壓力測量的系統和方法

專利名稱：壓力測量的系統和方法
技術領域：
本發明涉及工序管理，尤其涉及壓力測量。
背景技術：
壓力傳感器通常用于各種各樣的工商業應用。由于它們廣范的應用，壓力傳感器在各種各樣的環境中工作，并具有各種各樣的其它組件。工作環境和組件會對壓力傳感器設置各種工作限制。例如，壓力傳感器可能需要以特定方式(例如通過某深度和節距的螺紋)來與一工序通過接口相連、在某壓力范圍內(例如0-100psi、0-1000psi、或0-10000psi)工作，和/或提供某類輸出(例如0.5V-4.5V比例度量(ratiometric)、0.5-4.5V非比例度量、x-y電壓、或4-20mA)。
不幸的是，由于尺寸、空間、熱和/或金錢的限制，制造可在各種工作限制上工作的壓力傳感器已被證明是困難的。因而，壓力傳感器通常在已知一應用的大多數(如果不是全部)工作限制時制造。

發明內容
用于壓力測量的系統和方法可提供適于各種工作限制的壓力測量系統。在一個一般方面中，用于制造壓力測量系統的工序包括提供一個組件，包括桿、壓力檢測器和第一電路板，該壓力檢測器可用來基于通過桿引入的壓力生成信號，并且該電路板可用于調節該信號。該工序還包括補償該組件，確定將包括該組件的壓力測量系統的信號輸出類型，以及在實質上不影響該補償的情況下安裝產生信號輸出類型的第二電路板。
提供一個組件可包括組裝桿、壓力檢測器和第一電路板。該組件可通過將壓力檢測器耦合到桿并將第一電路板電耦合到壓力檢測器來完成。
補償該組件可包括確定組件的輸出與預定義壓力范圍和預定義溫度范圍上的預定義輸出的偏離，并對該偏離調節組件的輸出。確定壓力測量系統的信號輸出類型可包括確定該壓力測量系統可與之耦合的外部設備。
某些實現可包括確定壓力測量系統的電連接器組件類型。在作出該確定之后，可安裝適當的電連接器組件。電連接器組件可適于傳送信號輸出。也可安裝適于耦合到桿的、并連同該桿裝有壓力檢測器、第一電路板和第二電路板的外殼。
特定實現可包括確定壓力測量系統的工序接口類型、并更改該組件來實現該工序接口。更改該組件可包括將該桿耦合到包括工序接口的增壓管接頭。同樣，該桿可以是毛坯增壓管接頭的一部分，并且更改該組件可包括更改該增壓管接頭以實現該工序接口。
在另一一般方面中，壓力測量系統包括桿、壓力檢測器、第一電路板和第二電路板。該壓力檢測器被耦合到桿，并用來基于通過桿引入的壓力生成信號。第一電路板與壓力檢測器電耦合，并可用來調節該信號。桿、壓力檢測器和電路板得到補償。補償可包括對組件的輸出與預定壓力范圍和預定溫度范圍上的預定輸出的偏離來調節組件的輸出。第二電路板與第一電路板電耦合，并可用來在實質上不影響該補償的情況下產生預定義信號輸出類型。
特定實現可包括第一電路板和/或電連接器組件的外殼。該外殼可接合電路板，并被耦合到桿。該電連接器組件可與第二電路板電耦合，并適于傳送信號輸出。
在某些實現中，該桿可以是毛坯增壓管接頭的一部分。同樣，包括工序接口的增壓管接頭可與桿耦合。外殼可耦合到增壓管接頭，并連同該接頭裝有壓力檢測器、第一電路板和第二電路板。
在一特定方面中，用于制造壓力測量系統的工序包括提供一個組件，包括毛坯增壓管接頭、壓力檢測器和第一電路板，該壓力檢測器可用來基于通過增壓管接頭引入的壓力生成信號，并且該電路板可用于調節該信號。該工序還包括確定該組件的輸出與預定義壓力范圍和預定義溫度范圍上的預定義輸出的偏離，對該偏離補償組件的輸出，并確定將包括該組件的壓力測量系統的信號輸出類型。該工序還包括安裝第二電路板，該第二電路板在實質上不影響該補償的情況下產生信號輸出類型；確定壓力測量系統的電連接器組件類型；以及安裝適當的電連接器組件，該電連接器組件適于傳送該信號輸出。該工序還包括安裝耦合到增壓管接頭的、并連同該增壓管接頭裝有壓力檢測器、第一電路板和第二電路板的外殼。該工序還包括確定壓力測量系統的一工序接口類型，并更改該增壓管接頭以實現該工序接口。
各種實現可具有一個或多個特征。例如，因為信號轉換電路板可在補償桿/壓力檢測器/信號調節電路板組件之后安裝，所以該系統的適當輸出可以適時方式獲得。因而，壓力測量系統可在確定適當的信號輸出之后簡便地組裝。作為另一示例，因為信號轉換電路板可支持各個輸出之一，并且桿可被更改成提供各種工序接口之一，所以壓力測量系統可具有增大的使用范圍。因而，可大大減少生產過剩和基于預期需要的壓力傳感器的庫存。
一個或多個實現的細節在以下附圖和描述中闡述。根據描述和附圖、以及權利要求，其它特征、目的和優點將顯而易見。


圖1A-1B分別是一示例壓力測量系統的分解圖和橫截面視圖。
圖2A-B分別是圖1中系統的示例電路板外殼的立體圖和側面橫截面視圖。
圖3是示出圖2A-B中電路板外殼的一個示例與壓力檢測器和信號調節電路板之間的關系的橫截面俯視圖。
圖4是示出電路板外殼和增壓管接頭之間的耦合的橫截面側視圖。
圖5是示出信號轉換電路的一個示例的框圖。
圖6是示出信號轉換電路的一個示例的示意圖。
圖7是示出信號轉換電路的一個示例的示意圖。
圖8是示出信號轉換電路的一個示例的示意圖。
圖9是示出信號轉換電路的一個示例的示意圖。
圖10是示出用于制造壓力測量系統的工序的一個示例的流程圖。
圖11是示出用于操作壓力測量系統的工序的一個示例的流程圖。
各附圖中的相同標號表示相同元件。
具體實施例方式
用于壓力測量的系統和方法可提供能夠生成表示所檢測壓力的電信號的壓力測量系統。在特定實現中，一種系統和方法可在實質上未影響補償的情況下在壓力檢測器和信號調節電路已得到補償之后允許安裝信號轉換電路。因而，在補償期間最終壓力測量系統的信號輸出可未指定，而壓力測量系統仍然可簡便地組裝以符合工作限制，同時保持其補償。然而，其它實現可具有各種其它特征。
圖1A-1B示出一示例性壓力測量系統100。如圖所示，壓力測量系統100是壓力傳感器。壓力測量系統100可測量任何適當流體(例如液體和/或氣體)的壓力。
壓力測量系統100包括增壓管接頭110、壓力檢測器120、以及信號調節電路板130。在某些實現中可以是套管的增壓管接頭110包括限定通道114的桿112(例如六角桿)，該通道114在由增壓管接頭110和壓力檢測器120形成的腔體116終止。增壓管接頭110可例如由具有較高機械強度和抗腐蝕性的不銹鋼制成。在某些實現中，增壓管接頭110可包括用于將系統100固定到測量壓力的工序的螺紋。壓力檢測器120包括膜片122和應變儀組件124。膜片122可具有基本上為圓柱形的底部，并且是薄金屬膜。應變儀組件124被耦合到在流體入口一側的對面的膜片122的表面。在特定實現中，應變儀被設置在多個(例如四個)位置上，以形成橋接電路并輸出電信號。流體一側對面的膜片側可被抽空、與大氣密封、或排到大氣中。
壓力檢測器120被耦合(例如固定和密封)到增壓管接頭110(例如通過焊接)。信號調節電路板130與壓力檢測器120電耦合(例如通過引線接合)，以調節表示壓力檢測器所生成壓力的信號。在特定實現中，信號調節電路板130可包括被接合到壓力檢測器120的柔性導電片。信號調節電路板130包括處理器132，用于調節(例如濾波、規格化和溫度校正)來自壓力檢測器120的表示壓力的信號；以及引腳組件138，用于傳送經調節的信號。處理器132可以是現場可編程柵陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)、微處理器、或用于以邏輯方式處理信息的任何其它類型設備。在特定實現中，處理器132可僅校正負線性。在這些實現中，正非線性可被添加以改變對處理器的顯而易見的非負線性。可變尺寸的壓力檢測器120可與桿112和信號調節電路板130一起使用。
壓力測量系統100還包括接合信號調節電路板130的電路板外殼140(例如屏蔽殼)。在該實現中，電路板外殼140基本上為圓柱形，并具有較大直徑部分142和較小直徑部分144，該較小直徑部分被耦合到增壓管接頭110。較小直徑部分144可在多個點處耦合到增壓管接頭110(例如通過電阻或激光焊接)。盡管并非所有的電路板或其組件都需要置于較大直徑部分中，但較大直徑部分142適于耦合到信號調節電路板130，這將在以下更詳細地討論。在特定實現中，電路板外殼140可電耦合到信號調節電路板130的地線，以提供電路板的增大噪音電阻。
壓力測量系統100還包括信號轉換電路板150、電連接器160、電-幾何轉換器170、系統外殼180和密封環190。信號轉換電路板150通過電路板外殼140接合，并包括引腳接納組件152，該組件將信號轉換電路板電耦合到信號調節電路板130。信號轉換電路板150還包括引腳組件154。在特定實現中，特別是當電路板130置于或電路板外殼140的頂部之上或附近時，間隔條可被插到電路板130與電路板150之間。電連接器160也通過電路板外殼140接合。電連接器160包括引腳組件164，并可包括用于密封到外殼140的墊圈。電-幾何轉換器170包括引腳接納組件172，該引腳接納組件172將信號轉換電路板150電耦合到電連接器160。如圖所示，引腳組件164處于Packard配置。其它可能配置包括Deutsch、Hirshmann、DIN表A、以及纜接。轉換器170的不同配置可轉換成這些不同引腳配置。一些配置甚至可呼叫不同數量的引腳(例如兩個或四個)。然而，一些耦合可在減少數量的引腳上實現。例如，四-連接器耦合可使用三-連接器耦合來實現，連接器之一接到地。
電-幾何轉換器170將引腳組件154的幾何形狀轉換成引腳組件164的幾何形狀。轉換器170可以是柔性的聚酰亞胺，諸如杜邦(DuPont)的Kapton聚酰亞胺膜，其上具有跡線、電路板或包括導電幾何圖案的任何其它物體。系統外殼180被耦合到增壓管接頭110(例如焊接、卷邊、膠接、和/或填縫)并接合通過外殼180延伸的電連接器160、引腳組件164。在特定實現中，電連接器160和系統外殼180可由電絕緣材料(例如模制塑料)制成。在某些實現中，電連接器160可與系統外殼180成一體。系統外殼180連同增壓管接頭110裝入電路板外殼140。在某些實現中，外殼180可取決于電連接器160改變。可以是例如墊圈、O形圈、或密封劑的密封圈190與系統外殼180和增壓管接頭110通過接口相連，用于防止濕氣和灰塵的侵入。
在一種制造模式中，增壓管接頭110被耦合到壓力檢測器120，并且信號調節電路板130被插入電路板外殼140并與之接合。電路板外殼140然后被接合到增壓管接頭110，同時使電路板130與壓力檢測器120對齊。電路板外殼140被耦合到增壓管接頭110，并且電路板130被電耦合到壓力檢測器120。然后對預定壓力范圍和/或溫度范圍補償增壓管接頭、壓力檢測器、信號轉換電路板和電路板外殼的組件。例如，該組件可被校準(例如使來自信號調節電路板的輸出從最小輸出到最大輸出是線性的)并進行溫度校正(例如使因為所施加溫度的改變引起的誤差減小)。
然后該組件可被精加工(finish)成壓力測量系統，或儲藏以備后來的精加工。可在確定了將包括組件的壓力測量系統的適當測量信號時進行精加工。當是時候精加工壓力測量系統時，可以是適于與該組件一起使用的多類信號轉換電路板之一的信號轉換電路板150被接合到電路板外殼140，并通過所示實現中的引腳組件138和引腳容納組件152與信號調節電路板130電耦合。然后電連接器160與電路板外殼140接合，并通過所示實現中的引腳組件154和電-幾何轉換器170與信號轉換電路板150電耦合。然后外殼180與電連接器160接合并耦合到增壓管接頭110，從而在工序中接合密封圈190。
盡管剛剛已描述了制造系統100的一種模式，但應當理解可在其它模式的制造中可使用更少、附加、和/或不同的操作配置。例如，增壓管接頭在與壓力檢測器和信號調節電路板一起組裝時可以是毛坯。后來，當確定了壓力測量系統的工序應用時，增壓管接頭可適當地加工以通過接口與該工序連接。同樣，初始組件可僅包括增壓管接頭的桿部分，并且在精加工期間該桿可被耦合到適當的套管。將桿耦合到套管可通過激光焊或鎢電極弧焊完成。在某些實現中，這些技術允許任何樣式的增壓管接頭可得到實現，只要該接頭小于某尺寸(例如1.06英寸(27毫米))即可。作為另一個示例，信號調節電路板可能已調節了適當類輸出(例如0.5-4.5Vdc的比例度量)的信號。因而，如果該類輸出被確定為最終壓力測量系統的適當輸出，則不需要信號轉換電路板。在該情形中可不使用信號調節電路板，并且電連接器160可旋轉180°并電耦合(例如焊接)到引腳組件138。
在一種工作模式中，增壓管接頭110被耦合(例如用螺紋連接和密封)到測量壓力的工序，并允許壓力流進入通道114并到達腔體116。基于腔體116中的壓力，膜片122變形，并且應變儀124感測壓力作為應變并將該壓力轉換成要傳送給信號調節電路板130的電信號。信號調節電路板130調節(例如過濾、放大和線性化)該電信號。經調節的信號可以是能被轉換成各輸出信號的標稱信號(例如0-1V)。經調制信號然后被傳送到信號轉換電路板150，該信號轉換電路板150將經調制信號轉換成適當的輸出信號(例如0.5V-4.5V比例度量、0.5-4.5V非比例度量、x-y電壓、或4-20mA)。信號轉換電路板150可支持一種或多種輸出信號類型。該輸出信號被傳送至電連接器160，該電連接器160將該信號傳送到系統外殼180之外，從而該信號可被提供給遠程設備。
系統100具有各種特征。例如，因為在桿/壓力檢測器/信號調節電路板組件的補償之后可安裝信號轉換電路板150，所以系統的適當輸出可以適時方式獲取。例如，通常需要花12到24個小時來用指定輸出(配合)補償壓力傳感器。然而，系統100的組件可被預先補償，然后在確定適當輸出時簡便地組裝。同樣，因為在補償期間該組件僅包括一些組件，所以該補償得以簡化，這些組件可提供一致接口。此外，當仍然實現嚴格的工商業規范時可避免進一步的補償。例如，在特定實現中，對輸出值的改變在-20-85℃的溫度范圍內可小于該輸入/輸出范圍的0.40％。在某些實現中，該改變可小于0.1％。作為另一示例，因為信號轉換電路板150可支持各種輸出之一，所以系統100已增大了使用范圍。因而，可大大減少生產過剩和基于預期需要的壓力傳感器的庫存。此外，因為電連接器160在引腳組件164中具有三個引腳，所以信號轉換電路板150可對該引腳配置提供輸出，這提供了效率。作為一附加示例，電連接器160能對各種輸出類型(例如三線和兩線)提供適當的輸出。例如，對于三線輸出，這些線中的兩條可用于電力，而另一條線可用于數據，其中數據信號以低電力線為基準，并且對于兩線輸出，信號可在與電源線相同的兩條線上強加作為電流(即4-20mA)信號或數字數據K-線CAN總線。四線系統可能需要一種不同的信號連接器配置。作為又一示例，電連接器160可簡便地替換成具有另一引腳配置(例如Packard或Hirshmann)的電連接器。因而，可簡便地實現指定類型的輸出耦合器。作為再一示例，因為信號調節電路板具有一致的輸出接口，所以一種類型的數據獲取系統可用于對工序可變性、裝置成本、復雜性的降低作出補償，以及對補償系統的培訓和服務。
圖2A-B示出電路板外殼140-電路板外殼200的一個示例。電路板外殼200包括較大直徑部分202和較小直徑部分204。電路板外殼200可由鍍錫軟鋼、可與增壓管接頭匹配的不銹鋼、可簡便地形成的軟鋼、具有良好導電性的基于銅的金屬、或任何其它適當材料構成。在特定實現中，材料可具有EMI/RFI-屏蔽屬性。較小直徑部分204可接合增壓管接頭，并可在多個點處與之耦合(例如通過點焊)。
電路板外殼200還包括三個圓柱部分210。圓柱部分210具有基本上半圓形的橫截面，并從較小直徑部分204向較大直徑部分202延伸。這些圓柱部分基本上與電路板外殼的長軸平行。在其它實現中，圓柱部分210可具有任何其它適當的形狀和/或方向。各圓柱部分210包括各自包括一凸起214的蓋212。蓋212可支承電路板，并且一個或多個凸起214可與電路板電耦合。同樣，一個或多個凸起214可電耦合到電路板的地線。該電耦合凸起可提供從電路板到增壓管接頭的電路徑的一部分。在特定實現中，該電路板外殼可以是路徑的一部分，并且地線可經由電容器和/或變阻器耦合到凸起，從而疊加于DC電源線的AC分量可被釋放到地。該路徑可有助于降低電路板的噪聲。在特定實現中，凸起以不等間隔排列在外殼周圍。
在一操作模式中，電路板在蓋212上安裝并得到支承。該電路板然后被耦合到凸起214。當將凸起214固定于電路板時，凸起可被壓到電路板的接地焊盤上，然后在其上彎曲以便于接合。然而，在某些實現中，通過焊接的接頭因為可靠性增大而較佳。電路板外殼200然后被耦合到增壓管接頭。
盡管圖2A-2B示出了電路板外殼的一個實現，但其它實現可具有更少、附加和/或不同的組件配置。例如，電路板外殼可接合第二電路板。同樣，電路板外殼不需要具有可變直徑。此外，電路板外殼的橫截面無需是圓形。
圖3示出接合到分別與系統100的壓力檢測器120和信號調節電路板130相類似的壓力檢測器310和電路板320的電路板外殼200。如圖所示，電路板320通過凸起214被耦合到電路板外殼200，并且壓力檢測器310的應變儀裝置312的電極通過引線接合314電耦合到電路板320的電極。盡管壓力檢測器通過所示實現中的引線接合直接連接到電路板，但可采用其中壓力檢測器經由導線框連接到電路板的配置。
電路板320還包括處理器322、電容器324、以及輸入/輸出組件328。在操作時，由壓力檢測器310生成的電信號由電路板320調節(例如放大、濾波和線性化)。處理器322可有助于調節。經調節信號被提供給輸入/輸出組件328，從該輸入/輸出組件328中信號可經由繼電器盤發送給外部設備的電連接器。輸入/輸出組件328可用作各種電輸出(例如0.5V-4.5V比例度量、0.5-4.5V非比例度量、x-y電壓、或4-20mA)的基礎。
電路板外殼200具有各種特征。例如，當電路板被緊密耦合到電路板外殼(例如通過焊接)，并且電路板外殼用固定其上的壓力檢測器緊密耦合到增壓管接頭時，電路板的固定部分不太易于斷裂。這使得具有高可靠性的壓力測量系統能獲得。作為另一示例，電路板的接地端可電耦合到增壓管接頭，這使抗噪性得以改進。同樣，該電耦合可通過軟焊和焊接來實現，這樣就增加了耦合的可靠性并減少了隨著時間的流逝會發生的結構變化，這使得抗噪性得以維持更長時段。作為一附加示例，通過將電路板外殼經由點焊固定到增壓管接頭，可獲得強度的改進。這通過提供能保持性能的壓力測量系統，甚至在振動或沖擊會發生的環境中也能增加可靠性。作為又一示例，用于將組件安裝到電路板的背面的面積增大，因為該電路板被耦合到較大直徑部分中的電路板外殼，并且該外殼不在其整個周邊支承電路板。同樣，當該組件安裝面積被固定時，電路板的直徑不必增大，并且結果壓力傳感器的直徑不必增大。此外，通過控制蓋212(圖2)的高度，可簡便地控制電路板的高度。
作為另一示例，因為圓柱部分210(圖2A)被排列成與電路板外殼的從較小直徑部分到較大直徑部分的長軸平行，所以可簡便地執行通過壓制的制造。即，可避免橫向的壓制以及垂直方向上的處理。這不僅可允許硬模的較不復雜結構，還允許較簡便的硬模維護和提升的壓制速度，而不考慮增大的結構一致性。壓制方向可在長度方向上、也可在凸起的情形中實現，從而可簡便地實現壓力測量系統。使處理操作簡便導致電路板外殼被制造成低成本元件。
作為一附加示例，該電路板通過電路板外殼被耦合到增壓管接頭，該電路板外殼可緊固地耦合到增壓管接頭。這可提供電路板的適當定位(特別是在旋轉方向上)，并提供更為持久的耦合(特別是在高靜態或動態熱和/或負載環境中)。如果電路板脫離了與增壓管端口的耦合，則可發生電路板與壓力檢測器的接線電耦合的中斷。
作為又一示例，電路板外殼可由導電材料制成。通過減少熱膨脹系數之間的差異，這可改進電路板外殼和/或電路板外殼與增壓管接頭之間的接口的可靠性。
圖4示出用于耦合電路板外殼400和增壓管接頭410的技術。如圖所示，電路板外殼400和增壓管接頭410通過在多個焊接部分420(在圖中僅示出了其中之一)使用點焊彼此耦合。當在焊接部分420上執行點焊時，電路板外殼400在這些部分中輕微向內變形。由于該特征，當力F被施加于電路板外殼時，該部分整體地受力，從而應力不會集中在焊接部分。這可導致焊接部分防斷裂。
圖5示出信號轉換電路500的一個示例。信號轉換電路500可例如是信號轉換電路板150(圖1A-B)的一部分。
電路500包括耦合器510、功率衰減器(Power reducer)520、功率調節器530、以及耦合器540。耦合器510接收電源，并傳送表示壓力的經轉換信號。耦合器510可包括一個或多個連接器(例如引腳)，用于接收電源并傳送經轉換的壓力表示信號。在特定實現中，耦合器可接收來自外部電連接器的電源，并向其傳送經轉換的壓力表示信號。功率衰減器520可將電源限制于一指定范圍(例如0-5V)。在特定實現中，功率衰減器520可包括用于吸收電源中功率的晶體管。所限制的信號被傳送給提供經可靠調節電源的功率調節器530。在特定功能實現中，功率調節器530可以是電壓調節器。該經調節的信號被傳送給耦合器540。耦合器540可具有一個或多個連接器(例如引腳)，用于傳送經調節電源并接收壓力表示信號。在特定實現中，耦合器可將經調節電源傳送到信號調節電路，并接收來自該信號調節電路的壓力表示信號。
電路500還包括信號偏置器550、信號跨度調節器560、以及信號格式調節器570。信號偏置器550負責將一偏置插入壓力表示信號。例如，信號偏置器500可將一5V偏置添加到信號上。在特定實現中，信號偏置器可通過電阻分壓器提供偏置。然后增益可通過信號跨度調節器560施加到偏置壓力表示信號。例如，信號跨度調節器560可使信號的跨度倍增(例如，從5V到10V)。在特定實現中，信號跨度調節器可包括一放大器。按比例縮放的、偏置壓力表示信號然后可通過格式調節器570轉換成另一種格式。例如，電壓可被轉換成電流、頻率可變信號、切換輸出信號、脈寬調制信號、脈沖計數信號、數字信號、無線信號、或任何其它用于傳送信息的適當格式。經轉換的壓力表示信號然后由耦合器510傳送到電路500之外。
電路500可用于轉換信號調節電路板150的壓力表示信號。在特定實現中，壓力表示信號是5V比例度量信號的10％-90％。電路500也可用于轉換諸如溫度測量系統、濕度測量系統、或任何其它適當類型變頻器系統的其它系統的信號。一般而言，電路500可用于任何適當類型的物理或電可變測量系統。
盡管圖5示出了信號轉換電路的一種實現，但其它實現可包括更少、附加和/或不同的組件配置。例如，信號轉換電路可不包括功率衰減器和/或功率調節器，特別是當電源已得到良好調節時。作為另一示例，取決于壓力表示信號與經轉換壓力表示信號之間的差異，信號轉換電路可不包括信號偏置器、信號跨度調節器、和/或信號格式調節器。例如，如果僅需偏置壓力表示信號，則電路可不包括信號跨度調節器或信號格式調節器。然而，在某些實現中，可關斷或繞過不需要的組件。作為又一示例，來自功率調節器530的經調節電源可被提供給電路500的其它組件，諸如信號偏置器550和信號跨度調節器560。作為一附加示例，電路500的各種組件可具有可選特征。例如，信號偏置器能使信號偏置兩個或多個量，并且信號跨度調節器能使信號按比例縮放兩個或多個量。
圖6示出了壓力轉換電路600的一個示例。電路600是壓力轉換電路500的一個實現。電路600可以是信號轉換電路板150的一部分(圖1A-B)。
一般而言，電路600可包括輸入/輸出耦合器610、電路保護器620、減壓器630、電壓調節器640、輸入/輸出耦合器650、信號偏置器660、以及信號跨度調節器670。如以下更詳細描述的，電路600被設計成接受從9到36Vdc的未經調節電壓，盡管它在有限條件下可在高達50Vdc運行。然而，該電路可簡便地用適當組件更改，以使用其它輸入電壓范圍(例如從1-240Vac或Vdc)。該電路還可輸出0-5Vdc信號或0-10Vdc信號。在特定實現中電路在5V運行，盡管其它電壓(例如4.096V)是可能的。
輸入/輸出耦合器610包括允許信號往返電路600傳送的連接器612和導體614(例如引腳)。在所示實現中，輸入電壓到達導體614a，并且公共信號(例如接地)到達導體614c。導體614b被用于傳送來自電路的經轉換壓力表示信號。如前所述，可不調節通過導體614a的電壓。
電路保護器620被耦合到耦合器610，并保護電路600免遭輸入電源電壓中的不當信號、瞬態峰值、噪音等。在所示實現中，電路保護器620包括二極管622和電容器624。二極管622極性保護輸入電源電壓，而電容器624退耦輸入電源電壓。在特定實現中，二極管622是肖特基(Schottkey)二極管，而電容器624具有0.1μF的電容。
為了適應輸入信號的電壓范圍，減壓器630將輸入電壓限于預定義范圍(例如0-5V)。所減小的電壓被傳送給電壓調節器640。減壓器630包括可吸收大量電壓的晶體管632。在特定實現中，晶體管632是N-溝道或P-溝道增強式的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。減壓器630也包括電阻器634和二極管636。電阻器634向二極管636提供偏流，該二極管636又使晶體管632偏置導通。在某些實現中，晶體管632被偏置成線性運行。晶體管632可通過電阻器634和二極管636偏置導通，直到對電壓調節器640的輸入小于電壓調節器的輸出之上的給定值(例如2V)。在特定實現中，二極管636使晶體管632的柵極保持在約10Vdc上偏置，這使得對電壓調節器640的輸入保持為約8V。在特定實現中，電阻器632可具有100KΩ的電阻值，并且二極管636可以是齊納二極管。
電壓調節器640基于來自減壓器630的電源電壓生成經調制的電源電壓。電壓調節器640包括調節器642和電容器646。在所示實現中，調節器642具有五個輸入/輸出連接器644。已減少的電壓通過連接器644a接收，并通過連接器644b反饋。可以是相當穩定的經調節電源電壓通過耦合到電路軌道602的連接器644e提供給輸入/輸出耦合器650。在特定實現中，調節器640是能提供5mA電源的精確5Vdc調節器，諸如精度為0.2％且熱漂移低的LM4120。電容器646提供輸出信號的穩定化和退耦。電容器646可具有0.022μF。
輸入/輸出耦合器650通過電軌602耦合到電壓調節器640，并包括連接器654和導體654。輸入/輸出耦合器650通過導體654a將經調節電壓提供給信號調節電路板。該信號可激發該電路板，從而可生成表示壓力的信號。壓力表示信號通過導體654b接收。在特定實現中，壓力表示信號期望在0-5V信號的跨度的10％到90％(例如0.5-4.5V)上是線性的。
信號偏置器660也被耦合到電軌602，并包括分壓器662，該分壓器662對電軌分壓以提供輸出級(例如信號跨度調節器670)的基準電壓。該基準電壓對電軌是比例度量的。這樣，分壓器662對通過輸入/輸出耦合器650的連接器654b接收的壓力表示信號設置偏置。
在該實現中，分壓器662包括熱系數匹配電阻器663。在特定實現中，電阻器663a可具有電阻453KΩ，且電阻器663b可具有電阻90.9KΩ。電阻器663可以是精確的(例如0.1％的偏移和25ppm熱漂移)，盡管并非是必需的。
信號偏置器660也包括偏置選擇器664。偏置選擇器664允許選擇信號偏置器660的偏置。如圖所示，偏置選擇器664包括選擇器665和開關666。在特定實現中，電阻器665可具有電阻75KΩ。當開關666斷開時，信號偏置器660可偏置信號2.5V。當開關666閉合時，電阻器665可被視為是分壓器662的一部分。閉合開關666可在輸入等于5V的10％時將輸出電壓設置成0Vdc。
信號偏置器660另外還包括緩沖偏置電壓的緩沖器668。緩沖器668包括運算放大器669，該運算放大器669可以是TS27L2AID。運算放大器669用作緩沖分壓器662的電壓跟隨器，包括當開關666閉合時包括電阻器663b的并聯值。
信號跨度調節器670被耦合到耦合器650，并接收通過導體654b接收的壓力表示信號。信號跨度調節器670將壓力表示信號縮放至適當范圍(例如從5V到10V)。在所示實現中，信號跨度調節器670用作將壓力表示信號電壓與穩定基準電壓作比較的微分放大器，并提供具有單端(接地為基準的)輸出電壓的精確微分增益。
信號跨度調節器670包括分壓器672、運算放大器674、以及開關676。分壓器672包括熱系數匹配的電阻器673。電阻器673可通過各種技術匹配。在特定實現中，各個電阻器673都具有150KΩ的電阻值。在該實現中，當開關676斷開時，信號跨度調節器670用作正常模式放大器(特別是非倒相放大器)，并且當開關676閉合時，信號跨度調節器670用作微分放大器。在某些實現中，信號跨度調節器670使信號的跨度倍增。
信號跨度調節器670的輸出通過另一分壓器678反饋，該分壓器678還接收緩沖器668的輸出。分壓器678包括熱系數匹配的電阻器679。在特定實現中，各個電阻器679具有150KΩ的電阻值。電阻器679的熱系數不必對應于電阻器673的該熱系數。分壓器678迫使運算放大器674的電壓跟隨非零電壓偏置，當與跨度調節相組合時，在輸入為0.5V時將輸出設置為0V。
在一工作模式中，電路600在開關666和開關676閉合時生成0-5V輸出信號。當通過導體654b接收的電壓信號為0.5Vdc時，具有150KΩ電阻器的分壓器672將運算放大器674的不倒相輸入設置為0.250Vdc。運算放大器669的輸出是由分壓器662從+5V的電軌602設置的緩沖電壓。然后當開關666閉合時緩沖電壓為0.416Vdc，并且電阻器677和電阻器679b的并行組合是100KΩ(即(300*150)/(300+150))。對于以下格式，這可表達為電阻器679a’。輸出公式如下Vout＝Vin/(R673a+R673b)*R673b*(1+(R679b/R679a’))-(Voffset*(R679b/R679a’))其中R是相關聯電阻器的電阻值，而Vout是運算放大器674的輸出。對于所述實現，這轉換成Vout＝Vin/(150+150)*150*(1+(150/100))-(0.416*(150/100))因而，Vout＝0.001Vdc且Vin＝0.5Vdc；以及Vout＝5.001Vdc且Vin＝4.5Vdc。
為了改變電路以便于0-10Vdc輸出，開關666和開關676斷開。斷開開關676將電路變成具有偏置的隨動器。這有效地去除了分壓器672。為了補償偏置中的變化，開關666也被斷開，這將緩沖偏置變成0.835Vdc。
現在，輸出公式可被表達為Vout＝Vin*(1+(R679b/R679a’))-(R679b/R679a’)*Voffset使用所述實現，這生成Vout＝Vin*(1+(150/100))-(150/100)*0.835Vout＝-0.002Vdc，且Vin＝0.5Vdc；以及Vout＝9.998Vdc，且Vin＝4.5Vdc。
因此，電路600可將來自外部設備(例如信號調節電路板130)的比例度量輸出電壓轉換成0-5Vdc或0-10Vdc的輸出。
為了使運算放大器674擺動到(或通過)0伏，有必要生成略負的內部電源電軌。這可以通過電壓調節器680實現。電壓調節器680包括生成負電壓的調節器682和電容器684。調節器682可以是例如充電泵電壓逆變器。電容器686濾除所生成的-5Vdc。電容器684和電容器686各自可具有1μF的電容。
在特定實現中，電路600可包括一個或多個瞬時電壓抑制器、阻斷二極管、抗流電路、以及退耦電容器，以保護誤接線和短路、阻斷瞬時信號脈沖、并最小化EMI、ESD和瞬時噪聲。在特定實現中，輸出電壓可用復合晶體管圖騰電路實現，該電路提供更大輸出回轉、具有短路保護、輸出電流限制、誤排線保護和增值電容驅動能力。
在一操作模式中，從信號調節電路板接收的輸出期望在一范圍上(例如從經調節電壓的10％(0壓力)到經調節電壓的90％(全程壓力))是線性的。因而，當電路增益固定時，跨度精度取決于電路的固定增益和電軌602上電壓的調節。輸出精度至少部分地根據電路600的增益確定。因而，精度電阻器可用于設置電路的偏置級。輸出偏置熱性能可根據偏置電阻器的熱系數匹配和運算放大器的輸入偏置來確定。輸出跨度熱性能可根據增益電阻器的熱系數匹配、以及電壓調節器640的熱漂移來確定。
在某些實現中，經調節的電壓可被匹配到信號調節電路的標稱驅動器電路電壓。例如，如果信號調節電路中的標稱驅動器電路電壓為5V，則經調節的電壓可以是5Vdc。然而，可使用任何其它適當電壓。例如，使用4.096V可提供減小驅動器電路的電流需求的優點，這對4-20mA、兩配線輸出而言在至少4mA以下操作是重要的。
為了保持一致的偏置和偏置熱系數，可嚴格控制偏置電阻器的公差和熱系數，并且可能甚至相匹配。在特定實現中匹配并非是必需的，只要公差在0.1％內且電阻值的熱系數在25ppm內即可。
為便于維持一致跨度和跨度熱系數，可控制增益設置電阻器的公差和熱系數。在特定實現中，可使用具有公差為50ppm、匹配熱系數為5ppm的電阻器的電阻器網絡(對)。
盡管已討論了電路600的一個實現，但其它實現也是可能的。一種方法可以是使用薄膜或厚膜印刷電阻器(陶瓷襯底或與所安裝有效組件的混合物)，因為印刷電阻器具有相匹配的電阻熱系數。如果必要，相同的電阻器可通過電路板制造商來激光修整或研磨修整以校準增益和偏置。另一種方法可以是使用數字修整的電位計來設置偏置和增益。盡管數字修整的電位計通常具有較高的端對端熱系數，但如果在電位測量模式中使用則它們易于具有電阻值的良好匹配熱系數，從而熱效應較低。該方法的缺點包括相對較高的成本、低分辨率、和相對較大的尺寸，但期望在將來對這些有所改進。此外，數字控制的數模轉換器(DAC)可用于同一目的。
電路600具有各種特征。例如，電路600可將可變輸入電壓限制成預定電壓(例如5Vdc)。降低提供給電壓調節器的電壓減少由電壓調節器所耗散的功率的量，這降低了其內部溫度并因此降低了熱效應(例如誤差的生成)。同樣，這擴展了電路的輸入電壓范圍，并允許輸入比電壓調節器可正常處理的更高的電壓。此外，經調節電壓可被提供給檢測器電路(例如信號調節電路板130)。作為另一示例，電路600可提供兩個不同的輸出信號(例如一個在0-5V之間而另一個在0-10V之間)。因而，電路600可滿足兩個工作限制。作為一附加示例，電路600可生成與10％-90％5V的比例度量信號成比例的輸出信號，且不添加顯著的偏置誤差、增益誤差、偏置熱誤差、或增益熱誤差。例如，在特定實現中，對輸出值的改變可小于溫度范圍為-20-85℃內的輸入/輸出范圍的0.40％。此外，電路600可以是在安裝時不需要修整的固定、精確的轉移函數。
圖7示出了壓力轉換電路700。電路700是壓力轉換電路500的一種實現。電路700可以是信號轉換電路板150的一部分。
一般而言，電路700包括輸入/輸出耦合器710、電路保護器720、減壓器730、電壓調節器740、輸入/輸出耦合器750、信號偏置器760、以及信號跨度調節器770。這些組件可與電路600的相似。如以下更詳細討論的，電路700被設計成接受從9到36Vdc的未經調節電壓輸入，盡管它在有限條件下可在高達50Vdc運行。然而，該電路可簡便地用適當組件更改，以使用其它輸入電壓范圍(例如從1-240Vac或Vdc)。該電路還可輸出1-5Vdc信號或1-6Vdc信號。在特定實現中電路在可提供給其它電路的5V下運行，盡管其它電壓(例如4.096V)是可能的。
輸入/輸出耦合器710包括允許信號往返電路700傳送的連接器712和導體714(例如引腳)。在所示實現中，輸入電源電壓到達導體714a，并且公共信號(例如接地)到達導體714c。導體714b被用于傳送來自電路的經轉換壓力表示信號。
電路保護器720被耦合到輸入/輸出耦合器710，并保護電路700免遭輸入電源電壓中的不當信號、瞬態峰值、噪音等。在所示實現中，電路保護器720包括二極管722和電容器724。二極管722極性保護輸入電源電壓，而電容器724退耦輸入電源電壓。
為了適應輸入信號的電壓范圍，減壓器730將輸入電壓限于預定義范圍(例如0-5V)。所減小的電壓被傳送給電壓調節器740。減壓器730包括可吸收大量電壓的晶體管732。減壓器730也包括電阻器734和二極管736。電阻器734向二極管737提供偏流，該二極管737又使晶體管732偏置導通。在某些實現中，晶體管732被偏置成線性運行。晶體管732可通過電阻器734和二極管736偏置導通，直到對電壓調節器740的輸入小于電壓調節器的輸出之上的給定值(例如2V)。在特定實現中，二極管736使晶體管732的柵極保持在約10Vdc上偏置，這使得對電壓調節器740的輸入保持為約8V。
電壓調節器740基于來自減壓器730的電源電壓生成經調制的電源電壓。電壓調節器740包括調節器742和電容器746。在所示實現中，調節器742具有五個輸入/輸出連接器744。已減少的電壓通過連接器744a接收，并通過連接器744b反饋。可以是相當穩定的經調節電源電壓通過耦合到電路軌道702的連接器744e提供給輸入/輸出耦合器750。電容器746提供經調節輸出信號的穩定化和退耦。
輸入/輸出耦合器750通過電軌702耦合到電壓調節器740，并包括連接器754和導體754。輸入/輸出耦合器750通過導體754a將經調節電源電壓提供給信號調節電路板。該信號可激發該電路板，從而可生成表示壓力的信號。壓力表示信號通過導體754b接收。
信號偏置器760也被耦合到電軌702，并包括分壓器762，該分壓器762對電軌分壓以提供輸出級(例如信號跨度調節器770)的基準電壓。該基準電壓對電軌是比例度量的。這樣，分壓器762對通過輸入/輸出耦合器750的連接器754b接收的壓力表示信號設置偏置。
在該實現中，分壓器762包括熱系數匹配電阻器763。在特定實現中，電阻器763a可具有電阻332KΩ，且電阻器763b可具有電阻60.4KΩ。電阻器763可以是精確的(例如0.1％的偏移和25ppm熱漂移)，盡管并非是必需的。
信號偏置器760還包括緩沖偏置電壓的緩沖器768。緩沖器768包括運算放大器769。運算放大器769用作緩沖分壓器762的電壓跟隨器。
信號跨度調節器770被耦合到耦合器750，并接收通過導體754b接收的壓力表示信號。信號跨度調節器770將壓力表示信號縮放至適當范圍(例如從5V到6V)。在所示實現中，信號跨度調節器770用作將壓力表示信號電壓與穩定基準電壓作比較的微分放大器，并提供具有單端(接地為基準的)輸出電壓的精確微分增益。
信號跨度調節器770包括分壓器772、運算放大器774、以及二極管775。分壓器772包括熱系數匹配的電阻器773。在特定實現中，各個電阻器773都具有150KΩ的電阻值。二極管775提供帶隙電壓基準，這可允許不管所輸入電流如何都可保持經基準電壓。二極管775可提供具有較低熱誤差和較佳精度的1.2Vdc基準。在特定實現中，二極管775被實現為作為理想齊納二極管的集成電路。
信號跨度調節器770還包括開關776、分壓器777和電阻器779。信號跨度調節器770的輸出通過分壓器777反饋，該分壓器777也接收緩沖器768的輸出。分壓器777包括熱系數匹配的電阻器778。在特定實現中，各個電阻器778具有150KΩ的電阻值。分壓器777迫使運算放大器774的電壓跟隨非零電壓偏置，當與跨度調節相組合時，在輸入為0.5V時將輸出設置為1V。
在一工作模式中，電路700在開關776斷開時生成1-5V輸出信號。當通過導體754b接收的電壓信號為0.5Vdc時，具有150KΩ電阻器的分壓器772將運算放大器774的不倒相輸入設置為0.8625Vdc。電阻器779使二極管775偏置導通。運算放大器769的輸出是由分壓器762從+5V的電軌702設置的緩沖電壓。因此緩沖電壓為0.77Vdc，并且電阻器763a的電阻值是332KΩ且電阻器763b的電阻值為60.3Ω。輸出公式表達如下Vout＝(1.225V-(1.225-Vin)/(R773a+R773b)*R773b)+(((1.225V-(1.225V-Vin)/(R773a+R773b)*R773b)-0.77)/R778a*R778b)對于所述實現，這轉換成Vout＝(1.225V-(1.225-Vin)/(150+150)*150)+(((1.225V-(1.225V-Vin)/(150+150)*150)-0.77)/150*150)因而，當分壓器772的輸入為0.5Vdc(0壓力時)時，運算放大器774的輸出將是0.955Vdc。該偏移可以是可變的(例如用第二開關)，但在某些實現中固定的偏置調節被視為是可接受的。當輸入為4.5Vdc時，分壓器772將運算放大器774的非倒相輸入設置成2.8625V。因此，運算放大器774的輸出是2.8625V+(2.8625Vdc-0.77Vdc)，或4.955Vdc(對于4.000Vdc的跨度)。
為了改變電路以便于1-6Vdc輸出，開關776閉合。閉合開關776改變分壓器777的比例，并使信號跨度調節器770將信號的跨度增大20％。該偏置電壓可對該增益最優化。電阻器778a和電阻器779的并行組合是100KΩ(即(300*150)/(300+150))。對于以下公式，這可表達為電阻器778a’。輸出公式如下Vout＝(1.225V-(1.225-Vin)/(R773a+R773b)*R773b)+(((1.225V-(1.225V-Vin)/(R773a+R773b)*R773b)-0.77)/R778a’*R778b)使用所述實現，這生成Vout＝(1.225V-(1.225-Vin)/(150+150)*150)+(((1.225V-(1.225V-Vin)/(150+150)*150)-0.77)/100*150)Vout＝1.001Vdc，且Vin＝0.5Vdc；以及Vout＝6.001Vdc，且Vin＝4.5Vdc。
因此，電路700可將來自外部設備(例如信號調節電路板130)的比例度量輸入電壓轉換成1-5Vdc或1-6Vdc的輸出。
電路700具有各種特征。例如，電路700可將可變輸入電壓限制成預定義電壓(例如5Vdc)。降低提供給電壓調節器的電壓減少由電壓調節器所耗散的功率的量，這降低了其內部溫度并因此降低了熱效應(例如誤差的生成)。同樣，這擴展了電路的輸入電壓范圍，并允許輸入比電壓調節器可正常處理的更高的電壓。此外，經調節電壓可被提供給檢測器電路(例如信號調節電路板130)。作為另一示例，電路700可提供兩個不同的輸出信號(例如一個在1-5V之間而另一個在1-6V之間)。因而，電路700可滿足兩個工作限制。作為一附加示例，電路700可信號調節10％-90％5V的比例度量信號，且不添加顯著的偏置誤差、增益誤差、熱偏置或增益誤差。此外，電路700可以是在安裝時不需要修整的固定、精確的轉移函數。
圖8示出了壓力轉換電路800。電路800是壓力轉換電路500的一種實現。電路800可以是信號轉換電路板150的一部分。
一般而言，電路800包括輸入/輸出耦合器810、電路保護器820、減壓器830、電壓調節器840、輸入/輸出耦合器850、信號偏置器860、以及信號跨度調節器880。這些組件可與電路600的相似。電路800還包括信號格式調節器880。如以下更詳細討論的，電路800被設計成接受從9到36Vdc的未經調節電壓輸入，盡管它在有限條件下可在高達50Vdc運行。然而，該電路可簡便地用適當組件更改，以使用其它輸入電壓范圍(例如從1-240Vac或Vdc)。該電路還可輸出通過電壓輸入提取的4-20mA信號。在特定實現中電路在可提供給其它電路的5V下運行，盡管其它電壓(例如4.096V)是可能的。
輸入/輸出耦合器810包括允許信號往返電路800傳送的連接器812和導體814(例如引腳)。在所示實現中，輸入電源電壓到達導體814a，并且公共信號(例如接地)到達與導體814c相連的導體814b。導體814被用于傳送來自電路的經轉換壓力表示信號。
電路保護器820被耦合到輸入/輸出耦合器810，并保護電路800免遭輸入電源電壓中的不當信號、瞬態峰值、噪音等。在所示實現中，電路保護器820包括二極管822和電容器824。二極管822極性保護輸入電源電壓，而電容器824退耦輸入電源電壓。
為了適應輸入信號的電壓范圍，減壓器830將輸入電壓限于預定義范圍(例如0-5V)。所減小的電壓被傳送給電壓調節器840。減壓器830包括可吸收大量電壓的晶體管832。減壓器830也包括電阻器834和二極管836。電阻器834向二極管836提供偏流，該二極管836又使晶體管832偏置導通。在某些實現中，晶體管832被偏置成線性運行。晶體管832可通過電阻器834和二極管836偏置導通，直到對電壓調節器840的輸入小于電壓調節器的輸出之上的給定值(例如2V)。在特定實現中，二極管836使晶體管832的柵極保持在約10Vdc上偏置，這使得對電壓調節器840的輸入保持為約8V。
電壓調節器840基于來自減壓器830的電源電壓生成經調制的電源電壓。電壓調節器840包括調節器842和電容器846。在所示實現中，調節器842具有五個輸入/輸出連接器844。已減少的電源電壓通過連接器844a接收，并通過連接器844b反饋。可以是相當穩定的經調節電源電壓通過耦合到電路軌道802的連接器844e提供給輸入/輸出耦合器850。電容器846提供經調節輸出信號的穩定化和退耦。
輸入/輸出耦合器850通過電軌802耦合到電壓調節器840，并包括連接器854和導體854。輸入/輸出耦合器850通過導體854a將經調節電源電壓提供給信號調節電路板。該信號可激發該電路板，從而可生成表示壓力的信號。壓力表示信號通過導體854b接收。
信號偏置器860也被耦合到電軌802，并包括分壓器862，該分壓器862對電軌分壓以提供跨導級(例如信號跨度調節器870和信號格式調節器880)的基準電壓。該基準電壓對電軌是比例度量的。這樣，分壓器862對通過輸入/輸出耦合器850的連接器854b接收的壓力表示信號設置偏置。
在該實現中，分壓器862包括熱系數匹配電阻器863。在特定實現中，電阻器863a可具有電阻200KΩ，且電阻器863b可具有電阻300KΩ。電阻器863可以是精確的(例如0.1％的偏移和25ppm熱漂移)，盡管并非是必需的。
信號偏置器860還包括緩沖偏置電壓的緩沖器868。緩沖器868包括運算放大器869。運算放大器869用作緩沖分壓器862的電壓跟隨器。
信號跨度調節器870被耦合到耦合器850，并接收通過導體854b接收的壓力表示信號。信號跨度調節器870將壓力表示信號縮放至適當范圍(例如從4mA到16mA)。在所示實現中，信號跨度調節器870用作將壓力表示信號電壓與穩定基準電壓作比較的微分放大器，并提供具有單端(接地為基準的)輸出電壓的精確微分增益。
信號跨度調節器870包括分壓器872、運算放大器874、電阻器875和電阻器876。分壓器872包括熱系數匹配的電阻器873。在特定實現中，電阻器873a具有電阻值100KΩ，并且電阻器873b具有電阻值20KΩ。電阻器875和電阻器876耦合到電軌802，并便于提供最小輸出電流。在特定實現中，電阻器875可具有電阻值1.91KΩ，而電阻器876可具有電阻值127KΩ。在某些實現中，電阻器876可以是精密電阻器，可掩蔽電阻器875的不精密。
信號跨度調節器870還包括分壓器877。信號格式調節器880的輸出通過分壓器877反饋，該分壓器877也可接收緩沖器868的輸出。因而，運算放大器869的輸出通過分壓器877劃分并累加到運算放大器874的倒相輸入。分壓器877包括熱系數匹配的電阻器878。在特定實現中，電阻器878a具有100KΩ的電阻值，而電阻器878b具有20KΩ的電阻值。分壓器877迫使運算放大器874的電壓跟隨非零電壓偏置，當與跨度調節相組合時，在輸入為0.5V時將輸出設置為1V。
信號格式調節器880被耦合到信號跨度調節器870。信號格式調節器880包括電阻器882、晶體管884、電阻器885以及電阻器886。電阻器882將電流限制為晶體管884的基極，電阻器885是限制最大輸出信號的限流電阻器，并且電阻器886用作電流讀出電阻器。即，電阻器886是電流讀出反饋元件。跨壓電阻器886與總電路電流成比例，該總電路電流本身是輸出信號，并且該電壓被反饋到運算放大器874。電路600的性能精度也受到電阻器886影響。運算放大器874通過驅動作為NPN功率晶體管的晶體管884提供微分增益，以形成跨壓電阻器886，以將受控電流引入共同信號。在特定實現中，電阻器882具有4.99KΩ的電阻值，電阻器884具有10Ω的電阻值，且電阻器886具有50Ω的電阻值。在特定實現中，電阻器886可被實現為一對并行電阻器，這些電阻器可實現可變性。
信號格式調節器880還包括電容器887和電容器888。電容器887通過減小較高頻率上的增益使運算放大器874穩定。電容器888滑移電路800的頻率響應。在特定實現中，電容器887具有0.01μF的電容，并且電容器888具有0.1μF的電容。
在一種工作模式中，運算放大器869的輸出通過分壓器877劃分并累加到運算放大器874的倒相輸入，以將對運算放大器的倒相輸入設置為0.5Vdc。因此，當分壓器872上的輸入為0.5Vdc時(0壓力)，沒有電流流過分壓器。然而，電阻器875和電阻器876將足夠電流驅動到電阻器873b以感生4mA的總電流提取，這是通過運算放大器874將晶體管884偏置導通到足以使輸入平衡保持為0.5Vdc來實現的。當輸入電壓升至4.5Vdc時，運算放大器874、晶體管882和電阻器886協作以使非倒相輸入保持為0.5Vdc。在全量程上輸入信號為4.5Vdc，這等同于在電阻器873b兩端下降了4Vdc(4.5Vdc-0.5Vdc)，如果電阻器873b具有20KΩ的電阻值則生成20mA。
因此，電路800可將來自外部設備(例如信號調節電路板130)的比例度量輸入電壓轉換成4-20mA。
電路800具有各種特征。例如，電路800可將可變輸入電壓限制成預定義電壓(例如5Vdc)。降低提供給電壓調節器的電壓減少由電壓調節器所耗散的功率的量，這降低了其內部溫度并因此降低了熱效應(例如誤差的生成)。同樣，這擴展了電路的輸入電壓范圍，并允許輸入比電壓調節器可正常處理的更高的電壓。此外，經調節電壓可被提供給檢測器電路(例如信號調節電路板130)。
作為另一示例，因為通過設計本質上較低的熱系數，所以電路具有4-20mA輸出的低熱自加熱。4-20mA設備自然地產熱，這會引起壓力傳感器組件中的自加熱。隨著這些組件的設計變得越來越小，該問題通常越來越差。但是對于電路800，因為僅使用低熱效應組件所以所產生的熱對它自己具有極小影響。優點是整個組件具有低自加熱效應，并且更易于保持來自熱敏感部件的熱(例如信號調節電路和壓力檢測器)。
作為一附加示例，電路800可轉換信號的格式，這有助于符合工作限制。作為另一示例，電路800可信號調節10％-90％5V的比例度量信號，且不添加顯著的偏置誤差、增益誤差、熱偏置或增益誤差。此外，電路800可以是在安裝時不需要修整的固定、精確的轉移函數。
圖9示出了壓力轉換電路900。電路900是壓力轉換電路500的一種實現。電路900可以是信號轉換電路板150的一部分。
一般而言，電路900包括輸入/輸出耦合器910、電路保護器920、減壓器930、電壓調節器940、輸入/輸出耦合器950、信號偏置器960、以及信號跨度調節器970。如以下更詳細討論的，電路900被設計成接受從9到36Vdc的未經調節電壓輸入，盡管它在有限條件下可在高達50Vdc運行。然而，該電路可簡便地用適當組件更改，以使用其它輸入電壓范圍(例如從1-240Vac或Vdc)。該電路還可輸出0-5Vdc信號或0-10Vdc信號。在特定實現中電路在5V下運行，盡管其它電壓(例如4.096V)是可能的。
輸入/輸出耦合器910包括允許信號往返電路900傳送的連接器912和導體914(例如引腳)。在所示實現中，輸入電源電壓到達導體914a，并且公共信號(例如接地)到達導體914c。導體914b被用于傳送來自電路的經轉換壓力表示信號。
電路保護器920被耦合到耦合器910，并保護電路900免遭輸入電源電壓中的不當信號、瞬態峰值、噪音等。在所示實現中，電路保護器920包括二極管922和電容器924。二極管922極性保護輸入電源電壓，而電容器924退耦輸入電源電壓。
為了適應輸入信號的電壓范圍，減壓器930將輸入電壓限于預定義范圍(例如0-5V)。所減小的電壓被傳送給電壓調節器940。減壓器930包括可吸收大量電壓的晶體管932。減壓器930也包括電阻器934和二極管936。電阻器934向二極管936提供偏流，該二極管936又使晶體管932偏置導通。在某些實現中，晶體管932被偏置成線性運行。晶體管932可通過電阻器934和二極管936偏置導通，直到對電壓調節器940的輸入小于電壓調節器的輸出之上的給定值(例如2V)。在特定實現中，二極管936使晶體管932的柵極保持在約10Vdc上偏置，這使得對電壓調節器940的輸入保持為約8V。
電壓調節器940基于來自減壓器930的電源電壓生成經調節的電源電壓。電壓調節器940包括調節器942和電容器946。在所示實現中，調節器942具有五個輸入/輸出連接器944。已減少的電壓通過連接器944a接收，并通過連接器944b反饋。可以是相當穩定的經調節電源電壓通過耦合到電路軌道902的連接器944e提供給輸入/輸出耦合器950。電容器946提供輸出信號的穩定化和退耦。
輸入/輸出耦合器950通過電軌902耦合到電壓調節器940，并包括連接器952和導體954。輸入/輸出耦合器950通過導體954a將經調節電壓提供給信號調節電路板。該信號可激發該電路板，從而可生成表示壓力的信號。壓力表示信號通過導體954b接收。在特定實現中，壓力表示信號期望在0-5V信號的跨度的10％到90％(例如0.5-4.5V)上是線性的。
信號偏置器960也被耦合到電軌902，并包括分壓器962，該分壓器962對電軌分壓以提供輸出級(例如信號跨度調節器970)的基準電壓。該基準電壓對電軌是比例度量的。這樣，分壓器962對通過輸入/輸出耦合器950的連接器954b接收的壓力表示信號設置偏置。
在該實現中，分壓器962包括熱系數匹配電阻器963。在特定實現中，電阻器963a可具有電阻100KΩ，且電阻器963b可具有電阻11KΩ。電阻器963可以是精確的(例如0.1％的偏移和25ppm熱漂移)，盡管并非是必需的。
信號偏置器960還包括緩沖偏置電壓的緩沖器968。緩沖器968包括運算放大器969。運算放大器969用作緩沖分壓器962的電壓跟隨器。
信號跨度調節器970被耦合到耦合器950，并接收通過導體954b接收的壓力表示信號。信號跨度調節器970將壓力表示信號縮放至適當范圍(例如從5V到10V)。在所示實現中，信號跨度調節器970用作將壓力表示信號電壓與穩定基準電壓作比較的微分放大器，并提供具有單端(接地為基準的)輸出電壓的精確微分增益。
信號跨度調節器970包括分壓器971、開關973、以及運算放大器974。分壓器971包括熱系數匹配的電阻器972。在特定實現中，電阻器972a具有40KΩ的電阻值，電阻器972b具有50KΩ的電阻值，而電阻器972c具有40KΩ的電阻值。
信號跨度調節器970的輸出通過另一分壓器976反饋，該分壓器979也可接收緩沖器968的輸出。分壓器976包括熱系數匹配的電阻器977。在特定實現中，電阻器977a具有40KΩ的電阻值，電阻器977b具有50KΩ的電阻值，而電阻器977c具有40KΩ的電阻值。分壓器976迫使運算放大器974的電壓跟隨非零電壓偏置，當與跨度調節相組合時，在輸入為0.5V時將輸出設置為0V。
信號跨度調節器970還包括開關978。在特定實現中，開關973和開關978允許增益以平衡方式在微分和反饋方更改。
在一工作模式中，電路900在開關973和開關978斷開時生成0-5V輸出信號。當通過導體954b接收的電壓信號為0.5Vdc時，具有前述電阻器的分壓器971將運算放大器974的不倒相輸入設置為0.5Vdc。運算放大器969的輸出是由分壓器962從+5V的電軌902設置的緩沖電壓。然后緩沖電壓為0.5Vdc，這導致在壓力表示信號為0.5Vdc時Vin和Voffset之間的差值為0Vdc。該輸出是增益乘以Vin和Voffset電壓之間的差值的倍數。
假設分壓器971和976使用相匹配的電阻值，輸出可表達如下Vout＝(Vin-Voffset)*(R977b/R977a)因而，對于所述實現Vout＝(Vin-0.5Vdc)*(50/40)；Vout＝0.000Vdc且Vin＝0.5Vdc；以及Vout＝5.000Vdc且Vin＝4.5Vdc。
為了改變電路900以便于0-10Vdc輸出，開關973和開關978閉合。將電阻器972c與電阻器972a并聯放置將分壓器971的比例從50/40變成50/20。這對分壓器976而言也是如此。因此，輸出可表達為Vout＝(Vin-Voffset)*(R977b/R977a’)因而，對于所述實現Vout＝(Vin-0.5Vdc)*(50/20)；Vout＝0.000Vdc且Vin＝0.5Vdc；以及
Vout＝10.000Vdc且Vin＝4.5Vdc。
因此，電路900可將來自外部設備(例如信號調節電路板130)的比例度量輸入電壓轉換成0-5Vdc或0-10Vdc的輸出。
為便于運算放大器974擺動到(或通過)0伏，有必要生成略負的內部電源電軌。這可用電壓調節器980實現。電壓調節器980包括生成負電壓的調節器982和電容器984。調節器982可以是例如充電泵電壓逆變器。電容器986濾除所生成的-5Vdc。
電路900具有各種特征。例如，電路900可將可變輸入電壓限制成預定電壓(例如5Vdc)。降低提供給電壓調節器的電壓減少由電壓調節器所耗散的功率的量，這降低了其內部溫度并因此降低了熱效應(例如誤差的生成)。同樣，這擴展了電路的輸入電壓范圍，并允許輸入比電壓調節器可正常處理的更高的電壓。此外，經調節電壓可被提供給檢測器電路(例如信號調節電路板130)。作為另一示例，電路900可提供兩個不同的輸出信號(例如一個在0-5V之間而另一個在0-10V之間)。因而，電路900可滿足兩個工作限制。作為一附加示例，電路900可生成與10％-90％5V的比例度量信號成比例的輸出信號，且不添加顯著的偏置誤差、增益誤差、偏置熱誤差、或增益熱誤差。此外，電路900可以是在安裝時不需要修整的固定、精確的轉移函數。同樣，該實現可提供具有諸如增強共模抑制的期望特征的平衡微分級，因此應當更免受電磁干擾(EMI)和/或射頻干擾(RFI)。
圖10示出用于壓力測量的工序1000。工序1000可例如表示用于制造壓力測量系統100的工序。
工序1000從提供包括桿、壓力檢測器和信號調節電路板的組件開始(操作1004)。在特定實現中，桿是套管的一部分，壓力檢測器可以是應變儀耦合其中的金屬膜片，并且電路板可放大來自壓力檢測器的表示壓力的信號。提供該組件可包括獲得組件，或將該組件的各個部件組裝在一起。壓力檢測器可被耦合到桿，并且電路板可被電耦合到壓力檢測器。
在獲得組件之后，該組件得到了補償(操作1008)。在特定實現中，對壓力范圍(例如0-100psi、0-500psi、或0-1000psi)和溫度范圍(0-100℃、5-35℃或-20-85℃)補償該組件。通常，組件可在各種壓力和溫度范圍上使用。校準該組件可包括確定組件輸出與期望輸出的偏離，以及對該偏離補償組件的輸出。
該工序繼續確定將包括該組件的壓力測量系統的信號輸出類型(操作1012)。確定信號輸出類型可例如包括確定壓力測量系統可與之耦合的外部設備。在確定壓力測量系統的信號輸出類型之后工序要求安裝電路板，該電路板在實質上不影響校準的情況下生成輸出信號(操作1016)。該電路板可例如將來自信號調節電路板的電信號轉換成另一類信號(例如0.5-4.5V或4-20mA)。為了避免影響校準，電路板可消耗較小的功率并且是精確的。安裝信號轉換電路板可例如通過使電路板與信號調節電路板的外殼接合、并電耦合電路板來完成。
工序繼續確定將包括該組件的壓力測量系統的電連接器組件類型(操作1020)。確定電連接器組件類型可例如包括確定壓力測量系統可與之耦合的外部設備。在確定壓力測量系統的電連接器組件類型之后安裝使適當的電連接器組件(操作1024)。該電連接器組件可適于傳送輸出給外部設備的信號。例如，該組件可將第一引腳排列轉換成第二引腳排列(例如從線性轉換成三角形)。安裝電連接器可例如通過使連接器與信號調節電路板的外殼接合、并使連接器與信號轉換電路板電耦合來完成。
該工序繼續安裝外殼(操作1028)。外殼可由任何適當材料制成，并可具有通過接口與遠程設備相連的任何適當形狀。在特定實現中，外殼可根據電連接器組件的類型來指定。安裝該外殼可包括將外殼耦合到桿。該外殼連同桿可裝入壓力檢測器、信號調節電路板和信號轉換電路板。
工序1000繼續確定將包括該組件的壓力測量系統的工序接口類型(操作1032)。確定工序接口類型可例如包括確定組件可與之耦合的工序。在確定工序接口類型之后該組件被更改以獲得壓力接口(操作1036)。更改該組件可例如包括加工桿是其一部分的套管，以包括工序接口(例如螺紋)或將桿耦合到包括工序接口的套管。
盡管圖10描述了用于壓力測量的工序的一種實現，但其它實現可包括更少、附加和/或不同的工作配置。例如，更改組件以實現工序接口可在安裝信號轉換電路板、安裝電連接器組件、和/或安裝外殼前或后進行。此外，在特定實現中，它根本不會進行一例如，如果桿已具有工序接口。作為另一示例，確定可按任何順序執行。此外，可同時進行兩個或多個確定。作為一附加示例，工序可不要求確定電連接器組件類型或工序接口類型。作為又一示例，如果來自信號調節電路板的輸出已適當，則可不安裝信號轉換電路板。
圖11示出用于壓力測量的工序1100。工序1100可例如表示壓力測量系統100的操作。
工序1100從等待供電開始(操作1104)。可從本地或遠程電源供電。一旦已供電，工序就要求將所供電降至預定義水平(操作1108)。在特定實現中，例如9-36Vdc信號可降至0-5Vdc信號。該工序然后要求生成經調節的電源(操作1112)。經調節的電源可例如使用與已降低電源相同的電壓范圍。
工序繼續輸出經調節的電源(操作1116)。經調節的電源可例如被傳送到信號調節電路板，該信號可因經調節電源激發電路板。然后工序要求等待接收表示壓力的信號(操作1120)。
一旦已接收了壓力表示信號，工序要求確定是否應偏置該信號(操作1124)。確定是否偏置該信號可例如基于要輸出信號的類型，或基于預選的開關位置。如果應偏置電壓表示信號，則偏置該信號(操作1128)。
一旦已偏置了壓力表示信號，或者如果不應偏置壓力表示信號，則工序要求確定是否應調節信號的跨度(操作1132)。確定是否應調節該跨度可例如基于要輸出信號的類型、或基于預選開關位置。如果應調節壓力表示信號的跨度，則調節信號的跨度(操作1136)。
一旦已調節了壓力表示信號的跨度，或者如果不應調節壓力表示信號的跨度，則該工序要求確定是否應轉換壓力表示信號的格式(操作1140)。確定是否應轉換信號的格式可例如基于要輸出的信號的類型或基于預選開關位置。如果應轉換壓力表示信號的格式，則轉換信號的格式(操作1144)。
一旦已轉換了壓力表示信號的格式，或者如果不應轉換壓力表示信號的格式，則工序要求輸出經轉換的壓力表示信號(操作1148)。然后該工序要求返回以等待供電。
盡管圖11示出了用于壓力測量的工序的一個實現，但其它實現可包括更少、附加和/或不同的工作配置。例如，可不降低電源和/或不生成經調節的電源，特別是如果所供電源是經良好調節的情況。作為另一示例，取決于壓力表示信號與經轉換壓力表示信號之間的差異，壓力表示信號可不偏置、跨度調節、和/或格式調節。例如，如果壓力表示信號僅需偏置，則可刪除跨度調節和格式調節操作。作為又一示例，壓力表示信號可在調節跨度之后偏置，或信號的格式可在施加偏置或跨度調節之前調節。作為一附加示例，經調節電源可被提供給電路實現工序1100的多個部件。作為再一示例，各個操作可具有可選擇特征。例如，信號偏置能使信號偏置兩個或多個量，且信號跨度調節能縮放信號兩個或多個量。作為另一示例，有關壓力表示信號的確定并非必需進行—例如，當壓力表示信號與經轉換的壓力表示信號一致時。
已描述了多個實現，且已建議或提出了各個其它實現。此外，可進行各種添加、刪除、替代、和/或更改，而仍然實現壓力測量。出于這些原因，本發明是根據可包含一個或多個實現的所附權利要求的范圍的方法。
權利要求
1.一種用于制造壓力測量系統的方法，所述方法包括提供包括桿、壓力檢測器和第一電路板的組件，所述壓力檢測器可用來基于通過所述桿引入的壓力生成信號，所述電路板可用來調節所述信號；補償所述組件；確定將包括所述組件的壓力測量系統的信號輸出類型；以及安裝在實質上不影響所述補償的情況下生成所述信號輸出類型的第二電路板。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，提供組件包括組裝所述桿、所述壓力檢測器、以及所述第一電路板。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，組裝所述桿、所述壓力檢測器、以及所述第一電路板包括將所述壓力檢測器耦合到所述桿；以及將所述第一電路板電耦合到所述壓力檢測器。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，補償所述組件包括確定所述組件的輸出與預定義壓力范圍和預定義溫度范圍上的預定義輸出的偏離；以及對所述偏離調節所述組件的輸出。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，確定壓力測量系統的信號輸出類型包括確定所述壓力測量系統可與之耦合的外部設備。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括確定所述壓力測量系統的電連接器組件類型。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括安裝適當的電連接器組件，所述電連接器組件適于傳送信號輸出。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括安裝外殼，所述外殼耦合到所述桿，并且連同所述桿裝有所述壓力檢測器、所述第一電路板、以及所述第二電路板。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括確定所述壓力測量系統的工序接口類型；以及更改所述組件以獲得所述工序接口。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，更改所述組件包括將所述桿耦合到包括所述工序接口的增壓管接頭。
11.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述桿是毛坯增壓管接頭的一部分，且更改所述組件包括更改所述增壓管接頭以獲得所述工序接口。
12.一種壓力測量系統，所述系統包括桿；耦合到所述桿的壓力檢測器，所述壓力檢測器可用來基于通過所述桿引入的壓力生成信號；與所述壓力檢測器電耦合的第一電路板，所述電路板可用于調節所述信號，所述桿、所述壓力檢測器和所述電路板得到了補償；以及與所述第一電路板電耦合的第二電路板，所述第二電路板可用于在實質上不影響所述補償的情況下生成預定義信號輸出類型。
13.如權利要求12所述的系統，其特征在于，還包括所述第一電路板的外殼，所述外殼與所述電路板相接合并耦合到所述桿。
14.如權利要求12所述的系統，其特征在于，還包括電耦合到所述第二電路板的電連接器組件，所述電連接器組件適于傳送所述信號輸出。
15.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述桿是毛坯增壓管接頭的一部分。
16.如權利要求12所述的系統，其特征在于，還包括與所述桿耦合的增壓管接頭，所述增壓管接頭包括一工序接口。
17.如權利要求16所述的系統，其特征在于，還包括與所述增壓管接頭耦合的外殼，并且連同所述增壓管接頭裝有所述壓力檢測器、所述第一電路板和所述第二電路板。
18.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述補償對所述組件的輸出與預定義壓力范圍和預定義溫度范圍上的預定義輸出的偏離調節所述組件的輸出。
19.一種用于制造壓力測量系統的方法，所述方法包括提供包括毛坯增壓管接頭、壓力檢測器和第一電路板的組件，所述壓力檢測器可用來基于通過所述增壓管接頭引入的壓力生成信號，所述電路板可用于調節所述信號；確定所述組件的輸出與預定義壓力范圍和預定義溫度范圍上的預定義輸出的偏離；對所述偏離補償所述組件的輸出；確定將包括所述組件的壓力測量系統的信號輸出類型；安裝在實質上不影響補償的情況下生成所述信號輸出類型的第二電路板；確定所述壓力測量系統的電連接器組件類型；安裝適當的電連接器組件，所述電連接器組件適于傳送所述信號輸出；安裝外殼，所述外殼耦合到所述增壓管接頭，并且連同所述增壓管接頭裝有所述壓力檢測器、所述第一電路板和所述第二電路板；確定所述壓力測量系統的工序接口類型；以及更改所述增壓管接頭以獲得所述工序接口。
全文摘要
一種用于測量的系統和方法可包括能簡便制造壓力測量系統的能力。在一個一般方面中，用于制造壓力測量系統100的工序包括提供一組件，該組件包括桿112、壓力檢測器120和第一電路板130。壓力檢測器可用來基于通過桿引入的壓力生成信號，并且電路板可用來調節該信號。該工序還包括補償該組件，確定將包括該組件的壓力測量系統的信號輸出類型，并且安裝在實質上不影響補償的情況下生成信號輸出類型的第二電路板150。
文檔編號G01L9/02GK101036041SQ200580028843
公開日2007年9月12日 申請日期2005年8月25日 優先權日2004年8月27日
發明者W·S·柯什, 金子義和 申請人:阿舍克羅夫特-內野股份有限公司