JP2008511834A - 圧力測定システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はプロセス管理に関し、より詳細には、圧力測定に関する。
信号バイアス器は、電力調節器に結合して、レギュレートした供給電力を受け取り、圧力を表す信号をバイアスすることを容易にする温度特性が揃った抵抗分圧器を備える。信号バイアス器はまた、印加されたバイアスを変更するように動作可能である。信号スパン調整器は、圧力を表す信号を受け取るために、第2カプラに結合し、レギュレートした供給電力を受け取るために、電力調節器に結合し、また、信号バイアス器に結合する。
信号形式変換器は、レギュレートした供給電力を受け取るために、電力調節器に結合し、信号スパン調整器に結合し、また、第1カプラに結合する。信号形式変換器は、圧力を表す信号の形式を別の形式に変換し、変換済みの圧力を表す信号を第1カプラに伝達するように動作可能である。
種々の図面内の同じ参照符号は、同じ要素を示す。
特定の実施態様では、信号調節回路基板130は、圧力検出器120に接合された可撓性の導電体片を備えてもよい。信号調節回路基板130は、圧力検出器120からの圧力を表す信号を調節する(たとえば、フィルタリングする、正規化する、及び温度補正する)プロセッサ132、及び、調節済みの信号を伝達するピンアセンブリ138を備える。
特定の実施形態では、プロセッサ132は、負の直線性のみを補正してもよい。これらの実施態様では、正の非直線性が付加されて、プロセッサに対する明らかな非負の直線性が変更されてもよい。種々のサイズの圧力検出器120が、ステム112及び信号調節回路基板130と共に使用されてもよい。
直径が小さい部分144は、(たとえば、抵抗溶接又はレーザ溶接によって)圧力導入継手110に複数点で結合してもよい。直径が大きい部分142は、以下でより詳細に説明されることになる信号調節回路基板130に結合するようになっているが、回路基板又はそのコンポーネントの全てが、直径が大きい部分内に位置する必要があるわけではない。
特定の実施態様では、回路基板ハウジング140は、信号調節回路基板130の接地線に電気接続して、回路基板について高い耐雑音性を提供することができる。
信号変換回路基板150は、回路基板ハウジング140によって係合され、ピン受けアセンブリ152を備え、ピン受けアセンブリ152は、信号変換回路基板を信号調節回路基板130に電気接続させる。信号変換回路基板150はまた、ピンアセンブリ154を備える。
特定の実施態様では、特に、回路基板130が、回路基板ハウジング140の上部に、又は、上部の近くに載置される場合、回路基板130と回路基板150との間に、スペーサが挿入されてもよい。電気コネクタ160はまた、回路基板ハウジング140によって係合される。
変換部170の異なる構成は、これらの異なるピン構成に変換されてもよい。構成によっては、異なる数(たとえば、2つ又は4つ)のピンをさらに要求する場合がある。しかし、結合によっては、少ない数のピンに対して実施されてもよい。たとえば、4−コネクタ結合が、コネクタのうちの1つを接地に結合した状態で、3−コネクタ結合を使用して実施されてもよい。
特定の実施態様では、電気コネクタ160及びシステムハウジング180は、電気絶縁材料(たとえば、成形プラスチック)で作られてもよい。ある実施態様では、電気コネクタ160は、システムハウジング180と一体であってもよい。システムハウジング180は、圧力導入継手110と共に、回路基板ハウジング140を閉囲する。ある実施態様では、ハウジング180は、電気コネクタ160に応じて変わってもよい。たとえばガスケット、Oリング、又はシーラントであってもよい密閉リング190は、湿気及び埃の侵入を防止するために、システムハウジング180及び圧力導入継手110に接続する。
回路基板ハウジング140は、圧力導入継手110に結合し、回路基板130は、圧力検出器120に電気接続される。圧力導入継手、圧力検出器、信号変換回路基板、及び回路基板ハウジングのアセンブリは、その後、所定の圧力範囲及び/又は温度範囲について補正される。たとえば、アセンブリは、(たとえば、信号調節回路基板からの出力が、最低出力から最大出力まで直線性があるように)較正され、(たとえば、加えられた温度変化による誤差が低減されるように)温度補正されてもよい。
たとえば、圧力導入継手は、圧力検出器及び信号調節回路基板と組み立てられるときに、未完成であってもよい。後で、圧力測定システムについてプロセスアプリケーションが決定されると、圧力導入継手は、配管に接続するために、適切に機械加工されてもよい。同様に、初期のアセンブリは、圧力導入継手のステム部分のみを含んでもよく、ステムは、仕上げ中に適切な継手に結合されてもよい。ステムを継手に結合することは、レーザ溶接又はティグ溶接によって達成されてもよい。
信号変換回路基板150は、1つ又は複数の出力信号形式をサポートしてもよい。出力信号は、電気コネクタ160に伝達され、電気コネクタ160は、信号が遠隔装置に提供されるように、信号をシステムハウジング180の外部に伝達する。
たとえば、特定の実施態様では、出力値に対する変化は、−20℃〜85℃の温度範囲内で、入力/出力範囲の0.40%未満であってもよい。ある実施態様では、変化は0.1%未満であってもよい。別の例として、信号変換回路基板150が、種々の出力のうちの1つをサポートすることができるため、システム100は、使用範囲が増加した。そのため、予想される必要性に基づく、圧力センサの無駄の多い過剰生産及び在庫が、大幅に減少する可能性がある。
たとえば、3−ワイヤ出力の場合、ワイヤのうちの2つは、電力用に使用され、他のワイヤは、データ用に使用されてもよく、データ信号は低電力線を基準にする。2−ワイヤ出力の場合、信号は、たとえば、電流(すなわち、4〜20mA)信号又はデジタルデータK−LineCANバスとして、供給電力と同じ2つのワイヤ上に加えられてもよい。
別の例として、信号調節回路基板が、一貫性のある出力接続を有するため、1つの形式のデータ収集システムは、プロセス変動性、機器のコスト、複雑さの低減に対する補正のため、また、補正システムについての訓練及び補正システムのサービスのために使用されてもよい。
柱部分210のそれぞれはカバー212を備え、カバー212はそれぞれ突出部214を備える。カバー212は、回路基板を支持することができ、突出部214の1つ又は複数は、回路基板に結合してもよい。同様に、突出部214の1つ又は複数は、回路基板用の接地線に電気接続してもよい。電気接続した突出部は、回路基板から圧力導入継手への電気経路の一部を提供してもよい。
別の例として、回路基板の接地端子は、圧力導入継手に電気接続されてもよく、それによって、耐雑音性の改善が可能になる。同様に、この電気接続は、はんだ付け及び溶接によって実現されてもよく、結合の信頼性が向上し、時間経過と共に起こる場合がある構造上の変化が低減され、耐雑音特性が、長い期間にわたって維持されることが可能になる。
さらなる例として、回路基板が直径の大きい部分において回路基板ハウジングに結合し、ハウジングが回路基板をその全周縁にわたって支持しないため、回路基板の後部表面上にコンポーネントを搭載するエリアが増加する。同様に、コンポーネント搭載エリアが確保されると、回路基板の直径は増加する必要がなくなり、結果として、圧力センサの直径は増加する必要がない。さらに、カバー212(図2A)の高さを管理することによって、回路基板の高さを容易に管理することができる。
特定の実施態様では、信号バイアス器は、抵抗分圧器を通してオフセットを提供してもよい。その後、信号スパン調整器560によって、オフセットされた圧力を表す信号に利得が加えられてもよい。たとえば、信号スパン調整器560は、信号のスパンを2倍(たとえば、5Vから10V)にしてもよい。
別の例として、信号変換回路は、圧力を表す信号と変換済みの圧力を表す信号との差に応じて、信号バイアス器、信号スパン調整器、及び/又は信号形式変換器を備えなくてもよい。たとえば、圧力を表す信号が、バイアスされる必要があるだけの場合、回路は、信号スパン調整器又は信号形式変換器を備えなくてもよい。しかし、ある実施態様では、不必要なコンポーネントは、オフに切り換えられるか、又は、バイパスされてもよい。
電圧低減器630は、電圧の大部分(bulk)を吸収することができるトランジスタ632を備える。特定の実施態様では、トランジスタ632は、Nチャネル又はPチャネルのエンハンスメント型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)である。電圧低減器630はまた、抵抗器634及びダイオード636を備える。抵抗器634は、ダイオード636にバイアス電流を提供し、次に、トランジスタ632をオン状態にバイアスする。
特定の実施態様では、調節器640は、0.2%精度及び低熱ドリフトを有するLM4120等の、5mAを出力することができる高精度5Vdc調節器である。コンデンサ646は、出力信号の安定化と減結合を提供する。コンデンサ646は、0.022μFの静電容量を有してもよい。
ここで、Rは、関連する抵抗器の抵抗であり、Voutは、演算増幅器674の出力である。上述した実施態様の場合、これは、
Vout=Vin/(150+150)×150×(1+(150/100))−(0.416×(150/100))
と書き換えられる。
Vout=0.001Vdc(Vin=0.5Vdc)
Vout=5.001Vdc(Vin=4.5Vdc)
である。
Vout=Vin×(1+(R679b/R679a’))−(R679b/R679a’)×Voffset
として表現することができる。
Vout=Vin×(1+(150/100))−(150/100)×0.835
Vout=−0.002Vdc(Vin=0.5Vdc)
Vout=9.998Vdc(Vin=4.5Vdc)
を生成する。
Vout=(1.225V−(1.225−Vin)/(R773a+R773b)×R773b)+(((1.225V−(1.225V−Vin)/(R773a+R773b)×R773b)−0.77)/R778a×R778b)
Vout=(1.225V−(1.225−Vin)/(150+150)×150)+(((1.225V−(1.225V−Vin)/(150+150)×150)−0.77)/150×150)
と書き換えられる。
Vout=(1.225V−(1.225−Vin)/(R773a+R773b)×R773b)+(((1.225V−(1.225V−Vin)/(R773a+R773b)×R773b)−0.77)/R778a’×R778b)
として表現することができる。
Vout=(1.225V−(1.225−Vin)/(150+150)×150)+(((1.225V−(1.225V−Vin)/(150+150)×150)−0.77)/100×150
Vout=1.001Vdc(Vin=0.5Vdc)
Vout=6.001Vdc(Vin=4.5Vdc)
を生成する。
したがって、回路700は、外部デバイス(たとえば、信号調節回路基板130)からのレシオメトリック入力電圧を、1〜5Vdc又は1〜6Vdcの出力に変換することができる。
回路800はまた、信号形式変換器880を備える。以下でより詳細に説明されるように、回路800は、9〜36Vdcの未調節電圧入力を受け取るように設計されるが、制限された条件下で、最高50Vdcで動作し得る。しかし、回路は、適切なコンポーネントを用いて、他の入力電圧範囲(たとえば、1〜240Vac又はVdc)を使用するように容易に修正されることができる。回路はまた、4〜20mA信号を出力することができ、信号は、電圧入力から取り出すことができる。特定の実施態様では、回路は5Vで動作するが(これは他の回路に供給されてもよい)、他の電圧(たとえば、4.096V)が可能である。
特定の実施態様では、抵抗器878aは、100Kオームの抵抗を有し、抵抗器878bは、20Kオームの抵抗を有する。分圧器877は、スパン調整と組み合わされるときに、演算増幅器874の電圧が、入力が0.5Vにあると出力を1Vにさせる非ゼロ電圧オフセットに追従するように強制する。
特定の実施態様では、抵抗器882は、4.99Kオームの抵抗を有し、抵抗器884(訳注:885の誤記)は、10オームの抵抗を有し、抵抗器886は、50オームの抵抗を有する。ある実施態様では、抵抗器886は、変動性を低減する可能性がある一対の並列抵抗器として実施されてもよい。
したがって、回路800は、外部デバイス(たとえば、信号調節回路基板130)からのレシオメトリック入力電圧を、4〜20mAの出力に変換することができる。
一般に、回路900は、入力/出力カプラ910、回路保護器920、電圧低減器930、電圧調節器940、入力/出力カプラ950、信号バイアス器960、及び信号スパン調整器970を備える。以下でより詳細に説明されるように、回路900は、9〜36Vdcの未調節電圧入力を受け取るように設計されるが、制限された条件下で、最高50Vdcで動作してもよい。しかし、回路は、適切なコンポーネントを用いて、他の入力電圧範囲(たとえば、1〜240Vac又はVdc)を使用するように容易に修正されることができる。回路はまた、0〜5Vdc信号又は0〜10Vdc信号を出力することができる。特定の実施態様では、回路は5Vで動作するが、他の電圧(たとえば、4.096V)が可能である。
