измерительная цепь с датчиками из шунтированных конденсаторов

Формула изобретения

1. Устройство для измерения переменной процесса, содержащее первый чувствительный конденсатор, имеющий емкость С ₁, основанную на переменной процесса; второй чувствительный конденсатор, имеющий емкость С₂, основанную на переменной процесса; мостовой узел, соединяющий первую сторону первого чувствительного конденсатора с первой стороной второго чувствительного конденсатора; источник возбуждения, подающий по меньшей мере первый и второй уровни напряжения; опорный конденсатор, имеющий емкость C_REF большую, чем ожидаемая максимальная разность между емкостями первого и второго чувствительных конденсаторов; суммирующий узел, соединенный с первой стороной опорного конденсатора и мостовым узлом, и переключательную цепь, выборочно соединяющую вторую сторону каждого из первого и второго чувствительных конденсаторов с источником возбуждения для выделения представления C₁-C₂ в мостовом узле, и выборочно соединяющую вторую сторону опорного конденсатора с источником возбуждения для выделения первого и второго зарядов в суммирующем узле в течение взаимно исключающих циклов.

2. Устройство по п.1, в котором переключательная цепь содержит первый переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону первого чувствительного конденсатора с первым и вторым уровнями напряжения; второй переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону второго чувствительного конденсатора с первым и вторым уровнями напряжения; блок управления переключателями, соединенный для управления работой первого и второго переключателей в течение первой фазы для соединения первого чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения и для управления работой первого и второго переключателей в течение второй фазы для соединения первого чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения.

3. Устройство по п.1, в котором переключательная цепь содержит первый переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону первого чувствительного конденсатора с первым и вторым уровнями напряжения; второй переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону второго чувствительного конденсатора с первым и вторым уровнями напряжения; третий переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону опорного конденсатора с одним из двух уровней напряжения источника возбуждения.

4. Устройство по п.1, которое также содержит блок управления переключателями, соединенный с первым, вторым и третьим переключателями и расположенный и устроенный для управления работой третьего переключателя для соединения опорного конденсатора с одним уровнем напряжения в течение первой фазы первого цикла и в течение второй фазы второго цикла и для соединения опорного конденсатора с другим уровнем напряжения в течение первой фазы второго цикла и в течение второй фазы первого цикла; управления работой первого и второго переключателей для соединения первого чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения в течение первой фазы каждого цикла; управления работой первого и второго переключателей для соединения первого чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения в течение второй фазы каждого цикла.

5. Устройство по п.4, в котором блок управления переключателями управляет работой первого, второго и третьего переключателей в продолжение N _A первых циклов и N_B вторых циклов, так что проинтегрированный заряд, поданный первым и вторым чувствительными конденсаторами, уравновешивает проинтегрированный заряд, поданный опорным конденсатором, и .

6. Устройство по п.3, которое также содержит блок управления переключателями, соединенный с первым, вторым и третьим переключателями и расположенный и устроенный для управления работой первого и второго переключателей для соединения первого чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения в течение первой фазы первого цикла; управления работой первого и второго переключателей для соединения первого чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения в течение второй фазы первого цикла; управления работой третьего переключателя для соединения опорного конденсатора с одним уровнем напряжения в течение первой фазы второго цикла и соединения опорного конденсатора с другим уровнем напряжения в течение второй фазы второго цикла.

7. Устройство по п.6, в котором блок управления переключателями управляет работой первого, второго и третьего переключателей в продолжение N _A первых циклов и N_B вторых циклов, так что проинтегрированный заряд, поданный первым и вторым чувствительными конденсаторами, уравновешивает проинтегрированный заряд, поданный опорным конденсатором, и .

8. Устройство по п.3, в котором источник возбуждения включает в себя программируемый источник напряжения, причем этот программируемый источник напряжения программируется для подачи двух уровней напряжения на опорный конденсатор.

9. Устройство по п.3, в котором опорный конденсатор содержит матрицу из множества конденсаторов, а четвертый переключатель выборочно соединяет конденсаторы матрицы параллельно.

10. Устройство по п.1, которое также содержит блок управления переключателями, соединенный с переключательной цепью и расположенный и устроенный для управления работой переключательной цепи для соединения опорного конденсатора с одним уровнем напряжения в течение первой фазы первого цикла и в течение второй фазы второго цикла и соединения опорного конденсатора с другим уровнем напряжения в течение первой фазы второго цикла и в течение второй фазы первого цикла; управления работой переключательной цепи для соединения первого чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения в течение первой фазы каждого цикла; управления работой переключательной цепи для соединения первого чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения в течение второй фазы каждого цикла.

11. Устройство по п.10, в котором блок управления переключателями управляет работой переключательной цепи в продолжение N_A первых циклов и N _B вторых циклов, так что проинтегрированный заряд, поданный первым и вторым чувствительными конденсаторами, уравновешивает проинтегрированный заряд, поданный опорным конденсатором, и .

