CN203396408U - 利用可变幅度传感器激励的过程测量系统 - Google Patents

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Abstract

利用可变幅度传感器激励的过程测量系统包括：传感器，用于根据过程参数产生传感器信号；和测量电路，将所述传感器信号转换成测量数据。控制电路控制所述传感器激励的幅度，以在所述传感器的整个操作比范围(operating ratio range)上使信号强度最大。这样提高了所述测量电路的分辨率和噪声抑制。

Description

利用可变幅度传感器激励的过程测量系统
技术领域
本发明涉及一种过程测量系统。具体地，本发明涉及将模拟传感器信号转换成数字测量数据的测量电路系统的分辨率提高和噪声抑制。
背景技术
过程变送器是一种用于监测工业过程操作的设备。所述过程变送器包括传感器，所述传感器用感测元件响应已测量过程变量或者参数，并且将所述过程参数转换成标准化信号，所述标准化信号是所述已测量参数的函数。过程参数的示例包括压力、温度、流量、电导率和pH值。
在Roger L.Frick和David A.Broden的美国专利No.6,295,875中描述了这样一种变送器。这种变送器电容式传感器，所述电容式传感器采用具有可偏转的感测膜片(deflectable sensing diaphragm)以及三个或更多电容器电极，所述电容器电极利用所述膜片形成分离的电容式感测元件。所述电容器元件中的两个是差分设置的基本感测电容器，使得所述基本感测电容器的电容与所述过程变量成反比变化。第三和第四电容器元件是补偿电容器，提供对与所述基本电容器相关联的偏移误差或滞后加以表示的信号。当将压力施加至所述膜片的一侧或者双侧，所述膜片偏转。通过测量与所述偏转相关的电容比的变化可以检测所述膜片的偏转。利用模数转换器将这个电容比转换为数字格式。
在Roger L.Frick、Bennett L.Louwagie和Adrian C.Toy的美国专利No.5,637,802和No.6,089,097中描述了另一种类型的变送器。这两个专利所述的变送器利用两个绝对压力传感器来测量压差以及两个绝对压力，在压差测量上具有较高分辨率。
一种特别有利形式的模数转换器利用∑-Δ(或Δ-∑)调制器。在RogerL.Frick和John P.Schulte的美国专利No.5,083,091、Michael Gaboury的美国专利No.6，140,952、Rongtai Wang的美国专利No.6,509,746和RongtaiWang的美国专利No.6,516,672中描述了∑-Δ调制器在变送器中的使用。
在具有将∑-Δ调制器用作电容-数字(CD)转换器的变送器中，激励电路给所述电容式传感器元件提供电荷包。基于这个电容元件的电容值给所述传感器元件充电。将所述电荷传递至所述∑-Δ调制器的积分器/放大器以产生作为电容比的函数的一位二进制输出。
所述CD调制器的基本功能是将所述电容比转换成PDM(脉冲密度调制)信号。对于利用∑-Δ架构的CD调制器，实际过程涉及将电荷比转换成PDM信号。在正常的操作条件下，由于所述电荷与所述电容成正比，因此所述电荷比等于所述电容比。
发明内容
过程测量系统包括：传感器，用于根据过程参数产生传感器信号；测量电路，用于将所述传感器信号转换成测量数据；以及控制电路，将根据所述测量数据控制所述传感器信号的幅度，以便充分利用所述测量电路的动态范围。
在另一个实施例中，过程和测量系统包括：传感器，用于根据过程参数产生传感器信号；测量电路，用于将所述传感器信号转换成测量数据；以及控制电路，在传感器的整个操作范围上使所述传感器信号的信号强度最大。因此所述控制电路通过所述测量电路提高了分辨率和噪声抑制。
在另一个实施例中，过程测量系统包括：传感器，用于根据过程参数产生传感器信号；模数转换器，用于将所述传感器信号转换成测量数据；以及控制电路，用于根据来自所述模数转换器的信号控制所述传感器的激励幅度的函数。
附图说明
图1是开关电容器电荷积分器的简化电气示意图。
图2是传感器电容级别对电容压差传感器的归一化压力的曲线。
图3是脉冲密度调制(PDM)和控制电压对具有∑-Δ模数转换的电容压差传感器的归一化压力的曲线。
图4是示出了根据归一化压力的电容压差传感器的变幅激励VX的曲线，在零压差处具有最大激励。
图5是利用传感器可变幅度激励的电容传感器系统的一个实施例的方框图。
