析。数字信号处理电路64根据熟知的信号处理技术工作。例如，输入信号以离散值形式工作在时间域与／或者频率域。信号处理算法的一种类型是允许电路64工作在Z域的Z变换。在一实施例中，该频谱分析是采用快速傅立叶变换(FFT)执行。快速傅立叶变换是一种已知的用于进行确定交流信号中频率分量的频谱分析的技术。在另一个实施例中，频谱分析是采用小波分析来执行的。小波理论描述在1994年十月D．E．新英格兰的震动与声学杂志，震动的小波分析(Wavelet Analysis ofVibration)的第一部分：理论，116册409页。小波分析的特殊应用和离散小波变换的描述如前所述的1994年十月D．E．新英格兰的震动与声学杂志，震动的小波分析的第二部分：小波图，116册417页。在一实施例中，采用小波分析而不是快速傅立叶分析，因为小波分析在已知频率范围内确定频谱分量能提供更有效的方法和消耗较少的运算时间。
本发明的另一方面包括采用两个分离的由放大器60和62产生的模拟信号噪声。使用这两个信号，数字信号处理电路64计算交叉功率谱密度并且减少热噪声测量上无关联噪声的影响。例如，假设这些所得信号是采用具有1024个采样点和200KHz采样率处理，系统的最高可能总带宽是100KHz。由于各种元件的非理想特性，如抗混叠滤波器，实际的总带宽可能接近50KHz。频率分辨率大约是200Hz。交叉功率谱密度的频谱被分为1024个数据点，它们中的每个都表示约200Hz的带宽。因为该频谱是“折叠”的并且包括负频率，所以交叉功率谱密度将实际包含具有200Hz分辨率的512个唯一的数据点。抗混叠滤波器将有效地切掉一半。这最后的交叉功率谱密度带宽大约是具有200Hz分辨率的256数据点的50KHz。大家应该明白对特殊的执行和环境，其他模块大小、采样速率和处理模块数量的结合可以使用并且可以得出较好的结果。
图3是一个放大器60或62输出功率谱密度对应于频谱的例子。窄带干扰如电磁干扰、颤噪声等将在频谱的平面域引起偏离并且将被数字信号处理电路64忽略。这将减少总带宽到一个较小的网络带宽。该较小的网络带宽是用在交叉功率谱密度测量中。在交叉功率谱密度测量中的峰值是RTD传感器16中热噪声的指示。系统中上升的热噪声信号，如产生在连线或交流耦合放大器60和62的噪声，在交叉功率谱密度测量中将减少到零因为它们是无关联的。在交叉功率谱密度计算中无关联噪声的影响是由较长的求平均次数减少的。出现在交叉功率谱密度测量中的唯一相关联噪声是传感器本身，来自直流电流源和任何电磁干扰颤噪声的一种。因此，在本发明的工作中的改进可以通过减少电流源产生的任何噪声实现。
为了交叉功率谱密度的精确计算，必须知道放大器60和62的增益。这些增益的确定是通过分别利用开关76和86的合适位置连接放大器60和62的反向输入端到交流参考信号源92来完成。用开关76和86连接放大器70和80到参考源92，如果参考源92的值是准确地知道的，放大器60和62的增益也可以确定。
在工作中，微处理器22根据下面方程式利用热噪声周期地确定RTD16的温度： T = KV N C 方程式2其中：T=传感器的温度；
K=波斯曼常数；
C=一个固定电容；以及
VN=热噪声微处理器22计算利用电路12测量的RTD传感器16的温度与利用查表计算值和用上述方程式1算出的RINPUT值之间的差值。这个差值用来校准温度测量。两个温度测量的差值由微处理器22存储或“计入”存储器30中并且将来用于更新由放大器26测量RTD传感器16两端的电压降产生的温度测量值。例如，方程式1的RREFNOM对应于计算差值可以进行调整来补偿传感器16的不准确和漂移。在一实施例中，微处理器22与RTD传感器16在不同的温度花费整个时间存储许多温度差值以发展更全面的和更精确的RTD传感器16特性曲线。这些附加的数据点在补偿和校准上提供改进的精度。
尽管本发明已经参照所提实施例进行了描述，但是那些技术上熟练的人们应该知道能够在形式和细节上做的一些改变并没有脱离本发明的精神和范围。例如，可以使用其它类型的数字信号处理技术。再者，在许多实施例中可以期望用模拟电路执行数字信号处理。

Claims (11)

1．一种过程控制系统中的变送器，其特征在于包括：
一个用来连接具有一个与温度有关电阻的温度传感器的传感器输入端；
连接到传感器输入端具有与温度有关电阻相关的电阻输出端的测量电路；
一个连接到传感器输入端提供一个具有交流噪声成分和热噪声成分放大输出的放大器；
与放大的输出连接提供数字输出的模数变换器；
连接到数字输出用于分离热噪声成分并且提供一个数字化热噪声输出的数字信号处理电路；
连接到电阻测量电路和数字信号处理电路基于电阻输出及数字热噪声输出提供温度校准输出的温度测量电路；以及
用来连接到一个过程控制环并且在该环上传输校准温度输出的输出电路。
2．根据权利要求2所述的变送器，其特征在于包括：
一个连接到传感器输入端提供一个具有交流噪声成分和热噪声成分的放大输出的第二宽带交流耦合放大器；
连接到第二放大器的放大输出端提供一个数字输出给数字信号处理电路的第二模数变换电路。
3．根据权利要求2所述的变送器，其特征在于该数字处理电路基于数字输出计算交叉功率谱密度。
4．根据权利要求1所述的变送器，其特征在于该数号处理电路在数字输出上执行一个快速傅立叶变换。
5．根据权利要求1所述的变送器，其特征在于该数字处理电路在数字输出上执行一个小波变换。
6．根据权利要求1所述的变送器，其特征在于包括一接到过程控制环用来给变送器提供电源的功率源。
7．根据权利要求1所述的变送器，其特征在于：包括连接到温度测量电路存储与电阻输出和数字噪声输出的比较有关的校准值的存储器。
8．根据权利要求1所述的变送器，其特征在于该输出传送一个与数字热噪声输出有关的信号。
9．根据权利要求1所述的变送器，其特征在于包括一个用来校准热噪声输出的参考源。
10．根据权利要求1所述的变送器，其特征在于电阻测量电路包括：
一个与传感器输入端串型连接的电流源；
一个用于跨接到传感器输入端并且提供一个差分输出的差分放大器；和连接到差分放大器提供与传感器电阻有关的数字差分输出变换电路。
11．根据权利要求10所述的变送器，其特征在于包括一个用于连接传感器输入端到差分放大器的多路转换器。
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