DE69628178T2

DE69628178T2 - Messumformer für prozessteurung

Info

Publication number: DE69628178T2
Application number: DE69628178T
Authority: DE
Inventors: L. Roger FRICK; P. John SCHULTE; H. Ahmed TEWFIK
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2016-09-14
Also published as: CN1108596C; EP0852781B1; CA2233018A1; WO1997012347A1; BR9610644A; JPH11512851A; DE69628178D1; JP4392059B2; EP0852781A1; CN1196811A; US5705978A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prozesssteuerungssender mit einem Analog-Digital-Wandler, der eine digitale Darstellung eines Sensor-Eingangssignals liefert. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Prozesssteuerungssender mit einem Sensor, der ein Sensorsignal erzeugt, das einen erfassten. Parameter darstellt, der in die digitale Darstellung des Seneorsignals umgewandelt wird. Das Sensorsignal stellt einen erfassten Parameter dar.
Sender in der Prozesssteuerungsindustrie übertragen in der Regel über die selben zwei Drähte an einen Regler, über die sie auch Energie erhalten. Ein Sender erhält Befehle von einem Regler und sendet Ausgangssignale, die einen erfassten physikalischen Parameter darstellen, zurück an den Regler. Ein weit verbreitetes Verfahren ist eine Stromschleife, wo der erfasste Parameter durch einen Strom dargestellt wird, dessen Stärke zwischen 4 und 20 mA variiert.
Der Sender umfasst einen Sensor zum Erfassen eines einen Prozess betreffenden physikalischen Parameters. Der Sensor gibt ein analoges Signal aus, das eine von mehreren Variablen darstellt, je nach der Beschaffenheit des zu steuernden Prozesses. Diese Variablen können beispielsweise Druck, Temperatur, Durchfluss, pH-Wert, Trübung und Gaskonzentration sein. Einige Variablen weisen einen sehr großen dynamischen Bereich auf, wie die Durchflussgeschwindigkeit bzw. -menge, wo die Signalamplitude der Sensorausgabe sich um einen Faktor von 10.000 verändert.
Ein Analog-Digital-Wandler in dem Sender wandelt das analoge Sensorsignal zur anschließenden Analyse in dem Sender oder zur Übertragung an einen entfernten Ort in eine digitale Darstellung des erfassten physikalischen Parameters um. Ein Mikroprozessor kompensiert in der Regel das erfasste und digitalisierte Signal, und ein Ausgabeschaltkreis in dem Sender sendet ein Ausgangssignal, das den kompensierten physikalischen Parameter darstellt, über die Zweidrahtschleife an den entfernten Ort. Der physikalische Parameter wird in der Regel nur einige Male pro Sekunde aktualisiert, je nach der Beschaffenheit des zu steuernden Prozesses, und der Analog-Digital-Wandler benötigt in der Regel 16 Bit Auflösung und eine geringe Rauschempfindlichkeit.
Ladungsausgleichs-Wandler werden in Sendern verwendet, um Analog-Digital-Umwandlungen bereitzustellen. Derartige Wandler sind in dem US-Patent 5,083,091 mit dem Titel "Charged Balanced Feedback Measurement Circuit" (Feedback-Messschaltkreis mit Ladungsausgleich) beschrieben, das den Anmeldern Frick u. a. am 21. Januar 1992 erteilt wurde, und auch in dem US-Patent 5,051,743 mit dem Titel "High Precision, High Frequency Current Sensing and Analog Signal Decoding Network" (Hochgenaue Hochfrequenz-Stromerfassung und analoges Signaldekodier-Netzwerk), das dem Anmelder Orszulak am 24. September 1991 erteilt wurde. Sensoren in derartigen Sendern liefern eine Impedanz, die ansprechend auf die Prozessvariable variiert. Ein Ausgangssignal der Impedanz wird von dem Ladungsausgleichs-Wandler in eine digitale Darstellung der Impedanz umgewandelt. Diese digitale Darstellung kann über eine Isolationsbarriere übertragen werden, die den Sensor-Schaltkreis von dem restlichen Sender-Schaltkreis isoliert. Ladungsausgleichs-Wandler sind eine Art Sigma-Delta-Wandler (ΣΔ). Das Ausgangssignal eines derartigen Wandlers ist ein serieller Bitstrom mit einer Breite von 1 Bit. Dieses 1 Bit: breite binäre Signal enthält alle notwendigen Informationen, um die Amplitude und Frequenz des Ausgangssignals von der Sensorimpedanz digital darzustellen. Das serielle Format der Ausgabe ist gut geeignet für die Übertragung über die Isolationsbarriere. Der Sigma-Delta-Wandler liefert auch ein hoch aufgelöstes Ausgangssignal mit einer niedrigen Rauschanfälligkeit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft einen Sender in einem Prozesssteuerungssystem, der Folgendes aufweist:
einen Eingabe/Ausgabe-Schaltkreis zur Kopplung an eine Prazesssteuerschleife;
einen ersten Sensor mit einer ersten Impedanz, die ansprechend auf einen ersten erfassten Parameter variiert;
einen zweiten Sensor mit einer zweiten Impedanz, die ansprechend auf einen zweiten erfassten Parameter variiert;
ein erstes Erreger-Wechselstromsignal, das an den ersten Sensor gekoppelt ist;
ein zweites Erreger-Wechselstromsignal, das an den zweiten Sensor gekoppelt ist;
einen Additionsknoten, der an die Ausgänge des ersten und zweiten Sensors gekoppelt ist und die Wechselstrom-Ausgangssignale des ersten und zweiten Sensors kombiniert; und
einen digitalen Signalverarbeitungs-Schaltkreis, wobei der Sender durch einen Analog-Digital-Wandler gekennzeichnet ist, der an den Additionsknoten gekoppelt ist und der ein digitales Ausgangssignal bereitstellt, das die aufsummierten Wechselstrom-Ausgangssignale des ersten und zweiten Sensors wiedergibt; und
dadurch, dass der digitale Signalverarbeitungs-Schaltkreis an den Ausgang des Analog-Digital-Wandlers gekoppelt ist, der das digitale Ausgangssignal verarbeitet, um den ersten und zweiten erfassten Parameter aus dem digitalen Ausgangssignal zu gewinnen und den ersten und zweiten erfassten Parameter zur Übertragung über die Prozesssteuerschleife an den Eingabe/Ausgabe-Schaltkreis zu liefern.
