專利名稱：具有采用熱噪聲在線校準(zhǔn)的溫度變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用于測量過程的溫度類型的變送器。尤其是，本發(fā)明涉及到一個(gè)具有在線校準(zhǔn)能力的溫度變送器。
例如，溫度變送器是用在過程工業(yè)中測量過程流體的溫度。典型地，溫度變送器安裝在遠(yuǎn)距離的場所并且經(jīng)過一個(gè)4-20mA的電流環(huán)路連接到一個(gè)控制室。溫度傳感器被安置在過程流體中并且提供一個(gè)與過程流體的溫度有關(guān)的輸出。例如，溫度傳感器可以是一個(gè)具有一個(gè)溫度獨(dú)立電阻器件的RTD(電阻溫度探測器)。該變送器注入電流到RTD中而在RTD兩端產(chǎn)生的電壓降是用來測量電阻。該電壓用一個(gè)模擬到數(shù)字的變換器變換到數(shù)字形式并且提供給一個(gè)微處理器。該微處理器變換這個(gè)所測的電壓到一個(gè)溫度的數(shù)字表示值。基于所用RTD傳感器的特殊類型或由操作員執(zhí)行的周期校準(zhǔn)，微處理器可以在該數(shù)字電壓上執(zhí)行附加的校準(zhǔn)和補(bǔ)償。該數(shù)字溫度值在4-20mA的電流環(huán)路上傳輸是由控制室內(nèi)的控制電路接收。在4-20mA的電流環(huán)路上的傳輸可能通過控制模擬電流大小來表示測量的溫度或者通過數(shù)字調(diào)制信息到環(huán)路上。
RTD的電阻與溫度之間的關(guān)系有助于在整個(gè)時(shí)間上改變。這些改變能夠周期地校準(zhǔn)系統(tǒng)的輸出以保持溫度測量的精度。例如，一個(gè)操作員周期地需要去外場校準(zhǔn)變送器。該變送器是通過放在已知溫度槽中的RTD傳感器和監(jiān)視溫度變送器的輸出來校準(zhǔn)的。溫度槽的實(shí)際溫度和輸出溫度的差別用來作為一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)并且存儲在存儲器中為以后微處理器使用。
用于校準(zhǔn)一個(gè)溫度測量器件的另一個(gè)技術(shù)是公開在由謝潑得(Shepard)等的1993年7月20日公布的美國專利號No．5228780中。標(biāo)題是雙模式自校準(zhǔn)電阻／熱噪聲溫度計(jì)系統(tǒng)。這個(gè)專利描述一種測量熱噪聲(約翰遜噪聲)去校準(zhǔn)一個(gè)RTD傳感器的技術(shù)。熱噪聲描述產(chǎn)生在電阻元件中的以及直接與元件的溫度有關(guān)的交流(AC)噪聲信號。熱噪聲是在一個(gè)原子晶格中由于原子的熱噪聲錯(cuò)位隨機(jī)激發(fā)的導(dǎo)電電子的結(jié)果。這產(chǎn)生一個(gè)小的，寬頻帶的交流電壓或電流。為了精確地測量熱噪聲，該噪聲信號必須在一個(gè)相對長時(shí)間周期累積。這個(gè)累積使對一個(gè)過程溫度的經(jīng)常、連續(xù)的監(jiān)視熱噪聲不實(shí)際。謝潑得等的參考文獻(xiàn)沒有直接與一個(gè)過程控制變送器一起使用。再者，謝潑得的參考文獻(xiàn)使用對于來自源的與熱噪聲不同噪聲的噪聲非常敏感及高靈敏的抑制電路。
因此，可以看到該技術(shù)缺少一個(gè)能夠精確在線自校準(zhǔn)的溫度變送器。
本

發(fā)明內(nèi)容
一個(gè)用在過程控制系統(tǒng)中的溫度變送器包括一個(gè)用于連接到溫度傳感器的一個(gè)傳感器輸入。該溫度傳感器有一個(gè)與溫度傳感器的溫度有關(guān)的電阻。連接到傳感器輸入的電阻測量電路提供一個(gè)與溫度傳感器的電阻有關(guān)的溫度輸出。連接到電阻測量電路的測量電路相應(yīng)地提供一個(gè)與溫度傳感器的溫度有關(guān)的溫度輸出。一個(gè)模擬到數(shù)字變換電路連接到傳感器輸入并且提供一個(gè)表示溫度傳感器中交流噪聲的數(shù)字輸出。數(shù)字信號處理電路分離交流噪聲中的熱噪聲成分并且提供一個(gè)數(shù)字熱噪聲輸出。溫度測量電路提供一個(gè)基于電阻輸出和數(shù)字熱噪聲輸出的校準(zhǔn)溫度輸出。輸出電路在過程控制環(huán)上傳輸該校準(zhǔn)溫度。在一實(shí)施例中，該溫度變送器是通過過程控制環(huán)路供電。
