專利名稱:電流/壓力變換器電流環(huán)中的頻率反饋的制作方法
本發(fā)明涉及電流/壓力(I/P)變換器。
在已有的技術中已采用了各種電動氣動式的轉換器，它可以把電信號變成控制閥門之類的壓力信號。一般情況下，這些設備具有某種形式的機械反饋，以便在信號的控制下來穩(wěn)定轉換器的輸出壓力。
最近，已開發(fā)了一種新的I/P轉換器或變換器，其工作是根據(jù)流過二線電流環(huán)的電流，并且利用了表征輸出壓力的電反饋信號和控制轉換器改變輸出壓力的輸入電流的幅度。這類I/P變換器的說明見Roger L.Frick的美國專利4，481，967，R.L.Frick也指定為本申請的代理人。這類新型I/P變換器的其它例子見Prescott等的美國專利4，492，246，Simpson的美國專利4，527，583及美國專利申請?zhí)?065331。
一般講，無論是機械型的電動氣動變換器，或者較新的電子式I/P轉換器都是要用于這樣一種過程控制環(huán)境多數(shù)情況下，要接近I/P變換器或者它所控制的閥門是困難且費時的。當出現(xiàn)故障或不工作時，有許多可能的故障源，而只有一部分與I/P變換器有關。在這些故障的原因中可能是沒有輸入壓力;到I/P變換器的輸入管線受阻;閥門粘牢或損壞;在氣動管線上的過濾器受阻;壓力調節(jié)器的設置不合適;I/P變換器的標度不正確;或者I/P變換器故障。因此，對系統(tǒng)故障源的診斷能力以及確定I/P變換器是不是該故障的根原，對改進I/P變換器的工藝水平是極端重要的。
一般來說，與少用于同一過程控制系統(tǒng)的二線壓力變送器相比，I/P變換器是造價較低的裝置。因此，改進I/P變換器不一定會使I/P變換器價格有大的增加。
本發(fā)明的I/P變換器提供這樣一種輸出壓力它隨可變輸入直流電流的大小而變化。該變換器包括提供電反饋信號的裝置，該反饋信號表征輸出壓力;提供控制信號的裝置，該控制信號是輸入直流電流和該反饋信號幅度的函數(shù)。該控制信號用于控制輸出壓力的大小。
根據(jù)本發(fā)明，I/P變換器還包括一個裝置，該裝置經傳送輸入直流電流的電路，傳送一時變信號，它用于表征I/P變換器的工作是否正常。
在一具體方案中，該時變信號隨反饋信號變化，所以該時變信號提供的是I/P變換器所檢測的輸出壓力的指示。該時變信號最好是其頻率隨反饋信號變化。
根據(jù)本發(fā)明，可以遠距離監(jiān)測I/P變換器的性能。由于所需的壓力是已知的(因為所需的壓力決定了加到I/P變換器的輸入直流電流的大小)，所以，I/P變換器所檢測的壓力的值就可使操作人員或技術人員了解I/P變換器是否正在控制輸出壓力。根據(jù)該信息，不必實際去動I/P變換器，就可診斷處理控制系統(tǒng)中各種問題的可能原因，它們可能與I/P變換器本身的工作有關或無關。
圖1是具有本發(fā)明的I/P變換器的處理控制系統(tǒng)的原理圖。
圖2是本發(fā)明的I/P變換器的具體方案的方框圖。
圖3是圖2的I/P變換器部分的電原理圖。
圖4是本發(fā)明的另一具體方案的I/P變換器的方框圖。
圖1所示的控制系統(tǒng)10是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過氣動驅動閥門14的控制操作，它可用以控制到處理裝置12的流量。控制系統(tǒng)10包括二線壓力變換器16、控制(操作)臺18及兩線I/P變換器20。
