МУЛЬТИФАЗНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С СИНХРОНИЗИРОВАННЫМИ СИГМА-ДЕЛЬТА КОНВЕРТОРАМИ
MULTIPHASE MEASUREMENT SYSTEM WITH SYNCHRONISED SIGMA-DELTA CONVERTORS

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к системе измерения. В частности, настоящее изобретение относится к измерительному контуру, в состав которого входит множество чувствительных элементов и множество сигма-дельта конверторов (модуляторов) для преобразования аналоговых данных измерения чувствительными элементами в цифровые выходные сигналы.
Полевой передатчик - это прибор, который используется для контроля технологического процесса. Полевой передатчик включает преобразователь, который реагирует на технологический параметр, измеренный чувствительным элементом, и преобразует этот параметр в стандартизированный передаваемый сигнал, который является функцией измеренного параметра. Термин "технологический параметр" относится к физическому или химическому состоянию вещества или к преобразованию энергии. К примерам технологических параметров относится давление, температура, расход, удельная проводимость, и pH.
Один такой передатчик описан в патенте США №6295875 (авторы: Роджер Л. Фрик и Дэвид А. Броден) под названием "ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПЕРЕДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ". В этом передатчике используется емкостный преобразователь, имеющий отклоняющуюся измерительную диафрагму и три или больше электродов конденсатора, которые образуют с диафрагмой отдельные емкостные чувствительные элементы. Два емкостных элемента являются первичными измерительными конденсаторами, которые работают по дифференциальной схеме так, что емкости первичных измерительных конденсаторов имеют заряд, обратно пропорциональный технологическому параметру. Третий и четвертый емкостные элементы - это компенсирующие конденсаторы, которые обеспечивают сигналы, представляющие ошибки смещения или гистерезис, связанный с первичными конденсаторами. По мере того как с одной или обеих сторон диафрагмы прикладывается давление, диафрагма отклоняется. Отклонение диафрагмы может быть обнаружено путем измерения изменения отношения электрической емкости к отклонению. Это емкостное отношение с помощью аналого-цифрового датчика преобразуется в цифровую форму.
Другой тип передатчика описан в патенте США №5637802 (авторы: Роджер Л. Фрик, Беннетт Л. Люваж и Адриан Ц. Той) под названием "ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПЕРЕДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ, В КОТОРОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ИСХОДИТ ПО СУЩЕСТВУ ОТ ЗАДНИХ СТОРОН ПЛАСТИН", и в патенте США №6089097802 (авторы: Роджер Л. Фрик, Беннетт Л. Люваж и Адриан Ц. Той) под названием "УДЛИНЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПЕРЕДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ". В передатчике, описанном в этих двух патентах, для измерения разности давлений, а также двух абсолютных давлений используются два датчика абсолютного давления, обеспечивающие при измерении разности давлений высокую разрешающую способность.
В одном особенно перспективном виде аналого-цифрового преобразователя используется сигма-дельта модулятор. Применение сигма-дельта модуляторов в передатчиках описано в патенте США №5083091 (авторы: Роджер Л. Фрик и Джон П. Шулт) под названием "НАГРУЖЕННЫЙ СБАЛАНСИРОВАННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТУР С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ". Другие примеры использования сигма-дельта модуляторов в передатчиках описаны в патенте США №6140952 (автор: Майкл Габори) под названием "СИГМА-ДЕЛЬТА СХЕМА СО СДВИГОМ, МОДУЛИРОВАННЫМ ПО ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСА"; в патенте США №6509746 (автор: Ронгтат Ванг) под названием "СХЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ ДЛЯ ПЕРЕДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ КОМПЕНСИРОВАННЫХ КОНДЕНСАТОРОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ"; и в патенте США №6,516,672 (автор: Ронгтат Ванг) под названием "СИГМА-ДЕЛЬТА АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПЕРЕДАТЧИКА". Все упомянутые выше патенты переданы в компанию Розмаунт (Rosemount Inc.), являющуюся правопреемницей настоящей заявки.
В передатчике, снабженном сигма-дельта модулятором, действующим в качестве аналого-цифрового преобразователя емкости, схема возбуждения направляет зарядовые пакеты к емкостным чувствительным элементам. Заряд на чувствительных элементах соответствует значениям емкости этого емкостного элемента. Заряды передаются на вход интегратора/усилителя сигма-дельта модулятора для получения одноразрядного двоичного выходного сигнала, который является функцией емкостного отношения.
Передатчики могут связываться с центральной диспетчерской либо в аналоговом, либо в цифровом формате. При использовании аналоговой связи передатчики часто включаются в двухпроводный контур, по которому считываемый первичный технологический параметр передается в центральную диспетчерскую путем модулирования электрического тока в контуре в пределах, например, от 4 до 20 мА. Передатчики, обеспечивающие как аналоговую, так и цифровую связь, могут передавать вторичный параметр в цифровом виде по тому же самому двухпроводному контуру.
С развитием цифровых схем полевых передатчиков становится возможным измерение одним передатчиком больше чем одного первичного параметра. Например, было бы выгодно иметь один передатчик давления, выдающий цифровые выходные сигналы по абсолютным давлениям, а также по разности давлений.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является многофазный измерительный контур, включающий множество измерительных элементов и множество сигма-дельта конверторов (модуляторов). Измерительные элементы включают два или большее число чувствительных элементов и общий элемент (который может быть либо опорным элементом, либо чувствительным элементом). На выходе каждого модулятора появляется сигнал, представляющий отношение одного или большего числа чувствительных элементов к общему элементу. Чувствительные элементы и общий элемент подключены к сигма-дельта модуляторам через схему переключения и управляются общей схемой возбуждения. Логическая схема переключения управляет схемой переключения так, чтобы общий элемент мог подключаться к конкретному сигма-дельта модулятору только в фазе этого модулятора. В результате, сигма-дельта модуляторы делят между собой время общего элемента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 изображена принципиальная схема измерительного контура, в состав которого входит два емкостных чувствительных элемента, общий конденсатор и два синхронизированных сигма-дельта модулятора.
На фиг.2 изображена принципиальная схема измерительного контура для датчика давления емкостного типа, в состав которой входят четыре емкостных чувствительных элемента, общий конденсатор и три синхронизированных сигма-дельта модулятора.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг.1 изображена принципиальная схема измерительного контура 10, в котором используется множество чувствительных элементов, и общий элемент для измерения множества цифровых отношений. Измерительный контур 10 включает емкостный чувствительный элемент С1, емкостный чувствительный элемент С2 и общий конденсатор CR, первый сигма-дельта модулятор 12А, второй сигма-дельта модулятор 12В, процессор цифрового сигнала 14, управляющую логическую схему переключения 16, и схему переключения, выполненную на переключателях 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 и 34. Переключатели 18 и 20 - это переключатели на входе, переключатели 22, 26, 30 и 32 - это переключатели на подаче пакетов, и переключатели 24/28 и 34 - это переключатели заземления.
Сигма-дельта модулятор 12А выдает выходной сигнал уА, который является одноразрядным цифровым сигналом, представляющим емкостное отношение С1 к CR. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения сигма-дельта модуляторы 12А и 12В являются сигма-дельта модуляторами второго порядка. Управляющая логическая схема переключения 16 выдает управляющие сигналы переключения ⌀А1, ⌀А2, уА и , которые управляют переключателями 18, 20, 22, 24, 26 и 28, обеспечивая подачу зарядовых пакетов на сигма-дельта модулятор 12А. Пакеты отрицательных и положительных зарядов подаются через эти переключатели на вход сигма-дельта модулятора 12А с целью поддержания долгосрочного баланса между пакетами отрицательных и положительных зарядов.
Сигма-дельта модулятор 12 В выдает выходной сигнал уВ, который является одноразрядным цифровым сигналом, представляющим емкостное отношение С2 к CR. Управляющая логическая схема переключения 16 выдает управляющие сигналы переключения второй фазы ⌀В1 и ⌀В2, уВ и , которые управляют переключателями 18, 20, 28, 30, 32 и 34, обеспечивая подачу зарядовых пакетов на вход сигма-дельта модулятора 12В.
Процессор цифрового сигнала 14 принимает выходные сигналы уА и уВ с выхода сигма-дельта модуляторов 12А и 12В и преобразует эти сигналы в цифровые выходные сигналы, представляющие параметры, измеряемые измерительными конденсаторами С1 и С2. Например, если С1 и С2 являются емкостными элементами, измеряющими давление, то выходные сигналы процессора цифрового сигнала 14 могут представлять первое абсолютное давление, измеренное С1, второе абсолютное давление, измеренное С2, и разность давлений, представляющую разность двух абсолютных давлений. Все три цифровых выходных сигнала могут быть получены из двух измерений цифровых отношений, представленных сигналами уА и уВ.
В измерительном контуре 10 предусмотрено три уровня напряжения VP, VMID, и VN. VP - положительное напряжение, VN - отрицательное напряжение и VMID - среднее напряжение между VP и VN (и обычно - земля). Использование общего эталонного конденсатора CR и отдельных сигма-дельта модуляторов 12А и 12В позволяет схеме измерения 10 выполнять множество цифровых измерений. Чтобы сделать это возможным, управляющая логическая схема переключения 16 управляет переключателями, чтобы задавать многофазный режим, в котором фаза А используется для зарядовых пакетов, подаваемых на вход сигма-дельта модулятора 12А, а фаза В используются для подачи зарядовых пакетов на вход сигма-дельта модулятора 12В. Таким образом исключаются конфликты, которые могли возникнуть в связи с тем, что на вход сигма-дельта модуляторов 12А и 12В с выхода эталонного конденсатора CR одновременно должны подаваться зарядовые пакеты.
Для каждого сигма-дельта модулятора 12А, 12В существует определенная частота обновления или измерительный цикл, который должен оставаться постоянной величиной. Так как схема является цифровой, система данных опроса обладает динамической характеристикой, связанной с частотой опроса. Если частота опроса (частота цифрового обновления) не постоянна, постоянная времени или частотная характеристика системы не будет постоянной. Это приведет к непредсказуемым параметрам контура управления технологическим процессом. Если чувствительные элементы в датчике опрашиваются в разное время и/или с разной частотой, то перестроение станет проблематичным. Усредненный выходной сигнал не будет соответствовать усредненному входному сигналу, если измеренные параметры меняются.
Для обеспечения постоянной частоты обновления общее количество зарядовых пакетов, поданных на вход сигма-дельта модулятора 12А или 12В во время измерительного цикла, остается постоянным, хотя число положительных и отрицательных импульсов во время этого цикла будет изменяться исходя из емкости чувствительных элементов С1 или С2. Это подразумевает, что скорость подачи зарядового пакета на вход сигма-дельта модулятора тоже постоянна. Управляющая логическая схема переключения 16 должна решать с этой постоянной скоростью подачи пакетов, подавать ли положительный заряд, представляющий одну емкость (или группу емкостей), либо отрицательный заряд, представляющий другую емкость (или группу емкостей).
Общий конденсатор CR может подавать только один зарядовый пакет за один раз через переключатели 26, 28 и 30. На практике единый зарядовый пакет не делят поровну между двумя конкурирующими сигма-дельта модуляторами. Если бы сигма-дельта модуляторы 12А и 12В работали синхронно и точно в фазе, тогда на оба модулятора 12А и 12В потребовалась бы подача зарядового пакета с выхода общего конденсатора CR. Также на модуляторы 12А и 12В потребовалась бы подача последовательных импульсов того же знака.
В соответствии с настоящим изобретением сигма-дельта модуляторы 12А и 12В и переключающая схема, выдающая импульсы заряда на модуляторы 12А и 12В, работают по синхронизированному многофазному циклу в режиме чередования фаз А и В. Во время фазы А зарядовые пакеты подаются на вход сигма-дельта модулятора 12А либо с выхода датчика С1, либо с выхода общего конденсатора CR. Во время фазы В зарядовые пакеты подаются на вход сигма-дельта модулятора 12В либо с выхода датчика С2, либо с выхода общего конденсатора CR. Общий конденсатор CR через переключатель 26 подключен на вход сигма-дельта модулятора 12А, а через переключатель 30 - на вход сигма-дельта модулятора 12В. Переключатель 28 позволяет конденсатору CR подключаться к VMBD (или на землю), чтобы разрядить CR между подачами зарядового пакета во время этих двух фаз. Это позволяет конденсатору CR в режиме чередования фаз либо подавать, либо не подавать зарядовый пакет того знака, который нужен модуляторам 12А и 12В.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, изображенным на фиг.1, сигма-дельта модулятор 12А принимает отрицательные заряды с выхода С1 и положительные заряды с выхода CR. Сигма-дельта модулятор 12В принимает отрицательные заряды с выхода С2 и положительные заряды с выхода CR. Во время фазы, в течение которой работает первый сигма-дельта модулятор 12А, логические сигналы переключения ⌀А1, ⌀А2, уА и  управляют подачей зарядовых пакетов на вход сигма-дельта модулятора 12А. Если сигнал с выхода сигма-дельта модулятора 12А является сигналом низкого уровня (то есть если сигнал  является сигналом высокого уровня), переключатель 18 пропускает ток (то есть, находится во включенном положении) во время фазового сигнала ⌀А1 и не пропускает ток (то есть находится в выключенном положении) во время ⌀А2. Когда переключатель 18 пропускает ток, на входы С1 и CR (и также С2) подается положительное напряжение VP. Выход С1 через переключатель 24 подключен к VMID, потому что переключатель 24 находится во включенном положении, когда сигналы  и ⌀А1 являются сигналами высокого уровня. Все остальные переключатели 22, 26, 28, 30, 32, и 34 находятся в выключенном положении.
Если сигнал  является сигналом высокого уровня, а сигнал ⌀А2 становится сигналом высокого уровня, переключатель 18 находится в выключенном положении, в то время как переключатель 20 находится во включенном положении, чтобы подавать напряжение VN на вход конденсаторов С1, CR и С2. При напряжении VN на входе С1 отрицательный заряд, соответствующий значению емкости конденсатора С1, подается на вход переключателей 22 и 24. Теперь переключатель 24 находится в выключенном положении, но переключатель 22 находится во включенном положении. В результате, переключатель 22 передает отрицательный заряд с конденсатора С1 на вход сигма-дельта модулятора 12А, где он интегрируется так, что отрицательный входной сигнал положительно изменяет сигнал, который сравнивается с VMID. Когда интегрированный сигнал превышает VMID, выходной сигнал сигма-дельта модулятора 12А изменяет свое состояние так, что уА становится сигналом высокого уровня, а  становится сигналом низкого уровня. При такой интеграции заряда может возникнуть необходимость в зарядовом пакете с выхода С1, или во множестве зарядовых пакетов за какое-то время для того, чтобы изменить уА с сигнала низкого уровня на сигнал высокого уровня.
После завершения фазы А следует фаза В. Если выходной сигнал сигма-дельта модулятора 12В является сигналом низкого уровня (то есть сигнал  является сигналом высокого уровня), то отрицательный зарядовый пакет с выхода С2 будет подаваться на вход сигма-дельта модулятора 12В точно так же, как и отрицательный зарядовый пакет с выхода С1 подавался с выхода сигма-дельта модулятора 12А. Другими словами, во время прохождения сигнала ⌀В1 переключатель 18 и переключатель 34 будут находиться во включенном положении, в то время как все остальные переключатели будут находиться в выключенном положении. Во время прохождения сигнала ⌀В2 переключатель 20 и переключатель 32 будут находиться во включенном положении, а все остальные будут находиться в выключенном положении. В результате, отрицательный зарядовый пакет, который является функцией емкости С2, будет проходить через переключатель 32 на вход сигма-дельта модулятора 12В.
Отрицательные зарядовые пакеты будут подаваться с выхода емкости С1 во время фазы А, и с выхода емкости С2 во время фазы В до тех пор, пока выходной сигнал с выхода одного из двух сигма-дельта модуляторов 12А и 12В не изменит состояние. Предположим, что сигма-дельта модулятор 12А изменяет состояние так, что сигнал уА становится сигналом высокого уровня. В течение следующей фазы А переключатели 20 и 28 будут находиться во включенном положении во время прохождения сигнала ⌀А1, в то время как все другие переключатели находятся в выключенном положении. Во время прохождения сигнала ⌀А2 переключатель 18 и переключатель 26 будут находиться во включенном положении, в то время как все остальные переключатели находятся в выключенном положении. В результате, на вход сигма-дельта модулятора 12А будет подаваться положительный зарядовый пакет с выхода конденсатора CR.
Фазы А и В чередуются и в некоторый момент на выходе сигма-дельта модулятора 12 В изменяется состояние так, что сигнал уВ становится сигналом высокого уровня. Если сигнал уВ является сигналом высокого уровня, то во время прохождения сигнала ⌀В1 переключатели 20 и 28 будут находиться во включенном положении, при этом вход CR подключен к VN, а выход подключен к VMID. Если сигнал уВ является сигналом высокого уровня, то все другие переключатели находятся в выключенном положении во время прохождения сигнала ⌀В1.
Если сигнал уВ является сигналом высокого уровня, то во время прохождения сигнала ⌀В2 переключатель 18 находится во включенном положении, обеспечивая подачу VP на вход общего конденсатора CR, и переключатель 30 находится во включенном положении, обеспечивая подключение выхода CR ко входу сигма-дельта модулятора 12В.
Работа сигма-дельта модуляторов 12А и 12В синхронизирована так, чтобы у них был единый измерительный цикл или цикл обновления. Это позволяет процессору цифрового сигнала 14 выдавать цифровые отношения для обоих измерений с одинаковой частотой обновления, и, кроме того, измерения не конфликтуют друг с другом из-за общего конденсатора CR.
Как описано выше, в качестве примера на выходе различных конденсаторов была выбрана конкретная полярность зарядовых пакетов, но могут использоваться и другие схемы. Например, на вход сигма-дельта модулятора 12В могут поступать положительные импульсы с выхода С2 и отрицательные импульсы с выхода CR в течение каждой фазы В.
Это достигается просто путем изменения логических состояний сигналов схемы управления переключениями, поступающими для управления переключателями 18, 20, 28, 30, 32 и 34.
В соответствии с более сложной схемой баланса зарядов может потребоваться изменение знака зарядового пакета, подаваемого общим конденсатором CR в зависимости от требований интегратора/логической схемы сигма-дельта модуляторов 12А и 12В и логической схемы переключения 16. Это может быть также сделано путем включения заземляющего переключателя 28 либо на нарастающем, либо на спадающем фронте напряжения возбуждения, подаваемого через переключатели 18 и 20 на вход общего конденсатора CR. Это обеспечивает подзарядку конденсатора CR до значения, необходимого для подачи соответствующего знака на интегратор в следующем цикле. Вообще этот режим необходим, когда сигма-дельта модулятор получает заряды от набора конденсаторов, которые перед интегрированием вычитаются, и результирующий знак неизвестен.
На фиг.2 показана система измерения 40, которая является трехфазной системой измерения. В состав системы измерения 40 входит емкостный датчик давления 42 (в состав которого входят чувствительные элементы С1, С2, С3, и С4), общий эталонный конденсатор CR, сигма-дельта модуляторы 44А, 44 В и 44С, управляющая логическая схема переключения 46, процессор цифрового сигнала 48, и схема переключения, состоящая из переключателей на входе 50 и 52, переключателей подачи пакетов 54, 56, 58, 60, 62, 64 и 66 и заземляющих переключателей 68, 70, 72, 74 и 76.
Предпочтительно, чтобы в качестве емкостного датчика 42 использовался датчик разности давлений типа, описанного в патенте США №6295875 (авторы: Фрик и др.). В его состав входят четыре емкостных чувствительных элемента С1, С2, С3 и С4. По крайней мере, три из этих емкостных чувствительных элементов необходимо установить для обеспечения возможности корректировки погрешности определения нуля как функции давления в трубопроводе измерять давление в трубопроводе, и корректировать выходной сигнал разности давлений для ошибок гистерезисного типа.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, изображенным на фиг.2, измерены три отношения емкостей. Сигма-дельта модулятор 44А принимает сигналы зарядового пакета с выхода емкостных чувствительных элементов С1 и С4, и с выхода общего конденсатора CR, и выдает выходной сигнал, представляющий (C1-C4)/CR.
Сигма-дельта модулятор 44 В принимает сигналы зарядового пакета с выхода чувствительного элемента С2 и общего конденсатора CR. Это обеспечивает выходной сигнал отношения C2/CR.
Сигма-дельта модулятор 44С принимает входные устройства зарядовых пакетов с выхода чувствительного элемента С3 и общего конденсатора CR. Это обеспечивает выходной сигнал C3/CR.
Управляющая логическая схема переключения 46 выдает управляющие сигналы переключения на переключатели 50-76, которые формируют три фазы: А, В, и С. Включение тех или иных переключателей зависит от того, какая фаза является активной, и от состояния на выходе модулятора, связанного с той конкретной фазой. В результате, три сигма-дельта модулятора 44А, 44В и 44С работают в режиме разделения времени общего эталонного конденсатора CR. Это позволяет каждому сигма-дельта модулятору 44А-44С выдавать отношение, которое является функцией CR. В свою очередь, это позволяет процессору цифрового сигнала 48 выдавать цифровой сигнал, который связывает выходные сигналы отдельных сигма-дельта модуляторов. Все выходные сигналы обновляются с одной частотой, но вырабатываются синхронно, последовательно по трехфазной схеме. Конфликты, которые могли бы возникнуть по причине использования общего конденсатора CR, исключаются в результате многофазного режима работы по настоящему изобретению.
На фиг.1 и 2 показаны два примера многофазной системы измерения по настоящему изобретению. Эти принципы могут применяться и к другим системам, включающим в свой состав различные количества чувствительных элементов, которые либо соединены вместе с образованием групп (например, групп, образованных конденсаторами С1 и С4, см. фиг.2), либо используются по отдельности. Количество используемых сигма-дельта модуляторов может быть увеличено в зависимости от количества необходимых различных отношений, при условии, что число фаз, сформированных управляющей логикой переключения, соответствует количеству сигма-дельта модуляторов, которые делят общий эталонный элемент, типа общего конденсатора CR. Общий элемент может быть эталонным элементом (типа конденсатора CR, см. фиг.1 и 2) фиксированного или известного значения, или это может быть чувствительный элемент переменного или неизвестного значения.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам известно, что могут вноситься изменения по форме и по существу, не отступая при этом от духа и объема изобретения.