HU216666B

HU216666B - Eljárás és készülék kapacitás hőkompenzálására és kétlemezes kapacitív nyomástávadóban való alkalmazására

Info

Publication number: HU216666B
Application number: HU9401103A
Authority: HU
Inventors: Lyle E. Lofgren; John P. Schulte; Brian Seeman
Original assignee: Rosemount Inc.
Priority date: 1991-10-18
Filing date: 1992-10-13
Publication date: 1999-08-30
Also published as: RU2108556C1; IL103209A; MX9205753A; US5281922A; WO1993008479A1; TW287284B; US5237285A; EG20331A; SG49261A1; JP3233404B2; HU9401103D0; CA2119437A1; HK1009985A1; EP0608355A1; HUT68107A; MY108023A; KR100196808B1; BR9206643A; JPH07500188A; AU662934B2

Abstract

A találmány tárgya készülék nyőmáskülönbségjel távadásárakétvezetékes, áramhűrkős átviteli egység számára, és amelyneknyőmáskülönbséget elektrőmős kapacitív jellé átalakító kapacitív nyőáskülönbség-érzékelője van, valamint egy, a házba (31) cserélhetőenszerelt, a beépített mődűl (28) csatl0akőzóérintkezőihez és akétvezetékes áramhűrőkhőz való csatlakőztatásra alkalmassá tett, cserlhető mődűllal (26) rendelkezik, a cserélhető mődűl (26) pedig amérőjelre adőtt válaszként a kétvezetékes áramhűrőkban főlyó áramőt(IL) szabályőzó és a kétvezetékes áramhűrőkból energiát felvevőelektrőnikűs áramkörrel van ellátva. A találmány lényege, hőgy ahőmérsékletfüggés kőrlátőzása útján a mérőjelet befőlyásőló szórtkapacitás részbeni kőmpenzálására a beépített mődűlba (28) szerelt eektrőnikűs kőmpenzáló-áramkörrel (118) rendelkezik. A beépített mődűl(28) alkalmas az MACDA kőmpenzálókapacitású analóg cserélhető mődűlhőz(26) és CDD kőmpenzálókapacitású digitális, cseré hető mődűlhőz (26)való csatlakőztatásra. A beépített mődűl (28) egy CDM kapacitásúkőndenzátőrt (124) magában főglaló kapacitív kőmpenzáló-áramkörrel(118) van ellátva, ahől a CDM kapacitás úg van megválasztva, hőgy azMACDA kőmpenzálókapacitás és a CDD kőmpenzálókapacitás egymássalkiegyenlített értékű. A találmány tárgyáhőz tartőzik a kétvezetékestávadóval megvalósítőtt eljárás is, amely sőrán a maradék szórtkapacitást a cserélhető mődűlban (26) elhelyezett áramkörrel (128)kőmpenz lják; és a mérőjel váltőzására adőtt válaszként a kétvezetékesáramhűrőkban főlyó áramőt (IL) váltőztatják. A CDMkőmpenzálókapacitást egy váltőztatható kapacitású kőndenzátőrral (124)valósítj k meg, amely kőndenzátőr (124) elektródaként egy csapőt ésegy fémházat tartalmaz, ahől a csapőt a ház fűratába helyezik be, afűratőt a csap körül egy dielektrőmős anyaggal kitöltik. A kőndenzátőrk pacitását úgy váltőztatják meg, hőgy a csapőt a fűratba különbözőmélységbe tőlják. ŕ

Description

hőmérsékletfüggés korlátozása útján a mérőjelet befolyásoló szórt kapacitás részbeni kompenzálására a beépített modulba (28) szerelt elektronikus kompenzálóáramkörrel (118) rendelkezik. A beépített modul (28) alkalmas az M_AC_DA kompenzálókapacitású analóg cserélhető modulhoz (26) és C_DD kompenzálókapacitású digitális, cserélhető modulhoz (26) való csatlakoztatásra. A beépített modul (28) egy C_DM kapacitású kondenzátort (124) magában foglaló kapacitív kompenzáló-áramkörrel (118) van ellátva, ahol a C_DM kapacitás úgy van megválasztva, hogy az M_AC_DA kompenzálókapacitás és a C_DD kompenzálókapacitás egymással kiegyenlített értékű.

A találmány tárgyához tartozik a kétvezetékes távadóval megvalósított eljárás is, amely során a maradék szórt kapacitást a cserélhető modulban (26) elhelyezett áramkörrel (128) kompenzálják; és a mérőjel változására adott válaszként a kétvezetékes áramhurokban folyó áramot (I_L) változtatják. A C_DM kompenzálókapacitást egy változtatható kapacitású kondenzátorral (124) valósítják meg, amely kondenzátor (124) elektródaként egy csapot és egy fémházat tartalmaz, ahol a csapot a ház füratába helyezik be, a furatot a csap körül egy dielektromos anyaggal kitöltik. A kondenzátor kapacitását úgy változtatják meg, hogy a csapot a furatba különböző mélységbe tolják.

A találmányunk ipari folyamatirányító rendszerekben használt távadókkal kapcsolatos. Pontosabban behatárolva : a találmány tárgya szórt kapacitás kompenzálása kapacitív nyomáskülönbség-érzékelőt használó távadókban.

Kétvezetékes távadókat - csakúgy, mint három- és négyvezetékes távadókat - széles körben használnak ipari folyamatirányító rendszerekben. A kétvezetékes távadóknak két csatlakozóérintkezőjük van, melyek feszültségforrást és terhelést is magában foglaló áramhurokhoz csatlakoznak. A kétvezetékes távadót az áramhurokban folyó hurokáram táplálja. A kétvezetékes távadó a hurokáram nagyságát egy paraméter vagy egy érzékelt jellemző - például érzékelt nyomás - függvényében változtatja.

Bár a kétvezetékes távadók működési tartománya igen sokféle lehetne, a leginkább elterjedt kétvezetékes távadók kimenete 4 és 20 mA között változik az érzékelt paraméter függvényében. Tehát rendszerint 4 mA felel meg a nulla kimenőszintnek, és 20 mA a maximális kimenőszintnek.

