專利名稱：過程變量變送器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及在過程控制和監(jiān)視系統(tǒng)中使用的過程變量變送器。更具體地，本實用新型涉及在操作期間對在這種系統(tǒng)中對模數(shù)轉換器的輸入進行動態(tài)調整，以改進A/D測量的分辨率。
背景技術：
過程變量變送器用于測量過程控制或監(jiān)視系統(tǒng)中的過程參數(shù)?；谖⑻幚砥鞯淖兯推鹘洺０▊鞲衅鳎荒?shù)轉換器，用于將來自傳感器的輸出轉換為數(shù)字形式；微處理 器，用于補償數(shù)字化的輸出；以及輸出電路，用于發(fā)送補償后的輸出。當前，一般通過過程控制環(huán)路(比如，4-20mA控制環(huán)路)或無線地進行該傳輸。由這種系統(tǒng)所測量的一個示例參數(shù)是溫度，通過測量阻性溫度器件(RTD，有時也被稱為鉬電阻溫度計，即PRT)的電阻，或通過測量熱電偶輸出的電壓，來感測溫度。當然，溫度僅是示例性的，且也可以測量廣泛的各種其他過程控制參數(shù)。某些典型的A/D轉換器配置有固定的電壓基準和可配置的分辨率增益調整。針對可配置的分辨率增益調整的每個增益設置對應于基準點，該基準點是所附電壓基準的標量。A/D轉換器使用該電壓基準來設置A/D轉換器的分辨率(以伏特每計數(shù)(volts percount)為單位)。從而可以基于測量的模擬輸入信號的期望信號電平，來改變A/D轉換器的分辨率。在實現(xiàn)了 A/D轉換器的常規(guī)監(jiān)視系統(tǒng)中，通常將可配置分辨率增益調整設置為使得A/D轉換器可以測量指定傳感器的完整范圍。即，針對可以容納整個傳感器范圍的單一固定的分辨率，來設置可配置分辨率增益調整。然而，實際的輸入信號通?？梢跃哂兄?或在值的范圍中變化)，針對該值，A/D轉換器可以設置為更高得多的分辨率。從而，將增益調整設置為設置固定分辨率導致了測量電路不能被調諧為使用A/D轉換器的全部能力。

實用新型內容一種過程變量變送器，用于測量過程變量，以及在測量過程變量時，基于模擬輸入信號的測量值來動態(tài)改變A/D轉換器的分辨率。可以通過以下方式來完成上述操作基于測量的模擬信號的值來自動調整可配置分辨率增益調整，通過對測量的輸入信號進行規(guī)范化，使得其中心位于A/D轉換器的最優(yōu)分辨率窗口，或通過調整提供給A/D轉換器的電壓基準。—種過程變量變送器，從傳感器接收傳感器輸入信號，所述傳感器感測過程變量并提供具有指示所述過程變量的模擬信號電平的傳感器輸入信號，其特征在于，所述過程變量變送器包括模數(shù)A/D轉換器，以分辨率將所述傳感器輸入信號轉換為數(shù)字值，其中，由所述A/D轉換器能夠獲得的分辨率根據(jù)所述傳感器輸入信號的模擬信號電平和提供給所述A/D轉換器的基準電壓之間的預定關系而改變；處理器，耦合到所述A/D轉換器，接收所述數(shù)字值，并基于所述數(shù)字值，通過過程控制環(huán)路來發(fā)送信息，所述處理器提供分辨率控制信號，以通過改變所述傳感器輸入信號的模擬信號電平或所述基準電壓中的至少一項，來控制所述A/D轉換器提供所述數(shù)字值的分辨率，以在給定所述傳感器輸入信號的模擬信號電平的情況下，將所述分辨率與所述傳感器輸入信號的模擬信號電平相匹配，使得所述A/D轉換器以預定分辨率來提供所述 數(shù)字值。上述過程變量變送器，其特征在于，所述A/D轉換器包括可調整增益設置，所述可調整增益設置基于輸入到所述A/D轉換器的基準電壓的一部分來設置所述A/D轉換器的分辨率。上述過程變量變送器，其特征在于，所述處理器通過基于所測量的模擬輸入信號的電平來改變所述可調整增益設置以改變分辨率，將所述分辨率與所述模擬信號電平相匹配。

