BRPI0919686A2 - sensor/transmissor plug-and-play para instrumentação de processo - Google Patents

Abstract

sensor/transmissor plug-and-play para instrumentação de processo. um conjunto de sensor com um elemento sensor envia um sinal de sensos a partir do elemento sensor para o transmissor de processo incorporado através de fios de conexão de sensor. o conjunto de sensor tem conjunto de circuitos de memória para armazenar informação relacionada ao conjunto de sensor e conjunto de circuitos de interface que provê comunicação digital da informação armazenada com o transmissor de processo incorporado. essa comunicação digital é enviada através dos fios de conexão de sensor.

Description

“SENSOR/TRANSMISSOR PLUG-AND-PLAY PARA INSTRUMENTAÇÃO DE PROCESSO”

REFERÊNCIA REMISSIVA A PEDIDO CORRELATO O pedido reivindica prioridade para o Pedido Provisional dos Estados Unidos 61/107.533 depositado em 22 de outubro de 2008 e intitulado “Sensor/Transmitter “Plug- and-Play" For Process Instrumentation”, cuja revelação é incorporada integralmente median- te referência.

ANTECEDENTES A presente invenção se refere aos transmissores e sensores de processo industrial.

Particularmente, a invenção se refere à configuração de um transmissor de processo com informação específica para um conjunto de sensor incorporado.

Transmissores e sensores de processo industrial são usados para detectar diversas características dos fluidos fluindo através de um conduto ou contidos dentro de um recipien- te e transmitir a informação sobre essas características de processo para um sistema de controle, monitoração e/ou segurança localizado remotamente em relação à medição de processo. Um conjunto de sensor inclui geralmente um sensor, fios de sensor, material iso- lante e conexões de instalação. O conjunto de sensor detecta um parâmetro de processo incluindo pressão, temperatura, pH ou taxa de fluxo. Um transmissor de processo eletrica- mente conectado ao conjunto de sensor por intermédio dos fios de sensor recebe um sinal de saídade sensor a partir do conjunto de sensor. O transmissor lê o sinal de saída de sen- sor recebido a partir do conjunto de sensor e converte o mesmo em informação represen- tando de forma exata o parâmetro de processo. Finalmente, o transmissor envia a informa- ção para o sistema de controle.

A conversão exata do sinal de saída de sensor por intermédio do transmissor em in- formação útil depende do transmissor tendo informação sobre as características do conjunto de sensor, incluindo o alcance do sensor, coeficientes de calibração únicos para o módulo de sensor específico, e o número de série do sensor. O armazenamento dessa informação de sensor específico no transmissor é parte do processo de configurar um transmissor. Um transmissor inadequadamente configurado, com os coeficientes de calibração ou alcance do conjunto de sensor, errados, enviaria informação de processo imprecisa para o sistema de ' controle.

Por exemplo, os transmissores de temperatura tipicamente requerem informação de : conjunto de sensor de temperatura sobre a classe de sensor (termorresistência (RTD) ou par térmico), conexão (2, 3 ou 4 fios), tipo de sensor específico (platina, K, J, etc.) e calibra- — ções especiais, incluindo coeficientes Callendar-Van Dusen, para prover uma saída precisa. Se o conjunto de sensor de temperatura for substituído, novos recipientes devem ser carre- gados no transmissor para manter a exatidão da saída do transmissor. À configuração do

: | transmissor é um processo demorado que exige a fixação de uma conexão elétrica separa- da e carregamento manual da informação no transmissor. A natureza manual desse proces- so de configuração faz com que ele seja não apenas demorado, mas também com tendên- cia a erros. Deve-se tomar muito cuidado no carregamento de informação no transmissor. O carregamento acidental de informação errada normalmente pode ser detectado, devido ao fato de a saída resultante ser muito diferente daquele resultado esperado isto é, é evidente que ocorreu um erro de configuração. Contudo, se o erro for menos extremo, um sério pro- blema de exatidão pode ser criado sem qualquer aviso para o usuário.

Recentemente, conjuntos de sensor foram desenvolvidos com uma memória inter- na Amemória interna de um conjunto de sensor assim equipado contém toda a informação de configuração associada àquele conjunto de sensor específico. Quando tal conjunto de sensor é conectado a um transmissor que tem a capacidade de ler a memória do conjunto de sensor, os dados de configuração são carregados automaticamente no transmissor, eli- minando completamente os erros de configuração. Conjuntos de sensor e transmissores com essa capacidade normalmente são referidos como “plug-and-play”.

Um sistema plug-and-play útil deve transferir a informação de configuração sem perturbar a exatidão do sinal de saída a partir do conjunto de sensor. Isso é feito tipicamente mediante provisão de fiação separada para o sinal de saída do sensor e para a informação de configuração. Tal arranjo é denominado de interface de modo misto, devido ao fato de o sinalde saída a partir do conjunto de sensor ser analógico e a informação de configuração a partir da memória interna ser digital. Um padrão de indústria, IEEE 1451.4, foi desenvolvido para padronizar as conexões físicas e a informação armazenada nos dispositivos plug-and- play. O padrão especifica fiação de informação de configuração e sensor, separados, exceto para uma pequena classe de dispositivos de corrente constante com amplificadores inter- —nos,incluindo acelerômetros. Contudo, para a grande maioria de conjuntos de sensor, inclu- indo pares térmicos, RTDs, sensores de pressão, e sensores de pH, a exigência de fiação separada aumenta o custo e a complexidade, significativos, para a fabricação e uso do con- junto de sensor plug-and-play.

SUMÁRIO Em uma modalidade da presente invenção, um conjunto de sensor com um ele- mento sensor envia um sinal de sensor a partir do elemento sensor para um transmissor de processo incorporado através de fios de conexão do sensor. O conjunto de sensor também tem conjunto de circuitos de memória para armazenar informação relacionada ao conjunto de sensor. O conjunto de sensor tem conjunto de circuitos de interface que proporciona co- —municação digital da informação armazenada para e a partir do transmissor de processo incorporado. Essa comunicação digital é enviada através dos fios de conexão de sensor.

Outra modalidade da presente invenção inclui um método de configurar uma com-

' binação de conjunto de sensor/transmissor de processo. Um conjunto de sensor é conecta- do a um transmissor de processo através de fios de conexão de sensor. Um sinal de porta- dora é fornecido a partir do transmissor de processo ao conjunto se sensor através de fios de conexão de sensor. O sinal de portadora aciona o conjunto de circuitos de memória as- ] 5 —sociado ao conjunto de sensor. O sinal de portadora é modulado com base nos dados de configuração do conjunto de sensor armazenados pelo conjunto de circuitos de memória Ú para produzir um sinal de portadora modulado contendo os dados de configuração. O sinal de portadora modulado é demodulado para obter os dados de configuração. O transmissor de processo é configurado com base nos dados de configuração.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1A mostra um sistema de controle de processo incluindo um transmissor de temperatura.

A Figura 1B mostra uma vista explodida de um sistema de medição de temperatura.

A Figura 2 é um diagrama de um conjunto de sensor de temperatura e transmissor detemperatura capaz de medição de sensor e comunicação de sensor, incluindo configura- ção automática do transmissor de temperatura.

As Figuras 3A e 3B são diagramas de um conjunto de sensor de temperatura capaz de comunicação de sensor e medição de sensor, compatíveis com um RTD de 2, 3 ou 4 fios ou com um par térmico, mostrando um RTD de 4 fios e um RTD de 2 fios, respectivamente.

As Figuras 4A e 4B são diagramas de transmissores de processo de temperatura capazes de comunicação de sensor e medição de sensor.

A Figura 5 é um diagrama de um conjunto de sensor de temperatura e transmissor de processo de temperatura utilizando circuitos de Identificação por radiofrequência (RFID) e um elemento de sensor de par térmico.

As Figuras 6A, 6B e 6C são diagramas de conjuntos de sensor de temperatura utili- zando circuitos RFID e RTDs de 2, 3 e 4 fios.

A Figura 7 é um diagrama de um conjunto de sensor de temperatura compatível com um RTD de 4 fios.

A Figura 8 é um diagrama de um conjunto de sensor de temperatura compatível apenascom um par térmico.

DESCRIÇÃO DETALHADA : As Figuras 1A e 1B são diagramas ilustrando um sistema de controle ou medição de processo bem conhecido na técnica.