在圖1所示的具體方案中，壓力變換器16是一差分壓力傳感器，它測量管線24中隔板22兩邊的壓力差。該差分壓力表征管線24中的流量。隔板22位于閥門14的上流端。壓力變送器16通過一兩線電流環(huán)26連到控制臺18，電流環(huán)26從控制臺18(它位于控制室)延伸到壓力變送器16，壓力變送器16位于或者非常靠近管隔板22。壓力變送器16檢測壓力，并使流過二線電流環(huán)26的直流電流的幅度在一定范圍，比如，4到20毫安內變化?？刂婆_18包括一電源和負載，它與壓力變送器一起，構成該兩線電流環(huán)路。通過檢測該環(huán)路電流，控制臺18可監(jiān)測壓力變送器16所檢測的壓力，因而在控制臺18處就有一個表征管線24內的流量的信號。
控制臺18也通過另一兩線電流環(huán)28連到I/P變換器20?？刂婆_18也通過二線電流環(huán)28提供一可變幅度的輸入直流電流給I/I/P變換器供電并用作決定I/P變換器20輸出壓力的命令信號。一源壓力(比如，20 psi)提供給I/P變換器20的入口30。I/P變換器20的出口32通過管線34接到閥門14。在控制臺18所提供的直流電流大小(比如在4到20毫安間變化)的控制下，I/P變換器20的輸出壓力在予定的范圍內(比如，從3到15 psi)變化。這樣，圖1所示的控制系統(tǒng)10就構成一個控制到處理裝置12的流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
I/P變換器20是前面所述的Frick的專利4，481，967中所述的電子式I/P變換器。I/P變換器的輸出壓力通過一壓力傳感器來監(jiān)測，該傳感器產生一電壓力反饋信號送到I/P變換器20的控制線路。該反饋信號(壓力)與從控制臺18來的表征環(huán)路電流大小的信號(讀出值)一起，用于產生一控制信號(誤差)，該信號用以驅動一機電裝置來改變出口32的輸出壓力。
本發(fā)明的I/P變換器20也產生一時變信號，它迭加到二線環(huán)228的環(huán)路電流上。該時變信號給控制臺18以反饋信息，以便在控制臺18所處的控制室內遠程診斷控制系統(tǒng)10的工作情況。通過從I/P變換器20收到的該時變信號，控制臺18的操作人員可以判斷系統(tǒng)失效或誤動作的可能原因，而不必首先一定要到工廠內安裝壓力變送器16，閥門14及I/P變換器20的危險區(qū)域或不可接近區(qū)域。在一具體方案中，I/P變換器20在二線環(huán)28上提供的該時變信號的頻率是反饋信號(壓力)的函數(shù)。由于所需的輸出壓力已知(這是控制臺提供給I/P變換器20的命令)，通過I/P變換器檢測的實際輸出壓力與環(huán)路電流大小所表征的需要的壓力間的對比，就可知道I/P變換器20的工作是否正常。環(huán)路28上的4-20毫安信號與環(huán)線28上的時變診斷信號具有不同的信號特征，因此這兩種信號不會互相干擾。在一種具體方案中，4-20毫安信號是一低頻信號，而診斷信號是高頻信號。
在本發(fā)明的另一具體方案中，時變信號28分為不同的部分，它們在時間及/或者頻率上分開，它們的頻率分別是壓力信號、讀出信號和誤差信號的函數(shù)。這就提供了關于I/P變換器20工作情況的進一步的診斷信息。
圖2給出了本發(fā)明的I/P變換器20的一種具體方案的方框圖。從I/P變換器20的入口30進入的加壓流體(比如空氣)送給電動到氣動轉換器40，并送到氣動加速放大器42。在圖2所示的具體裝置中，電動到氣動轉換器40是屬于G.C.Brown的題為“電信號到壓力信號轉換器”的美國專利號4，534，376中所述的那種，也列在這里以供參考。轉換器40包括一噴嘴44，它連接到入口30;一接到氣動加速放大器42的接收器46;以一可移動折流板48，根據(jù)其在氣體流中的位置，它可偏轉噴嘴44和接收器46之間的空氣流。該折流板的位置受磁執(zhí)行執(zhí)構50的控制。