12. Устройство по п.1, которое также содержит блок управления переключателями, соединенный с переключательной цепью и расположенный и устроенный для управления работой переключательной цепи для соединения первого чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения в течение первой фазы первого цикла; управления работой переключательной схемы для соединения первого чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения в течение второй фазы первого цикла; управления работой переключательной цепи для соединения опорного конденсатора с одним уровнем напряжения в течение первой фазы второго цикла; управления работой переключательной цепи для соединения опорного конденсатора с другим уровнем напряжения в течение второй фазы второго цикла.

13. Устройство по п.12, в котором блок управления переключателями управляет работой переключательной цепи в продолжение N_A первых циклов и N_B вторых циклов, так что проинтегрированный заряд, поданный первым и вторым чувствительными конденсаторами, уравновешивает проинтегрированный заряд, поданный опорным конденсатором, и .

14. Передатчик управления промышленными процессами, выполненный с возможностью подключения к центральной станции по двухпроводной линии связи, включающий в себя приемопередатчик, соединенный с линией связи для передачи информации на центральную станцию и для приема информации от центральной станции; процессор, соединенный с приемопередатчиком для обработки информации; датчик переменной процесса, содержащий первый чувствительный конденсатор, имеющий емкость C₁, основанную на переменной процесса, второй чувствительный конденсатор, имеющий емкость C₂, основанную на переменной процесса, мостовой узел, соединяющий первую сторону первого чувствительного конденсатора с первой стороной второго чувствительного конденсатора; опорный конденсатор, имеющий емкость C_REF большую, чем ожидаемая максимальная разность между емкостями первого и второго чувствительных конденсаторов; суммирующий узел, соединенный с первой стороной опорного конденсатора и мостовым узлом, источник возбуждения, подающий по меньшей мере первый и второй уровни напряжения; переключательную цепь, выборочно соединяющую вторую сторону каждого из первого и второго чувствительных конденсаторов с источником возбуждения для выделения представления C₁-С₂ в мостовом узле, и выборочно соединяющую вторую сторону опорного конденсатора с источником возбуждения для выделения первого и второго зарядов в суммирующем узле в течение взаимно исключающих циклов; и дельта-сигма преобразователь, соединенный с мостовым узлом для подачи на процессор цифровых информационных сигналов, представляющих разность между емкостями первого и второго конденсаторов.

15. Передатчик управления промышленными процессами по п.14, в котором переключательная цепь содержит первый переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону первого чувствительного конденсатора с первым и вторым уровнями напряжения второй переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону второго чувствительного конденсатора с первым и вторым уровнями напряжения, блок управления переключателями, соединенный для управления работой первого и второго переключателей в течение первой фазы для соединения первого чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения и для управления работой первого и второго переключателей в течение второй фазы для соединения первого чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения.

16. Передатчик управления промышленными процессами по п.14, в котором переключательная цепь содержит первый переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону первого чувствительного конденсатора с первым и вторым уровнями напряжения второй переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону второго чувствительного конденсатора с первым и вторым уровнями напряжения, третий переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону опорного конденсатора с одним из двух уровней напряжения источника возбуждения.

17. Передатчик управления промышленными процессами по п.16, который также содержит блок управления переключателями, соединенный с первым, вторым и третьим переключателями и расположенный и устроенный для управления работой третьего переключателя для соединения опорного конденсатора с одним уровнем напряжения в течение первой фазы первого цикла и в течение второй фазы второго цикла и для соединения опорного конденсатора с другим уровнем напряжения в течение первой фазы второго цикла и в течение второй фазы первого цикла управления работой первого и второго переключателей для соединения первого чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения в течение первой фазы каждого цикла управления работой первого и второго переключателей для соединения первого чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения в течение второй фазы каждого цикла.

18. Передатчик управления промышленными процессами по п.17, в котором блок управления переключателями управляет работой первого, второго и третьего переключателей в продолжение N_A первых циклов и N _B вторых циклов, так что проинтегрированный заряд, поданный первым и вторым чувствительными конденсаторами, уравновешивает проинтегрированный заряд, поданный опорным конденсатором, и .

19. Передатчик управления промышленными процессами по п.16, который также содержит блок управления переключателями, соединенный с первым, вторым и третьим переключателями и расположенный и устроенный для управления работой первого и второго переключателей для соединения первого чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения в течение первой фазы первого цикла управления работой первого и второго переключателей для соединения первого чувствительного конденсатора со вторым уровнем напряжения и второго чувствительного конденсатора с первым уровнем напряжения в течение второй фазы первого цикла; управления работой третьего переключателя для соединения опорного конденсатора с одним уровнем напряжения в течение первой фазы второго цикла и соединения опорного конденсатора с другим уровнем напряжения в течение второй фазы второго цикла.

