专利名称：带有可选择、可调节输入滤波器的电流-压力换能器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电流-压力换能器，具体而言，涉及带有可选择、可调节输入滤波器的电流-压力换能器。
背景技术：
例如用来控制液体或气体流动过程的控制系统典型地包括一个与执行机构耦合的电流-压力换能器，而该执行机构又与控制过程的阀门耦合。过程控制器的输出信号耦合到控制过程的电流-压力换能器上。
在一个开环过程控制系统中，过程控制器向电流-压力换能器馈送一个4-20mA的控制信号，而电流-压力换能器又将该控制信号转换为一个输出压力，它使得执行机构操作阀门从而以预先确定的方式来控制过程。相反，在闭环过程控制系统中，传感器检测受控过程的参数值，从而可以将该参数值反馈至过程控制器。过程控制器随后不断地调节其输出信号以使检测得到的过程参数与称为检测过程参数的设定值或者所需值的输入命令之间的差值最小。
在受控过程的时间常数较小的应用场合下，需要采用的是连接在隔膜簧传动机构上具有缓慢的第一阶响应的电流-压力换能器。有一种这样的换能器是由Fisher控制设备国际有限公司制造的546型电流-压力换能器。这种换能器在响应特性上类似于一个时间常数较大的单极、低通滤波器。
换能器技术的其它发展是出现了在与诸如隔膜簧执行机构之类执行机构连接时具有速度更快的第二阶滤波器特性的换能器。当可以采用这些换能器来操作快速过程闭环控制中的执行机构时，为了使这些换能器的过程控制阻尼达到与具有相对较低的第一阶滞后特性的换能器一样的水平，必须通过重新调整过程控制器来降低其比例增益。在有些情况下，即使在为实现系统的稳定而重新调整了控制器之后，受控过程变量或参数仍然显现出过冲或限于几周(即小幅度振荡)，或者无法与命令输入信号或设定值保持所需要的一致并且响应的速度慢于设定点的变化。
例如当电流-压力换能器长期暴露在振动、不利的温度环境下或者经过一般的磨损而引起的老化或用坏，或者仅仅是在技术上需要将换能器或其它系统部件更新换代而必须替换时，将会产生上述问题。在这些情况下，换能器和执行机构的响应特性从第一阶变化至第二阶滞后特性会给过程环路调整和控制带来不利的影响。
发明内容
本发明提供克服了上述问题的一种带有可选择、可调节输入滤波器的电流-压力换能器。
按照本发明的一个方面，为产生压力响应于控制信号的设备包括一个带有为产生压力对控制信号作出响应的装置的电流-压力换能器和放置在控制信号与电流-压力换能器中间的滤波器。该滤波器具有时间常数可调的动态输入-输出特性从而可以改变动态输入-输出特性。该设备还包括选择接通和断开滤波器的装置。比较好的是滤波器包含电流-压力换能器的积分部分。
在一个实施例中，滤波器为起支配作用的第一阶滞后滤波器，并且比较好的是低通滤波器。该滤波器包括一个运算放大器并且可进一步包括与运算放大器耦合的电阻-电容网络。作为另一种选择，滤波器可以是数字式滤波器并包括完成数字运算以导出动态输入-输出特性的计算装置。比较好的是在后一实施例中的计算装置包括一个微处理器。
用来控制带过程参数过程的系统包括检测过程参数的检测装置、带有接收源于检测得到的过程参数的输入信号的装置和根据输入信号导出控制器输出信号的装置的控制器、为产生压力响应于控制器输出信号的电流-压力换能器、响应于换能器产生压力的阀门执行机构和响应于阀门执行机构的过程控制用阀门，本发明对系统作了改进，它包括在控制信号与电流-换能器中间放置一个滤波器，该滤波器所具有的输入-输出特性基本上保证了系统增益小到足以维持系统的稳定而大到能够通过调整过程参数基本上补偿过程中负载的变化。滤波器的动态输入-输出特性包括一个用户可调的时间常数从而可以改变输入-输出特性。而且，提供了可以选择接通和断开滤波器的装置。
附图的主要说明本发明那些新颖特征在后面所附权利要求中将特别指出。通过以下结合附图的描述可以最好地理解本发明的内容，在附图中相同的标号表示相同的部件。
图1为表示采用本发明换能器的过程控制环路的方框图；图2为表示按照本发明的带有可选择、可调节输入滤波器的电流-压力换能器的方框图；图3为表示图2中输入滤波器模拟式实施例的示意图；以及图4为表示图2中数字式实施例的示意图。
实施发明的较佳方式首先参见图1，过程控制系统20包括一个与阀门执行机构24耦合的电流-压力换能器22，而该阀门执行机构又与控制过程28的阀门26耦合。过程28可以是流动过程，即液压过程或者小容量气压过程或者其它任何所需的过程。过程控制器30向电流-压力换能器22馈送一个4-20mA的控制信号以控制过程28。
过程控制系统20可以是一个开环系统或者闭环系统。在一个闭环系统中(图1所示)，传感器34检测诸如流速或压力、温度、液面、比重或者其它所需参数的过程参数值36。检测得到的参数值36耦合至加法器38的反相输入端，而加法器用来计算输入命令信号或设定值42与用传感器34检测得到的参数值36表示的信号44之间的差值。在开环过程控制系统20中(未画出)，省略了传感器34和加法器38，并且输入命令信号或设定值42直接耦合至过程控制器30从而以预先确定的方式控制过程28(即控制器输入并不响应于检测得到的过程参数值36)。
现在参见图2，电流-压力换能器22具有一个输入48(典型的是4-20mA的电流信号或者1-5V的电压信号，在这两种情况下它们都正比于4-20mA的控制信号32)和压力输出54。电流-压力换能器22还包括具有输入52的换能器50。电流-压力换能器22的压力输出54直接耦合至换能器50的输出55。
换能器50的输入52耦合至可以从与其耦合的两个输入信号中选择一个信号的信号选择器56。具体而言，信号选择器56不是选择由输入滤波器60滤波的滤波信号58就是选择作为简单通向电流-换能器22的输入48的未滤波信号62。换句话说，信号选择器56可以选择或者不选择滤波器60的滤波功能从而使得电流-压力换能器22可以在选用或不选用可选择、可调节输入滤波器60的情况下运行。
现在参见图1和2，在过程28动态特性是控制系统20起支配作用的装置中，由于不需要起支配作用的第一阶滤波器，所以信号选择器56没有选择输入滤波器60(即未经滤波的信号62耦合至换能器50的输入52上)。在其它过程28动态特性不占主导地位的系统安装中，信号选择器56选择输入滤波器60(即滤波信号58耦合至换能器50的输入52上)从而可以调节滤波器60以实现过程控制系统20的稳定性。
现在参见图3，以下将详细描述输入滤波器60。首先值得注意的是虽然以下描述的滤波器60是与模拟电路联系在一起的，但是对于本领域内技术人员显而易见的是，利用数字式装置(例如适于编程计算与图3所示等同的模拟滤波器60产生的相同输入-输出特性的微处理器)也可以实现滤波功能。
如图3所示，输入滤波器60包括一个带有正相输入端66、负相输入端68和产生输出信号的输出端70的运算放大器64。输出信号从输出端70反馈至负相输入端68。电阻72耦合于输入48与运算放大器64正相输入端之间。此外电容74耦合于运算放大器64正相输入端66与接地端76之间。
可以分别挑选电阻72和电容74的电阻值和电容值以使输入滤波器60的时间常数满足过程控制系统20稳定的需要。当然，正如本领域普通技术人员显而易见的是，时间常数值将取决于过程控制系统20中存在的所有起决定作用的滞后特性。
此外，作为替代上述信号选择器56的另一种选择和去选择滤波器60的装置，通过挑选电阻72和电容74的阻值和电容从而使滤波器60的时间常数很小或者为零可以有效地去选择滤波器60。换句话说，电阻72的阻值应该较小或者接近于零，并且在任何情况下都远远小于实际应用中所选运算放大器64的输入阻抗。电容应该是高质量、低泄漏型的(例如采用钽或陶瓷材料的)并且不应过大以加重输入48的瞬时负载。
在模拟方式的实施例中，通过将具有所需数值的电阻和电容元件耦合至滤波器60可以简单地选择电阻值和电容值。另一方面，在数字方式的实施例中，通过对数字滤波器合适的编程(即根据需要来软件编程或者硬件编程)，可以简单地将用户定义的参数设定为与滤波器所需时间常数对应的数值。此外，在数字方式的实施例中，可以选择另一种用户定义参数来选择和去选择滤波器60，从而在数字方式的实施例中提供与在上述滤波器60模拟方式下信号选择器56提供的相同功能。
当然，对于本领域内普通技术人员来说，滤波器60的滤波功能可以由其它任何模拟或数字式装置、电学或者机械装置代替上述图3所示运算放大器/RC电路来提供。在任何情况下，重要的是滤波器60具有动态的输入-输出特性，从而基本上保证过程控制系统20的增益(图1)小到足以维持系统20的稳定性而大到足以通过调节过程参数36(图1)补偿过程28(图1)中负载的变化。而且，不管换能器22中滤波器60的类型怎样，滤波器60的动态输入-输出特性都应具有一个可调节的时间常数来以上述方式改变动态输入-输出特性。因此，当在过程控制系统20中安装电力-压力换能器时，输入滤波器60的增益是增加的以调节滤波器60的输入-输出特性而维持过程控制系统20的稳定性。
现在参见图4，滤波器60数字方式的实施例包括微处理器78和诸如程序80(它适合于由微处理器78执行以根据输入比特流84(并行或串行)导出输出比特流82(并行或者串行)从而实现滤波器60的动态输入-输出特性)之类的计算装置。对于本领域内普通技术人员显而易见的是可以编制程序80来完成实现滤波器60的数字方式实施例所需的计算。数字滤波器还包括用户定义的参数86，用来选择滤波器60的时间常数和用户定义参数88用来选择和去选择滤波器60。作为数字方式实施例的一个可选附加特征，当用户定义的参数86设定为零并且用户定义的参数88设定为选择滤波器60时程序80可以采用时间常数的缺省设置。
再次参见图2，电流-压力换能器22可以选择与例如通过上述信号选择器56不能去选择的滤波器60配备在一起以用于那些总是需要滤波器的装置中(例如过程28的动态将永远不会在过程控制系统20中起主导作用的装置)。
与采用已有技术的无滤波的电流-压力换能器的过程控制系统20相比，按照本发明的带有可选择、可调节输入滤波器60的换能器22使得过程参数36能够更快地响应设定值42的变化。
显然，在上述描述的基础上，可以对本发明提出众多的修改和变化。因此本发明由后面所附权利要求的范围限定而不受上述具体描述的约束。
权利要求
1.一种用来产生压力的响应于控制信号的设备，其特征在于包括一个包含用来产生所述压力对控制信号作出响应的装置的电流-压力换能器；放置在所述控制信号与所述电流-压力换能器中间的滤波器并具有时间常数可调的动态输入-输出特性从而可以改变动态输入-输出特性；以及可选择接通和断开滤波器的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述滤波器包含所述电流-压力换能器的积分部分。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述滤波器为起支配作用的第一阶滞后滤波器。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述滤波器为低通滤波器。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述滤波器包括一个运算放大器。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述滤波器进一步包括与所述运算放大器耦合的电阻-电容网络。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述滤波器是数字滤波器。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于所述滤波器包括完成数字运算以导出所述输入-输出特性的计算装置。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于所述计算装置包括一个微处理器。
10.一种用来控制带过程参数过程的系统，所述系统包括检测所述过程参数的检测装置、带有接收源于检测得到的所述过程参数的输入信号的装置和根据所述输入信号导出控制器输出信号的装置的控制器、响应于所述控制器输出信号用来产生压力的电流-压力换能器、响应于所述换能器产生压力的阀门执行机构和响应于所述阀门执行机构的过程控制用阀门，其特征在于包括在所述控制信号与所述电流-压力换能器中间放置一个滤波器，所述滤波器所具有的输入-输出特性基本上保证了系统增益小到足以维持系统的稳定性而大到能够通过调整所述过程参数基本上补偿过程中负载的变化；以及可以选择接通和断开所述滤波器的选择装置；其中所述滤波器的动态输入-输出特性包含一个可调的时间常数从而可以改变所述输入-输出特性。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述滤波器包含所述电流-压力换能器的积分部分。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述滤波器为起支配作用的第一阶滞后滤波器。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述滤波器为低通滤波器。
14.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述滤波器包括一个运算放大器。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述滤波器进一步包括与所述运算放大器耦合的电阻-电容网络。
16.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述滤波器是数字滤波器。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述滤波器包括完成数字运算以导出所述输入-输出特性的计算装置。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于所述计算装置包括一个微处理器。
全文摘要
一种响应于控制信号以产生压力的设备，包括一个包含对控制信号作出响应以产生压力的装置的电流-压力换能器；放置在所述控制信号与所述电路-压力换能器中间的滤波器并具有时间常数可调的动态输入-输出特性从而可以改变动态输入-输出特性；以及可选择接通和断开滤波器的装置。
文档编号A61K9/20GK1158171SQ95195106
公开日1997年8月27日 申请日期1995年8月3日 优先权日1994年8月12日
发明者G·W·盖斯曼 申请人:费希尔控制国际公司