DE60306604T2

DE60306604T2 - Genaue Frequenz-Mess-Schaltung durch Zeit-Differenz-Dehnung und zwei Zähler, sowie Resonanz-Druck-Wandler Transmitter

Info

Publication number: DE60306604T2
Application number: DE60306604T
Authority: DE
Inventors: Yasuaki Horio; Masaaki Nikkuni; Masahiko Moriya; Hiroki Yoshino
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2023-09-13
Also published as: JP4269710B2; DE60306604D1; US6979995B2; US20040075425A1; JP2004198393A; EP1413890B1; EP1413890A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Erfindungsgebiet:
Die Erfindung bezieht sich auf einen Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp mit einer Frequenzmessschaltung, die die Frequenz eines zu messenden Signals mit einer hohen Geschwindigkeit und mit hoher Auflösung ohne Beschleunigen eines Referenztaktes messen kann.
2. Beschreibung des Stands der Technik
1 zeigt den Aufbau einer Frequenzmessschaltung, die bei einem zweidrahtigen Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp verwendet wird. Ein resonanter Druck-Transmitter 6 gibt ein Signal f mit einer Frequenz aus, die einem gemessenen Druck entspricht. Das Signal f wird in ein D-Flipflop 7 eingegeben und in ein Signal F umgewandelt, das synchron mit einem Anstieg eines Referenztaktes ist. Das Signal F und der Referenztakt werden in einen Zähler 8 eingegeben. Der Zähler 8 zählt die Referenztakte während eines Zyklus des Signals oder einer Periode, die solang wie ein ganzzahliges Vielfaches des einen Zyklus ist, um die Frequenz des Signals F zu messen. Die Frequenzdaten werden in einen Mikrocomputer 9 eingegeben, der den Differentialdruck oder den Druck berechnet.
2 zeigt ein Timingdiagramm des D-Flipflops 7. Der Referenztakt ist ein Impulssignal mit einer festen Frequenz. Das Signal f ist ein Signal mit einer Frequenz, die beträchtlich niedriger als die Frequenz des Referenztaktes ist und mit dem Referenztakt nicht synchron ist. Das D-Flipflop 7 tastet das Signal bei einem Anstieg des Referenztaktes ab. Demgemäß wird der Ausgang F des D-Flipflops 7 synchron mit einem Anstieg des Referenztaktes geändert.
Das heißt, das D-Flipflop 7 erzeugt das Signal F, das synchron mit dem Referenztakt ist, in Abhängigkeit von dem Signal f, das nicht synchron mit dem Referenztakt ist. Hier gibt eine in 2 gezeigte Gate- oder Torzeit eine Zeitspannen-Einheit an, bei der der Zähler 8 das Signal F und den Referenztakt zählt.
Der Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp mit einem derartigen Aufbau weist jedoch den folgenden Nachteil auf.
Bei dem in 1 gezeigten Aufbau dient der Zähler 8 zum Zählen des Referenztaktes, und folglich kann der Zähler 8 nicht die Auflösung erhalten, die gleich oder kleiner als ein Zyklus des Referenztaktes ist. Um die Frequenz des Ausgangs f des resonanten Drucksensors 6 mit einer hohen Geschwindigkeit zu erhalten, ist es notwendig, die in 2 gezeigte Torzeit zu verkürzen. Wenn die Torzeit verkürzt wird, gibt es jedoch einen Nachteil, dass die Auflösung des Zählwerts abgesenkt wird.
Obwohl es notwendig ist, die Frequenz des Referenztaktes anzuheben, um die Auflösung zu erhöhen, verursacht diese Anhebung der Frequenz den Anstieg des Leistungsverbrauchs. Da der zweidrahtige Differentialdruck/Druck-Transmitter einen kleinen Leistungsverbrauch aufweisen muß, gibt es ebenfalls einen Nachteil, dass der Anstieg der Frequenz des Referenztaktes schwierig ist.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp mit einer Frequenzmessschaltung bereitzustellen, die eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung ohne Anheben der Frequenz eines Referenztaktes erhalten kann und die Absenkung der Auflösung verhindert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch einen Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp gemäß Anspruch 1 erreicht.