附圖簡介

圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的溫度變送器的一個(gè)簡單方框圖。
圖2是圖1中溫度變送器的一個(gè)詳細(xì)方框圖。
圖3一個(gè)對應(yīng)于RTD溫度傳感器中產(chǎn)生的交流噪聲信號頻率的功率譜密度圖。
最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明包括熱噪聲測量電路12連接到控制環(huán)路11的變送器10的簡單方框圖。變送器10被連接到由電流源50提供電流Is驅(qū)動的RTD(電阻溫度器件)16。直流(DC)電壓放大器26跨接在RTD溫度傳感器16上并且提供一個(gè)與RTD16兩端電壓降以及溫度有關(guān)的輸出給微處理器22。微處理器22變換這個(gè)電壓到一個(gè)為過程控制環(huán)11上傳輸?shù)谋硎綬TD16溫度的值。
熱噪聲測量電路12包括放大產(chǎn)生在RTD16兩端的交流電壓信號以及向數(shù)字信號處理電路64提供輸出的交流耦合寬帶電壓前置放大器60和62。根據(jù)本發(fā)明數(shù)字信號處理(DSP)電路64監(jiān)視兩個(gè)噪聲信號的交叉功率譜密度(CPSD)并且鑒別噪聲的熱噪聲部分。該熱噪聲信號提供給微處理器22并且是微處理器22用來校準(zhǔn)由直流電壓放大器26作的溫度測量的非常精確的參考信號。
圖2是一個(gè)圖1所示與RTD傳感器16連接以測量溫度的溫度變送器10的詳細(xì)方框圖。根據(jù)本發(fā)明，溫度變送器10包括熱噪聲測量電路12。變送器10連接到提供電源給變送器10的過程控制環(huán)11而且在這環(huán)路上信息被發(fā)送和接受。變送器10包括具有用于連接到如RTD溫度傳感器16的1到4接線端子的端子盒14。圖2顯示出到RTD16的連接。傳感器16對于變送器10既可以是內(nèi)部的也可以是外部的。變送器10包括由微處理器22控制的通過輸入／輸出(I／O)電路24連接到控制環(huán)11的多路轉(zhuǎn)換器20。多路轉(zhuǎn)換器20切換包括從端子1到4的合適的模擬信號集合給差分放大器26的正與負(fù)輸入端，放大器連接到高精度模／數(shù)(A／D)變換器28。在一實(shí)施例中，變換器28具有17比特位精度和每秒14次采樣的變換率。存儲器30為微處理器22存儲指令和信息，微處理器工作在由時(shí)鐘決定的速度。多路轉(zhuǎn)換器20分別成對連接到差分放大器26的正與負(fù)輸入端。一個(gè)參考電阻RREF38與RTD16以串聯(lián)形式連接到多路轉(zhuǎn)換器20。
在工作中，變送器10測量傳感器16的溫度并且在控制環(huán)11上傳送一個(gè)溫度表示。變送器10使用下面的方程式計(jì)算RTD16的主要溫度值RINRUT=VRINPUTVRREF(RREFNOM)]]>方程式1其中RREFNOM=參考電阻歐姆數(shù)的標(biāo)稱值電阻，并且／或者存儲在存儲器30中；
VRINPUT=輸入端的電壓降；以及VRREF=RREF兩端的電壓降。電流源50通過傳感器16(端子1和4)和參考電阻38提供電流Is。微處理器22測量在接線端子2和3之間RTD16的電壓降(VRINPUT)，以及與MUX20跨接電阻38的電壓降。RREFNOM是一個(gè)計(jì)算常數(shù)并且是從存儲器30恢復(fù)出來的。在一個(gè)如這樣的四線電阻測量中，因?yàn)閷?shí)際全部電流都在接線端子1和4之間流過，跨過連接接線端子2和3的電壓降是大大地忽略了，所以這對測量精度只有較小的影響。RINPUT是用查表或用存儲器30中合適的方程式轉(zhuǎn)換到溫度的單位。