20. Передатчик управления промышленными процессами по п.16, в котором блок управления переключателями управляет работой первого, второго и третьего переключателей в продолжение N_A первых циклов и N _B вторых циклов, так что проинтегрированный заряд, поданный первым и вторым чувствительными конденсаторами, уравновешивает проинтегрированный заряд, поданный опорным конденсатором, и .

21. Передатчик управления промышленными процессами по п.14, в котором блок управления переключателями соединен с переключательной цепью для управления работой переключательной цепи в продолжение N_A первых циклов и N _B вторых циклов, так что проинтегрированный заряд, поданный первым и вторым чувствительными конденсаторами, уравновешивает проинтегрированный заряд, поданный опорным конденсатором, и .

22. Передатчик управления промышленными процессами по п.14, в котором блок управления переключателями соединен с переключательной цепью для управления работой переключательной цепи в продолжение N_A первых циклов и N _B вторых циклов, так что проинтегрированный заряд, поданный первым и вторым чувствительными конденсаторами, уравновешивает проинтегрированный заряд, поданный опорным конденсатором, и .

23. Способ измерения переменной процесса, содержащий следующие шаги: приложение переменной процесса к первому и второму чувствительным конденсаторам для выделения первой и второй емкостей C₁ и C₂ соответственно, основанных на переменной процесса; обеспечение опорного конденсатора, имеющего емкость C_REF, большую, чем разность между емкостями первого и второго конденсаторов; выделение первого заряда, представляющего C₁-С ₂; выделение второго заряда, представляющего С _REF; интегрирование первого и второго зарядов.

24. Способ по п.23, по которому первый и второй конденсаторы соединены вместе, а источник возбуждения подает множество напряжений, при этом способ также содержит следующие шаги: определение первой и второй фаз каждого цикла; приложение первого напряжения к первому конденсатору и второго напряжения ко второму конденсатору в течение первой фазы каждого цикла; приложение второго напряжения к первому конденсатору и первого напряжения ко второму конденсатору в течение второй фазы каждого цикла; приложение напряжения к опорному конденсатору в течение первой фазы первого цикла и в течение второй фазы второго цикла; приложение другого напряжения к опорному конденсатору в течение первой фазы второго цикла и в течение второй фазы первого цикла.

25. Способ по п.23, по которому первый и второй конденсаторы соединены вместе, а источник возбуждения подает множество напряжений, при этом способ также содержит следующие шаги: определение первой и второй фаз каждого цикла; приложение первого напряжения к первому конденсатору и второго напряжения ко второму конденсатору в течение первой фазы первого цикла; приложение второго напряжения к первому конденсатору и первого напряжения ко второму конденсатору в течение второй фазы первого цикла; приложение напряжения к опорному конденсатору в течение первой фазы второго цикла; приложение другого напряжения к опорному конденсатору в течение второй фазы первого цикла.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к передатчикам управления промышленными процессами и, в частности, к устройству, которое повышает стабильность дифференциального датчика или пары датчиков для такого передатчика.

Уровень техники

Передатчики управления промышленными процессами используются, чтобы измерять переменные процессов для потоков в промышленных процессах. Как правило, эти передатчики помещаются в полевых местоположениях и обеспечивают стандартизованные сигналы передачи, представляющие переменные процессов контролируемого потока, такие как давление. Эти потоки включают в себя пульпы, жидкости, пары и газы на промышленных предприятиях, таких как химические, гидропульповые, нефтяные, газовые, фармацевтические, пищевые и прочие обрабатывающие потоки предприятия. Отслеживаемые переменные процессов могут быть давлением, температурой, потоком, уровнем, рН, проводимостью, мутностью, плотностью, концентрацией, химическим составом или иными свойствами потоков.

Передатчик управления промышленными процессами обычно включает в себя датчик, который воспринимает переменную процесса, измерительную цепь, которая обеспечивает измерение значения воспринимаемой переменной процесса, и цепь связи, которая передает информацию измерений в другое местоположение. Одним примером датчика, применяемого в передатчиках, является емкостный датчик, который измеряет давление в отдельном процессе. Один такой датчик включает в себя реагирующую на давление конструкцию, поддерживающую пару конденсаторных пластин, которые совместно определяют емкостный датчик. Давление, приложенное к этой конструкции, отклоняет относительные положения пластин, чтобы изменять емкость между пластинами как меру давления. Удобно, чтобы конденсаторные пластины устанавливались в полости реагирующей на давление конструкции так, что давление, приложенное к одной стороне этой конструкции, деформирует эту полость для отклонения одной из пластин. Удобно также, чтобы реагирующая на давление конструкция формировалась из сапфира или иного стойкого к коррозии реагирующего на давление материала. Один такой датчик описывается в патенте США №5637802, выданном 10 июня 1997 года на имя Frick et al. и принадлежащем тому же заявителю, что и настоящее изобретение.