图6是利用传感器可变幅度激励的电容传感器系统的另一个实施例的方框图。
具体实施方式
在测量仪器中模数(A/D)电路的分辨率和噪声抑制受限于传感器信号强度。通常，当增加信号强度时会实现性能改善。本发明通过根据输入条件控制传感器激励的幅度来在传感器的整个操作范围上使信号强度最大。
在下面的描述中，将在电容压差传感器的背景下讨论本发明的可变幅度传感器激励。然而，应当理解，本发明也适用于其他类型的传感器。
由罗斯蒙德公司制造的电容压差传感器以利用开关电容器∑-ΔA/D转换器的信号调节为特点。可以在本发明的背景技术所描述的美国专利中找到这种类型信号调节的示例，所述全部专利均已转让给罗斯蒙德公司并且将其内容结合在此作为参考。
在这些类型的∑-ΔA/D转换器中的基础信号是从所述电容传感器得到的电荷包。基于开关电容器电荷积分器将从所述传感器得到的电荷包集成在∑-Δ调制器中。
在图1中示出了用在∑-Δ调制器内的开关电容器电荷积分器的简化示意图。在这个简化示意图中，示出了单个传感器电容器。然而，对于利用∑-Δ转换器的电容压力传感器，典型的是具有多个传感器和多个电容器。
在图1中示出的开关电容器电荷积分器10包括感测电容器CS、开关SW1a、SW1b、SW2a和SW2b、积分电容器CI以及运算放大器(opamp)12。开关SW1a连接在直流电压VP和电容器CS之间。开关SW2a连接在直流电压VN和电容器CS之间。开关SW1b连接在电容器CS和opamp12的非反相(正)输入16之间，还连接至地14。开关SW2b连接在电容器CS和opamp12的反相(负)输入18之间。电容器CI连接在输出20和opamp12的反相输入18之间。输出电压Vo出现在opamp12的输出20处。
来自传感器电容器CS的电荷包的处理发生在两个阶段。在第一阶段期间，开关SW1a和SW1b是接通的(并且开关SW2a和SW2b是关断的)，这样给传感器电容器CS充电：
QS1＝CS*VP
在第二阶段期间，开关SW2a和SW2b是接通的(并且开关SW1a和SW1b是关断的)，这样给传感器电容器CS充电：
QS2＝CS*VN
VP和VN是固定的直流电压，所述电压给传感器CS设置激励电压VX的电平。电荷的净变化是(QS1-QS2)＝CS*(VP-VN)＝CS*VX，其中VX＝VP-VN。将这个电荷传递至所述积分电容器CI。所述opamp的输出电压的变化量为：
ΔVO＝VX*CS/CI
在这类系统的设计中，重要的是将opamp12的输出电压Vo限制在所述放大器的极限中：O＜VO＜VDD，其中OV和VDD是opamp12的供电轨(supply rails)。如果不这样做，opamp12将不能维持上述的电荷关系并且所述∑-ΔA/D转换器的操作将会受到损害。系统设计者选择激励电压VX和积分电容器CI，以保证opamp12的输出VO保持在所述供电轨内。同时，期望的是使所述激励电平最大以获得所述系统的最佳性能。
当设置所述系统设计参数时，设计者必须考虑到在正常操作期间可能遇到的CS最大值。例如，对于罗斯蒙德压差(DP)传感器，将所述最大值设置为100pF的规格。然后可以确定VX/CI的适当值。基于传感器电容器CS的最大值限制激励电压VX，然而，在实践中所述传感器电容器常常小于100pF。事实上，在零DP处，典型的传感器电容器更接近25pF，比所述最大值小4倍。这意味着在用户最感兴趣的优异性能的零DP处，所述信号级别是次优的。
本公开所描述的概念是允许所述激励电压VX变成可变的，而不是固定的。这样允许对于零或者接近零DP输入条件通过利用较大的激励电压实现较高的性能。对于传感器电容的较低值，将VX设置为较大值，而对于传感器电容的较高值，将VX设置为较小值。目的在于在所述传感器的整个操作范围上将所述信号电荷(CS*VX)保持在实质上恒等的级别，以使所有输入条件下的信噪比最大为目标。
对于具有比率测量(ratiometric measurement)的系统，即将电容比转换成电荷比、然后将电荷比转换成PDM信号，这种激励电压调节是有效的。利用比率测量，数字测量对所述激励电压的幅度不敏感。通过改变所述激励电压最小化地影响所述数字输出，并且无论存在什么效果都可以利用标准的特征/验证程序从所述系统中补偿。
在图2中给出了对于电容DP压力传感器，传感器电容和压力之间的典型关系。CX是所述DP传感器的高边电容，它随标准化压力Pn增大。CY是所述DP传感器的低边电容，它随Pn减小。所述电容等级(cap等级)是所述两个传感器电容器的最大值。可以看出，当压力处在零DP时，所述电容等级处在其最小值。在满量程压力处的电容等级接近零压力处电容等级的两倍，这证明了利用与在满量程压力处的激励电压相比在零DP处加倍的激励电压。