圖2中更詳細(xì)的顯示了熱噪聲測量電路12。交流耦合寬帶電壓前置放大器60包括具有通過電阻72負(fù)反饋的差分放大器70。放大器70的非反向輸入端連接到接線端子盒14的接線端子2。放大器70的反向輸入端經(jīng)過交流分離電容74和開關(guān)76連接到接線端子盒14的接線端子3。放大器70的輸出端連接到數(shù)字信號處理電路64。類似地，放大器62包括具有通過電阻82付反饋的差分放大器80。放大器80的非反向輸入端連接到接線端子盒14的接線端子2而反向輸入端經(jīng)過交流分離電容84和開關(guān)86連接到接線端子盒14的接線端子3。放大器80的輸出提供給數(shù)字信號處理電路64。放大器60和62是并行連接。在所提實(shí)施例中，放大器60和62由運(yùn)算放大器組成。
數(shù)字信號處理電路64連接到時(shí)鐘90，它可以工作在與時(shí)鐘32不同的頻率并且該時(shí)鐘可以由時(shí)鐘32產(chǎn)生的時(shí)鐘信號導(dǎo)出。在圖2所顯示的實(shí)施例中，一個(gè)交流參考信號是由參考源92產(chǎn)生而差分放大器70和80的反向輸入端經(jīng)過開關(guān)76和86分別選擇地連接到參考源92。放大器70的輸出通過模數(shù)變換器78以數(shù)字形式提供給數(shù)字信號處理電路64。類似地，放大器80的輸出通過模數(shù)變換器88以數(shù)字形式提供給數(shù)字信號處理電路。在一實(shí)施例中，模數(shù)變換器78和88以200KHz或更高的采樣速率采樣由放大器70和80提供的放大的交流噪聲信號。
本發(fā)明的一方面包括采用數(shù)字信號處理電路去獲得和確定在RTD16中產(chǎn)生的熱噪聲信號。這個(gè)熱噪聲信號趨于具有相對小的幅度并且難以確定和難以從其它可能提供給放大器60和62的噪聲分開。
數(shù)字信號處理電路64對接收自放大器60和62的噪聲信號進(jìn)行頻譜分析。數(shù)字信號處理電路64根據(jù)熟知的信號處理技術(shù)工作。例如，輸入信號以離散值形式工作在時(shí)間域與／或者頻率域。信號處理算法的一種類型是允許電路64工作在Z域的Z變換。在一實(shí)施例中，該頻譜分析是采用快速傅立葉變換(FFT)執(zhí)行。快速傅立葉變換是一種已知的用于進(jìn)行確定交流信號中頻率分量的頻譜分析的技術(shù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，頻譜分析是采用小波分析來執(zhí)行的。小波理論描述在1994年十月D．E．新英格蘭的震動與聲學(xué)雜志，震動的小波分析(Wavelet Analysis ofVibration)的第一部分理論，116冊409頁。小波分析的特殊應(yīng)用和離散小波變換的描述如前所述的1994年十月D．E．新英格蘭的震動與聲學(xué)雜志，震動的小波分析的第二部分小波圖，116冊417頁。在一實(shí)施例中，采用小波分析而不是快速傅立葉分析，因?yàn)樾〔ǚ治鲈谝阎l率范圍內(nèi)確定頻譜分量能提供更有效的方法和消耗較少的運(yùn)算時(shí)間。
本發(fā)明的另一方面包括采用兩個(gè)分離的由放大器60和62產(chǎn)生的模擬信號噪聲。使用這兩個(gè)信號，數(shù)字信號處理電路64計(jì)算交叉功率譜密度并且減少熱噪聲測量上無關(guān)聯(lián)噪聲的影響。例如，假設(shè)這些所得信號是采用具有1024個(gè)采樣點(diǎn)和200KHz采樣率處理，系統(tǒng)的最高可能總帶寬是100KHz。由于各種元件的非理想特性，如抗混疊濾波器，實(shí)際的總帶寬可能接近50KHz。頻率分辨率大約是200Hz。交叉功率譜密度的頻譜被分為1024個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，它們中的每個(gè)都表示約200Hz的帶寬。因?yàn)樵擃l譜是“折疊”的并且包括負(fù)頻率，所以交叉功率譜密度將實(shí)際包含具有200Hz分辨率的512個(gè)唯一的數(shù)據(jù)點(diǎn)?？够殳B濾波器將有效地切掉一半。這最后的交叉功率譜密度帶寬大約是具有200Hz分辨率的256數(shù)據(jù)點(diǎn)的50KHz。大家應(yīng)該明白對特殊的執(zhí)行和環(huán)境，其他模塊大小、采樣速率和處理模塊數(shù)量的結(jié)合可以使用并且可以得出較好的結(jié)果。