Kétvezetékes távadókat eltelj edten használnak olyan alkalmazásokban, ahol nyomást kell távérzékelni. Ipari körülmények között nyomáskülönbség érzékelésére a kétvezetékes távadókban nyomáskülönbség-érzékelőt használnak. A kétvezetékes távadó az érzékelt nyomáskülönbséget a kétvezetékes áramhurokban folyó, meghatározott szintű elektromos árammá alakítja át. A nyomáskülönbség-érzékelők egyik eltelj edt típusa a kondenzátorlemezes nyomásérzékelő.

Nyomáskülönbség-érzékeléssel foglalkozik a HU 192 104 számú szabadalom is. Ennél a megoldásnál kívülről táplált áramhurkos nyomáskülönbség-távadóval találkozunk, ahol az átalakítás kapacitív elven történik. A kapcsolási elrendezés a mérendő reaktanciával arányos frekvenciájú kimenő frekvenciajelet adó, vezérelt oszcillátort tartalmaz. A reaktív eszköz előnyösen két vagy több kondenzátort tartalmaz, amelyet az oszcillátor egy egyenirányító egységen keresztül gerjeszt. Az egyenirányító egység kondenzátorokhoz kapcsolódó és a hőmérsékleti driftre kompenzált diódákból van összeállítva, és tartalmaz egy beállítható kondenzátort is. A mérőjelet befolyásoló szórt kapacitás kompenzálása azonban nincs kielégítően megoldva, a nyomáskülönbségtávadóban fellépő hőmérséklet-változás okozta szórt kapacitás változása miatt.

Egy másik szabadalmi dokumentum, az US 4 370 89 számú szabadalom, amelyet később részletesen ismertetünk, ugyancsak egy kapacitív nyomáskülönbség-érzékelőt ismertet. Az érzékelő átviteli függvénye hőmérsékletfüggő, mert az érzékelőben lévő olaj dielektromos állandója változik a hőmérséklettel. A hőmérsékletfüggés elemzését megnehezíti a távadó szórt kapacitása. Ismeretes, hogy a szórt kapacitás hatását kapacitív nyomáskülönbség-érzékelőkben semlegesíteni kell, ha pontos eredményt akarunk kapni. A szórt kapacitás kompenzálása különösen nehéz olyan kétvezetékes távadók esetén, amelyek egy beépített és egy cserélhető modulból állnak. Ezeknél a távadóknál a beépített modul tartalmazza az érzékelőt, a cserélhető modul pedig a jeltovábbító áramkört. A cserélhető modulban lévő kapacitásértékek nem okvetlenül illeszkednek a beépített modulhoz, így a cserélhető modul telepítése után a szórt kapacitás hatásainak kompenzálására van szükség. Kétféle cserélhető modul van. Az egyik fajtában - „digitális” típus - digitális áramkör linearizálja az érzékelő kimenőjelét, a másik fajtában - „analóg” típus - pedig analóg áramkör. A két típus két különböző módszert használ a nyomáskülönbség-érzékelőből jövő jel linearizálására. Ennek az a következménye, hogy az érzékelők átviteli függvényének két különböző hőmérsékleti együtthatója van, ami korlátozza a kétféle típusú modul cserélhetőségét.

Állandó igény mutatkozik a szórt kapacitás tökéletesebb kompenzálására, hogy a különböző típusú cserélhető modulok kompatibilitása javuljon.

A találmányunk tárgya áramkör ipari távadóhoz, amely kompenzálja a kapacitív nyomáskülönbség-érzékelőben mutatkozó szórt kapacitást. A távadó hőmérsékleti együtthatója előnyösen megváltozik, mert a hőmérsékleti együttható már nem függ az érzékelő szórt kapacitásától.

A találmány megjavítja a különböző típusú beépített és cserélhető modulok kompatibilitását azáltal, hogy az érzékelő átviteli függvénye az érzékelő hőmérsékletváltozásaitól függetlenül viszonylag állandó, akár ana2

HU 216 666 Β lóg, akár pedig digitális típusú a távadóban használt cserélhető modul.

Az ipari folyamatirányításban használt távadó egy beépített és egy cserélhető modulból áll. A beépített modulban kapacitív nyomásátalakító és szórt kapacitást kompenzáló-áramkör van. A cserélhető modul a beépített modulra dugaszolható, és áramkört tartalmaz kétvezetékes áramhurokhoz való csatlakoztatásra. A kapacitív nyomáskülönbség-érzékelő által érzékelt nyomásra adott válaszként az áramhurokban folyó hurokáram változik.

A szórt kapacitást kompenzáló-áramkör közvetlenül a beépített modulban van elhelyezve. A szórt kapacitást kompenzáló-áramkör csak részben linearizálja a kapacitív nyomáskülönbség-érzékelőből jövő jelet. A maradék szórt kapacitás linearizálására a cserélhető modulban kerül sor. A kompenzálatlan szórt kapacitás közvetlenül befolyásolja a távadó hőmérsékleti együtthatóját. A találmányunk csökkenti a nyomástávadó átviteli függvényének hőmérsékletfuggését azáltal, hogy csökkenti a kompenzálatlan szórt kapacitás nagyságát.

A kitűzött célnak megfelelően a találmány szerinti készülék nyomáskülönbségjel távadására kétvezetékes, áramhurkos átviteli egység számára, amely egy házba van beépítve, és nyomáskülönbséget elektromos kapacitív jellé átalakító kapacitív nyomáskülönbség-érzékelője van; valamint egy, a házba beszerelt és a kapacitív nyomáskülönbség-érzékelő elektromos kapacitásának érzékelésére a kapacitív nyomáskülönbség-érzékelőhöz kapcsolt és mérőjelet szolgáltató beépített modullal rendelkezik, a beépített modul mérőjeleket megjelenítő csatlakozóérintkezőkkel van ellátva, valamint van egy, a beépített modul csatlakozóérintkezőihez és kétvezetékes áramhurokhoz való csatlakoztatásra alkalmassá tett cserélhető modulja, ahol a cserélhető modul a mérőjelre adott válaszként a kétvezetékes áramhurokban folyó áramot szabályozó és a kétvezetékes áramhurokból energiát felvevő elektronikus áramkörrel van ellátva, oly módon van kialakítva, hogy hőmérsékletfuggés korlátozása útján a mérőjelet befolyásoló szórt kapacitás részbeni kompenzálására a beépített modulba szerelt elektronikus kompenzáló-áramkörrel rendelkezik;