圖I是耦合到傳感器的過程變量變送器的簡化框圖。圖2是輸入電壓對分辨率的圖。圖3是圖I所示的系統(tǒng)的簡化框圖，其中，A/D轉換器具有可配置的分辨率設置。圖4是對輸入信號進行規(guī)范化的一個實施例的簡化框圖。圖5A和5B是用于對輸入信號進行規(guī)范化的一個實現(xiàn)的示意圖。圖6是通過改變對A/D轉換器的電壓基準來動態(tài)改變A/D分辨率的一個實施例的簡化框圖。圖7是示出了系統(tǒng)的操作的一個實施例的簡化流程圖。
具體實施方式
圖I是根據(jù)一個實施例的變送器10的簡化框圖。在圖I所示的實施例中，變送器10包括模數(shù)(A/D)轉換器18、處理器20和可編程分辨率組件22。變送器10被示出為連接到傳感器12，傳感器12感測由箭頭14指示的過程控制參數(shù)。變送器10還被示出為連接到雙線過程控制環(huán)路16，但是取而代之地或作為附加地，其也可以連接到無線變送連接。在一個實施例中，過程控制環(huán)路16向變送器10提供功率。處理器20通過過程控制環(huán)路16發(fā)送信息，并也通過過程控制環(huán)路16從其他電路或系統(tǒng)接收信息。作為示例，過程控制環(huán)路16可以示意性地是4-20mA過程控制環(huán)路，且可以使用合適的通信協(xié)議來進行操作。備選地，可以由無線連接來取代過程控制環(huán)路16，或除了使用無線連接之外還使用過程控制環(huán)路16，該無線連接采用各種無線技術或配置來無線地發(fā)送信息。傳感器12示意性地是過程變量傳感器，過程變量傳感器從正在感測的過程接收輸入14。傳感器12可以示意性地是用于感測壓力、溫度、pH、流量等等的傳感器。傳感器12示意性地向A/D轉換器18提供指示感測到的參數(shù)的模擬輸出24。在本描述中，將傳感器12描述為溫度傳感器。然而，也可以使用任何其他合適的傳感器，且溫度僅是可以感測的變量或參數(shù)的一個示例。應當注意到，可以根據(jù)需要將傳感器12的輸出24示意性地提供給對模擬傳感器信號進行放大和濾波的電路(未示出)。該電路可以是傳感器12的一部分或單獨的電路。然后在任何情況下，可以將放大和濾波后的信號24提供給A/D轉換器18。A/D轉換器18向處理器20提供數(shù)字化的輸出，該數(shù)字化的輸出是傳感器12提供的模擬信號24的數(shù)字表示。當然，處理器20示意性地具有相關聯(lián)的存儲器和時鐘電路，并通過過程控制環(huán)路16來提供與感測到的參數(shù)相關的信息。應當注意到，處理器20可以包括輸入/輸出(I/O)電路，或可以單獨提供I/O電路，I/O電路在環(huán)路16上發(fā)送具有數(shù)字格式的信息，或通過控制流過環(huán)路16的電流來發(fā)送具有模擬格式的信息。在任何情況下，由變送器10通過過程控制環(huán)路16來提供與感測到的參數(shù)相關的信息。圖2是示出了相對于基準電壓的輸入電壓和A/D轉換器18的分辨率之間的關系的圖。圖2示出了 A/D轉換器18可以在3個不同的分辨率區(qū)域中提供輸出。這些分辨率區(qū)域包括相對高的分辨率區(qū)域、中分辨率區(qū)域(其輸出具有比高分辨率區(qū)域更低分辨率的伏特每計數(shù)的分辨率的數(shù)字值)、以及相對低的分辨率區(qū)域(其輸出具有比中分辨率區(qū)域甚至更低分辨率的分辨率的數(shù)字值)。在一個示例中，A/D轉換器18能夠在其中操作的特定分辨率區(qū)域基于模擬信號24的信號電平及其與A/D轉換器18在進行其測量時使用的基準電壓Vref的關系。在圖2所示的示例實施例中，當信號24在+Vref/3和-Vref/3之 間時，A/D轉換器18可以在高分辨率區(qū)域中操作。當信號24在+/-Vref/3和+/-Vref/2之間時，A/D轉換器18可以在中分辨率區(qū)域中操作，以及當信號24在+/-Vref/2和+/-Vref之間時，A/D轉換器18僅可以在低分辨率區(qū)域中操作。當然，圖2所示的關系和Vref/x的具體值僅作為示例。