CN1643342A

CN1643342A - 桥接电容传感器测量电路

Info

Publication number: CN1643342A
Application number: CN03804004.2A
Authority: CN
Inventors: 汪荣泰
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2023-01-27
Also published as: WO2003071230A3; RU2301405C2; DE10392352B4; JP2005517945A; US20030155936A1; RU2004127586A; WO2003071230A2; AU2003214897A1; JP4679820B2; CN1310015C; AU2003214897A8; US6720777B2; DE10392352T5

Abstract

每一个均分别具有基于过程变量的电容器C₁和C₂的一对传感电容器与桥接节点X相连，并且该桥接节点X与求和节点Y相连。与求和节点相连的参考电容器C_REF具有大于该对传感电容器的电容之间的预计最大差值的电容C_REF，C_REF>C₁－C_2MAX。开关30－46、50－58、62、64有选择地使传感电容器和参考电容器与至少第一和第二电压V_REF ⁺、V_REF ^－，以便获得表示|C₁－C₂|和C_REF的电荷。在一个实施例中，操作传感电容器C₁、C₂以便在第一周期2的各个第一和第二阶段Φ₁和Φ₂期间，进行充电和放电，并且操作参考电容器C_REF，以便在第二周期的各个第一和第二阶段Φ₁和Φ₂期间进行充电和放电。

Description

桥接电容传感器测量电路

技术领域

本发明涉及工业过程控制变送器，更具体地，涉及增加了用于这样的变送器的差分传感器或传感器对的稳定性的设备。

背景技术

工业过程控制变送器用于测量工业过程中的流体的过程变量。典型地，这些变送器放置在现场位置处，并且提供表示诸如压力等受监控流体的过程变量的标准化发射信号。所述流体包括在诸如化学、纸浆、石油、气体、药品、食品和其他流体处理工厂等工业过程工厂中的稀浆、液体、蒸气和气体。受监控的过程变量可以是压力、温度、流量、水平、PH、导电性、浊度、密度、浓度、化学成分或流体的其他属性。

典型地，工业过程控制变送器包括：传感器，用于感知过程变量；测量单元，用于提供所感知的过程变量的测量值；以及通信电路，用于将测量信息传送到另一位置。在工业过程控制变送器中所采用的传感器的一个示例是用于测量工业过程中的压力的电容传感器。一个这样的传感器包括：支持一对电容器板的压力响应结构，所述电容板一起定义了电容传感器。施加到该结构上的压力使板的相对位置发生偏转，以改变用作压力测量的板之间的电容。有利地，电容器板安装在压力响应结构中的空腔中，从而施加到该结构一侧的压力使空腔变形而使板之一发生偏转。此外，有利地，压力响应结构由蓝宝石或其他抗腐蚀、压力响应材料形成。在1997年6月10日授予Frick等人并转让给本发明的相同受让人的美国专利No.5,637,802中描述了一种这样的传感器。

由压力响应材料支持的电容器板形成了绝对压力传感器。然而，如在Frick等人的专利中所描述的，通过识别在两个这样的传感器的电容之间的差别，来感知差别压力，即，在工业过程中的两个压力之间的差值。测量电路对电容器板进行充电，并且提供该差别压力的测量。

测量电路可以包括Δ∑转换器(也被称为Δ∑或∑Δ转换器)，其充当电容到数字转换器。Δ∑电路可以包括一个或两个积分级；采用两个积分级的电路在测量中显示出显著降低的量化噪声。

在差分电容比测量的情况下，测量电路提供了表示(C₁-C₂)与某一参考电容C_REF的比值(C₁-C₂)/C_REF的测量输出。不利地，这样的转换器系统可能会变得不稳定。更具体地，两个电容之间的差值可能为正的或可能为负的，取决于C₂是大于还是小于C₁。当与(C₁-C₂)成比例的增量具有与参考电容器C_REF成比例的增量相同的极性时，系统变为非收敛积分的系统，并且是不稳定的。当C₂大于C₁，并且对于一阶和二阶电容到数字转换器均为该情况时，这可能会发生。而且，对于二阶电容到数字转换器，对于比值C_REF/|C₁-C₂|存在限制。由于|C₁-C₂|的值可以为任意小，则C_REF/|C₁-C₂|的比值可以为任意大。如果该比值变得太大，则Δ∑转换器的第二级的输出信号可能会饱和。

