CN1061091A - 多功能可调变换器 - Google Patents

Abstract

能手调量程间隔、零等的过程变量变换器，具有 一个细调范围，其中输出根据调节位置的变化而变 化，还有一个粗调范围，其中输出作为时间的函数而 自动变化，以便进行粗调。操作者可以在这两个范围 之中来回调节，直至得到所要求的输出值。当调节完 毕，操作者可以手动选择所要求的变换器输出值，然 后选择电路在非易失性存储器中将设置存储。设置 存储后，变换器输出对手调动作不敏感，而代之以受 存储的设置控制。

Description

本发明涉及具有手调输出参数，例如量程间隔、零或上限值及下限值的过程变量变换器。

本发明涉及一种过程变量的变换器，它具有手调设置，例如变换器输出的量程间隔、零或上限值及下限值。每次手动调节都可以在一个精细的范围内进行，其中变换器的输出对手动调节本身的变化作出响应，从而提供一种经精细调节的变换器输出。此外，手动调节也可以在一个粗略的范围内进行，其中变换器输出作为时间的函数而自动变化，以提供一种粗略的调节。操作者可以在精细和粗略范围内来回进行手动调节，直至得到一个所需的变换器输出值。当调节完毕，操作者可以手动选择所需的变换器输出值，然后变换器中的选择装置向变换器中的非易失性存储装置发出一个存储命令，存储上述设备。当设置被存储之后，变换器的输出对手动调节的动作不敏感，而代之以受存储的设置控制。

变换器所受到的碰撞和震动会移动调节的设定位置，然而，一旦设置被存储，便不会影响变换器输出的调节。当变换器断电时，设置也不会丢失，因为设置是存储在非易失性存储器中的。

图1是本发明变换器的第一实施例的框图。

图2是本发明变换器的第二实施例的框图。

图3表示响应于手调动作和时间的经调节的电输出，对时间的变化率取决于滑臂位置。

图5表示响应于手调动作和时间的经调节的电输出，对时间的变化率随时间作指数增长。

图1是变换器50的第一实施例，包括传感装置52，用来检测过程变量54，例如压力、温度、流量、PH值，等等。传感装置52最好包括一个传感器，并采用微机控制代表检测到的过程变量54的变换器输出56。变换器输出56最好和为变换器提供能量的4～20mA电流回路相联，变换器输出56控制回路电流的幅度，表明过程变量的值。

变换器50适用于具有不同要求的各种应用，能调节变换器对过程变量的输出的上限值（20mA）和下限值（4mA），在一个示范性应用中，变换器50是一个压力变换器，当压力是100PSI时，输出为20mA，当压力是0  PSI时，输出为4mA。在另一个示范性应用中，同样的压力变换器50，当压力是50PSI时需要输出20mA，而当压力是30PSI时，需要输出4mA。对每一种应用都要求手动调节来调整变换器输出的上、下限值，或者说量程间隔和零。同样，对其它过程变量和其它类型的变换器输出来说，也要求在变换器局部地进行手动调节。

图1中，调节装置58接收施加到电位器62或其它手动输入部件例如光编码器上的手动调节信息60。调节装置58将手动调节60转换成经调节的电输出64。手动调节60分成两段。在精细的手动调节范围内，被调节的电输出64随手动调节60本身的位置变化而改变。该精细的范围提供精细的调节，并且一般位于电位器62行程范围或其它手动输入部件的中间部分。在粗略的手动调节范围内，被调节的电输出64作为时间的函数而变化。粗略调节的范围一般靠近电位器62行程范围或其它手动输入部件的两端。在一个实施例中，在靠近电位器行程范围的一端，被调节的电输出随时间而增大;而在靠近电位器行程范围的另一端，则随时间减小。还可以采用其调节是作为时间函数的粗略调节范围的其它方案。可以是一个单个的粗调范围，其中被调节的电输出64在整个有效的变换器输出设置范围内以锯齿被形成交替地上、下变化。随时间的粗调速度可以是固定的，而成为手动调节的函数，或者速度可以是调节位于粗调范围之内的时间长度的函数，如希望的那样。

调节装置58最好包括一个电位器62和一个模/数转换器，向变换器50中的微机提供成为一个数字字的被调节的电输出64。在粗调范围内随时间的调节也最好由微机控制。

被调节的电输出64与变换器50中的存储装置66和选择装置68相连。存储装置66由非易失性存储器组成，例如电可擦可编程序只读存储器（EEPROM），用于存储一个或多个经调节的电输出64的设置，它们对应于量程间隔、零、上限值及下限值设置，等等。当一个相应的STORE（存储）命令70加到存储装置66上时，对每个被选择的调节都存储一个被调节的电输出64的值。存储装置66将对应于每个存储的设置的存储值72提供给选择装置68。

选择装置68接收被调节的电输出64并存储值72（它可以包括多个调节的多个设置，例如变换器输出的上限及下限设置）。手动选择输入部件74（它可以是一个在变换器上由操作者控制的开关设置）与选择装置68相联，对具有经调节的电输出64和存储值72的应用到选择输出76的选择进行控制。手动选择输入部件74有一个STORE位置和每种所要求设置（例如，变换器输出的上、下限值）对应的位置。当操作者搬动手动选择输入部件74从而选择STORE位置时，选择装置68向存储装置66发出一个STORE命令，为在手动选择输入部件74选择的最后一次设置，存储一个存储值。当手动选择输入部件74停留在STORE位置，输出76仅由存储的设置值组成，而不包括经调节的电输出64。当手动选择输入部件74停留在STORE位置，经选择的输出76与由碰撞、震动或干扰引起的电位器62的偶然驱动无关。当手动选择输入部件74处于选择例如下限值设置的选择位置时，经调节的电输出64作为被选择的设置（下限值）提供给选择输出76。选择输出76与传感装置52相联，提供用于控制将检测的过程变量54转换成输出端56上的值的转换参数设置。选择装置68最好用微机程序实现。

传感装置52根据所选择的等式计算变换器输出56，该等式是检测到的过程变量54和从选择输出76得到的参数设置的函数。一般来说，转换关系就是一条简单的直线，即表示变换器输出56和检测到的处理变量54之间关系的线性方程，其比例系数和截距受选择输出76控制。变换器输出56和检测到的处理变量54之间的其它关系，如平方根关系，也可以采用。

图2示出了本发明的变换器的第二实施例。传感器10检测过程变量，如压力、温度、流量及PH值，等等。传感器10产生一个代表检测到的过程变量的模拟传感器输出，并将其送至模/数（A/D）转换器11、A/D转换器11将模拟传感器输出转换成数字传感器输出，而后与微机12相联。微机12包括非易失性存储器13，用于存储调节设置及其它。微机12计算作为设置和数字传感器输出的函数的数字变换器输出。数字变换器输出与数/模（D/A）转换器14相联，向回路控制器15提供一个模拟变换器控制输出。回路控制器15在端点17、18与电流回路16相联，并控制回路16中的电流，使其幅度代表检测到的过程变量。回路16包括一个电阻器21和端点19、20间的一个直流电源，它们都远离变换器。端点20、22之间的电阻器21上的电压代表检测到的过程变量。

端点19、20之间的回路电源给回路电流控制器15提供电能。接下来，回路电流控制器15再向回路电流控制器中的电源23供电，它向导线24、25上的所有变换器电路供电。

图2中，电位器26接收操作者发出的手动调节，并将一个模拟电压提供给微机12。微机12感测该模拟电压并产生一个经调节的电输出（例如，微机存于RAM中的一个字），它取决于由微机判定的在精调或粗调范围内的该模拟电压。如果模拟电压处在精调范围内，那么被调节的电输出的幅度随电位器26自身所感受到的手动调节位置而变化。如果模拟电压处在粗调范围内，那么被调节的电输出的幅度作为时间的函数而变化。精调范围最好在电位器可调节部分的中间，而粗调范围包括电位器可调部分两端附近的可调节部分。

在最佳实施例中，电位器在其中心部分提供可调电输出的更为精细的调节，并在电位器行程的两个端点附近提供作为时间函数的粗略调节。操作者可以在精细和粗略范围内来回进行手动调节，直至得到一个所需的变换器输出值。当调节完毕，操作者可以用手启动开关电路27，将所要求的变换器输出值作为按要求设置的上限值或下限值存储在非易失性存储器13中。开关电路27有三个位置，一个用来设置上限值（一般是20mA回路电流），一个用来设置下限值（一般是4mA回路电流），一个用来向非易失性存储器发生STORE命令。当开关电路27处在STORE位置时，变换器上、下限值的设置对由于碰撞、震动和干扰引起的电位器26的运动不敏感。

图2中，微机12有好几种用途。微机提供用于调节作为检测到的电位器位置函数的被调节的电输出的调节装置，使之调节或作为时间函数或作为位置函数的被调节的电输出，这取决于检测到的调节输入的范围。微机包括非易失性存储装置13，用于当开关27发出STORE命令时，存储设置的一个存储值。微机包括选择装置，用来选择或是一个存储值或是经调节的电输出，这取决于开关电路27的位置。微机12响应于开关电路27移动到存储位置产生STORE信号。微机12计算作为检测到的过程变量和由操作者通过开关27和电位器26提供的设置的函数的输出。

图3中，示出的经调节的电输出64是对手调动作和时间的响应。标以“滑壁位置”的轴线代表电位器例如电位器26或62的滑臂的机械位置。标以“输出”的轴线代表经调节的电输出，例如经调节的电输出64。

图3中，44是经调整的电输出对操作者移动电位器滑臂作出的第一条响应曲线。在由垂直虚线画出的滑臂行程的中心区域，输出根据滑臂位置本身变化。在44所示的中心区域的变化是线性的，然而，也可以采用更复杂的函数关系。当滑臂移向中心区域的左边，输出变得对滑臂位置不敏感了，如水平线所示。在该左侧区域，输出依赖于时间变化，并且作为时间的函数，输出减小，如向下箭头所示。所有箭头都是等长的，这说明对时间的变化率基本上与滑臂位置无关。在中心区域44的右边是滑臂位置的另一区域，其输出随时间以一固定速率增大。这样，通过简单地将滑臂留在中心区域的左边或右边，操作者就可以造成一个很大的、很粗略的变化范围。一旦输出接近操作者所期望的值，操作者安排使得电位器的有限的分辨率被限制在一个相对比较小然而又可移动的范围内。其结果能通过变换器在设置的整个范围内得到高分辨率的调节。

在图3的44′，示出了类似于44的另一种情况，然而，对时间的变化率的幅度是通过滑臂位置来调节的。这使得操作者能很快地进入所要求的总体调节范围，然后当接近所期望的设置时再移动滑臂，放慢调节速度，最后平稳地进入中心区域，在存储该调节之前，完成细调。

下面来看图4，图3所示的时间调节率出现的一个问题是作为时间的函数变化的经调节的电输出可能因手动调节的偶然停留而延长一个时间间隔。变换器的输出不能继续无限地增大或减小，最终要达到上限值或下限值，例如在4至20mA的变换器输出中，电流饱和值为3.5mA或25mA。当变换器输出达到这一界限，而经调节的电输出超过这一界限时，变换器输出对滑臂位置的进一步变化并不立即作出响应，在操作者看来，调节好像并没起作用。当操作者返回去进行所期望的调节时，要等一段很长的时间使输出回到所要求的设置。在图4所示流程图的最佳实施例中，变换器对经调节的电输出和存储值进行比较，如果在变换器输出和经调节的电输出之间存在这样大的不一致或差别，那么经调节的电输出自动复位到存储值作为初始设置。这一运行过程自动将变换器输出电流恢复到不饱和范围，在该范围内的变化可以被操作者观察到。这样就避免了调节过程中的长时间滞后现象。

图4中，示范性的压力变换器的复位操作始于步骤30。在步骤31，操作者先向压力变换器施加一个基准，该基准是对应于上限值的压力。接下来操作者将选择器开关设置到上限值，如步骤32所示。将选择器开关设置到上限值被微机感测到，微机通过执行步骤33所示的逻辑检验对此作出响应。在步骤33，计算经调节的电输出（初始输出值）和当前存储的输出值（存储值）之差。如果差值小于预定量（差别阈值），那么不进行复位，并且校准继续进行，如步骤35所示。然而，如果差值超过差别阈值，那么改变经调节的电输出（校准参数），使其接近电流存储值，如步骤34所示。步骤34的变化完成之后，校准继续进行，如步骤35所示。在步骤35，操作者进行如前述的细调和粗调。调节完毕之后，操作者将选择开关移向“存储”位置，如步骤36所示，存储新的设置。

对其它所要求的设置来说，可以重复图4所示的过程。在一个进一步的改进中，在不改变调节位置的情况下，对被调节的电输出64可以作为时间的函数变化的时间段设置了一个时限。一般来说，该时间为15分钟。如果在这段时间内操作者不移动调节位置，那么变换器将自动离开调节方式。

图5中，示出了响应于手调动作和时间的被调节的电输出64。标以“输出”的第一根轴线代表经调节的电输出64的值。标以“滑臂位置”的轴线段代表电位器滑臂行程的中心区域的电位器滑臂位置。在滑臂位置轴线线段两边的标以“时间”的轴线线段表示当电位器的滑臂位置处于中心区域之外时持续时间的长度。当滑臂位于中心区域时，经调节的电输出64具有初始值，如图5中的80所示。当操作者向左移动滑臂至图中的81，经调节的电输出值作为滑臂位置的函数而减小。当滑臂继续左移，离开中心区域，那么经调节的电输出64具有如图5中82处所示的值。在81和82处，经调节的电输出64的值基本一样，然而，由于滑臂在82处位于中心区域外面，所以输出作为调节离开了中心区域的时间长度的函数而呈指数形式变化。被调节的电输出64作为时间的函数呈指数形式变化的情况，示于图5中的83。操作者允许被调节的电输出64随时间作指数形式变化，直至被调节的电输出64接近在84处的所要求的值，然后，操作者将滑臂移回中心区域，在该区域中，被调节的电输出再次成为位置的函数，如85处所示。

另一方面，如图5所示，操作者可以从80处向右移动滑臂，以增大输出，如86处所示。随时间所做的呈指数形式的变化提供了粗略的调节，而随位置的调节是细调。指数函数仅仅是个示例，其它函数也可以采用，其中被调节的电输出64对时间的变化率随滑臂位于中心区域之外的时间延续而增大。

本发明的变换器输出调节允许对变换器输出值的上、下限进行任意选择。当施加下限和上限基准压力时，输出并不限定设置为4mA和20mA，输出可任意设置成变换器工作界限内的其它值。下限值可设置为8mA，而上限值可设置为12mA，然后变换器将根据这些设置在整个4～20mA输出范围内工作。于是，即使在上、下限上不能利用基准压力时，变换器仍可以校准在所选择的范围内工作。

根据本发明，对变换器输出参数设置的调节，不管先进行哪一个个，都可以做到相互不影响。调节不调整存储在微机等式中的参数，而该等式计算变换器的输出。互不影响的量程间隔和零的最佳调节方法由下式表示：

DACOUT＝（NFN-SET4）2^SHIFT× (SPAN)/(2SHIFT) +MINVAL

其中：

DACOUT  代表变换器输出;

NFN  代表检测到的过程变量经线性化和滤波后得到的值;

SET4  代表零设置;

SPAN  代表量程间隔设置;

SHIFT  代表一个指数，调整为使计算值例如SPAN/2SHIFT保持在微机合适的计算范围内;

MINVAL  代表在最后一次零设置时变换器输出的输出值。

变换器输出调节的最佳方法可以采用上述等式，通过向图1中的调节装置58提供一系列的数字输入而实现。提供给调节装置58的一系列数字输入作为手动调节和设置的替代调节经调节的变换器输出64。通过采用监视变换器输出56和将数字调节及设置反馈回调节装置58的系列数字输入的校准部件，变换器能够在初始校准之后，自动地再次进行调整。作为该再次自动调整的第一步，校准部件向传感装置52提供一系列输入，以便向传感装置52提供一个过程变量的替换的仿真值（NFN）。当提供该替换值时，如专用集成电路（ASIC）那样的提供实际压力读数的电路被阻塞。然后校准部件检测变换器输出。如果需要调节，则向调节装置58的系列数字输入发生一个调节输出，按需要增大或减小经调整的电输出64，直至被校准部件检测到的变换器输出处于所要求的设置。然后，调节被存储在变换器的EEPROM中，如前所述。对另一个变换器设置来说重复该过程，以致于量程间隔和零都能自动设置。再次调整完毕之后，ASIC重新启动，于是输出再次代表压力。

虽然本发明是参照最佳实施例来描述的，但是本领域的技术人员应该懂得，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式上和细节上做各种改动。

Claims (16)

1、一种变换器，其特征在于包括：

接收操作者手调动信息的手动调节装置，用来在整个手调动作的细调和粗调范围内对被调节的电输出进行细调和粗调，被调节的电输出在粗调范围内以一个对时间的变化率自动调节，并且在细调范围内根据手调动作本身的变化手动调节；

存储装置，当接收存储命令时，在非易失性存储器中存储作为存储值的经调节的电输出；

接收操作者手动选择的选择装置，用来当操作者选择“调节”之后选择被调节的电输出，以及当操作者选择“存储”之后选择存储值，当操作者选择“存储”时，选择装置还提供存储命令；以及

检测过程变量的电路装置，用来控制变换器输出，该输出代表过程变量并具有被选择控制的参数，使得参数能粗调和细调，然后，通过存储使之对调节不敏感。

2、权利要求1的变换器，其中粗调范围包括第一部分和不同于第一部分的第二部分，在第一部分中，被调节的电输出随时间自动增大，在第二部分中，被调节的电输出随时间自动减小。

3、权利要求1的变换器，其中粗调范围提供一个被调节的电输出，它二中择一地随时间自动增大和减小。

4、权利要求2的变换器，其中传感装置提供一个限制在变换器输出范围内的变换器输出，细调范围在变换器输出范围的一部分上提供细调，而粗调范围在电调节的整个范围内提供细调的粗略部位。

5、权利要求4的变换器，其中被调节的电输出包括变换器输出的零设置。

6、权利要求4的变换器，其中被调节的电输出包括变换器输出的量程间隔设置。

7、权利要求4的变换器，其中被调节的电输出包括变换器输出的下限值设置。

8、权利要求4的变换器，其中被调节的电输出包括变换器输出的上限值设置。

9、权利要求4的变换器，其中电路装置具有由选择装置互不影响地控制的第一和第二参数。

10、权利要求9的变换器，其中参数是一个等式中的项SPAN和SET4，实质上根据该等式控制变换器输出：

DACOUT＝（NFN-SET4）2SHIFT× (SPAN)/(2SHIFT) +MINVAL

其中  DACOUT代表变换器输出;NEN代表过程变量;SET4代表零设置;SPAN代表量程间隔设置;SHIFT代表一个指数，调整为使计算值例如SPAN/2SHIFT保持在合适的计算范围内;MINVAL代表在最后一次零设置时变换器的输出值。

11、权利要求4的变换器，其中变换器包括复位装置，用来从存储值中减去变换器输出值，以便计算出差值，当该差值超过存储在复位装置中的预定的差别界限时，复位装置实质上将存储值重新设定成变换器输出值。

12、权利要求4的变换器，其中变换器包括再次调整装置，用来从外部源接收数字输入，并调节作为该收到的数字的函数被调节的输出。

13、一种控制代表过程变量的变换器输出的变换器，该变换器接受变换器输出的手调，其特征在于包括：

调节装置，用来提供被调节的电输出，该输出在手动细调范围内，根据收到的手调的变化而改变，而在手动粗调范围内，作为时间的函数而自动改变;

存储装置，响应于收到的存储命令，在非易失性存储器中存储作为存储值的被调节的电输出;

选择装置，响应于收到的手动选择，提供一个从被调节的电输出和存储值中选出的被选择输出，该选择装置当选择了存储值时，提供存储命令;以及

与过程变量相联的传感装置，用于控制变换器输出，当选择装置选择被调节的电输出时，传感装置调节作为被调节的电输出函数的变换器输出，在细调范围内对手动调节的变化作出响应，并在粗调范围内作为时间的函数而变化，当选择装置选择存储值时，传感装置还提供实质上与手动调节的变化无关的变换器输出。

14、权利要求13的变换器，其中粗调范围包括第一部分和不同于第一部分的第二部分，在第一部分中，被调节的电输出随时间自动增大，在第二部分中，被调节的输出随时间自动减小。

15、权利要求13的变换器，其中粗调范围提供一个被调节的电输出，它二中择一地随时间自动增大和减小。

16、权利要求14的变换器，其中传感装置提供一个限制在变换器输出范围内的变换器输出，细调范围在变换器输出范围的一部分上提供细调，而粗调范围在电调节的整个范围内提供细调的粗略部位。

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