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1、最小死区时间数字补偿过程变送器的制作方法专利名称：最小死区时间数字补偿过程变送器的制作方法最小死区时间数字补偿过程变送器背景技术：本发明涉及过程变送器。具体地，本发明是一种过程变送器，特征在于具有改进的 动态性能的数字补偿。过程变送器被用于监控工业过程参数(或过程变量)，诸如差分压力、计量压力、 绝对压力、流体流量、液位、温度、PH等。现代高性能过程变送器利用数字信号补偿来实现 较低的总误差。利用模拟至数字(A/D)转换器来数字化未补偿的过程信号，并传送至主微 控制器以用于数字补偿。环境温度信息也被数字化，并被传送至主控制器以用于温度补偿。 工厂特征化生成校正系数，使得装置输出线性很强并且被温
2、度补偿，其对静态输入环境提 供非常低的总误差。该数字补偿方案的一个结果已经牺牲了动态性能。除了数字补偿过程之外，A/D过 程还增加了到变送器的显著数量的死区时间。具有数字补偿的典型过程变送器可以具有范 围从IOOmS至500mS的死区时间。对于比如浆状物/纸头盒(pulp/paper head box)压力 控制或紧急停工应用的需要快速控制回路的应用，死区时间存在问题。追溯到1970s的过程变送器实质上是全模拟的。缺乏A/D转换器和数字处理器， 这些装置实质上没有死区时间，并且能够非常快速地响应动态输入信号。不幸的是，以当今 的标准，它们的总性能不良。存在提供以下性能的过程变送器的需要提供数字
3、补偿装置的静态性能，并且提 供没有死区时间的全模拟装置的动态性能。发明内容在本发明的一个方面中，一种过程变送器包括传感器、第一信号路径和第二信号 路径以及根据来自第一和第二信号路径的信号来生成变送器输出的输出电路。该第一信号 路径数字地补偿通过传感器生成的过程信号，而第二信号路径不数字补偿过程信号，或者 以比第一信号路径小的延迟来补偿过程信号。在另一方面中，过程变送器包括过程传感器、模拟至数字转换器、用于生成数字补 偿过程信号的数字信号处理器、以及用于通过模拟至数字转换器的输出的一部分以便生成 高速数字信号的带通滤波器。根据来自数字处理器的数字补偿信号和来自带通滤波器的高 速信号，输出电路生成
4、变送器输出。图1是现有技术的数字补偿过程变送器的方块图；图2是具有数字补偿和增强的动态性能的过程变送器的方块图；图3示出了图1的现有技术的过程变送器的模型；图4是示出了根据在图3中模型化的现有技术的变送器对阶跃输入响应的时间的 归一化输出的曲线图；图5是描述了图2的过程变送器的模型的示意图6是根据如图5中模型化的，图2的变送器的时间的归一化输出的曲线图；图7是根据用于图2的过程变送器的频率的归一化响应的曲线图。具体实施例方式图1示出了典型的数字补偿过程变送器10的方块图，其包括过程传感器12、模拟 至数字(A/D) -调制器14、抽取(decimating)数字低通滤波器16、主处理器18、环
5、境 温度传感器20、模拟至数字(A/D)转换器22、数字至模拟(D/A)转换器24以及输出电路 26。过程传感器12生成过程信号，该过程信号根据过程变量而改变，该过程变量例如 是差分压力、绝对压力、计量压力、流体温度、液位、流量等。通过A/D -调制器14数字 化来自过程传感器12的过程信号。 -调制器14的输出是高速低分辨率信号。例如， 来自 -调制器14的数字化过程信号可以是高速1比特数字流。抽取数字低通滤波器16减小来自 -调制器14的数字化过程信号的数据率， 并消除存在于信号中的几乎全部噪声。低通滤波的数字化过程信号被提供给主处理器18 以用于数字补偿。典型是微处理器的主处理器18执行
6、校正算法，以便线性化和温度补偿数字化过 程信号。温度补偿基于来自环境温度传感器20的环境温度信号，其被A/D转换器22数字 化，并被提供给主处理器18。也可以执行线压补偿。为了期望的输出变换功能，通过主处理 器18缩放过程信号，以便调节用户校准跨度。在图1中示出的过程变送器10中，通过D/A转换器24将来自主处理器18的经补 偿和缩放的过程信号转换成模拟信号。输出电路26将过程变送器10与两个布线环(wire loop)相接，以便提供作为感测的过程变量的函数的模拟输出。在其中过程变送器10被连 接至双布线环的典型系统中，模拟输出可以在4毫安(零)至20毫安(全刻度)之间改 变。由过程变送器10
7、提供的数字补偿允许变送器输出线性很强并且被温度补偿，从而存在 对于静态输入条件的非常低的总误差。模拟过程信号至数字信号的转换以及用以线性化、 温度补偿和缩放过程变量的随后的数字补偿生成一定量的死区时间。图2是过程变送器30的方块图，其提供具有增强的动态性能的数字补偿。在该实 施例中，过程变送器30包括与变送器10相同的多个元件，比如过程传感器12、A/D - 调制器14、抽取数字低通滤波器16、主处理器18、环境温度传感器20、A/D转换器22、D/A 转换器24以及输出电路26。此外，变送器30包括带通滤波器32，其被布置在A/D - 调制器14的输出和输出电路26之间。结果，附加的信号路径
8、被提供用于从A/D - 调 制器14(即数字化的过程信号)至输出电路26的高速数据。来自 - 调制器14的数字 化过程信号实际上没有死区时间，并且也非常快。由于如过程传感器12的电容型压力传感 器，由机械传感器系统的响应时间而不是-调制器14，来确定对动态过程扰动的- 调制器14的输出处的数字过程信号的响应时间。例如，电容型传感器可以具有大约20mS 的时间常量，而A/D -调制器14的时间常量小于5mS。带通滤波器32通过直接从 -调制器14至输出电路26的一些数字化过程信 号，从而使变送器输出继承了在高速信号中固有的高速响应。带通滤波器32的高频截止被 设置成能够通过高速信号的期望部分，但
9、阻挡超过感兴趣频率的噪声。带通滤波器32的低频截止被设置成使过程传感器30的总频率响应在期望的范围中。根据来自主计算机18和 D/A转换器24 (即“慢”信号路径)的经补偿和缩放的过程信号，以及由带通滤波器32 (即 “快”信号路径)滤波的数字化过程信号，输出电路26生成变送器输出。例如，输出电路26 可以对来自主处理器18的高精度低速信息和来自带通滤波器32的较低精度的高速信息求 和。根据需要，不同的权重可被应用于来自两个信号路径的信息。净结果是具有较好静态 精度和较好动态响应(即最小死区时间，快速响应)的变送器输出。在一些实施例中，可以期望具有选择由数字补偿提供的静态性能或通过包括来自 带
10、通滤波器32高速信号实现的增强性能的能力。在这些实施例中，可以在A/D -调制 器14和输出电路26 (带通滤波器32的上流或下流)之间的高速或快信号路径中提供开关。 在通过主处理器18的软件控制下，开关可被启用或禁用。因此，过程变送器30在软件控制 下是可配置的，以便通过同时利用来自包括带通滤波器32的快信号路径的高速信号和来 自包括主处理器18的慢信号路径的数字补偿信号，提供数字补偿系统的静态性能或增强 的动态性能。可以在模拟或数字域中实现带通滤波器32。对于如通过 -调制器14生成的 高速数据，调制器14的输出同时用作模拟信号和数字信号。结果，利用带通滤波器32可以 采用模拟或者数字滤波
11、方案。对于其中高速过程信号实质上是严格数字或严格模拟的其他 测量系统，带通滤波器32被设计成与高速过程信号的特性相适合。模拟滤波器可以非常高效。它可以仅需要少量的电阻器和电容器，以便提供带通 滤波器32所需的带通功能。过程变送器经常包括范围下可配置性，即，用于将变送器输出的灵敏度设置成感 测的过程参数的能力。为了在过程变送器30中提供范围下可配置性，类似的缩放特征必须 被包括在带通滤波器32中，从而使增强的动态响应可以在被用于生成数字补偿信号的任 何范围下因数处工作。主处理器18依据变送器30的范围下因数设置带通滤波器32的增 益，以便实现期望的响应。可以实现带通滤波器32中的可编程增益功能，
12、例如利用运算放 大器和其他支持电路，当带通滤波器32是模拟类型滤波器时。对于利用数字带通滤波的实 现方式，带通滤波器32典型地包括结合高速D/A转换器的数字信号处理器，从而使来自快 信号路径的模拟“快”信号在输出电路26处可与来自慢信号路径的D/A转换器24的模拟 慢信号相组合。利用数字实现方式，缩放因数可被包括到数字信号处理器中，并且通过主处 理器18，缩放因数的选择被提供给数字信号处理器。过程变送器30还可以包括可在各种电平处被设置的用户可选择变送器阻尼。这 可以有效地改变用于慢信号的补偿路径的时间常量。通过根据用户阻尼来改变带通滤波器 32的配置可以调节可选择阻尼的效应。根据由用户选择的
13、变送器阻尼，主处理器18可以控 制带通滤波器32的配置。由于通过带通滤波器32的数字过程信号绕过了由主处理器18执行的数字补偿， 来自带通滤波器32的信号的精度在某些程度上被折衷。然而，由于在DC(或接近DC)处没 有任何东西可以通过带通滤波器32，变送器30的静态精度将不被影响。用于变送器30的 参考精度和温度效应测试将基本上给出与比如不提供改进的动态性能的变送器10的设备 相同的性能。然而，由于到达变送器输出的数字化过程信号的未补偿部分，将折衷动态信号的精度。对于集成变送器输出的应用，需要考虑精度。高速数字化过程信号在许多情况中相对有噪声。带通滤波器32会除去大量的该 噪声，但合成模拟输出
14、噪声可能会增加。许多现代的测量系统在测量噪声和响应时间或等 待时间之间提供折衷。这是该类型的折衷的又一示例。如果由高速路径引起的精度或噪声退化是不期望的，则先前描述的开关机构可以 用于禁用高速信号路径。该变送器30恢复成在图1中描述的传统体系结构。基于计算机的仿真被用于比较图1的数字补偿过程变送器10的性能与图2的过 程变送器30的增强性能。利用Matlab Simulink执行计算机仿真。图3示出了模型10M，其是图1的现有技术的数字补偿的过程变送器10的模型。 模型IOM包括阶跃块40、死区时间块42以及低通块44。在模型IOM中，输入是由阶跃块40表示的阶跃，具有在时间零处0的初始值，并
15、且 在仿真的持续时间内阶跃至“1”的值。死区时间块42对输入增加IOOmS的简单延迟。低 通块44应用低通滤波器至信号。在该情况中，滤波时间常量tau被设置成与1.6Hz的低通 截止频率Fc相对应的100mS。在图4中示出了模型IOM的时域响应。在图5中示出的模型30M是图2的增强的过程变送器30的模型。在图5中示出 了模型IOM和30M所共有的模型IOM的那些元件(阶跃40、死区时间42以及低通44)。这 些元件形成慢信号路径，用以生成在图5中被标记为“慢”的缓慢、精确的补偿信号。高速或快信号路径也被包括在模型30M中。通过低通块46和高通块48模型化图 2的带通滤波器32。低通块46具有1
16、. 25的增益，IOOmS的时间常量tau，以及1. 6Hz的截止频率f。实 际上，由于受到过程传感器12的机械阻尼的影响，这将是 -调制器14的输出。高通块48通过超过2. 12Hz的截止频率f。的信号。高通块48的时间常量tau是 75mS。高通块48被优化成实现期望的模拟输出特性。低通块46和高通块48 起生成具有1. 8377Hz的中心频率的带通滤波器。该通 带增益是0. 5357，并且Q是0. 4949。慢(即数字补偿信号)路径的输出是慢信号50，并且快(即高速未补偿信号)路 径的输出是快信号52。加法器54组合慢信号50和快信号52，以便生成模拟输出56。加法 器54模型化变送器30的输出电路26的功能。在图6中示出了变送器模型30M的阶跃响应。慢信号波形50示出与图4相同的 响应。在图6中示出的快信号波形52示出了带通滤波器32的响应，如通过低通滤波器块 46和高通滤波器块48模型化的。由于快信号路径没有死区时间，快信号52立即响应来自 阶跃块40的阶跃输入