抵抗器934は、ダイオード936にバイアス電流を提供し、次に、トランジスタ932をオン状態にバイアスする。ある実施態様では、トランジスタ932は、直線性のある動作にバイアスされる。トランジスタ932は、電圧調節器940への入力が、電圧調節器の出力に所与の値(たとえば、2V)を足した値を下回るまで、抵抗器934及びダイオード936によってオン状態にバイアスされてもよい。
特定の実施態様では、ダイオード936は、トランジスタ932のゲートを、約10Vdcにバイアスされた状態に保ち、トランジスタ932は、電圧調節器940への入力を、約8Vに保つ。
1つの動作モードでは、回路900は、スイッチ973及びスイッチ978が開いているときに、0〜5Vの出力信号を生成する。導体954bを通して受け取られた電圧信号が0.5Vdcにあるとき、先に述べた抵抗を有する分圧器971は、演算増幅器974の非反転入力を、0.5Vdcに設定する。演算増幅器969の出力は、+5Vであるレール902からの、分圧器962によって設定されたバッファリングされた電圧である。
分圧器971及び976が、揃った抵抗値を使用すると仮定すると、出力は、以下のように表現することができる。
Vout=(Vin−Voffset)×(R977b/R977a))
Vout=(Vin−0.5Vdc)×(50/40)
Vout=0.000Vdc(Vin=0.5Vdc)
Vout=5.000Vdc(Vin=4.5Vdc)
である。
Vout=(Vin−Voffset)×(R977b/R977a’))
として表現することができる。
Vout=(Vin−0.5Vdc)×(50/20)
Vout=0.000Vdc(Vin=0.5Vdc)
Vout=10.000Vdc(Vin=4.5Vdc)
である。
したがって、回路900は、外部デバイス(たとえば、信号調節回路基板130)からのレシオメトリック入力電圧を、0〜5Vdc又は0〜10Vdcの出力に変換することができる。
さらに、回路900は、設置時にトリミングを必要としない、固定の精密な伝達関数であってもよい。同様に、この実施態様は、強化されたコモンモードリジェクション等の所望の特性を有する平衡した差動段を提供することができ、電磁干渉(EMI)及び/又は無線周波数干渉(RFI)に対してより耐性性能があるはずである。
工程1100は、電力が供給されるのを待つことで始まる(操作1104)。電力は、ローカル又はリモート供給源から供給されてもよい。電力が供給されると、工程は、供給電力を所定のレベルまで低減することを要求する(操作1108)。
特定の実施態様では、たとえば、9〜36Vdc信号は、0〜5Vdc信号に低減されてもよい。工程は、次に、レギュレートした供給電力を生成することを要求する(操作1112)。レギュレートした供給電力は、たとえば、低減された供給電力と同じ電圧範囲を使用してもよい。
別の例として、圧力を表す信号と変換済みの圧力を表す信号との差に応じて、圧力を表す信号は、バイアスされなくてもよく、スパン調整されなくてもよく、且つ/又は、形式調整されなくてもよい。たとえば、圧力を表す信号がバイアスされる必要があるだけである場合、スパン調整及び形式調整操作は削除されてもよい。
別の例として、種々の操作は、選択可能な特性を有してもよい。たとえば、信号バイアス印加は、2倍以上信号をバイアスすることができてもよく、信号スパン調整は、信号を2倍以上スケーリングすることができてもよい。さらなる例として、圧力を表す信号に関する決定は、たとえば、圧力を表す信号と変換済みの圧力を表す信号が一貫性を持つときは、実施される必要がなくてもよい。
110 圧力導入継手
120 圧力検出器
130 信号調整回路基板
140 回路基板ハウジング
150 信号変換回路基板
160 電気コネクタ
170 電気的接続位置変換器
180 システムハウジング
190 シールリング
200 回路基板ハウジング
310 圧力検出器
320 回路基板
400 回路基板ハウジング
410 圧力導入継手
420 溶接部
500 信号変換回路
510,540 カプラ
520 電力低減器
530 電力レギュレータ
570,880 信号形式調節器
600,700,800,900 圧力変換回路
620,720,820,920 回路プロテクタ
630,730,830,930 減圧器
640,680,740,840,940,980 電圧調節器
650,710,750,850,910,950 入出力カプラ
550,660,760,860,960 信号バイアス器
560,670,770,870,970 信号スパン調節器
本発明はプロセス管理に関し、より詳細には、圧力測定に関する。
特定の実施態様では、信号バイアス器は、抵抗分圧器を通してオフセットを提供してもよい。その後、信号スパン調整器560によって、オフセットされた圧力を表す信号に利得が加えられてもよい。たとえば、信号スパン調整器560は、信号のスパンを2倍(たとえば、5Vから10V)にしてもよい。
特定の実施態様では、抵抗器882は、4.99Kオームの抵抗を有し、抵抗器885は、10オームの抵抗を有し、抵抗器886は、50オームの抵抗を有する。ある実施態様では、抵抗器886は、変動性を低減する可能性がある一対の並列抵抗器として実施されてもよい。
Claims (22)
- 圧力測定システムであって、
前記圧力測定システムは、信号変換回路を備え、
前記信号変換回路は、圧力を表す信号を受け取るように動作可能なカプラと、前記圧力を表す信号をバイアスすることを容易にする非熱感受性の分圧器を有する信号バイアス器と、
前記カプラ及び前記信号バイアス器に結合される信号スパン調整器と、を有し、
前記信号スパン調整器は、前記圧力を表す信号のスパンを調整することを容易にする非熱感受性の分圧器を有する
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項1に記載の圧力測定システムにおいて、
前記圧力測定システムは、信号形式変換器をさらに備え、
前記信号形式変換器は、前記信号スパン調整器に結合され、前記圧力を表す信号の形式を別の形式に変換するように動作可能である
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項2に記載の圧力測定システムにおいて、
前記信号形式変換器は、電圧信号を電流信号に変換する
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項1に記載の圧力測定システムにおいて、
前記圧力測定システムは、電力低減器と、前記電力低減器に結合される電力調節器とをさらに備え、
前記電力低減器は、供給電力を低減するように動作可能であり、
前記電力調整器は、レギュレートした供給電力を生成するように動作可能である
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項4に記載の圧力測定システムにおいて、
前記電力調節器は、前記信号バイアス器及び前記信号スパン調整器に結合され、
前記レギュレートした供給電力が前記信号バイアス器及び前記信号スパン調整器に提供される
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項4に記載の圧力測定システムにおいて、前記電力調節器は前記カプラに結合され、前記レギュレートした供給電力を前記回路の外部に伝達するように動作可能である
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項4に記載の圧力測定システムにおいて、
前記圧力測定システムは、第2カプラをさらに備え、
前記第2カプラは、前記電力低減器及び前記信号スパン調整器に結合され、前記供給電力を受け取ると共に前記変換済みの圧力を表す信号を伝達するように動作可能である
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項4に記載の圧力測定システムにおいて、
前記電力低減器は、電力を吸収するように動作するトランジスタを備える
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項8に記載の圧力測定システムにおいて、
前記トランジスタは、前記電力調整器への入力が、前記レギュレートした供給電力を超え、所定の値以下になるまで、オン状態にバイアスされる
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項1に記載の圧力測定システムにおいて、
前記非熱感受性の分圧器は、温度特性を揃えた抵抗分圧器を有する
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項1に記載の圧力測定システムにおいて、
前記信号バイアス器は、前記印加されたバイアスを変更するように動作可能である