Die vorliegende Erfindung schafft auch einen Sender in einem Prozesssteuerungssystem, der Folgendes aufweist:
einen Eingabe/Ausgabe-Schaltkreis, der zum Senden von Informationen über die Schleife und zum Empfangen von Energie von der Schleife, um den Sender zu betreiben, an eine Prozesssteuerschleife gekoppelt ist;
einen Sensor mit einer Impedanz ansprechend auf einen erfassten Parameter;
einen digitalen Signalerzeuger, der ein zeitvariables Erregersignal erzeugt; und
einen digitalen Signalverarbeitungs-Schaltkreis, wobei der Sender durch einen Digital-Analog-Wandler gekennzeichnet ist, der das digitale Erregersignal in ein analoges Erregersignal umwandelt, das an den Sensor gekoppelt ist, wodurch der Sensor erregt wird, so dass er ein Sensorausgangssignal bewirkt;
einen Analog-Digital-Wandlerschaltkreis, der an den Sensorausgang gekoppelt ist und ansprechend darauf ein digitales Sensorsignal liefert; und
wobei der digitale Signalverarbeitungs-Schaltkreis zur Identifikation und Messung des Sensor-Ausgangssignals und zum Senden eines den erfassten Parameter darstellenden Ausgangssignals über die Prozesssteuerschleife unter Verwendung des Eingabe/Ausgabe- Schaltkreises mit dem digitalen Signalgenerator synchronisiert ist.
Die vorliegende Erfindung schafft weiter einen Sender in einer Prozesssteuerschleife, der Folgendes aufweist:
eine Vielzahl von Sensoren mit einer Vielzahl von variablen Impedanzwerten ansprechend auf eine Vielzahl von erfasster Parametern;
eine Vielzahl von Erregersignalen, die je an die Vielzahl der Sensoren angelegt werden, wobei sie eine Vielzahl von Sensor-Ausgangssignalen erzeugen, wobei die Erregersignale von einem Signalerzeuger-Schaltkreis erzeugt werden;
ein addiertes Summiersignal, das eine Aufsummierung der Vielzahl von Sensor-Ausgangssignalen wiedergibt;
einen Signalverarbeitungsschaltkreis und einen Ausgabeschaltkreis, wobei der Sender dadurch gekennzeichnet ist, dass der Signalverarbeitungsschaltkreis an das addierte Signal gekoppelt ist, um die einzelnen erfassten Parameter zu gewinnen und ein sich auf die erfassten Parameter beziehendes Ausgangssignal zu liefern; und
der Ausgabeschaltkreis an die Prozesssteuerschleife gekoppelt ist und der Signalverarbeitungs-Schaltkreis das mit den erfassten Parametern in Bezug stehende Ausgangssignal über die Prozesssteuerschleife überträgt; und dadurch, dass jedes der Erregersignale eine andere Wellenform als die anderen Erregersignale besitzt.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Methode für das Multiple- xen von mehr als einem Signal auf einen Analog-Digital-Wandler in einem Sender für ein Prozesssteuerungssystem. Diese Signale können die Ausgangssignale von einem Prozessvariablensensor, einer Bezugsvorrichtung, oder anderen für die Kompensation ver wendeten Sensoren sein. Im Allgemeinen werden diese Signale als erfasste Parameter bezeichnet. Der Sender umfasst einen Eingabe/Ausgabe-Schaltkreis zum Koppeln an eine Prozessteuerschleife. Ein erster Sensor weist eine erste Impedanz auf, die ansprechend auf einen erfassten Parameter, zum Beispiel eine Prozessvariable des Prozesses, variiert. Ein zweiter Sensor weist eine zweite Impedanz auf, die ansprechend auf einen weiteren erfasstem Parameter variiert. Ein erstes Erregersignal wird an den ersten Sensor geliefert und ein zweites Erregersignal wird an den zweiten Sensor geliefert. Ausgangssignale vom ersten und zweiten Sensor sprechen auf das erste und zweite Erregersignal und die erfassten Parameter an. Ein Additionsknoten summiert die Ausgangssignale von dem ersten und zweiten Sensor auf. Ein Analog-Digital-Wandler wandelt die aufsummierten Signale in ein digitales Format um. Der digitale Signalverarbeitungs-Schaltkreis gewinnt die erfassten Parameter aus dem digitalen Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers. Der digitale Signalverarbeitungs-Schaltkreis liefert ein Ausgangssignal basierend auf den erfassten Parametern zur Übertragung über die Prozesssteuerschleife an den Eingabe/Ausgabe-Schaltkreis.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Senders gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 ein ausführlicheres Blockdiagramm des Senders aus 1, das einen Signal-Umwandlungsschaltkreis gemäß einer Ausführungsform zeigt;