A találmányhoz tartozik egy távadó kétvezetékes, áramhurkos átviteli egységben nyomáskülönbségjel távadására, amely egy kétvezetékes áramhurokhoz csatlakoztatott cserélhető modullal rendelkezik, amely a nyomáskülönbségjelre adott válaszként a kétvezetékes áramhurokban folyó áramot szabályozó elektronikus áramkört foglal magába, a cserélhető modul a maradék szórt kapacitás kompenzálására egy elektronikus áramkörrel van ellátva; egy, a cserélhető modulhoz csatlakoztatott beépített modullal rendelkezik, amely nyomáskülönbség-érzékelésére, és a nyomáskülönbségjelet kapacitív jellé átalakító nyomáskülönbség-érzékelővel van ellátva. A találmány szerinti távadó ismérve, hogy egy a szórt kapacitást részben kompenzáló C_DM kapacitásnak a nyomáskülönbségjelbe való becsatolására egy kapacitív kompenzáló-áramkörrel van ellátva.

A találmány további részét képezi egy beépített modul a kapacitív nyomáskülönbség távadóba, amely előnyösen úgy van kialakítva, hogy a beépített modul magában foglal egy kapacitív kompenzáló-áramkört, amely kompenzáló-áramkör egy C_DM kapacitású kompenzálókondenzátort és diódákat tartalmaz.

A találmány szerint a beépített modulhoz egy cserélhető modul van csatlakoztatva, amelyben a változtatható értékű M_aC_da kompenzálókapacitás és a C_DD kompenzálókapacitás egymással kiegyenlített értékű.

A találmány szerinti eljárással a maradék szórt kapacitást a cserélhető modulban elhelyezett áramkörrel kompenzáljuk, és a mérőjel változására adott válaszként a kétvezetékes áramhurokban folyó áramot változtatjuk. A kompenzálókapacitást egy változtatható kapacitású kondenzátorral valósítjuk meg, amely kondenzátor elektródaként egy csapot és egy fémházat tartalmaz, ahol a csapot a ház furatába helyezzük be, a furatot a csap körül egy dielektromos anyaggal kitöltjük. A kondenzátor kapacitását előnyösen úgy változtatjuk, hogy a csapot a furatba különböző mélységbe toljuk be.

A találmányt egy kiviteli példa kapcsán, rajzok alapján ismertetjük közelebbről. A mellékelt rajzokon az

1. ábra egy találmány szerinti, nyomásinformáció átvitelére szolgáló kétvezetékes, áramhurkos átviteli egység tömbvázlata; a

2. ábra egy a technika állása szerinti kétvezetékes, áramhurkos átviteli egység távadó áramkörének egyszerűsített elektromos kapcsolási vázlata; a

3. ábra egy találmány szerinti kétvezetékes távadó egyszerűsített elektromos kapcsolási vázlata; a

4. ábra metszetben mutat egy találmány szerinti távadóban használt kondenzátort.

Az 1. ábrán egy kétvezetékes, áramhurkos 10 átviteli egység tömbvázlata látható, amely magában foglal egy találmány szerinti 12 távadót. A kétvezetékes, áramhurkos 10 átviteli egységnek részét képezi egy 16 feszültségforrás és egy 18 terhelés. A 12 távadó 20 és 22 csatlakozóérintkezőkön keresztül kapcsolódik az áramhurokhoz.

A 12 távadó magában foglal egy 26 cserélhető modult, egy 28 beépített modult és egy 30 nyomáskülönbség-érzékelőt. A 26 cserélhető modulon belül található egy 24 tápegység, amely a 26 cserélhető modulban lévő áramkör táplálására V + feszültséget biztosít. A 30 nyomáskülönbség-érzékelő fizikailag rendszerint a 28 beépített modul részét alkotja. A 26 cserélhető modul, a 28 beépített modul és a 30 nyomáskülönbség-érzékelő a 12 távadó 31 házában van elhelyezve.

A 16 feszültségforrás egy I_L áramot folyat a kétvezetékes 10 átviteli egységben. Az I_L áram hatására a 18 terhelésen feszültségesés jön létre. Az I_L áram a 12 távadóba kerül, és ott a 24 tápegység előállítja belőle a V+ feszültséget. A 24 tápegység táplálja a 26 cserélhető modult, a 28 beépített modult és a 30 nyomáskülönbség-érzékelőt. A 30 nyomáskülönbség-érzékelő kondenzátorlemezes nyomásérzékelő egység és a feladata ipari folyamatban uralkodó nyomás érzékelése. A 30 nyomáskülönbség-érzékelő a mért nyomást kapacitásértékké alakítja át, amely a 30 nyomáskülönbség-érzékelő aktív kondenzátorainak arányát fejezi ki. A 28 be3

HU 216 666 Β épített modul a 30 nyomáskülönbség-érzékelőhöz van csatlakoztatva. A 28 beépített modulban a 30 nyomáskülönbség-érzékelő működésével kapcsolatos áramkör található.

A 26 cserélhető modul 32, 34, 36 csatlakozóérintkezőkkel van a 12 távadóra dugaszolva. A 26 cserélhető modul a 28 beépített modulhoz van csatlakoztatva. A 26 cserélhető modul a 30 nyomáskülönbség-érzékelő kapacitását jelátalakítás után a kétvezetékes 10 átviteli egységben I_L áram formájában jelenik meg. A 26 cserélhető modul az I_L áramot egy minimális és egy maximális érték - például 4 mA és 20 mA - között szabályozza. A 26 cserélhető modult be lehet állítani úgy, hogy a 30 nyomáskülönbség-érzékelőből jövő minimális nyomásjelnek 4 mA-es áram és a maximális nyomásjelnek 20 mA-es áram feleljen meg.

