气动设备广泛用于各种商业和工业设置中。因为其应用不断变化，所以气 动设备常常工作于各种情形中，出于安全和/或系统操作原因，它们的工作情况 至关重要。通常的气动设备包括扳手、升降机和定位器。
气动定位器可以被用于各种设备中，其中包括气动阀、气流设备等。在工 作期间，不安全的工作条件可能会出现，比如温度或压力超过安全工作极限。 在这种情况下，可能期望关闭定位器，这通常包括使气动定位器转变到安全状 态并且除去电子组件的电能。使气动定位器转变到安全状态可以是这样实现 的：当检测到不安全的工作条件时，使其通风到大气。
发明内容
本文揭示了用于气动定位器的关闭超控电路及其使用方法。在一个一般的 方面中，用于在气动定位器处实现安全超控的过程可以包括：接收输入控制信 号；利用输入控制信号对气动定位器的控制电路供能；以及至少部分地基于输 入控制信号来产生用于具有控制电路的信号-压力转换器的控制信号。该过程也 可以包括：基于输入信号来检测用于气动定位器的不安全工作条件；根据检测 到不安全工作条件来修改控制信号以使该转换器转变到安全状态；以及在该转 换器处于安全状态中的同时允许控制电路继续由输入控制信号来供电。该过程 可以由模拟电路、数字电路、或其组合来实现。在某些实现方式中，该过程可 以另外包括：根据修改的控制信号，使该转换器的输出端口通风至大气压。
检测不安全工作条件可以包括：检测到输入解扣信号已启动。在特定实现 方式中，检测不安全工作条件可以包括：检测到输入控制信号的电流电平处于 阈值电平之外。检测到输入控制信号的电流电平处于阈值电平之外可以包括： 基于输入控制信号产生特征电压；将参考电压和特征电压进行比较；以及基于 该比较，确定输入控制信号的电流电平已下降到阈值电平以下。
该过程也可以包括：检测用于气动定位器的不安全工作条件；以及基于该 检测来修改控制信号以使该转换器转变到安全状态。
在另一个一般的方面中，气动定位器可以包括转换器、控制电路和安全超 控电路。该转换器可以根据控制信号在输出端口处产生一压力。控制电路可以 是用输入控制信号供电的，并且可至少部分地基于输入控制信号来产生用于该 转换器的控制信号。该安全超控电路可以根据输入信号来修改用于该转换器的 控制信号，修改后的控制信号使该转换器转变到安全状态，并且在该转换器处 于安全状态中的同时安全超控电路允许该控制电路继续由该输入控制信号来 供电。例如，该转换器可以通过使输出端口通风到大气压而转变到安全状态。 控制电路可以传递和接收来自至少一个外部设备的数字信号。
某些实现方式可以包括由该转换器所产生的压力来控制的阀。该安全超控 电路可以由外部产生的解扣信号和/或输入控制信号来控制。该安全超控电路可 以包括比较器，该比较器可将代表输入控制信号的特征电压与参考电压进行比 较。
特定实现方式可以包括至少一个传感器，该传感器可检测用于气动定位器 的不安全工作条件，其中控制电路可以基于该检测来修改控制信号以使该转换 器转变到安全状态。
在另一个方面中，用于气动定位器的安全超控电路可以包括第一输入、第 二输入和晶体管。第一输入可以接收输入信号，第二输入可以接收用于信号- 压力转换器的控制信号。晶体管(可以是MOSFET)可以包括第一端子、第二 端子和第三端子，第一端子具有基于输入信号而确定的电压，第二端子耦合到 第二输入，第三端子可传递输出信号-压力转换器信号，其中晶体管由第一端子 处的电压来控制，以防止控制信号流过晶体管到达第三端子。
在某些实现方式中，该电路也可以包括至少一个电阻器，它使第一电阻器 端子耦合到晶体管的第一端子并且使第二电阻器端子耦合到第二输入。安全超 控电路可以另外包括完全相同的超控电路，每一个完全相同的超控电路具有各 自的第一输入、各自的第二输入以及各自的晶体管。
例如，输入信号可以是外部产生的解扣信号和/或外部产生的控制信号。例 如，控制信号可以是从外部控制信号中产生的电流。该电路可以包括比较器， 该比较器耦合到晶体管并且可将代表输入信号电流的特征电压与参考电压进 行比较。
安全超控设备和技术可以减小或消除与先前的系统相关联的一个或多个 缺陷。例如，安全超控设备和技术可以提供有效的操作，从而根据不合适的输 入信号使控制信号停止，同时仍然维持定位器的电能。由此，气动设备可以转 变到安全状态而不牵涉到程序和控制电子设备，它们可能会经历因不合适的输 入信号导致的问题。然而，程序和电子设备也可以仍然运行。因此，定位器可 以在关闭模式中提供诊断和/或状态更新。作为另一个示例，安全超控设备和技 术可以提供额外的安全性冗余。
