專利名稱:帶有改進的跨距調(diào)節(jié)器的傳感器的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于用來檢測工藝變量并提供表示該工作變量的雙線輸出的傳感器。工作變量可包括壓力，溫度，流量和其他工作變量。傳感器接有一跨距調(diào)節(jié)器，用來調(diào)節(jié)傳感器輸出的跨距。傳感器包括檢測裝置，該裝置檢測工藝變量和提供表示該工作變量的檢測器輸出。傳感器還包括連接在跨距調(diào)節(jié)器和檢測器輸出端的跨距控制裝置?？缇嗫刂蒲b置控制雙線輸出?？缇嗫刂蒲b置進一步包括用于調(diào)節(jié)跨距的第一阻抗裝置。這一第一阻抗裝置具有隨跨距調(diào)節(jié)量的增加而增加的第一阻抗。滑線控制裝置還包括用于調(diào)節(jié)跨距的第二阻抗裝置。該裝置具有隨跨距調(diào)節(jié)量的增加而減少的第二阻抗。第一和第二阻抗都連接在檢測器輸出端，使雙線輸出得到一個提高了的為跨距調(diào)節(jié)量函數(shù)的分辨力。傳感器還包括連接到跨距控制裝置的輸出裝置。該輸出裝置提供上述雙線輸出。
在本發(fā)明較好的實施例中，傳感器還包括用于接納跨距調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)裝置。該調(diào)節(jié)裝置連接跨距控制裝置。跨距調(diào)節(jié)器是通過調(diào)節(jié)部件接在跨距控制裝置上來控制第一阻抗和第二阻抗的大小。在另一個較佳實施方案中，跨距控制裝置還包括用于放大檢測器輸出的，具有一輸入和連接到第一和第二阻抗裝置上的輸出的放大器。第一阻抗裝置連接在放大器的輸出的輸出裝置之間來提供傳感器跨距的前饋控制。第二阻抗裝置連接在放大器的輸入和輸出之間提供放大器增益的反饋控制。跨距的前饋和反饋控制都影響輸出分辨力。對輸出分辨力的兩種影響結(jié)合起來給出了在選定關(guān)斷以上的理想輸出分辨力。從而傳感器檢測在寬的關(guān)斷比范圍內(nèi)是有用的并且基本上克服了第一和第二阻抗裝置的不期望的分辨力極限。
在另一個較佳步施例中，第一阻抗和第二阻抗裝置共同構(gòu)成一個可變電阻，比如電位器。電位器有一個可調(diào)節(jié)的抽頭，該抽頭連接到放大器的輸出來提供所要求的高分辨力。在另一個較佳實施例中，雙線輸出是用來激勵傳感器的4～20毫安電流。檢測裝置可包括一個電容壓電檢測器。
圖1是表示帶跨距調(diào)節(jié)器的傳感器的先有技術(shù)的部份為線路、部份為框圖的圖示。
圖2是分辨力系數(shù)線，以先有技術(shù)傳感器和本發(fā)明的傳感器的增益為函數(shù)的圖示。
圖3是按照本發(fā)明的傳感器的部分為線路圖，部分為框圖的示意圖。
圖4是按照本發(fā)明的電容性壓力傳感器線路圖。
圖1中的線路部分10表示典型的先有技術(shù)傳感器。工作壓力P加在檢測裝置20上，該裝置用于容性地檢測工作壓力P并在導(dǎo)線22上給出檢測器輸出Vs。導(dǎo)線22上的輸出Vs的幅值表示檢測到的壓力P。運算放大器26的正相輸入端24檢測檢測器輸出。運算放大器26的輸出28經(jīng)由導(dǎo)線32連接到跨距調(diào)節(jié)電位器34的端子1上?？缇嗾{(diào)節(jié)電位器34的端子2連到固定參考電位(直流公共點)36上。電位器的滑片;端子3，通過導(dǎo)線42接在運算放大器26的反相輸入端38上。電位器34各有一個接在1端和3端之間的電阻R1和接在3端和2端之間的電阻R2。電位器的分辨力與電阻最小增量△R決定的值有關(guān)?！鱎可由電位器具體調(diào)節(jié)。電位器的分辨率(△R/(R1+R2))是電位器調(diào)節(jié)器△R的最小實際增量和電位器的總電阻(R1+R2)之比。
