專利名稱：帶有可選擇、可調(diào)節(jié)輸入濾波器的電流-壓力換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電流-壓力換能器，具體而言，涉及帶有可選擇、可調(diào)節(jié)輸入濾波器的電流-壓力換能器。
背景技術(shù)：
例如用來控制液體或氣體流動過程的控制系統(tǒng)典型地包括一個與執(zhí)行機構(gòu)耦合的電流-壓力換能器，而該執(zhí)行機構(gòu)又與控制過程的閥門耦合。過程控制器的輸出信號耦合到控制過程的電流-壓力換能器上。
在一個開環(huán)過程控制系統(tǒng)中，過程控制器向電流-壓力換能器饋送一個4-20mA的控制信號，而電流-壓力換能器又將該控制信號轉(zhuǎn)換為一個輸出壓力，它使得執(zhí)行機構(gòu)操作閥門從而以預(yù)先確定的方式來控制過程。相反，在閉環(huán)過程控制系統(tǒng)中，傳感器檢測受控過程的參數(shù)值，從而可以將該參數(shù)值反饋至過程控制器。過程控制器隨后不斷地調(diào)節(jié)其輸出信號以使檢測得到的過程參數(shù)與稱為檢測過程參數(shù)的設(shè)定值或者所需值的輸入命令之間的差值最小。
在受控過程的時間常數(shù)較小的應(yīng)用場合下，需要采用的是連接在隔膜簧傳動機構(gòu)上具有緩慢的第一階響應(yīng)的電流-壓力換能器。有一種這樣的換能器是由Fisher控制設(shè)備國際有限公司制造的546型電流-壓力換能器。這種換能器在響應(yīng)特性上類似于一個時間常數(shù)較大的單極、低通濾波器。
換能器技術(shù)的其它發(fā)展是出現(xiàn)了在與諸如隔膜簧執(zhí)行機構(gòu)之類執(zhí)行機構(gòu)連接時具有速度更快的第二階濾波器特性的換能器。當(dāng)可以采用這些換能器來操作快速過程閉環(huán)控制中的執(zhí)行機構(gòu)時，為了使這些換能器的過程控制阻尼達(dá)到與具有相對較低的第一階滯后特性的換能器一樣的水平，必須通過重新調(diào)整過程控制器來降低其比例增益。在有些情況下，即使在為實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定而重新調(diào)整了控制器之后，受控過程變量或參數(shù)仍然顯現(xiàn)出過沖或限于幾周(即小幅度振蕩)，或者無法與命令輸入信號或設(shè)定值保持所需要的一致并且響應(yīng)的速度慢于設(shè)定點的變化。
例如當(dāng)電流-壓力換能器長期暴露在振動、不利的溫度環(huán)境下或者經(jīng)過一般的磨損而引起的老化或用壞，或者僅僅是在技術(shù)上需要將換能器或其它系統(tǒng)部件更新?lián)Q代而必須替換時，將會產(chǎn)生上述問題。在這些情況下，換能器和執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)特性從第一階變化至第二階滯后特性會給過程環(huán)路調(diào)整和控制帶來不利的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供克服了上述問題的一種帶有可選擇、可調(diào)節(jié)輸入濾波器的電流-壓力換能器。
按照本發(fā)明的一個方面，為產(chǎn)生壓力響應(yīng)于控制信號的設(shè)備包括一個帶有為產(chǎn)生壓力對控制信號作出響應(yīng)的裝置的電流-壓力換能器和放置在控制信號與電流-壓力換能器中間的濾波器。該濾波器具有時間常數(shù)可調(diào)的動態(tài)輸入-輸出特性從而可以改變動態(tài)輸入-輸出特性。該設(shè)備還包括選擇接通和斷開濾波器的裝置。比較好的是濾波器包含電流-壓力換能器的積分部分。
在一個實施例中，濾波器為起支配作用的第一階滯后濾波器，并且比較好的是低通濾波器。該濾波器包括一個運算放大器并且可進(jìn)一步包括與運算放大器耦合的電阻-電容網(wǎng)絡(luò)。作為另一種選擇，濾波器可以是數(shù)字式濾波器并包括完成數(shù)字運算以導(dǎo)出動態(tài)輸入-輸出特性的計算裝置。比較好的是在后一實施例中的計算裝置包括一個微處理器。