在附图和下面的描述中，阐明了一个或多个实现方式的细节。根据说明书 和附图以及权利要求书，本文的特定特点将是明显的。

图1是示出了具有安全超控电路的气动定位器的示例实现方式的框图；
图2是安全超控电路的特定实现方式的电路图；
图3是安全超控电路的另一个实现方式的电路图；以及
图4是示出了在气动定位器中实现安全超控的示例过程的流程图。

图1示出了包括安全超控(override)电路200的气动定位器100的示例实 现方式。在该实现方式中，安全超控电路200根据启动条件将电-压力(E/P)转换 器102的输出压力恢复到大气压。气动定位器100受输入信号106控制，输入 信号106转而被用于向E/P转换器102的控制电路108供电。在特定的实现方 式中，输入信号106可以被用于将其它信息传递给气动定位器100。通常，控 制电路108使E/P转换器102在其输出端口110处产生一压力，该压力被用于 操纵受控装备(EUC)112。如果在工作期间检测到不安全条件，则安全超控电路 200就中断用于E/P转换器102的控制信号115，同时仍然允许输入信号106 继续向用于E/P转换器102的控制电路108供电。下文更详细地描述了所描绘 的实现方式的特定特点。
E/P转换器102可以是用于调节E/P转换器102的输出端口110处的压力 的任何电控设备。在这种实现方式中，E/P转换器102利用加压气源116来产 生压力输出。典型的气源116可以被加压到150psi。通常，模拟电流信号(比 如0.1mA-1.6mA)被用于控制气动定位器102，以便使控制信号可与其它电 控装备中所常用的电平兼容。然而，从原理上讲，任何电流范围都是可以使用 的，或者，E/P转换器102可以被电压控制设备或用于产生输出压力的其它电 控装备来替代。由此，尽管下文的描述可以讨论电流-压力转换器的情况，但是 应该理解，所描述的实现方式可以适合于修改成与其它电-压力转换器或其它信 号-压力转换器一起起作用。E/P转换器102的输出压力可以被加到气动中继器 118上，它被用于产生输出压力的增益。E/P转换器102或气动中继器118可以 具有排气装置120，它允许输出端口110通风到大气以使输出端口110处的压 力恢复到大气压。
EUC 112可以是任何能被E/P转换器102的输出压力机械地操纵的设备。 例如，EUC 112可以是移动到各种位置的气动受控阀。气动定位器100和EUC 112之间任何合适形式的气动或其它机械连接都是可以使用的。在特定的实现 方式中，EUC 112具有“默认状态”或“安全状态”，当输入压力恢复到大气 压时EUC 112返回到该状态。例如，如果EUC 112是个阀，则该阀将根据返 回到大气压水平的输入压力而进入打开位置或关闭位置。
控制电路108可以包括用于控制或操作E/P转换器102的任何硬件和/或软 件，在所描绘的实现方式中，控制电路108包括：处理模块122，它耦合到模 数转换器124；压力控制器126；HART调制解调器128；以及电能转换器132， 它从输入信号106中提取电能以便对气动定位器100的各个组件供电。通常， 处理模块122基于输入信号106和从各种传感器130(统称为130A，130B， 130C，...，130K)处收集到的信息，来控制用于E/P转换器102的压力控制器126。 当检测到不安全条件时(比如超范围信号、位置、温度、基准电压和/或压力值、 存储器默认值、和/或E/P转换器和/或中继器响应在一个或多个校验期间变差)， 处理模块122可以中断由压力控制器126输出的控制信号114。处理模块122 也可以产生差错通知信号131。其它错误识别和分析可以通过其它通信设备(比 如HART调制解调器128)进行。
处理模块122可以是用于根据任何合适的算法或其它指令组来操纵信息的 硬件和/或软件的任何集合。处理模块122可以包括任何数量或类别的处理器、 存储器模块、接口等，以允许处理模块122接收来自任何其它电子设备的信息， 利用该信息执行多种操作，并且产生传输给其它电子设备的信号。特别是，处 理模块122可以包括一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP) 以及专用集成电路(ASIC)。处理模块122可以包括易失性或非易失性信息存储 装置，其示例包括磁存储器、闪存、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。 处理模块122也可以使用HART调制解调器128来接收输入信号106中所传递 的消息，比如命令。在特定的实现方式中，处理模块112可以包括电可擦除和 可编程只读存储器(EEPROM)，可基于从HART调制解调器128中接收到的命 令来对其编程。尽管处理模块122被显示成数字处理模块122，但是其它实现 方式也可以在其恰当位置处替换用于执行一个或多个相似功能的模拟电路。
模数转换器124按需要将模拟信号转换成数字信号，以允许处理模块122 处理这些信号。也可以使用各种其它A/D或D/A转换器，将处理模块122和其 它组件之间的信号转换成这些组件可用的形式。例如，如果处理模块122向其 它HART设备发送消息，则可以使用D/A转换器将处理模块122的数字输出转 换成4-20mA模拟信号。相似的是，也可以使用其它接口(比如调制解调器)、 网络接口卡、和/或无线收发器，以便处理模块122将数字信息发送给气动定位 器100外部的设备并且接收来自这些设备的信息。
压力控制器126可以是任何能根据从处理模块122处接收到的命令来产生 用于E/P转换器102的控制信号114的硬件和/或软件。压力控制器126可以接 收来自压力传感器130A(它耦合到E/P转换器102的输出端口110)的反馈， 并且相应地调节控制信号114。控制信号114被从压力控制器126传送到安全 超控电路200，从而允许安全超控电路200产生用于电-压力转换器102的控制 信号115。
在特定的操作模式中，如果没有检测到不安全条件，则控制信号115可能 基本上与控制信号114相同。然而，如果检测到不安全条件，则安全超控电路 200就可以产生控制信号115从而将E/P转换器102置于安全状态中。在某些 实现方式中，这后一种操作可以包括修改控制信号114。在本文中，“修改” 可以包括对控制信号114进行提升、衰减、转变、中断、转换、或以其它方式 进行操纵，以产生来自E/P转换器102的特定响应。
传感器130监控与气动定位器100和/或EUC 112相关联的条件。这种传 感器130的示例包括压力传感器、温度传感器、电压传感器和湿度传感器。可 以使用传感器130的阵列，从各种位置收集各类信息，就像图1所描绘的气动 定位器100的实现方式那样。在所描绘的实现方式中，压力传感器130B监控 到E/P转换器102的气源116的压力。一对压力传感器130C和130D监控用于 EUC 112的高压和低压。另一个压力传感器130E监控气动定位器100周围环 境的大气压。电压传感器130F监控用于输入信号106的基准电压电平。温度 传感器130G监控用于气动定位器100的内部温度。温度传感器130G可以是热 电偶、电阻式温度-敏感设备、温度计、或任何其它合适的温度检测设备。位置 传感器130H监控EUC 112的物理位置，例如，可以使用该物理位置来校准气 动控制器100或检测EUC 112中的故障。位置传感器130H可以是霍耳效应 (Hall-effect)传感器，它磁耦合到EUC 112或其它合适类型的传感器。电位 器134通过与之物理地也可以耦合监控EUC 112的物理位置。位置传感器130I 监控电位器134的电阻。在特定的实现方式中，可以使用位置传感器130H和 电位器134来监控EUC在不同应用中的位置。例如，当气动控制器100直接 安装到阀上时，可以使用位置传感器130H；当气动控制器100远离阀安装时， 可以使用电位器134。电压传感器130J和130K根据气动控制器100所使用的 特定电压信号(比如来自处理模块122的外部调控信号136或复位信号138)， 来产生特征电压。由传感器130所收集的信息可以用于这样一些任务：提供反 馈以便恰当控制E/P转换器102；或检测不安全工作条件。
这些传感器可以被用于验证电位器100对阀位置有控制权。关闭阀(比如 在紧急关闭情况下启动的阀)的常见问题是该阀可能长期不启动并且有可能冻 结在正常(即不关闭)条件下。该验证可以在正常安全操作期间进行，以便确 信该阀在需要时将会启动(比如当解扣信号被启动时，或当输入控制信号处于 边界之外时)。因为该验证是在没有危险时执行的，所以可以在不关闭系统的 情况下修理该问题。该验证可以包括：轻微地移动该阀；或者将致动器压力与 阀位置或其它诊断手段进行比较，以验证该阀将会按要求启动。