放大器26和電位器34構(gòu)成接受檢測器輸出Vs并提供跨距調(diào)節(jié)輸出Va的增益級44。輸出級的增益是(△Va/△Vs)之比，由電位器按照如下公式進行調(diào)節(jié)來控制的增益＝ (△Va)/(△Vs) ＝(R1+R2)/R2……公式1其中△Vs是檢測器輸出幅值的變化，Va表示跨距調(diào)節(jié)輸出的相應(yīng)變化。
跨距調(diào)節(jié)輸出Va是加在輸出電路46上，該輸出電路向一個雙線電流環(huán)路提供一個4～20毫安的輸出信號48，該環(huán)路包括串聯(lián)的電源52和負載阻抗54。傳感器的跨距是輸出電流變化與輸入壓力變化之比。在這類傳感器中調(diào)節(jié)跨距使傳感器適用于各種輸入壓力是是必要的。例如，當(dāng)傳感器應(yīng)用于某一用途希望用一個16毫安輸出電流變化，來表示10psi(每平方英寸10磅)的輸入壓力變化，而當(dāng)同樣的傳感器用于另一用途時，必須進行調(diào)節(jié)以使16毫安輸出電流變化表示每平方英寸100磅的輸入壓力變量。
在這樣的傳感器中所期望的是調(diào)節(jié)在一個寬范圍跨距刻度內(nèi)具有高數(shù)量級分辨力的傳感器跨距。傳感器的最大跨距刻度和其最小跨距刻度之比即為“關(guān)斷比”。不難看出先有技術(shù)傳感器10的關(guān)斷比是受傳感器增益調(diào)節(jié)線路的輸出分辨力所限制的。這一輸出分辨力定義為一個比值，這一比值是跨距調(diào)節(jié)電壓的調(diào)節(jié)量△Va的最小實際增量被跨距調(diào)節(jié)電壓Va除。如圖1所描繪的傳感器，包括運算放大器28和電位器34的增益調(diào)節(jié)電路的輸出分辨力△Va/Va為(△Va)/(Va) ＝ (△R)/((R1+R2)) · ((R1+R2))/(R2) ……公式2增益調(diào)節(jié)電路的輸出分辨力等于電位器分辨力(△R/(R1+R2))乘以分辨系數(shù)((R1+R2)/R2)。電路的增益和電路的分辨系數(shù)兩者都由電位器的調(diào)節(jié)來控制。在附圖2中曲線100描繪了為電路增益函數(shù)的電路分辨系數(shù)。僅舉一例，如果使用一個分辨力△R/(R1+R2)等于0.02%的電位器，并且傳感器的輸出分辨力必須小于或等于0.2%，以便提供準確校正調(diào)節(jié)量，則電位器只能提供由公式2所決定的分辨系數(shù)小于或等于10的輸出分辨力。
現(xiàn)在參見圖2，可以看出相對于分辨力10或10以下小增益可從最大值10調(diào)節(jié)到最小值1。在使用分辨力有限的電位校準時，這使先有技術(shù)傳感器的關(guān)斷比限制在10∶1以獲得所需的分辨力。這樣，在關(guān)斷比為10∶1的情況下，跨距調(diào)節(jié)器的分辨力在最低跨距刻度處下降了一個系數(shù)10。如果使用一個不同分辨力的電位器或需要不同的輸出分辨力，與用先有技術(shù)裝置可獲得不同的關(guān)閉比。
在先有技術(shù)傳感器中加上了開關(guān)和搭接片，將調(diào)節(jié)范圍分成較小的部分，來增加傳感器的調(diào)節(jié)范圍。這種方法并不能提供滿意的解決方案。開關(guān)或搭接片增加了傳感器的成本，并且為接通開關(guān)或搭接片在外殼上打孔會使暴露傳感器的電子部件，使之在工作控制環(huán)境中受到侵蝕和溫度的有害影響。
制做技術(shù)的改進已生產(chǎn)出在一寬的壓力范圍內(nèi)均可操作改進了的檢測器。需要一個具有較大關(guān)斷比的改進的跨距調(diào)節(jié)器才能使不帶開關(guān)或搭接片的寬域檢測器的范圍得到充分地利用。