诸如那些用在电容DP压力变送器中的∑-ΔA/D转换器提供了便于控制所述激励电平的信号。所述∑-Δ转换器产生脉冲密度调制(PDM)信号，所述PDM信号是包含所述数字化传感器信号的数字比特流。所述数字化传感器信号是低通滤波和抽取的(decimated)，如图5所示。所述PDM信号也是模拟信号，可以进行低通滤波以提取所述传感器信号(参见图3)的直流表示(PDM电压)。注意的是，如果参考中位电源电压(mid-supply)选取所述信号的绝对值，那么可以获得合适的控制信号(也如图3所示)。在图3中，所述电源电压是3V，中位电源电压是1.5V。
最后一步是将所述控制信号转换成激励电平。在一个实施例中，所述标称的固定激励是所述模拟电源电压的一半。可以将所述激励电压(VX＝VP-VN)在零DP处设置为整个模拟电源电压，并且在满量程压力处减小为所述模拟电源电压的一半，如图4所示。在下面的公式中给出了VX的近似表达式：
Vx＝VDD-2.5*Vcntl
其中，Vcntl是图3中的控制电压。
在图4中用1.5V处的短划线表示所述固定激励的解决方案。用实线表示所述可变激励的解决方案。所述可变激励在DP为零时达到其最大值，并且在满量程压力处退回至1/22VDD。因此，当DP减小时，所述激励电压增大。
图5是以DP电容传感器32的可变幅度激励为特征的压差(DP)电容变送器30的方框图。变送器30包括传感器32、∑-ΔA/D转换器34(包括开关电容器积分器36、电平比较器38、抽取低通滤波器40和传感器激励发生器42)以及可变激励控制44(包括模拟低通滤波器46、绝对值电路48和激励电平发生器50)。
在所示的实施例中，∑-ΔA/D转换器34是一种专用集成电路(ASIC)，包括了用以执行开关电容器积分器36、电平比较器38、抽取低通滤波器40和传感器激励发生器42的功能的电路系统。转换器34的输入接收自DP电容传感器32，并且是以电荷包的形式，所述电荷包由传感器32响应于传感器激励发生器42所供应的传感器激励电压而产生。
开关电容器积分器36给电平比较器38提供输出电压Vo。电平比较器38的输出是脉冲密度调制(PDM)信号，将所述PDM信号供应给抽取低通滤波器40、传感器激励发生器42和可变激励控制44的模拟低通滤波器46。抽取低通滤波器40将所述PDM信号转换成数字输出，将所述数字输出供应给过程变送器30的变送器系统。来自抽取低通滤波器40的数字输出表示原始数据，所述原始数据会被修整并且随后在双有线控制回路、有线网络或者无线网络上从变送器30发送至所述控制室。
所述PDM信号是传感器激励发生器42的输入。所述PDM信号的状态变化使传感器激励发生器42在电压VP和电压VN之间改变激励电压。将已选择的电压VP或VN作为的激励施加至DP电容传感器32。
激励控制44利用所述PDM信号来设置提供给传感器激励发生器42的激励电平(VP-VN)。用模拟低通滤波器46对所述PDM信号进行滤波，以将所述PDM信号(表示所述电容比的数字比特流)转换成模拟表示。绝对值电路48将滤波器46的输出转换成绝对值控制信号。激励电平发生器利用所述控制信号设置VP和VN的电平。
所述PDM信号是DP电容传感器32的电容等级的函数，并且在很大程度上与所述激励(VP-VN)是无关的。除了改善了信噪比，这允许在不严重影响已测量信号的情况下改变所述激励。可变激励控制44调整由传感器激励发生器42提供给传感器32的激励，使得当所述压差为零时激励最高。例如，以上讨论的图2-4所阐述的。
∑-ΔA/D转换器34例如可以是罗斯蒙德公司在其电容传感器过程变送器中所使用的电流C/D ASIC的任意转换器。激励电平控制模块利用所述PDM信号设置所述激励电平，并且将所述激励电平反馈回至所述A/D激励控制模块。
关于图5，与所述可变激励电平的产生有关的所述全部操作在模拟电路设计的现有技术中都是众所周知的。为了有效的实施，必须策划(engineer)所述设计来设置所有等级和比率(例如图4中的斜率和等级)，以在所述测量电子设备的限制与所述系统的性能目标之间进行平衡。可以预期在A/D分辨率和EMC噪声抑制方面的益处。
图6示出了DP压力变送器30A，它是利用可变激励控制的另一个实施例。变送器30A包括DP电容传感器32、∑-ΔA/D转换器34A(包括开关电容器积分器36、电平比较器38、抽取低通滤波器40和传感器激励发生器42)以及可变激励控制44A(包括激励电平发生器50和自动增益控制52)。
可变激励控制44A利用开关电容器积分器36的输出电压Vo而不是所述PDM信号来为激励电平发生器50产生控制信号。将Vo作为输入提供给自动增益控制(AGC)52，将AGC52的输出作为控制信号提供给激励电平发生器50，以通过控制VP和VN中的电压电平来确定DP电容传感器32的激励电平。在避免开关电容器积分器36中饱和问题同时，将激励设置为可能的最大电平。
已经利用电容压差传感器的示例描述了本发明，其中所述电容等级在零压力处是最小值，随着压力从零至满量程而增大，并且随着压力从零至负满量程也增大(图2)。本发明同样适用于测量绝对压力的电容传感器，其中电容在零压力处是最小值，并且随着压力而增大。在这种情况下，不存在负压力，并且不需要所述绝对值电路，如图5所示。
尽管已经参考示例实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员将会理解，在不背离本发明范围的情况下，可以做出各种变化，并且可以用等同物替代其元件。此外，可以做出许多修改，以便在不背离本发明本质范围的情况下使特定的情况或者材料适应于本发明的教义。因此，目的在于本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (29)

1.一种过程测量系统，包括：
传感器，用于根据过程参数产生传感器信号；
测量电路，用于将所述传感器信号转换成测量数据；以及
控制电路，用于根据所述测量数据控制所述传感器信号的幅度，以便充分利用所述测量电路的动态范围。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器包括电容传感器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述电容传感器是压差电容传感器。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制电路控制所述压差电容传感器的激励，使得在压差减小时激励增大。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量电路包括∑-Δ模数A/D转换器。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述∑-ΔA/D转换器包括：
开关电容器积分器，具有连接至所述传感器的输入和提供积分器输出电压的输出；
电平检测器，具有连接至所述开关电容器积分器的输出的输入和提供脉冲密度调制PDM信号的输出；以及
传感器激励发生器，响应于所述PDM信号给所述传感器提供激励。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述测量数据包括所述PDM信号，并且所述控制电路根据所述PDM信号的直流电平给所述传感器激励发生器提供激励电压。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述控制电路包括：
低通滤波器，对所述PDM信号进行滤波以产生PDM信号的直流电平；
绝对值电路，根据所述PDM信号的直流电平产生激励控制信号；以及
激励电平发生器，根据所述激励控制信号给所述传感器激励发生器提供激励电压。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述测量数据包括积分器输出电压，并且所述控制电路根据所述积分器输出电压给所述传感器激励发生器提供激励电压。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制电路包括：
自动增益控制电路，根据所述积分器输出电压产生激励控制信号；以及
激励电平发生器，根据所述激励控制信号给所述传感器激励发生器提供激励电压。
11.一种过程测量系统，包括：
传感器，用于根据过程参数产生传感器信号；
测量电路，用于将所述传感器信号转换成测量数据；以及
控制电路，用于控制所述传感器信号的幅度，以便充分利用所述测量电路的动态范围；以及
控制电路使得在传感器的整个操作范围上使所述传感器信号的信号强度最大，以通过所述测量电路提高分辨率和噪声抑制。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述传感器包括电容传感器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述电容传感器是压差电容传感器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述控制电路控制所述压差电容传感器的激励，使得在压差减小时激励增大。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述测量电路包括∑-Δ模数A/D转换器。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述∑-ΔA/D转换器包括：
开关电容器积分器，具有连接至所述传感器的输入和提供积分器输出电压的输出；
电平检测器，具有连接至所述开关电容器积分器输出的输入和提供脉冲密度调制PDM信号的输出；以及
传感器激励发生器，响应于所述PDM信号给所述传感器提供激励。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述测量数据包括所述PDM信号，并且所述控制电路根据所述PDM信号的直流电平给所述传感器激励发生器提供激励电压。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述控制电路包括：
低通滤波器，对所述PDM信号进行滤波以产生PDM信号的直流电平；
绝对值电路，根据所述PDM信号的直流电平产生激励控制信号；以及
激励电平发生器，根据所述激励控制信号给所述传感器激励发生器提供激励电压。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述测量数据包括所述积分器输出电压，并且所述控制电路根据所述积分器输出电压给所述传感器激励发生器提供激励电压。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述控制电路包括：
自动增益控制电路，根据所述积分器输出电压产生激励控制信号；以及
激励电平发生器，根据所述激励控制信号给所述传感器激励发生器提供激励电压。
21.一种过程测量系统，包括：
传感器，用于根据过程参数产生传感器信号；
模数A/D转换器，用于将所述传感器信号转换成测量数据；以及
控制电路，用于根据来自所述A/D转换器的信号控制所述传感器的激励幅度。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述传感器包括电容传感器。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述电容传感器是压差电容传感器。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述控制电路控制所述压差电容传感器的激励，使得在压差减小时激励增大。
25.根据权利要求21所述的系统，其中所述A/D转换器包括：
开关电容器积分器，具有连接至所述传感器的输入和提供积分器输出电压的输出；
电平检测器，具有连接至所述开关电容器积分器输出的输入和提供脉冲密度调制PDM信号的输出；以及
传感器激励发生器，响应于所述PDM信号给所述传感器提供激励。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述控制电路根据所述PDM信号的直流电平给所述传感器激励发生器提供激励电压。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述控制电路包括：
低通滤波器，对所述PDM信号进行滤波以产生PDM信号的直流电平；
绝对值电路，根据所述PDM信号的直流电平产生激励控制信号；以及
激励电平发生器，根据所述激励控制信号给所述传感器激励发生器提供激励电压。
28.根据权利要求25所述的系统，其中所述控制电路根据所述积分器输出电压给所述传感器激励发生器提供激励电压。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述控制电路包括：
自动增益控制电路，根据所述积分器输出电压产生激励控制信号；以及
激励电平发生器，根据所述激励控制信号给所述传感器激励发生器提供激励电压。
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