CN1624729A - 多变量发射机及其计算处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多变量发射机，该多变量发射机具有用多个物理量信号执行计算处理任务的微处理器。所述微处理器在每个计算处理任务中执行从传感器获取数据的处理，并且以时分的方式执行计算处理任务。

Description

多变量发射机及其计算处理方法
技术领域
本发明涉及一种多变量发射机，所述多变量发射机用不同的物理量信号执行各种计算处理任务。
背景技术
与多变量发射机相关的背景技术参考以下文件。
1.美国专利5,495,769
2.美国专利6,529,847
3.1999年11月1日Foxboro InterKama-ISA TECH会议(书面议题)中“新型多变量发射机的高级传感器技术关键”(Advanced Sensor Technology key to NewMultivariable Transmitter)
除此之外，JP-B-H8-10169中也涉及一种谐振型压力传感器的相关背景技术。
一个典型的多变量发射机是这样设计的，从一个处理中检测的两个或两个以上的物理量信号被输入到发射机，用微处理器计算质量流量，这样计算出的质量流量，例如作为一个4～20毫安的模拟电流信号，被输出到两线式发射线。或者，多变量发射机具有与基于协议的通信标准兼容的通信部件，将诸如计算处理结果等数字信息输出到现场总线。
除此之外，如上所述的多变量发射机还从图中未表示的更上一级设备获取信息和数据，包括调谐参数。
图6是表示相关背景技术的多变量发射机例子的功能模块图。
在图6所示的例子中，设置在管道P上的针孔装置K，例如小孔，多变量发射机1检测流体F的上游压力P1和下游压力P2作为物理量并且输出流速信号Fout。
更具体的说，多变量发射机1设置有用于检测上游压力P1和下游压力P2之间压差的压差传感器2以及用于检测真空压力和上游压力P1之间压差的静压传感器3，这个压差被定义为参考压力，其中，用于检测管道P中流体F温度的处理温度传感器4与多变量发射机1相连。
压差传感器2、静压传感器3和处理温度传感器4检测到的信号作为物理量，传导给多变量发射机1，由A/D转换器10、11和12转换为数字信号d1、d2和d3。这些数字信号被提供给第一微处理器13和第二微处理器14进行计算处理。
管道P上针孔装置K前部和后部的压力(上游压力P1和下游压力P2)以及真空压力，通过图6所示的管道P，被传导给两个薄膜传感器，即压差传感器2的压差检测薄膜和静压传感器3的静压检测薄膜。于是一个薄膜(压差检测薄膜)测量压差，另一个薄膜(静压检测薄膜)测量静压。
在上面提到的美国专利5,495,769中，用独立的导管，将针孔装置K前面和后面的压力传导给两个物理上不同的薄膜，即一个容量型压差薄膜和一个应变测量型静压薄膜。
在上面提到的“新型多变量发射机的高级传感器技术关键”(Advanced SensorTechnology key to New Multivariable Transmitter)文件中，薄膜传感器是通过蚀刻硅方法制成的。在该文件的描述中，通过在传感器薄膜的一部分中设置真空腔，这个薄膜传感器实际上有两个薄膜。
更具体地说，这种传感器结构使得上游压力P1和下游压力P2被传导到与压差传感器相对应的薄膜，并且使得上游压力P1和真空腔的真空压力被传导到与静压传感器相对应的薄膜。在该例子中，用应变测量器作为检测设备。
现在回到图6所示的例子，从压差传感器2和静压传感器3获取的压差信号和静压信号，经过A/D转换提供给第一微处理器13。
第一微处理器13接收与来自于压差传感器2和静压传感器3的输出信号相对应的数字信号d1和d2的输入。然后第一微处理器13进行计算处理，输出数字压差信号d4和数字静压信号d5。