如圖3所示，按照本發(fā)明制作的傳感器200檢測設(shè)備的工作變量201，諸如溫度，壓力或流量。傳感器200是環(huán)路功率(Loop-power)傳感器，該傳感器靠4～20毫安的工業(yè)過程控制環(huán)路204的電源202給與能量。流徑環(huán)路的4～20毫安電流206幅值是根據(jù)檢測的工作變量由傳感器200來控制。環(huán)路中有一電阻208，該電阻表示接收4～20毫安信號的裝置，諸如指示計，環(huán)路放大器，或記錄器。傳感器200，電流202，電阻208串聯(lián)在一起。傳感器200安置在封閉殼體200A中以保護電子部件不受惡劣的工作控制環(huán)境的損害。傳感器跨距調(diào)節(jié)器203通過一個封裝在傳感器殼體內(nèi)的傳遞耦合裝置205，從而不必打開殼體就能進行調(diào)節(jié)。
檢測裝置212包括一個檢測器和與之相配合的電路用于提供正比于檢測工作變量的檢測電流214。檢測裝置212在輸入跨距的寬范圍內(nèi)檢測工作變量。例如，跨距范圍為12∶1。電位器216在第一端子218處接入檢測電流214。運算放大器220有一個連接到第一端218的反相輸入端222用于檢測端子218的電位。輸入端222是一個高阻抗輸入端以致使檢測電流214基本上全部進入電位器的第一端218。放大器220的正相輸入端224連接在傳感器的參考電位226上。放大器220的輸出228連接到電位器216的展寬端子232上。跨距調(diào)節(jié)電流236從電位器216的端子234流出;再進入輸出裝置238的求和節(jié)點240。求和節(jié)點240的電位由輸出裝置238內(nèi)的反饋基本上保持在與輸入224相同的電位上，電位器216給出端子218和232之間可變阻抗R3，和端子232和234之間可變阻抗R4;并且電位器216提供了終端218和234之間基本上指定阻值(R3+R4)。電位器216包括連接在放大器220的輸出和輸出裝置238之間的具有第一阻抗R4的第一阻抗裝置。電位器216還包括第二阻抗裝置，即連接在輸出238和輸入222之間的第二阻抗R3。
電阻R3處于放大器220的輸出228和輸入222之間的一個反饋回路。電阻R3控制輸出228的信號電壓與檢測電流214的比。電阻R4控制跨距調(diào)節(jié)電流236與輸出228的信號電壓的比。因此跨距調(diào)節(jié)電位器216的調(diào)節(jié)同時調(diào)節(jié)兩個比值，并給出了一個傳感器的增益與分辨系數(shù)之間所要求的關(guān)系。僅舉例如下，放大器220和電位器216包括接入檢測電流214并給出跨距調(diào)節(jié)電流236的跨距控制裝置242。跨距控制裝置242的增益是電流△Ia與△Is之比，由電位器的調(diào)節(jié)量控制基本符合如下公式增益＝ (△Ia)/(△Is) ＝ (R3)/(R4) ……公式3傳感器200的跨距是輸出電流的變量與輸入壓力變量之比。在這樣的傳感器中有必要調(diào)節(jié)跨距以致使傳感器適用于較寬的輸入壓力范圍以利用輸入檢測的寬范圍。例如當(dāng)傳感器200應(yīng)用于一種用途時，它可以要求用一個16毫安的輸出電流變化表示每英寸2磅的輸入壓力變化。而當(dāng)傳感器200用于另一種用途時，該傳感器必須調(diào)節(jié)到用16毫安的輸出電流變化表示每英寸100磅輸入壓力變化。對于這種傳感器200，要求調(diào)節(jié)或校準傳感器的跨距使之在跨距刻度的寬范圍內(nèi)具有高度分辨力。