A 12 távadó rendszerint két részre van osztva. A 30 nyomáskülönbség-érzékelő és a 28 beépített modul az egyik félben, a 26 cserélhető modul és egyéb áramkör a másik félben van. A 30 nyomáskülönbség-érzékelő általában magas hőmérsékleten üzemel, a 26 cserélhető modul fizikailag el van különítve a 30 nyomáskülönbség-érzékelőtől és a 28 beépített modultól. Kívánatos, hogy a 12 távadóban lévő elektronika működési hőmérsékletét csökkentsük. Ugyanakkor az is kívánatos, hogy néhány elektromos alkatrész a 30 nyomáskülönbség-érzékelő közelében legyen elhelyezve. Ennélfogva a 28 beépített modul a 30 nyomáskülönbség-érzékelő közvetlen közelében van elhelyezve. A 30 nyomáskülönbség-érzékelő rendszerint komoly mechanikai és hőhatásoknak van kitéve. Az egység igénybevételekkel szembeni ellenálló képességét növelendő, a 30 nyomáskülönbség-érzékelő és a 28 beépített modul közvetlen hozzáférést lehetetlenné téve be van szerelve a 31 házba.

Az 1. ábrán látható 12 távadó 28 beépített és 26 cserélhető modulja találmányunk szerint a szórt kapacitás kiegyenlítésére szolgáló áramkört is magában foglalja. Ezt az áramkört az alábbiakban ismertetjük részletesebben.

Az összehasonlíthatóság kedvéért a 2. ábrán bemutatjuk egy a technika állása szerinti kétvezetékes 38 távadó elektromos kapcsolási vázlatát. A technika állása szerinti a 38 távadó magában foglal egy 40 beépített modult és egy 42 cserélhető modult. A 40 beépített modul magában foglal egy kapacitív 44 nyomáskülönbség-érzékelőt, amelynek a feladata egy ipari folyamatban uralkodó nyomás érzékelése. A kapacitív 44 nyomáskülönbség-érzékelő egy fémből készült 45 házban van elhelyezve. A 40 beépített modul magában foglal 46,48, 50, 52, 54, 56, 58 és 60 diódákat. A kapacitív 44 nyomáskülönbség-érzékelőtől jövő jeleket 62, 64 kondenzátorok csatolják a 46-60 diódákra. A 40 beépített modul ugyancsak magában foglal 66, 67 és 69 ellenállásokat, valamint egy 68 termisztort. A 40 beépített modul 70,72, 74 csatlakozóérintkezőkön keresztül kapcsolódik a 42 cserélhető modulhoz. A 70, 72, 74 csatlakozóérintkezőkön keresztül váltakozó áramú jel van adva a 44 nyomáskülönbség-érzékelőre. A 46-60 diódák kétutas egyenirányítóként működnek. A 74 csatlakozóérintkezőn mint kimenőjel egyenfeszültség van jelen.

A 42 cserélhető modul magában foglal egy 75 tápegységet, egy 76 kompenzáló-áramkört és egy 78 sza15 bályozó- és jeltovábbító áramkört. A 78 szabályozó- és jeltovábbító áramkörben egy 79 mikroprocesszor is helyet kaphat. A 78 szabályozó- és jeltovábbító áramkör 80, 82 tekercseken keresztül van a kapacitív 44 nyomáskülönbség-érzékelőhöz kapcsolva. A 78 szabályo20 zó- és jeltovábbító áramkör össze van kötve a kétvezetékes áramhurokkal, amelyben I_L áram folyik. A 76 kompenzáló-áramkör a nyomásmérési hibát okozó szórt kapacitást kompenzálja.

Találmányunk lényege világosabbá válik, ha meg25 értjük, hogy milyen összefüggés áll fenn a mért nyomás és a kapacitív 44 nyomáskülönbség-érzékelő kapacitásváltozása között. A kapacitív 44 nyomáskülönbség-érzékelő két nyomással összefüggő kapacitással rendelkezik: C_H és C_L. A kapacitív 44 nyomáskülönbség-érzé30 kelő átviteli függvényei a következők:

1. egyenlet c_H(P)

C_o

1+KP +C_S és

2. egyenlet

C_L(P)=

-o

1-KP •+C_S, ahol

C_o: a nyomásfüggő kondenzátor nyugalmi kapaci40 tása (vagyis a kapacitív 44 nyomáskülönbség-érzékelő kapacitása akkor, ha a nyomáskülönbség zéró),

C_s: a nyomástól független szórt kapacitás,

C_o+C_s: az érzékelő kapacitása akkor, ha a nyomáskülönbség zéró (AP = 0),

K: az érzékelő rugóállandója (az érzékelő C_L és C_Hkapacitása közötti központi membrán rugóállandója),

P: a ható nyomás.

A 40 beépített modul átviteli függvénye a 42 cserélhető modul által mért értékre a következő:

3. egyenlet

R(P)=

Cp

C_L-C_H _ 1-KP C_l+C_h C_o1-KP +c_s + C_S + + KP ^Cs C₀2KP , ^Cp......._{+ c} 2C_O + 2C_s(l - K²p²) + KP ^s (Ez feltételezi, hogy a C_H és C_L kapacitások szimmetrikusan viselkednek, vagyis hogy a 44 nyomáskülönbség-érzékelőben a C_o, C_s és K értéke és hőmérsékleti együtthatója a C_H kapacitás oldalán szinte teljesen megegyezik a C_o, C_s és K értékével és hőmérsékleti együtthatójával a C_L kapacitás oldalán.)

A 3. egyenlet azt mutatja, hogy van egy másodrendű g0 nyomásfüggő tag, amely a nevezőben marad. Ez a má4

HU 216 666 Β sodrendű nyomásfüggő tag a C_s szórt kapacitás következménye. A technika állása szerinti 38 távadó áramköre (lásd 2. ábra) két alternatív módszerrel próbálja meg kompenzálni ezt a szórt kapacitást. Az egyik - „digitális” - módszer esetén a 79 mikroprocesszorban lévő szoftver részlegesen linearizálja az átviteli függvényt, párosítva a módszert egy C_DD linearizálókapacitással.