Um die oben genannte Aufgabe zu erreichen, wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp bereitgestellt, der umfasst: einen ersten Zähler, der Referenztakte während eines Zyklus eines resonanten Drucksensors oder einer Zeitspanne zählt, die solang wie ein ganzzahliges Vielfaches des einen Zyklus ist, eine Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung, die die Zeitdifferenz zwischen dem zu messenden Signal und dem Referenztakt erfasst, eine Zeitexpansionsschaltung bzw. Zeitdehnungsschaltung, die eine Ausgangsimpulsbreite der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung um eine vorgegebene Vergrößerung expandiert, und einen zweiten Zähler, der die Referenztakte während der Impulsbreite zählt, die durch die Zeitexpansionsschaltung expandiert wird, wobei die Frequenz des zu messenden Signals basierend auf Zählwerten der ersten und zweiten Zähler und der Druck basierend auf der Frequenz erhalten wird, wobei die Zeitexpansionsschaltung eine erste Spannungsteilerschaltung und eine zweite Spannungsteilerschaltung umfasst, die zwischen einer festen Versorgungsspannung und einem gemeinsamen Potentialpunkt angeordnet sind, einen Operationsverstärker, der einen Spannungsteilerpunkt der ersten Spannungsteilerschaltung mit einem invertierten Eingangsanschluß verbindet, und einen Spannungsteilerpunkt der zweiten Spannungsteilerschaltung mit einem nicht invertierten Eingangsanschluß als eine feste Schwellenspannung verbindet, womit ein Integrator gebildet wird, und einen Komparator, der einen Ausgang des Operationsverstärkers mit einem invertierten Eingangsanschluß und einen Spannungsteilerpunkt der zweiten Spannungsteilerschaltung mit einem nicht invertierten Eingangsanschluß als eine feste Schwellenspannung verbindet, wobei eine in einem Kondensator innerhalb des Integrators gespeicherte Ladung als Reaktion auf das Eingeben des Zeitdifferentialsignals entladen wird, wobei
ein Widerstand (R1) und ein FET-Schalter (Q1) der ersten Spannungsteilerschaltung in Reihe zwischen dem Spannungsteilerpunkt (B1) der ersten Spannungsteilerschaltung und dem gemeinsamen Potentialpunkt in Reihe geschaltet sind,
ein Kondensator (C1) zwischen dem invertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers (U1) und einem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (U1) geschaltet ist, und
eine Reihenschaltung mit einer Festspannungs-Diode (D3) und einer Diode (D4) parallel mit dem Kondensator (C1) geschaltet ist. Aufgrund eines derartigen Aufbaus kann die schnelle Verarbeitung und die hohe Auflösung der Messung ohne Erhöhen der Frequenz des Referenztaktes erreicht werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird in dem Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung der Zählwert des zweiten Zählers durch die gegebene Vergrößerung geteilt, mit der die Zeitexpansionsschaltung die Impulsbreite expandiert, und ein Ergebnis der Teilung wird zu den Zählwert des ersten Zählers hinzugefügt, um die Frequenz des zu messenden Signals zu erhalten. Aufgrund eines derartigen Aufbaus kann die Frequenz ohne weiteres erhalten werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung gibt bei dem Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung die Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung ein Impulssignal mit der Impulsbreite von einem Zeitpunkt, zu dem ein Pegel des zu messenden Signals geändert wird, bis zu einem Zeitpunkt aus, zu dem ein Pegel des Referenztaktes geändert wird. Aufgrund eines derartigen Aufbaus kann das Zeitdifferenzsignal ohne weiteres erhalten werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Aufbauansicht eines herkömmlichen Differentialdruck/Druck-Transmitters vom resonanten Drucksensortyp.
2 ist ein Signalverlaufdiagramm zum Erläutern der Art und Weise des Betriebs eines D-Flipflops.
3 ist eine Aufbauansicht einer Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine Aufbauansicht, die eine Zeitexpansionsschaltung zeigt, die nicht Teil der Erfindung ist.
5 ist ein Signalverlaufdiagramm der Zeitexpansionsschaltung von 4.
6 ist eine Aufbauansicht, die die Zeitexpansionsschaltung der Erfindung zeigt.
7 ist ein Signalverlaufdiagramm der Zeitexpansionsschaltung der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit beigefügten Zeichnungen erläutert.
3 ist eine Aufbauansicht, die eine Ausführungsform einer Frequenzmessschaltung zeigt, die bei einem erfindungsgemäßen Differentialdruck/Druck-Transmitter verwendet wird. Hier werden Bauteile, die mit den in 1 gezeigten Bauteilen identisch sind, durch die gleichen Ziffern angegeben und ihre Erläuterung wird weggelassen.