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項1に記載の圧力測定システムにおいて、
前記信号スパン調整器は、前記加えられた信号スパン調整を変更するように動作可能である
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 請求項12に記載の圧力測定システムにおいて、
前記信号スパン調整器は、あるモードでは通常の増幅器として、別のモードでは差動増幅器として動作する
ことを特徴とする圧力測定システム。 - 圧力測定方法であって、
圧力を表す信号を受け取り、
温度感度が小さい分圧器を使用して前記圧力を表す信号をバイアスし、
他の温度感度が小さい分圧器を使用して前記圧力を表す信号のスパンを調整し、
前記変換済みの圧力を表す信号を伝達する
ことを特徴とする圧力測定方法。 - 請求項14に記載の圧力測定方法において、
前記圧力測定方法は、前記圧力を表す信号の形式を別の形式に変換する
ことをさらに特徴とする圧力測定方法。 - 請求項14に記載の圧力測定方法において、
前記圧力測定方法は、
供給電力を受け取り、
前記供給電力を低減し、
前記低減された供給電力に基づいてレギュレートした供給電力を生成する
ことをさらに特徴とする圧力測定方法。 - 請求項16に記載の圧力測定方法において、
前記供給電力を低減することは、前記レギュレートした供給電力を生成する電力調節器への入力が前記レギュレートした供給電力に所定の値を下回るまで、電力吸収トランジスタをバイアスすることを含む
ことを特徴とする圧力測定方法。 - 請求項14に記載の圧力測定方法において、
温度感度が小さい分圧器を使用して前記圧力を表す信号をバイアスすることは、温度特性を揃えた抵抗分圧器を使用することを含む
ことを特徴とする圧力測定方法。 - 請求項14に記載の圧力測定方法において、
前記圧力測定方法は、前記印加された信号バイアスを選択的に変化させる
ことをさらに特徴とする圧力測定方法。 - 請求項14に記載の圧力測定方法において、
前記圧力測定方法は、
前記加えられた信号スパン調整を選択的に変化させる
ことを特徴とする圧力測定方法。 - 請求項20に記載の圧力測定方法において、
前記信号スパンを調整することは、あるモードでは通常の増幅器によって、別のモードでは差動増幅器によって達成される
ことを特徴とする圧力測定方法。 - 圧力測定システムであって、
前記圧力測定システムは、信号変換回路を備え、
前記信号変換回路は、第1カプラと、電力低減器と、電力調節器と、第2カプラと、信号バイアス器と、信号スパン調整器と、信号形式変換器と、を有し、
前記第1カプラは、供給電力を受け取り、変換済みの圧力を表す信号を伝達し、
前記電力低減器は、前記第1カプラに結合され、前記供給電力を低減するように動作可能であり、電力調節器への入力が前記電力調節器の出力に所定の値を下回るまでオン状態にバイアスされる電力吸収トランジスタを有し、
前記電力調整器は、該電力低減器に結合され、前記レギュレートした供給電力を生成するように動作可能であり、
前記第2カプラは、該電力調節器に結合され、前記レギュレートした供給電力を受け取り、前記レギュレートした供給電力を前記信号変換回路の外部に伝達し、圧力を表す信号を受け取るように動作可能であり、
前記信号バイアス器は、前記電力調節器に結合され、前記レギュレートした供給電力を受け取り、前記圧力を表す信号をバイアスすることを容易にする温度特性を揃えた抵抗分圧器を有し、前記印加されたバイアスを変更するように動作可能であり、
前記信号スパン調整器は、前記第2カプラに結合され前記圧力を表す信号を受け取り、前記電力調節器に結合され前記レギュレートした供給電力を受け取り、前記信号バイアス器に結合され、前記圧力を表す信号のスパンを調整することを容易にする温度特性を揃えた熱一致された抵抗分圧器を有し、前記加えられた信号スパン調整を変更するように動作可能であり、あるモードでは通常の増幅器として別のモードでは差動増幅器として動作し、
前記信号形式変換器は、前記電力調節器に結合されて前記レギュレートした供給電力を受け取り、前記信号スパン調整器に結合され、前記第1カプラに結合され、前記圧力を表す信号の形式を別の形式に変換し、該変換済みの圧力を表す信号を前記第1カプラに伝達するように動作可能である、
ことを特徴とする圧力測定システム。
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