線路噪聲分析和檢測以及測量錯誤減少的製作方法

2023-12-10 18:28:47 1

專利名稱：線路噪聲分析和檢測以及測量錯誤減少的製作方法
線路噪聲分析和檢測以及測量錯誤減少
背景技術：
本發明涉及噪聲管理，更具體地，涉及由於與傳感器信號耦合的線路噪聲的噪聲特性(signature)而引起的傳感器測量調節。傳感器在多種設置(例如工業過程設備中的監測過程)中使用以產生數據信號。 這些數據信號可以被傳輸到執行數位化、分析、通信延遲或其它功能的電路。對於數據獲取，一般地期望快速更新而又高度精確的過程測量。在工業過程測量領域，一般地，更新是指將信息傳輸到控制室或其它控制裝置，指定的過程更新可以包括綁定在一起的多個離散傳感器測量、在合起來平均的多個離散傳感器測量等等。但是，在操作期間，線路噪聲常常可以與來自傳感器的數據信號相耦合。例如，位於承載有傳感器數據信號的導線附近的電源(或其它噪聲源)可以將線路噪聲耦合到數據信號。典型地，來自電源的線路噪聲產生AC噪聲信號，AC噪聲信號在美國具有大約60Hz的頻率，在歐洲具有大約50Hz的頻率。對於特定類型的傳感器(例如溫度傳感器)，線路噪聲可能是特別成問題的，所述特定類型的傳感器典型地位於遠離過程電路的位置，並且具有將傳感器連接到過程電路的導線。與傳感器數據信號耦合的線路噪聲是不令人期望的，並且存在測量錯誤的風險。現有技術工業過程測量系統已經提供了 50/60HZ的開關，允許在安裝或維護期間手動選擇50Hz或60Hz的傳感器信號濾波，以在稍後的操作期間降低線路噪聲的影響。對於很多應用來說，這個方法是有效果。然而，濾波選擇受限於預定選擇，不可預測的噪聲源仍然可以存在測量錯誤的風險。此外，使用手動開關的濾波選擇假設在系統安裝或維護期間，噪聲源相對於操作者是明確和已知的。如果操作者進行了不正確的濾波選擇，上述在安裝期間存在操作者錯誤的風險，並且還會增加系統安裝所需的時間和努力。此外，具有濾波選擇開關的現有技術工業過程測量系統使用恆定濾波。但是，恆定濾波(例如，抽取濾波器(decimation filter))會降低更新率，並且可以增大過程測量系統的功率消耗。一般地，與較快的更新率相比，較慢的更新率是不令人期望的。同樣，工業過程測量系統(特別是那些無線通信的系統)可以由期望低功率消耗的電池組或能量採集系統供電。

發明內容
根據本發明的方法包括感測過程參數以產生包括過程信號和線路噪聲分量的傳感器信號；以採樣率數位化傳感器信號，檢測傳感器信號中的線路噪聲零交叉；根據檢測到的線路噪聲零交叉確定線路噪聲頻率；根據線路噪聲頻率調解率採樣率，以降低線路噪聲對數位化傳感器信號的影響。


圖1是根據本發明的工業過程測量系統的框圖。圖2是用於工業過程測量系統的噪聲檢測器電路的框圖。
圖3是示出了傳感器信號和中斷信號的電壓對時間圖。圖4是示出了傳感器信號和中斷信號的另一電壓對時間圖。圖5是示出了根據本發明的線路噪聲控制方法的流程圖。圖6是示出了根據本發明的另一線路噪聲控制方法的流程圖。
具體實施例方式一般來說，本發明提供了一種用於檢測、分析和減小傳感器信號中線路噪聲的系統和方法。本發明可以幫助降低與實質上DC過程或數據信號相耦合的線路噪聲的不期望影響，所述數據信號由模數(A/D)轉換器數位化。上述可以包括調節A/D轉換器的採樣率， 並且還可以包括調節與A/D轉換器相關聯的濾波器的抽取周期，以減少由於傳感器信號的線路噪聲分量而引起的傳感器信號錯誤。根據本發明的系統可以包括被配置為自動執行多種關聯噪聲檢測、分析和降低功能的電路。在本發明的一個方面中，一種方法包括感測過程參數以產生包括過程信號和線路噪聲分量的傳感器信號；以採樣率數位化傳感器信號； 檢測傳感器信號中的線路噪聲零交叉；根據檢測到的線路噪聲零交叉確定線路噪聲頻率； 根據線路噪聲頻率調解採樣率，以降低線路噪聲對數位化傳感器信號的影響。在本發明的另一方面中，一種線路噪聲管理方法包括建立噪聲幅度閾值；感測過程參數以產生包括過程信號和線路噪聲分量的傳感器信號；以採樣率數位化傳感器信號；將傳感器信號與噪聲幅度閾值進行比較；產生對傳感器信號何時與噪聲幅度閾值交叉加以指示的中斷信號； 以及當傳感器信號的幅度大於或等於噪聲幅度閾值時，根據中斷信號降低採樣率。圖1是具有工業過程變送器22的工業過程測量系統20的框圖，工業過程變送器 22用於感測工業過程24。工業過程M可以是過程管理期望的任何過程類型，可以針對特定應用而改變。工業過程變送器22包括傳感器沈、具有西格瑪德爾塔抽取濾波器30的A/ D轉換器觀、微處理器32、噪聲檢測器電路34和通信電路36。工業過程變送器22可以可操作地與控制室38或其它外部設備相連。應該理解，在另外的實施例中，更一般地，工業過程變送器22和系統20可以包括在圖1中未示出的附加組件，例如電池、能量收集子系統、寸寸。傳感器沈被配置為感測與工業過程M相關聯的參數。在一個實施例中，傳感器沈是常規溫度傳感器。在備選實施例中，傳感器沈可以被配置為感測與工業過程相關聯的幾乎所有參數，例如壓力、振動、流量等。傳感器26產生模擬傳感器信號，模擬傳感器信號被發送到A/D轉換器觀以被數位化。在所示實施例中，在傳感器沈附近存在噪聲源40。 噪聲源40可以是任何噪聲源(例如，鄰近AC電源系統)，並且可以將噪聲分量與傳感器信號的過程信號分量相耦合。傳感器信號的過程信號分量反映了與工業過程M相關的信息。 典型地，傳感器信號的過程信號分量實質上是DC，而傳感器信號的噪聲信號分量是AC。A/D轉換器觀可操作地與傳感器沈相連，在操作期間，以採樣率數位化傳感器信號。A/D轉換器觀的採樣率是可調節的。在所示實施例中，將西格瑪德爾塔抽取濾波器集成到A/D轉換器觀中。然而，在備選實施例中，可以提供與A/D轉換器觀分離的濾波器電路，所述濾波器電路可以是西格瑪德爾塔抽取濾波器類型。濾波器30允許可調節抽取時間段設置所控制的指定頻率下信號中噪聲分量的鋸齒衰減(notched attenuation)，一般地， 這提供指定頻率及其諧波下的降噪。
噪聲檢測器電路34可操作地連接在傳感器沈與微處理器32之間，並且還從傳感器26接收傳感器信號。噪聲檢測器電路34能夠分析傳感器信號(包括與其中的過程信號分量相耦合的噪聲分量)，檢測與噪聲分量相關聯的參數，根據接收到的傳感器信號產生中斷信號。以下進一步說明對噪聲檢測器電路進行配置和操作的細節。微處理器32可以是現有技術中典型公知常規處理器。微處理器可操作地與噪聲檢測器電路34、A/D轉換器觀(包括西格瑪德爾塔抽取濾波器30)和通信電路36相連。將來自A/D轉換器觀的數位化傳感器信號發送到微處理器32，微處理器32可以對數位化信號執行任何想要的處理，並且可以將數位化傳感器信號(或根據數位化傳感器信號生成的其它信號)發送到通信電路36。典型地，微處理器32將在一段時間段上從數位化傳感器信號收集信息，並且將離散更新傳輸至通信電路36。更新的更新率等於與包括在更新中的採樣數目相乘的轉換率，其中，轉換率與A/D轉換器觀的採樣率的周期相關。微處理器32可以向A/D轉換器觀和西格瑪德爾塔抽取濾波器30發送命令信號。微處理器32還可以向噪聲檢測器電路34發送命令信號，並且從噪聲檢測器電路34接收中斷信號。如下文進一步說明的，微處理器32可以根據來自噪聲檢測器電路34的中斷信號，產生用於A/D轉換器 28和西格瑪德爾塔抽取濾波器30的命令信號。通信電路36被配置為將來自工業過程變送器22的更新(或其它任何想要的數據)傳輸到外部位置，例如傳輸到控制室38。控制室38可以包括顯示器、處理器、存儲器、 控制軟體(可從Emerson過程管理、Chanhas sen.MN獲得的AMS 程序組和PlantWeb 軟體)以及用於管理和控制工業過程M並且收集和分析來自工業過程變送器22的數據的其它組件。通信電路36可以可操作地經由無線連接或有線連接與控制室38相連。諸如無線繼電器之類的中間設備(未示出)可以可操作地連接在通信電路36與控制室38之間。在圖1中示出的實施例中，工業過程變送器22包括可選開關40，所述可選開關40 允許從兩個或多個預設選項中手動選擇線路噪聲頻率。圖2是用於工業過程測量系統20的噪聲檢測電路34的一個實施例的框圖。如圖 2中所示，噪聲檢測電路34包括電壓跟隨器50、帶通濾波器52、可調諧電壓閾值設備54(例如，數字分壓器或其它分壓器)、比較器56和高通濾波器58。傳感器信號60(即如圖1中所示，來自傳感器26的傳感器信號)是電壓跟隨器50的輸入，所述電壓跟隨器50對傳感器信號60進行緩存。將來自電壓跟隨器50的輸出傳遞至帶通濾波器52中以適當濾波，然後傳遞至比較器56。帶通濾波器52可以選擇從鄰近DC到略大於120Hz的頻率範圍，以幫助濾除傳感器信號的DC分量(比如過程信號)，從而可以對傳感器信號60的AC分量(例如噪聲)進行分析。將電壓參考(V,ef)信號62提供給可調諧電壓閾值設備M，所述可調諧電壓閾值設備M可以根據需要可調節地對Vref信號62進行分壓。Vref信號62是相對穩定的電壓信號，例如以常規方式在工業過程變送器22內可用的1.225V參考信號。可調諧電壓閾值設備M的輸出傳遞至比較器56中。比較器56將緩衝和濾波的傳感器信號60與分壓V,ef信號62進行比較。來自比較器56的輸出經過高通濾波器58以產生中斷信號64，其中，高通濾波器58幫助在中斷信號64中產生短脈衝。如以下進一步說明，基於可調諧電壓閾值設備M的調節，比較器56 允許零交叉檢測和其它閾值交叉檢測。圖3是示出了傳感器信號70 (在圖的頂部)和中斷信號72 (在圖的底部)的電壓對時間圖。傳感器信號70包括實質上的DC過程信號分量，如虛線所示的DC偏移量74，在圖3中示出了實質上的DC過程信號分量。如圖3中所示，傳感器信號70的線路噪聲分量典型地是AC,使得傳感器信號70具有正弦形狀。如上所描述的，工業過程變送器22能夠對輸入信號70進行濾波以補償DC偏移量74。當將可調諧電壓閾值設備M適當地設置為如上進行操作時，噪聲檢測電路34可以檢測濾波的傳感器信號70的零交叉，並且根據濾波的傳感器信號70的零交叉生成中斷信號72。可以在中斷信號72中產生脈衝76A和76B以指示濾波的傳感器信號70的正向(positive-going)零交叉。在圖3中示出的實施例中，在中斷信號72中僅反映出正向零交叉。微處理器32 (或其它合適電路)可以通過對中斷信號72中脈衝76A與76B之間的時間進行計數來確定線路噪聲頻率周期P。圖4是示出了傳感器信號80 (在圖的頂部)和中斷信號82 (在圖的底部)的另一電壓對時間圖。傳感器信號包括由如虛線所示DC偏移量84表示的過程信號分量。中斷信號82包括脈衝86。相對於傳感器信號80示出噪聲幅度閾值88。對於特定應用，微處理器 32可以在合適電平下選擇噪聲幅度閾值88的量級。例如，在一個實施例中，噪聲幅度閾值 88可以是大約IV或更小，而在另一實施例中，噪聲幅度閾值88可以是大約IOOmV或更少。 如圖4中所示，在噪聲檢測器電路34對傳感器信號80濾波之後，傳感器信號80初始地具有小於噪聲幅度閾值88的幅度。隨著時間的過去，在所示出的實施例中，傳感器信號80的線路噪聲分量的幅度增大，並且傳感器信號在時刻90達到或超過噪聲幅度閾值88。在時刻 90產生中斷信號82中的脈衝86，所述脈衝86指示傳感器信號80達到噪聲幅度閾值88。如將更詳細地描述一樣，在第一時間段92期間，工業過程變送器22可以將A/D轉換器觀的採樣率調節到第一採樣率(例如，相對快速的採樣率)，當時刻90在中斷信號82 中產生脈衝86時，第二時間段94可以開始，其中，A/D轉換器觀的採樣率被調節為第二採樣率(例如，相對低的採樣率)。一般來說，這允許工業過程變送器22在第一時間段92期間相對快速地產生更新，允許較快的數據收集和降低的總功率消耗，而沒有由於線路噪聲引起的測量精度的任何顯著降低。在低幅度處，傳感器信號80的線路噪聲分量具有忽略不計的負面影響。在第二時間段94，儘管更新在一定程度上較慢，但是第二採樣率允許對線路噪聲進行較好的濾波。這種調節過程當傳感器信號80的線路噪聲分量達到噪聲幅度閾值時，允許僅在有限環境中將更新放慢，但是另外允許以相對低的功率消耗快速地實現更新。圖5是示出了線路噪聲控制方法的流程圖。首先，在期望的位置安裝工業過程變送器22以感測工業過程24(步驟100)。然後傳感器沈產生傳感器信號(步驟10 。線路噪聲檢測電路34可以根據傳感器信號檢測線路噪聲零交叉(步驟104)。產生根據檢測到的線路噪聲零交叉產生中斷信號(步驟106)。根據中斷信號，(例如，在控制室38或在變送器22的顯示器處)可以選擇性地提供指示(步驟108)，例如在使用包括開關40的工業過程變送器22實現的實施例中。接下來，對A/D轉換器觀進行調節以根據中斷信號調節採樣率(步驟110)。這個步驟可以包括將A/D轉換器觀的採樣率選作線路噪聲頻率周期P的倍數。作為調節結果採樣率可以增大或減小。此外，這個步驟可以包括對A/D轉換器觀的西格瑪德爾塔抽取濾波器30進行相應的調節，以對應於線路噪聲頻率周期P。來自微處理器32的命令可以對 A/D轉換器觀和西格瑪德爾塔抽取濾波器30的調節進行管理。一旦完成了對A/D轉換器觀的調節，工業過程變送器就可以進行對數據的收集(步驟11幻。可以執行先前的步驟作為啟動或校準程序的一部分，啟動或校準程序在步驟 100安裝工業過程變送器22時執行。儘管在一些實施例中，希望周期性地或間歇性地再次執行步驟104-110，但是不需要再次執行步驟102-110。因此，可以判定對線路噪聲進行檢查(步驟114)。如果期望線路噪聲檢查，那麼可以以檢測線路噪聲零交叉的步驟104為開始重複過程。可以由限定時間表來管理這個判定，或者只要線路噪聲是問題或期望重新校準時，就可以根據需要執行這個決定。圖6是示出了另一線路噪聲控制方法的流程圖。可以結合參考圖5描述的方法或獨立於參考圖5描述的方法來實現該另一線路噪聲控制方法。如圖6中所示，對噪聲幅度閾值88進行初始設置(步驟200)。可以由微處理器32來建立噪聲幅度閾值88，例如，其中，由微處理器32訪問存儲值。微處理器32可以命令噪聲檢測器電路34將可調諧電壓閾值設備M調節到與噪聲幅度閾值88相關聯的期望電壓電平。在對工業過程變送器22進行操作期間，噪聲檢測器電路34的比較器56將傳感器沈產生的傳感器信號80與噪聲幅度閾值88進行比較(步驟20幻。確定是否存在閾值交叉(步驟204)，所述閾值交叉可以在中斷信號82中反映。如果存在閾值交叉，那麼可以調節A/D轉換器觀(步驟206)。調節A/D轉換器可以包括調節採樣率以及調節西格瑪德爾塔抽取濾波器30的抽取周期。例如，在存在正向閾值交叉的情況下，通過對抽取周期進行相應的調整，可以將A/D轉換器觀的採樣率從第一、較高速率降低到第二、較低速率(例如， 根據參考圖5描述的方法確定的採樣率)。可以根據線路噪聲頻率周期P確定特定採樣率和抽取周期調節。如果傳感器信號80在至少完整的線路噪聲頻率周期P或一些其它指定時間段內下降到噪聲幅度閾值以下，即是說，當在給定時間段內沒有檢測到正向閾值交叉時，那麼可以增大採樣率(例如，從第二、較慢採樣率到第一、較高採樣率)。以這種方式， A/D轉換器觀的採樣率可以在給定電流線路噪聲條件的情況下儘可能的高，而僅當採樣率被指示為相對高的線路噪聲級別時，才降低採樣率(和相應的更新率)。這允許相對快速地執行對控制室38的更新，同時僅在針對給定更新的相對短的時間段內傳感器才消耗功率。 在工業過程變送器22進行感測操作期間，可以實質上連續地執行圖6的方法，這意味著默認方法可以回到步驟202。儘管已經參考優選實施例描述了本發明，但本領域普通技術人員將認識到，在不背離本發明精神和範圍的情況下可以進行形式和細節上的改變。例如，可以彼此結合或獨立地實現本發明的不同方法。此外，可以利用本發明來控制多種信號類型經歷的線路噪聲， 而不僅僅是工業過程測量設置中產生的傳感器信號。
權利要求
1.一種方法，包括感測過程參數以產生包括過程信號和線路噪聲分量的傳感器信號；以採樣率數位化傳感器信號；檢測在傳感器信號中的線路噪聲零交叉；根據檢測到的線路噪聲零交叉來確定線路噪聲頻率；以及根據線路噪聲頻率來調節採樣率，以降低線路噪聲對數位化傳感器信號的影響。
2.如權利要求1所述的方法，其中，根據線路噪聲頻率來調節採樣率的步驟包括 指示線路噪聲的頻率；以及致動手動開關，以根據線路噪聲的頻率從多個設置選項中選擇模數轉換器的採樣率， 使得採樣率與線路噪聲頻率周期的倍數相對應。
3.如權利要求1所述的方法，其中，根據線路噪聲頻率來調節採樣率的步驟包括 根據線路噪聲零交叉來產生中斷信號；將中斷信號傳輸到微處理器；根據中斷信號產生微處理器的模數轉換器控制信號；以及根據模數轉換器控制信號來控制採樣率。
4.如權利要求1所述的方法，還包括調節濾波器的抽取周期，所述濾波器被配置為對傳感器信號進行濾波。
5.如權利要求1所述的方法，其中，僅對由中斷信號表示的正向零交叉進行分析以確定線路噪聲頻率。
6.如權利要求1所述的方法，還包括 建立噪聲幅度閾值；將傳感器信號與噪聲幅度閾值進行比較；產生對傳感器信號何時與噪聲幅度閾值交叉加以指示的中斷信號； 當輸入信號的幅度大於或等於噪聲幅度閾值時，根據中斷信號將採樣率從第一速率降低到第二速率，其中，第二速率與進行調節以降低線路噪聲對數位化傳感器信號影響的採樣率相對應。
7.如權利要求1所述的方法，其中，檢測輸入信號中線路噪聲零交叉的步驟包括 將可調諧電壓閾值調節為零；以及將傳感器信號與可調諧電壓閾值進行比較。
8.如權利要求1所述的方法，其中，調節採樣率以降低線路噪聲對數位化傳感器信號的影響的步驟包括將採樣率調節到線路噪聲頻率的倍數。