In 3 gibt die Ziffer 1 eine Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung an, in die eine Ausgabe f eines resonanten Drucksensors 6 und eine Ausgabe F eines D-Flipflops 7 eingegeben werden. Die Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung 1 gibt ein Signal Tin aus, das einen L-Pegel mit einem Anstieg der Ausgabe f und einen H-Pegel mit einem Anstieg der Ausgabe F annimmt, die der Ausgabe f folgt. Das heißt, dass die Ausgabe Tin der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung 1 ein Signal ist, das eine Impulsbreite der Zeitdifferenz zwischen den Ausgaben f und F aufweist.
Die Ziffer 2 gibt eine Zeitexpansionsschaltung an, in die Ausgabe Tin der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung 1 eingegeben wird. Die Zeitexpansionsschaltung gibt ein Signal Tout aus, das eine Impulsbreite aufweist, die durch Expandieren der Impulsbreite der Ausgabe Tin, d.h. der L-Pegelperiode, um eine gegebene Vergrößerung erhalten wird. Die Ziffer 31 gibt einen Zähler an, der Referenztakte während eines Zyklus der Ausgabe F oder während einer Periode zählt die solang wie ein ganzzahliges Vielfaches des einen Zyklus ist. Das heißt, der Zähler 31 führt den gleichen Vorgang wie den des Zählers 8 bei dem in 1 gezeigten herkömmlichen Beispiel durch.
Die Ziffer 32 gibt einen Zähler an, in den die Ausgabe Tout der Zeitexpansionsschaltung 2 und der Referenztakt eingegeben werden. Der Zähler 32 zählt den Referenztakt während der Impulsbreite der Ausgabe Tout, d.h. während einer Zeitspanne, in der die Ausgabe Tout einen L-Pegel annimmt. Die Ziffer 4 gibt einen Mikrocomputer an, in den Zählwerte der Zähler 31, 32 eingegeben werden. Der Mikrocomputer 4 teilt den Zählwert des Zählers 32 durch die Vergrößerung, mit der die Zeitexpansionsschaltung 2 die Impulsbreite des Eingangssignals expandiert, und berechnet eine Frequenz der Ausgabe f des resonanten Drucksensors 6 durch Hinzufügen eines Ergebnisses der Teilung mit dem Zählwert des Zählers 31. Ein Druckwert wird ebenfalls basierend auf der Frequenz berechnet.
4 ist eine Aufbauansicht eines Typs einer Zeitexpansionsschaltung 2, die nicht Teil der Erfindung bildet und lediglich zur Information bereitgestellt wird. In 4 gibt die Ziffer 24 einen Komparator an, wobei ein Widerstand R2 und ein Kondensator C2 mit einem nicht-invertierten Eingangsanschluß und ein Widerstand R1 und ein Kondensator C1 mit einem invertierten Eingangsanschluß verbunden sind. Die anderen Enden der Kondensatoren C1, C2 sind mit einem gemeinsamen Potentialpunkt verbunden. Ferner sind jeweils an anderen Enden der Widerstände R1, R2 die Anoden von Dioden D1, D2 verbunden. Eine Schaltung der ersten Zeitkonstante wird aus dem Kondensator C1 und dem Widerstand R1 gebildet, und eine Schaltung der zweiten Zeitkonstante wird aus dem Kondensator C2 und dem Widerstand R2 gebildet.
Die Ziffer 22 gibt einen Puffer an, in den ein START-Signal eingegeben wird. Ein Ausgangsanschluss des Puffers 21 ist mit einer Kathode der Diode D2 verbunden. Die Ziffer 21 gibt einen Puffer an, in den die Ausgabe Tin der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung 1 eingegeben wird, und eine Kathode der Diode D1 ist mit einem Ausgangsanschluss des Puffers 22 verbunden. Die Dioden D1, D2 sind eingefügt, um den Einfluß eines elektrischen Stromes in die Kondensatoren C1, C2 von den Puffern 21, 22 zu verhindern.
Die Ziffer 23 gibt einen Inverter an, in den eine Ausgabe des Puffers 21 eingegeben wird. Die Ziffer 25 gibt ein NAND-Gatter für zwei Eingänge an, wobei eine Ausgabe des Inverters 23 und eine Ausgabe des Komparators 24 eingegeben werden. Eine Ausgabe des NAND-Gatters 25 bildet die Ausgabe Tout der Zeitexpansionsschaltung 2.