A Figura 1A é um diagrama ilustrando o sistema de controle e medição de processo 10, incluindo conjunto de sensor/transmissor de processo 12, sistema de controle 16, linha de transmissão 14, e canalização de processo 18. O conjunto de sensor/transmissor de pro- cesso pode medir qualquer uma de diversas características de processo. Nessa modalida-

: de, o conjunto de sensor/transmissor de processo 12 mede a temperatura. O sistema de controle 16 pode usar informação de temperatura medida para uma variedade de propósi- tos, incluindo fazer um registro da medição, prover instruções de controle para elementos de controle com base na informação, ou informar a medição para outro sistema de controle ou ' 5 medição. Alinhade transmissão 14 pode ser um cabo de múltiplos fios, cabo de fibras óti- cas, ou uma conexão sem fio. A canalização de processo 18 também pode ser qualquer um de um número de recipientes de processo incluindo um tanque de processo, tanque de ar- mazenamento, coluna de destilação, ou reator. O conjunto de sensor/transmissor de pro- cesso 12 é montado na canalização de processo 18 e conectado ao sistema de controle 16 por intermédio da linha de transmissão 14. O conjunto de sensor/transmissor de processo 12 mede a temperatura na canalização de processo 18 e envia (ou transmite) um sinal de saída através da linha de transmissão 14 para o sistema de controle 16 representando a temperatura medida na canalização de processo 18. O sistema de controle ou de medição de processo 10 pode medir uma temperatura de processo e usar a informação com a finali- —dadede medição de processo ou controle.

A Figura 1B mostra os componentes principais do conjunto de sensor/transmissor de processo 12 incluindo o conjunto de sensor de temperatura 20, o transmissor de proces- so de temperatura 22, e fios de sensor 24. O conjunto de sensor de temperatura 20 pode | usar uma de qualquer uma de vários tipos de tecnologia de detecção de temperatura, inclu- : 20 indo pares térmicos e RTDs com configurações de 2 fios, 3 fios, ou 4 fios. O transmissor de processo de temperatura 22 opera com qualquer um das variedades de conjuntos de sensor de temperatura 20 se os dados de configuração forem associados com o conjunto de sensor de temperatura específico 20 e armazenados dentro do transmissor de processo de tempe- ratura 22. O conjunto de sensor de temperatura 20 é conectado ao transmissor de processo —detemperatura 22 por intermédio de fios de sensor 24.

O conjunto de sensor de temperatura 20 detecta a temperatura e comunica um si nal de sensor analógico representando a temperatura detectada para O transmissor de pro- cesso de temperatura 22 através dos fios de sensor 24. O transmissor de processo de tem- peratura 22 digitaliza e ajusta o sinal de sensor analógico com base nos dados de configu- ração armazenados dentro do transmissor de processo de temperatura 22 antes de transmi- ] tir a informação de temperatura para um sistema de controle (não mostrado).

: O carregamento exato dos dados de configuração no transmissor de processo de temperatura 22 é essencial, mas como um processo manual, tem tendência a erro e é de- morado. O carregamento automático dos dados de configuração a partir de um local de — memória que é parte do conjunto de sensor de temperatura 20 (plug-and-play) é vantajoso, mas atualmente, pode ser feito apenas com outro conjunto de fios separados dos fios de sensor 24. O custo e a complexidade de se lidar com um conjunto extra de fios é um forte f 5 ' desestímulo para a adoção difundida dessa abordagem. A presente invenção supera esse problema mediante provisão de funcionalidade plug-and-play utilizando apenas fios de sen- sor 24. A Figura 2 é um diagrama que ilustra um conjunto de sensor/transmissor de pro- À 5 cesso100 incorporando a presente invenção, capaz não apenas de comunicação de sensor como também de medição de sensor através dos mesmos fios de sensor. Conforme mos- ] trado na Figura 2, o conjunto de sensor/transmissor de processo 100 inclui conjunto de sen- sor de temperatura 120, transmissor de processo de temperatura 122, e fios de sensor 24. O transmissor de processo de temperatura 22, inclui conjunto de circuitos de interface 150, — conjunto de circuitos de comunicação de sensor 152, conjunto de circuitos de medição de sensor 154, microprocessador 158, memória 160, e porta de comunicação 162. O conjunto de sensor de temperatura 120 inclui elemento de sensor 170, conjunto de circuitos de me- mória 172, e conjunto de circuitos de interface 174. A Figura 2 mostra também o sistema de controle 180.

O conjunto de sensor de temperatura 120 é conectado ao transmissor de processo de temperatura 122 por intermédio de fios de sensor 124. Os fios de sensor 124 se ligam ao transmissor de processo de temperatura 122 no conjunto de circuitos de interface 150. O conjunto de circuito de interface 150 se conecta ao conjunto de circuitos de comunicação de : sensor 152 e ao conjunto de circuitos de medição de sensor 154. O conjunto de circuitos de . 20 comunicação de sensor 152 e o conjunto de circuitos de medição de sensor 154 se conec- tam ao microprocessador 158. O microprocessador 158 se conecta à memória 160 e à porta de comunicação 162. A porta de comunicação 162 se conecta ao sistema de controle 180.

Os fios de sensor 124 também se ligam ao conjunto de sensor de temperatura 120 no conjunto de circuitos de interface 174. O conjunto de circuitos de interface 174 é conec- tadoao elemento de sensor 170 e ao conjunto de circuitos de memória 172.

Quando o transmissor de processo de temperatura 122 é ligado, manualmente si- nalizado ou o conjunto de sensor de temperatura 125 é conectado ao transmissor de pro- cesso de temperatura 122 por fios de sensor 124 após um período de desconexão, o micro- processador 152 sinaliza para o conjunto de circuitos de comunicação 152 obter os dados de configuração a partir do conjunto de sensor de temperatura 120. O conjunto de circuitos : de comunicação de sensor 152 envia um sinal de comunicação digital para obter os dados de configuração para o conjunto de circuitos de interface 150. O conjunto de circuitos de : interface 150 envia o sinal de comunicação digital através dos fios de sensor 124 para o conjunto de circuitos de interface 174. O conjunto de circuitos de interface 174 obtém os dados de configuração a partir do conjunto de circuitos de memória 172 e retorna um sinal de comunicação digital contendo os dados de configuração para os fios de sensor 124. Os fios de sensor 124 enviam o sinal de comunicação digital para o conjunto de circuitos de

CC — Í 6 : interface 150. O conjunto de circuitos de interface 150 direciona o sinal de comunicação digi- tal para o conjunto de circuitos de comunicação de sensor 152. O conjunto de circuitos de comunicação 152 obtém os dados de configuração a partir do sinal de comunicação e envia os mesmos para o microprocessador 158. O microprocessador 158 armazena os dados de .. “5 configuraçãona memória 160. Quando o transmissor de processo de temperatura 122 tiver os dados de configura- : ção para o conjunto de sensor de temperatura 120, o elemento de sensor 170 detecta a temperatura e comunica um sinal de sensor analógico representando a temperatura detec- tada para o conjunto de circuitos de interface 174. O conjunto de circuitos de interface 174 —passao sinal de sensor analógico inalterado para os fios de sensor 124. Os fios de sensor 124 carregam o sinal de sensor para o conjunto de circuitos de interface 150. O conjunto de circuitos de interface 150 direciona o sinal de sensor para o conjunto de circuitos de medi- ção de sensor 154 onde o sinal de sensor analógico é convertido em um sinal de sensor digital. O sinal de sensor digital é direcionado para o microprocessador 158 onde ele é ajus- tado para refletir uma medição de temperatura exata, com base nos dados de configuração que o microprocessador 158 recupera da memória 160. O microprocessador 158 então en- via a medição de temperatura exata para a porta de comunicação 162 onde ela é transmiti- da para o sistema de controle 180. É A presente invenção ilustrada na Figura 2 provê carregamento automático dos da- .- 20 dos de configuração para o conjunto de sensor de temperatura 120 para o transmissor de processo de temperatura 122. Adicionalmente, a configuração automática do transmissor de processo de temperatura 122 ocorre através da mesma fiação usada para transferir os da- dos de sensor, fios de sensor 124. Nenhuma fiação adicional é necessária, proporcionando a verdadeira funcionalidade Plug-and-play.

A invenção mostrada na Figura 2 também pode armazenar e recuperar outros tipos de informação relacionada ao conjunto de sensor, além da recuperação de dados de confi- guração, devido ao fato de a comunicação digital ser de duas vias. Em vez de solicitar os dados de configuração, o microprocessador 158 pode sinalizar para o conjunto de circuitos de comunicação de sensor 152 para armazenar outros dados no conjunto de sensor de temperatura 120. O conjunto de circuitos de comunicação de sensor 152 envia um sinal de : comunicação digital para armazenar os outros dados no conjunto de circuitos de interface . 150. O conjunto de circuito de interface 150 envia o sinal de comunicação digital através dos fios de sensor 124 para o conjunto de circuitos de interface 174. O conjunto de circuitos de interface 174 armazena os outros dados no conjunto de circuitos de memória 172. Posteri- —ormente, outros dados armazenados podem ser recuperados conforme necessitados pelo microprocessador 158 utilizando o processo descrito acima para recuperação de dados de configuração. Outros dados poderiam incluir, por exemplo, coeficientes de calibração revi-

: 7 . sados, horas de uso, e data de instalação.