3 ein Vektordiagramm, das die Ausgangssignale für zwei kapazitive Sensoren zeigt;
4 ein vereinfachtes schematisches Diagramm gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
5A eine Kurve der Amplitude im zeitlichen Verlauf einer verzerrten Sinus-Wellenform zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung; und
5B eine Kurve der Amplitude im zeitlichen Verlauf für eine um 90° zu der Wellenform aus 5A verschobene verzerrte Sinus-Wellenform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Sender 10 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der an den Verbindungsanschlüssen 14 an die Prozesssteuerschleife 12 gekoppelt ist. Sender 10 schließt einen Mess-Schaltkreis 16 und einen Sensorschaltkreis 18 ein. Der Mess-Schaltkreis 16 ist an die Zweidrahtschleife 12 gekoppelt und wird zum Senden und Empfangen von Informationen über die Schleife 12 verwendet. Der Mess-Schaltkreis 12 schließt auch einen Schaltkreis zum Liefern einer Energieversorgungsausgabe für den Sender 10 ein, die von Schleifenstrom I erzeugt wird, der durch die Schleife 10 fließt. In einer Ausführungsform werden der Mess-Schaltkreis 16 und der Sensorschaltkreis 18 in getrennten Kammern im Sender 12 aufgenommen und durch Isolator 20 elektrisch isoliert. Isolator 20 ist eine Isolationsbarriere, die für elektrisch geerdete Sensoren erforderlich ist. Der Sensorschaltkreis 18 schließt einen Sensor 22 (als Impedanz gezeigt) ein, der eine Vielzahl von variierbaren Impedanzen aufweist, die auf die erfassten Parameter ansprechen. Hier umfassen die erfassten Parameter Prozessvariablen, die einen Prozess (z. B. Temperatur, Druck, Differentialdruck, Durchflussgeschwindigkeit bzw. -menge, Belastung, pH-Wert usw.), Referenzpegel und Kompensationsvariablen wie die Sensortemperatur, die zur Kompensation anderer erfasster Variablen verwendet werden, darstellen. Erregersignale werden der Impedanz 22 durch einen Erreger-Eingangsschaltkreis 24 über die elektrische Verbindung 26 zugeführt. Weitere Erregersignale könnten optische, mechanische, magnetische etc. Signale einschließen. Die Impedanz 22 erzeugt ansprechend auf die Erreger-Eingangssignale von dem Erregungseingang 24 Ausgangssignale am Ausgang 27. Die Ausgangssignale sind basierend auf den erfassten Parametern variabel.
In der vorliegenden Erfindung schließt das Impedanzelement 22 eine oder mehrere getrennte variable Impedanzen ein, die an verschiedene Erregersignale von dem Erregungseingang 24 gekoppelt sind. Jede einzelne Impedanz liefert ein Ausgangssignal an den Umwandlungsschaltkreis 28, der die Signale zu einem einzigen digitalen Ausgangsstrom kombiniert und digitalisiert. Der Umwandlungsschaltkreis 28 liefert ein Ausgangssignal auf der Ausgangsleitung 30 an den Isolator 20, der den Umwandlungsschaltkreis 28 elektrisch isoliert. Der Isolator 20 reduziert das Rauschen des Erdungskreises beim Messen der erfassten Parameter. Der Isolator 20 liefert ein isoliertes Ausgangssignal auf Leitung 32 an den Mess-Schaltkreis 16. Mess-Schaltkreis 16 überträgt eine von dem Umwandlungsschaltkreis 28 auf Schleife 12 erhaltene Darstellung des digitalisierten Signals. In einer Ausführungsform ist diese Darstellung ein analoger Strompegel oder ein digitales Signal. In einer bevorzugten Ausführungsform empfängt der Mess-Schaltkreis 16 das digitale Signal und gewinnt die einzelnen von den getrennten Impedanzen im Impedanzelement 22 erzeugten Signale zurück. Die Leitungen 26, 27, 30 und 32 können jedes geeignete Übertragungsmedium einschließlich elektrischen Leitern, faseroptischen Kabeln, Druckdurchlaufwegen oder anderen Verbindungsvorrichtungen aufweisen.