Egy másik - „analóg” - módszer a 76 kompenzálóáramkörben egy M_aC_da linearizálókapacitást alkalmaz. (M_a értéke O-tól 1-ig terjed, és a realizálása potenciométeren alapul.)

M_aC_da bevezetésével a nyomásfüggő átviteli függvény a következőképp alakul:

4. egyenlet

Ci — C_f

R_a(P)=

C_l+C_h-2M_aC_da 2C_o

Ideális esetben M_AC_DA=C_S, és a nevező második tagja kiesik. Ha ez igaz, C₀-val egyszerűsíteni lehet, és R_A(P) a hőmérséklettől függetlenné válik. C_o értéke a 44 nyomáskülönbség-érzékelőben használt töltőolaj dielektromos állandójától függ. Az olaj dielektromos állandója azonban hőmérsékletfüggő. Mivel C_s értéke változik az egyes 42 beépített modulok között, az M_AC_DA=C_S érték az analóg 42 cserélhető és a beépített 40 modulok minden egyes összepárosításában más lesz. Az olaj dielektromos állandójának hőmérsékletfüggéséből eredő

2C_OKP +2(C_s-M_aC_da)(1-K²P²) hőmérsékletfüggés a 4. egyenlet (C_S-M_AC_DA) tagjának nagyságától függ.

„Digitális” típusú 42 cserélhető modulban egy C_DDkompenzálókapacitás egy meghatározott, névleges értékre be van állítva. Az ilyen típusú modulban az átviteli függvény szobahőmérsékleten szoftver segítségével linearizálható, amely a 78 szabályozó- és jeltovábbító áramkörben lévő 79 mikroprocesszoron fut. Digitális típus esetén az átviteli függvény - szoftverlinearizálás előtt - a következő:

5. egyenlet

Q.C_H

Rd(P)=

Cl+Ch-2C_ddÁltalában az 5. egyenletben lévő (C_S-C_DD) és a 4. egyenletben lévő (C_S-C_DA) nem egyforma. így az olaj dielektromos hőmérsékleti együtthatójának C_o-ra gyakorolt hatása eltérően befolyásolja a 4. és az 5. egyenlettel leírt átviteli függvényeket. Az analóg és a digitális típusú 42 cserélhető modul közötti különbség jól látható a következő két egyenletből, amelyek bemutatják a nyomásátalakító átviteli függvényének hőmérsékletfüggését.

6. egyenlet

C_O(T) 2 K(T) P

R_a(P,T)=-—-—2C_O(T)+2[C_S(T)-M_AC_DA(T)][1-K(T)²P²]

7. egyenlet

C_O(T) 2 K(T) P

R_d(P,T)=-—-—2C_O(T)+2[C_S(T)-C_DD(T)][1-K(T)²P²] (Bár néhány további hőmérsékletfüggő kifejezés is van a 6. és 7. egyenletben, a hőmérsékletíüggést alapvetően a C₀(T) kifejezés határozza meg.) Szabályozva az említett potenciométerrel, a 6. egyenlet M_AC_DA kifejezésével szobahőmérsékleten szinte teljesen kiejthető a másodfokú C_s kifejezés. Ez nagyon lineáris nyomásgörbét biztosít szobahőmérsékleten, és lehetővé teszi a C_O(T) kifejezés kiejtését.

Tehát a szórt kapacitás hőmérséklet- és egyéb függése okozza, hogy az átviteli függvénybe bekerül a kapacitás hőmérséklet- és egyéb függése, és ott hőfüggést és nemlinearitást okoz.

Másfelől a 7. egyenletben a C_DD(T) egy konstans mennyiség, és nem ejthető ki teljesen a C_S(T) kifejezés. Mivel a C_DD(T) meghatározott értékű, nem képes az összes C_S(T) értéket kompenzálni, amely a különböző folyamattípusokra és működési tartományokra készített

C_O2KP

2C_O+2(C_S-C_DD)(1-K²P²) nyomáskülönbség-érzékelők széles skálájából és a különböző 42 cserélhető modulokból adódhat. Az olaj dielektromos hőmérsékleti együtthatója a C_S(T) és C_DDkiegyenlítetlenségéből kifolyólag a távadó hőmérsékletfüggését okozza.

Találmányunk a 40 beépített modul olyan módosítása, amely megnöveli az egymás közötti felcserélhetősé35 get a 4. és 6. egyenlet szerinti nyomásátviteli függvényt eredményező, valamint az 5. és 7. egyenlet szerinti átviteli függvényű modulok között. Ez növeli a 44 nyomáskülönbség-érzékelő, valamint a jelenlegi és jövőbeli elektronikus 42 cserélhető modulok kompatibilitását, és jelentősen javítja a különböző típusú 44 nyomáskülönbség-érzékelőket magukban foglaló távadók hőmérsékleti tulajdonságait. A 40 beépített modult kiegészítjük egy meghatározott értékű kapacitást tartalmazó kompenzálóáramkörrel. Ennek a járulékos kompenzálásnak az érté45 két úgy választjuk meg, hogy ha az analóg 40 cserélhető modul be van állítva, akkor M_AC_DA értéke C_DD értékével szinte teljesen egyenlő legyen. Ezt úgy realizáljuk, hogy a 40 beépített modult kiegészítjük egy C_DM kompenzálókapacitással.

A 3. ábra egy találmány szerinti kétvezetékes 12 távadó egyszerűsített kapcsolási rajza. A kétvezetékes 12 távadó egy 26 cserélhető modult és egy 28 beépített modult foglal magában. A 28 beépített modul magában foglal egy kapacitív 30 nyomáskülönbség-érzékelőt és 84,

86, 88, 90, 92, 94, 96, 98 diódákat. A 30 nyomáskülönbség-érzékelő egy 99 fémházba van építve. A 30 nyomáskülönbség-érzékelő 100 és 102 kondenzátorokkal van a 84-98 diódákhoz kapcsolva. A 28 beépített modul magában foglal egy 104 ellenállást és egy 106 termisztort, valamint két soros 108 és 110 ellenállást is.

HU 216 666 Β

A 28 beépített modul a 112, 114, 116 csatlakozóérintkezőkön keresztül kapcsolódik a 26 cserélhető modulhoz.