圖3是一個(gè)放大器60或62輸出功率譜密度對應(yīng)于頻譜的例子。窄帶干擾如電磁干擾、顫噪聲等將在頻譜的平面域引起偏離并且將被數(shù)字信號處理電路64忽略。這將減少總帶寬到一個(gè)較小的網(wǎng)絡(luò)帶寬。該較小的網(wǎng)絡(luò)帶寬是用在交叉功率譜密度測量中。在交叉功率譜密度測量中的峰值是RTD傳感器16中熱噪聲的指示。系統(tǒng)中上升的熱噪聲信號，如產(chǎn)生在連線或交流耦合放大器60和62的噪聲，在交叉功率譜密度測量中將減少到零因?yàn)樗鼈兪菬o關(guān)聯(lián)的。在交叉功率譜密度計(jì)算中無關(guān)聯(lián)噪聲的影響是由較長的求平均次數(shù)減少的。出現(xiàn)在交叉功率譜密度測量中的唯一相關(guān)聯(lián)噪聲是傳感器本身，來自直流電流源和任何電磁干擾顫噪聲的一種。因此，在本發(fā)明的工作中的改進(jìn)可以通過減少電流源產(chǎn)生的任何噪聲實(shí)現(xiàn)。
為了交叉功率譜密度的精確計(jì)算，必須知道放大器60和62的增益。這些增益的確定是通過分別利用開關(guān)76和86的合適位置連接放大器60和62的反向輸入端到交流參考信號源92來完成。用開關(guān)76和86連接放大器70和80到參考源92，如果參考源92的值是準(zhǔn)確地知道的，放大器60和62的增益也可以確定。
在工作中，微處理器22根據(jù)下面方程式利用熱噪聲周期地確定RTD16的溫度T=KVNC]]>方程式2其中T=傳感器的溫度；K=波斯曼常數(shù)；C=一個(gè)固定電容；以及VN=熱噪聲微處理器22計(jì)算利用電路12測量的RTD傳感器16的溫度與利用查表計(jì)算值和用上述方程式1算出的RINPUT值之間的差值。這個(gè)差值用來校準(zhǔn)溫度測量。兩個(gè)溫度測量的差值由微處理器22存儲或“計(jì)入”存儲器30中并且將來用于更新由放大器26測量RTD傳感器16兩端的電壓降產(chǎn)生的溫度測量值。例如，方程式1的RREFNOM對應(yīng)于計(jì)算差值可以進(jìn)行調(diào)整來補(bǔ)償傳感器16的不準(zhǔn)確和漂移。在一實(shí)施例中，微處理器22與RTD傳感器16在不同的溫度花費(fèi)整個(gè)時(shí)間存儲許多溫度差值以發(fā)展更全面的和更精確的RTD傳感器16特性曲線。這些附加的數(shù)據(jù)點(diǎn)在補(bǔ)償和校準(zhǔn)上提供改進(jìn)的精度。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照所提實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是那些技術(shù)上熟練的人們應(yīng)該知道能夠在形式和細(xì)節(jié)上做的一些改變并沒有脫離本發(fā)明的精神和范圍。例如，可以使用其它類型的數(shù)字信號處理技術(shù)。再者，在許多實(shí)施例中可以期望用模擬電路執(zhí)行數(shù)字信號處理。
權(quán)利要求
1．一種過程控制系統(tǒng)中的變送器，其特征在于包括一個(gè)用來連接具有一個(gè)與溫度有關(guān)電阻的溫度傳感器的傳感器輸入端；連接到傳感器輸入端具有與溫度有關(guān)電阻相關(guān)的電阻輸出端的測量電路；一個(gè)連接到傳感器輸入端提供一個(gè)具有交流噪聲成分和熱噪聲成分放大輸出的放大器；與放大的輸出連接提供數(shù)字輸出的模數(shù)變換器；連接到數(shù)字輸出用于分離熱噪聲成分并且提供一個(gè)數(shù)字化熱噪聲輸出的數(shù)字信號處理電路；連接到電阻測量電路和數(shù)字信號處理電路基于電阻輸出及數(shù)字熱噪聲輸出提供溫度校準(zhǔn)輸出的溫度測量電路；以及用來連接到一個(gè)過程控制環(huán)并且在該環(huán)上傳輸校準(zhǔn)溫度輸出的輸出電路。