9.如權利要求1所述的方法，其中，傳感器信號的過程信號分量實質上是DC電信號。
10.一種線路噪聲管理方法，包括 建立噪聲幅度閾值；感測過程參數以產生包括過程信號和線路噪聲分量的傳感器信號； 以採樣率數位化傳感器信號； 將傳感器信號與噪聲幅度閾值進行比較；產生對傳感器信號何時與噪聲幅度閾值交叉加以指示的中斷信號；以及當傳感器信號的幅度大於或等於噪聲幅度閾值時，根據中斷信號降低採樣率。
11.如權利要求10所述的方法，還包括 利用電壓跟隨器緩存傳感器信號；利用帶通濾波器對來自電壓跟隨器的緩存傳感器信號濾波； 提供參考電壓；以及根據參考電壓和調諧設置來建立噪聲幅度閾值。
12.如權利要求10所述的方法，還包括 檢測傳感器信號的線路噪聲零交叉；根據線路噪聲零交叉來確定線路噪聲頻率；以及根據線路噪聲頻率來調節採樣率，其中，調節採樣率以降低線路噪聲對數位化傳感器信號的影響。
13.如權利要求12所述的方法，其中，根據線路噪聲頻率調節採樣率的步驟包括 指示線路噪聲的頻率；以及根據線路噪聲的頻率，致動手動開關，以從多個設置選項中選擇針對模數轉換器的採樣率，使得所述採樣率與多個線路噪聲頻率周期相對應。
14.如權利要求12所述的方法，其中，根據線路噪聲頻率調解採樣率的步驟包括 產生對傳感器信號何時與噪聲幅度閾值交叉加以指示的中斷信號；根據中斷信號來產生模數轉換器控制信號；以及根據模數轉換器控制信號來控制採樣率。
15.如權利要求12所述的方法，其中，調節採樣率以降低線路噪聲對數位化傳感器信號的影響包括將採樣率調節到線路噪聲頻率的倍數。
16.如權利要求12所述的方法，其中，僅分析正向零交叉以確定線路噪聲頻率。
17.如權利要求12所述的方法，其中，檢測傳感器信號的線路噪聲零交叉的步驟包括 將可調諧電壓閾值調節為零；以及將傳感器信號與可調諧電壓閾值進行比較。
18.如權利要求10所述的方法，其中，噪聲閾值是固定值。
19.一種工業過程變送器組件，包括傳感器，用於感測過程參數，並且根據過程參數來產生傳感器信號； 具有濾波器電路的模數轉換器，其中，所述模數轉換器被配置為，接收傳感器信號，並且以採樣率產生數位化傳感器信號； 噪聲檢測器電路，包括 電壓跟隨器，被配置為接收傳感器信號； 帶通濾波器，可操作地與電壓跟隨器相連； 可調諧電壓閾值輸入；以及比較器，可操作地與帶通濾波器和可調諧電壓閾值輸入相連，並且被配置為根據傳感器信號來產生中斷信號；以及微處理器，可操作地與模數轉換器和噪聲檢測器電路相連，其中，微處理器被配置為根據中斷信號來控制模數轉換器，並且基於數位化傳感器信號產生輸出信號。
20.如權利要求19所述的組件，噪聲檢測器電路還包括 高通濾波器，可操作地與比較器相連。
21.如權利要求19所述的組件，模數轉換器的濾波器包括西格瑪德爾塔抽取濾波器。
22.如權利要求19所述的組件，其中，傳感器是溫度傳感器。
全文摘要
一種方法，包括感測過程參數以產生包括過程信號和線路噪聲分量的傳感器信號(102)；以採樣率數位化傳感器信號(102)；檢測傳感器信號中的線路噪聲零交叉(104)；根據檢測到的線路噪聲零交叉來確定線路噪聲頻率(106)；以及根據線路噪聲頻率來調節採樣率，以降低線路噪聲對數位化傳感器信號的影響(110)。
文檔編號G01R13/06GK102378917SQ201080015083
公開日2012年3月14日 申請日期2010年4月7日 優先權日2009年4月8日
發明者傑森·哈洛德·魯德, 道格拉斯·韋恩·阿恩岑 申請人:羅斯蒙德公司