-
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 IL 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 CH bzw.
CL aufweisen, die dem Druck PH bzw.
PL entsprechen. Die Kapazitäten CH und CL 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
OH bzw. OL 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 VSI 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 IL. 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 IL, durch
digitale Übertragung
oder durch jedes geeignete Übertragungsverfahren.
-
3 zeigt
ein Vektordiagramm mit den Signalen OH,
OL und OH + OL. 3 zeigt
die Kombination von OH + OL,
die durch die analoge Aufsummierung am Additionsknoten 44 erzeugt
wird. Die einzelnen Signale OH und OL können
durch Bestimmung der Amplitude bei +45° bzw. –45° zurückerhalten werden. Dies ermöglicht,
dass die von den Kondensatoren 40H und 40L erfassten
Druckwerte PH und PL bestimmt
werden. Die Phasenverschiebung des kombinierten OH +
OL-Signals, θR,
kann in der Zeitdomäne
gemessen werden, um PH-PL 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 CR und
die Differentialtemperatur T1–T2.
Alle diese Werte stellen erfasste Parameter dar. In einer Ausführungsform
wird der erfasste Parameter CR, 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 fEX die
Frequenz des Erregersignals, fOUT 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. CH = CL).
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.