圖3描繪的傳感器中，其跨距控制裝置242的輸出分辨力(△Is/Is)符合下式(△Is)/(Is) ＝ (△R)/(R3+R4) ·(2 (R3)/(R4) + (R4)/(R3) )……公式4跨距控制裝置242的輸出分辨率等于電位器分辨率(R/R3+R4)乘以分辨系數(shù)(2+(R3/R4)+(R4/R3))電路增益和電路分辨系數(shù)都由電位器216的調(diào)節(jié)器控制。以電路增益為函數(shù)的電路分辨系數(shù)由圖2中的曲線102所描繪。順便例一例，如果電位器應(yīng)用于一個分辨率△R/(R3+R4)等于0.02%并且傳感器輸出分辨率必須小于或等于0.02%來提供精確的跨距校準調(diào)節(jié)，則電位器將提供一輸出分辨率0.2%，此時，由公式4所決定的分辨系數(shù)小于或等于10。
參見圖2，可看出對于分辨系數(shù)為10或少于10，增益可從最大值10調(diào)節(jié)到最小值0.2。因此，傳感器200的關(guān)斷比是從較高的增益刻度與較低的增益刻度之比或為50∶1。從曲線102可看出，分辨系數(shù)是增益的非線性函數(shù)?？缇嗫刂蒲b置242提供了傳感器的跨距調(diào)節(jié)的寬范圍，而不超越傳感器關(guān)斷比的限制。高的關(guān)斷比使檢測裝置212的跨距的寬范圍得以利用。
圖4所表示的是容性檢測壓差的傳感器300的線路圖。壓差檢測裝置302包括電容性壓差檢測器304。
壓力檢測器304的結(jié)構(gòu)可見我的美國專利3，793，885，下述僅做參考。例如，提供一對電容C1和C2，它們按照加在檢測器304上的壓差P而變化。電壓控制振蕩器(VCO)306是一個集成電路VCO，比如莫托羅拉公司的MC14046，并在導(dǎo)線308上產(chǎn)生激勵，該導(dǎo)線通過固定電容312接在檢測器302的動片310上。二極管314和316將電流從檢測器302的電容定片耦合到控制電路318?？刂齐娐?18檢測來自二極管314和316的電流并在導(dǎo)線322上提供表示這些電流的輸出Vc。
導(dǎo)線322上的輸出Vc耦合給VCO306來控制在導(dǎo)線308上的VCO的激勵信號的頻率?？刂齐娐?18中的熱控管324是用于穩(wěn)定傳感器300工作于在要求的工作溫度范圍內(nèi)的裝置。固定電容326，二極管328和330和電位計332連在一起接成線性調(diào)節(jié)電路和調(diào)節(jié)電位計332來提供在檢測壓力和激勵頻率之間的更線性化的關(guān)系。VCO306，檢測器304，二極管314和316，線性調(diào)節(jié)電路和控制電路318連接在一起構(gòu)成閉合環(huán)路形式，(如圖4所示)以便在導(dǎo)線308上提供具有基本上固定。幅值和頻率的代表所測壓力F的激勵信號。二極管334和336接在檢測器304和導(dǎo)線308之間來提供表示檢測電壓P的檢測電流Is。
檢測電流Is通過導(dǎo)線338接到跨距控制電路340上。在電路340中，電流Is在求和節(jié)點342處接入。求和節(jié)點還接有來自跨距調(diào)節(jié)電位器346的端子344的電流，和從包括固定電阻348和調(diào)零電位器350，如圖4所示。放大器352A有一個反相輸出354連在求和節(jié)點342上用于檢測求和節(jié)點處的電位。放大器352的輸入354是高阻抗輸入，則基本上來自調(diào)零網(wǎng)絡(luò)的全部電流上來自檢測裝置的電流Is都流入跨距調(diào)節(jié)電位器346的端點344。電位器346的可調(diào)觸點356連在放大器352A的輸出上。放大器352A正相輸入連接在傳感器的+1伏的參考電位上。旁路電容358連接在反相輸入354和正相輸入360之間以減少噪音影響和提供平滑的傳感器輸出?？缇嗾{(diào)節(jié)電位器346的端點362向輸出裝置664供給一個經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電流Ia?？缇嗾{(diào)節(jié)電位器346和調(diào)零電位器350都備有封好的調(diào)節(jié)螺釘347，351。它們可從傳感器周圍的殼體353的外邊進行調(diào)節(jié)而無須打開傳感器的蓋板。
跨距控制電路340的操作類似于圖2中跨距調(diào)節(jié)電路242的操作。公式3和公式4同樣適用于跨距調(diào)節(jié)電路340。電位器346的電阻R3連接在圍繞放大器352的反饋回路中來控制增益。電位器346的電阻R4接在滑片356和輸出裝置364之間的前饋電路中來控制電流Ia。當(dāng)調(diào)節(jié)電位器346時，電阻R3和R4是相反變化的。當(dāng)R3增加時，R4便減少，反之亦然。由跨距調(diào)節(jié)器控制的電阻的相反變化的設(shè)置，一個電阻在反饋回路中而另一個在前饋線路上)提供了所要求的高關(guān)斷比。
輸出裝置364接入跨距調(diào)節(jié)電流Ia并在端點366和368提供4～20毫安的輸出電流。輸出電流的幅值由跨距調(diào)節(jié)的電流Ia控制。傳感器是由4～20毫安的電流環(huán)路提供能量的。輸出裝置364也包括有源裝置可用于激勵傳感器300。環(huán)路電流通過整流器370流入傳感器線路，該整流器提供不使電流極性反向的保護。三極管372響應(yīng)加在放大器374A上的信號控制環(huán)路電流。放大器374A檢測求和節(jié)點376的電位進入求和節(jié)點376的電流是跨距調(diào)節(jié)電流Ia和表示環(huán)路電流的電流If。工廠生產(chǎn)的標準可調(diào)(Factovy-trimmable)電阻378也給求和節(jié)點376提供一個基本上固定電流It。電阻器378的阻值是出廠時已調(diào)好的，以便減少跨距調(diào)節(jié)器和零調(diào)節(jié)器之間的相互作用。穩(wěn)壓二極管374c和放大器374B包括有源裝置并提供定為“+6伏電源”的常規(guī)電位，如圖4所示該電源連接線到傳感器線路中標明“+6伏”的點，為了簡明這種連接沒畫在圖4中。阻抗分配網(wǎng)絡(luò)382連接在+6伏電源上并向傳感器環(huán)路提供其他常規(guī)電位。旁路電容384連在分阻網(wǎng)絡(luò)382以上減少分阻網(wǎng)絡(luò)382的噪音電平。+1伏電源電位是由分阻器產(chǎn)生并且連接到傳感器環(huán)路上的標明+1伏的點上。緩沖放大器352B接入來自分阻網(wǎng)絡(luò)382的電位，并提供一常規(guī)電位“+2伏電源”，該“+2伏電源”是連到傳感器的環(huán)路的標明“+2伏”的點上。
放大器352A，352B，352C和352D是象限放大器集成電路的各部分，如由松下半導(dǎo)體廠制作的LM246型。放大器374A和374B和穩(wěn)壓二極管374C是由松下半導(dǎo)體廠制作的LM10型集成電路的各部分。
傳感器線路置于密封殼體353內(nèi)并接在端點366和368處將傳感器連接好而不用打開電子器件的殼體。零調(diào)節(jié)器386和跨距調(diào)節(jié)器388接在輸入殼體的調(diào)節(jié)器的螺釘347和351上，而不須打開殼體。這樣裝好的傳感器300可在惡劣的工作控制環(huán)境而不會將電路景象在外界環(huán)境。
已就采用跨距調(diào)節(jié)的電位器控制對本發(fā)明進行了描述，應(yīng)當(dāng)指出對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說也可選用，象D/A轉(zhuǎn)換器，或開關(guān)電路等具有一定分辨力的其他阻抗元件。但應(yīng)歸于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測工作變量和提供跨距調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的雙線輸出的傳感器，包括一個檢測裝置，與工作變量耦合用于提供代表工作變量的檢測器輸出；一個跨距控制裝置，連接到跨距調(diào)節(jié)器和控制所說雙線輸出的檢測器輸出上，該跨距控制裝置還包括用于調(diào)節(jié)跨距的、具有隨跨距調(diào)節(jié)的增加而增加的第一阻值的第一阻抗裝置，還包括用于調(diào)節(jié)跨距并具有隨跨距調(diào)節(jié)的增加而減少的第二阻值的第二阻抗裝置，這第一和第二阻抗裝置連接在檢測器輸出上從而使雙線輸出有一個作為跨距調(diào)節(jié)器的函數(shù)的增加了的分辨率；以及連接到跨距控制裝置的輸出裝置用于提供雙線輸出。
2.權(quán)利要求
1的傳感器包括用于接受跨距調(diào)節(jié)的與跨距控制裝置連接的調(diào)節(jié)裝置。
3.按權(quán)利要求
2所描述的傳感器，其中所說調(diào)節(jié)裝置控制第一和第二阻抗的大小。
4.按權(quán)利要求
3所描述的傳感器，其中跨距控制裝置進一步包括放大器裝置，該放大器的輸入和輸出連接第一和第二阻抗用于放大檢測器的輸出。
5.按照權(quán)利要求
4的傳感器，其中第一阻抗裝置連接在放大器的輸出和輸出裝置之間。
6.按照權(quán)利要求
5的傳感器，其中第二阻抗裝置連接在放大器的輸入和放大器的輸出之間。
7.按照權(quán)利要求
6的傳感器，其中第一和第二阻抗裝置一起構(gòu)成一個變化的電阻。
8.按照權(quán)利要求
7的傳感器，其中作為跨距調(diào)節(jié)量的函數(shù)的雙線輸出的分辨率為(△R)/(R3+R4) ·(2+ (R3)/(R4) + (R4)/(R3) )其中△R是電位器的分辨率，R3是第一阻抗，R4是第二阻抗。
9.按照權(quán)利要求
8的傳感器，其中檢測裝置至少包括一個電容性的檢測器用于檢測作為工作變量的壓力。
10.一種用于檢測工作變量和提供由跨距調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的雙線輸出的傳感器包括一個檢測裝置，接有工作變量用于提供代表工作變量的檢測器輸出檢測裝置;一個輸出裝置連接雙線電路用于提供雙線輸出;一個跨距控制裝置連接跨距調(diào)節(jié)器用于控制雙線輸出的跨距，該跨距控制裝置包括一個放大器，該放大器輸入連接檢測器，放大器輸出連接輸出裝置并還包括一個電位器，該電位器有一個第一阻抗元件連在放大器輸出和輸出裝置之間的前饋通路上，和一個第二阻抗元件接在放大器輸出和輸入之間的反饋通路上，第一阻抗和第二阻抗元件有著作為調(diào)節(jié)量函數(shù)并相反變化的阻值，以使傳感器在選定的關(guān)斷比之上有一個所需的輸出分辨率。
專利摘要
一種裝有一檢測器檢測工作變量的傳感器，可提供由跨距調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的雙線輸出來代表檢測信號。在檢測器和產(chǎn)生雙線輸出的輸出電路之間接有一跨距控制電路。它包括一個與跨距調(diào)節(jié)電位器耦合的放大器，電位器的滑片接在放大器的輸出端，以使電位器的一部分電阻做為放大器輸出到輸入的反饋電阻。而其另一部分接在放大器輸出與輸出電路之間。這兩部分電阻變化會影響跨距和輸出分辨力。如此，在寬的關(guān)斷比內(nèi)提供出改進的分辨力。
文檔編號G01G23/01GK87106874SQ87106874
公開日1988年6月22日 申請日期1987年10月10日
發(fā)明者羅格·L·弗里克 申請人:羅斯蒙德公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan