具有最小时滞的数字补偿过程变送器的制造方法
【专利摘要】一种过程变送器，包括传感器、第一信号路径、第二信号路径以及输出求和电路。传感器产生依据过程参数的过程信号。第一信号路径数字补偿过程信号。第二信号路径数字滤波过程信号并使得过程信号经历比第一信号路径小的延迟。输出求和电路对来自第一信号路径的数字补偿过程信号和来自第二信号路径的数字滤波过程信号求和以产生快速数字补偿过程信号。
【专利说明】具有最小时滞的数字补偿过程变送器
【技术领域】
[0001]本发明涉及过程变送器。具体地，本发明是一种具有提高的动态性能的数字补偿为特征的过程变送器。
【背景技术】
[0002]过程变送器用于监测工业过程参数(或过程变量)，例如差压、表压、绝对压力、流体流量、液位、温度、PH等。现代的高性能过程变送器使用数字信号补偿来实现较低总误差。未补偿的过程信号通过使用数模(A/D)转换器数字化并传递给微控制器以用于数字补偿。环境温度信息也被数字化并传递给微控制器以用于温度补偿。工厂表征化产生了允许设备输出是非常线性并经过温度补偿的校正系数，这提供了针对静态输入条件的极低的总误差。
[0003]这种数字补偿方案的一个结果是牺牲了动态性能。除了数字补偿过程，A/D过程也给变送器增加了相当大的时滞(dead time)。通常的具有数字补偿的过程变送器可以具有范围从10mS至500mS的时滞。时滞在例如纸浆/纸张网前箱压力控制等需要快速控制回路的应用或紧急关闭应用中是有问题的。
[0004]回溯至20世纪70年代的过程变送器本质上都是模拟的。没有A/D转换器和数字处理器，这些设备实质上没有时滞，并且对动态输入信号响应非常迅速。不幸的是，以今天的标准它们的总体性能太差。
[0005]需要一种过程变送器，其提供数字补偿设备的静态性能、以及没有时滞的全模拟设备的动态性能。
【发明内容】
[0006]在本发明的一方面，一种过程变送器包括传感器、第一信号路径、第二信号路径以及输出求和电路。传感器产生过程信号，所述过程信号依据过程参数。第一信号路径对过程信号进行数字补偿。第二信号路径对过程信号进行数字滤波，并使得过程信号经历比第一信号路径小的延迟。输出求和电路对来自第一信号路径的数字补偿过程信号和来自第二信号路径的数字滤波过程信号求和以产生快速数字补偿过程信号。
[0007]在另一方面，过程变送器包括传感器、模数转换器、第一数字低通滤波器、第二数字低通滤波器、数字处理器、反转电路、匹配电路、中间求和电路以及输出电路。传感器产生依据过程参数的过程信号。模数转换器数字化过程信号以产生数字过程信号。第一数字低通滤波器滤波数字过程信号以产生快速滤波过程信号。第二数字低通滤波器滤波快速滤波过程信号以产生慢速滤波过程信号，所述第二数字低通滤波器具有比第一数字低通滤波器低的更新频率。数字处理器数字补偿慢速滤波过程信号以产生数字补偿过程信号；数字处理器在数字补偿过程信号中产生延迟。反转电路反转慢速滤波过程信号以产生反转的过程信号。匹配电路在反转的过程信号中产生延迟以产生延迟的反转过程信号。中间求和电路对快速滤波过程信号和延迟的反转过程信号求和以产生数字滤波过程信号。输出求和电路I的一种方案，这种过程变送器提供数字补I的动态性能。该参考文献描述一种过程变:拟过程信号路径。数字补偿信号路径包括5输出电路处接合。
数字过程信号路径和数字补偿过程信号路:口下文所述，使用全数字滤波方案产生对感:体系架构还是一种成本有效的方法来提供较低总误差以及紧密匹配传感器输出的动爱器的框图。图1示出过程变送器10的框))转换器14、数字低通滤波器16、数字处理丑求和电路24、数模(0/八)转换器26、输出号依据诸如差压、绝对压力、表压、流体温1优选是西格玛-德尔塔调制器。数字低通I微处理器。温度传感器20生成依据过程可以是50kHz、l比特的数据流。A/D转换器14的输出被分裂，传递给数字低通滤波器16和数字带通滤波器30。