在很多現(xiàn)有系統(tǒng)中，A/D轉換器18被配置為在可以容納傳感器12的整個指定操作范圍的固定分辨率區(qū)域中操作。即，如果傳感器12能夠感測溫度，且能夠提供在-Vref和+Vref/3之間的輸出信號24，則A/D轉換器18將被配置為以最低分辨率來提供其輸出。為了容納傳感器12的全部指定操作范圍，這是必需的。然而，可以發(fā)生以下情況傳感器12通常在更窄得多的范圍中操作，比如圖2所示的范圍30。在該情況下，將A/D轉換器18設置為作為最低分辨率區(qū)域的分辨率區(qū)域導致了不必要的分辨率誤差。隨著設備準確度規(guī)格的愈發(fā)嚴格，針對給定輸入信號，由于不使用最大可能的分辨率設置而產生的誤差變?yōu)榱丝傁到y(tǒng)誤差中的顯著因素。因此，圖I示出了變送器10還包括可編程分辨率組件22?？删幊谭直媛式M件22向A/D轉換器18提供輸出，該輸出改變A/D轉換器18的分辨率設置。處理器20基于測量的輸入信號24的值，來控制組件22。因此，隨著信號24的值接近與新的分辨率區(qū)域相對應的值(圖2所示)，處理器20動態(tài)調整A/D轉換器18的分辨率，以與新的分辨率區(qū)域匹配。從而，在傳感器12正在提供范圍30中的輸出24時(圖2所示)，處理器20控制組件22將A/D轉換器18保持在高分辨率區(qū)域。然而，隨著傳感器12提供的輸出信號24接近在高分辨率區(qū)域的任一側的任一中分辨率區(qū)域(同樣圖2所示)，處理器20控制組件22，以動態(tài)調整A/D轉換器18的分辨率，使其在中分辨率區(qū)域。類似地，隨著信號24向另一區(qū)域移動，處理器20可以控制組件20，以再次動態(tài)調整A/D轉換器18的分辨率。從而，A/D轉換器18的分辨率設置始終在恰當?shù)膮^(qū)域中(其與給定輸入信號24所能獲得的最佳分辨率相匹配)。相比于具有一個固定分辨率設置的系統(tǒng)，這增加了 A/D轉換器18向處理器20提供其輸出的整體分辨率。從而變送器10利用了 A/D轉換器18的相對高的分辨率區(qū)域，即使傳感器24的整個操作范圍包括在高分辨率區(qū)域之外的區(qū)域。然而，如果測量值24接近較低分辨率區(qū)域，則簡單地調整A/D轉換器18的分辨率以匹配該區(qū)域。在一個實施例中，處理器20使用分辨率區(qū)域之間的每個邊界附近的值的窗口。在信號24進入窗口中，接近分辨率區(qū)域邊界時，處理器20可以或者提前改變A/D轉換器18的分辨率以容納新的區(qū)域，或者處理器20可以等待信號24實際穿過邊界之后改變分辨率。在另一實施例中，處理器20還可以測量信號24在其接近邊界時的改變率，并還可以使用該改變率來確定改變分辨率的速度。類似地，處理器20可以實現(xiàn)滯后帶，以在不同分辨率設置之間轉變。因此，如果測量到的傳感器輸入信號24在從一個分辨率設置轉變到下一個分辨率設置的轉變區(qū)域附近徘徊，滯后將讓處理器20避免以不期望的方式連續(xù)改變A/D轉換器18的分辨率設置。給定窗口或滯后帶的大小、或具體使用的改變率可以隨著具體的實現(xiàn)而變化。當然，可以進行其他修改。應當注意到，為了圖I的描述，將可編程分辨率組件22示出為與A/D轉換器18分離的組件。然而，當前的某些A/D轉換器18具有并入其中的組件22，使得處理器22可以簡單地向A/D轉換器18的分辨率設置輸入提供控制輸出。圖3示出了這種實施例的簡化框 圖。圖3所示的各項類似于圖I所示的各項，且對相似的項進行相似編號。然而，可以看到，取代了用于改變A/D轉換器18的分辨率的單獨的可編程分辨率組件22，而是使用簡單地具有分辨率設置輸入40的A/D轉換器18來實現(xiàn)變送器10。從而，處理器20簡單地向A/D轉換器18的分辨率設置輸入40提供用于動態(tài)調整A/D轉換器18的分辨率的分辨率控制輸出。這改變了 A/D轉換器18的分辨率設置。