氣動加速放大器42具有一泄放口52和一接到出口32的出口54。加速放大器42提供的在出口32處的輸出壓力與從電氣到氣動轉換器40所接收的壓力有關。
磁執(zhí)行機構50受線圈驅動器56驅動，56本身受求和放大器58控制。求和放大器58的輸入包括從零調節(jié)電路60來的零調節(jié)信號和從求和節(jié)點62來的信號。從求和點62來的信號與壓力傳感器64讀入的出口壓力以及電流傳感器66所檢測的環(huán)路電壓的大小有關。求和點62來的信號受溫度補償電路68檢測的溫度效應來調節(jié)。
在正端(+)470，從電流環(huán)28接收環(huán)路電流IT，該電流流入I/P變換器20，并向I/P變換器20提供全部電力。負端(-)72也接到電流環(huán)28。電流IT從負端72流出并通過電流環(huán)28返回控制臺18。
輸入環(huán)路電流IT由電流傳感器66檢測并產生讀出信號。環(huán)流電源裝置74接到電流傳感器66以接收IT，并產生I/P變換器20其余電路部分所需的各種工作電壓。
壓力傳感器64檢測I/P變換器20在出口32處的輸出壓力并向放大器76提供一電信號，該信號是所檢測的壓力的函數(shù)。放大器76產生一反饋信號(壓力)并把它加到求和點62。
讀出信號提供給低電流斷路電路78和高電流斷路電路80。當環(huán)路電流降到選定值比如3.3毫安以下時，低電流斷路電路78動作，并提供一輸出信號到求和點62，以便在從環(huán)路28來的電流不是以保證變換器20的正常工作時，減小變換器20的輸出壓力。
只有當環(huán)路電流升到約25毫安時，高電流斷路電路80才產生一輸出。高于25毫安電平時，高電流斷路電路80的輸出限制可提供的輸出壓力的量，這樣，在環(huán)路電流出故障時，就能對閥門執(zhí)行機構及輸出壓力控制的其它敏感裝置提供重要的保護功能。
高電流斷路電路80的輸出送給正/逆選擇電路82，它決定變換器20的出口壓力隨命令電流IT的改變而變化的方向。選擇In向時，IT的增加使出口壓力增加。選擇逆向時，IT的增加使出口壓力減小小。
正/逆選擇電路的輸出送給步距調節(jié)電路84。步距調節(jié)電路84的輸出送到求和點62。
步距調節(jié)電路84用以調節(jié)變換器20的每電流變化的壓力變化的速率。雖然步距調節(jié)電路84的輸出信號是表征所檢測的電流IT，但它卻用于調正步距以及提供正/逆選擇的極性，并受高電流斷路電路80的限制以免閥門或與出口32相連接的其它裝置被損壞。
在一具體方案中，壓力傳感器64是壓阻式應變片壓力傳感器或者容性壓力傳感器。從壓力傳感器64來的低電平信號送到放大器76，它將該信號放大并得到較高電平的信號(壓力)，它表示檢測的輸出壓力。
放大電路76也提供一個表征溫度的信號(溫度)。該溫度信號送到溫度補償電路68，該電路又把一表征溫度的電流(溫度補償)送到求和點。
從步距調節(jié)電路84、低電流斷路電路78、溫度補償電路68及放大器76來的(電流形式的)各信號全送到求和點62，并產生一電位，它表征經溫度校正了的需要壓力(由環(huán)路電流IT表征)和實際壓力(由壓力傳感器64檢測的輸出壓力來表征)間的壓力差。
求和點62的電位送到求和放大器58。零點調節(jié)電路60也送一零點調節(jié)信號到求和放大器58，求和放大器58的輸出送到線圈驅動器56，以控制磁執(zhí)行機構50的驅動線圈的電流的大小。
I/P變換器20也提供一時變信號，它迭加環(huán)路電流IT上并通過電流環(huán)28送回控制臺18。在圖2的具體方案中，時變信號的頻率表征檢測的輸出壓力。