第二微处理器14接收数字压差信号d4和数字静压信号d5的输入，以及表示来自于处理温度传感器4的处理温度(流体F的温度)的数字信号d3。然后第二微处理器14进行流速的计算处理，并且输出表示质量流量的数字信号d6。
而且，处理温度传感器4由电阻温度传感器(RTD，Pt100)构成。然后，A/D转换器12生成与电阻温度传感器的电阻值相对应的数字信号d3。而且，第二微处理器14根据电阻值的数字信号d3计算温度值。
具体地说，基于IEC计算公式，第二微处理器14计算初始值，然后执行三次逐次近似方法来计算温度值。按照这个计算方法，在-200℃到850℃的温度范围内，最大误差(温度误差)结果大约为0.023℃。
输出部件15接收表示质量流量的数字信号d6的输入，对数字信号d6进行D/A转换，把这个数字信号变成适合于质量流量范围的流速信号Fout，然后将流速信号Fout传送给两线式传输线或者现场总线。
第三微处理器16是根据给定的通信协议处理多变量发射机1与图中没有表示出来的更上一级设备之间通信的模块。除此之外，第三微处理器16和第二微处理器14相互交换通信数据d7。
然而，以上述方式配置的多变量发射机存在以下问题：
(1)多变量发射机用三个微处理器执行压差计算处理、静压计算处理、流速计算处理和通信处理。于是发射机包括较多的组件，所以昂贵。
(2)由于多变量发射机用单独的微处理器执行压差计算处理、静压计算处理、流速计算处理和通信处理，所以不能进行基于有效使用相互独立信息的处理。
(3)由于多变量发射机用三个微处理器以顺序的方式执行压差计算处理、静压计算处理、流速计算处理和通信处理，所以数据的同时性和响应特性已经差得不可接受了。
(4)由于多变量发射机的结构使得上游压力P1和下游压力P2被传导到压差传感器2，上游压力P1和真空压力被传导到静压传感器3，或者根据不同情况来传导真空腔的真空压力，所以引导管的配置已经多个得不可接受了。
(5)由于压差传感器2和静压传感器3是输出模拟信号的模块，输出信号可能会随诸如温度等环境条件而漂移。此外，必须单独地为压差传感器2和静压传感器3提供A/D转换器10和11，这样将使使用的组件数量增加，导致发射机更加昂贵。
此外，为了计算温度值，需要第二微处理器14执行大量的计算，所以还存在成本变高的问题。
进一步，对于IEC计算公式，即使使用通过回归曲线近似的多项式近似法的情况，计算时间也不能被明显减少，这也是一个问题。
具体地说，当通过六阶回归曲线来近似IEC计算公式时，计算时间可以减少大约一半，但是温度误差大约增加一倍。所以，计算时间的减少是以温度误差增大为代价的。
此外，还要求多变量发射机应该小型化和低耗电。
发明内容
本发明的目的是提供一种多变量发射机，所述多变量发射机减少了所使用的组件数量，从而整体成本降到最低，并且加强了每类计算处理中数据的相互利用率和的同时性，同时可靠性也得到改进。
(1)本发明提供一种多变量发射机，包括：一个单独的微处理器，用多个物理量信号执行多个计算处理任务，其中，微处理器以时分的方式执行多个计算处理任务。
(2)在所述多变量发射机中，计算处理任务包括计算选择处理，所述选择处理选择将要在每个计算周期中执行的处理项目。
(3)在所述多变量发射机中，计算处理任务包括在多个计算周期中被分割和执行的计算处理任务。
(4)在所述多变量发射机中，计算处理任务包括用于计算与被测流体相关的压差值和静压值的计算处理任务。
(5)在所述多变量发射机中，计算处理任务包括基于与被测流体相关的压差值、静压值和温度值的流速计算处理任务。
(6)在所述多变量发射机中，计算处理任务包括通信处理计算任务，所述通信处理计算任务通过通信方式，向更上一级设备传送物理量数据或者计算出的数据，并且从更上一级设备获取各种类型的数据。
(7)在所述多变量发射机中，检测物理量的传感器是谐振型压力传感器，所述谐振型压力传感器有一个单独的压敏薄膜，并且通过计算方式来检测压差和静压。
(8)本发明还提供一种多变量发射机，所述多变量发射机包括：利用多个物理量信号来执行计算处理任务的微处理器，其中，微处理器在每个计算处理任务中执行从传感器获取数据的处理，并且以时分的方式执行计算处理任务。
(9)在所述多变量发射机中，计算处理任务包括：计算选择处理，所述计算选择处理选择将要在每个计算周期中执行的处理项目；以及处理温度值计算处理任务，所述处理温度值计算处理任务在多个计算周期中被分割和执行。
(10)所述多变量发射机进一步包括：表格，所述表格表示对由计算选择处理进行的选择和分割处理功能进行组合的设定。
(11)在所述多变量发射机中，所述传感器是输出第一谐振频率和第二谐振频率的谐振型压力传感器。
(12)所述多变量发射机进一步包括：设置在处理温度环境中的电阻温度传感器；以及存储电阻温度传感器的电阻值以及与电阻值对应的温度值的非易失性数据表格，其中，微处理器通过基于电阻值和数据表格的插补计算来计算温度值。
(13)所述多变量发射机在数据表格中，以一定间隔生成电阻值，并且用线性插补方程式进行插补计算。
(14)本发明还提供一种多变量发射机的计算处理方法，所述多变量发射机利用多个物理量信号执行多个计算处理任务，所述计算处理方法包括以下步骤：设置计算选择开关，所述计算选择开关分配计算选择和分割处理；执行从传感器获取数据的处理；以及在由计算选择开关指示执行计算的情况下，执行分配的处理。
本发明所述的多变量发射机和计算处理方法具有以下优点。
(1)多变量发射机只用一个微处理器执行静压计算处理、流速计算处理和通信处理，此外用典型的发射机执行压差计算处理。从而，可以减少使用组件的数量和降低成本。
(2)多变量发射机只用一个微处理器执行各种类型的处理类型。从而，可以系统地控制各种处理。因此，容易用计算选择开关部件，在最优的时间量中执行各类处理。
更具体地，大量处理时间被分配给重要类型的处理，诸如从传感器获取数据的处理、压差计算处理、静压计算处理、流速计算处理和通信处理，而少量的处理时间分配给不要求快速相应的处理温度计算处理。以这种方法，可以根据需要对微处理器的负载进行分配。从而，可以更有效的方式执行计算处理。
多变量处理器在最优的负载分配下，包括基于分割处理的负载分配，仅用一个微处理器执行压差计算处理、静压计算处理、流速计算处理和通信处理。从而，发射机可提供优异的数据同时性，并且响应特征也得到改进。
(3)多变量发射机被设计成只用一个谐振型压力传感器同时担当压力和压差传感器。因而，可以减少用于传感器的组件数量。此外，从流体传导压力的管道被简化，因此就避免了复杂管道的必要。
谐振型压力传感器输出第一谐振频率信号fc和第二谐振频率信号fr，并且根据这些信号计算压差和静压。从而，不必象现有技术那样，为各个传感器配置单独的A/D转换器了。此外，由于信号不是模拟信号，而是频率信号，所以多变量发射机不易受诸如温度等环境作用的影响，而现有的多变量发射机受到这些环境作用的影响。
附图说明
图1是表示应用本发明的多变量发射机的一个实施例的功能模块图。
图2是表示对由计算选择开关部件106和分割处理功能进行组合的设定实例的表格。
图3是以时间顺序表示的集成处理用微处理器100的流程图。
图4是表示本发明的数据表格一个例子的图表。
图5是表示图1的例子中温度误差特征的图表。
图6是表示相关背景技术的多变量发射机例子的功能模块图。
具体实施方式
以下参考附图，详细说明本发明的具体实施例。
图1是表示应用本发明的多变量发射机的一个实施例的功能模块图。