发明内容

本发明采用了大于两个差分对的两个电容器之间的预计最大差值|C₁-C₂|_max的参考电容器。因此，差值C₁-C₂的符号将不会引起积分处理的不收敛。而且，可以设立C_REF的电容值，从而转换器的输出信号将不会饱和。

根据本发明，在桥接节点处将一对电容传感器的第一侧与过程变量关联，以提供表示过程变量的差分电容。开关电路选择性地将电容器与第一或第二电压相连，以获得在桥接节点处的表示C₁-C₂。

在优选实施例中，开关电路包括：第一开关，有选择地使第一电容器的第二侧与第一和第二电压电平相连；以及第二开关，有选择地使第二电容器的第二侧与第一和第二电压电平相连。开关控制器操作第一和第二开关，以便在第一阶段期间，使第一电容器与第一电压电平相连，而第二电容器与第二电压电平相连，并且在第二阶段期间，使第二电容器与第一电压电平相连，而使第一电容器与第二电压电平相连。

在优选实施例中，求和节点与桥接节点相连，而参考电容器C_REF与求和节点相连。

在一个实施例中，在互斥的第一和第二周期期间操作传感电容器和参考电容器，以便向求和节点提供表示C₁-C₂和C_REF的电荷，从而

\frac{N_{A}}{N_{B}} = \frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}},

其中N_A和N_B是第一和第二周期的数量。

在另一实施例中，在第一和第二周期的各个阶段期间相反地操作参考电容器，并且在所有周期的各个阶段期间相反地操作传感器，以便向求和节点提供表示(C₁-C₂)-C_REF和(C₁-C₂)+C_REF的电荷，从而

\frac{N_{A} - N_{B}}{N_{A} + N_{B}} = \frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}},

其中N_A和N_B是第一和第二周期的数量。

附图说明

图1是采用了根据本发明实施例的测量电路的工业过程控制变送器的方框图。

图2是具有桥接传感器的电容到数字转换器的输入和第一级的电路图。

图3是根据本发明优选实施例的差分电容到数字转换器的输入以及第一和第二级的电路图。

图4和5是示出了图3所示的转换器的输入的修改的电路图。

具体实施方式

本发明所要解决的主要问题是现有的差分转换器并不总是收敛的，导致了不稳定。本发明采用了大于在差分电容器之间所预计的最大差值的参考电容，从而转换器是收敛的，并且积分器将不会饱和。

图1是工业过程控制变送器10的方框图，具有诸如Δ∑转换器的电容到数字转换器12，设置用于接收表示来自传感器14的压力的信号。传感器14是差分传感器，包括由充电电路16进行充电的至少一对压敏电容器。传感器14的一个示例是在前述的Frick等人的专利中所描述的一对绝对压力传感器。在电容器上的电荷表示压力，并且将其传送到转换器12，由转换器12将该电荷转换为数字信号。由处理器18处理从转换器12中输出的数字信号，并且将其输入到收发机20，收发机20按照协议提供标准化的发射信号，设计用于利用双线通信链路24将其传送到中央控制站22。另外，控制站22可以通过通信链路24将信号发送到远程工业过程控制变送器10中，通过收发机20接收该信号，并且按照本领域技术人员所已知的方式对变送器10提供控制。

工业过程控制变送器的一个已知类别采用了金属差分传感器，具有一对电容传感器C_H和C_L，对该传感器进行差分地设置，以便测量诸如压力等过程变量。由激励电压V_EX对每一个电容器进行充电，以便在互斥的时间段内将多个电荷包Q提供给Δ∑转换器。Δ∑转换器对电荷包进行积分，以便根据来自电容传感器的电荷包的数量N来得到过程变量的数字表示。Δ∑转换器按照以下电荷平衡等式来进行操作：

N_HQ_H+N_LQ_L＝0，

其中，Q_H＝C_HV_EX，Q_L＝-C_LV_EX和

VEX = V_{REF}^{+} - V_{REF}^{-} .