圖4是根據(jù)另一實施例的另一變送器10的簡化框圖。在圖4所示的實施例中，變送器10包括A/D轉換器18和處理器20。然而，取代具有分辨率設置輸入(比如圖3所示的40)的A/D轉換器18,變送器10包括輸入信號規(guī)范化器組件42。在圖4所示的實施例中，A/D轉換器18具有以特定輸入電壓測量為中心附近的高分辨率區(qū)域。僅作為示例，假定A/D轉換器18以如圖2所示的分辨率區(qū)域進行操作。因此，只要輸入信號24在+/-Vref/3內，則A/D轉換器18可以在高分辨率區(qū)域中使用A/D轉換器18所能獲得的最高分辨率來執(zhí)行其轉換。取代對A/D轉換器18的重置，輸入信號規(guī)范化組件42對輸入信號24進行規(guī)范化，以示意性地將其保持在A/D轉換器18的高分辨率區(qū)域中。即，組件42向信號24引入偏移量，以將其保持在A/D轉換器18的高分辨率區(qū)域中。圖5A是示出了具有部分示意圖形式的輸入信號規(guī)范化器組件42的一個實施例的簡化圖。圖5A還示出了傳感器12包括(作為示例)阻性熱器件(RTD) 50或熱電偶52。在圖5A所示的實施例中，組件42包括由處理器20控制的一對開關54和56。組件42還包括電阻器58、60、62和64的電阻性網絡以及齊納二極管66。在圖5A所示的實施例中，組件42有效地允許將傳感器12輸出的零點向下偏移預定值。如果傳感器12提供的信號在可接受的高分辨率區(qū)域中，則處理器20操作開關54和56，使得開關54閉合以及開關56斷開，如圖5A所示。這使得傳感器電流IsensOT沿箭頭68指示的第一路徑流動。A/D轉換器18可以執(zhí)行轉換，并向以最高分辨率向處理器20提供測量和轉換的輸出。然而，如果傳感器12輸出到A/D轉換器18的信號向較低分辨率區(qū)域移動，則處理器20可以如圖5B所示控制開關54和56，使得開關54斷開且開關56閉合。這使得電流Isensor沿箭頭70指示的第二路徑流動。這有效地降低了傳感器輸入O點，使其在如圖2所示的高分辨率區(qū)域電壓窗口中。當然，將注意到，可以添加附加的電阻性分壓器(divider)和開關，以容納其它傳感器范圍，所示的這些組件僅作為示例說明之用。圖6是另一實施例的簡化框圖。在圖6中，對與之前附圖所示的項相似的項進行相似編號。圖6示出了 A/D轉換器18不提供任何用于針對其測量來選擇不同分辨率增益的裝置的實施例。在該情況下，變送器10包括可編程基準電壓80，該可編程基準電壓80向作為A/D轉換器18中的基準電壓使用以進行A/D轉換的Vref輸入提供輸入。處理器20基于傳感器輸入信號24的測量值來控制可編程基準電壓80，使得A/D轉換器18可以保持在相對高的分辨率區(qū)域中操作。在實施例中，提供給A/D轉換器18的不同電壓基準值使得A/D轉換器18在不同的量化級上進行其轉換。從而，通過改變Vref，處理器20可以改變A/D轉換器18所使用的分辨率級別。因此，在圖6所示的實施例中，可編程基準電壓80示意性地由處理器20所能選擇的多個不同的可選擇的電壓抽頭構成。每個抽頭對應于在被選擇時提供的不同電壓電平，·作為對A/D轉換器18的Vref輸入。這樣，處理器20可以基于測量的輸入信號24的值，來動態(tài)調整A/D轉換器18操作的量化級(分辨率)。圖7是示出了變送器10的操作的一個實施例的簡化流程圖。在圖7所示的實施例中，變送器10首先測量傳感器輸入24的輸入信號電平。這由步驟90指示。然后處理器20通過確定信號24落入哪個分辨率區(qū)域，基于測量的傳感器輸入信號電平來確定恰當?shù)姆直媛试O置。這由步驟92指示。然后處理器20將A/D轉換器的分辨率設置為與其在步驟92中確定的分辨率區(qū)域相匹配的分辨率設置。這由步驟94指示。處理器20控制變送器10以動態(tài)調整A/D轉換器18的分辨率的具體方式將取決于用于該調整的具體實施例。上面通過圖I至6討論了多個示例實施例。將意識到圖7僅是操作變送器10的一個示例方法。盡管已參照優(yōu)選實施例描述了本實用新型，但是本領域技術人員將認識到，可以在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，在形式和細節(jié)上進行改變。
權利要求1.一種過程變量變送器，從傳感器接收傳感器輸入信號，所述傳感器感測過程變量并提供具有指示所述過程變量的模擬信號電平的傳感器輸入信號，其特征在于，所述過程變量變送器包括 模數(shù)A/D轉換器，以分辨率將所述傳感器輸入信號轉換為數(shù)字值，其中，由所述A/D轉換器能夠獲得的分辨率根據(jù)所述傳感器輸入信號的模擬信號電平和提供給所述A/D轉換器的基準電壓之間的預定關系而改變； 處理器，耦合到所述A/D轉換器，接收所述數(shù)字值，并基于所述數(shù)字值，通過過程控制環(huán)路來發(fā)送信息，所述處理器提供分辨率控制信號，以通過改變所述傳感器輸入信號的模擬信號電平或所述基準電壓中的至少一項，來控制所述A/D轉換器提供所述數(shù)字值的分辨率，以在給定所述傳感器輸入信號的模擬信號電平的情況下，將所述分辨率與所述傳感器輸入信號的模擬信號電平相匹配，使得所述A/D轉換器以預定分辨率來提供所述數(shù)字值。
2.根據(jù)權利要求I所述的過程變量變送器，其特征在于，所述A/D轉換器包括可調整增益設置，所述可調整增益設置基于輸入到所述A/D轉換器的基準電壓的一部分來設置所述A/D轉換器的分辨率。
3.根據(jù)權利要求2所述的過程變量變送器，其特征在于，所述處理器通過基于所測量的模擬輸入信號的電平來改變所述可調整增益設置以改變分辨率，將所述分辨率與所述模擬信號電平相匹配。
4.根據(jù)權利要求I所述的過程變量變送器，其特征在于，提供給所述A/D轉換器的基準電壓能夠由所述處理器來編程，所述處理器通過基于所述傳感器輸入信號的數(shù)字值對給定基準電壓進行編程以獲得給定分辨率，將所述分辨率與所述傳感器輸入信號相匹配。
5.根據(jù)權利要求I所述的過程變量變送器，其特征在于，所述過程變量變送器還包括 輸入信號規(guī)范化器組件，耦合到所述處理器和所述傳感器，向所述傳感器輸入信號的模擬信號電平引入偏移量。
6.根據(jù)權利要求5所述的過程變量變送器，其特征在于，在與未向所述模擬信號電平引入偏移量的情況下的所述A/D轉換器的分辨率相比，偏移量的引入提高所述A/D轉換器的分辨率時，所述處理器控制所述輸入信號規(guī)范化器組件向所述傳感器輸入信號的模擬信號電平引入所述偏移量。
7.根據(jù)權利要求I所述的過程變量變送器，其特征在于，所述處理器將所述分辨率與所述傳感器輸入信號的模擬信號電平相匹配，使得在給定所述傳感器輸入信號的模擬信號電平的情況下，所述A/D轉換器以最高可能分辨率來提供數(shù)字值。
8.根據(jù)權利要求I所述的過程變量變送器，其特征在于，所述處理器將所述分辨率與所述傳感器輸入信號的模擬信號電平相匹配，使得在給定所述傳感器輸入信號的模擬信號電平的情況下，在每次所述A/D轉換器將所述傳感器輸入信號轉換為數(shù)字值時，所述A/D轉換器以最高可能分辨率來提供所述數(shù)字值。
專利摘要一種過程變量變送器，用于測量過程變量，以及在測量過程變量時，基于模擬輸入信號的測量值來動態(tài)改變A/D轉換器的分辨率?？梢酝ㄟ^以下方式來完成上述操作基于測量的模擬信號的值來自動調整可配置分辨率增益調整，通過對測量的輸入信號進行規(guī)范化，使得其中心位于A/D轉換器的最優(yōu)分辨率窗口，或通過調整提供給A/D轉換器的電壓基準。
文檔編號H03M1/12GK202652189SQ20122009091
公開日2013年1月2日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權日2011年3月31日
發(fā)明者杰森·H·魯?shù)? 安德魯·J·布隆科茲卡 申請人:羅斯蒙德公司