As Figuras 3A e 3B são diagramas ilustrando a porção do conjunto de sensor de temperatura da invenção capaz de comunicação de sensor e medição de sensor. As moda- lidades mostradas utilizam um sinal de portadora modulada transmitido através de fios de : 5 sensor para era informação de conjunto de sensor de temperatura a partir de, ou armaze- nar informação no conjunto de circuitos de memória de conjunto de sensor e são compatí- : veis com RTD de 2, 3 ou 4 fios ou com tipos de sensor de par térmico. Configurações RTD de 4 fios e RTD de 2 fios são ilustradas nas Figuras 3A e 3B, respectivamente.

A Figura 3A mostra uma configuração de RTD de 4 fios. O conjunto de sensor de temperatura 200 inclui elemento de sensor RTD 222, capacitor de desvio 223, cabos condu- tores de sensor 224A a 224D, fios de sensor 226A a 226D, conjunto de circuitos de interface de conjunto de sensor 228, e conjunto de circuitos de memória de conjunto de sensor 230. O conjunto de circuitos de interface de conjunto de sensor 228 inclui transformador de aco- plamento indutivo 232, demodulador 234, modulador 236, armazenador de energi- —aretificador 238, e regulador de energia 240. O transformador de acoplamento indutivo 232 inclui enrolamentos de transformador 232A a 232E. O conjunto de circuitos de memória de conjunto de sensor 230 inclui o microprocessador 242 e a memória não volátil 244.

Conforme mostrado na Figura 3A, o elemento de sensor RTD 222 é conectado aos cabos condutores de sensor 224A a 224D. O capacitor de desvio 223 é conectado aos ca- . 20 bos condutores de sensor 224B e 224C, em Paralelo com o elemento de sensor RTD 222.

Os enrolamentos de transformador 232A a 232D são conectados aos cabos condutores de sensor 224A a 224D e aos fios de sensor 226A a 226D. Os fios de sensor 226A a 226D se conectam a um transmissor de processo de temperatura. O enrolamento de transformador 232E se conecta ao demodulador 234, modulador 236, e armazenador de energia/retificador

238. O armazenador de energia/retificador 238 se conecta ao regulador de energia 240. O demodulador 234, modulador 236, e regulador de energia 240 se conectam ao microproces- sador 242. O microprocessador 242 se conecta à memória não volátil 244.

Em operação típica, quando nenhuma informação de conjunto de sensor de tempe- ratura deve ser armazenada no conjunto de circuitos de memória de conjunto de sensor, ou — recuperada a partir do mesmo e apenas uma medição de temperatura é necessária, um ní- : vel de voltagem é aplicado no fio de sensor 226B a partir de um transmissor de processo de : temperatura. O nível de voltagem conduz através do transformador 232 por intermédio do enrolamento de transformador 232B e cabo condutor de sensor 2248 para o elemento de sensor RTD 222. O nível de voltagem muda através do elemento de sensor RTD 222 em — relação àresistência dependente de temperatura do elemento de sensor RTD 222 resultan- do em um nível de voltagem alterado. O nível de voltagem alterado conduz através do cabo condutor de sensor 224C e de volta através do transformador 232 por intermédio do enrola-

: 8 mento de transformador 232C para o fio de sensor 226C que conduz o nível de voltagem alterado para o transmissor de processo de temperatura.

O transmissor de processo de temperatura utiliza a mudança no nível de voltagem para determinar uma temperatura de- tectada pelo elemento de sensor RTD 222. : 5 Se a informação de conjunto de sensor de temperatura deve ser recuperada a partir do conjunto de circuitos de memória de conjunto de sensor, mas nenhuma medição de tem- peratura é necessária, incluindo quando o transmissor de processo de temperatura é ligado, manualmente sinalizado, ou o conjunto de sensor de temperatura 200 é conectado ao transmissor de processo de temperatura pelos fios de sensor 226A a 226D após um período —dedesconexão, o transmissor de processo de temperatura envia um sinal de portadora para o fio de sensor 226B.

O sinal de portadora se propaga para o enrolamento de transformador 232B onde o enrolamento de transformador 232E recebe o sinal de portadora mediante in- dução através do transformador 232. O sinal de portadora se propaga para o armazenador de energia/retificador 238, onde a voltagem alternada do sinal de portadora é retificada, do- —brado,e usado para carregar um capacitor de armazenamento.

Carregamento e o descarre- gamento do capacitor de armazenamento são controlados pelo regulador de energia 240. Quando energia suficiente tiver sido acumulada pelo armazenador de energia/retificador 238, o regulador de energia 240 fornece energia ao microprocessador 242. : O microprocessador 242 recupera a informação previamente armazenada relacio- . 20 —nadaao conjunto de sensor de temperatura 200, incluindo os dados de configuráção, a par- tir de memória volátil 224 e envia essa informação digital ao modulador 236. O modulador 236 modula o sinal de portadora para codificar a informação digital mediante indução a partir do enrolamento de transformador 232E, através do transformador 232, para o enrolamento de transformador 232C.

O sinal de portadora modulada se propaga a partir do enrolamento detransformador 232C para o fio de sensor 222C, o qual conduz o sinal de portadora modu- lada para o transmissor de processo de temperatura, fornecendo ao transmissor de proces- so de temperatura a informação previamente armazenada relacionada ao conjunto de sen- sor de temperatura 200. Se a informação previamente armazenada relacionada ao conjunto de sensor de temperatura 200 a ser enviada for mais do que aquela que pode ser recupera- dae enviada pelo microprocessador 242 com a energia que pode ser acumulada em outra | ocasião pelo armazenador de energia/retificador 238, uma porção da informação previamen- : te armazenada relacionada ao conjunto de sensor de temperatura 200 é enviada, então a energia é outra vez acumulada pelo armazenador de energia/retificador 238, e então outra porção da informação previamente armazenada relacionada ao conjunto de sensor de tem- —peratura200.O processo é repetido conforme necessário para enviar a informação previa- mente armazenada relacionada ao conjunto de sensor de temperatura 200, incluindo os da- dos de configuração.

Ê 9 : Se a informação do conjunto de sensor de temperatura deve ser armazenada no conjunto de circuitos de memória de conjunto de sensor ou recuperada a partir do mesmo e uma medição de temperatura for necessária simultaneamente, o transmissor de processo de temperatura envia um sinal de portadora em um nível de voltagem médio ao fio de sensor : 5 226B.O sinalde portadora se propaga através do transformador 232 por intermédio do en- rolamento de transformador 232B e cabo condutor de sensor 224B para o elemento de sen- : sor RTD 222. O nível médio de voltagem do sinal de portadora muda através do elemento de sensor RTD 222 em relação à sua resistência dependente de temperatura e um sinal de portadora alterado se propaga através do cabo condutor de sensor 224C e de volta através do transformador 232 por intermédio do enrolamento do transformador 232C para o fio de sensor 226C o qual conduz o sinal de portadora alterar para o transmissor de processo de temperatura. O transmissor de processo de temperatura utiliza a mudança no nível de volta- gem médio do sinal de portadora para determinar uma temperatura detectada pelo elemento de sensor RTD 222.

Simultaneamente, o enrolamento de transformador 232E recebe o sinal de portado- ra a partir do transmissor de processo de temperatura mediante indução a partir do enrola- mento de transformador 232B através do transformador 232. Se enviando instruções para, ou armazenando informação no, conjunto de sensor de temperatura 200, o sinal de portado- ! ra será um sinal de portadora modulada contendo informação digital codificada na modula- . 20 ção. Como o sinal não modulado de portadora descrito acima, o sinal de portadora modula- da também provê energia ao armazenador de energia/retificador 238 para uso pelo micro- processador 240. O sinal de portadora modulada se propagada para o demodulador 234 onde ele é demodulado. O demodulador 234 envia a informação digital demodulada, incluin- do os dados de configuração, para o microprocessador 242. O microprocessador 242 execu- ta quaisquer instruções contidas na informação digital recebida ou armazena a informação digital recebida na memória não volátil 244. A execução de instruções ou armazenamento da informação digital pode prosseguir em etapas à medida que energia é acumulada pelo armazenador de energia/retificador 238 e usada pelo microprocessador 242.

Quando instruído pelo transmissor de processo de temperatura, o microprocessa- dor 242 recupera informação a partir de memória não volátil 244 e envia essa informação : digital ao modulador 236. Quando a instrução tiver sido enviada pelo transmissor de proces- . so de temperatura, a modulação do sinal de portadora modulada pelo transmissor de pro- cesso de temperatura é suspensa e apenas o sinal de portadora é enviado ao conjunto de sensor de temperatura 200. O modulador 236 modula o sinal de portadora para codificar a informação digital mediante indução a partir do enrolamento de transformador 232E, através do transformador 232, para enrolamento de transformador 232C. O sinal de portadora mo- dulada se propaga a partir do enrolamento de transformador 232C para o fio de sensor í 10 à 226C, o qual conduz o sinal de portadora modulada para o transmissor de processo de tem- peratura, fornecendo ao transmissor de processo de temperatura a informação previamente armazenada.

A modalidade mostrada na Figura 3A provê leitura de informação a partir de, e ar- Ô 5 —mazena informação no, local de memória dentro de um conjunto de sensor de temperatura enquanto mantendo um sinal de sensor de temperatura preciso sem o uso de fios separados : daqueles transportando o sinal de sensor.

O uso de um sinal de portadora modulada trans- miítido através dos fios de sensor proporciona não apenas comunicação digital de duas vias como também energia para o conjunto de circuitos do conjunto de sensor de temperatura — relacionado.

Os conjuntos de sensor de temperatura assim equipados, quando ligados a um transmissor de processo de temperatura com capacidades compatíveis, são verdadeiramen- te plug-and-play.

Conforme mostrado na Figura 3A, todos os fios de sensor 226A a 226D são ligados aos enrolamentos de transformador 232A a 232D, mas apenas os fios de sensor 226B e —226C efetivamente precisam se acoplar de forma indutiva ao transformador 232 para ler e armazenar informação.

Contudo, o acoplamento de forma indutiva de todos os quatro fios ao transformador proporciona flexibilidade máxima na fabricação e uso da invenção.

Quando da instalação de fios para o transmissor de processo de temperatura, os fios de sensor 226A e 226B são permutáveis como também são os fios de sensor 226C e 226D.

Idealmente, os . 20 fiosde sensor 226A a 226D, enrolamentos de transformador 232A a 232D, e fios de sensor 224A a 224D são todos feitos do mesmo material para eliminar a criação de junções de pa- res térmicos entre metais diferentes.

Contudo, é razoável utilizar fio de cobre para os enro- lamentos de transformador 232A a 232D devido ao fato de que a proximidade estreita de todas as junções leva a condições quase isotérmicas; assim quaisquer voltagens geradas — através dajunções serão mutuamente compensadas.

Embora a Figura 3A ilustre o arranjo utilizando uma configuração RTD de 4 fios, aqueles versados na técnica considerarão que tipos de sensor de par térmico e RTD de 2 e 3 fios também podem ser usados e os cabos condutores de sensor correspondentes, enro- lamentos de transformador e linhas de sensor, omitidos.

RTDs requer capacitor de desvio de —altafrequência 223 entre os cabos condutores de sensor 224B e 224C usados para propa- | gar o sinal de portadora, quando, conforme mostrado na Figura 3A, os cabos condutores de : sensor 224B e 224C estão em lados opostos do elemento de sensor RTD 222. O capacitor de desvio 223 conduz o sinal de portadora em torno do elemento de sensor RTD 222 e im- pede que o sinal de portadora seja atenuado pelo elemento de sensor RTD 222 de modo —quea comunicação com o transmissor de processo de temperatura não é possível.

Alterna- tivamente, para configurações RTD de 3 e 4 fios, o sinal de portadora pode ser propagado pelos fios de sensor no mesmo lado do elemento de sensor RTD 222, fios de sensor 226A e f 1 É 226B, por exemplo. Em tal caso, o capacitor de desvio 232 pode ser omitido porque o sinal de portadora não passa através do elemento de sensor RTD 222.

A Figura 3B ilustra o arranjo singular ao utilizar um RTD de 2 fios. Nessa configura- ção, ao contrário daquela na Figura 3A, há apenas dois fios de sensor 226B e 226C e ne- À 5 —nhuma forma de propagar o sinal de portadora em torno do elemento de sensor RTD 222.

Na modalidade da Figura 3B utilizando um RTD de 2 fios, o capacitor de desvio 223 deve Ú impedir a atenuação inaceitável do sinal de portadora.

As modalidades nas Figuras 3A e 3B ilustram a invenção utilizando um transforma- dor para acoplar de forma indutiva o sinal de portadora modulada com meios eletrônicos de conjunto de sensor de temperatura. Além disso, aqueles versados na técnica reconhecerão que outros dispositivos, incluindo antenas, podem ser usados para acoplamento indutivo. O acoplamento capacitivo é ainda outro método adequado para acoplar o sinal modulador de portadora dentro do conjunto de sensor de temperatura. Além disso, energia para o micro- processador 242 pode ser provida por outros meios, incluindo uma bateria de longa durabili- — dade, energia termiônica, e energia fotoelétrica.

As Figuras 4A e 4B são diagramas que ilustram duas variações de outra modalida- de da porção de transmissor de processo de temperatura da invenção, capaz de não ape- nas comunicação de sensor como também de medição de sensor através dos mesmos fios : de sensor. As modalidades apresentadas utilizam um sinal de portadora modulada transmi- . 20 tido através de fios de sensor para ler a informação de conjunto de sensor de temperatura a partir de, ou armazenar informação no conjunto de circuitos de memória de conjunto de sen- sor (comunicação de sensor) enquanto também recebendo um sinal de sensor de tempera- tura exato através dos mesmos fios de sensor (medição de sensor).

A Figura 44 ilustra o transmissor de processo de temperatura 300, incluindo conjun- tode circuitos de interface 302, conjunto de circuitos de comunicação de sensor 304, con- junto de circuitos de medição de sensor 306, microprocessador 308, memória 310, e porta de comunicação 312. O conjunto de circuitos de comunicação de sensor 304 inclui energia e relógio 314, modulador 316, demodulador 318, e regulador de voltagem 320. O conjunto de circuitos de interface 302 inclui divisor de sinal 324. O conjunto de circuitos de medição de — sensor 306 inclui filtro de sensor 326 e conversor A/D 328. A Figura 4A também mostra os | fios de sensor 330 e sistema de controle 332. .: Os fios de sensor 330 a partir de um conjunto de sensor de temperatura, se ligam ao transmissor de processo de temperatura 300 no conjunto de circuitos de interface 302. Dentro do conjunto de circuitos de interface 302, os fios de sensor 330 são conectados ele- — tricamente ao divisor de sinal 324. O divisor de sinal 324 é conectado ao modulador 316, demodulador 318, e filtro de sensor 326. O modulador 316 é conectado à energia e relógio 314 e microprocessador 308. O demodulador 318 é conectado ao regulador de voltagem

É 320 e microprocessador 308. O regulador de voltagem 320 é conectado à energia e relógio 314 e conversor A/D 306. O conversor A/D 306 é conectado ao filtro de sensor 326 e micro- processador 308. O microprocessador 308 é conectado à memória 310 e porta de comuni- cação 312. A porta de comunicação 312 é conectada ao sistema de controle 332.

: 5 A operação do transmissor de processo de temperatura 300 começa quando a e- nergia e o relógio 314 criam um sinal de portadora de voltagem alternada, em um nível de : voltagem. Esse sinal é enviado ao modulador 316 onde o sinal de portadora é modulado para codificar de forma digital as instruções ou informação, com base na entrada a partir do microprocessador 308. O sinal de portadora modulada no nível de voltagem se propaga a- través do divisor de sinal 324 e para o conjunto de sensor de temperatura por intermédio de fios de sensor 330. Se nenhuma instrução ou informação deve ser enviada, o sinal de porta- dora no nível de voltagem se propaga para o conjunto de sensor de temperatura na forma não modulada.

O transmissor de processo de temperatura 300 também recebe um sinal de porta- dora de retorno a partir do conjunto de sensor de temperatura no conjunto de circuitos de interface 302 a partir dos fios de sensor 330. Se o sinal de portadora no nível de voltagem foi enviado a partir do transmissor de processo de temperatura 300 na forma não modulada, o conjunto de sensor de temperatura pode ter informação codificada de forma digital, inclu- À indo dados de configuração, mediante modulação do sinal de portadora de retorno, confor- : 20 me descrito na discussão da Figura 2 acima. Além disso, o nível de voltagem do sinal de portadora de retorno pode ter mudado, também conforme descrito na discussão da Figura 2 acima, criando um sinal de sensor analógico contendo informação de temperatura. O sinal de portadora de retorno recebido no conjunto de circuitos de interface 302 é separado no divisor de sinal 324 e se propaga para o demodulador 318 e filtro de sensor 326. Se o sinal de portadora de retorno contém informação codificada de forma digital, incluindo dados de configuração, a partir do conjunto de sensor de temperatura, o demodu- lador 318 demodula o sinal de portadora modulada de retorno. O demodulador 318 envia a informação digital demodulada para o microprocessador 308. O microprocessador 308 pode armazenar a informação digital recebida, a qual pode incluir os dados de configuração, na —memória310 ou pode enviar a mesma para a porta de comunicação 312 onde ela é transmi- : tida para o sistema de controle 332.

BR O filtro de sensor 326 filtra as flutuações de voltagem de alta frequência associadas ao sinal de portadora de retorno, ou outra interferência de alta frequência, e passa no sinal de sensor analógico para o conversor A/D 306. O conversor A/D 306 converte o sinal de — sensor analógico em um sinal de sensor digital e envia o mesmo para o microprocessador

308. O microprocessador 308 recupera os dados de configuração a partir da memória 310 e ajusta o sinal de sensor digital, com base nos dados de configuração para refletir uma medi-

: 13 : ção de temperatura exata. O microprocessador 308 então envia a medição de temperatura exata para a porta de comunicação 312 onde ela é transmitida para o sistema de controle

332.

O regulador de voltagem 320 recebe energia a partir da energia e relógio 314 e re- : 5 —gulaamesma para prover energia não apenas ao conversor A/D 306 como também ao de- modulador 318.

: A modalidade mostrada na Figura 4A provê leitura de informação a partir de, e ar- mazenamento de informação em um local de memória dentro de um conjunto de sensor de temperatura enquanto mantendo um sinal de sensor de temperatura exato sem o uso de fios separados daqueles transportando o sinal de sensor. O uso do sinal de portadora modulada transmitido através dos fios de sensor proporciona não apenas comunicação digital de duas vias como também um sinal de sensor analógico exato. Além disso, comunicação de sensor e medição de sensor podem ocorrer ao mesmo tempo. Essa é uma vantagem fundamental para processos onde até mesmo um desarranjo curto na medição de temperatura não pode- riasertolerado.

Na modalidade ilustrada na Figura 44, a medição de sensor e a comunicação de sensor podem ocorrer ao mesmo tempo. Contudo, em alguns casos, incluindo aplicações de circuito fechado de corrente de baixa energia ou aplicações de transmissor sem fio, pode : haver apenas energia suficiente ou para a medição de sensor ou para à comunicação de . 20 sensor. Na modalidade mostrada na Figura 4B, a medição de sensor e a comunicação de sensor ocorrem individualmente apenas durante modos de operação separados, um modo de medição e um modo de comunicação, respectivamente.

A Figura 4B ilustra o transmissor de processo de temperatura 400, incluindo conjun- to de circuitos de interface 402, conjunto de circuitos de comunicação de sensor 404, con- junto de circuitos de medição de sensor 404, microprocessador 408, memória 410, e porta de comunicação 412. O conjunto de circuitos de comunicação de sensor 404 inclui energia e relógio 414, modulador 416, demodulador 418 e regulador de voltagem 420. O conjunto de circuitos de interface 402 inclui comutador de sinal 424. O conjunto de circuitos de medição de sensor 406 inclui filtro de sensor 426 e conversor A/D 428. A Figura 4B também mostra — fiosde sensor 430 e sistema de controle 432.

' Fios de sensor 430 a partir de um conjunto de sensor de temperatura, se ligam ao . transmissor de processo de temperatura 400 no conjunto de circuitos de interface 402. Den- tro do conjunto de circuitos de interface 402, fios de sensor 430 são conectados eletricamen- te ao comutador de sinal 424, o qual é conectado ao modulador 416 e ao demodulador 418.

—O comutador de sinal 424 também é conectado ao filtro de sensor 426, dependendo da po- sição de comutador. O modulador 416 é conectado à energia e relógio 414 e microproces- sador 408. O demodulador 418 é conectado ao regulador de voltagem 420 e microproces-

: 14 Y sador 408. O regulador de voltagem 420 é conectado à energia e relógio 414, ao conversor A/D 406 e microprocessador 408. O conversor A/D 406 é conectado ao filtro de sensor 426 e microprocessador 408. O microprocessador 408 é conectado ao comutador de sinal 424, memória 410, e porta de comunicação 412. A porta de comunicação 412 é conectada ao, “6 sistemade controle 432. : O transmissor de processo de temperatura 400 inicia o modo de comunicação me- : diante desligamento do conjunto de circuitos de medição de sensor 406. O microprocessa- dor 408 orienta o regulador de voltagem 420 para deslizar a energia para o conversor A/D

428. O microprocessador 408 também orienta o comutador de sinal 424 para desconectar osfiosde sensor 430 a partir do fio de sensor 426 e para conectar os fios de sensor 430 ao conjunto de circuitos de comunicação de sensor 404. A mudança na posição do comutador de sinal 424 desconecta todas as entradas para o filtro de sensor 426 e consequentemente, para o conversor A/D 428. Isso desliga o consumo de energia por intermédio do conjunto de circuitos de medição de sensor 406. Um sinal de portadora de voltagem alternada criado — pela energia e relógio 410 é enviado ao modulador 416 onde o sinal de portadora é modula- do para codificar de forma digital as instruções ou informação com base na entrada a partir do microprocessador 408. O sinal modulador de portadora se propaga através do comutador de sinal 424 e para o conjunto de sensor de temperatura por intermédio dos fios de sensor : 430. Se nenhuma instrução ou informação deve ser enviada, o sinal de portadora se propa- . 20 gaparao conjunto de sensor de temperatura na forma não modulada.

O transmissor de processo de temperatura 400 durante o modo de comunicação também recebe um sinal de portadora de retorno a partir do conjunto de sensor de tempera- tura no conjunto de circuitos de interface 402 a partir dos fios de sensor 430. Se o sinal de portadora foi enviado a partir do transmissor de processo de temperatura 400 na forma não — modulada, o conjunto de sensor de temperatura terá codificado de forma digital a informa- ção, incluindo os dados de configuração, mediante modulação do sinal de portadora de re- torno, conforme descrito na discussão da Figura 2 acima. O sinal de portadora de retorno recebido no conjunto de circuitos de interface 402 é guiado pelo comutador de sinal 424 pa- ra o demodulador 418. O demodulador 418 demodula o sinal de portadora modulada de re- torno. O demodulador 418 envia a informação digital demodulada para o microprocessador : 408. O microprocessador 408 pode armazenar a informação digital recebida, a qual pode : incluir dados de configuração, na memória 410 ou pode enviar a mesma para a porta de comunicação 412 onde ela é transmitida para o sistema de controle 432.

O transmissor de processo de temperatura 400 inicia o modo de medição mediante — reativação do conjunto de circuitos de medição de sensor 406 e mediante desativação do conjunto de circuitos de comunicação de sensor 404. O microprocessador 408 guia o regu- lador de voltagem 420 para conectar energia ao conversor A/D 428 e desconecta a energia í 15 para o demodulador 418. O microprocessador 408 também guia o comutador de sinal 424 para desconectar os fios de sensor 430 a partir do conjunto de circuitos de comunicação de sensor 404 e para conectar os fios de sensor 430 ao filtro de sensor 426, e consequente- mente, ao conversor A/D 428. O regulador de voltagem 420 recebe energia a partir da ener- | giaerelógio414eregula a mesma para prover energia ao conversor A/D 406. O transmissor de processo de temperatura 400 durante o modo de medição recebe um sinal de sensor analógico a partir do conjunto de sensor de temperatura no conjunto de circuitos de interface 402 a partir dos fios de sensor 430. O sinal de sensor analógico con- tém informação de medição de temperatura. O sinal de sensor analógico de retorno recebi- do no conjunto de circuitos de interface 402 é guiado através do comutador de sinal 424 para o filtro de sensor 426. O filtro de sensor 426 filtra quaisquer flutuações de voltagem de alta frequência as- sociadas ao sinal de sensor analógico e passa o sinal de sensor analógico para o conversor A/D 406. O conversor A/D 406 converte o sinal de sensor analógico em um sinal de sensor —digitaleenviao mesmo para o microprocessador 408. O microprocessador 408 recupera os dados de configuração a partir da memória 410 e ajusta o sinal de sensor digital, com base nos dados de configuração para refletir uma medição de temperatura exata. O microproces- sador 408 então envia a medição de temperatura exata para a porta de comunicação 412 : onde ela é transmitida para o sistema de controle 432.

. 20 A modalidade mostrada na Figura 4B provê leitura de informação a partir de, e ar- mazenamento de informação em, um local de memória dentro de um conjunto de sensor de temperatura enquanto mantendo um sinal de sensor de temperatura exato sem o uso de fios separados daqueles transportando o sinal de sensor. O uso de um sinal de portadora modu- lada transmitido através dos fios de sensor proporciona comunicação digital de duas vias.

— Além disso, na modalidade mostrada na Figura 4B, a medição de sensor e a comunicação de sensor ocorrem individualmente apenas durante modos de operação separados: um mo- do de medição e um modo de comunicação, respectivamente. Essa característica propor- ciona vantagens de plug-and-play para aplicações, incluindo aplicações de circuito fechado de corrente de baixa energia ou aplicações de transmissor sem fio, onde pode haver apenas energia suficiente ou para a medição de sensor ou para à comunicação de sensor.

: A Figura 5 é um diagrama de um transmissor de processo de temperatura e conjun- . to de sensor de temperatura utilizando circuitos RSID. Nessa modalidade, antenas são usa- das para acoplar de forma indutiva um sinal de portadora modulada com meios eletrônicos de conjunto de sensor de temperatura e com meios eletrônicos de transmissor de processo — de temperatura. Esse arranjo provê a leitura digital a partir de, e armazenamento de infor- mação digital em, um local de memória em um chip RFID dentro de um conjunto de sensor de temperatura enquanto mantendo um sinal de sensor de temperatura analógico exato,

' 16 ' sem o uso de fios separados daqueles transportando o sinal de sensor. A informação digital lida ou armazenada pode ser dados de configuração. À transmissão do sinal de portadora modulada através dos fios de sensor propaga o sinal RFID para muito mais longe do que é possível com a tecnologia convencional de RFID sem fio. Essa modalidade provê não ape- : 5 —nascomunicação digital de duas vias como também um sinal de sensor analógico exato. A Figura 5 ilustra o conjunto de sensor de temperatura/transmissor de processo de temperatura 500, incluindo conjunto de sensor de temperatura 502, transmissor de processo de temperatura 504, e fios de sensor 506A e 506B. O conjunto de sensor de temperatura 502 inclui elemento de sensor de par térmico 508, chip RSID 510, e antena de chip RSID

512. O transmissor de processo de temperatura 504 inclui antena de transmissor 514, capa- citor de bloqueio 516, filtro de sensor 518, conversor A/D 520, IC de leitora RFID 524, ante- na de leitora RFID 526, microprocessador 528, e armazenador de energia 530. Conforme mostrado na Figura 5, o conjunto de sensor de temperatura 502 é conec- tado ao transmissor de processo de temperatura 504 por intermédio de fios de sensor 506A —e506B. Dentro do conjunto de sensor de temperatura 502, o elemento de sensor 508 é co- nectado aos fios de sensor 506A e 506B. Porções dos fios de sensor 506A e 506B, dentro do conjunto de sensor de temperatura 502 são enroladas próximas à antena de chips RFID 512, que é conectada ao chip RFID 510. : Dentro do transmissor de processo de temperatura 504, os fios de sensor 506A e : 20 —506B são conectados ao filtro de sensor 518 e um do fio de sensor 506A ou 506B (fio de sensor 506A ilustrado) é conectado à antena de transmissor 514 enquanto que o outro do fio de sensor 506A ou 506B (sensor 506B ilustrado) é conectado ao capacitor de bloqueio 516, o qual é então conectado à antena de transmissor 514. A antena de transmissor 514 está próxima à antena de leitora RFID 526, que é conectada ao IC de leitora RFID 524. IC de leitora RFID 524 é conectado ao microprocessador 528 e armazenador de energia 530. O microprocessador 528 é conectado ao armazenador de energia 530. O filtro de sensor 518 é conectado ao conversor A/D 520. Quando o transmissor de processo de temperatura 504 é ligado, manualmente si nalizado, ou o conjunto de sensor de temperatura 502 se conecta ao transmissor de proces- —sode temperatura 504 pelos fios de sensor 506A e 506B após um período de desconexão, : o microprocessador 528 sinaliza o IC de leitora RFID 524 para solicitar dados de configura- . ção a partir do conjunto de sensor de temperatura 502. O IC de leitora RFID 524 gera um sina! de portadora, modulado para codificar a solicitação, e conduz o sinal de portadora mo- dulada para a antena de leitora RFID 526. A antena de leitora RFID 526 transmite o sinal de — portadora modulada para a antena de transmissor 514 mediante indução através da peque- na distância separando a antena de leitora RFID 526 a partir da antena de transmissor 514. O sinal de portadora modulada se propaga a partir da antena de transmissor 514 para o

' 17 ' conjunto de sensor de temperatura 502 ao longo dos fios de sensor 506A e 506B. Ao alcan- çar o conjunto de sensor de temperatura 502, o sinal de portadora modulada transmite a partir das porções dos fios de sensor 506A e 506B enroladas próximas à antena de chip RFID 512 para antena de chip RFID 512 mediante indução através da pequena distância ! 5 separando as porções enroladas dos fios de sensor 506A e 506B e antena de chip RFID

512. O sinal de portadora modulada conduz a partir da antena de chip RFID 512 para o chip ' RFID 510. Além de conter uma solicitação codificada para dados de configuração, o sinal de portadora modulada também provê energia ao chip RFID 510 de modo que o chip RFID 510 pode processar a solicitação codificada, re-modular o sinal de portadora para codificar os dados de configuração solicitados e transmitir o sinal de portadora re-modulado para as por- ções em espiral dos fios de sensor 506A e 506B mediante indução a partir da antena de chip RFID 512. O sinal de portadora re-modulado se propaga a partir do conjunto de sensor de temperatura 502 para o transmissor de processo de temperatura 504 por intermédio de fios de sensor 506A e 506B para a antena de temperatura 514. A antena de temperatura 514 transmite o sinal re-modulado de portadora a partir da antena de temperatura 514 por intermédio da antena de leitora RFID 526 para o IC de leitora RFID 524. O IC de leitora RFID 524 demodula o sinal re-modulado de portadora e envia os dados de configuração para o microprocessador 528, o qual armazena os dados de configuração na memória local. : Quando o transmissor de processo de temperatura 504 tiver os dados de configura- : 20 ção parao conjunto de sensor de temperatura 502, o elemento sensor 508 detecta a tempe- ratura, criando um sinal analógico de sensor. Conforme ilustrado na Figura 5, o elemento sensor 508 é um tipo de par térmico, desse modo o sinal analógico de sensor é uma mu- dança no nível de voltagem através do elemento sensor 508. O sinal analógico de sensor conduz a partir do conjunto de sensor de temperatura 502 para o transmissor de processo —detemperatura 504 por intermédio de fios de sensor 506A e 506B, inalterado pelas porções em espiral dos fios de sensor 506A e 506B. No transmissor de processo de temperatura 504, o sinal analógico de sensor passa através do filtro de sensor 518, o qual filtra a interfe- rência de alta frequência, incluindo quaisquer sinais modulados de portadora se propagando nos fios de sensor 506A e 506B, e para o conversor A/D 520. Além disso, o capacitor de — bloqueio 516 impede que a antena de temperatura 514 entre em curto com o sinal analógico ' de sensor. O conversor A/D 520 converte o sinal analógico de sensor em um sinal digital de - sensor e envia o mesmo ao microprocessador 528. O microprocessador 528 recupera os dados de configuração a partir da memória local e ajusta o sinal digital de sensor, utilizando os dados de configuração, para refletir uma medição de temperatura exata. A modalidade mostrada na Figura 5 também pode armazenar e recuperar outros ti pos de informação digital relacionada ao conjunto de sensor de temperatura, além de recu- perar dados de configuração, porque a comunicação digital é de duas vias.