在图1中，那些与图6所示相关技术的多变量发射机相同的元件，参考以上的说明，以下将不再说明。在以下的说明中，将讨论本发明特有的技术特性。
图1中，根据本发明的多变量发射机111使用谐振型压力传感器20输出表示在管道P中流过针孔装置K前部和后部的流体F的上游压力P1和下游压力P2的信号，作为压敏薄膜的第一谐振频率信号fc和第二谐振频率fr。
因为谐振型压力传感器20的结构和工作原理已经在前述JP-B-H8-10169中详细公开，所以这里不再讨论。
在多变量发射机111中，一个单独的集成处理用微处理器100接收谐振器输出的数字信号，即从谐振型压力传感器20输出的第一谐振频率fc和第二谐振频率fr，作为输入。多变量发射机111还从处理温度传感器4接收表示流体F温度的数字信号d3作为输入。
把通过一次处理而检测得到的表示这些多物理量的数字信号，提交给单独的集成处理用微处理器100，进行基于时分处理功能的计算处理。结果是，表示质量流量的数字信号d8被传送给输出部件15。
在集成处理用微处理器100中，传感器数据获得处理部件101周期性地从谐振型压力传感器20获取数字信号(第一谐振频率信号fc和第二谐振频率信号fr)，并且更新这些信号。
为了求出流体F的压差和静压，压差/静压计算处理部件102根据获取的数字信号(第一谐振频率信号fc和第二谐振频率信号fr)执行计算处理。
流速计算处理部件103利用计算出来的压差和静压以及处理温度，计算流体F的流速，校正流体F的密度，计算质量流量，然后把数字信号d8输出到输出部件15。
通信处理部件104通过通信方法，将物理量数据输入传送到集成处理用微处理器100，并且将计算和处理后的数据传给更上一级设备。除此之外，通信处理部件104还从更上一级设备获取例如调谐参数数据。
处理温度计算处理部件105根据来自于处理温度传感器3和A/D转器12的数字信号d3，计算流体F的处理温度。
本实施例中执行的计算处理的一个特性是设置了计算选择开关部件106。配置计算选择开关部件106，使得能够由用户来决定在运算周期中执行多个项目的顺序，并且任意指定或选择将要处理的项目。从而，能够在运算周期中跳过不必要的计算。
计算选择开关部件106使得在最优的时间量中执行各类计算处理变得容易。更具体地说，大量基于微处理器的处理时间被分配给重要性(或优先权)级别高的处理类型，诸如从各个传感器获取数据的处理、压差/静压计算处理、流速计算处理和通信处理，只有少量的处理时间分配给执行重要性(或优先权)不高，不要求快速响应的温度计算处理。以这种方式，按需要或者按处理的重要性来定义微处理器的负载分配。从而，可以高效率地执行计算处理。
本实施例中执行的计算处理的另一个特性是合并了这样的功能，即通过将计算周期分割为多个周期来执行以较长时间常数进行的处理类型，例如处理温度计算处理。就像计算选择开关部件106的功能，所述功能可以根据需要来分配微处理器的负载，并高效率地执行计算处理。
图2是表示对由计算选择开关部件106和分割处理功能进行组合的设定实例的表格。根据该实例，所述表格表示对于四个计算周期，是执行(由“1”表示)还是跳过(由“空白”表示)各类计算处理。
从表中可以明显看出，在每一次计算处理中都执行从谐振型压力传感器20获取数据的处理，这个处理的重要性级别高。压差计算处理和静压计算处理的重要性级别中等，在第一次和第三次计算处理中执行。同样的，流速计算处理和通信输出处理在第二次和第四次计算处理中执行。
不太重要的处理温度计算处理，被分割为4次处理。换言之，从第一次到第四次计算处理中，分别执行处理温度计算处理1到4。
根据以上讨论的计算选择和分割处理的分配，各个计算周期中处理的项目被分成四个处理级别。从而，可以优化微处理器的负载分配。应注意的是，尽管在图2表格显示的例子中，处理温度计算处理被分割为四次，但是也可以把这个计算处理分割为所需要的次数。
