帶有開關式電源的過程設備的製作方法
2023-09-23 21:15:25 1
專利名稱：帶有開關式電源的過程設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於監控或控制工業過程的操作的類型的過程現場設備。更具體地，本發明涉及過程現場設備，該過程現場設備連接在兩線過程控制迴路上且該過程現場設備完全由從該兩線過程控制迴路上接收的電力提供電力。
背景技術：
在工業過程控制系統中使用過程設備，以監控和/或控制該工業過程。控制設備是用於控制過程的過程設備。示例控制設備包含泵、閥、激勵器、螺線管、電動機、混合器、攪拌機、斷路器、壓碎機、軋輥機、磨粉機、球磨機、揉麵團機、過濾器、混料器、旋風機、離心分離機、鑽塔、乾燥機、傳送機、分離器、升降機、提升機、加熱器、冷卻器和其他這種裝備。變送器(transmitter)是用於檢測(或監控)過程操作的過程設備，例如通過監控諸如溫度、壓力、流量等之類的過程變量。被監控的過程變量被發送以使它能夠由過程中的其他裝置所使用，例如中心控制室。另一示例過程設備是過程監控器或通信裝置，被用於監控過程、諸如過程變送器或過程控制器之類的在該過程中使用的裝備的操作，並控制過程裝置，例如對該裝置編程或發送指令。
兩線過程現場設備是被設置在遠離位置或否則需要完全地通過連接至兩線過程控制迴路的連接接收電力的過程設備。兩線過程控制迴路指的是利用兩根線的線路系統，並且該線路系統被用於傳輸關於被監控或控制的過程的信息。例如，一個標準型兩線過程控制迴路使用4-20mA電流電平表示過程變量。在這種配置中，變送器可將電流電平控制為諸如10mA的值，該值表示諸如壓力之類的檢測的過程變量。其他過程控制迴路配置允許數位訊號的傳輸。數位訊號可以是模擬電流電平的傳輸的替代物或者可以與模擬電流電平的傳輸相組合。
為了減少需要連接至過程設備的線路的數量，許多過程設備完全使用從兩線過程控制迴路上接收的電力供給電力。因此，該過程設備可得到的總電力量受到限制。例如，在4-20mA電流迴路中，可得到的總電力在固有安全位置(intrinsic safe location)中受到電流電平可被設置的最低電平(例如3.6mA)和該設備上可得到的最大電壓降(例如大約小於24伏特)的限制。即小於0.9瓦特可利用以供給該設備電力。
在很多情況中，過程設備的功能受到可從兩線過程控制迴路得到的電力數量的限制。例如，附加的功能可能需要微處理器的附加的計算能力。這種增加的計算能力需要更大的電能，並且可能超過該迴路上可利用的電力預算。為了增加過程現場設備中電路的可利用的電力數量，現場設備通常使用高效電源，以將從兩線過程控制迴路接收到的電力轉換為內部電路所使用的調整的電壓電平。一種電源，開關式調節器(regulator)，由於其高效地將調整的電源電壓提供給現場設備中的元件，因而被使用在過程設備中。然而，開關式調節器可能將噪聲引入該過程控制迴路，該噪聲可能改變或對迴路上信息的傳輸產生不利影響。
發明內容
一種用於連接至兩線過程控制迴路的過程現場設備包含現場設備電路和開關式調節器，該開關式調節器被配置向該現場設備電路提供電力。體電容器被連接至開關式調節器的輸入端且被配置向該開關式調節器提供電力。串聯電壓調節器向體電容器提供調整的電源電壓。噪聲濾波器將串聯電壓調節器連接至兩線過程控制迴路，並且減少由於兩線過程控制迴路中的開關式調節器而產生的噪聲。
一種向兩線過程控制迴路中現場設備中的電路提供電力的方法，包含從兩線過程控制迴路中接收電力和將接收的電力預調整為調整的電壓電平。濾除來自開關式調節器的噪聲，以免進入兩線過程控制迴路。
圖1是示出過程控制或監控系統的簡圖，包括被連結至兩線過程控制迴路的過程設備。