安全超控电路200可以是这样一些电子组件的任何集合：它们能中断或修 改控制信号114到E/P转换器102的传输，同时又不打扰输入信号106对气动 定位器100的其它组件供电的能力。安全超控电路200可以定位成与控制电路 108分开，比如定位于单独的印刷电路板上，或者它可以与控制电路108的一 个或多个组件集成到一起。安全超控电路200也可以用数字组件、模拟组件、 或其组合来实现。在所描绘的实现方式中，解扣信号104控制安全超控电路200 的操作。可以用外部控制机制来调节解扣信号104，该外部控制机制基于从调 节过程和/或设施的各种部分(包括电位器100)处接收到的数据来做出决定。 根据接收解扣信号104、检测解扣信号104的状态变化(比如从高到低)、检 测解扣信号104中的中断、或大量其它的基于解扣信号104的触发方法中的任 一种，可以触发安全超控电路200。对控制信号114执行的修改可以是任何合 适的修改以使E/P转换器102执行与“安全状态”相关的动作(其示例包括转 变到默认状态或者冻结E/P转换器的当前状态)，这将取决于什么类型的控制 信号115产生合适的动作。例如，当控制信号被中断时，一些E/P转换器将通 风到大气，在这种情况下，中断控制信号将产生安全状态(假定通风到大气是 期望的安全状态)。
在一种操作模式中，安全超控电路200接收输入信号106并且将其提供给 控制电路108。控制电路108(利用电能转换器132由输入信号106对其供电) 至少部分地基于输入信号106来产生合适的控制信号114。控制信号114被提 供给安全超控电路200，它向E/P转换器102提供控制信号115。处理模块122 在工作期间监控来自传感器130的信息。如果检测到不安全条件，比如传感器 130所测得的任何值超过安全范围，则处理模块122产生差错通知信号131。 该差错通知信号可以设置数字输出的状态。此外，处理模块还可以设置压力控 制器126的控制信号114以产生用于E/P转换器102的安全状态。
安全超控电路200也可以产生用于E/P转换器102的安全状态。为了实现 这一点，安全超控电路200可以监控解扣信号104、输入信号106、或任何其 它合适的条件-指示信号。如果这些信号之一指示不安全条件，则安全超控电路 可以通过超控来自控制电路108的控制信号114而将E/P转换器102驱动到安 全状态。然而，安全超控电路200仍然可以允许将输入信号106提供给控制电 路108。由此，控制电路108可以继续被供电。由此，可以继续提供定位器的 电子功能，比如系统诊断和状态报告。
图2示出了安全超控电路200的示例实现方式。安全超控电路200包括两 个完全相同的超控电路202以便增大可靠性。由此，如果超控电路202之一发 生故障，则另一个仍然可以提供安全功能。
每一个超控电路202都具有用于接收解扣信号104的第一输入204以及用 于接收输入E/P控制信号114的第二输入206，输入E/P控制信号114是控制 电路108根据输入信号106而产生的。每一个超控电路202将晶体管208置于 控制信号114的路径中。晶体管208可以是任何合适的电流或电压控制电子组 件，它根据控制端子210(此处显示成电压调节器)处的控制信号来限制或允 许电流流过。例如，晶体管208可以是p型或n型场效应晶体管(FET)，比如金 属氧化物半导体FET(MOSFET)，由加到MOSFET的栅极端的电压对其进行控 制。用于控制晶体管208的电压信号是解扣信号104，电压调节器210使其向 下步进到适合晶体管208的电压电平。由此，例如，如果晶体管208是5-V MOSFET，则24-V解扣信号104可以向下步进到5V。电阻器212和214被用 在超控电路202中以防止向下步进的解扣信号104中的电流显著改变控制信号 114，输出E/P控制信号115是从控制信号114中产生的。例如，可以选择电阻 器212以具有相对较高的电阻值，比如1MΩ，以使电流流动达到最小。
在操作中，只要来自解扣信号104的向下步进的电压得以维持，则晶体管 208就允许电流流动。当解扣信号104被中断时，流过晶体管208的电流被中 断，由此中断了到E/P转换器102的控制信号115。根据控制信号115的中断， E/P转换器102转变到安全状态，比如通风到大气。由此，超控电路202根据 解扣信号104提供了用于使控制信号114停止的有效操作。
图3示出了安全超控电路200的另一个示例实现方式。在该示例实现方式 中，两个晶体管220分别被各个比较器222或224控制。比较器222和224可 以是用于将基准输入信号与阈值输入信号进行比较并且根据该比较产生一输 出以控制各个晶体管220的任何电路，比如图3所示的运算放大器比较器。在 所描绘的实现方式中，安全超控电路200接收从到气动定位器100的输入信号 106中产生的输入电流226。电阻器228被安排成产生一个用于表示输入电流 226的特征电压降。二极管230和电阻器232形成一个正比于输入电流226的 电压。电压调节器238与电阻器228相结合形成恒定基准电压，对照该恒定基 准电压来比较电阻器232两端的电压。电阻器234和电压236定义了用于比较 器222和224的输出的高值和低值。
在操作中，比较器222和224将表示输入电流226的特征电压与各个基准 电压进行比较。如果特征电压落在基准电压以下，则要么是因为输入电流226 太低，要么是因为一个或多个电压调节器238已将输入电流226分流到地面(这 是因为它太高了)，比较器222或224使其各自的晶体管220截止，由此中断 流向E/P转换器102的电流。因为比较器222或224可以中断流向E/P转换器 102的电流，所以图3所描绘的安全超控电路200的示例实现方式提供了额外 的安全冗余。因为用于触发安全超控电路200的输入电流226是从到气动定位 器100的输入信号106中产生的，所以在不使用单独的解扣信号104的情况下， 可以触发安全超控电路200。
在特定的实现方式中，图2-3所示的安全特征可以被设置在一个安全超控 电路中(比如在同一个电路板上)。然而，在应用中，有可能是，仅使用安全 特征中的一个。此外，尽管安全超控电路被显示成通过具有完全一样的电路而 具有冗余，但是通过非完全一样的电路提供冗余可能是有利的，这可以减小两 个电路受同一条件影响的几率。然而，在某些实现方式中，不需要冗余。
如4示出了用于在气动定位器中实现安全超控的示例过程300。过程300 始于接收用于气动定位器的输入信号(操作302)。在一个示例中，输入信号 可以是4-20mA模拟控制信号。过程300继续下去，从输入信号中提取电能以 便对控制电路供电(操作304)并且检查不安全条件(操作306)。不安全条 件可以是超范围的传感器值。如果检测到不安全，则过程300需要产生安全E/P 控制信号(操作308)。然而，如果没有检测到不安全条件，则过程300需要 将输入信号转换成E/P控制信号(操作310)。
过程300继续下去，通过安全超控电路将E/P控制信号传递给E/P转换器 (操作312)。过程300也需要监控用于气动定位器的输入信号(操作314)。 输入信号可以包括控制信号、解扣信号、或提供给定位器的任何其它信号。如 果没有检测到不安全条件(操作316)，则重复操作302-314，直到检测到不安 全条件或除去输入信号(操作318)。不安全条件可以是输入信号(比如24V 解扣信号)的丢失和/或超范围的控制信号(比如当正使用4-20mA信号时小于 4mA的信号)。
根据不安全条件的检测，过程300需要触发安全超控电路(操作320)。 安全超控电路的触发使E/P转换器转变到安全状态(操作322)，比如使电-压 力转换器通风到大气，同时继续从输入信号中提取电能(操作324)。如果确 定已校正了不安全条件(操作326)，如用户干预、解扣信号104的恢复、或 大量其它可能的指示符所指出的那样，则气动定位器可能返回到操作302-314。 否则，安全状态可以维持一定的时间量(操作328)，直到施加外部干预以恢 复气动定位器的操作。
在气动定位器中实现安全超控的前述过程是大量可能的过程之一。在实现 这些过程时，所述方法的特定操作可以被重新安排或省略，和/或可以添加额外 的步骤。例如，根据处理器确定的默认条件，可能不会产生安全控制信号。作 为另一个示例，当检测到不安全条件时，可以向用户提供通知。在气动定位器 中实现安全超控的可能的方法之内，也包括与上述气动定位器100的各种实现 方式相一致的其它操作模式。结果，上述过程仅是作为一个说明性示例而呈现 的，而非穷尽地描述了所有可能的方法。
尽管本文揭示了某些实现方式和相关的方法，但是对于本领域的技术人员 而言，这些实现方式和方法的变更和置换都是明显的。例如，不同的电路可被 用于执行所述的功能，不同形式的控制信号都是可以使用的，并且控制信号可 以按不同的方式转换、处理或以其它方式操纵。相应地，上文关于示例实现方 式的描述并不排他性地限定本发明的范围。因此，除了所描述的实现方式以外， 其它变化、替代都可以被包括在所附权利要求书的范围中，权利要求书被用于 度量本发明的范围。