2 zeigt ein ausführlicheres Blockdiagramm des Senders 10, das zeigt, wie Sender 10 über die Zweidraht-Prozesssteuerschleife 12 an den Steuerwarten-Schaltkreis 36 gekoppelt ist. Der Steuerwarten-Schaltkreis 36 ist als Widerstand 36A und Spannungsquelle 36B ausgebildet. Strom I_L fließt von Schleife 12 durch Sender 10.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform schließt der Sensor 22 Kondensatordruck-Sensoren 40H und 40L ein, die eine Kapazität C_H bzw. C_L aufweisen, die dem Druck P_H bzw. P_L entsprechen. Die Kapazitäten C_H und C_L stellen beispielsweise einen erfassten Parameter eines Prozesses dar. Kondensator 40L empfängt das Erreger-Eingangssignal S₁ über die Eingangsleitungen 26 von dem Eingangsschaltkreis 24. Kondensator 40H empfängt das Erreger-Eingangssignal S₂ über die Eingangsleitungen 26 von dem Eingangsschaltkreis 24. Die Kondensatoren 40H bzw. 40L erzeugen die Ausgangssignale O_H bzw. O_L auf den Ausgangsleitungen 42H bzw. 46L. Die Ausgangsleitungen 42H und 42L sind an einem Additionsknoten 44 zusammengekoppelt, der über die Leitung 27 and den Umwandlungsschaltkreis 28 gekoppelt ist.
Der Umwandlungsschaltkreis 28 schließt den Hochimpedanz-Eingangsverstärker 46 ein. In einer Ausführungsform weist der Verstärker 46 einen Operationsverstärker 48 mit einem negativen Feedback von einem Ausgangsanschluss zu einem invertierenden Eingangsanschluss über Kondensator 50 auf. Der nicht-invertierende Eingang von Verstärker 48 ist an ein Gehäuse oder einen elektrischen Erdungsboden 52 angeschlossen. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 48 ist über die Leitung 27 mit dem Additionsknoten 44 verbunden. Das Ausgangssignal vom Verstärker 46 wird an den Sigma-Delta-Umwandlungsschaltkreis 54 geliefert, der nach altbekannten Sigma-Delta-Umwandlungsverfahren arbeitet. Beispielsweise beschreibt der Artikel "The Design of Sigma-delta Modulation Analog-to-Digital Converters" (Der Aufbau von Analog-Digital-Wandlern mit Sigma-Delta-Modulation) von Bernhard E. Boser u. a., IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 23, Nr. 6, Dezember 1988, S. 1298–1308 den Aufbau von Sigma-Delta-Wandlern. Der Sigma-Delta-Umwandlungsschaltkreis 54 sollte so konstruiert sein, dass die Abtastrate und die Ruflösung für den entsprechenden Sensor, der für Sensor 22 verwendet wird, über den gesamten dynamischen Bereich der Sensorausgabe hoch genug sind. Der Sigma-Delta-Umwandlungsschaltkreis 54 liefert ein Bitstrom-Ausgangssignal mit einer Breite von einem einzigen Bit auf der Leitung 30. Dieses digitale Ausgangssignal enthält alle notwendigen Informationen, um die Amplitudenphase und die Frequenz des von dem Verstärker 46 gelieferten Eingangssignals digital darzustellen.
Die Erregersignale S₁ und S₂ von dem Erregungs-Eingangsschaltkreis 24 können unter Verwendung eines geeigneten Verfahrens erzeugt werden. In der gezeigten Ausführungsform werden die Signale S₁ und S₂ unter Verwendung eines digitalen Signalerzeugers 60 erzeugt, der digitiale Signalausgaben D₁ und D₂ and einen Digital-Analog-Wandler liefert. Der Digital-Analog-Wandlererzeugt darauf ansprechend die analogen Signale S₁ und S₂. Der Generator 60 ist an den Umwandlungsschaltkreis 54 gekoppelt und liefert ein Taktsignal an den Schaltkreis 54. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Signale S₁ und S₂ Sinussignale mit einer Frequenz von etwa 10 Hz bis etwa 100 Hz und einer relativen Phasenverschiebung von 90°. In einer Ausführungsform ist das Ausgangssignal des Signalerzeugers 60 so angepasst, dass es Schwankungen beim Herstellungsverfahren der Kondensatoren 40H und 40L kompensiert. Beispielsweise können Phase, Frequenz, Wellenform und Amplitude angepasst werden. Der Signalerzeuger 60 empfängt Takt- und Kommunikationssignale über den Isolator 20B. Das Taktsignal wird auf von der Energieversorgung 61 verwendet, um eine isolierte Lieferspannung V_SI zu erzeugen, die den Schaltkreis 18 antreibt.