图3是以时间顺序表示的集成处理用微处理器100的流程图。
在流程图中，步骤S1中首先配置计算选择开关部件106；也就是、对计算顺序、处理时间、处理的分割数量和其它项目进行定义。
步骤S2中，执行从谐振型压力传感器20获得数据的处理。在图1所示的实施例中，多变量发射机111读取谐振型压力传感器20的第一谐振频率信号fc和第二谐振频率信号fr。此外，多变量发射机111从处理温度传感器4获取流体F的温度数据。
如果计算选择开关部件106在任意一个步骤S3、S5、S7和S9的查询中指示了执行计算，则在步骤S4中执行压差计算处理，或在步骤6中执行静压计算处理，或在步骤8中执行流速计算处理，或在步骤10中执行通信输出处理。
如果计算选择开关部件106在步骤S9的查询中没有指示执行计算，而是在步骤S11的查询中指示了执行计算，则步骤S12a中执行第一次处理，即处理温度计算处理1。这第一个处理周期于是就结束了。
在这个例子中，处理温度计算处理被分割为n次，其中包括步骤S12b，S12c，……，S12n的处理温度计算处理2等等。这些次处理温度计算处理在每一个处理周期中顺序执行。
如上所述，在多变量发射机111中只设置一个微处理器100，就能够高效地执行多种计算处理类型，并能够减少使用组件的数量。
由于谐振型压力传感器20被用作压力和压差传感器，图1所示的管道得到简化。此外，由于谐振型压力传感器20输出谐振频率信号fc和fr，而不是模拟信号，所以谐振型压力传感器20不易受温度漂移或者其它不利作用的影响。
下面详细描述前面提到过的处理温度计算处理部件105中的计算。处理温度的计算处理部件105有一个数据表格(未显示)，所述表格是由n对电阻值和温度值构成的非易失性存储部件。
以下用图4说明这个数据表格。图4是表示本发明的数据表格一个例子的图表。
在图4中，数据表格由大约64对(R，t)构成。例如，相对于大约-200℃到大约850℃范围的温度值t，数据表格由大约64对构成。而且，例如温度值t是有大约小数位后四位的值。
进一步说，电阻值R是按规则间隔生成的。例如，电阻值R以大约6.5Ω的间隔规则地生成。进一步说，例如电阻值在大约0Ω到大约400Ω的范围内生成。
处理温度计算处理部件105基于数据表格和数字信号d3的电阻值，用插补计算法计算温度值。
具体地说，针对数字信号d3的电阻值R，根据与数据表格中的电阻值Ri成对的温度值ti和与数据表格中的电阻值Ri+1成对的温度值ti+1，对温度值t进行线性插补。
也就是说，与电阻值R对应的温度值t满足以下一阶插补公式(1)(其中电阻值Ri＜电阻值R＜电阻值Ri+1)。此外，假设电阻值Ri和电阻值Ri+1是接近电阻值R的值。而且，电阻值Ri和电阻值Ri+1在数据表格上相邻。
t＝(ti+1-ti)·(R-Ri)/(Ri+1-Ri)+ti    --(1)
所以，在图1的例子中，温度值可以简单容易地计算出来。而且，由于具有数据表格，计算变得简单容易了。进一步说，通过插补计算，当抑制数据表格的存储容量时，温度误差将缩小。
而且，通过模拟显示，当电阻值R按数据表格中的规则间隔生成时，可以获得高的计算速度。
以下用图5表示在使用图4所示数据表格情况下的温度特征。图5是表示图1的例子中温度误差特征的图表。在图5中，横轴是电阻值(Ω)，纵轴是温度误差(℃)。
通过模拟显示，在从0到400的电阻值，也就是，从-200℃到850℃的范围内，图1的例子的温度误差特征可以达到大约0.024℃。也就是说，图1的例子的温度误差变得与现有实施例(IEC计算公式)的温度误差相等。
通过模拟还显示，按照基于公式(1)和图4数据表格进行计算，可以得到相对于IEC计算公式计算的五倍的计算速度。也就是说，计算时间可以减少到五分之一。
通过模拟还显示，该处理温度计算处理部件105的计算处理方法，可以为要求小型化和低耗电的多变量发射机111提供最优特性。
然后，数据表格的构建为多变量发射机111提供了最优特性，在数据表格中，温度误差是通过满足一阶插补值公式的插补计算，在预定范围内获得的。
而且，本发明不局限于上述实施例，在不违背本发明实质的情况下，还进一步包括许多变化和修改。

Claims (16)

1.一种多变量发射机，包括：
一个单独的微处理器，用多个物理量信号执行多个计算处理任务，
其中，微处理器以时分的方式执行多个计算处理任务。
2.根据权利要求1所述的多变量发射机，其中，
计算处理任务包括计算选择处理，所述选择处理选择将要在每个计算周期中执行的处理项目。
3.根据权利要求2所述的多变量发射机，其中，
计算处理任务包括在多个计算周期中被分割和执行的计算处理任务。
4.根据权利要求3所述的多变量发射机，其中，
计算处理任务包括用于计算与被测流体相关的压差值和静压值的计算处理任务。
5.根据权利要求4所述的多变量发射机，其中，
计算处理任务包括基于与被测流体相关的压差值、静压值和温度值的流速计算处理任务。
6.根据权利要求5所述的多变量发射机，其中，
计算处理任务包括通信处理计算任务，所述通信处理计算任务通过通信方式，向更上一级设备传送物理量数据或者计算出的数据，并且从更上一级设备获取各种类型的数据。
7.根据权利要求6所述的多变量发射机，其中，
检测物理量的传感器是谐振型压力传感器，所述谐振型压力传感器有一个单独的压敏薄膜，并且通过计算方式来检测压差和静压。
8.一种多变量发射机，包括：
利用多个物理量信号来执行计算处理任务的微处理器，
其中，微处理器在每个计算处理任务中执行从传感器获取数据的处理，并且以时分的方式执行计算处理任务。
9.根据权利要求8所述的多变量发射机，其中，
计算处理任务包括：
计算选择处理，所述计算选择处理选择将要在每个计算周期中执行的处理项目；以及
处理温度值计算处理任务，所述处理温度值计算处理任务在多个计算周期中被分割和执行。
10.根据权利要求9所述的多变量发射机，进一步包括：
表格，所述表格表示对由计算选择处理进行的选择和分割处理功能进行组合的设定。
11.根据权利要求10所述的多变量发射机，其中，
所述传感器是输出第一谐振频率和第二谐振频率的谐振型压力传感器。
12.根据权利要求11所述的多变量发射机，进一步包括：
设置在处理温度环境中的电阻温度传感器；以及
存储电阻温度传感器的电阻值以及与电阻值对应的温度值的非易失性数据表格，
其中，微处理器通过基于电阻值和数据表格的插补计算来计算温度值。
13.根据权利要求12所述的多变量发射机，其中，
在数据表格中，以一定间隔生成电阻值，并且用线性插补方程式进行插补计算。
14.一种多变量发射机的计算处理方法，所述多变量发射机利用多个物理量信号执行多个计算处理任务，所述计算处理方法包括以下步骤：
设置计算选择开关，所述计算选择开关分配计算选择和分割处理；
执行从传感器获取数据的处理；以及
在由计算选择开关指示执行计算的情况下，执行分配的处理。
15.根据权利要求8所述的多变量发射机，进一步包括：
设置在处理温度环境中的电阻温度传感器；以及
存储电阻温度传感器的电阻值以及与电阻值对应的温度值的非易失性数据表格，
其中，微处理器通过基于电阻值和数据表格的插补计算来计算温度值。
16.根据权利要求15所述的多变量发射机，其中，
在数据表格中，以一定间隔生成电阻值，并且用线性插补方程式进行插补计算。
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