Конденсаторные пластины, поддерживаемые реагирующим на давление материалом, образуют датчик абсолютного давления. И все же, как описывается в патенте Frick et al., разностное давление, т.е. разность между двумя давлениями в промышленном процессе воспринимается путем идентификации разности между емкостями двух таких датчиков. Измерительная цепь заряжает конденсаторные пластины и обеспечивает измерение разностного давления.

Эта измерительная цепь может включать в себя дельта-сигма преобразователь (именуемый также сигма-дельта, или преобразователь), который действует как емкостно-цифровой преобразователь. Эта дельта-сигма цепь может включать в себя одну или две ступени интеграции; цепь, применяющая две ступени интеграции, проявляет значительно сниженный шум квантования при измерении.

В случае измерения дифференциального емкостного отношения измерительная цепь обеспечивает измерительный выход, представляющий отношение (С₁-С ₂) к некоторой опорной емкости С_ОПОР , т.е. (С₁-С₂)/С _REF. К сожалению, такая преобразовательная система может стать нестабильной. Конкретнее разность между двумя емкостями может быть либо положительной либо отрицательной в зависимости от того, является ли С₂ больше или меньше чем С_1. Когда приращение, пропорциональное (С₁-С₂), имеет ту же самую полярность, что и приращение, пропорциональное опорному конденсатору С_REF, система становится несходящейся системой интегрирования и является нестабильной. Это может произойти, когда С₂ больше чем С₁ , и справедливо для емкостно-цифровых преобразователей как первого, так и второго порядков. Кроме того, для емкостно-цифрового преобразователя второго порядка имеется ограничение на отношение С _REF/|С₁-С₂|. Поскольку значение |С₁-С ₂| может быть произвольно малым, отношение С _REF/|С₁-С₂| может быть произвольно большим. Если это отношение становится слишком большим, выходной сигнал дельта-сигма преобразователя второго порядка может перейти в насыщение.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение применяет опорный конденсатор, который больше, чем ожидаемая максимальная разность |С ₁-С₂|_макс между двумя конденсаторами дифференциальной пары. Вследствие этого знак разности С₁-С₂ не вызовет несходимости в процессе интегрирования. Кроме того, значение емкости С_REF может быть установлено таким, что выходные сигналы преобразователя не перейдут в насыщение.

В соответствии с настоящим изобретением первые стороны пары конденсаторных датчиков соединены в мостовом узле и с переменной процесса, чтобы обеспечить дифференциальную емкость, представляющую эту переменную процесса. Переключательная цепь выборочно соединяет эти конденсаторы с первым или вторым напряжением, чтобы получить представление С₁-С₂ в мостовом узле.

В предпочтительных вариантах выполнения переключательная цепь включает в себя первый переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону первого конденсатора с первым и вторым уровнями напряжения, и второй переключатель, выборочно соединяющий вторую сторону второго конденсатора с первым и вторым уровнями напряжения. Управление переключателями управляет первым и вторым переключателями в течение первой фазы для соединения первого конденсатора с первым уровнем напряжения и второго конденсатора со вторым уровнем напряжения, а в течение второй фазы для соединения второго конденсатора с первым уровнем напряжения и первого конденсатора со вторым уровнем напряжения.

В предпочтительных вариантах выполнения суммирующий узел соединяется с мостовым узлом, а опорный конденсатор С_REF соединяется с суммирующим узлом.

В одном варианте выполнения сенсорные конденсаторы и опорный конденсатор работают в течение взаимно исключающих первого и второго циклов, чтобы подавать заряды, представляющие С₁-С₂ и С _REF, на суммирующий узел так, что

где N_A и N _B являются числом первого и второго циклов.

В другом варианте выполнения опорный конденсатор работает противоположно во время соответствующих фаз первого и второго циклов, а датчики работают противоположно во время соответствующих фаз всех циклов, чтобы подавать заряды, представляющие (С₁ -С₂)-С_REF и (С ₁-С₂)+С_REF, на суммирующий узел так, что

где N_A и N _B являются числом первого и второго циклов.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является блок-схемой передатчика управления промышленными процессами, применяющего измерительную цепь согласно варианту выполнения по настоящему изобретению.

Фиг.2 является схемой входа и первой ступени емкостно-цифрового преобразователя с мостовым датчиком.

Фиг.3 является схемой входа и первой и второй ступеней дифференциального емкостно-цифрового преобразователя в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения.

Фиг.4 и 5 являются схемами, иллюстрирующими модификации входа преобразователя, показанного на фиг.3.