放大器76把該壓力信號提供給遠程壓力讀出電路86。該壓力信號是一于壓力傳感器64檢測的輸出壓力成In比的電壓。遠程壓力讀出電路86把該壓力信號變成一頻率可變信號，它迭加在環(huán)路電流IT上，并通過端子72經二線環(huán)28送回控制臺18。在本發(fā)明的具體方案中，遠程壓力讀出的輸出信號的電壓在室溫下具有約700毫伏的峰峰值，該輸出信號的頻率從5300赫到6500赫分別表征每平方英寸輸出壓力為3磅至15磅。在該實際方案中，輸出壓力的范圍是3到15psi(磅/吋2)，它隨環(huán)路電流IT線性變化，這里，當IT＝4mA時相應于所需的輸出壓力是3psi，IT＝20mA時，相應于所需輸出壓力是15psi。在該具體方案中，檢測的輸出壓力(單位是psi)可在控制臺18上從遠程壓力讀出信號的頻率以下述方法求出求出遠程壓力讀出信號的頻率，減去5000，并除以100。
二線環(huán)路28上的4-20毫安信號是低頻受控的電流信號，其信號分量的范圍從穩(wěn)定直流到100赫以下。迭加在環(huán)路上的遠程壓力讀出信號選擇為低幅度電壓信號，其信號分量可從頻率上與4-20毫安信號的信號分量相分開。在所示的具體方案中，該遠程壓力讀出信號成分的頻率是4-20毫安信號頻率的50倍，這提供了相當寬的頻率間隔使該兩信號間的干擾很小。在控制臺18，可以用電阻和電容組成的簡單濾波器把4-20毫安信號和遠程壓力讀出信號分開。另一方法是，簡單地用一電容耦合的頻率計數(shù)器接到環(huán)路28上，就可以提取遠程壓力讀出信號。
圖3是I/P變換器20部分電路的電原理圖，它包括有圖2方框圖中所示的遠程壓力讀出電路。圖3畫出了端子70和72，電流傳感器66、電源74，壓力傳感器64、放大器76和遠程壓力讀出電路86。
如圖3所示，在端子70和72之間接有一對穩(wěn)壓二極管90和92，它用以保護變換器20免受過大的環(huán)路電壓的損害。電流傳感器66在端子70和電源電路74之間裝有一電流檢測電阻器94。讀出信號從電阻94的正端，即端子70取出。
電源電路74包括由電阻96和電容98組成的濾波器，調整晶體管100，可調節(jié)基準二極管102，和電阻104，106，108，110，112，114，116和118。由電阻96和電容98組成的濾波器可通過高頻信號(比如遠程壓力讀出信號)，所以電路74不受這種高頻信號干擾。電源74從環(huán)路取得能量，并在導線120和122之間產生穩(wěn)定的+6V電壓，該+6伏電位經分壓產生變換器20所用的其它電壓，包括+5伏、+2伏和+1.2伏電壓。導線122可認為是“地”，作為所有這些電壓的參考點。
在圖3所示的具體方案中，壓力傳感器64是壓阻式應力傳感器，它具有接成橋形的四個可變電阻124，126，128和130。另一種方法，是用容性壓力傳感代替應力片傳感。當輸出壓力變化時，電阻124，126，128和130的阻值也改變，從而改變了橋的平衡。
橋的輸出端132和134接到放大器76的差分放大級的兩個輸入端。該差分放大器包括NPN晶體管136和138，及電阻140，142，144和146。差分放大級的輸出送到運頁放大器148的輸入端，它產生的輸出信號電壓(壓力)表征壓力傳感器64所檢測的輸出壓力。放大器148的輸出也通過電阻150和電容152反饋到晶體管136的基極。
該壓力信號經電容154和電阻156和158進行濾波并變成電流。然后該電流送到求和點62。
放大電路76也產生從晶體管136和138的發(fā)射極導出的溫度信號(溫度)。該溫度信號送到圖2所示的溫度補償電路68。
