專利名稱：壓力測量的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工序管理，尤其涉及壓力測量。
背景技術(shù)：
壓力傳感器通常用于各種各樣的工商業(yè)應(yīng)用。由于它們廣泛的應(yīng)用，壓力傳感器在各種各樣的環(huán)境中工作，并具有各種各樣的其它組件。工作環(huán)境和組件會對壓力傳感器設(shè)置各種工作限制。例如，壓力傳感器可能需要以特定方式(例如通過某深度和節(jié)距的螺紋)來與一工序通過接口相連、在某壓力范圍內(nèi)(例如0-100psi、0-1000psi、或0-10000psi)工作，和/或提供某類輸出(例如0.5V-4.5V比例度量(ratiometric)、0.5-4.5V非比例度量、x-y電壓、或4-20mA)。
不幸的是，由于尺寸、空間、熱和/或金錢的限制，制造可在各種工作限制上工作的壓力傳感器已被證明是困難的。因而，壓力傳感器通常在已知一應(yīng)用的大多數(shù)(如果不是全部)工作限制時(shí)制造。

發(fā)明內(nèi)容
用于壓力測量的系統(tǒng)和方法可提供適于各種工作限制的壓力測量系統(tǒng)。在一個一般方面中，用于壓力測量的系統(tǒng)包括一種信號轉(zhuǎn)換電路，該信號轉(zhuǎn)換電路包括耦合器、信號偏置器、和信號跨度調(diào)節(jié)器。所述耦合器可用于接收壓力表示信號，而信號偏置器包括便于偏置壓力表示信號的非熱敏分壓器。信號跨度調(diào)節(jié)器被耦合到耦合器和信號偏置器，并包括便于調(diào)節(jié)該壓力表示信號的跨度的非熱敏分壓器。非熱名分壓器可包括熱匹配電阻分壓器。
該電路也可包括與信號跨度調(diào)節(jié)器相耦合的信號格式轉(zhuǎn)換器。該信號格式轉(zhuǎn)換器可用于將壓力表示信號的格式轉(zhuǎn)換成另一種格式。例如，信號格式轉(zhuǎn)換器可將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。
該電路還可包括功率衰減器和功率調(diào)節(jié)器。功率衰減器可用于降低電源的功率，并且功率調(diào)節(jié)器與功率衰減器相耦合并可用于生成經(jīng)調(diào)節(jié)的電源。功率調(diào)節(jié)器還可與信號偏置器和信號跨度調(diào)節(jié)器耦合，以向其提供經(jīng)調(diào)節(jié)的電源。此外，功率調(diào)節(jié)器可與耦合器耦合，且耦合器可用于傳送電路外的經(jīng)調(diào)節(jié)電源。電路還可包括第二耦合器。第二耦合器可與功率衰減器和信號跨度調(diào)節(jié)器耦合，并可用于接收電源和傳送經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號。功率衰減器可包括可用于吸收功率的晶體管，并且該晶體管可偏置導(dǎo)通直至功率調(diào)節(jié)器的輸入比經(jīng)調(diào)節(jié)電源上的預(yù)定義值小。
在特定實(shí)現(xiàn)中，信號偏置器可用于改變所施加的偏置。同樣，信號跨度調(diào)節(jié)器可用于改變所施加的信號跨度調(diào)節(jié)。信號跨度調(diào)節(jié)器可在一種模式中用作正常放大器，而在另一種模式中用作微分放大器。
在另一個一般方面中，壓力測量的工序可包括接收壓力表示信號，使用非熱敏分壓器調(diào)節(jié)壓力表示信號的跨度，并傳送經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號。使用非熱敏分壓器來偏置該壓力表示信號可包括使用熱匹配電阻分壓器。
該工序也可包括將壓力表示信號的格式轉(zhuǎn)換成另一種格式。此外，該工序可包括接收電源，降低電源的功率，并基于所降低的電源生成經(jīng)調(diào)節(jié)電源。降低電源可包括偏置功率吸收晶體管，直到生成經(jīng)調(diào)節(jié)電源的功率調(diào)節(jié)器的輸入比經(jīng)調(diào)節(jié)電源上的預(yù)定義值小。
該工序也可包括選擇性地改變所施加的信號偏置。同樣，該工序可包括選擇性地改變所施加的信號跨度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)信號跨度在一種模式中可通過正常放大器來實(shí)現(xiàn)，而在另一種模式中可通過微分放大器來實(shí)現(xiàn)。
在一特定一般方面中，用于壓力測量的系統(tǒng)包括信號轉(zhuǎn)換電路，該信號轉(zhuǎn)換電路包括第一耦合器、功率衰減器、功率調(diào)節(jié)器和第二耦合器。第一耦合器可用于接收電源并傳送經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號。功率衰減器與第一耦合器耦合，并用于降低電源的功率。為此，功率衰減器包括功率吸收晶體管，該功率吸收晶體管偏置導(dǎo)通直到該功率調(diào)節(jié)器的輸入比功率調(diào)節(jié)器的輸出上的預(yù)定義值小。功率調(diào)節(jié)器與功率衰減器耦合、并可用于將經(jīng)調(diào)節(jié)電源生成為輸出。系統(tǒng)也包括第二耦合器、信號偏置器、信號跨度調(diào)節(jié)器和信號格式轉(zhuǎn)換器。該第二耦合器與功率調(diào)節(jié)器耦合以接收經(jīng)調(diào)節(jié)的電源。第二耦合器可用于傳送電路外部的經(jīng)調(diào)節(jié)電源，并接收壓力表示信號。信號偏置器與功率調(diào)節(jié)器耦合以接收經(jīng)調(diào)節(jié)的電源，并包括便于偏置壓力表示信號的熱匹配電阻分壓器。信號偏置器也可用于改變所施加的偏置。信號跨度調(diào)節(jié)器與第二耦合器耦合以接收壓力表示信號，與功率調(diào)節(jié)器耦合以接收經(jīng)調(diào)節(jié)電源，并與信號偏置器耦合。該信號跨度調(diào)節(jié)器包括熱匹配電阻分壓器，該分壓器便于調(diào)節(jié)壓力表示信號的跨度并可用于改變所施加的信號跨度調(diào)節(jié)。該信號跨度調(diào)節(jié)器在一種模式中用作普通放大器而在另一種模式中用作微分放大器。信號格式轉(zhuǎn)換器與功率調(diào)節(jié)器耦合以接收經(jīng)調(diào)節(jié)電源，與信號跨度調(diào)節(jié)器耦合，并與第一耦合器耦合。信號格式轉(zhuǎn)換器可用于將壓力表示信號的格式轉(zhuǎn)換成另一種格式，并將經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號傳送給第一耦合器。
各種實(shí)現(xiàn)可具有一個或多個特征。例如，因?yàn)樾盘栟D(zhuǎn)換電路板可在校準(zhǔn)桿/壓力檢測器/信號電路板組件之后安裝，所以該系統(tǒng)的適當(dāng)輸出可以適時(shí)方式獲得。因而，壓力測量系統(tǒng)可在確定適當(dāng)?shù)男盘栞敵鲋蠛啽愕亟M裝。作為另一示例，因?yàn)樾盘栟D(zhuǎn)換電路板可支持各個輸出之一，并且桿可被更改成提供各種工序接口之一，所以壓力測量系統(tǒng)可具有增大的使用范圍。因而，可大大減少生產(chǎn)過剩和基于預(yù)期需要的壓力傳感器的庫存。
一個或多個實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)在以下附圖和描述中闡述。根據(jù)描述和附圖、以及權(quán)利要求，其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。


圖1A-1B分別是一示例壓力測量系統(tǒng)的分解圖和橫截面視圖。
圖2A-B分別是圖1中系統(tǒng)的示例電路板外殼的立體圖和側(cè)面橫截面視圖。
圖3是示出與壓力檢測器和信號調(diào)節(jié)電路板有關(guān)的圖2A-B中電路板外殼的一個示例的橫截面俯視圖。
圖4是示出電路板外殼和增壓管接頭之間的耦合的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖5是示出信號轉(zhuǎn)換電路的一個示例的框圖。
圖6是示出信號轉(zhuǎn)換電路的一個示例的示意圖。
圖7是示出信號轉(zhuǎn)換電路的一個示例的示意圖。
圖8是示出信號轉(zhuǎn)換電路的一個示例的示意圖。
圖9是示出信號轉(zhuǎn)換電路的一個示例的示意圖。
圖10是示出用于制造壓力測量系統(tǒng)的工序的一個示例的流程圖。
圖11是示出用于操作壓力測量系統(tǒng)的工序的一個示例的流程圖。
各附圖中的相同標(biāo)號表示相同元件。
具體實(shí)施例方式
用于壓力測量的系統(tǒng)和方法可提供能夠生成表示所檢測壓力的電信號的壓力測量系統(tǒng)。在特定實(shí)現(xiàn)中，一種系統(tǒng)和方法可在實(shí)質(zhì)上未影響補(bǔ)償?shù)那闆r下在壓力檢測器和信號調(diào)節(jié)電路已得到補(bǔ)償之后允許安裝信號轉(zhuǎn)換電路。因而，在補(bǔ)償期間最終壓力測量系統(tǒng)的信號輸出可未指定，而壓力測量系統(tǒng)仍然可簡便地組裝以符合工作限制，同時(shí)保持其補(bǔ)償。然而，其它實(shí)現(xiàn)可具有各種其它特征。
圖1A-1B示出一示例性壓力測量系統(tǒng)100。如圖所示，壓力測量系統(tǒng)100是壓力傳感器。壓力測量系統(tǒng)100可測量任何適當(dāng)流體(例如液體和/或氣體)的壓力。
壓力測量系統(tǒng)100包括增壓管接頭110、壓力檢測器120、以及信號調(diào)節(jié)電路板130。在某些實(shí)現(xiàn)中可以是套管的增壓管接頭110包括限定通道114的桿112(例如六角桿)，該通道114在由增壓管接頭110和壓力檢測器120形成的腔體116終止。增壓管接頭110可例如由具有較高機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性的不銹鋼制成。在某些實(shí)現(xiàn)中，增壓管接頭110可包括用于將系統(tǒng)100固定到測量壓力的工序的螺紋。壓力檢測器120包括膜片122和應(yīng)變儀組件124。膜片122可具有基本上為圓柱形的底部，并且是薄金屬膜。應(yīng)變儀組件124被耦合到在流體入口一側(cè)的對面的膜片122的表面。在特定實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)變儀被設(shè)置在多個(例如四個)位置上，以形成橋接電路并輸出電信號。流體一側(cè)對面的膜片側(cè)可被抽空、與大氣密封、或排到大氣中。
壓力檢測器120被耦合(例如固定和密封)到增壓管接頭110(例如通過焊接)。信號調(diào)節(jié)電路板130與壓力檢測器120電耦合(例如通過引線接合)，以調(diào)節(jié)表示壓力檢測器所生成壓力的信號。在特定實(shí)現(xiàn)中，信號調(diào)節(jié)電路板130可包括被接合到壓力檢測器120的柔性導(dǎo)電片。信號調(diào)節(jié)電路板130包括處理器132，用于調(diào)節(jié)(例如濾波、規(guī)格化和溫度校正)來自壓力檢測器120的壓力表示信號；以及引腳組件138，用于傳送經(jīng)調(diào)節(jié)的信號。處理器132可以是現(xiàn)場可編程柵陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)、微處理器、或用于以邏輯方式處理信息的任何其它類型設(shè)備。在特定實(shí)現(xiàn)中，處理器132僅可校正負(fù)線性。在這些實(shí)現(xiàn)中，正非線性可被添加以改變對處理器的顯而易見的非負(fù)線性?？勺兂叽绲膲毫z測器120可與桿112和信號調(diào)節(jié)電路板130一起使用。
壓力測量系統(tǒng)100還包括接合信號調(diào)節(jié)電路板130的電路板外殼140(例如屏蔽殼)。在該實(shí)現(xiàn)中，電路板外殼140基本上為圓柱形，并具有較大直徑部分142和較小直徑部分144，該較小直徑部分被耦合到增壓管接頭110。較小直徑部分144可在多個點(diǎn)上耦合到增壓管接頭110(例如通過電阻或激光焊接)。盡管并非所有的電路板或其組件都需要置于較大直徑部分中，但較大直徑部分142適于耦合到信號調(diào)節(jié)電路板130，這將在以下更詳細(xì)地討論。在特定實(shí)現(xiàn)中，電路板外殼140可電耦合到信號調(diào)節(jié)電路板130的地線，以提供電路板的增大噪音電阻。
壓力測量系統(tǒng)100還包括信號轉(zhuǎn)換電路板150、電連接器160、電-幾何轉(zhuǎn)換器170、系統(tǒng)外殼180和密封環(huán)190。信號轉(zhuǎn)換電路板150通過電路板外殼140接合，并包括引腳接納組件152，該組件將信號轉(zhuǎn)換電路板電耦合到信號調(diào)節(jié)電路板130。信號轉(zhuǎn)換電路板150還包括引腳組件154。在特定實(shí)現(xiàn)中，特別是當(dāng)電路板130置于或電路板外殼140的頂部之上或附近時(shí)，間隔條可被插到電路板130與電路板150之間。電連接器160也通過電路板外殼140接合。電連接器160包括引腳組件164，并可包括用于密封到外殼140的墊圈。電-幾何轉(zhuǎn)換器170包括引腳接納組件172，該引腳接納組件172將信號轉(zhuǎn)換電路板150電耦合到電連接器160。如圖所示，引腳組件164處于Packard配置。其它可能配置包括Deutsch、Hirshmann、DIN表A、以及電纜連接。轉(zhuǎn)換器170的不同配置可轉(zhuǎn)換成這些不同引腳配置。一些配置甚至可要求不同數(shù)量的引腳(例如兩個或四個)。然而，一些耦合可在減少數(shù)量的引腳上實(shí)現(xiàn)。例如，四-連接器耦合可使用三-連接器耦合來實(shí)現(xiàn)，其中連接器之一接到地。
電-幾何轉(zhuǎn)換器170將引腳組件154的幾何形狀轉(zhuǎn)換成引腳組件164的幾何形狀。轉(zhuǎn)換器170可以是柔性的聚酰亞胺，諸如杜邦(DuPont)的Kapton聚酰亞胺膜，其上具有跡線、電路板或包括導(dǎo)電幾何圖案的任何其它物體。系統(tǒng)外殼180被耦合到增壓管接頭110(例如焊接、卷邊、膠接、和/或填縫)并接合通過外殼180延伸的電連接器160、引腳組件164。在特定實(shí)現(xiàn)中，電連接器160和系統(tǒng)外殼180可由電絕緣材料(例如模制塑料)制成。在某些實(shí)現(xiàn)中，電連接器160可與系統(tǒng)外殼180成一體。系統(tǒng)外殼180連同增壓管接頭110裝入電路板外殼140。在某些實(shí)現(xiàn)中，外殼180可取決于電連接器160而改變?？梢允抢鐗|圈、O形圈、或密封劑的密封圈190與系統(tǒng)外殼180和增壓管接頭110通過接口相連，用于防止?jié)駳夂突覊m的侵入。
在一種制造模式中，增壓管接頭110被耦合到壓力檢測器120，并且信號調(diào)節(jié)電路板130被插入電路板外殼140并與之接合。電路板外殼140然后被接合到增壓管接頭110，同時(shí)使電路板130與壓力檢測器120對齊。電路板外殼140被耦合到增壓管接頭110，并且電路板130被電耦合到壓力檢測器120。然后對預(yù)定壓力范圍和/或溫度范圍補(bǔ)償增壓管接頭、壓力檢測器、信號轉(zhuǎn)換電路板和電路板外殼的組件。例如，該組件可被校準(zhǔn)(例如使來自信號調(diào)節(jié)電路板的輸出從最小輸出到最大輸出是線性的)并進(jìn)行溫度校正(例如使因?yàn)樗┘訙囟鹊母淖円鸬恼`差減小)。
然后該組件可被精加工(finish)成壓力測量系統(tǒng)，或儲藏以備后來的精加工?？稍诖_定了將包括組件的壓力測量系統(tǒng)的適當(dāng)測量信號時(shí)進(jìn)行精加工。當(dāng)是時(shí)候精加工壓力測量系統(tǒng)時(shí)，可以是適于與該組件一起使用的多類信號轉(zhuǎn)換電路板之一的信號轉(zhuǎn)換電路板150被接合到電路板外殼140，并通過所示實(shí)現(xiàn)中的引腳組件138和引腳容納組件152與信號調(diào)節(jié)電路板130電耦合。然后電連接器160與電路板外殼140接合，并通過所示實(shí)現(xiàn)中的引腳組件154和電-幾何轉(zhuǎn)換器170與信號轉(zhuǎn)換電路板150電耦合。然后外殼180與電連接器160接合并耦合到增壓管接頭110，從而在工序中接合密封圈190。
盡管剛剛已描述了制造系統(tǒng)100的一種模式，但應(yīng)當(dāng)理解可在其它模式的制造中可使用更少、附加、和/或不同的操作配置。例如，增壓管接頭在與壓力檢測器和信號調(diào)節(jié)電路板一起組裝時(shí)可以是毛坯。后來，當(dāng)確定了壓力測量系統(tǒng)的工序應(yīng)用時(shí)，增壓管接頭可適當(dāng)?shù)丶庸ひ酝ㄟ^接口與該工序連接。同樣，初始組件可僅包括增壓管接頭的桿部分，并且在精加工期間該桿可被耦合到適當(dāng)?shù)奶坠?。將桿耦合到套管可通過激光焊或鎢電極弧焊完成。在某些實(shí)現(xiàn)中，這些技術(shù)允許任何樣式的增壓管接頭可得到實(shí)現(xiàn)，只要該接頭小于某尺寸(例如1.06英寸(27毫米))即可。作為另一個示例，信號調(diào)節(jié)電路板可能已調(diào)節(jié)了適當(dāng)類輸出(例如0.5-4.5Vdc的比例度量)的信號。因而，如果該類輸出被確定為最終壓力測量系統(tǒng)的適當(dāng)輸出，則不需要信號轉(zhuǎn)換電路板。在該情形中可不使用信號調(diào)節(jié)電路板，并且電連接器160可旋轉(zhuǎn)180°并電耦合(例如焊接)到引腳組件138。
在一種工作模式中，增壓管接頭110被耦合(例如用螺紋連接和密封)到測量壓力的工序，并允許壓力流進(jìn)入通道114并到達(dá)腔體116。基于腔體116中的壓力，膜片122變形，并且應(yīng)變儀124感測壓力作為應(yīng)變并將該壓力轉(zhuǎn)換成要傳送給信號調(diào)節(jié)電路板130的電信號。信號調(diào)節(jié)電路板130調(diào)節(jié)(例如過濾、放大和線性化)該電信號。經(jīng)調(diào)節(jié)的信號可以是能被轉(zhuǎn)換成各輸出信號的標(biāo)稱信號(例如0-1V)。經(jīng)調(diào)制信號然后被傳送到信號轉(zhuǎn)換電路板150，該信號轉(zhuǎn)換電路板150將經(jīng)調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)妮敵鲂盘?例如0.5V-4.5V比例度量、0.5-4.5V非比例度量、x-y電壓、或4-20mA)。信號轉(zhuǎn)換電路板150可支持一種或多種輸出信號類型。該輸出信號被傳送至電連接器160，該電連接器160將該信號傳送到系統(tǒng)外殼180之外，從而該信號可被提供給遠(yuǎn)程設(shè)備。
系統(tǒng)100具有各種特征。例如，因?yàn)樵跅U/壓力檢測器/信號調(diào)節(jié)電路板組件的補(bǔ)償之后可安裝信號轉(zhuǎn)換電路板150，所以系統(tǒng)的適當(dāng)輸出可以適時(shí)方式獲取。例如，通常需要花12到24個小時(shí)來用指定輸出(配合)補(bǔ)償壓力傳感器。然而，系統(tǒng)100的組件可被預(yù)先補(bǔ)償，然后在確定適當(dāng)輸出時(shí)簡便地組裝。同樣，因?yàn)樵谘a(bǔ)償期間該組件僅包括一些組件，所以該補(bǔ)償?shù)靡院喕?，這些組件可提供一致接口。此外，當(dāng)仍然實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的工商業(yè)規(guī)范時(shí)可避免進(jìn)一步的補(bǔ)償。例如，在特定實(shí)現(xiàn)中，對輸出值的改變在-20-85℃的溫度范圍內(nèi)可小于該輸入/輸出范圍的0.40％。在某些實(shí)現(xiàn)中，該改變可小于0.1％。作為另一示例，因?yàn)樾盘栟D(zhuǎn)換電路板150可支持各種輸出之一，所以系統(tǒng)100已增大了使用范圍。因而，可大大減少生產(chǎn)過剩和基于預(yù)期需要的壓力傳感器的庫存。此外，因?yàn)殡娺B接器160在引腳組件164中具有三個引腳，所以信號轉(zhuǎn)換電路板150可對該引腳配置提供輸出，這提供了效率。作為一附加示例，電連接器160能對各種輸出類型(例如三線和兩線)提供適當(dāng)?shù)妮敵觥＠?，對于三線輸出，這些線中的兩條可用于電力，而另一條線可用于數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)信號以低電力線為基準(zhǔn)，并且對于兩線輸出，信號可在與電源線相同的兩條線上強(qiáng)加作為電流(即4-20mA)信號或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)K-線CAN總線。四線系統(tǒng)可能需要一種不同的信號連接器配置。作為又一示例，電連接器160可簡便地替換成具有另一引腳配置(例如Packard或Hirshmann)的電連接器。因而，可簡便地實(shí)現(xiàn)指定類型的輸出耦合器。作為再一示例，因?yàn)樾盘栒{(diào)節(jié)電路板具有一致的輸出接口，所以一種類型的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可用于對工序可變性、裝置成本、復(fù)雜性的降低作出補(bǔ)償，以及對補(bǔ)償系統(tǒng)的培訓(xùn)和服務(wù)。
圖2A-B示出電路板外殼140-電路板外殼200的一個示例。電路板外殼200包括較大直徑部分202和較小直徑部分204。電路板外殼200可由鍍錫軟鋼、可與增壓管接頭匹配的不銹鋼、可簡便地形成的軟鋼、具有良好導(dǎo)電性的基于銅的金屬、或任何其它適當(dāng)材料構(gòu)成。在特定實(shí)現(xiàn)中，材料可具有EMI/RFI-屏蔽屬性。較小直徑部分204可接合增壓管接頭，并可在多個點(diǎn)處與之耦合(例如通過點(diǎn)焊)。
電路板外殼200還包括三個圓柱部分210。圓柱部分210具有基本上半圓形的橫截面，并從較小直徑部分204向較大直徑部分202延伸。這些圓柱部分基本上與電路板外殼的長軸平行。在其它實(shí)現(xiàn)中，圓柱部分210可具有任何其它適當(dāng)?shù)男螤詈?或方向。各圓柱部分210包括各自包括一凸起214的蓋212。蓋212可支承電路板，并且一個或多個凸起214可與電路板電耦合。同樣，一個或多個凸起214可電耦合到電路板的地線。該電耦合凸起可提供從電路板到增壓管接頭的電路徑的一部分。在特定實(shí)現(xiàn)中，該電路板外殼可以是路徑的一部分，并且地線可經(jīng)由電容器和/或變阻器耦合到凸起，從而疊加于DC電源線的AC分量可被釋放到地。該路徑可有助于降低電路板的噪聲。在特定實(shí)現(xiàn)中，凸起以不等間隔排列在外殼周圍。
在一操作模式中，電路板在蓋212上安裝并得到支承。該電路板然后被耦合到凸起214。當(dāng)將凸起214固定于電路板時(shí)，凸起可被壓到電路板的接地焊盤上，然后在其上彎曲以便于接合。然而，在某些實(shí)現(xiàn)中，通過焊接的接頭因?yàn)榭煽啃栽龃蠖^佳。電路板外殼200然后被耦合到增壓管接頭。
盡管圖2A-2B示出了電路板外殼的一個實(shí)現(xiàn)，但其它實(shí)現(xiàn)可具有更少、附加和/或不同的組件配置。例如，電路板外殼可接合第二電路板。同樣，電路板外殼不需要具有可變直徑。此外，電路板外殼的橫截面無需是圓形。
圖3示出接合到分別與系統(tǒng)100的壓力檢測器120和信號調(diào)節(jié)電路板130相類似的壓力檢測器310和電路板320的電路板外殼200。如圖所示，電路板320通過凸起214被耦合到電路板外殼200，并且壓力檢測器310的應(yīng)變儀裝置312的電極通過引線接合314電耦合到電路板320的電極。盡管壓力檢測器通過所示實(shí)現(xiàn)中的引線接合直接連接到電路板，但可采用其中壓力檢測器經(jīng)由導(dǎo)線框連接到電路板的配置。
電路板320還包括處理器322、電容器324、以及輸入/輸出組件328。在操作時(shí)，由壓力檢測器310生成的電信號由電路板320調(diào)節(jié)(例如放大、濾波和線性化)。處理器322可有助于調(diào)節(jié)。經(jīng)調(diào)節(jié)信號被提供給輸入/輸出組件328，從該輸入/輸出組件328中信號可經(jīng)由繼電器盤發(fā)送給外部設(shè)備的電連接器。輸入/輸出組件328可用作各種電輸出(例如0.5V-4.5V比例度量、0.5-4.5V非比例度量、x-y電壓、或4-20mA)的基礎(chǔ)。
電路板外殼200具有各種特征。例如，當(dāng)電路板被緊密耦合到電路板外殼(例如通過焊接)，并且電路板外殼用固定其上的壓力檢測器緊密耦合到增壓管接頭時(shí)，電路板的固定部分不太易于斷裂。這使得具有高可靠性的壓力測量系統(tǒng)能獲得。作為另一示例，電路板的接地端可電耦合到增壓管接頭，這使抗噪性得以改進(jìn)。同樣，該電耦合可通過軟焊和焊接來實(shí)現(xiàn)，這樣就增加了耦合的可靠性并減少了隨著時(shí)間的流逝會發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化，這使得抗噪性得以維持更長時(shí)段。作為一附加示例，通過將電路板外殼經(jīng)由點(diǎn)焊固定到增壓管接頭，可獲得強(qiáng)度的改進(jìn)。這通過提供能保持性能的壓力測量系統(tǒng)，甚至在振動或沖擊會發(fā)生的環(huán)境中也能增加可靠性。作為又一示例，用于將組件安裝到電路板的背面的面積增大，因?yàn)樵撾娐钒灞获詈系捷^大直徑部分中的電路板外殼，并且該外殼不在其整個周邊支承電路板。同樣，當(dāng)該組件安裝面積被固定時(shí)，電路板的直徑不必增大，并且結(jié)果壓力傳感器的直徑不必增大。此外，通過控制蓋212(圖2)的高度，可簡便地控制電路板的高度。
作為另一示例，因?yàn)閳A柱部分210(圖2A)被排列成與電路板外殼的從較小直徑部分到較大直徑部分的長軸平行，所以可簡便地執(zhí)行通過壓制的制造。即，可避免橫向的壓制以及垂直方向上的處理。這不僅可允許硬模的較不復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還允許較簡便的硬模維護(hù)和提升的壓制速度，而不考慮增大的結(jié)構(gòu)一致性。壓制方向可在長度方向上、也可在凸起的情形中實(shí)現(xiàn)，從而可簡便地制造壓力測量系統(tǒng)。使處理操作簡便導(dǎo)致電路板外殼被制造成低成本元件。
作為一附加示例，該電路板通過電路板外殼被耦合到增壓管接頭，該電路板外殼可緊固地耦合到增壓管接頭。這可提供電路板的適當(dāng)定位(特別是在旋轉(zhuǎn)方向上)，并提供更為持久的耦合(特別是在高靜態(tài)或動態(tài)熱和/或負(fù)載環(huán)境中)。如果電路板脫離了與增壓管端口的耦合，則可發(fā)生電路板與壓力檢測器的接線電耦合的中斷。
作為又一示例，電路板外殼可由導(dǎo)電材料制成。通過減少熱膨脹系數(shù)之間的差異，這可改進(jìn)電路板外殼和/或電路板外殼與增壓管接頭之間的接口的可靠性。
圖4示出用于耦合電路板外殼400和增壓管接頭410的技術(shù)。如圖所示，電路板外殼400和增壓管接頭410通過在多個焊接部分420(在圖中僅示出了其中之一)使用點(diǎn)焊彼此耦合。當(dāng)在焊接部分420上執(zhí)行點(diǎn)焊時(shí)，電路板外殼400在這些部分中輕微向內(nèi)變形。由于該特征，當(dāng)力F被施加于電路板外殼時(shí)，該部分整體地受力，從而應(yīng)力不會集中在焊接部分。這可導(dǎo)致焊接部分防斷裂。
圖5示出信號轉(zhuǎn)換電路500的一個示例。信號轉(zhuǎn)換電路500可例如是信號轉(zhuǎn)換電路板150(圖1A-B)的一部分。
電路500包括耦合器510、功率衰減器(Power reducer)520、功率調(diào)節(jié)器530、以及耦合器540。耦合器510接收電源，并傳送表示壓力的經(jīng)轉(zhuǎn)換信號。耦合器510可包括一個或多個連接器(例如引腳)，用于接收電源并傳送經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號。在特定實(shí)現(xiàn)中，耦合器可接收來自外部電連接器的電源，并向其傳送經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號。功率衰減器520可將電源限制于一指定范圍(例如0-5V)。在特定實(shí)現(xiàn)中，功率衰減器520可包括用于吸收電源中功率的晶體管。所限制的信號被傳送給提供經(jīng)可靠調(diào)節(jié)電源的功率調(diào)節(jié)器530。在特定實(shí)現(xiàn)中，功率調(diào)節(jié)器530可以是電壓調(diào)節(jié)器。該經(jīng)調(diào)節(jié)的信號被傳送給耦合器540。耦合器540可具有一個或多個連接器(例如引腳)，用于傳送經(jīng)調(diào)節(jié)電源并接收壓力表示信號。在特定實(shí)現(xiàn)中，耦合器可將經(jīng)調(diào)節(jié)電源傳送到信號調(diào)節(jié)電路，并接收來自該信號調(diào)節(jié)電路的壓力表示信號。
電路500還包括信號偏置器550、信號跨度調(diào)節(jié)器560、以及信號格式調(diào)節(jié)器570。信號偏置器550負(fù)責(zé)將一偏置插入壓力表示信號。例如，信號偏置器500可將一5V偏置添加到信號上。在特定實(shí)現(xiàn)中，信號偏置器可通過電阻分壓器提供偏置。然后增益可通過信號跨度調(diào)節(jié)器560施加到偏置壓力表示信號。例如，信號跨度調(diào)節(jié)器560可倍增信號的跨度(例如從5V到10V)。在特定實(shí)現(xiàn)中，信號跨度調(diào)節(jié)器可包括一放大器。按比例縮放的、偏置壓力表示信號然后可通過格式調(diào)節(jié)器570轉(zhuǎn)換成另一種格式。例如，電壓可被轉(zhuǎn)換成電流、頻率可變信號、切換輸出信號、脈寬調(diào)制信號、脈沖計(jì)數(shù)信號、數(shù)字信號、無線信號、或任何其它用于傳送信息的適當(dāng)格式。經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號然后由耦合器510傳送到電路500之外。
電路500可用于轉(zhuǎn)換信號調(diào)節(jié)電路板150的壓力表示信號。在特定實(shí)現(xiàn)中，壓力表示信號是5V比例度量信號的10％-90％。電路500也可用于轉(zhuǎn)換諸如溫度測量系統(tǒng)、濕度測量系統(tǒng)、或任何其它適當(dāng)類型變頻器系統(tǒng)的其它系統(tǒng)的信號。一般而言，電路500可用于任何適當(dāng)類型的物理或電可變測量系統(tǒng)。
盡管圖5示出了信號轉(zhuǎn)換電路的一種實(shí)現(xiàn)，但其它實(shí)現(xiàn)可包括更少、附加和/或不同的組件配置。例如，信號轉(zhuǎn)換電路可不包括功率衰減器和/或功率調(diào)節(jié)器，特別是當(dāng)電源已得到良好調(diào)節(jié)時(shí)。作為另一示例，取決于壓力表示信號與經(jīng)轉(zhuǎn)換壓力表示信號之間的差異，信號轉(zhuǎn)換電路可不包括信號偏置器、信號跨度調(diào)節(jié)器、和/或信號格式調(diào)節(jié)器。例如，如果僅需偏置壓力表示信號，則電路可不包括信號跨度調(diào)節(jié)器或信號格式調(diào)節(jié)器。然而，在某些實(shí)現(xiàn)中，可關(guān)斷或繞過不需要的組件。作為又一示例，來自功率調(diào)節(jié)器530的經(jīng)調(diào)節(jié)電源可被提供給電路500的其它組件，諸如信號偏置器550和信號跨度調(diào)節(jié)器560。作為一附加示例，電路500的各種組件可具有可選特征。例如，信號偏置器能使信號偏置兩個或多個量，并且信號跨度調(diào)節(jié)器能使信號按比例縮放兩個或多個量。
圖6示出了壓力轉(zhuǎn)換電路600的一個示例。電路600是壓力轉(zhuǎn)換電路500的一個實(shí)現(xiàn)。電路600可以是信號轉(zhuǎn)換電路板150的一部分(圖1A-B)。
一般而言，電路600可包括輸入/輸出耦合器610、電路保護(hù)器620、減壓器630、電壓調(diào)節(jié)器640、輸入/輸出耦合器650、信號偏置器660、以及信號跨度調(diào)節(jié)器670。如以下更詳細(xì)描述的，電路600被設(shè)計(jì)成接受從9到36Vdc的未經(jīng)調(diào)節(jié)電壓，盡管它在有限條件下可在高達(dá)50Vdc運(yùn)行。然而，該電路可簡便地用適當(dāng)組件更改，以使用其它輸入電壓范圍(例如從1-240Vac或Vdc)。該電路還可輸出0-5Vdc信號或0-10Vdc信號。在特定實(shí)現(xiàn)中電路在5V運(yùn)行，盡管其它電壓(例如4.096V)是可能的。
輸入/輸出耦合器610包括允許信號往返電路600傳送的連接器612和導(dǎo)體614(例如引腳)。在所示實(shí)現(xiàn)中，輸入電壓到達(dá)導(dǎo)體614a，并且公共信號(例如接地)到達(dá)導(dǎo)體614c。導(dǎo)體614b被用于傳送來自電路的經(jīng)轉(zhuǎn)換壓力表示信號。如前所述，可不調(diào)節(jié)通過導(dǎo)體614a的電壓。
電路保護(hù)器620被耦合到耦合器610，并保護(hù)電路600免遭輸入電源電壓中的不當(dāng)信號、瞬態(tài)峰值、噪音等。在所示實(shí)現(xiàn)中，電路保護(hù)器620包括二極管622和電容器624。二極管622極性保護(hù)輸入電源電壓，而電容器624退耦輸入電源電壓。在特定實(shí)現(xiàn)中，二極管622是肖特基(Schottkey)二極管，而電容器624具有0.1μF的電容。
為了適應(yīng)輸入信號的電壓范圍，減壓器630將輸入電壓限于預(yù)定義范圍(例如0-5V)。所減小的電壓被傳送給電壓調(diào)節(jié)器640。減壓器630包括可吸收大量電壓的晶體管632。在特定實(shí)現(xiàn)中，晶體管632是N-溝道或P-溝道增強(qiáng)式的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。減壓器630也包括電阻器634和二極管636。電阻器634向二極管636提供偏流，該二極管636又使晶體管632偏置導(dǎo)通。在某些實(shí)現(xiàn)中，晶體管632被偏置成線性運(yùn)行。晶體管632可通過電阻器634和二極管636偏置導(dǎo)通，直到對電壓調(diào)節(jié)器640的輸入小于電壓調(diào)節(jié)器的輸出之上的給定值(例如2V)。在特定實(shí)現(xiàn)中，二極管636使晶體管632的柵極保持在約10Vdc上偏置，這使得對電壓調(diào)節(jié)器640的輸入保持為約8V。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器632可具有100KΩ的電阻值，并且二極管636可以是齊納二極管。
電壓調(diào)節(jié)器640基于來自減壓器630的電源電壓生成經(jīng)調(diào)制的電源電壓。電壓調(diào)節(jié)器640包括調(diào)節(jié)器642和電容器646。在所示實(shí)現(xiàn)中，調(diào)節(jié)器642具有五個輸入/輸出連接器644。已減少的電壓通過連接器644a接收，并通過連接器644b反饋?？梢允窍喈?dāng)穩(wěn)定的經(jīng)調(diào)節(jié)電源電壓通過耦合到電路軌道602的連接器644e提供給輸入/輸出耦合器650。在特定實(shí)現(xiàn)中，調(diào)節(jié)器640是能提供5mA電源的精密5Vdc調(diào)節(jié)器，諸如精度為0.2％且熱漂移低的LM4120。電容器646提供輸出信號的穩(wěn)定化和退耦。電容器646可具有0.022μF。
輸入/輸出耦合器650通過電軌602耦合到電壓調(diào)節(jié)器640，并包括連接器654和導(dǎo)體654。輸入/輸出耦合器650通過導(dǎo)體654a將經(jīng)調(diào)節(jié)電壓提供給信號調(diào)節(jié)電路板。該信號可激發(fā)該電路板，從而可生成表示壓力的信號。壓力表示信號通過導(dǎo)體654b接收。在特定實(shí)現(xiàn)中，壓力表示信號期望在0-5V信號的跨度的10％到90％(例如0.5-4.5V)上是線性的。
信號偏置器660也被耦合到電軌602，并包括分壓器662，該分壓器662對電軌分壓以提供輸出級(例如信號跨度調(diào)節(jié)器670)的基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓對電軌是比例度量的。這樣，分壓器662對通過輸入/輸出耦合器650的連接器654b接收的壓力表示信號設(shè)置偏置。
在該實(shí)現(xiàn)中，分壓器662包括熱系數(shù)匹配電阻器663。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器663a可具有電阻453KΩ，且電阻器663b可具有電阻90.9KΩ。電阻器663可以是精密的(例如0.1％的偏移和25ppm熱漂移)，盡管并非是必需的。
信號偏置器660也包括偏置選擇器664。偏置選擇器664允許選擇信號偏置器660的偏置。如圖所示，偏置選擇器664包括選擇器665和開關(guān)666。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器665可具有電阻75KΩ。當(dāng)開關(guān)666斷開時(shí)，信號偏置器660可偏置信號2.5V。當(dāng)開關(guān)666閉合時(shí)，電阻器665可被視為是分壓器662的一部分。閉合開關(guān)666可在輸入等于5V的10％時(shí)將輸出電壓設(shè)置成0Vdc。
信號偏置器660另外還包括緩沖偏置電壓的緩沖器668。緩沖器668包括運(yùn)算放大器669，該運(yùn)算放大器669在特定實(shí)現(xiàn)中可以是TS27L2AID。運(yùn)算放大器669用作緩沖分壓器662的電壓跟隨器，包括當(dāng)開關(guān)666閉合時(shí)包括電阻器663b的并聯(lián)值。
信號跨度調(diào)節(jié)器670被耦合到耦合器650，并接收通過導(dǎo)體654b接收的壓力表示信號。信號跨度調(diào)節(jié)器670將壓力表示信號縮放至適當(dāng)范圍(例如從5V到10V)。在所示實(shí)現(xiàn)中，信號跨度調(diào)節(jié)器670用作將壓力表示信號電壓與穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓作比較的微分放大器，并提供具有單端(接地為基準(zhǔn)的)輸出電壓的精確微分增益。
信號跨度調(diào)節(jié)器670包括分壓器672、運(yùn)算放大器674、以及開關(guān)676。分壓器672包括熱系數(shù)匹配的電阻器673。電阻器673可通過各種技術(shù)匹配。在特定實(shí)現(xiàn)中，各個電阻器673都具有150KΩ的電阻值。在該實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)開關(guān)676斷開時(shí)，信號跨度調(diào)節(jié)器670用作正常模式放大器(特別是非倒相放大器)，并且當(dāng)開關(guān)676閉合時(shí)，信號跨度調(diào)節(jié)器670用作微分放大器。在某些實(shí)現(xiàn)中，信號跨度調(diào)節(jié)器670使信號的跨度倍增。
信號跨度調(diào)節(jié)器670的輸出通過另一分壓器678反饋，該分壓器678還接收緩沖器668的輸出。分壓器678包括熱系數(shù)匹配的電阻器679。在特定實(shí)現(xiàn)中，各個電阻器679具有150KΩ的電阻值。電阻器679的熱系數(shù)不必對應(yīng)于電阻器673的熱系數(shù)。分壓器678迫使運(yùn)算放大器674的電壓跟隨非零電壓偏置，當(dāng)與跨度調(diào)節(jié)相組合時(shí)，在輸入為0.5V時(shí)將輸出設(shè)置為0V。
在一工作模式中，電路600在開關(guān)666和開關(guān)676閉合時(shí)生成0-5V輸出信號。當(dāng)通過導(dǎo)體654b接收的電壓信號為0.5Vdc時(shí)，具有150KΩ電阻器的分壓器672將運(yùn)算放大器674的不倒相輸入設(shè)置為0.250Vdc。運(yùn)算放大器669的輸出是由分壓器662從+5V的電軌602設(shè)置的緩沖電壓。然后當(dāng)開關(guān)666閉合時(shí)緩沖電壓為0.416Vdc，并且電阻器677和電阻器679b的并行組合是100KΩ(即(300*150)/(300+150))。對于以下公式，這可表達(dá)為電阻器679a’。輸出公式如下Vout＝Vin/(R673a+R673b)*R673b*(1+(R679b/R679a’))-(Voffset*(R679b/R679a’))其中R是相關(guān)聯(lián)電阻器的電阻值，而Vout是運(yùn)算放大器674的輸出。對于所述實(shí)現(xiàn)，這轉(zhuǎn)換成Vout＝Vin/(150+150)*150*(1+(150/100))-(0.416*(150/100))因而，Vout＝0.001Vdc且Vin＝0.5Vdc；以及Vout＝5.001Vdc且Vin＝4.5Vdc。
為了改變電路以便于0-10Vdc輸出，開關(guān)666和開關(guān)676斷開。斷開開關(guān)676將電路變成具有偏置的隨動器。這有效地去除了分壓器672。為了補(bǔ)償偏置中的變化，開關(guān)666也被斷開，這將緩沖偏置變成0.835Vdc。
現(xiàn)在，輸出公式可被表達(dá)為Vout＝Vin*(1+(R679b/R679a’))-(R679b/R679a’)*Voffset使用所述實(shí)現(xiàn)，這生成Vout＝Vin*(1+(150/100))-(150/100)*0.835Vout＝-0.002Vdc，且Vin＝0.5Vdc；以及Vout＝9.998Vdc，且Vin＝4.5Vdc。
因此，電路600可將來自外部設(shè)備(例如信號調(diào)節(jié)電路板130)的比例度量輸出電壓轉(zhuǎn)換成0-5Vdc或0-10Vdc的輸出。
為了使運(yùn)算放大器674擺動到(或通過)0伏，有必要生成略負(fù)的內(nèi)部電源電軌。這可通過電壓調(diào)節(jié)器680實(shí)現(xiàn)。電壓調(diào)節(jié)器680包括生成負(fù)電壓的調(diào)節(jié)器682和電容器684。調(diào)節(jié)器682可以是例如充電泵電壓逆變器。電容器686濾除所生成的-5Vdc。電容器684和電容器686各自可具有1μF的電容。
在特定實(shí)現(xiàn)中，電路600可包括一個或多個瞬時(shí)電壓抑制器、阻斷二極管、抗流電路、以及退耦電容器，以保護(hù)誤接線和短路、提供輸出電流限制、阻斷瞬時(shí)信號脈沖、并最小化EMI、ESD和瞬時(shí)噪聲。在特定實(shí)現(xiàn)中，輸出電壓可用復(fù)合晶體管圖騰電路實(shí)現(xiàn)，該電路提供更大輸出擺動、具有短路保護(hù)、輸出電流限制、誤排線保護(hù)和增大電容驅(qū)動能力。
在一操作模式中，從信號調(diào)節(jié)電路板接收的輸出期望在一范圍上(例如從經(jīng)調(diào)節(jié)電壓的10％(0壓力)到經(jīng)調(diào)節(jié)電壓的90％(全程壓力))是線性的。因而，當(dāng)電路增益固定時(shí)，跨度精度取決于電路的固定增益和電軌602上電壓的調(diào)節(jié)。輸出精度至少部分地根據(jù)電路600的增益確定。因而，精密電阻器可用于設(shè)置電路的偏置級。輸出偏置熱性能可根據(jù)偏置電阻器的熱系數(shù)匹配和運(yùn)算放大器的輸入偏置來確定。輸出跨度熱性能可根據(jù)增益電阻器的熱系數(shù)匹配、以及電壓調(diào)節(jié)器640的熱漂移來確定。
在某些實(shí)現(xiàn)中，經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓可被匹配到信號調(diào)節(jié)電路的標(biāo)稱驅(qū)動器電路電壓。例如，如果信號調(diào)節(jié)電路中的標(biāo)稱驅(qū)動器電路電壓為5V，則經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓可以是5Vdc。然而，可使用任何其它適當(dāng)電壓。例如，使用4.096V可提供減小驅(qū)動器電路的電流需求的優(yōu)點(diǎn)，這對4-20mA、兩配線輸出而言在至少4mA以下操作是重要的。
為了保持一致的偏置和偏置熱系數(shù)，可嚴(yán)格控制偏置電阻器的公差和熱系數(shù)，并且可能甚至相匹配。在特定實(shí)現(xiàn)中匹配并非是必需的，只要公差在0.1％內(nèi)且電阻值的熱系數(shù)在25ppm內(nèi)即可。
為便于維持一致跨度和跨度熱系數(shù)，可控制增益設(shè)置電阻器的公差和熱系數(shù)。在特定實(shí)現(xiàn)中，可使用具有公差為50ppm、匹配熱系數(shù)為5ppm的電阻器的電阻器網(wǎng)絡(luò)(對)。
盡管已討論了電路600的一個實(shí)現(xiàn)，但其它實(shí)現(xiàn)也是可能的。一種方法可以是使用薄膜或厚膜印刷電阻器(陶瓷襯底或與所安裝有效組件的混合物)，因?yàn)橛∷㈦娮杵骶哂邢嗥ヅ涞碾娮锜嵯禂?shù)。如果必要，相同的電阻器可通過電路板制造商來激光修整或研磨修整以校準(zhǔn)增益和偏置。另一種方法可以是使用數(shù)字修整的電位計(jì)來設(shè)置偏置和增益。盡管數(shù)字修整的電位計(jì)通常具有較高的端對端熱系數(shù)，但如果在電位測量模式中使用則它們易于具有電阻值的良好匹配熱系數(shù)，從而熱效應(yīng)較低。該方法的缺點(diǎn)包括相對較高的成本、低分辨率、和相對較大的尺寸，但期望在將來對這些有所改進(jìn)。此外，數(shù)字控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)可用于同一目的。
電路600具有各種特征。例如，電路600可將可變輸入電壓限制成預(yù)定電壓(例如5Vdc)。降低提供給電壓調(diào)節(jié)器的電壓減少由電壓調(diào)節(jié)器所耗散的功率的量，這降低了其內(nèi)部溫度并因此降低了熱效應(yīng)(例如誤差的生成)。同樣，這擴(kuò)展了電路的輸入電壓范圍，并允許輸入比電壓調(diào)節(jié)器可正常處理的更高的電壓。此外，經(jīng)調(diào)節(jié)電壓可被提供給檢測器電路(例如信號調(diào)節(jié)電路板130)。作為另一示例，電路600可提供兩個不同的輸出信號(例如一個在0-5V之間而另一個在0-10V之間)。因而，電路600可滿足兩個工作限制。作為一附加示例，電路600可生成與10％-90％5V的比例度量信號成比例的輸出信號，且不添加顯著的偏置誤差、增益誤差、偏置熱誤差、或增益熱誤差。例如，在特定實(shí)現(xiàn)中，對輸出值的改變可小于溫度范圍為-20-85℃內(nèi)的輸入/輸出范圍的0.40％。此外，電路600可以是在安裝時(shí)不需要修整的固定、精確的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
圖7示出了壓力轉(zhuǎn)換電路700。電路700是壓力轉(zhuǎn)換電路500的一種實(shí)現(xiàn)。電路700可以是信號轉(zhuǎn)換電路板150的一部分。
一般而言，電路700包括輸入/輸出耦合器710、電路保護(hù)器720、減壓器730、電壓調(diào)節(jié)器740、輸入/輸出耦合器750、信號偏置器760、以及信號跨度調(diào)節(jié)器770。這些組件可與電路600的相似。如以下更詳細(xì)討論的，電路700被設(shè)計(jì)成接受從9到36Vdc的未經(jīng)調(diào)節(jié)電壓輸入，盡管它在有限條件下可在高達(dá)50Vdc運(yùn)行。然而，該電路可簡便地用適當(dāng)組件更改，以使用其它輸入電壓范圍(例如從1-240Vac或Vdc)。該電路還可輸出1-5Vdc信號或1-6Vdc信號。在特定實(shí)現(xiàn)中電路在可提供給其它電路的5V下運(yùn)行，盡管其它電壓(例如4.096V)是可能的。
輸入/輸出耦合器710包括允許信號往返電路700傳送的連接器712和導(dǎo)體714(例如引腳)。在所示實(shí)現(xiàn)中，輸入電源電壓到達(dá)導(dǎo)體714a，并且公共信號(例如接地)到達(dá)導(dǎo)體714c。導(dǎo)體714b被用于傳送來自電路的經(jīng)轉(zhuǎn)換壓力表示信號。
電路保護(hù)器720被耦合到輸入/輸出耦合器710，并保護(hù)電路700免遭輸入電源電壓中的不當(dāng)信號、瞬態(tài)峰值、噪音等。在所示實(shí)現(xiàn)中，電路保護(hù)器720包括二極管722和電容器724。二極管722極性保護(hù)輸入電源電壓，而電容器724退耦輸入電源電壓。
為了適應(yīng)輸入信號的電壓范圍，減壓器730將輸入電壓限于預(yù)定義范圍(例如0-5V)。所減小的電壓被傳送給電壓調(diào)節(jié)器740。減壓器730包括可吸收大量電壓的晶體管732。減壓器730也包括電阻器734和二極管736。電阻器734向二極管737提供偏流，該二極管737又使晶體管732偏置導(dǎo)通。在某些實(shí)現(xiàn)中，晶體管732被偏置成線性運(yùn)行。晶體管732可通過電阻器734和二極管736偏置導(dǎo)通，直到對電壓調(diào)節(jié)器740的輸入小于電壓調(diào)節(jié)器的輸出之上的給定值(例如2V)。在特定實(shí)現(xiàn)中，二極管736使晶體管732的柵極保持在約10Vdc上偏置，這使得對電壓調(diào)節(jié)器740的輸入保持為約8V。
電壓調(diào)節(jié)器740基于來自減壓器730的電源電壓生成經(jīng)調(diào)制的電源電壓。電壓調(diào)節(jié)器740包括調(diào)節(jié)器742和電容器746。在所示實(shí)現(xiàn)中，調(diào)節(jié)器742具有五個輸入/輸出連接器744。已減少的電壓通過連接器744a接收，并通過連接器744b反饋?？梢允窍喈?dāng)穩(wěn)定的經(jīng)調(diào)節(jié)電源電壓通過耦合到電路軌道702的連接器744e提供給輸入/輸出耦合器750。電容器746提供經(jīng)調(diào)節(jié)輸出信號的穩(wěn)定化和退耦。
輸入/輸出耦合器750通過電軌702耦合到電壓調(diào)節(jié)器740，并包括連接器754和導(dǎo)體754。輸入/輸出耦合器750通過導(dǎo)體754a將經(jīng)調(diào)節(jié)電源電壓提供給信號調(diào)節(jié)電路板。該信號可激發(fā)該電路板，從而可生成表示壓力的信號。壓力表示信號通過導(dǎo)體754b接收。
信號偏置器760也被耦合到電軌702，并包括分壓器762，該分壓器762對電軌分壓以提供輸出級(例如信號跨度調(diào)節(jié)器770)的基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓對電軌是比例度量的。這樣，分壓器762對通過輸入/輸出耦合器750的連接器754b接收的壓力表示信號設(shè)置偏置。
在該實(shí)現(xiàn)中，分壓器762包括熱系數(shù)匹配電阻器763。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器763a可具有電阻332KΩ，且電阻器763b可具有電阻60.4KΩ。電阻器763可以是精確的(例如0.1％的偏移和25ppm熱漂移)，盡管并非是必需的。
信號偏置器760還包括緩沖偏置電壓的緩沖器768。緩沖器768包括運(yùn)算放大器769。運(yùn)算放大器769用作緩沖分壓器762的電壓跟隨器。
信號跨度調(diào)節(jié)器770被耦合到耦合器750，并接收通過導(dǎo)體754b接收的壓力表示信號。信號跨度調(diào)節(jié)器770將壓力表示信號縮放至適當(dāng)范圍(例如從5V到6V)。在所示實(shí)現(xiàn)中，信號跨度調(diào)節(jié)器770用作將壓力表示信號電壓與穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓作比較的微分放大器，并提供具有單端(接地為基準(zhǔn)的)輸出電壓的精確微分增益。
信號跨度調(diào)節(jié)器770包括分壓器772、運(yùn)算放大器774、以及二極管775。分壓器772包括熱系數(shù)匹配的電阻器773。在特定實(shí)現(xiàn)中，各個電阻器773都具有150KΩ的電阻值。二極管775提供帶隙電壓基準(zhǔn)，這可允許不管所輸入電流如何都可保持經(jīng)基準(zhǔn)電壓。二極管775可提供具有較低熱誤差和較佳精度的1.2Vdc基準(zhǔn)。在特定實(shí)現(xiàn)中，二極管775被實(shí)現(xiàn)為作為理想齊納二極管的集成電路。
信號跨度調(diào)節(jié)器770還包括開關(guān)776、分壓器777和電阻器779。信號跨度調(diào)節(jié)器770的輸出通過分壓器777反饋，該分壓器777也接收緩沖器768的輸出。分壓器777包括熱系數(shù)匹配的電阻器778。在特定實(shí)現(xiàn)中，各個電阻器778具有150KΩ的電阻值。分壓器777迫使運(yùn)算放大器774的電壓跟隨非零電壓偏置，當(dāng)與跨度調(diào)節(jié)相組合時(shí)，在輸入為0.5V時(shí)將輸出設(shè)置為1V。
在一工作模式中，電路700在開關(guān)776斷開時(shí)生成1-5V輸出信號。當(dāng)通過導(dǎo)體754b接收的電壓信號為0.5Vdc時(shí)，具有150KΩ電阻器的分壓器772將運(yùn)算放大器774的不倒相輸入設(shè)置為0.8625Vdc。電阻器779使二極管775偏置導(dǎo)通。運(yùn)算放大器769的輸出是由分壓器762從+5V的電軌702設(shè)置的緩沖電壓。因此緩沖電壓為0.77Vdc，并且電阻器763a的電阻值是332KΩ且電阻器763b的電阻值為60.3Ω。輸出公式表達(dá)如下Vout＝(1.225V-(1.225-Vin)/(R773a+R773b)*R773b)+(((1.225V-(1.225V-Vin)/(R773a+R773b)*R773b)-0.77)/R778a*R778b)對于所述實(shí)現(xiàn)，這轉(zhuǎn)換成Vout＝(1.225V-(1.225-Vin)/(150+150)*150)+(((1.225V-(1.225V-Vin)/(150+150)*150)-0.77)/150*150)因而，當(dāng)分壓器772的輸入為0.5Vdc(0壓力時(shí))時(shí)，運(yùn)算放大器774的輸出將是0.955Vdc。該偏移可以是可變的(例如用第二開關(guān))，但在某些實(shí)現(xiàn)中固定的偏置調(diào)節(jié)被視為是可接受的。當(dāng)輸入為4.5Vdc時(shí)，分壓器772將運(yùn)算放大器774的非倒相輸入設(shè)置成2.8625V。因此，運(yùn)算放大器774的輸出是2.8625V+(2.8625Vdc-0.77Vdc)，或4.955Vdc(對于4.000Vdc的跨度)。
為了改變電路以便于1-6Vdc輸出，開關(guān)776閉合。閉合開關(guān)776改變分壓器777的比例，并使信號跨度調(diào)節(jié)器770將信號的跨度增大20％。該偏置電壓可對該增益最優(yōu)化。電阻器778a和電阻器779的并行組合是100KΩ(即(300*150)/(300+150))。對于以下公式，這可表達(dá)為電阻器778a’?，F(xiàn)在，輸出公式可表達(dá)如下Vout＝(1.225V-(1.225-Vin)/(R773a+R773b)*R773b)+(((1.225V-(1.225V-Vin)/(R773a+R773b)*R773b)-0.77)/R778a’*R778b)使用所述實(shí)現(xiàn)，這生成Vout＝(1.225V-(1.225-Vin)/(150+150)*150)+(((1.225V-(1.225V-Vin)/(150+150)*150)-0.77)/100*150)Vout＝1.001Vdc，且Vin＝0.5Vdc；以及Vout＝6.001Vdc，且Vin＝4.5Vdc。
因此，電路700可將來自外部設(shè)備(例如信號調(diào)節(jié)電路板130)的比例度量輸入電壓轉(zhuǎn)換成1-5Vdc或1-6Vdc的輸出。
電路700具有各種特征。例如，電路700可將可變輸入電壓限制成預(yù)定義電壓(例如5Vdc)。降低提供給電壓調(diào)節(jié)器的電壓減少由電壓調(diào)節(jié)器所耗散的功率的量，這降低了其內(nèi)部溫度并因此降低了熱效應(yīng)(例如誤差的生成)。同樣，這擴(kuò)展了電路的輸入電壓范圍，并允許輸入比電壓調(diào)節(jié)器可正常處理的更高的電壓。此外，經(jīng)調(diào)節(jié)電壓可被提供給檢測器電路(例如信號調(diào)節(jié)電路板130)。作為另一示例，電路700可提供兩個不同的輸出信號(例如一個在1-5V之間而另一個在1-6V之間)。因而，電路700可滿足兩個工作限制。作為一附加示例，電路700可信號調(diào)節(jié)10％-90％5V的比例度量信號，且不添加顯著的偏置誤差、增益誤差、熱偏置或增益誤差。此外，電路700可以是在安裝時(shí)不需要修整的固定、精確的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
圖8示出了壓力轉(zhuǎn)換電路800。電路800是壓力轉(zhuǎn)換電路500的一種實(shí)現(xiàn)。電路800可以是信號轉(zhuǎn)換電路板150的一部分。
一般而言，電路800包括輸入/輸出耦合器810、電路保護(hù)器820、減壓器830、電壓調(diào)節(jié)器840、輸入/輸出耦合器850、信號偏置器860、以及信號跨度調(diào)節(jié)器880。這些組件可與電路600的相似。電路800還包括信號格式調(diào)節(jié)器880。如以下更詳細(xì)討論的，電路800被設(shè)計(jì)成接受從9到36Vdc的未經(jīng)調(diào)節(jié)電壓輸入，盡管它在有限條件下可在高達(dá)50Vdc運(yùn)行。然而，該電路可簡便地用適當(dāng)組件更改，以使用其它輸入電壓范圍(例如從1-240Vac或Vdc)。該電路還可輸出通過電壓輸入提取的4-20mA信號。在特定實(shí)現(xiàn)中電路在可提供給其它電路的5V下運(yùn)行，盡管其它電壓(例如4.096V)是可能的。
輸入/輸出耦合器810包括允許信號往返電路800傳送的連接器812和導(dǎo)體814(例如引腳)。在所示實(shí)現(xiàn)中，輸入電源電壓到達(dá)導(dǎo)體814a，并且公共信號(例如接地)到達(dá)導(dǎo)體814c與之相連的導(dǎo)體814b。導(dǎo)體814被用于傳送來自電路的經(jīng)轉(zhuǎn)換壓力表示信號。
電路保護(hù)器820被耦合到輸入/輸出耦合器810，并保護(hù)電路800免遭輸入電源電壓中的不當(dāng)信號、瞬態(tài)峰值、噪音等。在所示實(shí)現(xiàn)中，電路保護(hù)器820包括二極管822和電容器824。二極管822極性保護(hù)輸入電源電壓，而電容器824退耦輸入電源電壓。
為了適應(yīng)輸入信號的電壓范圍，減壓器830將輸入電壓限于預(yù)定義范圍(例如0-5V)。所減小的電壓被傳送給電壓調(diào)節(jié)器840。減壓器830包括可吸收大量電壓的晶體管832。減壓器830也包括電阻器834和二極管836。電阻器834向二極管836提供偏流，該二極管836又使晶體管832偏置導(dǎo)通。在某些實(shí)現(xiàn)中，晶體管832被偏置成線性運(yùn)行。晶體管832可通過電阻器834和二極管836偏置導(dǎo)通，直到對電壓調(diào)節(jié)器840的輸入小于電壓調(diào)節(jié)器的輸出之上的給定值(例如2V)。在特定實(shí)現(xiàn)中，二極管836使晶體管832的柵極保持在約10Vdc上偏置，這使得對電壓調(diào)節(jié)器840的輸入保持為約8V。
電壓調(diào)節(jié)器840基于來自減壓器830的電源電壓生成經(jīng)調(diào)制的電源電壓。電壓調(diào)節(jié)器840包括調(diào)節(jié)器842和電容器846。在所示實(shí)現(xiàn)中，調(diào)節(jié)器842具有五個輸入/輸出連接器844。已降低的電源電壓通過連接器844a接收，并通過連接器844b反饋?？梢允窍喈?dāng)穩(wěn)定的經(jīng)調(diào)節(jié)電源電壓通過耦合到電路軌道802的連接器844e提供給輸入/輸出耦合器850。電容器846提供經(jīng)調(diào)節(jié)輸出信號的穩(wěn)定化和退耦。
輸入/輸出耦合器850通過電軌802耦合到電壓調(diào)節(jié)器840，并包括連接器854和導(dǎo)體854。輸入/輸出耦合器850通過導(dǎo)體854a將經(jīng)調(diào)節(jié)電源電壓提供給信號調(diào)節(jié)電路板。該信號可激發(fā)該電路板，從而可生成表示壓力的信號。壓力表示信號通過導(dǎo)體854b接收。
信號偏置器860也被耦合到電軌802，并包括分壓器862，該分壓器862對電軌分壓以提供跨導(dǎo)級(例如信號跨度調(diào)節(jié)器870和信號格式調(diào)節(jié)器880)的基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓對電軌是比例度量的。這樣，分壓器862對通過輸入/輸出耦合器850的連接器854b接收的壓力表示信號設(shè)置偏置。
在該實(shí)現(xiàn)中，分壓器862包括熱系數(shù)匹配電阻器863。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器863a可具有電阻200KΩ，且電阻器863b可具有電阻300KΩ。電阻器863可以是精密的(例如0.1％的偏移和25ppm熱漂移)，盡管并非是必需的。
信號偏置器860還包括緩沖偏置電壓的緩沖器868。緩沖器868包括運(yùn)算放大器869。運(yùn)算放大器869用作緩沖分壓器862的電壓跟隨器。
信號跨度調(diào)節(jié)器870被耦合到耦合器850，并接收通過導(dǎo)體854b接收的壓力表示信號。信號跨度調(diào)節(jié)器870將壓力表示信號縮放至適當(dāng)范圍(例如從4mA到16mA)。在所示實(shí)現(xiàn)中，信號跨度調(diào)節(jié)器870用作將壓力表示信號電壓與穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓作比較的微分放大器，并提供具有單端(接地為基準(zhǔn)的)輸出電壓的精確微分增益。
信號跨度調(diào)節(jié)器870包括分壓器872、運(yùn)算放大器874、電阻器875和電阻器876。分壓器872包括熱系數(shù)匹配的電阻器873。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器873a具有電阻值100KΩ，并且電阻器873b具有電阻值20KΩ。電阻器875和電阻器876耦合到電軌802，并便于提供最小輸出電流。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器875可具有電阻值1.91KΩ，而電阻器876可具有電阻值127KΩ。在某些實(shí)現(xiàn)中，電阻器876可以是精密電阻器，可掩蔽電阻器875的不精密。
信號跨度調(diào)節(jié)器870還包括分壓器877。信號格式調(diào)節(jié)器880的輸出通過分壓器877反饋，該分壓器877也可接收緩沖器868的輸出。因而，運(yùn)算放大器869的輸出通過分壓器877相除并累加到運(yùn)算放大器874的倒相輸入。分壓器877包括熱系數(shù)匹配的電阻器878。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器878a具有100KΩ的電阻值，而電阻器878b具有20KΩ的電阻值。分壓器877迫使運(yùn)算放大器874的電壓跟隨非零電壓偏置，當(dāng)與跨度調(diào)節(jié)相組合時(shí)，在輸入為0.5V時(shí)將輸出設(shè)置為1V。
信號格式調(diào)節(jié)器880被耦合到信號跨度調(diào)節(jié)器870。信號格式調(diào)節(jié)器880包括電阻器882、晶體管884、電阻器885以及電阻器886。電阻器882將電流限制為晶體管884的基極，電阻器885是限制最大輸出信號的限流電阻器，并且電阻器886用作電流讀出電阻器。即，電阻器886是電流讀出反饋元件?？鐗弘娮杵?86與總電路電流成比例，該總電路電流本身是輸出信號，并且該電壓被反饋到運(yùn)算放大器874。電路600的性能精度也受到電阻器886的影響。運(yùn)算放大器874通過驅(qū)動作為NPN功率晶體管的晶體管884提供微分增益，以形成跨壓電阻器886，以將受控電流引入共同信號。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻882具有4.99KΩ的電阻值，電阻884具有10Ω的電阻值，而電阻886具有50Ω的電阻值。在某實(shí)現(xiàn)中，電阻器886可被實(shí)現(xiàn)為一對并行電阻器，這些電阻器可降低可變性。
信號格式調(diào)節(jié)器880還包括電容器887和電容器888。電容器887通過減小較高頻率上的增益使運(yùn)算放大器874穩(wěn)定。電容器888滑移電路800的頻率響應(yīng)。在特定實(shí)現(xiàn)中，電容器887具有0.01μF的電容，并且電容器888具有0.1μF的電容。
在一種工作模式中，運(yùn)算放大器869的輸出通過分壓器877相除并累加到運(yùn)算放大器874的倒相輸入，以將對運(yùn)算放大器的倒相輸入設(shè)置為0.5Vdc。因此，當(dāng)分壓器872上的輸入為0.5Vdc時(shí)(0壓力)，沒有電流流過分壓器。然而，電阻器875和電阻器876將足夠電流驅(qū)動到電阻器873b以感生4mA的總電流提取，這是通過運(yùn)算放大器874將晶體管884偏置導(dǎo)通到足以使輸入平衡保持為0.5Vdc來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸入電壓升至4.5Vdc時(shí)，運(yùn)算放大器874、晶體管882和電阻器886協(xié)作以使非倒相輸入保持為0.5Vdc。在全量程上輸入信號為4.5Vdc，這等同于在電阻器873b兩端下降了4Vdc(4.5Vdc-0.5Vdc)，如果電阻器873b具有20KΩ的電阻值則生成20mA。
因此，電路800可將來自外部設(shè)備(例如信號調(diào)節(jié)電路板130)的比例度量輸入電壓轉(zhuǎn)換成4-20mA。
電路800具有各種特征。例如，電路800可將可變輸入電壓限制成預(yù)定義電壓(例如5Vdc)。降低提供給電壓調(diào)節(jié)器的電壓減少由電壓調(diào)節(jié)器所耗散的功率的量，這降低了其內(nèi)部溫度并因此降低了熱效應(yīng)(例如誤差的生成)。同樣，這擴(kuò)展了電路的輸入電壓范圍，并允許輸入比電壓調(diào)節(jié)器可正常處理的更高的電壓。此外，經(jīng)調(diào)節(jié)電壓可被提供給檢測器電路(例如信號調(diào)節(jié)電路板130)。
作為另一示例，因?yàn)橥ㄟ^設(shè)計(jì)本質(zhì)上較低的熱系數(shù)，所以電路具有4-20mA輸出的低熱自加熱。4-20mA設(shè)備自然地產(chǎn)熱，這會引起壓力傳感器組件中的自加熱。隨著這些組件的設(shè)計(jì)變得越來越小，該問題通常越來越差。但是對于電路800，因?yàn)閮H使用低熱效應(yīng)組件所以所產(chǎn)生的熱對它自己具有極小影響。優(yōu)點(diǎn)是整個組件具有低自加熱效應(yīng)，并且更易于保持來自熱敏感部件的熱(例如信號調(diào)節(jié)電路和壓力檢測器)。
作為一附加示例，電路800可轉(zhuǎn)換信號的格式，這有助于符合工作限制。作為另一示例，電路800可信號調(diào)節(jié)10％-90％5V的比例度量信號，且不添加顯著的偏置誤差、增益誤差、熱偏置或增益誤差。此外，電路800可以是在安裝時(shí)不需要修整的固定、精確的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
圖9示出了壓力轉(zhuǎn)換電路900。電路900是壓力轉(zhuǎn)換電路500的一種實(shí)現(xiàn)。電路900可以是信號轉(zhuǎn)換電路板150的一部分。
一般而言，電路900包括輸入/輸出耦合器910、電路保護(hù)器920、減壓器930、電壓調(diào)節(jié)器940、輸入/輸出耦合器950、信號偏置器960、以及信號跨度調(diào)節(jié)器970。如以下更詳細(xì)討論的，電路900被設(shè)計(jì)成接受從9到36Vdc的未經(jīng)調(diào)節(jié)電壓輸入，盡管它在有限條件下可在高達(dá)50Vdc運(yùn)行。然而，該電路可簡便地用適當(dāng)組件更改，以使用其它輸入電壓范圍(例如從1-240Vac或Vdc)。該電路還可輸出0-5Vdc信號或0-10Vdc信號。在特定實(shí)現(xiàn)中電路在5V下運(yùn)行，盡管其它電壓(例如4.096V)是可能的。
輸入/輸出耦合器910包括允許信號往返電路900傳送的連接器912和導(dǎo)體914(例如引腳)。在所示實(shí)現(xiàn)中，輸入電源電壓到達(dá)導(dǎo)體914a，并且公共信號(例如接地)到達(dá)導(dǎo)體914c。導(dǎo)體914b被用于傳送來自電路的經(jīng)轉(zhuǎn)換壓力表示信號。
電路保護(hù)器920被耦合到耦合器910，并保護(hù)電路900免遭輸入電源電壓中的不當(dāng)信號、瞬態(tài)峰值、噪音等。在所示實(shí)現(xiàn)中，電路保護(hù)器920包括二極管922和電容器924。二極管922極性保護(hù)輸入電源電壓，而電容器924退耦輸入電源電壓。
為了適應(yīng)輸入信號的電壓范圍，減壓器930將輸入電壓限于預(yù)定義范圍(例如0-5V)。所減小的電壓被傳送給電壓調(diào)節(jié)器940。減壓器930包括可吸收大量電壓的晶體管932。減壓器930也包括電阻器934和二極管936。電阻器934向二極管936提供偏流，該二極管936又使晶體管932偏置導(dǎo)通。在某些實(shí)現(xiàn)中，晶體管932被偏置成線性運(yùn)行。晶體管932可通過電阻器934和二極管936偏置導(dǎo)通，直到對電壓調(diào)節(jié)器940的輸入小于電壓調(diào)節(jié)器的輸出之上的給定值(例如2V)。在特定實(shí)現(xiàn)中，二極管936使晶體管932的柵極保持在約10Vdc上偏置，這使得對電壓調(diào)節(jié)器940的輸入保持為約8V。
電壓調(diào)節(jié)器940基于來自減壓器930的電源電壓生成經(jīng)調(diào)節(jié)的電源電壓。電壓調(diào)節(jié)器940包括調(diào)節(jié)器942和電容器946。在所示實(shí)現(xiàn)中，調(diào)節(jié)器942具有五個輸入/輸出連接器944。已減少的電壓通過連接器944a接收，并通過連接器944b反饋?？梢允窍喈?dāng)穩(wěn)定的經(jīng)調(diào)節(jié)電源電壓通過耦合到電路軌道902的連接器944e提供給輸入/輸出耦合器950。電容器946提供輸出信號的穩(wěn)定化和退耦。
輸入/輸出耦合器950通過電軌902耦合到電壓調(diào)節(jié)器940，并包括連接器952和導(dǎo)體954。輸入/輸出耦合器950通過導(dǎo)體954a將經(jīng)調(diào)節(jié)電壓提供給信號調(diào)節(jié)電路板。該信號可激發(fā)該電路板，從而可生成表示壓力的信號。壓力表示信號通過導(dǎo)體954b接收。在特定實(shí)現(xiàn)中，壓力表示信號期望在0-5V信號的跨度的10％到90％(例如0.5-4.5V)上是線性的。
信號偏置器960也被耦合到電軌902，并包括分壓器962，該分壓器962對電軌分壓以提供輸出級(例如信號跨度調(diào)節(jié)器970)的基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓對電軌是比例度量的。這樣，分壓器962對通過輸入/輸出耦合器950的連接器954b接收的壓力表示信號設(shè)置偏置。
在該實(shí)現(xiàn)中，分壓器962包括熱系數(shù)匹配電阻器963。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器963a可具有電阻100KΩ，且電阻器963b可具有電阻11KΩ。電阻器963可以是精密的(例如0.1％的偏移和25ppm熱漂移)，盡管并非是必需的。
信號偏置器960還包括緩沖偏置電壓的緩沖器968。緩沖器968包括運(yùn)算放大器969。運(yùn)算放大器969用作緩沖分壓器962的電壓跟隨器。
信號跨度調(diào)節(jié)器970被耦合到耦合器950，并接收通過導(dǎo)體954b接收的壓力表示信號。信號跨度調(diào)節(jié)器970將壓力表示信號縮放至適當(dāng)范圍(例如從5V到10V)。在所示實(shí)現(xiàn)中，信號跨度調(diào)節(jié)器970用作將壓力表示信號電壓與穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓作比較的微分放大器，并提供具有單端(接地為基準(zhǔn)的)輸出電壓的精確微分增益。
信號跨度調(diào)節(jié)器970包括分壓器971、開關(guān)973、以及運(yùn)算放大器974。分壓器971包括熱系數(shù)匹配的電阻器972。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器972a具有40KΩ的電阻值，電阻器972b具有50KΩ的電阻值，而電阻器972c具有40KΩ的電阻值。
信號跨度調(diào)節(jié)器970的輸出通過另一分壓器976反饋，該分壓器979也可接收緩沖器968的輸出。分壓器976包括熱系數(shù)匹配的電阻器977。在特定實(shí)現(xiàn)中，電阻器977a具有40KΩ的電阻值，電阻器977b具有50KΩ的電阻值，而電阻器977c具有40KΩ的電阻值。分壓器976迫使運(yùn)算放大器974的電壓跟隨非零電壓偏置，當(dāng)與跨度調(diào)節(jié)相組合時(shí)，在輸入為0.5V時(shí)將輸出設(shè)置為0V。
信號跨度調(diào)節(jié)器970還包括開關(guān)978。在特定實(shí)現(xiàn)中，開關(guān)973和開關(guān)978允許增益以平衡方式在微分和反饋方更改。
在一工作模式中，電路900在開關(guān)973和開關(guān)978斷開時(shí)生成0-5V輸出信號。當(dāng)通過導(dǎo)體954b接收的電壓信號為0.5Vdc時(shí)，具有前述電阻器的分壓器971將運(yùn)算放大器974的不倒相輸入設(shè)置為0.5Vdc。運(yùn)算放大器969的輸出是由分壓器962從+5V的電軌902設(shè)置的緩沖電壓。然后緩沖電壓為0.5Vdc，這導(dǎo)致在壓力表示信號為0.5Vdc時(shí)Vin和Voffset之間的差值為0Vdc。該輸出是增益乘以Vin和Voffset電壓之間的差值的倍數(shù)。
假設(shè)分壓器971和976使用相匹配的電阻值，輸出可表達(dá)如下Vout＝(Vin-Voffset)*(R977b/R977a)因而，對于所述實(shí)現(xiàn)
Vout＝(Vin-0.5Vdc)*(50/40)；Vout＝0.000Vdc且Vin＝0.5Vdc；以及Vout＝5.000Vdc且Vin＝4.5Vdc。
為了改變電路900以便于0-10Vdc輸出，開關(guān)973和開關(guān)978閉合。將電阻器972c與電阻器972a并聯(lián)放置將分壓器971的比例從50/40變成50/20。這對分壓器976而言也是如此。因此，輸出可表達(dá)為Vout＝(Vin-Voffset)*(R977b/R977a’)因而，對于所述實(shí)現(xiàn)Vout＝(Vin-0.5Vdc)*(50/20)；Vout＝0.000Vdc且Vin＝0.5Vdc；以及Vout＝10.000Vdc且Vin＝4.5Vdc。
因此，電路900可將來自外部設(shè)備(例如信號調(diào)節(jié)電路板130)的比例度量輸入電壓轉(zhuǎn)換成0-5Vdc或0-10Vdc的輸出。
為便于運(yùn)算放大器974擺動到(或通過)0伏，有必要生成略負(fù)的內(nèi)部電源電軌。這可用電壓調(diào)節(jié)器980實(shí)現(xiàn)。電壓調(diào)節(jié)器980包括生成負(fù)電壓的調(diào)節(jié)器982和電容器984。調(diào)節(jié)器982可以是例如充電泵電壓逆變器。電容器986濾除所生成的-5Vdc。
電路900具有各種特征。例如，電路900可將可變輸入電壓限制成預(yù)定電壓(例如5Vdc)。降低提供給電壓調(diào)節(jié)器的電壓減少由電壓調(diào)節(jié)器所耗散的功率的量，這降低了其內(nèi)部溫度并因此降低了熱效應(yīng)(例如誤差的生成)。同樣，這擴(kuò)展了電路的輸入電壓范圍，并允許輸入比電壓調(diào)節(jié)器可正常處理的更高的電壓。此外，經(jīng)調(diào)節(jié)電壓可被提供給檢測器電路(例如信號調(diào)節(jié)電路板130)。作為另一示例，電路900可提供兩個不同的輸出信號(例如一個在0-5V之間而另一個在0-10V之間)。因而，電路900可滿足兩個工作限制。作為一附加示例，電路900可生成與10％-90％5V的比例度量信號成比例的輸出信號，且不添加顯著的偏置誤差、增益誤差、偏置熱誤差、或增益熱誤差。此外，電路900可以是在安裝時(shí)不需要修整的固定、精確的轉(zhuǎn)移函數(shù)。同樣，該實(shí)現(xiàn)可提供具有諸如增強(qiáng)共模抑制的期望特征的平衡微分級，因此應(yīng)當(dāng)更免受電磁干擾(EMI)和/或射頻干擾(RFI)。
圖10示出用于壓力測量的工序1000。工序1000可例如表示用于制造壓力測量系統(tǒng)100的工序。
工序1000從提供包括桿、壓力檢測器和信號調(diào)節(jié)電路板的組件開始(操作1004)。在特定實(shí)現(xiàn)中，桿是套管的一部分，壓力檢測器可以是應(yīng)變儀耦合其中的金屬膜片，并且電路板可放大來自壓力檢測器的表示壓力的信號。提供該組件可包括獲得組件，或?qū)⒃摻M件的各個部件組裝在一起。壓力檢測器可被耦合到桿，并且電路板可被電耦合到壓力檢測器。
在獲得組件之后，該組件得到了補(bǔ)償(操作1008)。在特定實(shí)現(xiàn)中，對壓力范圍(例如0-100psi、0-500psi、或0-1000psi)和溫度范圍(0-100℃、5-35℃或-20-85℃)補(bǔ)償該組件。通常，組件可在各種壓力和溫度范圍上使用。校準(zhǔn)該組件可包括確定組件輸出與期望輸出的偏離，以及對該偏離補(bǔ)償組件的輸出。
該工序繼續(xù)確定將包括該組件的壓力測量系統(tǒng)的信號輸出類型(操作1012)。確定信號輸出類型可例如包括確定壓力測量系統(tǒng)可與之耦合的外部設(shè)備。在確定壓力測量系統(tǒng)的信號輸出類型之后工序要求安裝電路板，該電路板在實(shí)質(zhì)上不影響校準(zhǔn)的情況下生成輸出信號(操作1016)。該電路板可例如將來自信號調(diào)節(jié)電路板的電信號轉(zhuǎn)換成另一類信號(例如0.5-4.5V或4-20mA)。為了避免影響校準(zhǔn)，電路板可消耗較小的功率并且是精確的。安裝信號轉(zhuǎn)換電路板可例如通過使電路板與信號調(diào)節(jié)電路板的外殼接合、并電耦合電路板來完成。
工序繼續(xù)確定將包括該組件的壓力測量系統(tǒng)的電連接器組件類型(操作1020)。確定電連接器組件類型可例如包括確定壓力測量系統(tǒng)可與之耦合的外部設(shè)備。在確定壓力測量系統(tǒng)的電連接器組件類型之后安裝使適當(dāng)?shù)碾娺B接器組件(操作1024)。該電連接器組件可適于傳送輸出給外部設(shè)備的信號。例如，該組件可將第一引腳排列轉(zhuǎn)換成第二引腳排列(例如從線性轉(zhuǎn)換成三角形)。安裝電連接器可例如通過使連接器與信號調(diào)節(jié)電路板的外殼接合、并使連接器與信號轉(zhuǎn)換電路板電耦合來完成。
該工序繼續(xù)安裝外殼(操作1028)。外殼可由任何適當(dāng)材料制成，并可具有通過接口與遠(yuǎn)程設(shè)備相連的任何適當(dāng)形狀。在特定實(shí)現(xiàn)中，外殼可根據(jù)電連接器組件的類型來指定。安裝該外殼可包括將外殼耦合到桿。該外殼連同桿可裝入壓力檢測器、信號調(diào)節(jié)電路板和信號轉(zhuǎn)換電路板。
工序1000繼續(xù)確定將包括該組件的壓力測量系統(tǒng)的工序接口類型(操作1032)。確定工序接口類型可例如包括確定組件可與之耦合的工序。在確定工序接口類型之后該組件被更改以獲得壓力接口(操作1036)。更改該組件可例如包括加工桿是其一部分的套管，以包括工序接口(例如螺紋)或?qū)U耦合到包括工序接口的套管。
盡管圖10描述了用于壓力測量的工序的一種實(shí)現(xiàn)，但其它實(shí)現(xiàn)可包括更少、附加和/或不同的工作配置。例如，更改組件以實(shí)現(xiàn)工序接口可在安裝信號轉(zhuǎn)換電路板、安裝電連接器組件、和/或安裝外殼前或后進(jìn)行。此外，在特定實(shí)現(xiàn)中，它根本不會進(jìn)行-例如，如果桿已具有工序接口。作為另一示例，確定可按任何順序執(zhí)行。此外，可同時(shí)進(jìn)行兩個或多個確定。作為一附加示例，工序可不要求確定電連接器組件類型或工序接口類型。作為又一示例，如果來自信號調(diào)節(jié)電路板的輸出已適當(dāng)，則可不安裝信號轉(zhuǎn)換電路板。
圖11示出用于壓力測量的工序1100。工序1100可例如表示壓力測量系統(tǒng)100的操作。
工序1100從等待供電開始(操作1104)?？蓮谋镜鼗蜻h(yuǎn)程電源供電。一旦已供電，工序就要求將所供電降至預(yù)定義水平(操作1108)。在特定實(shí)現(xiàn)中，例如9-36Vdc信號可降至0-5Vdc信號。該工序然后要求生成經(jīng)調(diào)節(jié)的電源(操作1112)。經(jīng)調(diào)節(jié)的電源可例如使用與已降低電源相同的電壓范圍。
工序繼續(xù)輸出經(jīng)調(diào)節(jié)的電源(操作1116)。經(jīng)調(diào)節(jié)的電源可例如被傳送到信號調(diào)節(jié)電路板，該信號可因經(jīng)調(diào)節(jié)電源激發(fā)電路板。然后工序要求等待接收表示壓力的信號(操作1120)。
一旦已接收了壓力表示信號，工序要求確定是否應(yīng)偏置該信號(操作1124)。確定是否偏置該信號可例如基于要輸出信號的類型，或基于預(yù)選的開關(guān)位置。如果應(yīng)偏置電壓表示信號，則偏置該信號(操作1128)。
一旦已偏置了壓力表示信號，或者如果不應(yīng)偏置壓力表示信號，則工序要求確定是否應(yīng)調(diào)節(jié)信號的跨度(操作1132)。確定是否應(yīng)調(diào)節(jié)該跨度可例如基于要輸出信號的類型、或基于預(yù)選開關(guān)位置。如果應(yīng)調(diào)節(jié)壓力表示信號的跨度，則調(diào)節(jié)信號的跨度(操作1136)。
一旦已調(diào)節(jié)了壓力表示信號的跨度，或者如果不應(yīng)調(diào)節(jié)壓力表示信號的跨度，則該工序要求確定是否應(yīng)轉(zhuǎn)換壓力表示信號的格式(操作1140)。確定是否應(yīng)轉(zhuǎn)換信號的格式可例如基于要輸出的信號的類型或基于預(yù)選開關(guān)位置。如果應(yīng)轉(zhuǎn)換壓力表示信號的格式，則轉(zhuǎn)換信號的格式(操作1144)。
一旦已轉(zhuǎn)換了壓力表示信號的格式，或者如果不應(yīng)轉(zhuǎn)換壓力表示信號的格式，則工序要求輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號(操作1148)。然后該工序要求返回以等待供電。
盡管圖11示出了用于壓力測量的工序的一個實(shí)現(xiàn)，但其它實(shí)現(xiàn)可包括更少、附加和/或不同的工作配置。例如，可不降低電源和/或不生成經(jīng)調(diào)節(jié)的電源，特別是如果所供電源是經(jīng)良好調(diào)節(jié)的情況。作為另一示例，取決于壓力表示信號與經(jīng)轉(zhuǎn)換壓力表示信號之間的差異，壓力表示信號可不偏置、跨度調(diào)節(jié)、和/或格式調(diào)節(jié)。例如，如果壓力表示信號僅需偏置，則可刪除跨度調(diào)節(jié)和格式調(diào)節(jié)操作。作為又一示例，壓力表示信號可在調(diào)節(jié)跨度之后偏置，或信號的格式可在施加偏置或跨度調(diào)節(jié)之前調(diào)節(jié)。作為一附加示例，經(jīng)調(diào)節(jié)電源可被提供給電路實(shí)現(xiàn)工序1100的多個部件。作為再一示例，各個操作可具有可選擇特征。例如，信號偏置能使信號偏置兩個或多個量，且信號跨度調(diào)節(jié)能縮放信號兩個或多個量。作為另一示例，有關(guān)壓力表示信號的確定并非必需進(jìn)行-例如，當(dāng)壓力表示信號與經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號一致時(shí)。
已描述了多個實(shí)現(xiàn)，且已建議或提出了各個其它實(shí)現(xiàn)。此外，可進(jìn)行各種添加、刪除、替代、和/或更改，而仍然實(shí)現(xiàn)壓力測量。出于這些原因，本發(fā)明是根據(jù)可包含一個或多個實(shí)現(xiàn)的所附權(quán)利要求的范圍的方法。
權(quán)利要求
1.一種用于壓力測量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括信號轉(zhuǎn)換電路，所述電路包括耦合器，所述耦合器可用于接收壓力表示信號；信號偏置器，所述信號偏置器包括便于偏置所述壓力表示信號的非熱敏分壓器；以及與所述耦合器和所述信號偏置器耦合的信號跨度調(diào)節(jié)器，所述信號跨度調(diào)節(jié)器包括便于調(diào)節(jié)所述壓力表示信號的跨度的非熱敏分壓器。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述信號跨度調(diào)節(jié)器耦合的信號格式轉(zhuǎn)換器，所述信號格式轉(zhuǎn)換器可用于將所述壓力表示信號的格式轉(zhuǎn)換成另一種格式。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號格式轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括功率衰減器，所述功率衰減器可用于降低電源的功率；以及與所述功率衰減器耦合的功率調(diào)節(jié)器，所述功率調(diào)節(jié)器可用于生成經(jīng)調(diào)節(jié)電源。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率調(diào)節(jié)器與所述信號偏置器和所述信號跨度調(diào)節(jié)器耦合，以向其提供經(jīng)調(diào)節(jié)的電源。
6.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率調(diào)節(jié)器與所述耦合器耦合，并且所述耦合器可用于將經(jīng)調(diào)節(jié)的電源傳送到電路之外。
7.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二耦合器，所述第二耦合器與所述功率衰減器和信號跨度調(diào)節(jié)器耦合，并可用于接收電源并傳送經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號。
8.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率衰減器包括可用于吸收功率的晶體管。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述晶體管偏置導(dǎo)通直到對所述功率調(diào)節(jié)器的輸入比經(jīng)調(diào)節(jié)電源之上的預(yù)定義值小。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，非熱敏分壓器包括熱匹配電阻分壓器。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號偏置器可用于改變所施加的偏置。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號跨度調(diào)節(jié)器可用于改變所施加的信號跨度調(diào)節(jié)。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號跨度調(diào)節(jié)器在一種模式中用作普通放大器，而在另一種模式中用作微分放大器。
14.一種用于壓力測量的方法，所述方法包括接收壓力表示信號；使用非熱敏分壓器偏置所述壓力表示信號；使用非熱敏分壓器調(diào)節(jié)所述壓力表示信號的跨度；以及傳送所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括將所述壓力表示信號的格式轉(zhuǎn)換成另一種格式。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括接收電源；降低所述電源的功率；以及基于所述經(jīng)降低電源生成經(jīng)調(diào)節(jié)電源。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，降低所述電源包括偏置功率吸收晶體管直到對生成經(jīng)調(diào)節(jié)電源的功率調(diào)節(jié)器的輸入比所述經(jīng)調(diào)節(jié)電源上的預(yù)定義值小。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，使用非熱敏分壓器偏置所述壓力表示信號包括使用熱匹配電阻分壓器。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括選擇性地改變所施加的信號偏置。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括選擇性地改變所施加的信號跨度調(diào)節(jié)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)所述信號跨度在一種模式中通過普通放大器實(shí)現(xiàn)，而在另一種模式中通過微分放大器實(shí)現(xiàn)。
22.一種用于壓力測量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括信號轉(zhuǎn)換電路，所述電路包括第一耦合器，所述第一耦合器可用于接收電源和傳送經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號；與所述第一耦合器耦合的功率衰減器，所述功率衰減器可用于降低所述電源的功率，所述功率衰減器包括偏置導(dǎo)通直到對功率調(diào)節(jié)器的輸入比所述功率調(diào)節(jié)器的輸出上的預(yù)定義值小的功率吸收晶體管；功率調(diào)節(jié)器，所述功率調(diào)節(jié)器與所述功率衰減器耦合并用于生成經(jīng)調(diào)節(jié)的電源；第二耦合器，所述第二耦合器與所述功率調(diào)節(jié)器耦合以接收經(jīng)調(diào)節(jié)的電源，所述第二耦合器可用于將經(jīng)調(diào)節(jié)的電源傳送到電路之外并接收壓力表示信號；信號偏置器，所述信號偏置器與所述功率調(diào)節(jié)器耦合以接收經(jīng)調(diào)節(jié)的電源并包括便于偏置所述壓力表示信號的熱匹配電阻分壓器，所述信號偏置器可用于改變所施加的偏置；以及信號跨度調(diào)節(jié)器，與所述第二耦合器耦合以接收所述壓力表示信號，與所述功率調(diào)節(jié)器耦合以接收所述經(jīng)調(diào)節(jié)的電源，并與所述信號偏置器耦合，所述信號跨度調(diào)節(jié)器包括便于調(diào)節(jié)所述壓力表示信號的跨度的熱匹配電阻分壓器，所述信號跨度調(diào)節(jié)器可用于改變所施加的信號跨度調(diào)節(jié)，并且在一種模式中用作普通放大器而在另一種模式中用作微分放大器；以及信號格式轉(zhuǎn)換器，與所述功率調(diào)節(jié)器耦合以接收所述經(jīng)調(diào)節(jié)電源，與所述信號跨度調(diào)節(jié)器耦合，并與所述第一耦合器耦合，所述信號格式轉(zhuǎn)換器可用于將所述壓力表示信號的格式轉(zhuǎn)換成另一種格式并將經(jīng)轉(zhuǎn)換的壓力表示信號傳送給所述第一耦合器。
全文摘要
一種用于壓力測量的系統(tǒng)和方法可包括能簡便制造壓力測量系統(tǒng)的能力。在一個一般方面中，壓力測量100可包括信號轉(zhuǎn)換電路500，該電路500包括耦合器510、信號偏置器550和信號跨度調(diào)節(jié)器560。該耦合器可用于接收壓力表示信號，且該信號偏置器包括便于偏置壓力表示信號的非熱敏分壓器。該信號跨度調(diào)節(jié)器與耦合器耦合并包括便于調(diào)節(jié)壓力表示信號的非熱敏分壓器。
文檔編號G01L9/02GK101040177SQ200580028844
公開日2007年9月19日 申請日期2005年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者D·F·勒派恩, 金子義和 申請人:阿舍克羅夫特-內(nèi)野股份有限公司