Осуществление изобретения

Принципиальная проблема, на которую направлено настоящее изобретение, состоит в том, что дифференциальные преобразователи не всегда были сходящимися, что вело к нестабильности. Настоящее изобретение применяет опорный конденсатор, который больше, чем ожидаемая максимальная разность между дифференциальными конденсаторами, так что преобразователь сходящийся, и интегратор не переходит в насыщение.

Фиг.1 представляет собой блок-схему передатчика 10 управления промышленными процессами, имеющего емкостно-цифровой преобразователь 12, такой как дельта-сигма преобразователь, устроенный для приема сигналов, представляющих давление, от датчика 14. Датчик 14 является дифференциальным датчиком, который включает в себя по меньшей мере пару чувствительных к давлению конденсаторов, заряжаемых зарядной цепью 16. Одним примером датчика 14 является пара датчиков абсолютного давления, как описывается в вышеупомянутом патенте Frick et al. Заряды на этих конденсаторах представляют давление и передаются в преобразователь 12, который преобразует эти заряды в цифровые сигналы. Цифровой сигнал, выходящий из преобразователя 12, обрабатывается процессором 18 и вводится в приемопередатчик 20, который подает стандартизованный сигнал передачи в протоколе, разработанном для передачи в центральную станцию 22 управления по двухпроводной линии 24 связи. Дополнительно станция 22 управления может посылать сигналы к удаленному передатчику 10 управления промышленными процессами по линии 24 связи, которые принимаются через приемопередатчик 20 для обеспечения управления передатчиком 10 известным в уровне техники образом.

Один общеизвестный класс передатчиков управления промышленными процессами применяет металлический дифференциальный датчик, имеющий пару конденсаторных датчиков С_Н и С _L, которые установлены дифференциально для измерения переменной процесса, такой как давление. Каждый конденсатор заряжается напряжением V_EX для подачи множества зарядных пакетов Q в дельта-сигма преобразователь в течение взаимно исключающих временных периодов. Дельта-сигма преобразователь интегрирует зарядные пакеты для выделения цифрового представления переменной процесса на основании числа N зарядных пакетов от конденсаторных датчиков. Дельта-сигма преобразователь работает по уравнению баланса зарядов

N_HQ _H+N_LQ_L=0,

где Q_H=C_HV _EX, Q_L=-C_LV _EX и

Следовательно,

N_HC _L=N_LC_H, и

Для специалиста будет понятно, что этот класс передатчика требует, чтобы конденсаторные датчики С_Н и C_L работали во время взаимно исключающих временных периодов.

Фиг.2 иллюстрирует цепь мостового измерения, в которой конденсаторные датчики работают в течение первых циклов для выделения зарядных пакетов Q_A, представляющих разность двух емкостных значений. Опорный конденсатор работает в течение взаимно исключающих вторых циклов для датчиков, чтобы выделять зарядные пакеты Q_B. Результирующее уравнение баланса зарядов

N_AQ _A+N_BQ_B=0,

где Q_A=V_EX(C ₁-C₂), Q_B=-V _EXC_REF, N_A представляет собой число операций интегрирования на (С ₁-С₂), N_B представляет собой число операций интегрирования на C_REF и

Следовательно,

.

Цепь, показанная на фиг.2, включает в себя емкостный датчик 14, опорный конденсатор C_REF, зарядную цепь 16 и преобразователь 12 для передатчика управления промышленными процессами, такого как передатчик 10 (фиг.1). Датчик 14 содержит пару конденсаторов С₁ и С ₂, которые обеспечивают вход через мостовой узел Х и суммирующий узел Y на первую ступень 26 одно- или двухступенчатого емкостно-цифрового преобразователя 12 типа дельта-сигма. Опорный конденсатор C _REF обеспечивает вход через суммирующий узел Y на первую ступень 26 преобразователя 12. Датчик 14 может быть сконструирован, как описывается в вышеупомянутом патенте Frick et al., и может включать в себя защитные электроды и экраны, соединенные с общим напряжением, или «землей», для целей, описанных в патенте Frick et al.

Зарядная цепь 16 управляется цифровым сигналом y(n) от выхода преобразователя 12. При высоком y(n) (к примеру, y=1, как обозначено величиной y) в течение первой фазы yФ ₁ конденсатор С₁ соединяется с опорным напряжением из-за проводящего состояния переключателя 30, а конденсатор С₂ соединяется с опорным напряжением из-за проводящего состояния переключателя 36. Переключатель 38 соединяет суммирующий узел Y с общим напряжением, таким как «земля». Таким образом, в течение фазы yФ₁ конденсатор С₁ заряжается до , а конденсатор С₂ заряжается до . Например, если составляет 1,25 вольт постоянного тока, то напряжение на верхней пластине (как показано на фиг.2) конденсатора С ₁ составляет +1,25 вольт, напряжение на нижней пластине конденсатора С₂ составляет -1,25 вольт, а напряжение на узле Х равно «земле» или общему напряжению.

В течение второй фазы yФ₂ верхняя пластина конденсатора С₁ соединяется с (например, -1,25 вольт) через переключатель 32, нижняя пластина конденсатора С₂ соединяется с (например, +1,25 вольт) через переключатель 34, а общее напряжение (к примеру, «земля») удаляется с узла Х вследствие непроводящего состояния переключателя 38. Изменение напряжения (напряжение возбуждения) на входном узле конденсатора С ₁ равно -2,50 вольт, а изменение напряжения на входном узле конденсатора С₂ равно +2,50 вольт. Перенос заряда с выходного узла Х конденсатора С ₁ через узел Y на интегратор 26 составляет -V _EXC₁. Аналогично перенос заряда с выходного узла Х конденсатора С₂ через узел Y на интегратор 26 составляет +V_EX C₂. Следовательно, общий перенос заряда от выходного узла Х сенсорного конденсаторного моста на интегратор 26 составит Q_A=-V_EX (C₁-C₂).

При низком y(n) (к примеру, y=0, как обозначено величиной ) в течение первой фазы выходная сторона опорного конденсатора C _REF соединяется с опорным напряжением из-за проводящего состояния переключателя 44, а выходная сторона конденсатора C_REF соединяется с общим напряжением из-за проводящего состояния переключателя 46. В течение второй фазы входная сторона опорного конденсатора C _REF соединяется с через переключатель 42. Перенос заряда от выходного узла опорного конденсатора C_REF через узел Y на интегратор 26 составляет Q_B=V _EXC_REF.

Усилитель 28 и конденсатор C_F обратной связи образуют отрицательную интеграторную ступень 26. Если на интегратор переносится отрицательный (или положительный) заряд, на выходе интегратора 26 будет создаваться положительный (отрицательный) скачок напряжения. Интеграторная ступень 26 интегрирует входы по числу N циклов дискретизации. Выход из ступени 26 является сигналом, который получает положительное или отрицательное приращение для каждого цикла y или за период из N циклов, благодаря чему формируется цифровое преобразование. Например, если перенос заряда от конденсаторов С₁-С₂ отрицательный, выходное напряжение U(n) будет получать положительное приращение скачками в течение каждого цикла y, причем каждый скачок будет представлять разность емкостных значений С₁ -С₂. Перенос заряда от конденсатора C _REF является положительным, что заставляет выходное напряжение U(n) понижаться (увеличиваться отрицательно) скачками в течение каждого цикла , причем каждый скачок представляет значение опорной емкости C_REF. Поэтому

N_A (C₁-C₂)-N _BC_REF=0,

где N _A представляет число операций интегрирования на (С ₁-С₂), когда y=1, а N _B представляет число операций интегрирования на C _REF, когда y=0.

Следовательно,

.

Поскольку общее число шагов N интегрирования постоянно, N=N_A+N_B, соотношение можно вычислить только из числа шагов интегрирования в течение y=1 как

.

Система, показанная на фиг.2, предлагает то преимущество, что измерение переменной процесса можно вычислять на основании только числа (N_A) шагов интегрирования в течение циклов y=1. Однако эта система может проявлять нестабильность, если значение конденсатора С₂ больше, чем значение конденсатора С₁. Конкретнее принципиальная причина нестабильности состоит в том, что разность двух емкостей (С₁-С₂) может быть либо положительной либо отрицательной в зависимости от того, является ли С₂ больше или меньше чем С ₁. (Этот риск может не возникнуть в случае измерения отношения емкостей металлического дифференциального датчика, когда оба конденсатора (C_H и C_L ) положительны).

Очевидно также, что разность между емкостями С₁ и С₂ может быть малой по сравнению с опорным конденсатором. Ясно также, что если |C₁-C₂| произвольно мала, то C_REF/|C₁ -C₂| может быть произвольно большой. Если отношение C_REF/|C₁ -C₂| велико, выход W(n) второй ступени преобразователя может перейти в насыщение (иногда называемое «попаданием на полку»).

Фиг.3 иллюстрирует мостовую измерительную цепь в соответствии с предпочтительным сейчас вариантом выполнения по настоящему изобретению. На фиг.3 цепь работает по уравнению баланса зарядов

N_AQ _A+N_BQ_B=0,

где Q_A=-V_EX[(C ₁-C₂)-C_REF], Q_B=-V_EX[(C ₁-C₂)+C_REF], N_A представляет число циклов интегрирования на Q_A, а N_B представляет число циклов интегрирования на Q_B. Следовательно,

(N_A+N_B)(C ₁-C₂)=(N_A-N _B)C_REF

и

где N=N_A+N _B.

Кроме того, путем выбора C_REF >|C₁-C₂| _max (максимальное значение |C₁-C ₂|), Q_A и Q_B всегда имеют противоположную полярность, так что интегратор сходится, и система стабильна.

Цепь, показанная на фиг.3, включает в себя емкостный датчик 14, опорный конденсатор C _REF, зарядную цепь 16 и преобразователь 12 для передатчика управления промышленными процессами, такого как передатчик 10 (фиг.1). Датчик 14 содержит пару конденсаторов С ₁ и С₂, которые обеспечивают вход через мостовой узел Х и суммирующий узел Y в первую ступень одно- или двухступенчатого емкостно-цифрового преобразователя 12 типа дельта-сигма. Опорный конденсатор C_REF обеспечивает вход через суммирующий узел Y на первую ступень 26 преобразователя 12. Датчик 14 может быть сконструирован, как описывается в вышеупомянутом патенте Frick et al., и может включать в себя защитные электроды и экраны, соединенные с общим напряжением, или «землей», для целей, описанных в патенте Frick et al.

В течение первой фазы Ф₁ конденсатор С₁ соединяется с опорным напряжением из-за проводящего состояния переключателя 50, а конденсатор С₂ соединяется с опорным напряжением из-за проводящего состояния переключателя 56. Переключатель 58 соединяет узлы Х и Y с общим напряжением, таким как «земля». Таким образом, в течение фазы Ф₁ конденсатор С₁ заряжается до а конденсатор С₂ заряжается до К примеру, если составляет 1,25 вольт постоянного тока, то напряжение на верхней пластине (как показано на фиг.3) конденсатора С ₁ составляет +1,25 вольт, напряжение на нижней пластине конденсатора С₂ составляет -1,25 вольт, а напряжение на узле Х равно «земле» или общему напряжению.

В течение второй фазы Ф₂ верхняя пластина конденсатора С₁ соединяется с (например, -1,25 вольт) через переключатель 52, нижняя пластина конденсатора С₂ соединяется с (например, +1,25 вольт) через переключатель 54, а общее напряжение (к примеру, «земля») удаляется с узла Х вследствие непроводящего состояния переключателя 58. Изменение напряжения (напряжение возбуждения) на конденсаторе С₁ равно -2,50 вольт, а изменение напряжения на конденсаторе С ₂ равно +2,50 вольт. Перенос заряда с выходного узла Х конденсатора С₁ через узел Y на интегратор 26 составляет -V_EXC₁ . Аналогично перенос заряда с выходного узла Х конденсатора С ₂ через узел Y на интегратор 26 составляет V _EXC₂. Следовательно, общий перенос заряда от выходного узла Х сенсорного конденсаторного моста на интегратор 26 составит -V_EX(C ₁-C₂).

Примечательно, что в этом варианте выполнения перенос заряда от сенсорного моста -V _EX(C₁-C₂) не зависит от сигнала y(n) цифрового управления с выхода преобразователя 12. Однако перенос заряда на стороне опорного конденсатора с C_REF управляется цифровым сигналом y(n). Конкретнее в течение первой фазы при низком y(n) (например, y=0, как отмечено величиной ) входная сторона опорного конденсатора C _REF соединяется с опорным напряжением из-за проводящего состояния переключателя 62, а выходная сторона конденсатора C_REF соединяется с общим напряжением из-за проводящего состояния переключателя 58. В течение фазы опорный конденсатор С_REF заряжается до В течение второй фазы входная сторона опорного конденсатора C _REF соединяется с через переключатель 64, генерируя напряжение возбуждения Отрицательный заряд -V_EXC _REF на основании значения C_REF и напряжения возбуждения подается на суммирующий узел Y, где он объединяется с зарядом от конденсаторов С₁ и С₂ и прикладывается через переключатель 60 к отрицательному входу усилителя 28 в первой ступени 26 преобразователя 12.

Аналогично в течение первой фазы yФ ₁ при высоком y=(n) (к примеру, y=1, как обозначено величиной y) входная сторона опорного конденсатора C_REF соединяется с опорным напряжением из-за проводящего состояния переключателя 62, а выходная сторона конденсатора C_REF соединяется с общим напряжением из-за проводящего состояния переключателя 58. Таким образом, в течение фазы yФ₁ опорный конденсатор C_REF заряжается до В течение второй фазы yФ₂ входная сторона опорного конденсатора C_REF соединяется с через переключатель 64, генерируя напряжение возбуждения Положительный заряд V_EXC _REF на основании значения C_REF и напряжения возбуждения подается на суммирующий узел Y, где он объединяется с зарядом от конденсаторов С₁ и С₂ и прикладывается через переключатель 60 к отрицательному входу усилителя 28 в первой ступени 26 преобразователя 12.

Совокупность -V_EX(C ₁-C₂) зарядов, представляющая разность емкостных значений (С₁-С ₂), прикладывается в течение всех циклов (y и ), тогда как совокупность зарядов, представляющая конденсатор C_REF, составляет V_EX C_REF или -V_EXC _REF в зависимости от того, является ли цифровой управляющий сигнал высоким (y=1) или низким (y=0). Когда y=1, общий перенос заряда от сенсорного моста и опорного конденсатора равен Q _A=-V_EX(C₁-C ₂)+V_EXC_REF. Когда y=0, общий перенос заряда от сенсорного моста и опорного конденсатора равен Q_A=-V _EX(C₁-C₂)-V _EXC_REF. Если емкостное значение C _REF выбирается как большее, чем максимальное значение |C ₁-C₂|, C_REF >|C₁-C₂|, то совокупность Q_A зарядов всегда будет положительной, тогда как совокупность Q_B зарядов всегда будет отрицательной.

Усилитель 28 и конденсатор C _F обратной связи образуют инвертированный интегратор. Если на этот интегратор переносится совокупность отрицательных зарядов, на выходе интегратора генерируется положительный скачок напряжения; если на интегратор переносится совокупность положительных зарядов, на выходе интегратора генерируется отрицательный скачок напряжения. Ступень 26 интегрирует входы по числу N циклов дискретизации. Выход из ступени 26 является сигналом, который получает положительное или отрицательное приращение для каждого цикла y или за период из N циклов, благодаря чему формируется цифровое преобразование. Например, в течение цикла общий заряд от мостовой сети и опорного конденсатора C _REF отрицательный, так что выходное напряжение U(n) будет получать положительное приращение скачками. В течение каждого цикла y общий заряд от мостовой сети и опорного конденсатора C_REF положительный, так что выходное напряжение U(n) будет уменьшаться (увеличиваться отрицательно) скачками.

Для подавления шума квантования можно использовать модулятор второго порядка. В этом случае выход U(n) первой ступени прикладывается через сеть 70 переключения сигналов ко входу второй ступени 72 преобразователя 12. Выход W(n) второй ступени соединяется со входом компаратора 74, который подает вход на триггер 76 D-типа для выделения логического сигнала y(n). На входе интегратора второй ступени конденсатор С₃ соединяется переключателем 80, а конденсатор С₄ соединяется переключателем 82 с выходом U(n) из усилителя. Противоположные стороны обоих конденсаторов С₃ и С ₄ соединяются через переключатель 84 с отрицательным входом усилителя 78. Входные стороны обоих конденсаторов также соединяются с «землей» или общим напряжением через соответствующие переключатели 86 и 88. Чтобы достичь оптимального эффекта для подавления шума квантования,

В варианте выполнения по фиг.3 уравнение баланса зарядов имеет вид

N_AQ _A+N_BQ_B=0,

где Q_A=-V_EX[(C ₁-C₂)-C_REF], Q_B=-V_EX[(C ₁-C₂)+C_REF], N_A представляет число циклов y интегрирования на -C_REF, а N_B представляет собой число циклов интегрирования на +C_REF. Следовательно, уравнение баланса зарядов приходит к виду:

N _A[(C₁-C₂)-C _REF]+N_B[(C₁ -C₂)+C_REF]=0.

Следовательно,

где N=N_A+N _B. Пока значение C_REF больше, чем ожидаемое максимальное значение |C₁-C ₂|, величина (C₁-C ₂)-C_REF всегда будет отрицательной, и система сходится.

Фиг.4 иллюстрирует цепь 16 заряда, а фиг.5 иллюстрирует опорный конденсатор C_REF в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.4 сенсорные конденсаторы С₁ и С₂ соединяются с источниками опорных напряжений и через переключатели 50, 52, 54 и 56, как описывается в связи с фиг.3. В этом случае вход опорного конденсатора C _REF подключается к программируемому источнику напряжения и через переключатели 62 и 64. Программируемый источник напряжения программируется пользователем или компьютером. Следовательно, значение зарядов, приложенных опорным конденсатором C _REF, может регулироваться, как для разных диапазонов чувствительности для измерительной цепи.

Заряд от опорного конденсатора C_REF может альтернативно программироваться с помощью параллельных опорных конденсаторов C _REF1, C_REF2, C_REF3 и т.д., как показано на фиг.5. Один из опорных конденсаторов C_REF постоянно включен в цепь, тогда как остальные опорные конденсаторы C_REF2, C _REF3 и т.д. выборочно соединяются с узлом Y через переключатели 90, 92 и т.д. Следовательно, перенос заряда вследствие сети опорного конденсатора может выборочно регулироваться.

Настоящее изобретение таким образом обеспечивает передатчик управления промышленными процессами, который является сходящимся, тем самым избегая нестабильности, связанной с существующими в уровне техники передатчиками. Хотя изобретение описывается в связи с парой конденсаторных датчиков, имеющих реагирующую на давление структуру, изобретение может быть полезным и с другими датчиками, в том числе с реагирующими на давление диафрагмами.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты выполнения, специалисты поймут, что можно сделать изменения в форме и подробностях без отхода от сущности и объема изобретения.