在数字低通滤波器16处，数字过程信号的数据速率从例如50kHz减小为25Hz，产生慢速滤波过程信号。这样，数字低通滤波器16消除了来自A/D转换器14的数字过程信号中存在的几乎全部噪声。来自数字低通滤波器16的慢速滤波过程信号被提供给数字处理器18用于数字补偿。数字处理器18实施校正算法以通过线性化、管线压力力补偿以及温度补偿中的至少一个来数字补偿该慢速滤波过程信号。数字处理器18可以具有相对有限的计算资源。由于数字处理器18的有限资源，校正算法的复杂度会增加不高于15mS的时滞延迟。温度补偿是基于来自环境温度传感器20的、通过A/D转换器22数字化并被提供给数字处理器18的环境温度信号。
[0019]同时，在数字带通滤波器30处，数字过程信号的数据速率也被减小(但是远不同于数字低通滤波器16处的减小)，以产生快速滤波过程信号。例如，数字带通滤波器30可以将数字过程信号的速率例如从50kHz减小至10Hz。快速滤波过程信号是数字滤波过程信号。来自数字处理器18的数字补偿过程信号和来自数字带通滤波器30的数字滤波过程信号在输出求和电路24处求和，以产生快速数字补偿过程信号。数字补偿过程信号通过D/A转换器26转换为模拟补偿过程信号。输出电路28产生针对来自D/A转换器26的模拟补偿过程信号的变送器输出响应。
[0020]备选地，A/D转换器14可以是任何产生快速更新的模数转换器。例如，A/D转换器14可以是以10Hz的转换速率操作的逐次逼近寄存器A/D转换器。在这种情况下，数字带通滤波器30无需是抽取滤波器。
[0021]如图1所示，过程变送器10包括连接过程传感器12和输出求和电路24的两个信号路径:第一信号路径32和第二信号路径34。第一信号路径32包括A/D转换器14、数字低通滤波器16以及数字处理器18。第二信号路径34包括A/D转换器14和数字带通滤波器30。沿着第一信号路径32，过程信号被数字滤波并数字补偿以产生数字补偿过程信号。沿第二信号路径34，过程信号被数字滤波以产生数字滤波过程信号。重要的是，沿第二信号路径34的过程信号的延迟远非与沿第一信号路径32的过程信号一样。数字带通滤波器30将数字过程信号的一些通过输出求和电路24直接从A/D转换器14传递至D/A转换器26，使得来自输出电路28的变送器输出包括沿第二信号路径34的高速信号中固有的高速响应。数字带通滤波器30的高频截止被设置为通过高速信号中的所需部分，而阻止存在于感兴趣频率以上的噪声。数字带通滤波器30的低频截止被设置为阻止高速信号中比指示过程信号中动态改变的水平低的那些部分。
[0022]响应于过程信号中的动态改变，过程信号沿第二信号路径34以例如10Hz的极高速率传递给D/A转换器26，以提供快速动态响应，该快速动态响应几乎没有时滞。随着动态改变稳定，沿第二信号路径34的过程信号开始衰减，同时沿第一信号路径32的过程信号开始响应。数字带通滤波器30被选择成使得数字带通滤波器30的输出从其初始动态响应条件(大于零)衰减为其最终静态输出条件(零)，同时数字低通滤波器16的输出从其初始动态响应条件(零)衰减为其最终静态输出条件(大于零)。这种同步或衰减匹配(decaymatch)，导致在输出求和电路24处求和时，来自数字带通滤波器30的数字滤波过程信号的衰减部分抵消了来自数字处理器18的数字补偿过程信号的衰减部分。随着过程信号接近静态条件，仅沿第一信号路径32的过程信号保留以提供想要的数字补偿过程信号。因此，来自输出求和电路24的快速数字补偿过程信号稳定至其静态值比数字低通滤波器16或数字带通滤波器30中任一个的稳定早得多。这样，过程变送器10提供数字补偿装置的静态性能和几乎没有时滞的全模拟装置的快速动态性能。
[0023]过程信号的补偿是计算密集的，并且难以快速实现，例如以10Hz实现。在本实施例中，以较低速率，例如25Hz，沿第一信号路径32执行补偿。相反，数字带通滤波器30的数字滤波和输出求和电路24的求和不是计算密集的，容易快速执行。输出求和电路24的输出遵循快的速率，得到针对D/A转换器26和输出电路28的快的更新速率。过程信号的动态部分典型地具有量程(span)的5%的所需最大总误差。在来自许多过程传感器的未补偿信号中容易提供这种性能水平。因此，节约了数字处理器18的计算资源。
[0024]虽然图1将数字低通滤波器16、数字处理器18、数字带通滤波器30以及输出求和电路24作为分离的元件示出，但是应该理解，这些模块功能可以实现为在例如主机处理器等一个或多个集成电路上操作的软件。在这种实施方式中，因为数字带通滤波器30的数字滤波和输出求和电路24的求和不是计算密集的，因此它们给此类主机处理器引入不大的附加计算负担。
[0025]在一些实施例中，可以在D/A转换器26之前调整过程信号，使得变送器输出在由上限和下限范围的客户校准所确定的范围或缩放比内。这通常称为缩放(scaling)。有利地，因为在D/A转换器26之前对来自第一信号路径32的数字补偿过程信号和来自第二信号路径34的数字滤波过程信号求和，所以可以对输出求和电路24的单一求和输出(快速数字补偿过程信号)实施适当的缩放。
[0026]图2A-2C是实现本发明实施例的另一数字补偿过程变送器的框图。与图1中的实施例相反，图2A-2C的实施例包括第三信号路径，用于提高过程变送器的动态响应中的保真度。为了清楚，图2A-2C各自标识出三个信号路径中的一个:图2A标识出第一信号路径132，图2B标识出第二信号路径134，以及图2C标识出第三信号路径136。图2A-2C中的每一个示出过程变送器110的框图，包括过程传感器12、模数(A/D)转换器14、数字处理器
18、温度传感器20、模数(A/D)转换器22、输出求和电路24、数模(D/A)转换器26、以及输出电路28，如上面参照图1所述。过程变送器110还包括快速数字低通滤波器116、慢速数字低通滤波器140、反转(invers1n)电路142、匹配电路144以及中间求和电路146。
[0027]快速数字低通滤波器116是以例如10Hz的快速速率操作的抽取滤波器。慢速数字低通滤波器140也是抽取滤波器，但是其在例如25Hz的慢得多的速率下操作。反转电路142是使信号反转的电路。匹配电路144是以可调节量使信号延迟的电路。中间求和电路146是用于产生通过对两个数字输入信号求和而得到的单个数字输出信号的电路。
[0028]过程传感器12连接至A/D转换器14，A/D转换器14连接至快速数字低通滤波器116。快速数字低通滤波器116连接至慢速数字低通滤波器140和中间求和电路146。慢速数字低通滤波器140连接至反转电路142和数字处理器18两者。反转电路142连接至匹配电路144，匹配电路144连接至中间求和电路146。中间求和电路146和数字处理器18连接至输出求和电路24。D/A转换器26将输出求和电路24连接至输出电路28。温度传感器20连接至A/D转换器22，A/D转换器22连接至数字处理器18。
[0029]在操作中，来自过程传感器12的模拟过程信号通过A/D转换器14数字化。A/D转换器14的输出是高速的低分辨率数字过程信号。例如，来自A/D转换器14的数字过程信号可以是50kHz、l比特数据流。A/D转换器14的输出传递至快速数字低通滤波器116，在快速数字低通滤波器116处数字过程信号从例如50kHz减小为100Hz。这种滤波消除了来自A/D转换器14的数字过程信号中存在大部分噪声，并产生快速滤波过程信号。快速滤波过程信号被分裂，传递给慢速数字低通滤波器140和中间求和电路146。在慢速数字低通滤波器140处，快速滤波过程信号的数据速率再次被减小，例如从10Hz减小至25Hz，由此得到慢速滤波过程信号。这样，慢速数字低通滤波器140消除了来自快速数字低通滤波器116的快速滤波过程信号中剩余的几乎所有噪声。来自慢速数字低通滤波器140的慢速滤波过程信号被分裂，传递给反转电路142和数字处理器18。数字处理器18通过线性化、管线压力补偿以及温度补偿中的至少一个执行校正算法以数字补偿慢速滤波过程信号。该算法的执行在慢速滤波过程信号中产生了补偿延迟。温度补偿是基于来自环境温度传感器20的环境温度信号，该环境温度信号通过A/D转换器22数字化并提供给数字处理器18。
[0030]同时，在反转电路142处，来自慢速数字低通滤波器140的慢速滤波过程信号被反转并传递至匹配电路144。匹配电路144延迟来自反转电路142的反转过程信号并将其传递给中间求和电路146。匹配电路144的延迟被调节以匹配由数字处理器18引起的补偿延迟。优选地，匹配电路144的延迟由数字处理器18控制以确保与补偿延迟的匹配。在中间求和电路146处，来自匹配电路144的延迟并反转的过程信号被加到直接从快速数字低通滤波器116接收的快速滤波过程信号，以得到数字滤波过程信号。来自中间求和电路146的数字滤波过程信号被传递给输出求和电路24。来自数字处理器18的数字补偿过程信号和来自中间求和电路146的数字滤波过程信号在输出求和电路24处求和，产生快速数字补偿过程信号。快速数字补偿过程信号由D/A转换器26转换为模拟补偿过程信号。输出电路28产生对于来自D/A转换器26的模拟补偿过程信号的变送器输出响应。
[0031]针对图2的实施例，A/D转换器14优选是西格玛-德尔塔调制器。替换地，A/D转换器14可以是产生快速更新的任何模数转换器。例如，A/D转换器14可以是以10Hz转换速率操作的逐次逼近寄存器A/D转换器。在这种情况下，快速数字低通滤波器116不需要是抽取滤波器。
[0032]一起考虑图2A-2C，过程变送器110包括连接过程传感器12和输出求和电路24的三个信号路径:第一信号路径132、第二信号路径134以及第三信号路径136。第一信号路径132包括A/D转换器14、快速数字低通滤波器116、慢速数字低通滤波器140以及数字处理器18。第二信号路径134包括A/D转换器14、快速数字低通滤波器116以及中间求和电路146。第三信号路径136包括A/D转换器14、快速数字低通滤波器116、慢速数字低通滤波器140、反转电路142、匹配电路144以及中间求和电路146。沿第一信号路径132，过程信号被数字补偿以产生数字补偿过程信号。沿第二信号路径134，过程信号被数字滤波以产生快速滤波过程信号。重要的是，沿第二信号路径134的过程信号的延迟远非与沿第一信号路径132的过程信号的延迟一样。第二信号路径134将数字过程信号的一些直接从A/D转换器14传递给D/A转换器26和输出电路28，使得变送器输出继承了沿第二信号路径134的高速信号中固有的高速响应。沿第三信号路径136，慢速滤波过程信号被反转，使得反转的过程信号的动态响应和来自第二信号路径134的快速滤波过程信号的动态响应在中间求和电路146处被加在一起时两者是相反的(oppose)。沿第三信号路径136的延迟被同步以匹配第一路径132上来自数字处理器18的补偿延迟。:口功能被组合为单个功能，是来自第三信号I径134的快速滤波过程信号之间的负求和勺实施例的全部优点。重要的是，在该实施匹配第一路径132上来自数字处理器18的？数字处理器18和匹配电路144同步即可。以及几乎没有时滞的全模拟装置的动态性下，过程变送器110提供紧密跟随过程传感
116、慢速数字低通滤波器140、反转电路器18以及输出求和电路24作为分离的元5—个或多个集成电路(例如主机处理器)[氐通滤波器116、慢速数字低通滤波器140、以及输出求和电路24的操作不是计算密集计算负担。
由线，将过程变送器110的输出与没有体现丛-2(:描述的过程变送器110的操作相同，11程信号被部分地数字补偿到足以满足变I差的性能水平。数字处理器350通常是微3类似，数字处理器350执行校正算法以通个来数字补偿过程信号。然而，因为数字处字处理器18提供的完全数字补偿，因而数I器18执行的校正算法力度小得多。因此，计算负担小得多。
于提供过程信号的部分数字补偿以产生足大总误差的性能水平。图5的实施例与图里器450和452之外。如图5所示，过程变将快速数字低通滤波器116连接至中间求452，数字处理器452将慢速数字低通滤波I供沿第二信号路径134的部分数字补偿。子数字补偿。与图4的实施例相比，在数字字补偿。第一信号路径132、第二信号路径
[0042]图4和5的实施例包括上面参照图2A-2B和3描述的实施例的全部优点。重要的是，在图4和5的实施例中，即使来自过程传感器12的未补偿信号不提供足以满足用于过程变送器310或410的过程信号的动态部分的所需最大总误差的性能水平，也会得到这些优点。
[0043]实现本发明的过程变送器提供数字补偿装置的静态性能和几乎没有时滞的全模拟装置的动态性能。全数字滤波方案的使用产生对感测的过程参数的优良动态响应，同时节约计算资源并简化输出缩放。全数字体系架构是用于提供模拟变送器的快速动态响应、数字补偿变送器的较低总误差以及紧密匹配传感器输出的动态响应的成本有效的方法。
[0044]虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出多种修改并替换元件的等价物。此外，在不脱离本发明实质范围的情况下可以作出多种修改以使得特定情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，相反本发明包括落入所附权利要求的范围内的全部实施例。
【权利要求】
1.一种过程变送器，包括: 传感器，用于产生依据过程参数的过程信号； 第一信号路径，其中过程信号被数字补偿以产生数字补偿过程信号； 第二信号路径，其中过程信号被数字滤波以产生数字滤波过程信号，并且在第二信号路径中遭受比在第一信号路径中小的延迟；和 输出求和电路，用于对数字补偿过程信号和数字滤波过程信号求和以产生快速数字补偿过程信号。
2.根据权利要求1所述的过程变送器，还包括: 数模转换器，其中快速数字补偿过程信号被转换为模拟补偿过程信号；和 输出电路，用于产生响应于模拟补偿过程信号的变送器输出。
3.根据权利要求1所述的过程变送器，其中第二信号路径包括数字带通滤波器。
4.根据权利要求1所述的过程变送器，还包括: 第三信号路径，其中过程信号被数字滤波并反转以产生延迟的反转过程信号，并在所述第三信号路径中遭受比在第二信号路径中大的延迟；和 中间求和电路，用于将延迟的反转过程信号加到第二路径以产生所述数字滤波过程信 号。
5.根据权利要求4所述的过程变送器，还包括: 第一数字低通滤波器，用于针对第一信号路径、第二信号路径以及第三信号路径对过程信号进行数字滤波；和 第二数字低通滤波器，用于针对第一信号路径和第三信号路径对过程信号进行数字滤波；所述第二数字低通滤波器具有比第一数字低通滤波器低的更新频率。
6.根据权利要求5所述的过程变送器，其中将沿第三信号路径的过程信号的延迟与沿第一信号路径的过程信号的延迟同步。
7.根据权利要求6所述的过程变送器，还包括: 数模转换器，其中快速数字补偿过程信号被转换为模拟补偿过程信号；和 输出电路，用于产生响应于模拟补偿过程信号的变送器输出。
8.根据权利要求1所述的过程变送器，其中用于产生数字补偿过程信号的过程信号的数字补偿包括:针对环境温度、线性度以及管线压力中的至少一个的数字补偿。
9.根据权利要求1所述的过程变送器，还包括: 温度传感器，用于产生依据环境温度的模拟温度信号； 温度信号路径，其中模拟温度信号被转换为数字温度信号；和 至少部分地响应于数字温度信号来数字补偿过程信号以产生数字补偿过程信号。
10.一种过程变送器，包括: 传感器，用于产生依据过程参数的过程信号； 模数转换器，用于数字化过程信号以产生数字过程信号； 第一数字低通滤波器，用于滤波所述数字过程信号以产生快速滤波过程信号； 第二数字低通滤波器，用于滤波所述快速滤波过程信号以产生慢速滤波过程信号，所述第二数字低通滤波器具有比第一数字低通滤波器低的更新频率； 第一数字处理器，用于数字补偿所述慢速滤波过程信号以产生数字补偿过程信号；第一数字处理器在数字补偿过程信号中产生延迟； 反转电路，用于反转慢速滤波过程信号以产生反转的过程信号； 匹配电路，用于在反转的过程信号中产生延迟以产生延迟的反转过程信号； 中间求和电路，用于对快速滤波过程信号和延迟的反转过程信号求和以产生数字滤波过程信号；和 输出求和电路，用于对数字滤波过程信号和数字补偿过程信号求和以产生快速数字补偿过程信号。
11.根据权利要求10所述的过程变送器，其中数字处理器控制匹配电路的延迟以将延迟的反转过程信号与数字补偿过程信号同步。
12.根据权利要求10所述的过程变送器，还包括: 数模转换器，其中快速数字补偿过程信号被转换为模拟补偿过程信号；和 输出电路，用于产生响应于模拟补偿过程信号的变送器输出。
13.根据权利要求1 0所述的过程变送器，还包括: 第二数字处理器，用于数字补偿所述快速滤波过程信号，第二数字处理器对所述过程信号的数字补偿小于第一数字处理器对所述慢速滤波过程信号的补偿。
14.根据权利要求10所述的过程变送器，还包括: 第二数字处理器，用于数字补偿在中间求和电路处求和的快速滤波过程信号的一部分；和 第三数字处理器，用于数字补偿在反转电路处反转的慢速滤波过程信号的一部分；其中，第二数字处理器和第三数字处理器每一个对所述过程信号的数字补偿均小于第一数字处理器对慢速滤波过程信号的补偿。
15.根据权利要求10所述的过程变送器，还包括: 温度传感器，用于产生依据环境温度的温度信号； 温度模数转换器，用于将温度信号数字化以产生数字环境温度信号；和数字处理器采用数字环境温度信号来数字补偿所述慢速滤波过程信号以产生数字补偿过程信号。
16.一种产生过程变送器输出的方法，所述过程变送器输出具有紧密跟随所感测的过程参数的总体动态响应，所述方法包括: 产生依据所感测的过程参数的模拟过程信号； 数字化所述模拟过程信号以产生数字过程信号； 补偿所述数字过程信号以产生数字补偿过程信号； 对数字过程信号滤波以产生数字滤波过程信号； 对数字补偿过程信号和数字滤波过程信号求和以产生快速数字补偿过程信号；和 产生响应于快速数字补偿过程信号的过程变送器输出。
17.根据权利要求16所述的方法，其中: 对数字过程信号滤波以产生数字滤波过程信号包括: 用快速数字低通滤波器对数字过程信号滤波以产生快速滤波过程信号； 用慢速数字低通滤波器对快速滤波过程信号滤波以产生慢速滤波过程信号，所述慢速数字低通滤波器具有比快速数字低通滤波器低的更新频率；延迟并反转所述慢速滤波过程信号以产生延迟的反转过程信号；和 对快速滤波过程信号和所述延迟的反转过程信号求和以产生所述数字滤波过程信号；和 补偿数字过程信号以产生数字补偿过程信号包括: 用快速数字低通滤波器对数字过程信号滤波以产生快速滤波过程信号； 用慢速数字低通滤波器对快速滤波过程信号滤波以产生慢速滤波过程信号；和 数字补偿慢速滤波过程信号以产生所述数字补偿过程信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中延迟并反转所述慢速滤波过程信号包括:用将所述延迟的反转过程信号与数字补偿过程信号同步。
19.根据权利要求16所述的方法，其中补偿所述数字过程信号包括:针对环境温度、线性度以及管线压力中的至少一个进行补偿。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括: 产生依据所感测的环境温度的模拟环境温度信号；和 补偿所述数字过程信号 包括:响应于所感测的环境温度来补偿所述数字过程信号。
【文档编号】G01D5/12GK104048682SQ201310279161
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年7月4日 优先权日:2013年3月11日
【发明者】约翰·保罗·舒尔特 申请人:罗斯蒙德公司