2．根據(jù)權(quán)利要求2所述的變送器，其特征在于包括一個(gè)連接到傳感器輸入端提供一個(gè)具有交流噪聲成分和熱噪聲成分的放大輸出的第二寬帶交流耦合放大器；連接到第二放大器的放大輸出端提供一個(gè)數(shù)字輸出給數(shù)字信號處理電路的第二模數(shù)變換電路。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的變送器，其特征在于該數(shù)字處理電路基于數(shù)字輸出計(jì)算交叉功率譜密度。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于該數(shù)號處理電路在數(shù)字輸出上執(zhí)行一個(gè)快速傅立葉變換。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于該數(shù)字處理電路在數(shù)字輸出上執(zhí)行一個(gè)小波變換。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于包括一接到過程控制環(huán)用來給變送器提供電源的功率源。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于包括連接到溫度測量電路存儲與電阻輸出和數(shù)字噪聲輸出的比較有關(guān)的校準(zhǔn)值的存儲器。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于該輸出傳送一個(gè)與數(shù)字熱噪聲輸出有關(guān)的信號。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于包括一個(gè)用來校準(zhǔn)熱噪聲輸出的參考源。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于電阻測量電路包括一個(gè)與傳感器輸入端串型連接的電流源；一個(gè)用于跨接到傳感器輸入端并且提供一個(gè)差分輸出的差分放大器；和連接到差分放大器提供與傳感器電阻有關(guān)的數(shù)字差分輸出變換電路。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的變送器，其特征在于包括一個(gè)用于連接傳感器輸入端到差分放大器的多路轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
一個(gè)溫度變送器(10)和一個(gè)過程控制系統(tǒng)包括一個(gè)用來連接到具有與溫度有關(guān)的電阻溫度傳感器(16)的傳感器輸入端(1,2,3,4)。電阻測量電路(20,26,50)連接到傳感器輸入端(1,2,3,4)并且提供一個(gè)與溫度有關(guān)電阻的電阻輸出。模數(shù)變換電路(78,88)連接到傳感器的輸入端(1,2,3,4)并且提供一個(gè)與傳感器輸入端交流信號有關(guān)的數(shù)字輸出。數(shù)字信號處理電路(64)隔離交流信號的熱噪聲成分并且提供一個(gè)數(shù)字的熱噪聲輸出。溫度測量電路基于電阻輸出和數(shù)字熱噪聲輸出提供一個(gè)校準(zhǔn)溫度輸出。輸出電路(24)在過程控制環(huán)(11)上傳送校準(zhǔn)溫度輸出。
文檔編號G01K15/00GK1205771SQ96199278
公開日1999年1月20日 申請日期1996年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月3日
發(fā)明者埃文·埃爾于雷克, 加里·倫茲 申請人:羅斯蒙德公司