Der Mess-Schaltkreis 16 schließt einen Mikroprozessor/Digitalsignal-Prozessor 70 ein, der das Ausgangssignal von dem Sigma-Delta-Umwandlungsschaltkreis 54 über Isolator 20A und Dezimierfilter 72 empfängt. In einer Ausführungsform weist das Ausgangssignal von Filter 72, das auf dem Datenbus 73 getragen wird, eine Breite von 16 bis 24 Bit auf, mit einer Auflösung von 24 Bit. Der Dezimierfilter 72 re-formatiert den ein einziges Bit breiten Datenstrom auf Leitung 32 mit einer niedrigeren digitalen Datenrate in einen Byte-breiten Datenstrom zur Verwendung im Mikroprozessor 70. Der Mikroprozessor/Digitalsignal-Verarbeitungsschaltkreis 70 empfängt auch ein Eingangssignal vom Eingangsschaltkreis 24, das ein Referenzsignal in Bezug auf die Erreger-Eingangssignale S₁ und S₂ liefert. Der Mikroprozessor 70 verarbeitet das digitalisierte Signal und gewinnt daraus die von jedem einzelnen Kondensator 40H und 40L erzeugten Signale. In der Regel werden die beiden verschiedenen Signale unter Verwendung von Informationen gewonnen, die die Phase, Frequenz und Amplitude der Erregersignale D₁ und D₂ andeuten. Der Mikroprozessor 70 berechnet den von dem Kondensaotr 40H erfassten absoluten Druck, den von dem Kondensator 40L erfassten absoluten Druck, und den Differentialdruck. Der Mikroprozessor 70 liefert diese Informationen an den Eingabe/Ausgabe(I/O)-Schaltkreis 74 über den Datenbus 76. Der I/O-Schaltkreis 74 ist über die Anschlüsse 14 an die Prozesssteuerschleife 12 gekoppelt und empfängt den Schleifenstrom I_L. Der I/O-Schaltkreis 74 überträgt Informationen, die den erfassten Druck betreffen, über Schleife 12 an die Steuerwarte 36. Die Übertragung dieser Informationen erfolgt durch Steuerung des Stroms I_L, durch digitale Übertragung oder durch jedes geeignete Übertragungsverfahren.
3 zeigt ein Vektordiagramm mit den Signalen O_H, O_L und O_H + O_L. 3 zeigt die Kombination von O_H + O_L, die durch die analoge Aufsummierung am Additionsknoten 44 erzeugt wird. Die einzelnen Signale O_H und O_L können durch Bestimmung der Amplitude bei +45° bzw. –45° zurückerhalten werden. Dies ermöglicht, dass die von den Kondensatoren 40H und 40L erfassten Druckwerte P_H und P_L bestimmt werden. Die Phasenverschiebung des kombinierten O_H + O_L-Signals, θ_R, kann in der Zeitdomäne gemessen werden, um P_H-P_L mit maximaler Genauigkeit und Auflösung zu bestimmen.
Die in 2 gezeigte Technik ist nützlich bei der Übertragung einer Anzahl von verschiedenen Informationskanälen über einen einzigen Isolator in einem Sender. Beispielsweise kann der Sensorschaltkreis eines Senders jeden erfassten Parameter wie den Differentialdruck, absolute Druckwerte, Temperaturveränderung, absolute Temperatur und Sensortemperatur messen. Zusätzliche Parameter werden verwendet, um Anzeigen des Differentialdrucks und des absoluten Drucks zu kompensieren. Bei der vorliegenden Erfindung können kapazitive Sensoren für alle Informationskanäle eingesetzt und unter Verwendung von Signalen verschiedener Fre quenzen, Phasen, Amplituden oder Wellenformen erregt werden. Die Ausgangssignale dieser kapazitiven Sensoren werden in der analogen Domäne aufsummiert und unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert. Das digitiale Signal wird anschließend über den Isolator an den Mess-Schaltkreis übertragen, wo die einzelnen Signale unter Verwendung der digitalen Signalverarbeitung identifiziert werden. Diese Signale können kompensiert und in Berechnungen vor der Übertragung über die Prozesssteuerschleife verwendet werden. Die digitale Signalverarbeitung berechnet die Amplitude und Phase jeder Frequenzkomponente. Beispielsweise können digitale Filter eingesetzt werden, um die Signale zu trennen. Die Ausgangssignale können weiter verarbeitet werden, um Amplitude und Phase zu messen. Eine diskrete Fourier-Transformation DFT mit einer schnellen Fourier-Transformation FFT eingesetzt kann verwendet werden, um ein Spektrum des Signals zu liefern, das zur Bestimmung der Größenordnung der einzelnen Signale bei bestimmten Frequenzen untersucht wird. In einer Ausführungsform werden analoge Filter verwendet, um die individuellen Signale zurückzugewinnen, jedoch können analoge Filter eine beschränkte Auflösung besitzen.
In einer Ausführungsform sind Erregersignale Signale unterschiedlicher Frequenzen, die mit Bezug auf die Frequenz einer Systemuhr erzeugt werden. Der Digitalsignalverarbeitungs-Schaltkreis verwendet das Taktsignal als eine Referenz zur Identifizierung von Signalen, die ansprechend auf die verschiedenen Erregersignale erzeugt werden. In anderen Ausführungsformen können unterschiedliche Phasen oder Amplituden der Erregersignale verwendet werden.