A találmányunk szerinti 28 beépített modulban egy kapacitív 118 kompenzáló-áramkör is található. A kapacitív 118 kompenzáló-áramkör magában foglalja 120, 122 diódákat és egy C_DM kapacitású 124 kompenzálókondenzátort.

A 26 cserélhető modul magában foglal egy 126 szabályozó- és jeltovábbító áramkört, egy 128 kompenzáló-áramkört és 130, 132 tekercseket. A 126 szabályozóés jeltovábbító áramkör tartalmazhat egy 127 mikroprocesszort is. A 126 szabályozó- és jeltovábbító áramkör a 130, 132 tekercseken keresztül van a 28 beépített modulhoz kapcsolva. A 126 szabályozó- és jeltovábbító áramkör a kapacitív 30 nyomáskülönbség-érzékelő által érzékelt nyomásra adott válaszként az áramhurokban folyó I_L áramot szabályozza.

A 28 beépített modulban lévő kapacitív 118 kompenzáló-áramkör szerepe a szórt kapacitás nyomásmérésre gyakorolt hatásának részbeni kiküszöbölése. Találmányunkban egy C_DM kapacitású 124 linearizálókondenzátor van a 28 beépített modulban.

A 118 kompenzáló-áramkörnek a 28 beépített modulban való elhelyezésével a 118 kompenzáló-áramkör8. egyenlet nek, vagy a 26 cserélhető modulban lévő 127 mikroprocesszor szoftveralgoritmusainak már csak a maradék szórt kapacitást kell kompenzálniuk. Ez azt jelenti, hogy különböző típusú modulokat lehet használni 26 cserélhe5 tő modulként, és valamennyivel linearizált, hőmérsékletkompenzált távadót kapunk.

Fontos a régebbi típusú modulokkal való felülről kompatibilitás megőrzése, mert az lehetővé teszi régebbi 40 beépíthető modulok új 26 cserélhető modulokkal való párosítását, és - az újabb fejlesztésű modulok megjelenésével - régebbi rendszerek felújítását úgy, hogy közben a paramétereik változatlanok maradnak, vagy javulnak. (Felülről kompatibilitáson az új és a régebbi gyártmányok egymás közötti kompatibilitásának megőr15 zését értjük.) Azért, hogy biztosítsuk az újabb típusú 28 beépített moduloknak azokkal a 42 cserélhető modulokkal való felülről kompatibilitását, amelyekben 76 kompenzáló-áramkör van, a 28 beépített modul C_s szórt kapacitását nem célszerű teljesen kompenzálni a betett

C_DM kapacitással. Ennek az az oka, hogy a 8. egyenletben lévő M_A-t nem lehet pontosan nullára beállítani. Az előző 6. egyenlet alapján a 28 beépített modul átviteli függvénye együtt a 26 cserélhető modullal az „analóg” rendszerben a következőképp alakul:

R_a(P,T)=

C_O(T) 2 K(T) P

2C₀(T)+2[C_s(T)-C_dm(T)-M_aC_da(T)][1-K(T)²P²] :K_A(T)P akkor, ha [C_s(T)-C_dm(T)-M_aC_da(T)]=O, és ahol C_DM: a 28 beépített modulban lévő kompenzálókapacitás,

C_DA: a 26 cserélhető modulban lévő kompenzálókapacitás,

M_a: a 128 kompenzáló-áramkörben lévő potenciométerrel beállított érték, nullához közeli szám (értéke nulla és 1 közé eshet).

„Digitális” 26 cserélhető modul esetén - a szoftveres kapacitáskompenzálást megelőzően - a betett C_DM kom35 penzálókapacitással az átviteli függvény a következő: (Vő.: 7. egyenlet)

9. egyenlet

R_d(P,T)=

C_O(T) 2 K(T) P

2C_O(T)+2[C_S(T)-C_DM(T)-C_DD(T)][1-K(T)²P²] :K_D(T)P

o.

_DM kapacitás úgy van megválasztva, hogy a 8.

akkor, ha [C_s(T)-C_DM(T)-C_DD(T)j

A C egyenletben lévő M_AC_DA - beállítás után - és a 9. egyenletben lévő C_DD szinte teljesen egyenlő legyen. Ezáltal K_A(T) és K_D(T) hasonló hőmérséklet-függési tulajdonságokat mutat. Ezek után a 28 beépített modul hőmérséklet-kompenzálásával (104 ellenállás, 106 termisztor, 108 és 110 ellenállások) megoldható a K_A és K_D hőmérsékletfüggésének kiküszöbölése, és a kapott jel a hőmérséklettől szinte teljesen függetlenül már csak a nyomástól fog függeni. A hőmérsékleti együttható szinte teljesen azonos, függetlenül attól, hogy digitális vagy analóg típusú 26 cserélhető modult használunk.

A 26 cserélhető modulként kétféle típusú egységet használhatunk. „Analóg” típus esetén a 128 kompenzáló-áramkör kompenzálja az esetleges maradék szórt kapacitást. „Digitális” típus esetén a 128 kompenzáló-áramkörben lévő diszkrét C_DD kapacitás névlegesen kompenzálja az esetleges maradék kapacitást.

A 127 mikroprocesszoron futó szoftver tovább linearizálja az átviteli függvényt. Mindkét esetben a 124 kondenzátor és a 128 kompenzáló-áramkör együttes hatása kompenzálja a szórt kapacitást. A teljes szórt kapacitás hőmérséklettel összefüggő változásait pontosan követni fogják a fizikai kondenzátorral realizált 124 kondenzátorkapacitások változása, ha úgy választják meg annak hőmérsékletfüggését.

A C_DM kapacitás értéke úgy van megválasztva, hogy ha a 28 beépített modul egy „analóg” típusú 26 cserélhető modullal együtt van a 12 távadóban, és ha megfelelően be van állítva, akkor a 8. egyenletben lévő M_AC_DA és a 9. egyenletben lévő C_DD értéke szinte teljesen egyfor55 ma lesz. Ezzel a 8. és a 9. egyenlet lényegében azonossá válik, és így a két áramkör hasonló hőmérséklettel összefüggő változásokat fog mutatni, ha a 30 nyomáskülönbség-érzékelőben lévő olaj dielektromos állandója változik a hőmérséklettel. Azonkívül, hogy a hőmérséklettel összefüggő változások hasonlóak, találmányunk minden

HU 216 666 Β olyan egyéb változást is kiegyenlít, amely C_H és C_Lértékére azonosan hat.

Találmányunk alapján a C_DM kapacitással még ennél hatékonyabban is követhető a hőmérséklet szórt kapacitásra gyakorolt hatása. Ez úgy érhető el, hogy a C_DM kapacitást ugyanabból az anyagból gyártjuk, mint a 30 nyomáskülönbség-érzékelőt és a C_DM kapacitást a 30 nyomáskülönbség-érzékelő közelében helyezzük el.

A 4. ábra egy 134 kondenzátort mutat, amely alkalmas a 3. ábrán látható 118 kompenzáló-áramkörben lévő 124 kondenzátor szerepében a C_DM kifejezés realizálására. A 134 kondenzátornak része egy 136 csap, amely a 99 fémházba belenyúlik. A 136 csap egy 140 furatba nyúlik bele, amely a 99 ház szigetelőelemeinek kialakításához használt anyaggal azonos típusú szigetelőanyaggal van kitöltve. A 134 kondenzátor 142, 144 huzalokkal van bekötve. A 134 kondenzátor kapacitása változtatható a 140 furatba való benyúlás mélységének megváltoztatásával. Ezzel a megoldással be lehet állítani a kívánt értékű C_DM kapacitást. A 4. ábra szerinti kiviteli alak esetén a C_DM kapacitás követi a szórt kapacitás hőmérséklettel összefüggő változásait.

Találmányunk szerint egy távadó ház egy beépített modulba foglalt elektronikával van ellátva, amely magában foglal megfelelően illesztett kompenzálókapacitást és kapcsolódó diódákat. Egy cserélhető modul lehetővé teszi csereelektronika terepen történő üzembehelyezését, ugyanis a cserélhető modul finombeállítási lehetőséggel rendelkezik az egységek különbségeiből eredő maradék szórt kapacitás kompenzálására. Alternatívaként a cserélhető modul magában foglal egy meghatározott értékű kapacitást a maradék szórt kapacitás kompenzálására. A cserélhető modul egy linearizálóalgoritmust végrehajtó digitális áramkört is magában foglalhat. Találmányunk szerint a beépített modulban a szórt kapacitást egy meghatározott típusú cserélhető modulban elhelyezett standard, meghatározott értékű kondenzátor kompenzálja. A változtatható kapacitásokkal ellátott, cserélhető modulok képesek a beépített modulok maradék szórt kapacitását szinte teljesen kompenzálni. Ez megkönnyíti a cserélhető modul régebbi típusaival való felülről kompatibilitás biztosítását.

Bár a találmányunkat előnyös kiviteli alakok kapcsán ismertettük, a képzett szakember számára nyilvánvaló, hogy a találmány körétől és szellemétől nem idegen módosítások eszközölhetők. Például más kapacitív kompenzáló-áramkörök és más konstrukciójú kondenzátorok is alkalmazhatók.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Készülék nyomáskülönbségjel távadására kétvezetékes, áramhurkos átviteli egység számára, amely egy házba van beépítve; és nyomáskülönbséget elektromos kapacitív jellé átalakító kapacitív nyomáskülönbség-érzékelője van; valamint egy, a házba beszerelt és a kapacitív nyomáskülönbség-érzékelő elektromos kapacitásának érzékelésére a kapacitív nyomáskülönbség-érzékelőhöz kapcsolt és mérőjelet szolgáltató beépített modullal rendelkezik, a beépített modul mérőjeleket megjelenítő csatlakozóérintkezőkkel van ellátva, valamint van egy, a beépített modul csatlakozóérintkezőihez és kétvezetékes áramhurokhoz való csatlakoztatásra alkalmassá tett cserélhető modulja, ahol a cserélhető modul a mérőjelre adott válaszként a kétvezetékes áramhurokban folyó áramot szabályozó és a kétvezetékes áramhurokból energiát felvevő elektronikus áramkörrel van ellátva, azzal jellemezve, hogy hőmérsékletfüggés korlátozása útján a mérőjelet befolyásoló szórt kapacitás részbeni kompenzálására a beépített modulba (28) szerelt elektronikus kompenzáló-áramkörrel (118) rendelkezik.
2. Az 1. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy cserélhető modul (26) a maradék szórt kapacitás kompenzálására elektronikus kompenzáló-áramkörrel (128) rendelkezik.
3. A 2. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a maradék szórt kapacitás kompenzálására szolgáló elektronikus áramkör (128) egy meghatározott értékű kondenzátort tartalmaz.
4. A 2. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a maradék szórt kapacitás kompenzálására szolgáló elektronikus áramkör (128) egy változtatható értékű kondenzátort tartalmaz.
5. A 2. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a mérőjel linearizálására a cserélhető modulban (26) egy digitális áramkörrel (126) rendelkezik.
6. Az 1. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a beépített modulban (28) a kompenzáló elektronikus áramkör (118) egy kondenzátort foglal magába, amelynek anyaga a nyomáskülönbség-érzékelő (30) anyagával azonos.
7. Az 1. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a kompenzáló elektronikus áramkör (118) egy dugaszolható kivitelű kondenzátort (124) foglal magába, és amely kondenzátor a nyomáskülönbség-érzékelő (30) fémből készült házában van elhelyezve.
8. Az 1. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a kompenzáló elektronikus áramkörben (118) a kompenzálás hőmérsékletfüggő, és a szabályozott áram (I_L) értéke pedig nyomásfuggő.
9. Távadó kétvezetékes, áramhurkos átviteli egységben nyomáskülönbségjel távadására, amely egy kétvezetékes áramhurokhoz csatlakoztatott cserélhető modullal rendelkezik, amely a nyomáskülönbségjelre adott válaszként a kétvezetékes áramhurokban folyó áramot szabályozó elektronikus áramkört foglal magába, a cserélhető modul a maradék szórt kapacitás kompenzálására egy elektronikus áramkörrel van ellátva; egy, a cserélhető modulhoz csatlakoztatott beépített modullal rendelkezik, amely nyomáskülönbség érzékelésére, és a nyomáskülönbségjelet kapacitív jellé átalakító nyomáskülönbség-érzékelővel van ellátva, azzal jellemezve, hogy egy, a szórt kapacitást részben kompenzáló C_DM kapacitásnak a nyomáskülönbségjelbe való becsatolására egy kapacitív kompenzáló-áramkörrel (118) van ellátva.
10. A 9. igénypont szerinti távadó, azzal jellemezve, hogy a maradék szórt kapacitás kompenzálására a cserélhető modul (26) elektronikus áramköre (126) egy mikroprocesszort (127) tartalmaz.