结果，N_HC_L＝N_LC_H，

\frac{C_{H}}{C_{L}} = \frac{N_{L}}{N_{H}}

和

\frac{C_{H} - C_{L}}{C_{H} + C_{L}} = \frac{N_{L} - N_{H}}{N_{L} + N_{H}} .

本领域的技术人员将会意识到，该类别的变送器要求必须在互斥的时间段内操作电容传感器。

图2示出了桥接测量电路，其中，在第一周期期间操作电容传感器，以便获得表示两个电容值的数值差的电荷包Q_A。在互斥的第二周期期间操作参考电容器以得到电荷包Q_B。所得到的电荷平衡等式为：N_AQ_A+N_BQ_B＝0，

其中，Q_A＝V_EX(C₁-C₂)，Q_b＝-V_EXC_REF，N_A是对(C₁-C₂)的积分操作的数量，N_B是对C_REF的积分操作的数量，以及

VEX = V_{REF}^{+} - V_{REF}^{-},

结果，

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{N_{B}}{N_{A}} .

在图2中所示的电路包括用于诸如变送器10(图1)等工业过程控制变送器的电容传感器14、参考电容器C_REF、充电电路16和转换器12。传感器14包括一对电容器C₁和C₂，通过桥接节点X和求和节点Y将输入提供到Δ∑型的单级或两级电容到数字转换器12的第一级26。参考电容器C_REF通过求和节点Y将输入提供到转换器12的第一级26。可以按照在前述的Frick等人的专利中所描述的那样来构造传感器14，并且出于在Frick等人的专利中所描述的目的，该传感器14可以包括与公共或接地电压相连的保护电极和屏蔽。

充电电路16由来自转换器12的输出的数字信号y(n)控制。当y(n)较高(例如，y＝1由y表示)时，在第一阶段yΦ₁期间，由于开关30的导通状态，电容器C₁与参考电压V_REF ⁺相连，并且由于开关36的导通状态，电容器C₂与参考电压V_REF ^-相连。开关38将求和节点Y与诸如“地”的公共电压相连。因此，在阶段yΦ₁期间，将电容器C₁充电到V_REF ⁺，而将电容C₂充电到V_REF ^-。例如，如果V_REF ⁺是1.25伏直流电，则在电容器C₁的顶板上的电压(如图2所示)是+1.25伏，在电容器C₂的底板上的电压是-1.25伏，并且在节点X处的电压接地或公用。

在第二阶段yΦ₂期间，通过开关32将电容器C₁的顶板与V_REF ^-相连(例如，-1.25伏)，而通过开关34将电容器C₂的底板与V_REF ⁺相连(例如，+1.25伏)，并且由于开关38的未导通状态，从节点X中去除公共电压(例如“地”)。对电容器C₁输入节点的电压改变(激励电压)是-2.50伏，并且对电容器C₂输入节点的电压改变为+2.50伏。从电容器C₁输出节点X通过节点Y到积分器26的电荷传递是-V_EXC₁。类似地，从电容器C₂输出节点X通过节点Y到积分器26的电荷传递是+V_EXC₂。结果，从传感器电容器桥接输出节点X到积分器26的净电荷传递是Q_A＝-V_EX(C₁-C₂)。

当y(n)较低(例如，y＝0由 y表示)时，在第一阶段 yΦ₁期间，由于开关44的导通状态，参考电容器C_REF的输入侧与参考电压V_REF ^-相连，并且由于开关46的导通状态，参考电容器C_REF的输出侧与公共电压相连。在第二阶段 yΦ₂期间，参考电容器C_REF的输入侧通过开关42与参考电压V_REF ⁺相连。从参考电容器C_REF输出节点通过节点Y到积分器26的电荷传递为Q_B＝V_EXC_REF。

放大器28和反馈电容器C_F形成了负积分器级26。如果将负(或正)电荷传递到积分器，则将在积分器26的输出处创建正(或负)电压分步。积分器级26基于抽样周期的数量N对输入进行积分。来自级26的输出是相对于N个周期的时间段对每一个Y或 y周期正或负地进行分步(step)的信号，从而形成了数字转换。例如，如果来自电容器C₁-C₂的电荷传递是负的，则输出电压U(n)将在每一个Y周期中逐步地正增加，每一个分步表示电容值C₁-C₂的差值。来自电容器C_REF的电荷传递是正的，引起了输出电压U(N)在每一个 y周期期间逐步地减少(负增加)，每一个分步表示参考电容C_REF的值。因此，

N_A(C₁-C₂)-N_BC_REF＝0，

其中，N_A是当y＝1时对(C₁-C₂)的积分操作的数量，而N_B是当y＝0时对C_REF的积分操作的数量。结果，

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{N_{B}}{N_{A}} .

由于积分步的总数是常数N，N＝N_A+N_B，并且在y＝1期间，单独地根据积分步的数量来计算关系如下：

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{N}{N_{A}} - 1 .

图2所示的系统提供了以下优点：在y＝1的周期期间，唯一地根据积分步的数量(N_A)来计算过程变量测量。然而，如果电容器C₂的值大于电容器C₁的值，则系统可能会表现出不稳定性。更具体地，不稳定的主要原因在于：两个电容的差值(C₁-C₂)可能为正的或可能为负的，取决于C₂是大于还是小于C₁。(在其中电容器(C_H和C_L)均为正值的金属差分传感器的电容比值测量的情况下，不会发生该危险)。

还显而易见，与参考电容器相比，在电容C₁和C₂之间的差值可能较小。还应该清楚，如果|C₁-C₂|任意小，则C_REF/|C₁-C₂|可以任意大。如果比值C_REF/|C₁-C₂|较大，则转换器的第二级的输出W(n)可能会饱和(有时被称为“命中横杆”)。

图3示出了根据本发明当前的优选实施例的桥接测量电路。在图3中，电路按照以下的电荷平衡等式进行操作：

N_AQ_A+N_BQ_B＝0，

其中，Q_A＝-V_EX[(C₁-C₂)-C_REF]，Q_b＝-V_EX[(C₁-C₂)+C_REF]，N_A是对Q_A的积分周期的数量，N_B是对Q_B的积分周期的数量。结果，

(N_A+N_B)(C₁-C₂)＝(N_A-N_B)C_REF，以及，

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{N_{A} - N_{B}}{N_{A} + N_{B}} = \frac{{2 N}_{A}}{N} - 1,

其中，N＝N_A+N_B。然而，通过选择C_REF＞|C₁-C₂|_max(|C₁-C₂|的最大值)，Q_A和Q_B总是处于相反的极性，从而积分器是收敛的，并且系统是稳定的。

图3所示的电路包括用于诸如变送器10(图1)等工业过程控制变送器的电容传感器14、参考电容器C_REF、充电电路16和转换器12。传感器14包括一对电容器C₁和C₂，通过桥接节点X和求和节点Y将输入提供到Δ∑型的单级或两级电容到数字转换器12的第一级26。参考电容器C_REF通过求和节点Y将输入提供到转换器12的第一级26。可以按照在前述的Frick等人的专利中所描述的那样来构造传感器14，并且出于在Frick等人的专利中所描述的目的，该传感器14可以包括与公共或接地电压相连的保护电极和屏蔽。

在第一阶段Φ₁期间，由于开关50的导通状态，电容器C₁与参考电压V_REF ⁺相连，并且由于开关56的导通状态，电容器C₂与参考电压V_REF ^-相连。开关58将求和节点Y与诸如“地”的公共电压相连。因此，在阶段Φ₁期间，将电容器C₁充电到V_REF ⁺，而将电容C₂充电到V_REF ^-。例如，如果V_REF ⁺是1.25伏直流电，则在电容器C₁的顶板上的电压(如图3所示)是+1.25伏，在电容器C₂的底板上的电压是-1.25伏，并且在节点X处的电压接地或公用。

在第二阶段Φ₂期间，通过开关52将电容器C₁的顶板与V_REF ^-相连(例如，-1.25伏)，而通过开关54将电容器C₂的底板与V_REF ⁺(例如，+1.25伏)相连，并且由于开关58的未导通状态，从节点X和Y中去除公共电压(例如“地”)。对电容器C₁的电压改变(激励电压)是-2.50伏，并且对电容器C₂的电压改变为+2.50伏。从电容器C₁输出节点X通过节点Y到积分器26的电荷传递是-V_EXC₁。类似地，从电容器C₂输出节点X通过节点Y到积分器26的电荷传递是V_EXC₂。结果，从传感器电容器桥输出节点X到积分器26的净电荷传递是-V_EX(C₁-C₂)。

值得注意的是，在该实施例中，从传感器桥的电荷传递-V_EX(C₁-C₂)独立于来自输出转换器12的数字控制信号y(n)。然而，来自C_REF的参考电容器侧的电荷传递由数字信号y(n)控制。更具体地，当y(n)较低(例如，y＝0由 y表示)时的第一阶段 yΦ₁期间，由于开关62的导通状态，参考电容器C_REF的输入侧与参考电压V_REF ⁺相连，并且由于开关58的导通状态，参考电容器C_REF的输出侧与公共电压相连。因此在阶段 yΦ₁期间，参考电容器C_REF被充电到V_REF ⁺。在第二阶段 yΦ₂期间，参考电容器C_REF的输入侧通过开关64与参考电压V_REF ^-相连，产生了激励电压

{- V}_{EX} = V_{REF}^{-} - V_{REF}^{+} .

将基于C_REF和激励电压的值的负电荷-V_EXC_REF提供给求和节点Y，在该节点Y中，对来自电容器C₁和C₂的电荷进行组合，并且通过开关60施加到在转换器12的第一级26的放大器28的负输入。

类似地，当y(n)较高(例如，y＝1由y表示)时，在第一阶段yΦ₁期间，由于开关62的导通状态，参考电压C_REF的输入侧与参考电压V_REF ^-相连，并且由于开关58的导通状态，电容器C_REF的输出侧与公共电压相连。因此，在阶段yΦ₁期间，将参考电容器C_REF充电到V_REF ^-，在第二阶段yΦ₂期间，参考电容器C_REF的输入侧通过开关64与V_REF ⁺相连，产生了激励电压

V_{EX} = V_{REF}^{+} - V_{REF}^{-} .

将基于C_REF和激励电压的值的正电荷V_EXC_REF提供给求和节点Y，在该节点Y中，对来自电容器C₁和C₂的电荷进行组合，并且通过开关60施加到在转换器12的第一级26的放大器28的负输入。

在所有周期(y和 y)期间，施加表示电容值的差值(C₁-C₂)的电荷包-V_EX(C₁-C₂)，同时，表示电容器C_REF的电荷包是V_EXC_REF或-V_EXC_REF，取决于数字控制信号是高(y＝1)或低(y＝0)。当y＝1时，来自传感器桥和参考电容器的净电荷传递为Q_A＝-V_EX(C₁-C₂)+V_EXC_REF。当y＝0时，来自传感器桥和参考电容器的净电荷传递为Q_B＝-V_EX(C₁-C₂)-V_EXC_REF。如果将C_REF的电容值选择为大于|C₁-C₂|的最大值，C_REF＞|C₁-C₂|_max，电荷包Q_A将总是为正的，而电荷包Q_B将总是为负的。

放大器28和反馈电容器C_F形成了反转积分级。如果将负电荷包传送到积分器，则在积分器输出处产生了正电压分步；如果将正电荷包传递到积分器，则在积分器输出处产生了负电荷分步。级26针对抽样周期的数量N对输入进行积分。来自级26的输出是相对于N个周期的时间段对每一个Y或 y周期正或负地进行分步的信号，从而形成了数字转换。例如，在每一个 y周期期间，来自桥接网络和参考电容器C_REF的净电荷是负的，这样，输出电压U(n)将逐步地正增加。在每一个y周期期间，来自桥接网络和参考电容器C_REF的净电荷是正的，这样，输出电压U(n)将逐步地减小(负减少)。

为了抑止量化噪声，可以使用二阶调制器。在这种情况下，通过信号开关网络70将第一级的输出U(n)施加到转换器12的第二级72的输入。第二级的输出W(n)与比较器74的输入相连，所述比较器74将输入提供给D型触发器76以获得逻辑信号y(n)。在第二级积分器输入处，由开关80将电容器C₃与来自放大器28的输出U(n)相连，并且通过开关82将电容器C₄与来自放大器28的输出U(n)相连。电容器C₃和C₄的相反侧通过开关84与放大器78的负输入相连。两个电容器的输入侧还通过各个开关86和88与“地”或公共端相连。为了实现抑止量化噪声的最佳效果，

\frac{C_{4}}{C_{F 2}} = \frac{1}{2} \frac{C_{3}}{C_{F 2}} .

在图3的实施例中，电荷平衡等式为

N_AQ_A+N_BQ_B＝0，

其中，Q_A＝-V_EX[(C₁-C₂)-C_REF]，Q_B＝-V_EX[(C₁-C₂)+C_REF]，N_A是对

-C_REF的积分周期的数量，N_B是对+C_REF的积分周期 y的数量。结果，电荷平衡等式为

N_A[(C₁-C₂)-C_REF]+N_B[(C₁-C₂)+C_REF]＝0。

结果，

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{{2 N}_{A}}{N} - 1,

其中，N＝N_A+N_B。只要C_REF的值大于|C₁-C₂|的预计的最大值，则(C₁-C₂)-C_REF将总是负的，并且系统是收敛的。

图4示出了充电电路16，而图5示出了根据本发明的修改的参考电容器C_REF。在图4中，传感器电容器C₁和C₂通过开关50、52、54和56与参考电压源V_REF ⁺和V_REF ^-相连，如结合图3所描述的那样。在这种情况下，参考电容器C_REF的输入通过开关62和64与可编程电压源V_PROG ⁺和V_PROG ^-相连。可编程电压源可以由用户或由计算机来进行编程。因此，可以诸如针对测量电路的不同的感知范围，调节由参考电容器C_REF所施加的电荷值。

可选地，可以利用并联参考电容器C_REF1、C_REF2、C_REF3等来对来自参考电容器C_REF的电荷进行编程。如图5所示，参考电容器之一C_REF永久连接在电路中，而其他的参考电容器C_REF2、C_REF3等有选择地通过开关90、92等与节点Y相连。因此，可以有选择地调节由于参考电容器网络所造成的电荷传递。

因此，本发明提供了一种收敛的工业过程控制变送器，从而避免了与现有变送器有关的不稳定性。尽管与具有压力响应结构的一对电容传感器相关联地描述了本发明，但是，本发明可用于其他传感器，包括具有压力响应隔膜的传感器。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将会意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims

1.一种测量过程变量的设备，包括：

第一传感电容器，具有基于过程变量的电容C₁；

第二传感电容器，具有基于过程变量的电容C₂；

桥接节点，用于将第一传感电容器的第一侧与第二传感电容器的第一侧相连；

激励源，用于提供至少第一和第二电压电平；以及

开关电路，用于有选择地使第一和第二传感电容器中的每一个的第二侧与激励源相连，以获得在桥接节点处的表示C₁-C₂。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述开关电路包括：

第一开关，有选择地将第一传感电容器的第二侧与第一和第二电压电平相连；

第二开关，有选择地将第二传感电容器的第二侧与第一和第二电压电平相连；以及

相连的开关控制器，以便在第一阶段期间操作第一和第二开关，从而将第一传感电容器与第一电压电平相连，而将第二传感电容器与第二电压电平相连；以及在第二阶段期间操作第一和第二开关，从而将第一传感电容器与第二电压电平相连，而将第二传感电容器与第一电压电平相连。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于还包括：

参考电容器，具有大于第一和第二传感电容器的电容之间的预计最大差值的电容C_REF；以及

求和节点，与参考电容器和桥接节点的第一侧相连；

开关电路，有选择地将参考电容器的第二侧与激励源相连，以便在互斥的周期期间，在求和节点处获得第一和第二电荷。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于所述开关电路包括：

第一开关，有选择地使第一传感电容器的第二侧与第一和第二电压电平相连；

第二开关，有选择地使第二传感电容器的第二侧与第一和第二电压电平相连；以及

第三开关，有选择地使参考电容器的第二侧与激励侧的两个电压电平相连。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于还包括与第一、第二和第三开关相连的开关控制器，并且对其设置和布置，从而

操作第三开关，以便在第一周期的第一阶段期间和第二周期的第二阶段期间，使参考电容器与一个电压电平相连，而在第二周期的第一阶段期间和在第一周期的第二阶段期间，使参考电容器与另一电压电平相连；

操作第一和第二开关，以便在每一个周期的第一阶段期间，使第一传感电容器与第一电压电平相连，而使第二传感电容器与第二电压电平相连；以及

操作第一和第二开关，以便在每一个周期的第二阶段期间，使第一传感电容器与第二电压电平相连，而使第二传感电容器与第一电压电平相连。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：所述开关控制器通过N_A个第一周期和N_B个第二周期来操作第一、第二和第三开关，从而使由第一和第二传感电容器所提供的积分电荷对由参考电容器所提供的积分电荷进行平衡，以及

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{N_{A} - N_{B}}{N_{A} + N_{B}} .

7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于还包括与第一、第二和第三开关相连的开关控制器，并且对其设置和布置，从而

操作第一和第二开关，以便在第一周期的第一阶段期间，使第一传感电容器与第一电压电平相连，而使第二传感电容器与第二电压电平相连；以及

操作第一和第二开关，以便在第一周期的第二阶段期间，使第一传感电容器与第二电压电平相连，而使第二传感电容器与第一电压电平相连。

操作第三开关，以便在第二周期的第一阶段期间，使参考电容器与一个电压电平相连，而第二周期的第二阶段期间，使参考电容器与另一电压电平相连。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述开关控制器通过N_A个第一周期和N_B个第二周期来操作第一、第二和第三开关，从而使由第一和第二传感电容器所提供的积分电荷对由参考电容器所提供的积分电荷进行平衡，以及

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{N_{B}}{N_{A}} .

9.根据权利要求4所述的设备，其特征在于所述激励源包括可编程电压源，可编程电压源可进行编程，以便向参考电容器提供两个电压电平。

10.根据权利要求4所述的设备，其特征在于所述参考电容器包括多个电容器的阵列，并且第四开关有选择地对阵列中的电容器进行并联。

11.根据权利要求3所述的设备，其特征在于还包括与开关电路相连的开关控制器，并且对其设置和布置，从而

操作开关电路，以便在第一周期的第一阶段期间和第二周期的第二阶段期间，使参考电容器与一个电压电平相连，而在第二周期的第一阶段期间和在第一周期的第二阶段期间，使参考电容器与另一电压电平相连；

操作开关电路，以便在每一个周期的第一阶段期间，使第一传感电容器与第一电压电平相连，而使第二传感电容器与第二电压电平相连；以及

操作开关电路，以便在每一个周期的第二阶段期间，使第一传感电容器与第二电压电平相连，而使第二传感电容器与第一电压电平相连。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于：所述开关控制器通过N_A个第一周期和N_B个第二周期来操作开关电路，从而使由第一和第二传感电容器所提供的积分电荷对由参考电容器所提供的积分电荷进行平衡，以及

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{N_{A} - N_{B}}{N_{A} + N_{B}} .

13.根据权利要求3所述的设备，其特征在于还包括与开关电路相连的开关控制器，并且对其设置和布置，从而

操作开关电路，以便在第一周期的第一阶段期间，使第一传感电容器与第一电压电平相连，而使第二传感电容器与第二电压电平相连；

操作开关电路，以便在第一周期的第二阶段期间，使第一传感电容器与第二电压电平相连，而使第二传感电容器与第一电压电平相连。

操作开关电路，以便在第二周期的第一阶段期间，使参考电容器与一个电压电平相连，

操作开关电路，以便在第二周期的第二阶段期间，使参考电容器与另一电压电平相连。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于：所述开关控制器通过N_A个第一周期和N_B个第二周期来操作开关电路，从而使由第一和第二传感电容器所提供的积分电荷对由参考电容器所提供的积分电荷进行平衡，以及

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{N_{B}}{N_{A}} .

15.一种工业过程控制变送器，设置为通过双线通信链路与中央站相连，所述变送器包括：

与通信链路相连的收发机，用于将信息发送到中央站，并且从中央站接收信息；

与收发机相连的处理器，用于处理信息；

过程变量传感器，包括：

第一传感电容器，具有基于过程变量的电容C₁；

第二传感电容器，具有基于过程变量的电容C₂；

激励源，用于提供至少第一和第二电压电平；

开关电路，用于有选择地使第一和第二传感电容器中的每一个的第二侧与激励源相连，以获得在桥接节点处的表示C₁-C₂；以及

与桥接节点相连的Δ∑转换器，用于向处理器提供表示第一和第二电容器的电容之间的差值的数字信息信号。

16.根据权利要求15所述的工业过程控制变送器，其特征在于所述开关电路包括：

17.根据权利要求15所述的工业过程控制变送器，其特征在于还包括：

求和节点，与参考电容器和桥接节点的第一侧相连；

18.根据权利要求17所述的工业过程控制变送器，其特征在于所述开关电路包括：

第三开关，有选择地使参考电容器的第二侧与激励侧的两个电压电平之一相连。

19.根据权利要求18所述的工业过程控制变送器，其特征在于还包括与第一、第二和第三开关相连的开关控制器，并且对其设置和布置，从而

20.根据权利要求19所述的工业过程控制变送器，其特征在于：所述开关控制器通过N_A个第一周期和N_B个第二周期来操作第一、第二和第三开关，从而使由第一和第二传感电容器所提供的积分电荷对由参考电容器所提供的积分电荷进行平衡，以及

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{N_{A} - N_{B}}{N_{A} + N_{B}} .

21.根据权利要求18所述的工业过程控制变送器，其特征在于：还包括与第一、第二和第三开关相连的开关控制器，并且对其设置和布置，从而

22.根据权利要求21所述的工业过程控制变送器，其特征在于所述开关控制器通过N_A个第一周期和N_B个第二周期来操作第一、第二和第三开关，从而使由第一和第二传感电容器所提供的积分电荷对由参考电容器所提供的积分电荷进行平衡，以及

\frac{C_{1} - C_{2}}{C_{REF}} = \frac{N_{B}}{N_{A}} .

23.一种测量过程变量的方法，包括以下步骤：

将过程变量应用于第一和第二传感电容器，以便根据过程变量，分别获得第一和第二电容C₁和C₂；

提供具有大于第一和第二电容器的电容之间的差值的参考电容C_REF的参考电容器；

获得表示C₁-C₂的第一电荷；

获得表示C_REF的第二电荷；以及

对第一和第二电荷进行积分。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于：第一和第二传感电容器连接在一起，并且激励源提供了多个电压，所述方法还包括步骤：

定义每一个周期的第一和第二阶段；

在每一个周期的第一阶段期间，将第一电压施加到第一电容器，而将第二电压施加到第二电容器；

在每一个周期的第二阶段期间，将第二电压施加到第一电容器，而将第一电压施加到第二电容器；

在第一周期的第一阶段期间和第二周期的第二阶段期间，将电压施加到参考电容器；以及

在第二周期的第一阶段期间和第一周期的第二阶段期间，将另一电压施加到参考电容器。

25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于：第一和第二传感电容器连接在一起，并且激励源提供了多个电压，所述方法还包括步骤：

定义每一个周期的第一和第二阶段；

在第一周期的第一阶段期间，将第一电压施加到第一电容器，而将第二电压施加到第二电容器；

在第一周期的第二阶段期间，将第二电压施加到第一电容器，而将第一电压施加到第二电容器；

在第二周期的第一阶段期间，将电压施加到参考电容器；以及

在第二周期的第二阶段期间，将另一电压施加到参考电容器。