用來控制帶過程參數(shù)過程的系統(tǒng)包括檢測過程參數(shù)的檢測裝置、帶有接收源于檢測得到的過程參數(shù)的輸入信號的裝置和根據(jù)輸入信號導(dǎo)出控制器輸出信號的裝置的控制器、為產(chǎn)生壓力響應(yīng)于控制器輸出信號的電流-壓力換能器、響應(yīng)于換能器產(chǎn)生壓力的閥門執(zhí)行機構(gòu)和響應(yīng)于閥門執(zhí)行機構(gòu)的過程控制用閥門，本發(fā)明對系統(tǒng)作了改進(jìn)，它包括在控制信號與電流-換能器中間放置一個濾波器，該濾波器所具有的輸入-輸出特性基本上保證了系統(tǒng)增益小到足以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定而大到能夠通過調(diào)整過程參數(shù)基本上補償過程中負(fù)載的變化。濾波器的動態(tài)輸入-輸出特性包括一個用戶可調(diào)的時間常數(shù)從而可以改變輸入-輸出特性。而且，提供了可以選擇接通和斷開濾波器的裝置。
附圖的主要說明本發(fā)明那些新穎特征在后面所附權(quán)利要求中將特別指出。通過以下結(jié)合附圖的描述可以最好地理解本發(fā)明的內(nèi)容，在附圖中相同的標(biāo)號表示相同的部件。


圖1為表示采用本發(fā)明換能器的過程控制環(huán)路的方框圖；圖2為表示按照本發(fā)明的帶有可選擇、可調(diào)節(jié)輸入濾波器的電流-壓力換能器的方框圖；圖3為表示圖2中輸入濾波器模擬式實施例的示意圖；以及圖4為表示圖2中數(shù)字式實施例的示意圖。
實施發(fā)明的較佳方式首先參見圖1，過程控制系統(tǒng)20包括一個與閥門執(zhí)行機構(gòu)24耦合的電流-壓力換能器22，而該閥門執(zhí)行機構(gòu)又與控制過程28的閥門26耦合。過程28可以是流動過程，即液壓過程或者小容量氣壓過程或者其它任何所需的過程。過程控制器30向電流-壓力換能器22饋送一個4-20mA的控制信號以控制過程28。
過程控制系統(tǒng)20可以是一個開環(huán)系統(tǒng)或者閉環(huán)系統(tǒng)。在一個閉環(huán)系統(tǒng)中(圖1所示)，傳感器34檢測諸如流速或壓力、溫度、液面、比重或者其它所需參數(shù)的過程參數(shù)值36。檢測得到的參數(shù)值36耦合至加法器38的反相輸入端，而加法器用來計算輸入命令信號或設(shè)定值42與用傳感器34檢測得到的參數(shù)值36表示的信號44之間的差值。在開環(huán)過程控制系統(tǒng)20中(未畫出)，省略了傳感器34和加法器38，并且輸入命令信號或設(shè)定值42直接耦合至過程控制器30從而以預(yù)先確定的方式控制過程28(即控制器輸入并不響應(yīng)于檢測得到的過程參數(shù)值36)。
現(xiàn)在參見圖2，電流-壓力換能器22具有一個輸入48(典型的是4-20mA的電流信號或者1-5V的電壓信號，在這兩種情況下它們都正比于4-20mA的控制信號32)和壓力輸出54。電流-壓力換能器22還包括具有輸入52的換能器50。電流-壓力換能器22的壓力輸出54直接耦合至換能器50的輸出55。
換能器50的輸入52耦合至可以從與其耦合的兩個輸入信號中選擇一個信號的信號選擇器56。具體而言，信號選擇器56不是選擇由輸入濾波器60濾波的濾波信號58就是選擇作為簡單通向電流-換能器22的輸入48的未濾波信號62。換句話說，信號選擇器56可以選擇或者不選擇濾波器60的濾波功能從而使得電流-壓力換能器22可以在選用或不選用可選擇、可調(diào)節(jié)輸入濾波器60的情況下運行。
現(xiàn)在參見圖1和2，在過程28動態(tài)特性是控制系統(tǒng)20起支配作用的裝置中，由于不需要起支配作用的第一階濾波器，所以信號選擇器56沒有選擇輸入濾波器60(即未經(jīng)濾波的信號62耦合至換能器50的輸入52上)。在其它過程28動態(tài)特性不占主導(dǎo)地位的系統(tǒng)安裝中，信號選擇器56選擇輸入濾波器60(即濾波信號58耦合至換能器50的輸入52上)從而可以調(diào)節(jié)濾波器60以實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)20的穩(wěn)定性。
現(xiàn)在參見圖3，以下將詳細(xì)描述輸入濾波器60。首先值得注意的是雖然以下描述的濾波器60是與模擬電路聯(lián)系在一起的，但是對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員顯而易見的是，利用數(shù)字式裝置(例如適于編程計算與圖3所示等同的模擬濾波器60產(chǎn)生的相同輸入-輸出特性的微處理器)也可以實現(xiàn)濾波功能。
如圖3所示，輸入濾波器60包括一個帶有正相輸入端66、負(fù)相輸入端68和產(chǎn)生輸出信號的輸出端70的運算放大器64。輸出信號從輸出端70反饋至負(fù)相輸入端68。電阻72耦合于輸入48與運算放大器64正相輸入端之間。此外電容74耦合于運算放大器64正相輸入端66與接地端76之間。
可以分別挑選電阻72和電容74的電阻值和電容值以使輸入濾波器60的時間常數(shù)滿足過程控制系統(tǒng)20穩(wěn)定的需要。當(dāng)然，正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是，時間常數(shù)值將取決于過程控制系統(tǒng)20中存在的所有起決定作用的滯后特性。
此外，作為替代上述信號選擇器56的另一種選擇和去選擇濾波器60的裝置，通過挑選電阻72和電容74的阻值和電容從而使濾波器60的時間常數(shù)很小或者為零可以有效地去選擇濾波器60。換句話說，電阻72的阻值應(yīng)該較小或者接近于零，并且在任何情況下都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實際應(yīng)用中所選運算放大器64的輸入阻抗。電容應(yīng)該是高質(zhì)量、低泄漏型的(例如采用鉭或陶瓷材料的)并且不應(yīng)過大以加重輸入48的瞬時負(fù)載。
在模擬方式的實施例中，通過將具有所需數(shù)值的電阻和電容元件耦合至濾波器60可以簡單地選擇電阻值和電容值。另一方面，在數(shù)字方式的實施例中，通過對數(shù)字濾波器合適的編程(即根據(jù)需要來軟件編程或者硬件編程)，可以簡單地將用戶定義的參數(shù)設(shè)定為與濾波器所需時間常數(shù)對應(yīng)的數(shù)值。此外，在數(shù)字方式的實施例中，可以選擇另一種用戶定義參數(shù)來選擇和去選擇濾波器60，從而在數(shù)字方式的實施例中提供與在上述濾波器60模擬方式下信號選擇器56提供的相同功能。
當(dāng)然，對于本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員來說，濾波器60的濾波功能可以由其它任何模擬或數(shù)字式裝置、電學(xué)或者機械裝置代替上述圖3所示運算放大器/RC電路來提供。在任何情況下，重要的是濾波器60具有動態(tài)的輸入-輸出特性，從而基本上保證過程控制系統(tǒng)20的增益(圖1)小到足以維持系統(tǒng)20的穩(wěn)定性而大到足以通過調(diào)節(jié)過程參數(shù)36(圖1)補償過程28(圖1)中負(fù)載的變化。而且，不管換能器22中濾波器60的類型怎樣，濾波器60的動態(tài)輸入-輸出特性都應(yīng)具有一個可調(diào)節(jié)的時間常數(shù)來以上述方式改變動態(tài)輸入-輸出特性。因此，當(dāng)在過程控制系統(tǒng)20中安裝電力-壓力換能器時，輸入濾波器60的增益是增加的以調(diào)節(jié)濾波器60的輸入-輸出特性而維持過程控制系統(tǒng)20的穩(wěn)定性。
現(xiàn)在參見圖4，濾波器60數(shù)字方式的實施例包括微處理器78和諸如程序80(它適合于由微處理器78執(zhí)行以根據(jù)輸入比特流84(并行或串行)導(dǎo)出輸出比特流82(并行或者串行)從而實現(xiàn)濾波器60的動態(tài)輸入-輸出特性)之類的計算裝置。對于本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員顯而易見的是可以編制程序80來完成實現(xiàn)濾波器60的數(shù)字方式實施例所需的計算。數(shù)字濾波器還包括用戶定義的參數(shù)86，用來選擇濾波器60的時間常數(shù)和用戶定義參數(shù)88用來選擇和去選擇濾波器60。作為數(shù)字方式實施例的一個可選附加特征，當(dāng)用戶定義的參數(shù)86設(shè)定為零并且用戶定義的參數(shù)88設(shè)定為選擇濾波器60時程序80可以采用時間常數(shù)的缺省設(shè)置。
再次參見圖2，電流-壓力換能器22可以選擇與例如通過上述信號選擇器56不能去選擇的濾波器60配備在一起以用于那些總是需要濾波器的裝置中(例如過程28的動態(tài)將永遠(yuǎn)不會在過程控制系統(tǒng)20中起主導(dǎo)作用的裝置)。
與采用已有技術(shù)的無濾波的電流-壓力換能器的過程控制系統(tǒng)20相比，按照本發(fā)明的帶有可選擇、可調(diào)節(jié)輸入濾波器60的換能器22使得過程參數(shù)36能夠更快地響應(yīng)設(shè)定值42的變化。
顯然，在上述描述的基礎(chǔ)上，可以對本發(fā)明提出眾多的修改和變化。因此本發(fā)明由后面所附權(quán)利要求的范圍限定而不受上述具體描述的約束。
權(quán)利要求
1.一種用來產(chǎn)生壓力的響應(yīng)于控制信號的設(shè)備，其特征在于包括一個包含用來產(chǎn)生所述壓力對控制信號作出響應(yīng)的裝置的電流-壓力換能器；放置在所述控制信號與所述電流-壓力換能器中間的濾波器并具有時間常數(shù)可調(diào)的動態(tài)輸入-輸出特性從而可以改變動態(tài)輸入-輸出特性；以及可選擇接通和斷開濾波器的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述濾波器包含所述電流-壓力換能器的積分部分。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述濾波器為起支配作用的第一階滯后濾波器。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述濾波器為低通濾波器。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述濾波器包括一個運算放大器。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于所述濾波器進(jìn)一步包括與所述運算放大器耦合的電阻-電容網(wǎng)絡(luò)。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述濾波器是數(shù)字濾波器。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于所述濾波器包括完成數(shù)字運算以導(dǎo)出所述輸入-輸出特性的計算裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于所述計算裝置包括一個微處理器。
10.一種用來控制帶過程參數(shù)過程的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括檢測所述過程參數(shù)的檢測裝置、帶有接收源于檢測得到的所述過程參數(shù)的輸入信號的裝置和根據(jù)所述輸入信號導(dǎo)出控制器輸出信號的裝置的控制器、響應(yīng)于所述控制器輸出信號用來產(chǎn)生壓力的電流-壓力換能器、響應(yīng)于所述換能器產(chǎn)生壓力的閥門執(zhí)行機構(gòu)和響應(yīng)于所述閥門執(zhí)行機構(gòu)的過程控制用閥門，其特征在于包括在所述控制信號與所述電流-壓力換能器中間放置一個濾波器，所述濾波器所具有的輸入-輸出特性基本上保證了系統(tǒng)增益小到足以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性而大到能夠通過調(diào)整所述過程參數(shù)基本上補償過程中負(fù)載的變化；以及可以選擇接通和斷開所述濾波器的選擇裝置；其中所述濾波器的動態(tài)輸入-輸出特性包含一個可調(diào)的時間常數(shù)從而可以改變所述輸入-輸出特性。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述濾波器包含所述電流-壓力換能器的積分部分。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述濾波器為起支配作用的第一階滯后濾波器。
13.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述濾波器為低通濾波器。
14.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述濾波器包括一個運算放大器。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于所述濾波器進(jìn)一步包括與所述運算放大器耦合的電阻-電容網(wǎng)絡(luò)。
16.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述濾波器是數(shù)字濾波器。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述濾波器包括完成數(shù)字運算以導(dǎo)出所述輸入-輸出特性的計算裝置。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于所述計算裝置包括一個微處理器。
全文摘要
一種響應(yīng)于控制信號以產(chǎn)生壓力的設(shè)備，包括一個包含對控制信號作出響應(yīng)以產(chǎn)生壓力的裝置的電流-壓力換能器；放置在所述控制信號與所述電路-壓力換能器中間的濾波器并具有時間常數(shù)可調(diào)的動態(tài)輸入-輸出特性從而可以改變動態(tài)輸入-輸出特性；以及可選擇接通和斷開濾波器的裝置。
文檔編號A61K9/20GK1158171SQ95195106
公開日1997年8月27日 申請日期1995年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月12日
發(fā)明者G·W·蓋斯曼 申請人:費希爾控制國際公司