圖2是現場設備中電路的簡化框圖，包括給設備提供電力的電源。
圖3是現場設備中電源電路的簡化框圖。
圖4是示出本發明中的電源電路的一個示例實施例的簡圖。
圖5是示出本發明中的電源電路的另一個示例實施例的簡圖。
圖6是說明信號噪聲對時間的曲線圖，示出注入兩線過程控制迴路中的信號噪聲。
圖7是類似於圖6的信號噪聲對時間的曲線圖，說明由於本發明的配置而降低的信號噪聲。
具體實施例如背景部分中所述，一些類型的過程現場設備完全使用從相同兩線過程控制迴路接收的電力來提供電力，該兩線過程控制迴路用於傳輸關於該過程的信息。圖1是示出工業過程控制或監控系統100的簡圖，在該系統中一種兩線過程現場設備(過程變送器)102連接至工業過程，具體為過程管線104。變送器102還連接至連接到控制室112的兩線過程控制迴路110。過程控制迴路110被圖示為傳輸電流I，並且依據包括諸如HART通信標準、Fieldbus(現場總線)或Profibus標準等之類的工業標準的任何技術而操作。儘管描繪了過程變送器102，但是本發明可以在期望得到有效電力轉換的任何類型的過程設備中實施。控制室112可以包括由操作者或其他工作人員使用的遠程位置，或者可包括沿過程控制迴路110的任何終端或位置或其他位置。
圖2是圖1中所示變送器102的簡化框圖，變送器102包括用於連接至過程的換能器120。例如，換能器120可以是諸如壓力、溫度之類的傳感器或用於測量過程變量的其他傳感器。在能夠控制過程的現場設備中，換能器可包括例如閥、加熱元件等。現場設備電路122連接至換能器120，並且被用於例如校正或補償過程變量測量值、計算過程變量、執行診斷或者可能在現場設備中執行的任意其他功能。一般地，現場設備電路122中的附加功能將增加電路122的電力需求。示出了電源和I/O電路124，連接至現場設備電路122和兩線過程控制迴路110。電路124被用於在兩線過程控制迴路110上通信，例如在迴路110上將測量的或計算的過程變量傳遞給圖1中所示的控制室112。電路124還提供電力輸出，用於提供變送器102內的電路所需的所有電能。
如背景部分中所述，完全使用從過程控制迴路接收的電力來提供電力的過程現場設備可能需要高效的電壓調節器，以滿足它們的電力需求。典型地，這意味著使用開關式調節器向現場設備提供電力。開關式調節器的一個缺陷是，它需要相當大的電容，以在不將噪聲引入系統中的情況下工作。這尤其在不能使用大的電容值的環境中是個問題。例如，為了符合固有的安全要求，現場設備能夠存儲的電力數量是有限的。這難於滿足以下要求將有限噪聲引入該兩線通信迴路、從該兩線通信迴路汲取低電力，以及保持固有安全要求所必需的小電容。
圖3是更詳細地示出電源電路150的簡化框圖。電源電路150連接至兩線過程控制迴路110，並且向現場設備電路122提供電力。電源電路150包括開關式調節器152，該開關式調節器152向現場設備122提供電源輸出。體電容器154給開關式調節器152提供輸入，且由串聯電壓調節器156提供電力。從兩線過程控制迴路110通過濾波電路158提供電力給串聯電壓調節器156。依據本發明，圖3中所示配置大大降低了由開關式調節器152產生的在後面注入兩線過程控制迴路110中的噪聲數量。
圖3中說明的配置為開關式調節器152提供預調節器電路170，該預調節器電路170在連接164上產生調整的輸入電壓供開關式調節器152使用。例如，如果現場設備電路122汲取的電流突然增加，則開關式調節器152從體電容器154汲取電力，並且可能不能夠足夠快地響應這個電流尖峰。如果開關式調節器158能夠直接從過程控制迴路110中汲取電流，則這個電流尖峰會將噪聲引入迴路110。然而，使用本發明，濾波電路158降低了調節器156的響應時間，以使從開關式調節器152汲取的峰電流被強制以體電容器154而不是迴路110的能量來實現。可以配置該電路，以使引入迴路110的任意噪聲處於在迴路110上通信所使用的頻率範圍之外。例如，迴路110上較高頻率噪聲對在控制室112中得到的讀數具有減弱的影響。因此，如果預調節器電路170提供低通濾波器，則來自開關式調節器152的噪聲的主要部分可由兩線過程控制迴路110阻塞。然而，為了符合固有的安全要求，應該在不使用大電容的情況下實現濾波電路158。這意味著，在這種實施方案中不能使用常規電容性濾波技術。
使用本發明，串聯預調節器170的濾波電路158被配置以利用足夠小的電容器，以符合固有安全要求，同時仍提供充分的過濾，以阻止由於開關式調節器152電流變化進入迴路110。濾波電路158包括至少一個有源元件，以增加電路的濾波能力。有源元件例如可以是諸如場效應電晶體之類的電晶體、三端子器件、非線性器件或其它元件。
圖4是依據本發明的電源電路200的一個實施方案的示意圖。電源電路200被圖示作為通過過程控制迴路110被連接至控制室112。控制室電路112被模擬為與500歐姆電阻串聯的24伏電源。開關式調節器被模擬為A/C電流源202，其表示由開關式調節器引入該電路的噪聲。體電容器154由電容器C4、C5和C6連同固有的安全電阻器R10和R11一起構成。電壓預調節器156包括運算放大器，該運算放大器被配置以將調整的10伏輸出給開關式調節器。該運算放大器由電容器C3提供負反饋，並且具有由電阻器R8和R9設置為電壓電平的倒相輸入。非倒相輸入被連接到電壓參考電平V2，例如齊納二極體。在一個實施例中，運算放大器包括可從Texas儀器公司買到的TLC27L4。電阻器R4被配置以提供起動電壓以引導調節器156的均壓工作(strap operation)。濾波電路158包括N型耗盡型場效應電晶體Q1，並且具有如上所述的有源元件。將小電容器C2連接在電晶體Q1的柵極和漏極間。在操作期間，由於開關式調節器152的工作而導致的在10伏電源處出現的任何噪聲將由電容器C2和電阻器R3濾去。電容器C2和電阻器R3能夠使Q1的濾波能力增加。這大大減小了進入兩線過程控制迴路的噪聲信號數量。
圖5是代表依據本發明的另一實施方案的電源電路220的電路圖。然而，在圖5的配置中，濾波電路158包括由電晶體Q1和Q2構成的兩個有源元件、47pF的附加電容器C1和附加電阻器R2。這種配置具有兩級濾波，以進一步增加電容器的濾波能力。
使用該電路的特定開關式調節器可根據需要被選擇。在一種結構中，使用兩個開關式調節器產生兩個電壓。例如，可以使用Linear Technology的LTC1771生成5.2伏的電源電壓，以及可以使用LTC1474生成3.0伏的電源電壓。
圖6是信號幅度對時間的曲線，圖示了在沒有使用附加濾波時施加到過程控制迴路的噪聲信號。這個迴路噪聲在500歐姆電阻性負載上測得。在另一方面，圖7是相同的曲線，示出使用圖5中所述電路配置的噪聲信號。
儘管本發明已經參考優選實施例被描述，但是本領域技術人員將會明白，不脫離本發明的宗旨和範圍，而可以實現在形式和細節上的多個改變。本發明可以用於所有類型的現場設備，儘管它尤其可應用至完全使用來自兩線過程控制迴路接收到的電力來提供電力的那些設備。然而，本發明可以用於其它過程現場設備，在這些現場設備中有相當嚴格的電力預算。儘管在此說明了具體電路和配置，但是本發明不限於這些配置。
權利要求
1.一種用於連接至兩線過程控制迴路的過程現場設備，包括現場設備電路；開關式調節器，其被配置以向現場設備電路提供電力；體電容器，其被連接至開關式調節器的輸入端，以向該開關式調節器提供電力；串聯電壓調節器，其被配置以向體電容器提供調整的電源電壓；以及噪聲濾波器，其被配置以將串聯電壓調節器連接至兩線過程控制迴路，以使用來自兩線過程控制迴路的電力向串聯電壓調節器提供電力，以及阻塞來自開關式調節器的噪聲進入兩線過程控制迴路。
2.如權利要求1中的裝置，其中噪聲濾波器包括電容器。
3.如權利要求2中的裝置，其中噪聲濾波器包括有源元件，該有源元件被配置以增加電容器的有效電容。
4.如權利要求3中的裝置，其中所述有源元件包含三個端子。
5.如權利要求4中的裝置，其中該有源元件的第一端子連接至兩線過程控制迴路，該元件的第二端子連接至體電容器，該元件的第三端子連接至串聯電壓調節器。
6.如權利要求5中的裝置，其中該有源元件包括場效應電晶體，第三端子包括該場效應電晶體的柵極。
7.如權利要求4中的裝置，其中該元件的第一端子連接至兩線過程控制迴路，該元件的第二端子連接至電容器的一側，以及第三端子連接至電容器的另一側。
8.如權利要求1中的裝置，其中噪聲濾波器包含場效應電晶體。
9.如權利要求1中的裝置，其中噪聲濾波器包含兩個場效應電晶體和兩個電容。
10.如權利要求1中的裝置，其中串聯電壓調節器包含運算放大器。
11.如權利要求10中的裝置，其中串聯電壓調節器包含電容器，該電容器向運算放大器提供負反饋。
12.一種向兩線過程控制迴路中的現場設備的電路提供電力的方法，包括從兩線過程控制迴路中接收電力；將接收的電力預調整為調整的電壓電平；使用調整的電壓電平給體電容器充電；使用連接至體電容器的開關式調節器給現場設備中的電路提供電力；以及濾除來自開關式調節器的噪聲，以免進入兩線過程控制迴路。
13.如權利要求12中的方法，其中濾除來自開關式調節器的噪聲包含有源濾除噪聲。
14.如權利要求13中的方法，其中有源濾除噪聲包含使用三個端子的有源元件。
15.如權利要求14中的方法，其中該有源元件的第一端子連接至兩線過程控制迴路，該元件的第二端子連接至體電容器，以及該元件的第三端子連接至串聯電壓調節器。。
16.如權利要求13中的方法，其中該有源元件包括場效應電晶體，以及第三端子包括該場效應電晶體的柵極。
17.如權利要求12中的方法，其中濾除噪聲包含使用電容器。
18.如權利要求17中的方法，其中濾除噪聲包含使用有源元件，該有源元件被配置以增加電容器的有效電容。
19.如權利要求18中的方法，其中有源元件包含三個端子。
20.如權利要求19中的方法，其中該元件的第一端子連接至兩線過程控制迴路，該元件的第二端子連接至電容器的一側，以及第三端子連接至電容器的另一側。
21.如權利要求12中的方法，其中濾除噪聲包含使用場效應電晶體。
22.如權利要求12中的方法，其中濾除噪聲包含使用兩個場效應電晶體和兩個電容器。
23.如權利要求12中的方法，其中預調整包含使用運算放大器。
24.如權利要求23中的方法，其中預調整進一步包含通過電容器向運算放大器提供負反饋。
全文摘要
一種用於連接到兩線過程控制迴路(110)的過程現場設備(102)包含現場設備電路(122)和向該電路(122)提供電力的開關式調節器(152)。串聯調節器(156)向開關式調節器(152)提供調整的電源電壓。噪聲濾波器(158)減少了來自開關式調節器(152)的、進入兩線過程控制迴路(110)的噪聲數量。
文檔編號H02J7/34GK1942838SQ200580011030
公開日2007年4月4日 申請日期2005年3月30日 優先權日2004年4月15日
發明者卡麗·戴維·休伊森加, 詹姆森·阿蘭·詹森, 喬納森·麥可·容格斯馬 申請人:羅斯蒙德公司