SW1, SW2 geben Schalter an, wobei die Enden der Schalter SW1, SW2 mit einer Referenzspannung VREF verbunden sind, das andere Ende des Schalters SW1 mit dem invertierten Eingangsanschluß des Komparators 24 verbunden ist, und das andere Ende des Schalters SW2 mit dem gleichen nicht-invertierten Eingangsanschluß verbunden ist. Ein Spannungswert der Referenzspannung VREF wird auf einen Wert eingestellt, der niedriger als eine Versorgungsspannung VDD der Puffer 21, 22 und des Inverters 23 ist.
Als nächstes wird die Art und Weise des Betriebs dieser Zeitexpansionsschaltung in Verbindung mit einem in 5 gezeigten Signalverlaufdiagramm erläutert. In 5 werden Signalverläufe des Referenztaktes, AN/AUS-Zustände der Schalter SW1, SW2, die Ausgabe f des resonanten Drucksensors 6, die Ausgabe F des D-Flipflops 7, die Ausgabe Tin der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung 1, das START-Signal und die Ausgabe Tout der Zeitexpansionsschaltung 2 jeweils in abfallender Reihenfolge von oben gezeigt.
Wenn die Schalter SW1, SW2 angeschaltet sind, werden die Kondensatoren C1, C2 mit der Referenzspannung VREF geladen. Wenn das Laden abgeschlossen ist, werden die Schalter SW1, SW2 abgeschaltet. Hier nimmt das START-Signal den H-Pegel an. Dieses START-Signal wird durch den Inverter invertiert und in das NAND-Gatter 25 eingegeben, und folglich nimmt die Ausgabe Tout des NAND-Gatters 25 den H-Pegel an.
Wenn die Ausgabe f zu einem Zeitpunkt t1 ansteigt, fällt die Ausgabe Tin ab. Dann steigt als Reaktion auf einen Anstieg des nächsten Referenztaktes die Ausgabe F an, und zur gleichen Zeit steigt die Ausgabe Tin an. Während die Ausgabe Tin einen L-Pegel annimmt, wird die Ladung, die im Kondensator C1 gespeichert ist, durch den Widerstand R1 entladen. Demgemäß nimmt die Ausgabe des Komparators 24 den H-Pegel an. Eine Spannung zwischen beiden Enden des Kondensators C1 wird um ΔV1 abgesenkt, was durch die folgende Formel ausgedrückt wird. ΔV1 = (VREF – VF) × [1 – exp (–Tin/(R1 × C1))] (1)
Hier gibt Tin eine Periode an, in der die oben erwähnte Ausgabe Tin den L-Pegel annimmt, während VF einen Spannungsabfallwert der Diode D1 in der normalen Richtung angibt.
Wenn die Ausgabe Tin den H-Pegel annimmt, wird das START-Signal auf den L-Pegel für eine feste Zeit an einem nächsten Zeitpunkt t2 gehalten. Da die beiden der zwei Eingänge des NAND-Gatters 25 den H-Pegel annehmen, wird die Ausgabe Tout des NAND-Gatters 25 in den L-Pegel geändert. Ferner wird die in dem Kondensator C2 gespeicherte Ladung durch den Widerstand R2 entladen, und folglich wird die Spannung zwischen beiden Enden des Kondensators C2 allmählich in Übereinstimmung mit einer folgenden Gleichung (2) abgesenkt. ΔV(t) = (VREF – VF) × [1 – exp(–t/(R2 × C2))] (2)
Hier gibt VF einen Spannungsabfallwert der Diode D2 in der normalen Richtung an, und t gibt die Zeit an, die verstreicht, nachdem das START-Signal den L-Pegel annimmt.
Wenn die Spannung zwischen beiden Enden des Kondensators C2 niedriger als die Spannung zwischen beiden Enden des Kondensators C1 wird, wird die Ausgabe des Komparators 24 in den L-Pegel invertiert. Demgemäß wird die Ausgabe Tout des NAND-Gatters 25 in den H-Pegel invertiert.
Um die Kapazitäten der Kondensatoren C1, C2 mit den gleichen Symbolen C1, C2 und die Widerstandswerte der Widerstände R1, R2 mit den gleichen Symbolen R1, R2 auszudrücken, wird eine Zeitkonstante der ersten Zeitkonstantenschaltung, die durch den Kondensator C1 und den Widerstand R1 gebildet wird, gleich C1 × R1, während eine Zeitkonstante der zweiten Zeitkonstantenschaltung, die durch den Kondensator C2 und den Widerstand R2 gebildet wird, gleich C2 × R2 wird.
Die Spannung zwischen beiden Enden des Kondensators C1 wird mit einer Rate von 1/(C1 × R1) verringert, während die Spannung zwischen beiden Enden des Kondensators C2 mit einer Rate von 1/(C2 × R2) verringert wird. Demgemäß wird die Impulsbreite der Ausgabe Tout der Zeitexpansionsschaltung 2 um (C2 × R2)/(C1 × R1) mal der Ausgabe Tin der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung 1 expandiert.
Genauer gesagt wird, wenn die Impulsbreite der Ausgabe Tout als Tout angenommen wird, indem das ΔV(Tout) in der Formel (1) und das ΔV(Tout) in der Formel (2) einander gleich gesetzt werden, Tout = Tin × (C2 × R2)/(C1 × R1) erhalten.
Hier zeigt die Aufbauansicht in 4 eine Art der Zeitexpansionsschaltung.
Die Aufbauansicht in 6 zeigt die Zeitexpansionsschaltung der aktuellen Erfindung. In der Zeichnung öffnet oder schließt das Zeitdifferentialsignal Tin einen N-Kanal-FET-Schalter Q1 durch einen Inverter U0. Wenn das Zeitdifferentialsignal Tin auf dem hohen bzw. H-Pegel ist, wird der N-Kanal-FET-Schalter Q1 gesteuert, um einen AUS-Zustand anzunehmen, während, wenn das Zeitdifferentialsignal Tin auf dem niedrigen bzw. L-Pegel ist, der N-Kanal-FET-Schalter Q1 gesteuert wird, um einen AN-Zustand anzunehmen. VREF ist eine feste Leistungsquellenspannung, die zwischen dem N-Kanal-FET-Schalter Q1 und einem gemeinsamen Potentialpunkt anliegt.
Eine erste Spannungsteilerschaltung, die aus einer Reihenschaltung von Widerständen R2 und R1 aufgebaut ist, und eine zweite Spannungsteilerschaltung, die aus einer Reihenschaltung der Widerstände R3 und R4 aufgebaut ist, werden zwischen der Leistungsquellenspannung VREF und dem gemeinsamen Potentialpunkt verbunden, und ein FET-Schalter Q1 wird in Reihe mit dem Widerstand R1 der ersten Spannungsteilerschaltung eingefügt. Ein Spannungsteilerpunkt B1 der ersten Spannungsteilerschaltung wird mit einem invertierten Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers U1 verbunden, der einen Integrator bildet, während ein Potential eines Spannungsteilerpunktes B2 der zweiten Spannungsteilerschaltung als eine feste Schwellenspannung Vth zu einem nicht-invertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers U1 und einem nicht-invertierten Eingangsanschluß eines Komparatorverstärkers U2 geliefert wird, der einen Komparator bildet.
Ein Kondensator C1 ist zwischen dem invertierten Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers U1 verbunden, der den Integrator bildet, während der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers U1 mit dem nicht-invertierten Eingangsanschluß des Komparatorverstärkers U2 verbunden ist. Eine Reihenschaltung, die aus einer Festspannungs-Diode D3 und einer Festspannungs-Diode D4 gebildet wird und mit dem Kondensator C1 parallel geschaltet ist, regelt ein Potential der negativen Seite einer Ausgangsspannung des Operationsverstärkers U1.
Bei einem derartigen Aufbau wird, wenn der FET-Schalter Q1 den AUS-Zustand annimmt, der Kondensator C1 mit der Leistungsquellenspannung VREF durch den Widerstand R2 geladen, und folglich wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers U1 auf einen gegebenen L-Pegel eingestellt, der niedriger als die Schwellenspannung Vth ist, die durch die Festspannungs-Dioden D3, D4 geregelt wird. Hier wird der Komparatorverstärker U2, der den Komparator bildet, auf den H-Pegel eingestellt.
Wenn der FET-Schalter Q1 den AN-Zustand annimmt, wenn das Zeitdifferenzsignal Tin den L-Pegel annimmt, wird das Potential des Spannungsteilerpunktes B1 auf einen Wert eingestellt, der niedriger als die Schwellenspannung Vth ist, und folglich wird die Ladung des Kondensators C1 entladen, und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers U1 wird mit einem festgelegten Gradienten angehoben, der durch eine Zeitkonstante bestimmt wird, die auf den Widerständen R1, R2 und dem Kondensator C2 beruht. Wenn diese angehobene Spannung die Schwellenspannung Vth überschreitet, wird die Ausgabe des Komparators U2 in den L-Pegel von dem H-Pegel invertiert.
Ferner wird, wenn die Eingang des Zeitdifferenzsignals Tin den H-Pegel annimmt, der Kondensator C1, der den Integrator bildet, durch die Versorgungsspannung VREF über den Widerstand R2 geladen, und folglich wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers U1 mit einen Gradienten abgesenkt, der durch die Zeitkonstante bestimmt wird, die auf dem Kondensator C1 und dem Widerstand R2 basiert, und wenn diese abgesenkte Spannung den Schwellenspannung Vth überschreitet, wird die Ausgabe des Komparatorverstärkers U2 in den H-Pegel von dem L-Pegel invertiert. Die Inversionszeit in die L-Pegel-Seite des Komparatorverstärkers U2 wird als die Expansionszeit Tout verwendet.
Als nächstes wird die Art und Weise des Betriebs dieser Ausführungsform basierend auf dem in 7 gezeigten Signalverlaufdiagramm erläutert.
In 7 werden Signalverläufe des Referenztaktes, die Ausgabe f des resonanten Drucksensors 6, die Ausgabe F des D-Flipflops 7, die Ausgabe Tin der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung 1, die Ausgabe des Operationsverstärkers U1 und die Ausgabe des Komparatorverstärkers U2, d.h. die Zeit Tout, die durch Expandieren der Ausgabe Tin der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung 1 erhalten wird, jeweils in der abfallender Reihenfolge von oben gezeigt.
Hier wird die Ausgabe der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung, die am Start der Torzeit erzeugt wird, durch Tin(1) angegeben, und die Zeitdifferenz, die am Ende der Torzeit erzeugt wird, durch Tin(2) angegeben. Ferner wird die expandierte Zeit, die am Start der Torzeit erzeugt wird, durch Tout(1) angegeben, und die expandierte Zeit, die am Ende der Torzeit erzeugt wird, durch Tout(2) angegeben. Die Zeit Ta gibt die Zeit von dem Start der Zeitdifferenz Tin zu einem Zeitpunkt an, bei dem die Ausgabe des Komparatorverstärkers 2 in den L-Pegel von dem H-Pegel invertiert ist.
Als nächstes werden die Schritte der Signalverarbeitung erläutert. Mit der in 6 gezeigten Zeitexpansionsschaltung werden die expandierten Zeiten jeweils wie folgt bestimmt. Tout(1) = (R2 × R4)/(R1 × R3) × {Tin(1) – Ta} Tout(2) = (R2 × R4)/(R1 × R3) × {Tin(2) – Ta}
Hier ist die tatsächlich notwendige Information die Differenz zwischen Tin und Tout, und diese Differenz kann wie folgt erhalten werden. Tout(2) – Tout(1) = (R2 × R4)/(R1 × R3) × {Tin(2) – Tin(1)}
Demgemäß wird ein Expansionsverhältnis der Zeitbreite gleich (R2 × R4)/(R1 × R3).
Bei der Art und Weise des Betriebs, um die expandierte Zeit Tout(1) in 7 zu erhalten, misst der erste Zähler 10 den integrierten Wert der Ausgabe F, und der integrierte Wert wird als Fn eingestellt. Während dieser expandierten Zeit Tout(1) misst der zweite Zähler 13 die Zeitbreite des Tout(1), und dieser Wert wird als δTn eingestellt.
Als nächstes misst bei der Art und Weise des Betriebs, um die expandierte Zeit Tout(2) zu erhalten, der erste Zähler 10 den integrierten Wert der Ausgabe F, und der integrierte Wert wird als Fn + 1 eingestellt. Während dieser expandierten Zeit Tout(2) misst der zweite Zähler 13 die Zeitbreite des Tout(2), und dieser Wert wird als δTn + 1 eingestellt.
Basierend auf den oben erwähnten Zählwerten Fn, Fn + 1, δTn und δTn + 1, dem Referenztakt, der Torzeit, den Widerständen R1, R2, R3 und R4 führt der Mikrocomputer 14 die Korrekturberechnung der Frequenz f mit erhöhter Auflösung unter Verwendung einer folgenden Formel durch. f = [{(Fn + 1) – Fn} + {(δTn + 1) – δTn} × (R1 × R3)/(R2 × R4)]/Torzeit
Auf diese Art und Weise kann gemäß dieser Ausführungsform das Expansionsverhältnis basierend auf lediglich den Widerständen R1, R2, R3 und R4 vollständig bestimmt werden, und folglich ist es möglicht, die hohe Genauigkeit durch Auswählen von Widerständen mit niedrigen Temperaturkoeffizienten wie die Widerstände R1, R2, R3, R4, sicherzustellen.