* 18 : Em algumas aplicações, incluindo aplicações de circuito fechado de corrente de energia inferior ou aplicações de transmissor sem fio, o IC de leitora RFID 526 requer mais energia do que está disponível em uma base contínua. O armazenador de energia 530 mo- nitora a energia de transmissor disponível e acumula a energia excedendo àquela exigida b 5 para outras operações do transmissor de processo de temperatura 504. QuandS energia suficiente tiver se acumulado, o armazenador de energia 530 comunica esse status ao mi- croprocessador 528. O IC de leitora RFID 526 utiliza a energia acumulada a partir do arma- zenador de energia 530 quando o microprocessador 528 inicia a comunicação digital com o conjunto de sensor de temperatura 502. | As antenas acopladas de forma indutiva 514 e 526 no transmissor de processo de temperatura 504, conforme mostrado na Figura 5, podem incluir fios em espiral, simples, separados por uma lacuna de ar ou um componente de transformador de ar/núcleo. Tal ar- ranjo é benéfico quando for necessário isolar de forma galvânica o microprocessador 528 a partir dos fios de sensor 506A e 506B. Alternativamente, o IC de leitora RFID 524 pode ser acoplado diretamente aos fios de sensor 506A e 506B, enquanto retendo o capacitor de blo- queio 516, se isolamento galvânico não for necessário ou se isolamento galvânico for provi- do por outros meios.

Similarmente, embora o acoplamento indutivo mostrado na Figura 5 no conjunto de : sensor de temperatura 502 esteja entre a antena de chip RFID 512 e porções dos fios de . 20 sensor 506A e 506B enrolados próximo à antena de chip RFID 512, essa função também poderia ser realizada por um componente de transformador de ar/núcleo no conjunto de sensor de temperatura 502. Contudo, manter os fios de sensor 506A e 506B não interrompi- dos a partir do elemento de sensor 508 até o transmissor de processo de temperatura 504, sem passar através de quaisquer componentes elétricos, elimina as oportunidades para de- gradação do sinal de sensor analógico.

Embora a Figura 5 ilustre a invenção utilizando circuitos RFID e um elemento sen- sor do tipo par térmico, os RTDs de 2, 3 e 4 fios também podem ser utilizados. As Figuras 6A, 6B e 6C são diagramas de conjuntos de sensor de temperatura utilizando circuitos RFID e RTDs de 2, 3 e 4 fios. Todos os componentes e operações em comum com a Figura 5 são — conforme descritos para a Figura 5. A Figura 6A mostra uma modalidade do conjunto de sensor de temperatura 502 uti- . lizando o elemento sensor RTD de 2 fios 532. Essa modalidade contém um componente adicional, capacitor de desvio de alta frequência 534, em paralelo com o elemento sensor RTD de 2 fios 532. Ss A Figura 6B mostra uma modalidade do conjunto de sensor de temperatura 502 uti- lizando o elemento sensor RTD de 3 fios 536. O fio de sensor adicional 506C se conecta a um lado do elemento sensor RTD 536 e os fios de sensor 506A e 506B se conectam ao ou-

í 19 : tro lado. Como na Figura 5, os fios de sensor 506A e 506B propagam o sinal de portadora modulada, além de enviar o sinal analógico de sensor. O fio de sensor 506C envia apenas o sinal analógico de sensor. A Figura 6C mostra uma modalidade do conjunto de sensor de temperatura 502 uti- : 5 —lizando o elemento sensor RTD de 4 fios 538. Os fios de sensor adicionais 506C e 506D se conectam a um lado do elemento sensor RTD 538 e os fios de sensor 506A e 506B se co- ' nectam ao outro lado. Como na Figura 5, os fios de sensor 506A e 506B propagam o sinal de portadora modulada, além de enviar o sinal analógico de sensor. Os fios de sensor 506C e 506D enviam apenas o sinal analógico de sensor.

Ao se utilizar antenas para acoplar de forma indutiva um sinal de portadora modu- lada com meios eletrônicos de conjunto de sensor de temperatura e com meios eletrônicos de transmissor de processo de temperatura, conforme mostrado nas Figuras 5 e 6A a 6C proporciona-se leitura de informação digital a partir de, e armazenamento de informação digital em, um local de memória em um chip RFID dentro de um conjunto de sensor de tem- —peratura enquanto mantendo um sinal de sensor de temperatura analógico exato, sem o uso de fios separados daqueles transportando o sinal de sensor. Essa modalidade da invenção tira proveito de tecnologia RFID amplamente disponível, de baixo custo. Contudo, mediante transmissão do sinal de portadora modulada através dos fios de sensor, o sinal RFID se : propaga muito mais distante do que é possível com a tecnologia RFID sem fio convencional. - 20 Essa modalidade provê não apenas comunicação digital de duas vias como também um sinal analógico de sensor exato utilizando apenas fios de sensor para funcionalidade plug- and-play. A Figura 7 é um diagrama mostrando uma modalidade da invenção adequada ape- nas para RTDs de 4 fios. Esse arranjo também provê leitura de informação digital a partir de, e armazenamento de informação digital em, um local de memória dentro do conjunto de sensor de temperatura enquanto mantendo um sinal de sensor de temperatura analógico exato, sem o uso de fios separados daqueles transportando o sinal de sensor. À informação digital lida ou armazenada pode ser dados de configuração. Essa modalidade provê não apenas comunicação digital de duas vias como também um sinal analógico de sensor, exa- to. Contudo, nessa modalidade, medição de sensor e comunicação de sensor ocorrem indi- . vidualmente apenas durante modos separados de operação, um modo de medição e um . modo de comunicação, respectivamente. A Figura 7 mostra um conjunto de sensor de temperatura/transmissor de processo 600, incluindo conjunto de sensor de temperatura 612, transmissor de processo de tempera- —tura614,efiosde sensor 616A a 616D. O conjunto de sensor de temperatura 612 inclui ain- da elemento de sensor 618, circuito de memória 620, diodo de fio de sensor 622, diodo de circuito de memória 624. O elemento sensor 618 é um RTD de 4 fios.

' 20 : Conforme mostrado na Figura 7, o transmissor de processo de temperatura 614 é conectado ao conjunto de sensor de temperatura 612 pelos fios de sensor 616A a 616D. O circuito de memória 620 é conectado ao fio de sensor 616, entre o transmissor 614 e o diodo de fio de sensor 622. O circuito de memória 620 também é conectado ao diodo de circuito dememória624 o qualé conectado ao fio de sensor 616D. Os fios de sensor 616A e 616B . são conectados a um dos dois lados do elemento de sensor 618. Os fios de sensor 616C e 616D são conectados ao outro dos dois lados de elemento de sensor 618. Durante medição de sensor, o transmissor de processo de temperatura 614 passa uma corrente constante através do fio de sensor 616A, através do elemento de sensor 618, ede volta através do fio de sensor 616D. A queda do nível de voltagem através da resistên- cia do elemento de sensor 618 é uma função da temperatura detectada. Os fios de sensor 616B e 616C medem a queda de voltagem através do elemento sensor 618 e conduzem essa medição de sinal analógico de sensor de volta para o transmissor de processo de tem- peratura 614. Sob essas condições, o fluxo de corrente através do diodo de fio de sensor 622 é desimpedido. O diodo de circuito de memória 624 impede qualquer fluxo de corrente através do circuito de memória 620 mediante interrupção do fluxo de corrente a partir do nível de voltagem superior no fio de sensor 616A para o nível de voltagem inferior no fio de sensor 616D. Todos os quatro fios de sensor 616A a 616D são capazes de realizar suas i funções normais em uma medição RTD de 4 fios.

- 20 Durante comunicação de sensor, o transmissor de processo de temperatura 614 in- verte a polaridade do fluxo de corrente. O diodo de fio de sensor 622 impede qualquer fluxo de corrente através do elemento sensor 618 enquanto que o diodo de circuito de memória 624 permite o fluxo de corrente para o circuito de memória 620. O transmissor de processo de temperatura 614 pode se comunicar com o circuito de memória 620 através dos fios de —sensor616D e 616A sem qualquer influência a partir do elemento de sensor 618.

O diodo de circuito de memória 624 deve ter uma corrente de fuga muito baixa por- que qualquer fuga de corrente através do diodo de circuito de memória 624 durante medição de sensor resultará em um erro de medição de temperatura. O diodo de circuito de memória 624 pode ser um diodo com uma corrente de fuga muito baixa ou um N-JFET configurado — como um diodo, com fonte e dreno unidos juntos. Um N-JFET assim configurado também é um diodo de corrente constante, mantendo o fluxo de corrente relativamente constante com - mudanças em voltagens. Embora a modalidade da Figura 7 seja adequada apenas para os RTDs de 4 fios, esse arranjo não provê leitura de informação digital a partir de, e armazenamento de infor- — mação digital em, um local de memória dentro de um conjunto de sensor de temperatura enquanto mantendo um sinal analógico de sensor de temperatura, exato, sem o uso de fios além daqueles normalmente usados em um RTD de 4 fios. Essa modalidade provê não a-

Í 21 | penas comunicação digital de duas vias como também um sinal analógico de sensor exato, durante modos separados de operação: um modo de comunicação e um modo de sensor, respectivamente.