圖3中所示出的遠程壓力讀出電路86接收從運頁放大器148來的壓力信號電壓。遠程壓力讀出電路86包括互相并行連接到地導體122和端子72之間的電容194、二極管196和場效應管(FET)198。由集成電路555定時器200、電阻202和電容204組成的壓拉振器(VCO)把運頁放大器148輸出的壓力信號電壓變換成頻率，該頻率與輸出壓力成正比。該頻率信號fout用以門控FFET198。結果，F(xiàn)ET198導通或開斷，周期性地把二極管1196短路。這樣，在室溫條件下，就產生一個頻率為fout、峰-峰值約700毫伏的信號電壓迭加在二線環(huán)路電流上。電容194與二極管196并聯(lián)作為能量貯存元件，它可防止會使電源電路74中斷工作的瞬時突變。因此，電容194起濾波的作用并有助于在發(fā)送器一邊從環(huán)路電流中分離出遠程壓力讀出信號。
在圖2和3所示的該具體方案中，遠程壓力讀出信號的頻率fout是所檢測的壓力的函數(shù)。但是，也可以用I/P變換器20的其它信號來取代所檢測的壓力、或者與所檢測的壓力一起通過環(huán)路28來提供診斷信息。圖4是本發(fā)明的另一具體方案，其中，遠程壓力讀出信號取決于三個信號壓力、讀出值和誤差(它是求和放大器58的輸出)。在該具體方案中，遠程壓力讀出電路86包括電平移位電路300，3302和304;序列電路306;電壓到頻率(V/F)變換器308;和環(huán)路接口電路310。電平移位電路300、302和304對該三個信號壓力、讀出值和誤差提供不同的信號電平或偏移，從而使這三個輸入信號產生的遠程壓力讀出信號的頻率成分能方便地互相通分。電平移位電路300、302和304的輸出送給序列電路306，它順序把該三個偏移信號的每一個送到V/F變換器308。這樣就得出一個驅動環(huán)路接口310的頻率信號它在第一個時隙，具有第一頻率，在第二時隙具有第二頻率，在第三時隙，具有第三頻率。在每一個這種時隙內，序列電路306把送到遠程壓力請出電路86的三個輸入信號之一送到V/F變換器308。環(huán)路接口310最好乘用圖3中的電容194、二極管196和FET198所組成開關電路形式。
遠程壓力讀出電路86所提供信號的時隙的持續(xù)期和信號順序并不很嚴格，只要該順序和持續(xù)期已知就行。所要求的只是在控制臺18能分出這三個信號，從而用于診斷。
運用本發(fā)明，在必須派出維修人員去工廠確定故障原因之前，在控制室內就可以檢查故障。表1所示的是一故障檢查表，當發(fā)現(xiàn)控制環(huán)工作不正常時，在控制室內就可檢查故障。該表的依據(jù)是接收的遠程壓力讀出信號，其頻率表示I/P變換器20所檢測的輸出壓力。
表1I/P壓力 指示 所指示的問題A.檢查輸入 正常 閥門阻塞或不能工作B.壓力處于高端 不正常 I/P模塊損壞
C.壓力0 不正常 氣動源無壓力，檢查管線或調整系統(tǒng)是否阻塞，最后檢查I/P是否阻塞或凍結。
D.在量程低端 部分量程 調正器設置不對，或調正器已I/P壓力 正確 壞了氣動源壓力不足。
跟蹤輸入變化E.在量程高端 部分量程 1.重新校正I/P或者I/P壓力 正確 2.替換I/P模塊可跟蹤輸入F.輸入步進變 不能用 1.過濾器/調正器太臟，或者化時，I/P 2.I/P阻塞-替換模塊壓力響應遲 3.部件凍結純G.I/P壓力 不正確 1.要對I/P重新定標偏移 2.替換模塊(檢查電路板的銹蝕若銹蝕，替換它)H.環(huán)路不穩(wěn)定， 不正確 I/P模塊或控制器有毛病。
若穩(wěn)定后，做FI.線路上無遠 I/P模塊壞了。
程壓力讀出信號，但IT＝4-20毫安(二線環(huán)正常)
從表1可看出，許多故障原因并不一定是I/P變換器。在去工廠檢廠檢查之前，維護人員可以從這些資料中獲得一定印象故障原因是什么以及應首先檢查控制環(huán)的什么部件。從而可節(jié)省時間減少代價。
本發(fā)明的I/P變換器可取得有重大價值的好處而不會使裝置的價格有大的增加。如在具體方案中所表明的，只需要少量低價電路就可獲得重要的新特性這可大大增加I/P變換器價值和可維護性。
盡管本發(fā)明是參照具體方案來描述的，但熟悉這方面技術的人員會發(fā)現(xiàn)可以在形式和細節(jié)上作些改變仍不違背本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種根據(jù)可變輸入直流電流的大小提供輸出壓力的電流/壓力變換器，該變換器包括把該變換器連接到傳送輸入直流電流的裝置；提供表征輸出壓力的反饋信號的裝置；提供一隨該輸入直流電流和邀反饋信號變化的控制信號的裝置；提供一隨該控制信號變化的輸出壓力的裝置；以及通過傳送輸入直流電流的線路傳送一時變信號的裝置，該時變信號具有可指示該變換器的工作是否正常的特征。
2.如權項1所述的變換器，其中，發(fā)送裝置對該反饋信號敏感，它產生的時變信號的某個特性隨反饋信號變化。
3.如權項2所述的變換器，其中，發(fā)送裝置產生一時變信號，該信號的頻率是該反饋信號的函數(shù)。
4.權項1的變換器，其中，發(fā)送裝置能對反映輸入直流電流大小的信號作出反應，以產生一時變信號，該信號具有隨輸入直流電流大小變化的特性。
5.權項1的變換器，其中，發(fā)送裝置對控制信號敏感，以產生一時變信號，該信號具有隨控制信號變化的特性。
6.權項1的變換器，其中，發(fā)送裝置對多個信號敏感，并產生一時變信號，該時變信號的不同部分表征該多個信號的各個信號。
7.權項6的變換器，其中，該多個信號包括反饋信號。
8.權項7的變換器，其中，該多個信號包括表征輸入直流電流大小的信號。
9.權項8的變換器，其中，該多個信號包括控制信號。
10.權項6的變換器，其中，被該發(fā)送裝置產生的不同部分按時間劃分。
11.權項6的變換器，其中，被該發(fā)送裝置產生的不同部分是按頻率劃分的。
12.一種在其輸出提供輸出流體壓力的電氣控制裝置，該輸出隨可變輸入直流電流大小而改度，該裝置包括能與傳送可變輸入直流電流的線路相連接的第一和第二端子，并且該控制裝置唯一由該第一及第二端子間的可變輸入直流電流來供給能量;分別與該第一及第二端子相連的第一和第二導線;接收輸入直流電流并提供表征該輸入直流電流大小的電信號的第一電路裝置;接收輸出壓力并提供表征該輸出壓力的電流號的壓力檢測器裝置;放大裝置，它接收表征輸入直流電流大小的信號，接收表征輸出壓力的電信號并提供與這兩個電信號相關的控制信號;輸出轉換裝置，它提供受該控制信號控制的輸出壓力;接收表征輸出壓力的電信號并提供一個用其頻率表征該輸出壓力的信號的電路裝置;以及接口裝置，它接收用其頻率表征輸出壓力的信號，并把一個用其頻率表征該輸出壓力的時變信號無干擾地迭加在輸入直流電流上。
專利摘要
電流/壓力(I/P)變換器產生的輸出壓力隨可變輸入直流電流的大小而變化。該I/P變換器包括—壓力傳感器，它產生表征出壓力的反饋信號。根據(jù)該反饋信號和輸入直流電流的大小產生一電控制信號，該信號控制一個裝置來改變輸出壓力。I/P變換器也包括一產生時變信號的電路，該時變信號通過傳送輸入直流電流的電流環(huán)線送回來。時變信號可指示I/P變換器的工作是否正常。這可以不必親自檢查I/P變換器就能診斷控制系統(tǒng)故障的原因。
文檔編號G05D16/20GK87106633SQ87106633
公開日1988年7月6日 申請日期1987年9月30日
發(fā)明者喬治·C·布朗, 格拉德·R·庫希 申請人:羅斯蒙德公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan