DE112004000985T5

DE112004000985T5 - Mehrere in einem Prozesstransmitter gerspeicherte Kalibrierbereiche

Info

Publication number: DE112004000985T5
Application number: DE112004000985T
Authority: DE
Inventors: John L. Jr. Attleboro Koukol; Peter E. Attleboro Allstrom
Original assignee: Invensys Systems Inc
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: DE112004000985B4; US7003417B2; US20060100807A1; DE112004000985T8; WO2004111911A1; US20040249592A1

Abstract

Prozessvariablentransmitter mit:
einem Prozessvariablensensor;
einer Verarbeitungseinheit, die ausgelegt ist, einen Wert zu empfangen, der einem Signal entspricht, das von dem Prozessvariablensensor empfangen wird, wobei die Verarbeitungseinheit Ausgangswertberechnungsstufen umfasst, um einen kalibrierten Ausgangswert auf der Basis des empfangenen Werts zu schaffen, umfassend:
eine Charakterisierungsberechnungsstufe, und
eine Kalibrierberechnungsstufe; und
einen Kalibrierspeicher mit mehreren Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen, die eine Korrekturrelation ausdrücken, um Kalibrierkorrekturen für mehrere kalibrierte Bereiche in einem vollen Betriebsbereich des Prozessvariablentransmitters zu generieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft im Großen und Ganzen Prozessregelsystemtransmitter und insbesondere Prozessvariablentransmitter, die eingesetzt werden, um einen Prozessvariablenwert zu einer eine Entscheidung machenden Komponente eines Regelsystem für einen industriellen Prozess überträgt.
HINTERGRUND
Prozessvariablentransmitter werden in einer Vielfalt industrieller Anwendungen eingesetzt und stellen ein elektrisches Ausgangssignal bereit, das einem gemessenen Zustandssignal entspricht, das von einem Prozessvariablensensor (z.B. Temperatur, Druck, pH, etc.) generiert wird. Das elektrische Ausgangssignal des Sensors wird in einen entsprechenden Messwert für den bestimmten detektierten Typ der Umgebungsvariablen übersetzt. Der entsprechende Messwert wird wiederum in ein Ausgangssignal konvertiert, der zu einem Prozesskontroller übertragen wird. Der Prozesskontroller führt irgendeine Aktion in Bezug auf das empfangene Ausgangssignal durch.
Typischerweise ist die Zuordnung zwischen dem elektrischen Ausgang, der von dem Transmitter generiert wird, und dem Messwert, der aus dem Sensorsignal übersetzt wird, eine wohldefinierte reguläre (z.B. lineare) Beziehung, die sich nach dem Bereich gemessener Werte richtet. Zum Beispiel entspricht bei einem Transmitter, der eine 4-20 mA Stromschleife verwendet, ein 4 Milliampere Ausgang einem niedrigsten Wert in einem bestimmten Messbereich (z.B. Null Grad Celsius) und ein 20 Milliampere Ausgang entspricht einem höchsten Wert in einem bestimmten Messbereich (z.B. 100 Grad Celsius). Entsprechende Ausgangssignale für gemessene Werte in diesem Bereich werden dann aufgrund der relativen Positionen der gemessenen Werte in dem Bereich berechnet. Für den Fall eines linearen Ausgangsencodierschemas würden 50 Grad Celsius (der Mittelpunkt in dem Bereich 0 bis 100 Grad) einen Ausgang von 12 mA ergeben (der Mittelpunkt zwischen 4 und 20 Milliampere). In anderen Fällen werden nicht-lineare Encodierschemata verwendet (z.B. logarithmische).
Die Beziehung zwischen einem tatsächlichen Prozessvariablenwert (z.B. Temperatur) und einem Sensorausgangssignal (z.B. ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung) ist im Großen und Ganzen eine nicht-lineare, nicht-reguläre Beziehung. Folglich wird die Beziehung anfänglich während der Herstellung des Prozessvariablentransmitters über die Anwendung bekannter genauer Pozessvariableneingänge, Beobachten des Sensorausgangs und Erzeugen einer Charakterisierungsgleichung charakterisiert, die Unterschiede zwischen dem tatsächlichen Sensoreingang (z.B. Fluidtemperatur) und dem gemessenen Prozessvariablenwert vermindert, der aus dem Sensorausgangssignal berechnet wird. Die Charakterisierung linealisiert auch die Beziehung zwischen dem Ausgangswert und einer eingehenden-Prozessvariablen.
Danach wird eine Kalibrierkorrekturgleichung auf die charakterisierten berechneten Prozessvariablenwerte angewendet, um die Genauigkeit der berechneten Prozessvariablenwerte über einen bestimmten Bereich von Prozessvariableneingangswerten zu verbessern. Typische Transmittermesskalibrierungen sind Zwei-Punkt-Kalibrierungen, die präzise Umgebungsvariablenwerte an zwei Referenzpunkten genau verwenden, um eine lineare Korrekturdefinition mit einem Offset und einer Neigung zu machen. Die lineare Korrekturdefinition gleicht Unterschiede zwischen tatsächlichen Prozessvariablenwerten und den charakterisierten berechneten Werten aus, die durch Anwenden einer im Werk festgelegten charakterisierten Gleichung gemacht werden. Das Anwenden der auf der Kalibrierung bestehenden linearen Korrektur auf einen charakterisierten berechneten Messwert schafft im Großen und Ganzen einen reduzierten Fehler für berechnete Messwerte in dem Bereich zwischen den beiden Kalibrierpunkten – einschließlich eines im Großen und Ganzen minimierten Fehlers, obwohl nicht notwendigerweise an den beiden Kalibrierpunkten. Die beiden Kalibriersensoreingänge werden oft von der Person, die die Kalibrierung durchführt, ausgewählt, um den Endpunkten des beabsichtigten Betriebsbereichs des Transmitters zu entsprechen. Bei dem obigen Beispiel würden die beiden Kalibrierpunkte für einen Temperaturtransmitter bei Null und 100 Grad Celsius liegen – den beiden Endpunkten des gewünschten Betriebsbereichs der Temperaturtransmittervorrichtung.
Der Kalibrierprozess ist nicht nur zeitaufwendig, sondern auch resourcenintensiv, weil er das sehr genaue Anwenden physikalischer Prozessvariablenwerte erfordert, um die Referenzmessungen aufzunehmen. Die Referenzmessungen werden eingesetzt, um einen gemessenen Signalwert während des Betriebs des Prozessvariablentransmitters zu korrigieren. Während einer der gemessenen Werte in vielen Fällen "Null" sein wird, für den ein Referenzpunkt sehr leicht aufgenommen werden kann, sogar ohne eine präzise Prozessvariablenquelle (z.B. Druck oder Differentialdrucktransmitter), kann das Aufnehmen eines Referenzpunkts für einen zweiten gemessenen Wert (das andere Ende eines kalibrierten Bereichs) ein schwieriger Prozess sein. Als eine Folge kann das Neukalibrieren eines Prozessvariablentransmitters im Einsatz unmöglich oder zumindest höchst unpraktisch sein, sobald der Prozesstransmitter installiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Prozessvariablentransmitter gerichtet. Derartige Vorrichtungen werden bei Industrieprozessregelumgebungen eingesetzt, um einen Prozessvariablenzustand (z.B. einen Druck, eine Temperatur, eine Durchflussrate, eine Materialhöhe, usw.) wahrzunehmen. Der Prozessvariablentransmitter gibt ein elektronisches Signal aus, das dem wahrgenommenen Prozessvariablenzustand entspricht. Der Prozessvariablentransmitter umfasst einen Prozessvariablensensor. Eine Verarbeitungseinheit in dem Prozessvariablentransmitter ist ausgelegt, um einen Wert zu empfangen, der einem Signal entspricht, das von dem Prozessvariablensensor empfangen wird. Die Verarbeitungseinheit umfasst auch Ausgangswertberechnungsstufen, um einen kalibrierten Ausgangswert auf der Basis des empfangenen Werts zu schaffen. Insbesondere umfassen die Stufen eine Charakterisierungsberechnungsstufe (die eine Charakterisierungsgleichung auf dem Eingangswert anwendet). Eine Kalibrierberechnungsstufe wendet eine Kalibrierdefinition auf den charakterisierten Eingangswert an. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kalibrierspeicher eher mehrere Kalibrierkorrekturdefinitionseinträge, als dass er nur eine einzige Kalibrierdefinition unterstützt. Jeder Kalibrierdefinitionseintrag drückt möglicherweise eine Korrekturbeziehung für einen oder mehrere kalibrierte Bereiche aus, die in dem Kalibrierspeicher repräsentiert sind.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Konfigurieren eines Prozessvariablentransmitters, derart, dass der Transmitter fähig ist, simultan mehrere kalibrierte Bereiche innerhalb des vollen Auslesebereichs zu unterstützen, der von dem Transmitter unterstützt wird. Somit umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Befähigen eines Prozessvariablentransmitters der oben beschriebenen Art, kalibrierbasierte Korrekturen auf berechnete Sensormessungen in dem Prozessvariablentransmitter anzuwenden. Der Transmitter umfasst einen permanenten Speicher, der ausgelegt ist, um mehrere kalibrierbasierte Korrekturdefinitionen zu speichern, die den Unterbereichen innerhalb eines vollen Betriebsbereichs des Prozessvariablentransmitters entsprechen. Das erfinderische Verfahren bei einem derartigen Transmitter umfasst das Durchführen der folgenden Schritte, die unten zusammengefasst sind, für jeden der zumindest zwei kalibrierten Bereiche.
Anfänglich umfasst das Verfahren für jeden der zumindest zwei kalibrierten Bereiche das Machen von Sensorauslesungen für zumindest zwei bekannte Prozessvariableneingaben, die einem kalibrierten Bereich entsprechen. Als Nächstes werden digitale nicht kalibrierte Sensorauslesewerte für die beiden bekannten Prozessvariableneingaben generiert. Danach fährt das Verfahren fort, indem es die Werte auf die zumindest zwei bekannten Prozessvariableneingaben für die nicht-kalibrierten Sensorauslesewerte anwendet, um eine Kalibrierkorrekturdefinition zu schaffen. Danach wird die Kalibrierkorrekturdefinition entsprechend dem kalibrierten Bereich in einem Eintrag einer Kalibrierspeicherstruktur gespeichert. Die Kalibrierspeicherstruktur unterstützt das simultane Speichern mehrerer Kalibrierkorrekturdefinitionen, die bestimmten kalibrierten Bereichen zugeordnet sind. Somit werden beim Abschluss des Verfahrens zumindest zwei Kalibrierbereichsdefinitionen in dem Prozessvariablentransmitter gespeichert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Während die beigefügten Ansprüche die Merkmale der vorliegenden Erfindung mit Ausführlichkeit darlegen, kann die Erfindung zusammen mit ihren Aufgaben und Vorteilen am besten aus der vorliegenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, wobei:
1 ein schematisches Diagramm zeigt, das im Großen und Ganzen einen beispielhaften Prozessvariablentransmitter darstellt, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
2 eine hierarchische Baumstruktur zeigt, die eine beispielhafte Datenbeziehung für Einträge in einer Tabelle darstellt, die mehrere Kalibrierbereiche in einem permanenten Speicher auf dem beispielhaften Prozessvariablenentransmitter speichert;
3 einen beispielhaften Satz an Feldern zeigt, der einem Kalibriereintrag in der Kalibriertabelle zugeordnet ist, die in einem permanenten Speicher auf dem beispielhaften Prozessvariablentransmitter gespeichert ist;
4 einen beispielhaften Satz an Schritten zusammenfasst, die mit dem Aufstellen von Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen zur Speicherung in dem permanenten Speicher des beispielhaften Prozessvariablentransmitters verbunden sind;
5 einen beispielhaften Satz an Schritten zusammenfasst, die mit dem Generieren eines kalibrierten Prozessvariablenausgabewertes verbunden sind, auf der Basis einer aktuell ausgewählten Kalibrierdefinition (oder interpolierten Kalibrierdefinition) aus den mehreren Kalibrierdefinitionen, die in dem permanenten Speicher des beispielhaften Prozessvariablentransmitters gehalten werden;
6 eine Kurve zeigt, die einen beispielhaften Unterschied zwischen einem Ausgang, der von einer experimentellen Messung abgeleitet ist, und dem Ausgang darstellt, der von einer idealen Messung generiert werden würde, der der Fehler genannt wird, als eine Funktion des vollen Betriebsbereichs eines Prozessorvariablentransmitters;
7 eine Kurve zeigt, die den Einfluss darstellt, mehrere Kalibrierbereiche zu verwenden, um den effektiven Fehler eines Prozessvariablentransmitters gemäß einer Ausführung der Erfindung zu minimieren;
8 eine Kurze zeigt, die den Einfluss darstellt, mehrere aufeinanderfolgende (auf die der Reihe nach zugegriffen wird) Kalibrierbereiche zu verwenden, um den effektiven Fehler eines Prozessvariablentransmitters gemäß einer Ausführung der Erfindung zu minimieren; und
9 ein Flussdiagramm zeigt, dass Schritte zum Generieren eine Kalibriertabelle darstellt, die zumindest zum Teil von benutzerspezifizierten Kalibrierkorrekturwerten abgeleitet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevor man sich den Zeichnungen zuwendet, erklärt das Folgende im Großen und Ganzen eine Anzahl der Gesichtspunkte eines beispielhaften Prozessvariablentransmitters, der die vorliegende Erfindung verkörpert. Beim Betrieb wird eine nicht kalibrierte Messung berechnet. Danach wird eine definierte Kalibrierkorrektur angewendet, um eine kalibrierkorrigierte Messung für die Prozessvariable zu machen. Bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst der Prozessvariablentransmitter (z.B. Temperatur, Druck, pH, usw.) einen permanenten Speicher mit mehreren Einträgen zum Speichern von Kalibrierkorrekturdefinitionen über mehrere Kalibrierbereiche in dem vollen Betriebsbereich des Prozessvariablentransmitters. Nach der Berechnung einer Kalibrierkorrekturdefinition für einen bestimmten Bereich wird die Kalibrierkorrekturdefinition in dem permanenten Speicher bei einem Eintrag gespeichert, der dem bestimmten Bereich entspricht. Als eine Folge wird jedes Mal, wenn ein neuer Bereich kalibriert wird, eher eine neue Kalibrierkorrektur in ihrem eigenen bereichsspezifischen Ort gespeichert, als dass eine für einen anderen Bereich zuvor gespeicherte Kalibrierkorrekturdefinition verschoben wird.
Die mehreren Kalibrierbereiche erleichtern das Kalibrieren eines Prozessvariablentransmitters bei einer Anzahl von Bereichen für den Prozessvariablentransmitter und das Speichern der Kalibrierkorrekturdefinitionen während des Herstellungsverfahrens. Wenn der Prozessvariablentransmitter installiert und betrieben wird, ist ein Benutzer (oder der Transmitter arbeitet automatisch) fähig, einen von den zuvor gespeicherten Kalibrierbereichen auf der Basis des erwarteten Betriebsbereichs des installierten Prozessvariablentransmittersauszuwählen. Bei einer Ausführung der Erfindung erlaubt der Prozessvariablentransmitter es einem Benutzer, einen anfänglich spezifizierten Kalibrieroffset durch eine von den mehreren gespeicherten Kalibrierkorrekturdefinitionen aktuell ausgewählte Definition einzustellen.
Bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Prozessvariablentransmitter ein Drucktransmitter. Der Drucktransmitter hat eine hinreichende Rechenleistung und genug Speicherplatz, um schnell komplexe Operationen durchzuführen und um mehrere Kalibrierkorrekturdefinitionen für mehrere kalibrierte Bereiche zu speichern. Typischerweise generiert der Drucktransmitter unter Verwendung eines Drucksensors ein wahrgenommenes Zustandssignal in Abhängigkeit von dem Druck und überträgt einen Ausgangsstrom auf der Basis des Signals. Die Beziehung zwischen dem wahrgenommenen Zustandssignal und dem anliegenden Druck ist eine nicht-lineare, zum Teil charakterisiert/linearisiert durch ein Polynom höherer Ordnung, eine interpolative Nachschautabelle oder eine andere mathematische Korrektur. Der elektrische Ausgang des Drucksensors wird typischerweise während der Herstellung charakterisiert/korrigiert, um die Nichtlinearität der Beziehung zwischen dem wahrgenommenen Zustandssignal und dem anliegenden Druck erheblich zu reduzieren. Überdies werden Temperatureffekte des Sensors kompensiert.
Bei einer Implementierung werden mehrere Zwei-Punkt-Kalibrierungen während der Herstellung eines Prozessvariablentransmitters (z.B. Druck-) durchgeführt, um verbleibende Fehler über bestimmte Betriebsbereiche zu reduzieren (ausgedrückt als ein Bruchteil der oberen Bereichsgrenze- oder URL des Transmitters). Nur beispielhaft werden wahrgenommene Zustandsreferenzsignale bei bekannten anliegenden Drücken genommen, die den Endpunkten des vollen Bereichs des Transmitters (0 und 100% des URL) entsprechen, ebenso wie bei Bruchteilen des vollen Bereichs (z.B. 50%, 20% usw.). Zwei-Punkt-Kalibrierkorrekturdefinitionen werden aufgrund von Unterschieden zwischen den anliegenden und berechneten Drücken für Bereiche generiert, die durch zwei beliebige der Kalibriermesspunkte spezifiziert sind. Die Kalibrierkorrekturdefinitionen werden dann als ein Satz von Tabelleneinträgen in einem permanenten Speicher gespeichert. Auf die Einträge wird dann zum Beispiel durch Bereichskennzeichnungen zugegriffen.
Es ist oft erwünscht, den kalibrierten Offsetwert nach dem Installieren eines Transmitters einzustellen. Jedoch ist für Drucktransmitter eine derartige Offseteinstellung (z.B. Nullstellen) typischerweise viel leichter als die Zwei-Punkt-Offset-/Neigung-Kalibrierung, die während des Herstellungsverfahrens bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Ausführungen der Erfindung erlauben es einem Benutzer, ihre eigenen Kalibrierkorrekturdefinitionen zu zuvor in dem oben erwähnten permanenten Speicher hinzuzufügen, der die mehreren Kalibrierkorrekturdefinitionen für verschiedene Betriebsbereiche des Prozessvariablentransmitters enthält.
Die Kalibrierkorrekturdefinitionen, die in dem permanenten Speicher gespeichert sind, können gemäß verschiedenen Ausführungen der Erfindung eine Vielfalt von Formen haben. Bei einer Ausführung der Erfindung, die als Zwei-Punkt-Kalibrierung bezeichnet wird, umfasst jede Korrekturdefinition eines kalibrierten Bereichs Offset- und Neigungskoeffizienten, die eine lineare Korrekturgleichung definieren. Bei anderen Ausführungen wird eine größere Anzahl an Punkten verwendet, um einen Satz von Koeffizienten zu generieren, die eine Korrekturkurve mit einem Polynom höherer Ordnung definieren. Bei noch weiteren Ausführungen umfassen die Kalibrierkorrekturdefinitionen Rohkalibriereingangsdaten (von denen Kalibriergleichungskoeffizienten geschaffen werden) – und nicht die Korrekturgleichungen selber.
Bei einer weiteren beispielhaften Implementierung der Erfindung werden Korrekturdefinitionen für einen Kalibrierbereich für jeden Satz von Temperaturen gemacht. Der Transmitter verwendet dann den Kalibrierdatensatz, der bei der Kalibriertemperatur bestimmt wurde, die für eine aktuelle Temperatur die am besten passende ist. Um diese Beziehung genauer zu machen, oder um große Sprünge zu vermeiden, wenn zwischen zwei Temperaturkompensationswerten geschaltet wird, wird eine Interpolationstechnik auf einer Echtzeitbasis angewendet, um Temperaturänderungen zu verfolgen. Zum Beispiel wird ein gewichtetes Mittel der Neigungs- und Offsetwerte bei zwei Kalibrierdatensätzen auf jeder Seite der aktuellen Temperatur eingesetzt, um eine temperaturkompensierte Kalibrierkorrekturkurve zu definieren. Bei dieser Implementierung korrigieren die Prozessvariablentransmitterkalibrierungen sowohl bereichsbezogene als auch temperaturbezogene Einflüsse auf die Kalibriergenauigkeit für wahrgenommene Prozessvariablen.
Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere 1 ist die Erfindung in einem Prozessvariablentransmitter 100 verkörpert. Der Prozessvariablentransmitter 100 umfasst einen ersten Prozessvariablensensor S₁ 102, einen zweiten Prozessvariablensensor S₂ 204 und einen Elektroniktemperatursensor T_e 106. Bei der beispielhaften Ausführung schafft der Elektroniktemperatursensor 106 ein Maß für die Umgebungstemperatur in der Nähe der Elektronik (im Gegensatz zu dem Prozessvariablensensoren 104, 106) des Prozessvariablentransmitters 100. Außerdem umfasst der Transmitter 100 einen Prozessor 110, der Zugriff auf einen permanenten Speicher 108 hat, und Eingänge zum Empfangen von Eingangssignalen von den Sensoren 102, 104 und 106. Derartige Eingangssignale umfassen bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung Signale, die repräsentativ für Prozessvariablen der wahrgenommenen Temperatur, des wahr genommenen Drucks, des wahrgenommenen pH-Werts usw. von Eingangssignalarten der Prozessvariablen sind. Wie den Fachleuten auf dem Gebiet angesichts der vorliegenden Offenbarung klar sein wird, ist die vorliegende Erfindung potentiell auf eine große Vielfalt von Prozessvariablentransmitterarten zum Wahrnehmen und Übertragen eines Signals anwendbar, dass für einen wahrgenommenen physikalischen Zustand repräsentativ ist. Der Betrieb des Prozessors 110 wird durch Programmbefehle und -daten festgelegt (einschließlich Kalibrierkorrekturdefinitionen für mehrere Kalibrierbereiche und -temperaturen), die in dem permanenten Speicher 108 gespeichert sind. Es ist klar, dass der permanente Speicher 108 mehrere Komponenten umfassen kann, einschließlich sowohl programmierbarer (z.B. EEPROM) und nicht-programmierbarer (z.B. Nur-Lese-Speicher) Komponenten. Die programmierbaren Datenkomponenten des permanenten Speichers 108, insbesondere kalibrierbezogene Korrekturgleichungskoeffizienten, werden vorliegend unten mit Bezug auf 2 weiter beschrieben.
Wie es den Fachleuten angesichts der Ausführungsbeispiele klar sein wird, gibt es eine Vielfalt von Wegen, die analogen Signale, die den wahrgenommenen physikalischen Zuständen entsprechen, von den Sensoren, wie zum Beispiel den Sensoren 102, 104 und 106 zu dem Prozessor 110 zu übermitteln. Die Eingänge des Prozessors 110, die an die Sensoren 102, 104 und 106 bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung angeschlossen sind, umfassen analoge Signaleingänge. Wie in 1 dargestellt, sind die analogen Signale auf den dedizierten analogen Signalleitungen 103, 105 und 107 an entsprechende analoge Signaleingänge des Prozessors 110 angeschlossen. Die von dem Prozessor 110 über die Leitungen 103, 105 und 107 empfangenen Signale werden zu einem oder mehreren Analog-zu-Digital-Konvertern geleitet, die in dem Prozessor 110 aufgenommen sind. Jedoch werden bei alternativen Ausführungen der Erfindung eines oder mehrerer der analogen Signale, die von den Sensoren 102, 104 und 106 bereitgestellt werden, zu einer externen Multiplexschaltung geleitet, die wiederum ein selektiertes der analogen Signale zu einem analogen Eingang an dem Prozessor 110 leitet. Bei noch einer weiteren Ausführung der Erfindung werden die analogen Signale von den Sensoren 102, 104 und 106 zu einem externen Digital-zu-Analog-Konverter mit einem digitalen Ausgang gelenkt, der an einen digitalen Eingang des Prozessors 110 angeschlossen ist. Der digitale Ausgang des externen Digital-zu-Analog-Konverters wird von dem Prozessor 110 über einen digitalen Eingang gelesen/registriert.
Der Prozessor 110 verarbeitet bei dem Ausführungsbeispiel digitalisierte analoge Eingangssignale von den Sensoren 102, 104 und 106 gemäß den Befehlen und Daten, die von dem permanenten Speicher 108 bereitgestellt werden, um einen digitalen Prozessvariablenwert zu schaffen. Der digitale Prozessvariablenwert ergibt sich aus Auslesungen der analogen Signale, die von einem oder mehreren der Sensoren 102, 104 und 106 bereitgestellt werden. Der Prozessor 110 gibt entweder synchron oder asynchron den digitalen Prozessorvariablenwert über die Leitung 112 zu einem Schnittstellenausgangsabschnitt 118 des Prozessvariablentransmitters 100 aus.
Der Schnittstellenausgabeabschnitt 118 unterstützt die Kommunikation zwischen dem Transmitter 100 und anderen kommunikativ angeschlossenen Datenerfassungs- und/oder Regelkomponenten. Bei einer Ausführung der Erfindung umfasst der Schnittstellenausgangsabschnitt 118 eine konventionellen 4 bis 20 Milliampere Schnittstelle, die von einem Zählwert gesteuert wird, der über die Leitung 112 übermittelt wird. Jedoch umfasst der Schnittstellenausgangsabschnitt 118 bei einer anderen Ausführung der Erfindung einen digitalen Ausgang, der einen digitalen Ausgang auf einem Feldbus bereitstellt, an den mehrere Feldvorrichtungen (z.B. Prozessvariablentransmitter) kommunikativ angeschlossen sind. Die vorliegende Erfindung ist nicht in ihren breitesten Begriffen auf irgendeine bestimmte Kommunikationsbetriebsweise beschränkt, die von dem Prozessvariablentransmitter 100 eingesetzt wird, um einen Prozessvariablenwert zu einer anderen Komponente eines Prozessregelsystems zu kommunizieren.
1 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der der Schnittstellenausgangsabschnitt 118 ein analoges Signal mit einer Größe bereitstellt, die der Position des berechneten Prozessvariablenwerts in Bezug auf einen aktuell ausgewählten Bereich von Werten entspricht, der für den Prozessvariablentransmitter ausgewählt ist. Bei dem niedrigsten Wert in dem ausgewählten Bereich hat das analoge Signal auf der Leitung 130 den Messwert 4 Milliampere. Bei dem höchsten Wert in dem ausgewählten Bereich hat das analoge Signal auf der Leitung 130 den Messwert 20 Milliampere. Bei dem Ausführungsbeispiel empfängt ein beschnittener Pulsbreitenmodulations-(PBM)generator 120 das digitale Signal auf Leitung 112 (die eine oder mehrere physikalische Leitungen umfassen kann). Der PBM-Ausgang von dem Generator 120 wird sequentiell über analog konditionierende Schaltungen einschließlich einen Tiefpassfilter 122 und einem Spannung-zu-Strom-Konverter 124 geleitet, um ein analoges Signal auf der Ausgangsleitung 130 bereitzustellen.
Wenn der Transmitter 100 eingesetzt wird, um Umgebungszustände wahrzunehmen, empfängt er wahrgenommene Zustandssignale über die Sensoren 102, 104 und 106 und stellt einen entsprechend kalibrierten Ausgang über die Leitung 130 bereit, der interpretiert wird, dass er einen bestimmten Umgebungsvariablenwert bezüglich des wahrgenommenen Zustands repräsentiert. Bei einem beispielhaften Prozessvariablentransmitter 100 umfasst der erste Prozesssensor 102 einen Drucksensor, umfasst der zweite Prozesssensor 104 einen Temperatursensor (der die Temperatur in der Nähe von dem (Druck-)Sensor 102 mißt), und der entsprechend kalibrierte Ausgang auf der Leitung 112 repräsentiert einen kalibrierten gemessenen Prozessdruck. Diese und andere Variationen von Prozessvariablentransmittern sind in der Technik wohl bekannt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf eine Vielfalt von Prozessvariablentransmittern anwendbar, die eine breite Vielfalt von Prozesssensoren einsetzen, die den Bereich von industriellen Anwendungen abdecken.
Mit Bezug auf 2 verkörpert die vorliegende Erfindung das gleichzeitige Speichern von Kalibrierinformationen für eine Vielfalt von Bereichen in dem vollen Betriebsbereich eines Prozessvariablentransmitters. Gemäß diesem Merkmal setzt der Prozessvariablentransmitter 100 den programmierbaren permanenten Speicher 108 ein, um eine Kalibrierdatentabelle (oder irgendeine andere geeignete Datenstruktur einschließlich zum Beispiel Aufzeichnungen, Listen, typisierte XML-Daten usw.) zu führen. Bei einer Ausführung der Erfindung werden die Kalibrierdaten gemäß einem Schema gespeichert/abgerufen, das anhand eines Beispiel in 2 dargestellt ist. Die dargestellte Baumstruktur indiziert mit Kennzeichnungen versehene Felder einer Kalibrierkorrekturdefinitionstabelle in einer Datenbank, die in dem permanenten Speicher 108 gehalten wird. Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst sowohl Bereichs- als auch temperaturverschlüsselte(n) Kalibrierdefinitionsspeicherung/-zugriff. Es gibt eine Vielfalt von Wegen, die Kalibrierdaten zu speichern, und derartige Wege werden bei alternativen Ausführungen der Erfindung in Erwägung gezogen.
Das beispielhafte Kalibrierdatenspeicherschema, das in 2 dargestellt ist, beginnt an einem höchsten Level mit einer Kalibrierwurzel 200. Die Kalibrierwurzel 200 entspricht beispielsweise der Kalibriertabellenadresse in dem permanenten Speicher 108. Die Kalibrierwurzel 200 wiederum verweist auf einen Satz von bereichsbasierten Einträgen 202, 204, 206 und 208 – vier Bereiche werden unter einem primären Suchschlüssel in der beispielhaften Kalibriertabelle bereitgestellt. Jeder der bereichsbasierten Einträge 202, 204, 206 und 208 ist (durch Kennzeichnung, Markieren usw.) einem Kalibrierbereich zugeordnet, ausgedrückt in einem Prozentsatz des vollen Bereichs des Prozessvariablentransmitters 100 (z.B. 0-10 %, 0-20 %, 0-40 und 0-100 %). Die bereichsbasierten Einträge 202, 204, 206 und 208 sind überdies fähig, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß einem zweiten temperaturbasierten Suchschlüssel spezieller begrenzt zu werden. Die bereichsbasierten Einträge 202, 204, 206 und 208 als solche nehmen Bezug auf Sätze von temperaturbasierten Untereinträgen. Jeder der temperaturbasierten Untereinträge (z. B. Einträge 210, 212, 214 und 216 für den Bereichsbasierten Eintrag 202), der einer bestimmten Kalibriertemperatur und einem zuvor spezifizierten Bereich zugeordnet ist, umfasst eine Kalibrierkorrekturdefinition bei dem untersten Wert des Kalibrierbaums, der in 2 dargestellt ist. Bei einer Ausführung der Erfindung umfasst jedes Blatt des Baumes einen Offsetknoten (z.B. Offsetknoten 220) und einen Neigungsknoten (z.B. Neigungsknoten 222). Jedoch umfassen alternative Ausführungen der Erfindung Kalibrierdefinitionen, die in unterschiedlicher Form gespeichert sind, einschließlich zum Beispiel Rohkalibrierdaten, von denen ein Offset und eine Neigung abgeleitet werden. Überdies entsprechen die Neigung und der Offset einer Kalibrierung erster Ordnung/Zwei-Punkt-Kalibrierung. Alternativ führen die Kalibrierverfahren höherer Ordnung zu zusätzlichen Kalibriergleichungskoeffizienten, die dem Koeffizienten des höheren Niveaus einer Kalibrierkorrekturgleichung entsprechen. Es ist klar, dass ein erheblicher Teil der Unterknoten in der Baumstruktur, die in 2 dargestellt ist, nicht in der Zeichnung aufgenommen sind, um ein unangemessenes Komplizieren der Baumzeichnung zu vermeiden.
Mit Bezug auf 3 wird ein beispielhafter einzelner Tabelleneintrag entsprechend einem bestimmten Bereich und einer bestimmten Temperatur gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein Bereichsfeld 300 bestimmt bei einer Ausführung der Erfindung einen bestimmten Bereich, dem eine bestimmte Kalibrierdefinition zugeordnet ist. Das Bereichsfeld 300 entspricht bei einer Ausführung der Erfindung zwei Punkten (z.B. den Endpunkten), an denen die Kalibrierung durchgeführt wurde. In diesem Fall liegt es an einem Entwerfer eines aktuellen Bereichs des Prozessvariablentransmitters, eine geeignete von den Kalibrierdefinitionen zu wählen. Alternativ speichert das Bereichsfeld 300 einen Bereich, über den die Kalibrierung verwendet werden soll. Als Nächstes spezifiziert ein Temperaturfeld 302 eine Temperatur, bei der eine Kalibrierdefinition erhalten wurde. Eine Kalibrierkorrekturdefinition 304 umfasst bei einer Ausführung der Erfindung die Koeffizienten (z.B. Neigung und Offset) einer Gleichung, die verwendet wird, um einen kalibrierten Messwert aus einem charakterisierten/nicht kalibrierten Messwert zu machen. Es wird betont, dass der oben beschriebene Kalibriertabelleneintrag beispielhaft ist, und dass eine große Vielfalt von Kalibrierdatenspeicheranordnungen bei alternativen Ausführungen der Erfindung in Erwägung gezogen werden.
Mit Bezug auf 4 wird ein beispielhafter Satz an Schritten dargestellt, um eine Kalibrierkorrekturdefinitionstabelle aufzustellen, die mehrere Kalibrierbereichskorrekturdefinitionen enthält, die in dem permanenten Speicher 108 gespeichert werden, und auf die von dem Prozessor 110 und seinen geladenen Programmen zugegriffen wird, um einen kalibrierten Ausgang für die Ausgangsschnittstelle 118 des Prozessvariablentransmitters zu generieren. Die in 4 zusammengefassten Schritte repräsentieren eine einzelne Bereichskalibrierung bei einer bestimmten Temperatur. Die Schritte werden sooft wiederholt, wie es erwünscht ist, um eine Vielfalt von Bereichen und Temperaturen abzudecken. Jede Iteration des Satzes von Kalibrierschritten führt zu einem zusätzlichen Eintrag in der Kalibriertabelle in dem permanenten Speicher des Prozessvariablentransmitters 100.
Am Anfang werden während Schritt 400 bekannte obere und untere Prozessvariablenwerte des Bereichs bei einer aktuellen Temperatur angewendet, und Sensorausgangsauslesungen werden gemacht. Es ist klar, dass die Auslesungen mehrere gemittelte Auslesungen bei jedem der anliegenden Drucke umfassen können. Überdies werden, während ein hoher und niedriger Druck bei dem Ausführungsbeispiel genommen werden, bei alternativen Ausführungen der Erfindung zusätzliche Auslesungen bei dazwischenliegenden bekannten Prozessvariablenwerten gemacht, um die Genauigkeit der Korrekturdefinition (Kurve) zu vergrößern.
Als Nächstes erzeugt der Prozessor 110 in Schritt 410 charakterisierte, aber nicht kalibrierte, digitale Werte, die den Messungen der Prozessvariablen entsprechen, die während Schritt 400 gemacht wurden. Bei einer Ausführung der Erfindung werden charakterisierte digitale Werte in Ausdrücken des vollen Betriebsbereichs des Prozessvariablentransmitters ausgedrückt. Danach werden im Schritt 420 die charakterisierten/nicht kalibrierten Werte mit den bekannten anliegenden Werten verglichen. Die Unterschiede zwischen den bekannten und berechneten Prozessvariablenwerten bei jedem der Kalibrier punkte werden dann verwendet, um eine Kalibrierkorrekturdefinition für den kalibrierten Bereich und die Kalibriertemperaturen zu schaffen. Es ist klar, dass das Schaffen der Kalibrierdefinitionen bei irgendeinem Punkt geschehen kann, nachdem die berechneten Werte für bekannte anliegende Drücke generiert wurden. Zum Beispiel werden bei einer Ausführung der Erfindung in einer ersten Kalibrierstufe die nicht kalibrierten Werte für eine Anzahl von bekannten anliegenden Prozessvariablenwerten berechnet. Zu irgendeiner späteren Zeit werden Korrekturkurven für eine Anzahl von Bereichen aus den zuvor registrierten nicht kalibrierten Werten um ihren zugehörigen bekannten anliegenden Werten generiert.
Nach dem Generieren einer Kalibrierkorrekturdefinition werden Definitionen an besonderen Bereichs- und Temperaturspezifischen Orten im Schritt 430 gespeichert. Bei einer Ausführung der Erfindung werden die Kalibrierdefinitionen in einer Tabelle gespeichert, die einer rudimentären Datenbank zugeordnet ist. Während eine Vielzahl von Speicheranordnungen in Erwägung gezogen werden, halten Ausführungen der Erfindung eine Zuordnung auf einen Kontext, der zumindest die bekannte Prozessvariable umfasst, die anliegt, um die Kalibrierinformation zu schaffen. Die Kalibrierfähigkeiten werden des Weiteren vergrößert, indem eine Temperaturbezeichnung in den Kontext aufgenommen und Kalibrierauslesungen bei mehreren Temperaturen gemacht werden, und danach die Kalibrierung für jede der Temperaturen in dem permanenten Speicher 108 gespeichert wird.
Mit Bezug auf 5 umfasst ein Satz von Schritten die allgemeinen Schritte zum Ausgeben eines kalibrierten Prozessvariablenwerts zusammen (wobei Betonung auf die Kalibrierkorrektur gelegt ist). Am Anfang werden im Schritt 500 digitalisierte Sensorrohwerte von dem Prozessor 110 von einem oder mehreren der Prozessvariablensensoren ausgelesen. Im Schritt 510 wendet der Prozessor eine Charakterisiergleichung an (oft umfassend ein Polynom hoher Ordnung), um auf eine bekannte Weise nicht kalibrierte Messwerte zu schaffen. Im Schritt 520, der zu irgendeinem Zeitpunkt vor Schritt 530 stattfinden kann, wird eine Kalibrierkorrekturdefinition ausgewählt, um auf den nicht kalibrierten Wert angewendet zu werden, der im Schritt 510 geschaffen wurde. Bei einer Ausführung der Erfindung beruht die ausgewählte Kalibrierdefinition nur auf einen ausgewählten Betriebsbereich. Im Allgemeinen wird eine Kalibrierdefinition ausgewählt, die am besten einem aktuellen Bereich des Prozessvariablentransmitters 100 entspricht. In diesem Fall braucht dann, wenn sich der Bereich nicht ändert, eine neue bereichsspezifische Kalibrierdefinition nicht ausgewählt zu werden.
Jedoch wird bei verbesserten Ausführungen die Auswahl einer besonderen Kalibrierdefinition auf einer dynamischeren Basis festgelegt, indem eine aktuelle Temperatur nahe dem Sensor wahrgenommen wird und dann eine temperaturspezifische Kalibrierkorrekturdefinition ausgewählt wird (oder eine durch Interpolieren zwischen zwei benachbarten temperaturspezifischen Definitionen für einen ausgewählten Bereich auf der Basis einer aktuellen Temperatur berechnet wird). Die oben beschriebenen Kalibrierbereiche reduzieren Ungenauigkeiten, aber systematische Fehler, die durch derartige Faktoren eingeführt werden, wie die Temperatur, werden nicht berücksichtigt. Daher werden, wie oben erklärt, die Kalibrierkorrekturdefinitionen bei mehreren Temperaturen aufgezeichnet, und die Ergebnisse in dem Speicherraum 108 gespeichert. Unter Verwendung eines Temperatursensors, wie zum Beispiel Sensor 104, verwendet der Prozesstransmitter 100 eine Kalibrierdefinition, die bei einer Kalibriertemperatur generiert wurde, die am dichtesten an der tatsächlich gemessenen Temperatur liegt, um temperaturabhängige Effekte (hauptsächlich den Offset) auszugleichen. Die Durchführung dieses Algorithmus wird ferner verbessert, indem ein gewichtetes Mittel der Kalibrierbereiche verwendet wird, die bei Kalibriertemperaturen auf jeder Seite der tatsächlichen Temperatur erzeugt wurden. Wenn somit die Temperatur 94 Grad beträgt, werden die Kalibrierdefinitionen, die bei 80 Grad generiert wurden, und die bei 100 Grad generiert wurden, für einen besonders ausgewählten Bereich verwendet, um ein gewichtetes Mittel abzuleiten, das nahe an die hypothetischen Kalibrierdaten herankommt, die bei der tatsächlichen Temperatur von 94 Grad generiert werden würde.
Als nächstes wendet der Prozessor 110 im Schritt 530 die ausgewählte/interpolierte Korrekturdefinition auf den charakterisierten gemessenen Wert an. Obwohl es in dem Flussdiagramm gezeigt ist, wird noch ein weiterer Kalibrierwert (Null-Offset) nicht während einer Benutzer-initiierten Nullstellungsoperation möglicherweise spezifiziert. Der Null-Offset wird auch im Schritt 530 angewendet. Schritt 530 schafft somit einen kalibrierkorrigierten Prozessvariablenwert. Der Pozessvariablenwert wird dann im Schritt 540 für ein möglicherweise weiteres Verarbeiten gespeichert (z.B. Mittelwertbilden, Filtern, Konvertierung in ein erwartetes Ausgangsformat, usw.) und über die Transmitterausgangsschnittstelle 118 ausgegeben.
Die Figuren, die folgen, und ihre Beschreibung sind dazu gedacht, die Vorteile, die die vorliegende Erfindung aufweist, zu betonen. Mit Bezug auf 6 wird eine Kurve dargestellt, die einen beispielhaften Unterschied zwischen einem Ausgang darbietet, der von einer experimentellen Messung abgeleitet wurde, und dem Ausgang, der von einer idealen Messung generiert werden würde, genannt der Fehler, als eine Funktion des vollen Betriebsbereichs eines Prozessvariablentransmitters 100. Für den Fall, dass der Prozessvariablentransmitter 100 ein Drucktransmitter ist, repräsentiert diese Kurve den Fehler zwischen dem gemessenen Prozessdruck und dem tatsächlichen Prozessdruck in dem System. Wie gezeigt, ist der tatsächliche Prozessdruck mit dem vollen Betriebsbereich des Drucktransmitters gemäß einer komplexen Beziehung unter- und überschätzt. Die Beziehung zwischen dem tatsächlichen Druckwert und dem von dem Drucksensor 102 wahrgenommenen Zustandssignal ist oft nicht linear, wodurch sich ein Anstieg für diese Ungenauigkeiten ergibt. Obwohl der berechnete Ausgang zum Teil für Nichtlinearitäten und die Effekte der Temperatur über seinen vollen Bereich korrigiert wurden, sind diese Prozessmessungen nicht perfekt, und daher bleiben Restfehler in dem gesamten Bereich. Wenn nur ein Teil des vollen Betriebsbereichs des Druckprozesstransmitters eingesetzt wird, können Fehler größer als 1 % des spezifizierten Betriebsbereichs der Vorrichtung realisiert werden. Bei vielen Anwendungen sind diese Fehler unakzeptabel und müssen daher weiter minimiert werden.
Die Ergebnisse der Minimierung dieser Fehler gemäß einer Ausführung der Erfindung sind in der Kurve in 7 dargestellt. Wie in 7 gezeigt, wird der volle Betriebsbereich des Prozesstransmitters von 0 bis 100 % der oberen Bereichsgrenze nicht für jede Prozessmessung verwendet. Stattdessen wird der Bereich in mehrere Kalibrierbereiche gebrochen, die verschiedene Endpunkte für einen sorgfältigeren Zuschnitt des Kalibrierbereichs für den Betriebsbereich des Transmitters 100 verwenden. Diese Kalibrierbereiche sind durch Punkte an der Kurve repräsentiert, die durch gerade Linien getrennt sind. Wie in der Kurve gezeigt, wurden Endpunkte von 5, 10 und 30 gewählt, um drei Kalibrierbereiche zu definieren, die genauere Prozessmessungen in solchen Bereichen ergeben werden. Wenn somit zum Beispiel ein Prozesstransmitter in dem Bereich von 11–16 % der oberen Bereichsgrenze betrieben wird, hat der Benutzer die Fähigkeit, den Kalibrierbereich von 0 bis 30 % und nicht den ursprünglichen Bereich von 0 bis 100 % zu verwenden. Unter Verwendung des vollen Betriebsbereichs ist der Benutzer mit einem Fehler von ungefähr 1 % der oberen Bereichsgrenze konfrontiert. Unter Verwendung des beschränkteren Kalibrierbereichs von 0 bis 30 %, wird der maximale kalibrierte Ausgangsfehler ungefähr 0,5 %, eine entscheidende Verbesserung gegenüber dem Betreiben desselben Prozesstransmitters in einem anderen Kalibrierbereich.
Durch Speichern der Werte, die diese Kalibrierbereiche definieren, in dem Speicherraum 108 des Prozesstransmitters, und nicht Kalibrieren der Vorrichtung für jede Anwendung, werden Zeit und Geld gespart, wenn nur eine Nulleinstellung durchgeführt und verwendet wird, sobald der Prozesstransmitter 100 installiert wurde.
Es gibt viele alternative Mittel zum Ableiten, Kalibrieren und Speichern von Kalibrierbereichen. Bei einer Ausführung wird der Prozesstransmitter 100 mit einem Merkmal versehen, das es dem Benutzer erlaubt, die Kalibrierung durchzuführen. Wenn zum Beispiel ein Benutzer die teure Ausstattung hat, genaue Druckmessungen zu machen, kann das wahrgenommene Referenzzustandssignal, das 30 % des oberen Bereichsgrenzdrucks der Vorrichtung entspricht, in dem Speicherraum 108 gespeichert werden. Da es relativ leicht ist, Druckprozesstransmitter "Null" zu stellen, hat die Vorrichtung dann zwei gespeicherte Referenzpunkte, um einen Kalibrierbereich einschließlich Neigung und Offset einer neu definierten Beziehung zwischen berechnetem Ausgang des Prozessors 110 und dem wahrgenommenen Zustandssignal von dem Sensor 102 zu generieren. Indem man dem Benutzer die Fähigkeit gibt, spezifische Kalibrierbereiche zu definieren, kann der tatsächliche Betriebsbereich, auf den der besondere Prozesstransmitter 100 stoßen wird, genauer abgeschätzt werden. Ein kleinerer Kalibrierbereich ergibt typischerweise ein genaueres Ergebnis.
Die meisten potentiellen Benutzer würden wahrscheinlich von Kalibrierbereichen profitieren, die vor dem Empfang des Prozesstransmitters 100 generiert wurden. Um Kosten zu minimieren, könnten viele Prozesstransmitter 100 über mehrere "populäre" Kalibrierbereiche kalibriert werden. Bei der besonderen industriellen Anwendung werden die gespeicherten Kalibrierdefinitionen ausgewählt, um zu dem aktuellen Betriebsbereich der Anwendung zu passen.
Wie oben erwähnt, sind die besonderen Mittel zum Speichern auch sehr variabel. Bei einer Ausführung werden die Neigung und der Offset des Kalibrierbereichs gespeichert. Bei einer weiteren Ausführung werden die zwei Punkte, die das wahrgenommene Zustandssignal zu dem gemessenen Prozesswert in Beziehung setzen, gespeichert. Solange die Korrekturrelation durch die gespeicherte Information definiert werden kann, kann der Kalibrierbereich später verwendet werden.
Im Allgemeinen nimmt die absolute Genauigkeit der Vorrichtung zu, wenn der Kalibrierbereich des Prozesstransmitters kleiner wird, da außer in wenigen Fällen kürzere Segmente einer Kurve linearer sind. In 8 nutzt eine Ausführung der Erfindung den Vorteil dieser Tatsache, damit sich genauere Prozessergebnisse ergeben. Der Kalibrierbereich wird lieber von irgendeinem Punkt entlang des vollen Betriebsbereichs zu irgendeinem anderen Punkt definiert, oft auf eine aufeinanderfolgende Weise, als dass Kalibrierbereiche von Null bis zu irgendeinem variierenden Prozentsatz der oberen Bereichsgrenze definiert werden. Somit sind die mehreren Kalibrierbereichen, die in 8 gezeigt sind, 0 bis 5 %, 5 bis 10 %, 10 bis 30 % und 30 bis 100 %. Bei zumindest den ersten drei Kalibrierbereichen minimieren diese Kalibrierbereiche Fehler effektiver, als das einzelne Bereichssystem, das in 6 gezeigt ist, und sogar effektiver als die Kalibrierbereiche, die mit Bezug auf 7 beschrieben werden. Überdies können die Kalibrierdefinitionen während des Betriebs eines Transmitters dynamisch umgeschaltet werden, wenn der wahrgenommene Druck in einem unterschiedlichen Bereich in dem Satz kalibrierter Bereiche übergeht, die in 8 repräsentiert sind. In diesem Fall werden die gespeicherten Neigungen und Offsets für jeden Bereich berechnet, damit sie den Endpunkten der benachbarten Bereiche gleichen, um auf diese Weise Diskontinuäten zwischen kalibrierten Bereichen zu eliminieren.
Es wird in Erwägung gezogen, dass das Durchführen der Kalibrierverfahren als Teil des Herstellungsstufe, um mehrere kalibrierte Bereiche zu schaffen, es Benutzern ermöglichen wird, auf eine Feldkalibrierung der Transmitter zu verzichten. Kalibrierkorrekturen eines Transmitters werden gemäß der fabrikinstallierten Kalibrierkorrekturdefinitionen ausgeführt. Jedoch wollen einige Benutzer zumindest die Fähigkeit haben, die Kalibrierung ihrer Transmitter durchzuführen (mit der Möglichkeit, wenn es benötigt wird, die von dem Werk bereitgestellten Vorgabewerte zu verwenden). Somit umfasst gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung der Transmitter zumindest zwei Kalibriertabellen, die es erleichtern, zwei unterschiedliche Sätze von Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen bereitzustellen. Die erste Kalibriertabelle wird mit Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen gefüllt, die von einem Hersteller/Zulieferer eingegeben werden. Die zweite Kalibrierkorrekturtabelle wird zumindest zum Teil durch den Benutzer/Installateur des Transmitters spezifiziert.
Der erste Satz an Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen wird von dem Hersteller bereitgestellt. Der erste Satz wird als ein Vorgabe/Nur-Lesesatz behandelt, der nicht überschrieben werden kann. Der Vorgabesatz wird zum Beispiel während der Werkkalibrierung gebildet (wenn der Sensor charakterisiert wird und das transmitterkalibrierte Temperaturverhalten bestimmt/charakterisiert wird). Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Transmitter bei fünf verschiedenen Prozessvariableneingangswerten (z.B. Drücken) für jede von fünf unterschiedlichen Temperaturen kalibriert.
Der zweite Satz an Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen kann, obwohl er anfänglich eine Kopie der Werkvorgabekalibrierwerte spezifiziert (gespeichert in dem ersten Satz von Kalibrierkorrektionsdefinitionseinträgen) von einem Benutzer in Übereinstimmung mit den eigenen Kalibrierprozeduren/Spezifizierungen des Benutzers überschrieben/verschoben/ersetzt werden. Zum Beispiel kann ein Benutzer, der den Transmitter in einem Bereich betreibt, der nicht gut mit dem werkseitig gelieferten Kalibrierpunkten übereinstimmt, danach streben, den Transmitter bei Punkten zu kalibrieren, die mit dem beabsichtigten Betriebsbereich der Transmitter übereinstimmen. In einem derartigen Fall wird es dem Benutzer erlaubt, mehrere Kalibrierbereichskorrekturdefinitionen einzugeben, die danach dazu verwendet werden, die zweite Kalibrierkorrekturdefinitionstabelle zu besetzen/konfigurieren.
Das Maß, in dem ein Benutzer seine eigene Kalibrierung durchführt (Liefern mehrerer Punkte bei mehreren Temperaturen) variiert gemäß verschiedenen Ausführungen der Erfindung. Bei einer Ausführung der Erfindung wird der zweite Satz an Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen ohne irgendeinen Beitrag aus dem ersten Satz von Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen spezifiziert. Bei anderen Ausführungen der Erfindung erleichtert jedoch der erste Satz an Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen das Vervollständigen des zweiten Satzes an Kalibrierkorekturdefinitionseinträgen aufgrund eines Untersatzes an Kalibrierpunkten, die von einem Benutzer für den zweiten Satz an Kalibrierkorrekturen geliefert werden.
Bei einer besonderen Ausführung des oben beschriebenen Transmitters, der erste und zweite Kalibrierkorrekturdefinitionen enthält, integriert ein Transmitter von einem Benutzer eingegebene Kalibrierpunkte (so wenig wie ein einzelner Kalibrierpunkt bei einer einzelnen Temperatur) und werkseitig bereitgestellte Kalibrierpunkte (gespeichert in der ersten Tabelle), um eine volle Kalibrierdefinition zu machen. Die volle Kalibrierdefinition umfasst zum Beispiel hinreichende Kalibrierinformationen, um die volle Umgebungstemperatur und Prozessvariableneingangsbereiche des Transmitters abzudecken. Sobald ein Benutzer einen Anfangssatz an Kalibrierkorrekturpunkten für den Transmitter bereitgestellt hat, werden die restlichen Kalibrierpunkte auf der folgenden Basis festgelegt: die vom Benutzer bereitgestellten Kalibrierpunkte und die Kalibrierpunkte (und das Temperaturverhalten), die in dem ersten (z.B. werkseitig bereitgestellten) Satz an Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen bereitgestellt werden.
Nur beispielhaft mit Bezug auf 9 wird ein beispielhafter Satz an Schritten vorgesehen, bei dem ein Benutzer den oben beschriebenen Prozessvariablentransmitter kalibriert, einschließlich ersten und zweiten Kalibrierkorrekturdefinitionstabellen. In einem typischen Fall kalibriert der Benutzer den Transmitter bei einer lokalen Umgebungstemperatur, die nicht notwendigerweise die erwartete Betriebstemperatur des Transmitters ist (die auf jeden Fall wahrscheinlich über ihren Verlauf des Betriebs des Transmitters variieren wird). Kalibrierwerte für andere Temperaturen werden aus einer Temperaturverhalten des Transmitters berechnet, die für eine Analyse der Kalibrierinformationen innerhalb der ersten Kalibrierkorrekturdefinitionstabelle erhalten werden.
Am Anfang werden im Schritt 900 die Kalibriertemperatur und ein Satz an Kalibrierkorrekturwerten (bei der Kalibriertemperatur) von dem Benutzer erhalten. Zum Beispiel, wendet der Benutzer einen Hochdruckwert und einen Niedrigdruckwert für einen Drucktransmitter bei Raumtemperatur (70 Grad Fahrenheit) an.
Als nächstes berechnet die Transmitterkalibrierlogik im Schritt 902 zusätzliche Kalibrierpunkte bei der Kalibriertemperatur des Benutzers, um den Satz an Kalibrierpunkten für den Transmitter bei dieser Temperatur zu vervollständigen. Bei einer Ausführung der Erfindung interpoliert die Transmitterkalibrierlogik bei jedem zusätzlichen Kalibrierpunkt zwischen den Korrekturwerten, die durch die erste (Vorgabe-)Tabelle bei benachbarten Temperaturpunkten bereitgestellt werden. Zum Beispiel wird ein Kalibrierpunkt bei 20 Pfund pro Quadratinch bei 70 Grad Fahrenheit festgelegt, indem zwischen den werkseitig bereitgestellten Korrekturwerten bei 20 psi in den Korrekturdefinitionen für 50 und 100 Grad Fahrenheit interpoliert wird, die in der ersten Tabelle gespeichert sind. Nach dem Vervollständigungsschritt 902 wird eine Kalibrierkorrekturdefinition für den vollen Bereich des Transmitters bei der Kalibriertemperatur geschaffen.
Danach werden im Schritt 904 Kalibrierkorrektursätze (ohne zusätzliche Auslesungen bei verschiedenen Temperaturen) für die zweite Tabelle bei anderen Temperaturen berechnet, um einen Bereich von Transmittertemperaturen abzudecken, ähnlich zu der ersten Tabelle. Das Temperaturverhalten des Transmitters, das in der ersten Tabelle verkörpert ist, wird verwendet, um Kalibrierkorrektursätze für den Transmitter bei den verschiedenen anderen Temperaturen in dem Betriebstemperaturbereich des Transmitters zu berechnen (zu übersetzen) und zu speichern. Die sich ergebende zweite Kalibriertabelle, die zum Teil durch den Benutzer bestimmt ist, umfasst alle Temperaturen und bereichsspezifischen Kalibrierkorrekturvorteile, die in der ersten (werkseitig bereitgestellten) Tabelle von Kalibrierkorrekturwerten verkörpert sind. Schließlich ist es klar, dass zusätzlich zum Helfen bei Vervollständigen der benutzerspezifizierten (zweiten) Kalibriertabelle die Werte von der Vorgabe (ersten) Kalibriertabelle bei einer Ausführung der Erfindung verwendet werden, um die Genauigkeit der benutzerspezifizierten Kalibrierkorrekturwerte zu verifizieren. In dem Fall, wo ein eingegebener Kalibrierkorrekturwert wesentlich von einem Wert abweicht, der durch die Vorgabe-Kalibriertabelle bereitgestellt wird, wird dann eine Warnung ausgegeben.
Angesichts der vielen möglichen Ausführungen, auf die die Erfindung angewendet werden kann, sollte es erkannt werden, dass die Ausführungen, die vorliegend mit Bezug auf die Zeichnungsfiguren beschrieben wurden, nur beschreibend gedacht sind, und nicht als den Schutzbereich der Erfindung beschränkend genommen werden sollten. Überdies können die beispielhaften Schritte modifiziert, ergänzt und/oder neu geordnet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. Daher erwägt die hier beschriebene Erfindung alle derartige Ausführungen, die in dem Schutzbereich der folgenden Ansprüche und Äquivalenzen davon liegen können.
Zusammenfassung:
Prozessvariablentransmitter und Verfahren zur Kalibrierung einer derartigen Vorrichtung werden offenbart, die das Kalibrieren in einer einzelnen Transmittervorrichtung von mehreren Betriebsbereichen unterstützen, derart, dass ein Transmitter von einer ersten Kalibrierkorrekturdefinition, die einem ersten Kalibrierbereich zugeordnet ist, zu einer zweiten Kalibrierkorrekturdefinition schalten kann, die einem zweiten Kalibrierbereich zugeordnet ist, ohne dass ein Kalibrierverfahren durchzuführen ist. Somit umfasst ein Kalibrierspeicher für den Prozessvariablentransmitter eher mehrere Kalibrierkorrekturdefinitionseinträge, als dass er nur eine einzelne Kalibrierdefinition unterstützt. Jeder Kalibrierkorrekturdefinitionseintrag drückt möglicherweise eine Korrekturbeziehung für einen von mehreren Kalibrierbereichen aus, die in dem Kalibrierspeicher repräsentiert sind.

Claims

Prozessvariablentransmitter mit: einem Prozessvariablensensor; einer Verarbeitungseinheit, die ausgelegt ist, einen Wert zu empfangen, der einem Signal entspricht, das von dem Prozessvariablensensor empfangen wird, wobei die Verarbeitungseinheit Ausgangswertberechnungsstufen umfasst, um einen kalibrierten Ausgangswert auf der Basis des empfangenen Werts zu schaffen, umfassend: eine Charakterisierungsberechnungsstufe, und eine Kalibrierberechnungsstufe; und einen Kalibrierspeicher mit mehreren Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen, die eine Korrekturrelation ausdrücken, um Kalibrierkorrekturen für mehrere kalibrierte Bereiche in einem vollen Betriebsbereich des Prozessvariablentransmitters zu generieren.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 1, bei dem ein Kalibrierkorrekturdefinitionseintrag einem Paar von Kalibrierpunkten entspricht, die einen der mehreren kalibrierten Bereiche begrenzen.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 2, bei dem jeder Kalibrierkorrekturdefinitionseintrag eine Neigung und einen Offsetwert für eine lineare Korrekturgleichung umfasst, die einem der mehreren kalibrierten Bereiche zugeordnet ist.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 2, bei dem ein Kalibrierkorrekturdefinitionseintrag des Weiteren einer Sensorumgebungstemperatur entspricht, bei der die Kalibrierinformation für den Kalibrierkorrekturdefinitionseintrag erhalten wurde.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 4, bei dem die Kalibrierberechnungsstufe eine Kalibrierkorrekturgleichung auf der Basis zumindest eines Kalibrierkorrekturdefinitionseintrags anwendet, der gemäß einer Sensorumgebungstemperatur ausgewählt ist.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 5, bei dem die Kalibrierkorrekturgleichung aus zwei Kalibrierdefinitionen abgeleitet ist, die zwei verschiedenen Sensorumgebungstemperaturen zugeordnet ist.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 1, bei dem die Korrekturdefinition zumindest zum Teil als ein Prozentsatz einer spezifizierten oberen Bereichsgrenze für den Prozentvariablentransmitter spezifiziert ist.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 1, bei dem ein Kalibrierkorrekturdefinitionseintrag eine Korrekturkurve höherer Ordnung für einen kalibrierten Bereich spezifiziert.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 1, bei dem ein Satz an Kalibrierbeziehungen für eine Reihe von benachbarten Bereichen spezifiziert ist, und bei dem Kalibrierwerte generiert werden, derart, dass kalibrierte Ausgangswerte bei Grenzen zwischen benachbarten kalibrierten Bereichen gleich sind.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 9, bei dem die Bereiche als ein Prozentsatz einer spezifizierten oberen Bereichsgrenze für den Prozessvariablentransmitterspezifiziert werden.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 9, bei dem die Verarbeitungseinheit zwischen Beziehungen in Übereinstimmung mit Änderungen von wahrgenommenen Prozessvariableneingangswerte dynamisch ändert.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 1, bei dem der Kalibrierspeicher eine erste Kalibriertabelle umfasst, die einen Vorgabe-Satz an Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen und eine zweite Kalibriertabelle umfasst, die einen von einem Benutzer spezifizierten Satz an Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen umfasst.
Prozessvariablentransmitter nach Anspruch 12, bei dem der von einem Benutzer spezifizierte Satz an Kalibrierkorrekturdefinitionseinträgen durch eine Kombination von Benutzer-Kalibrierpunkten und Kalibrierpunkten generiert wird, die durch die erste Kalibriertabelle bereitgestellt werden.
Verfahren, es einem Prozessvariablentransmitter zu ermöglichen, kalibrierbasierte Korrekturen auf berechnete Sensormessungen in den Prozessvariablentransmitter anzuwenden, der einen permanenten Speicher umfasst, der ausgelegt ist, um mehrere Kalibrier-basierte Korrekturdefinitionen zu speichern, die Unterbereichen in einem vollen Betriebsbereich des Prozessvariablentransmitter entsprechen, wobei das Verfahren für jeden der zumindest zwei Kalibrierbereiche die folgenden Schritte umfasst: Machen von Sensorauslesungen für zumindest zwei bekannte Prozessvariableneingaben entsprechend einem Kalibrierbereich, Generieren von digitalen nicht-kalibrierten Sensorauslesewerten für die beiden bekannten Prozessvariableneingaben; Anwenden von Werten der zwei bekannten Prozessvariableneingaben auf die nicht kalibrierten Sensorauslesewerte, um eine Kalibrierkorrekturdefinition zu schaffen; und Speichern der Kalibrierkorrekturdefinition in einem Eintrag einer Kalibrierspeicherstruktur, die gleichzeitig das Speichern mehrerer Kalibrierkorrekturdefinitionen unterstützt, die bestimmten Kalibrierbereichen zugeordnet sind, entsprechend dem Kalibrierbereich in dem permanenten Speicher.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Kalibrierkorrekturdefinition einem Paar von Kalibrierpunkten für einen Kalibrierbereich entspricht.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Kalibrierdefinition eine lineare Korrekturgleichung umfasst, und bei der der Anwendungsschritt umfasst: Bestimmen eines Kalibrieroffsets und einer Kalibrierneigung für die Kalibrierkorrekturdefinition.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Kalibrierkorrekturdefinition des Weiteren einer Sensorumgebungstemperatur entspricht, bei der die Kalibrierinformationen für die Kalibrierkorrekturdefinition erhalten wurde.
Verfahren nach Anspruch 17, des Weiteren mit dem Generieren von Kalibrierkorrekturen für zumindest zwei Temperaturen für den Kalibrierbereich, um das Anwenden einer Kalibrierkorrekturgleichung auf Basis zumindest eines Kalibrierkorrekturdefinitionseintrags zu erleichtern, der gemäß einer Sensorumgebungstemperatur ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Kalibrierkorrekturdefinition spezifiziert wird, zumindest zum Teil, als ein Prozentsatz einer spezifizierten oberen Bereichsgrenze für den Prozessvariablentransmitter.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Nehmen des Sensorausleseschritts das Nehmen der Auslesung für zumindest drei unterschiedliche bekannte Prozessvariableneingaben umfasst, und bei dem die Kalibrierkorrekturdefinition eine nicht lineare Korrekturkurve für einen kalibrierten Bereich spezifiziert.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die zumindest zwei kalibrierten Bereiche eine Reihe von benachbarten Bereichen umfassen, und bei dem Kalibrierkorrekturdefinitionswerte generiert werden, derart, dass die kalibrierten Ausgangswerte an Grenzen zwischen benachbarten Kalibrierbereichen gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Bereiche als ein Prozentsatz einer spezifierten oberen Bereichsgrenze des Prozessvariablentransmitters spezifiziert sind.