Obwohl der Zähler 31 konfiguriert ist, um den Referenztakt während eines Zyklus der Ausgabe F des D-Flipflops 7 zu berechnen, ist es ferner nicht immer notwendig, die Zählperiode auf einen Zyklus einzustellen. Die Zählperiode kann eine Zeitspanne sein, die durch Multiplizieren einer festen Vergrößerung mit einem Zyklus, wie beispielsweise zwei Zyklen oder einen halben Zyklus, erhalten wird. Ferner können der Zähler 31 und der Zähler 32 konfiguriert sein, um Referenztakte zu zählen, die voneinander unterschiedlich sind.
Wie aus der vorhergehenden Erläuterung klar ersichtlich ist, können erfindungsgemäß folgende vorteilhafte Wirkungen erhalten werden.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst der Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp den ersten Zähler, der Referenztakte während eines Zyklus des resonanten Drucksensors oder der Periode zählt, die solang wie ein ganzzahliges Vielfaches eines Zyklus ist, die Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung, die die Zeitdifferenz zwischen dem zu messenden Signal und dem Referenztakt erfasst, die Zeitexpansionsschaltung, die die Ausgangsimpulsbreite der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung durch die gegebene Vergrößerung expandiert, und den zweiten Zähler, der die Referenztakte während der Impulsbreite zählt, die durch die Zeitdifferenz-Expansionsschaltung expandiert wird, wobei die Frequenz des zu messenden Signals basierend auf Zählwerten der ersten und zweiten Zähler erhalten wird, und der Druck basierend auf der Frequenz erhalten wird.
Aufgrund eines derartigen Aufbaus kann die Erfindung eine vorteilhafte Wirkung erhalten, dass die schnelle Verarbeitung und die hohe Auflösung der Messung ohne Erhöhen der Frequenz des Referenztaktes erreicht werden kann. Beispielsweise kann die Messzeit auf ein Viertel verkürzt werden, indem die Zählzeit des ersten Zählers auf ein Viertel verkürzt wird, während die Impulsbreite des Zeitdifferenzsignals vier Mal mit der Zeitexpansionsschaltung erhöht wird. Da die Frequenz des Referenztaktes verringert werden kann, ist es ebenfalls möglich, vorteilhafte Wirkungen zu erhalten, sodass der Leistungsverbrauch der Schaltung verringert werden kann, und kostengünstige Teile niedriger Geschwindigkeit verwendet werden können. Insbesondere wird, wenn der Transmitter vom Zweidrahttyp verwendet wird, die strenge Beschränkung des Leistungsverbrauchs angestrebt, und folglich ist diese Leistungsverbrauch-Verringerungswirkung beträchtlich. Außerdem umfasst die Zeitexpansionsschaltung die erste Spannungsteilerschaltung und die zweite Spannungsteilerschaltung, die zwischen der festen Leistungsquellenspannung und dem gemeinsamen Potentialpunkt angeordnet sind, den Operationsverstärker, der den Spannungsteilerpunkt der ersten Spannungsteilerschaltung mit dem invertierten Eingangsanschluß verbindet, und den Spannungsteilerpunkt der zweiten Spannungsteilerschaltung mit dem nicht-invertierten Eingangsanschluß verbindet, als die feste Schwellenspannung, womit der Integrator gebildet wird, und der Komparator, der den Ausgang des Operationsverstärkers mit dem invertierten Eingangsanschluß verbindet, und den Spannungsteilerpunkt der zweiten Spannungsteilerschaltung mit dem nicht-invertierten Eingangsanschluß als die feste Schwellenspannung verbindet, wobei die in dem Kondensator in der Innenseite des Integrators gespeicherte Ladung als Reaktion auf das Eingeben des Zeitdifferenzsignals entladen wird.
Aufgrund eines derartigen Aufbaus ist es möglich, eine vorteilhafte Wirkung zu erhalten, dass die Impulsbreite mit der einfachen Schaltung expandiert werden kann. Ferner ist es ebenfalls möglich, eine vorteilhafte Wirkung zu erreichen, dass das Expansionsverhältnis allein durch Ändern des Werts des Widerstands geändert werden kann.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird bei dem Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung der Zählwert des zweiten Zählers durch die gegebene Vergrößerung geteilt, mit der die Zeitexpansionsschaltung die Impulsbreite expandiert, und das Ergebnis der Teilung wird zu dem Zählwert des ersten Zählers hinzugefügt, um die Frequenz des zu messenden Signals zu erhalten. Aufgrund eines derartigen Aufbaus ist es möglich, eine vorteilhafte Wirkung zu erhalten, dass die Frequenz ohne weiteres erhalten werden kann. Insbesondere kann aufgrund eines derartigen Aufbaus durch Einstellen des Vergrößerungsverhältnisses der Zeitexpansionsschaltung auf die n-te Potenz von 2 eine Verschiebungsberechnung anstatt der Multiplikation verwendet werden, und folglich ist es ebenfalls möglich, eine vorteilhafte Wirkung aufzuweisen, dass der Mikrocomputer weitgehend vereinfacht werden kann.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung gibt bei dem Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung die Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung das Impulssignal mit der Impulsbreite von dem Zeitpunkt, bei dem der Pegel des zu messenden Signals geändert wird, zu dem Zeitpunkt aus, bei dem der Pegel des Referenztaktes geändert wird. Aufgrund eines derartigen Aufbaus ist es möglich, eine vorteilhafte Wirkung aufzuweisen, dass das Zeitdifferenzsignal ohne weiteres erhalten werden kann.

Claims

Differentialdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp; mit: einem ersten Zähler (31), der einen Referenztakt während eines Zyklus eines resonanten Drucksensors oder während einer Zeitspanne zählt, die sich auf ein ganzzahliges Vielfaches des einen Zyklus bezieht, einer Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung, die die Zeitdifferenz zwischen dem gemessenen Signal und dem Referenztakt erfasst, einer Zeitdehnungsschaltung, die die Impulsbreite einer Ausgabe der Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung um eine eingestellte Vergrößerung dehnt, und einem zweiten Zähler (32), der den Referenztakt während der Impulsbreite zählt, die durch die Zeitdehnungsschaltung gedehnt wurde, wobei die Frequenz des gemessenen Signals aus Zählwerten der ersten und zweiten Zähler (31, 32) und ein Druck aus der Frequenz ermittelt wird, wobei die Zeitdehnungsschaltung umfasst: eine erste Spannungsteilerschaltung und eine zweite Spannungsteilerschaltung, die zwischen einer festen Leistungsquellenspannung (VREF) und einem gemeinsamen Potentialpunkt angeordnet sind, einen Operationsverstärker (U1), der einen Spannungsteilerpunkt (B1) der ersten Spannungsteilerschaltung mit einem invertierten Eingangsanschluss und einen Spannungsteilerpunkt (B2) der zweiten Spannungsteilerschaltung mit einem nicht-invertierten Eingangsanschluss verbindet, der als eine feste Schwellenspannung dient, womit ein Integrator gebildet wird, und einen Komparator (U2), der eine Ausgabe des Operationsverstärkers (U1) mit einem invertierten Eingangsanschluss und einen Spannungsteilerpunkt (B2) der zweiten Spannungsteilerschaltung, der als eine feste Schwellenspannung dient, mit einem nicht-invertierten Eingangsanschluss verbindet, wobei eine Ladung, die in einem Kondensator im Innern des Integrators gespeichert ist, als Reaktion auf das Eingeben des Zeitdifferenzsignals entladen wird, ein Widerstand (R1) und ein FET-Schalter (Q1) der ersten Spannungsteilerschaltung in Reihe zwischen dem Spannungsteilerpunkt (B1) der ersten Spannungsteilerschaltung und dem gemeinsamen Potentialpunkt geschaltet sind, ein Kondensator (C1) zwischen dem invertierten Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (U1) und einem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (U1) geschaltet ist, und eine Reihenschaltung mit einer Festspannungs-Diode (D3) und einer Diode (D4) parallel mit dem Kondensator (C1) geschaltet ist.
Differenzdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp gemäß Anspruch 1, bei dem der Zählwert des zweiten Zählers (32) durch eine vorgegebene Vergrößerung geteilt wird, mit der die Zeitdehnungsschaltung die Impulsbreite dehnt, und ein Ergebnis der Teilung zu dem Zählwert des ersten Zählers (31) hinzugefügt wird, um die Frequenz des zu messenden Signals zu erhalten.
Differenzdruck/Druck-Transmitter vom resonanten Drucksensortyp gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Zeitdifferenz-Erfassungsschaltung ein Impulssignal ausgibt, das die Impulsbreite von einem Zeitpunkt, bei dem ein Pegel des zu messenden Signal geändert wird, zu einem Zeitpunkt, bei dem ein Pegel des Referenztakts geändert wird, aufweist.