HU 216 666 Β
11. A 9. igénypont szerinti távadó, azzal jellemezve, hogy a kompenzálásra szolgáló elektronikus áramkör (118) egy meghatározott C_nM kapacitású kondenzátort (124) tartalmaz.
12. A 9. igénypont szerinti távadó, azzal jellemezve, hogy a kompenzálásra szolgáló elektronikus áramkör (118) egy változtatható C_DM kapacitású kondenzátort (124) tartalmaz.
13. Beépített modul kapacitív nyomáskülönbség-távadóba, amely beépített modul nyomásátalakítási függvénnyel rendelkezik és nyomáskülönbségjel kétvezetékes áramhurokban való távadására szolgál, ahol a nyomáskülönbség érzékelésére és arra adott válaszként egy C_L és egy C_H kapacitás változtatására egy kapacitív nyomáskülönbség-érzékelővel rendelkezik; egy analóg és/vagy digitális cserélhető modulhoz való csatlakoztatásra csatlakozóérintkezőkkel rendelkezik, azzal jellemezve, hogy a beépített modul (28) magában foglal egy kapacitív kompenzáló-áramkört (118), amely kompenzáló-áramkör (118) egy C_DM kapacitású kompenzálókondenzátort (124) és diódákat (120,122) tartalmaz.
14. Cserélhető modul kapacitív nyomáskülönbségtávadóba nyomáskülönbségjel kétvezetékes áramhurokban történő távadására, mely távadó beépített és cserélhető modullal rendelkezik, a beépített modul a nyomáskülönbség érzékelésére és arra adott válaszként egy C_Lés egy C_H kapacitás változtatására egy kapacitív nyomáskülönbség-érzékelővel, továbbá egy analóg és/vagy digitális cserélhető modulhoz való csatlakoztatásra csatlakozóérintkezőkkel rendelkezik, a cserélhető modul a beépített modulhoz való csatlakoztatásra kompenzálókapacitással rendelkezik, azzal jellemezve, hogy a változtatható értékű M_AC_DA kompenzálókapacitás és a C_DD kompenzálókapacitás egymással kiegyenlített értékű.
15. A 13. igénypont szerinti beépített modul, azzal jellemezve, hogy a beépített modul (28) hőmérsékletkompenzáló-áramköri elemeket, például ellenállásokat (104, 108, 110) és termisztort (106) tartalmaz, amelyek beállítása útján a kompenzáló C_DM kapacitás a hőmérséklettel előre meghatározott módon változik.
16. Eljárás kétvezetékes, áramhurkos, beépített modullal ellátott távadó szórt kapacitásának kompenzálására, a beépített modul a nyomásra adott válaszként egy C_L és egy C_H kapacitás változtatására egy kapacitív nyomáskülönbség-érzékelőt foglal magában, a beépített modult egy analóg cserélhető modulhoz csatlakoztatva, ahol nyomásátviteli függvényt, és egy digitális cserélhető modulhoz csatlakoztatott c_L-c_H

R_D(nyomás)=C_l+C_h-2C_dd nyomásátviteli függvényt kapunk, azzal jellemezve, hogy a beépített modult (28) egy kapacitív kompenzálóáramkörrel (118) látjuk el, amelyben egy C_DM kompenzálókapacitás van, és a C_DM kapacitás értékét az egymással kiegyenlített M_AC_DA és C_DD értékek mellett választjuk meg.
17. Eljárás kétvezetékes, áramhurkos átviteli egység távadójában lévő szórt kapacitás kompenzálására, amelynél a távadó kapacitív nyomáskülönbség-érzékelővel nyomást mérünk és arra adott válaszként egy kétvezetékes áramhurokban folyó áramot szabályozzuk, és a távadó egy beépített modult és egy cserélhető modult foglal magában, ahol a beépített modulban lévő kapacitív nyomáskülönbség-érzékelőből jövő mérőjelet fogadjuk; a kapacitív nyomáskülönbség-érzékelővel összefüggő szórt kapacitást a beépített modulban lévő áramkörrel részben kompenzáljuk; és a beépített modulból kimenőjelet vezetünk ki; a beépített modul kimenőjelét pedig a cserélhető modullal fogadjuk; azzal jellemezve, hogy a maradék szórt kapacitást a cserélhető modulban (26) elhelyezett áramkörökkel (126) kompenzáljuk.
18. A 17. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a maradék szórt kapacitást egy változtatható értékű kapacitással kompenzáljuk a cserélhető modul (26) kompenzáló-áramkörében (128).
19. A 17. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a mérőjelet egy, a cserélhető modulban (26) elhelyezett szabályozó- és jeltovábbító áramkörrel (126) linearizáljuk.
20. A 17. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a maradék szórt kapacitást egy meghatározott értékű kapacitással kompenzáljuk a cserélhető modulban (26).
21. A 16. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a C_DM kompenzálókapacitást egy változtatható kapacitású kondenzátorral (134) állítjuk elő/valósítjuk meg, amely kondenzátor (134) elektródaként egy csapot (136) és egy fémházat (99) tartalmaz, ahol a csapot (136) a ház (99) furatába (140) helyezzük be, a furatot (140) a csap (136) körül egy dielektromos anyaggal kitöltjük.
22. A 21. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kondenzátor (134) C_DM kapacitását úgy változtatjuk, hogy a csapot (136) a furatba (140) különböző mélységbe toljuk be.