4 ist ein vereinfachtes elektrisches Diagramm des Sensorschaltkreises 150 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Sensorschaltkreis 150 schließt die kapazitiven Sensoren 152, 154, 156, 158 und 160 ein. Der kapazitive Sensor 152 misst Druck P₁, der kapazitive Sensor 154 misst Druck P₂ und die Kombination der Sensoren 156 und 158 misst die Druckwerte P₁–P₂. Der kapazitive Sensor 160 liefert eine Eichkapazität, die zur Eichung des Systems und zum Messen von Systemfehlern verwendet wird. Veränderliche Widerstände 162 und 164 variieren ansprechend auf die Temperaturen T₁ und T₂ und sind an die nicht-invertierende Eingabe des Operationsverstärkers 166 gekoppelt, der mit dem negativen Feedback verbunden ist und einen Puffer bereitstellt. Der Ausgang des Verstärkers 166 ist mit dem Kondensator 168 verbunden. Veränderliche Impedanzen 152 bis 164 sind mit den Signalquellen 172, 174, 176, 178, 180 und 182 verbunden, die die Erregersignale e₁, e₂, e₃, e₄, e₅ bzw. e₆ liefern. 4 zeigt auch die Wellenformen der jedem Signalerzeuger 172 bis 182 benachbarten Signale e₁ bis e₆. Signal e₁ hat eine Frequenz f₁ und 0° Phasenverschiebung. Die Signale e₂ und e₃ haben ebenfalls die Frequenz f₁, aber um 180° bzw. 90° phasenverschoben. Das Signal e₄ hat eine zweite Frequenz f₂, die in dem Beispiel als gleich f₁/2 gezeigt ist. Die Signale e₅ und e₆ sind mit einer dritten Frequenz f₃ gezeigt, die als 2 × f₁ dargestellt ist. Das Signal e₆ ist in Bezug auf e₅ um 180° verschoben. In Ausführungsformen, bei denen die Erregersignale um 180° abweichen kann der Signalverarbeitungs-Schaltkreis die einzelnen Erregersignale nicht mehr isolieren.
Die Ausgänge der Kondensatoren 152 bis 160 und 168 sind mit dem Additionsknoten 170 an dem invertierenden Eingang des Verstärkers 184 verbunden. Der Verstärker 184 ist als Operationsverstärker 186 mit negativem Feedback über einen integrierenden Kondensator 188 wie folgt gezeigt:
wobei: e_n = Erregersignale von 172–182
c_n = Kondensatorwerte 152–160 und 168; und
C_I = Kondensatorwert von 188.
Verstärker 184 liefert ein Ausgangssignal an den Analog-Digital-Wandler 190, das eine Addition der Ausgangssignale von den Kondensatoren 152 bis 160 und 168 darstellt.
Die Temperatur wird von den Widerständen 162 und 164 gemessen, deren Widerstand ansprechend auf die Temperaturen T₁ und T₂; variiert. Die Widerstände 162 und 164 gewichten selektiv die Signale e₅ und e₆ in einem Mischvorgang und liefern die gemischten Signale über den Verstärker 166 an den Kondensator 168. Der Digitalsignalverarbeitungs-Schaltkreis (in 4 nicht dargestellt) identifiziert die Ausgangssignale der Kondensatoren 152 bis 160 und 168 und bestimmt die Druckwerte P₁, P₂, P₁–P₂, die Bezugskapazität C_R und die Differentialtemperatur T1–T2. Alle diese Werte stellen erfasste Parameter dar. In einer Ausführungsform wird der erfasste Parameter C_R, der eine Referenzkapazität darstellt, zur Kompensation und Bestimmung von Fehlern in anderen Messungen verwendet.
Obwohl das Beispiel in 4 Sinuswellen bei ganzzahligen Frequenzvielfachen zeigt, könnten andere nicht-Sinussignale verwendet werden, und Signale, die nicht-ganzzahlige Frequenzvielfache, aperiodisch, zufällig oder pseudozufällig, bandbegrenzt oder jede beliebige Kombination sind, eingesetzt werden. Nicht-Sinussignale können verwendet werden, um lineare, nichtlineare oder logarithmische Phasenausgangssignale zu erzeugen. Die Amplitude, Frequenz oder Phase der Erregersignale könnte als eine Funktion der erfassten Parameter gesteuert werden, um gewünschte Transferfunktionen zu erzeugen. Breitband-deterministische oder zufällige Erregersignale können verwendet werden, um die Immunität gegen Schmalbandstörungen zu erhöhen. Beispielsweise können Pseudozufallssequenzen als Erregersignale verwendet werden. Dies wäre ein Codemultiplexsystem, das dem in dem Mehrplatz-Kommunikationssystem (CDMA) verwendeten ähnlich ist.
Die Bestimmung der erfassten Parameter kann durch jede geeignete Signalverarbeitungstechnik erfolgen. Beispielsweise kann die momentane Frequenzverschiebung, die mit einer Phasenveränderung in Verbindung gebracht wird, so eingesetzt werden, dass sie eine Druckveränderung erfasst. Dies wird durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt, die während der Veränderungen wahr bleiben:
Dabei ist f_EX die Frequenz des Erregersignals, f_OUT ist das Ausgangssignal von einem kapazitiven Sensor, K ist eine Konstante und 0 ist die Phasenverschiebung. C ist eine Proporationalitätskonstante, die K·Θ in eine Druckänderung umwandelt.
Verzerrungen von Sinussignalen können ebenso als Erregersignale eingesetzt werden und zur Optimierung der Empfindlichkeit des Sensorschaltkreises verwendet werden. Beispielsweise zeigt 5A ein verzerrtes Sinussignal, und 5B zeigt das um 90° phasenverschobene Sinussignal von 5A. Die in 5A und 5B gezeigten verzerrten Sinuswellen erhöhen die Empfindlichkeit des Mess-Schaltkreises im Bereich von ΔP = O (d. h. C_H = C_L). Es ist auch möglich, die Wellenform so anzupassen, dass eine logarithmische Beziehung in dem Ausgangssignal vorliegt und der Analog-Digital-Wandler nicht so einen großen dynamischen Bereich benötigt.
Es ist auch möglich, eine Referenz-Wellenform bei den Messungen zu verwenden. In dieser Ausführungsform werden CH und CL mit Erregersignalen angetrieben, die um 180° phasenverschoben sind. Ein Referenzkondensator wird mit einer Wellenform angetrieben, die in Bezug auf eine der zum Antreiben von CH und CL verwendeten Wellenformen um 90° verschoben ist. Die resultierende Ausgangsamplitude ist wie folgt:
Dabei sind CH und CL die Kapazitätswerte der Hoch- und Niederdrucksensoren und CR ist eine Referenzkapazität. In einerweiteren Ausführungsform wird die Phase zwei Mal pro Periodegemessen, um 1/f-Rauschen und Nullpunktverschiebungsfehler beim Erfassen des Nulldurchgangs zu verhindern. Nullpunktverschiebungsfehler addieren und subtrahieren die selbe Phasenverschiebung zu den beiden Signalen und heben sich daher gegenseitig auf.
Die vorliegende Erfindung löst eine Anzahl von Problemen, die mit dem Stand der Technik in Verbindung gebracht werden. Beispielsweise verwendet ein Verfahren des Stands der Technik Zeitmultiplexen, was die Wahrscheinlickeit von Signalverfälschungs-Rauschen erhöht und die Fähigkeit des Umwandlungsschaltkreises zur Anpassung der Auflösung gegenüber der Ansprechzeit verringert. Die Verwendung mehrerer Analog-Digital-Wandler erhöht den Energieverbrauch. Zudem können die Wandler auf unvorhersehbare Weise zusammenwirken und die Isolierung des Sensorschaltkreises verkomplizieren. Zusätzlich verdoppelt die Verwendung von zwei Wandlern zur Messung eines Differenzsignals die Fehlerquote. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Niedrigstrom-Technologie, indem ein großer Teil der zur Verfügung stehenden Bandbreite des Analog-Digital-Wandlers, insbesondere eines Sigma-Delta-Wandlers, ausgenutzt wird. Es sind weniger Teile notwendig, da. nur ein einziger Wandler genutzt wird. Ein Zusammenwirken zwischen verschiedenen Bauteilen wird auf ein Minimum gesenkt und ist besser vorhersehbar. Die Signalverfälschung ist begrenzt, da alle erfassten Parameter bei der Hochabtastfrequenz eines Sigma-Delta-Wandlers überwacht werden können und digitale Anti-Signalverfälschungsfilter eingebaut werden können, bevor der Mikroprozessor die Sensor-Ausgangssignale abtastet.
Veränderungen bei der besonderen hier beschriebenen Verwirklichung liegen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie sie durch die anliegenden Ansprüche definiert ist. Beispielsweise können einzelne oder alle Funktionen in einem analogen oder digitalen Schaltkreis, wie z. B. Signalerzeugung, Übertragung über einen Isolator, Filtern, Signalverarbeitung, Kompensation, Übertragung, etc. eingesetzt werden. Diese Verfahren eignen sich gut für das Reduzieren von Rauschen bei Messungen, auch wenn ein einziger erfasster Parameter gemessen wird. Zudem liegt jede geeignete Verwirklichung der verschiedenen Merkmale im Schutzumfang der Erfindung. Die Erzeugung des Erregersignals kann durch andere Verfahren erfolgen als die offenbarten. Das spezielle Verfahren zum Aufsummieren der Ausgangssignale von den Impedanzelementen kann variiert werden, verschiedene Arten von Filtern oder Digital-Analog-Wandlern und Analog-Digital-Wandlern können eingesetzt werden. Jede geeignete Impedanz oder beliebige Anzahl von Elementen mit einer Impedanz, die sich ansprechend auf einen erfassten Parameter verändert, kann verwendet werden. Andere Verfahren zum Erfassen und Identifizieren einzelner Sensorausgangssignale kann ebenso verwendet werden wie andere Synchronisations- oder Energieerzeugungsverfahren. Auch können Signalverarbeitungsverfahren wie Fuzzy-Logik, neurale Netzwerke etc. verwendet werden. Andere Signalverarbeitungsverfahren wie Lock-in Verstärkerverfahren, entweder in digitalen oder analogen Verfahren eingesetzt, können ebenso verwendet werden. Lock-in Verstärker eignen sich gut für die Identifizierung und Isolierung eines Signals unter vielen Signalen unter Verwendung eines Referenzsignals.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute feststellen, dass Veränderungen in Form und Detail möglich sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung gemäß den anliegenden Ansprüchen abzuweichen.

Claims

Sender in einem Prozesssteuerungssystem, der Folgendes aufweist: einen Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreis (74) zur Kopplung an eine Prozesssteuerschleife (12); einen ersten Sensor (40H) mit einer ersten Impedanz, die ansprechend auf einen ersten erfassten Parameter variiert; einen zweiten Sensor (40L) mit einer zweiten Impedanz, die ansprechend auf einen zweiten erfassten Parameter variiert; ein erstes Erreger-AC-Signal (S₂), das an den ersten Sensor (40H) gekoppelt ist; ein zweites Erreger-AC-Signal (S₁), das an den zweiten Sensor (40L) gekoppelt ist; einen Additionsknoten (44), der an die Ausgänge des ersten und des zweiten Sensors gekoppelt ist und die AC-Ausgänge des ersten und des zweiten Sensors verbindet; und einen digitalen Signalverarbeitungs-Schaltkreis, wobei der Sender durch einen Analog-Digital-Wandler (541 gekennzeichnet ist, der an den Additionsknoten angeschlossen ist und der ein digitales Ausgangssignal bereitstellt, das die aufsummierten AC-Ausgangssignale des ersten und zweiten Sensors wiedergibt; sowie dadurch, dass der digitale Signalverarbeitungs-Schaltkreis (70) an den Ausgang des Analog-Digital-Wandlers angeschlossen ist, der den digitalen Ausgang verarbeitet, um den ersten und zweiten erfassten Parameter aus dem digitalen Ausgang zu gewinnen und den ersten und zweiten erfassten Parameter zur Übertragung über die Prozesssteuerschleife an den Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreis zu liefern.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (40H) einen Kondensator aufweist.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Erregersignal zueinander phasenverschoben sind.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Erregersignal unterschiedliche Frequenzen aufweisen.
Sender nach Anspruch 1, der Folgendes enthält: einen digitalen, Signalerzeuger (60), der ein erstes und ein zweites digitales Erregersignal erzeugt; und einen Digital-Analog-Wandler (62), der an den ersten und zweiten Sensor gekoppelt ist und die digitalen Erregersignale in das erste und zweite Erregersignal umwandelt.
Sender nach Anspruch 1, bei dem das erste Erregersignal eine verzerrte Sinuswelle aufweist.
Sender in einem Prozesssteuerungssystem, der Folgendes aufweist: einen Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreis (10), der zum Senden von Informationen über die Schleife und zum Empfängen von Energie von der Schleife, um den Sender zu betreiben, an eine Prozesssteuerschleife gekoppelt ist; einen Sensor (40H, 40L) mit einer Impedanz ansprechend auf einen erfassten Parameter; einen digitalen Signalerzeuger (60), der ein zeitvariables Erregersignal erzeugt; und einen digitalen Signalverarbeitungs-Schaltkreis, wobei der Sender durch einen Digital-Analog-Wandler (62) gekennzeichnet ist; der das digitale Erregersignal in ein analoges Erregersignal umwandelt, das an den Sensor gekoppelt ist, und das den Sensor erregt, so dass er ein Sensor-Ausgangssignal erzeugt; einen Analog-Digital-Wandlerschaltkreis (54), der an den Sensorausgang gekoppelt ist und ansprechend darauf ein digitales Sensorsignal liefert; und wobei der digitale Signalverarbeitungs-Schaltkreis (70) zur Identifikation und Messung des Sensor-Ausgangssignals und zum Senden eines repräsentativen Ausgangssignals des erfassten Parameters über die Prozesssteuerschleife unter Verwendung des Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreises mit dem digitalen Signalerzeuger synchronisiert ist.
Sender nach Anspruch 7, der mehrere Sensoren und mehrere Erregersignale enthält, die von dem Signalerzeuger erzeugt werden.
Sender nach Anspruch 8, bei dem die mehreren Erregersignale verschobene Phasen besitzen.
Sender in einer Prozesssteuerschleife; der Folgendes aufweist: eine Vielzahl von Sensoren (40H, 40L) mit einer Vielzahl von variablen Impedanzwerten ansprechend auf eine Vielzahl von erfassten Parametern; eine Vielzahl von Erregersignalen (S₂, S₁) die je an die Vielzahl der Sensoren angelegt werden, wobei sie eine Vielzahl von Sensor-Ausgangssignalen erzeugen, wobei die Erregersignale von einem Signalerzeuger-Schaltkreis (60) erzeugt werden; einen addierten Signalwert, der eine Aufsummierung der Vielzahl von Sensor-Ausgangssignalen wiedergibt; einen Signalverarbeitungsschaltkreis (70) und einen Ausgabeschaltkreis (74), wobei der Sender dadurch gekennzeichnet ist, dass der Signalverarbeitungsschaltkreis (70) an das addierte Signal gekoppelt ist, um die einzelnen erfassten Parameter zu gewinnen und eine sich auf die erfassten Parameter beziehende Ausgabe zu liefern; und der Ausgabeschaltkreis (74) an die Prozesssteuerschleife gekop- pelt ist und der Signalverarbeitungs-Schaltkreis die mit den erfassten Parametern in Bezug stehende Ausgabe über die Prozesssteuerschleife überträgt; und dadurch, dass jedes der Erregersignale eine andere Wellenform als die anderen Erregersignale besitzt.