A Figura 8 é um diagrama mostrando ainda outra modalidade da invenção, esta : 5 sendo adequada apenas para uso com pares térmicos.

Esse arranjo também provê leitura . de informação digital a partir de, e armazenamento de informação digital em, um local de memória dentro de um conjunto de sensor de temperatura enquanto mantendo um sinal analógico de sensor de temperatura exato, sem o uso de fios separados daqueles transpor tando o sinal de sensor.

A informação digital lida ou armazenada pode ser dados de configu- ração.

Essa modalidade provê não apenas comunicação digital de duas vias como também um sinal analógico de sensor exato.

Como a modalidade na Figura 7, a medição de sensor e a comunicação de sensor ocorrem individualmente apenas durante modos separados de operação, um modo de medição e um modo de comunicação, respectivamente.

A Figura 8 mostra o conjunto de sensor de temperatura/transmissor de processo i 700, incluindo conjunto de sensor de temperatura 712, transmissor de processo de tempera- tura 714, e fios de sensor 716A e 716B.

O conjunto de sensor de temperatura 712 inclui ain- da elemento de sensor 718, circuito de memória 720, resistores 722A e 722B, capacitores . de aceleração 724A e 724B, JFET de n-canais, JFET de p-canais 728, MOSFET de p- .: canais 730, e MOSFET de n-canais 732. Ambos os MOSFETs 730 e 732 são dispositivos de : 20 modo aperfeiçoado.

O elemento sensor 718 é um elemento sensor do tipo par térmico.

Conforme ilustrado na Figura 8, o transmissor de processo de temperatura 714 é conectado ao conjunto de sensor de temperatura 712 por intermédio dos fios de sensor 716A e 716B.

Dentro do conjunto de sensor de temperatura 712, o circuito de memória 720 é conectado aos fios de sensor 716A e 716B pelos MOSFETs 730 e 732, respectivamente.

As portas dos MOSFETs 730 e 732 são conectadas aos fios de sensor 716B e 716A, res- pectivamente.

O elemento sensor 718 é conectado aos fios de sensor 716A e 716B pelos JFETs 726 e 728, respectivamente.

A porta do JFET 726 é conectada ao fio de sensor 716B pelo resistor 722A e capacitor de aceleração 724A.

A porta do JFET 728 é conectada ao fio de sensor 716A pelo resistor 722B e capacitor de aceleração 724B. . 30 Durante medição de sensor, o elemento sensor 718 gera um nível de voltagem que : muda em relação a uma temperatura detectada.

O nível de voltagem é medido pelo trans- - missor de processo de temperatura 714 através da condução por intermédio dos fios de sensor 716A e 716B.

A condução é desimpedida por intermédio dos JFETs 726 e 728 devi- do ao fato de que os níveis de voltagem aplicados às portas dos JFETs 726 e 728 são insu- ficientes para desligar as mesmas.

Similarmente, o circuito de memória 720 não é conecta- do aos fios de sensor 716A e 716B porque os níveis de voltagem aplicados às portas dos MOSFETs 730 e 732 são insuficientes para ligar as mesmas.

í 22 Y Durante comunicação de sensor, o transmissor de processo de temperatura 714 a- plica uma voltagem de polarização positiva ao fio de sensor 716A e uma voltagem de polari- zação negativa ao fio de sensor 716B. A voltagem de polarização positiva do fio de sensor 716A conduz através do resistor 722B e capacitor de aceleração 724B para desligar o JFET õ 5 de p-canais728. Similarmente, a voltagem de polarização negativa do fio de sensor 716B - conduz através do resistor 722A e capacitor de aceleração 724A para desligar o JFET de n- canais 726. O uso de capacitores de aceleração 724A e 724B garante que essa comutação aconteça muito rapidamente, isolando o elemento sensor 718 e impedindo que ele coloque em curto a voltagem de polarização aplicada. Ao mesmo tempo, a voltagem de polarização positiva do fio de sensor 716A conduz para a porta do MOSFET de n-cana! 732 ligando o mesmo e a polarização de voltagem negativa do fio de sensor 716, conduz para a porta do MOSFET de p-canais 730 ligando a mesma. Com os dois MOSFETs 730 e 732 ligados, o circuito de memória 720 se conecta ao transmissor de processo de temperatura 740 por intermédio de fios de sensor 716A e 716B. O transmissor de processo de temperatura 714 — pode se comunicar com o circuito de memória 720 através de fios de sensor 716A e 716B sem qualquer influência a partir do elemento sensor 718. A modalidade mostrada na Figura 8 funciona apenas com elementos sensores do tipo par térmico porque o fluxo de corrente é extremamente baixo, resultando virtualmente : em nenhuma queda de voltagem através dos JFETs. No caso dos RTDs, o fluxo de corrente . 20 superior resultaria em resistência em série suficiente para causar um erro inaceitável na medição de resistência.

Embora a modalidade da Figura 8 seja adequada apenas para os pares térmicos, esse arranjo não provê leitura de informação digital a partir de, e armazenamento de infor- mação digital em, um local de memória dentro de um conjunto de sensor de temperatura enquanto mantendo um sinal analógico de sensor de temperatura exato, sem o uso de fios além daqueles normalmente usados com os pares térmicos. Essa modalidade provê não apenas comunicação digital de duas vias como também um sinal analógico de sensor exato, durante modos de operação separados, um modo de comunicação e um modo de sensor, respectivamente.

Nas modalidades discutidas acima, os circuitos de memória (os quais podem incluir : um microprocessador e memória não volátil separada) e outros circuitos elétricos associa- . dos aos conjuntos de sensor de temperatura podem ser contidos dentro de um alojamento de conjunto de sensor único também contendo um elemento de sensor de temperatura. Al- ternativamente, os circuitos elétricos e memória podem estar em um alojamento separado —deum alojamento de elemento sensor de temperatura, com o alojamento de circuito elétrico, e a memória, fixados em qualquer loca! ao longo de uma extensão dos fios de sensor que se estendem a partir do alojamento de elemento de sensor até um transmissor de processo de

: 23 : temperatura, onde o alojamento de circuito elétrico e memória, o alojamento de elemento sensor de temperatura, e os fios de sensor em conjunto compreendem também um conjunto de sensor de temperatura. Além disso, embora todas as modalidades discutidas acima in- cluam um único conjunto de sensor de temperatura conectado a um transmissor de proces- ] 5 —sode temperatura, entende-se que a invenção inclui múltiplos conjuntos de sensor de tem- . peratura conectados a um único transmissor de processo de temperatura através de multi- plexação.

Embora todas as modalidades discutidas acima utilizem temperatura como a variá- vel de processo a ser medida, a invenção é aplicável à medição de outras variáveis de pro- cesso, incluindo pressão, pH, e taxa de fluxo.

A presente invenção provê carregamento automático dos dados de configuração para um conjunto de sensor em um transmissor de processo sem o uso de fiação adicional, trazendo a funcionalidade plug-and-play verdadeira para o campo de instrumentação de processo. Além disso, a invenção também pode armazenar e recuperar outros tipos de in- formação relacionada a conjunto de sensor, além de recuperação de dados de configuração, porque a comunicação digital é de duas vias. Outros tipos de informação relacionada ao conjunto de sensor incluem coeficientes de calibração revisados, horas de uso, e data de instalação.

: Os maiores benefícios da invenção são realizados quando os conjuntos de sensor Ss 20 são ligados aos transmissores de processo onde ambos incorporam a invenção. Contudo, outra vantagem da invenção surge da característica única de que apenas se ação de sensor convencional é necessária: conjuntos de sensor incorporando a invenção também funcio- nam como conjuntos de sensor normais quando conectados aos transmissores de processo que não incorporam a invenção. Inversamente, transmissores de processo incorporando a invenção podem aceitar como entradas os conjuntos de sensor que não incorporam a in- venção. Em tais casos, não há comunicação digital através dos fios de sensor, e conse- quentemente nenhuma configuração automática do transmissor, mas as combinações de conjunto de sensor/transmissor de processo funcionarão como conjunto de sen- sor/transmissores de processo, convencionais, proporcionando sinais analógicos de sensor e produzindo resultados de medição quando configurados manualmente. Essa é uma vanta- . gem útil onde um componente incorporando a invenção (ou não) falha e deve ser substituí- . do, mas apenas um componente sem a invenção (ou com) está imediatamente disponível. Essa permutabilidade serve para eliminar o tempo de paralisação do processo associado à espera por um componente de substituição exato. Embora a invenção tenha sido descrita com referência a uma modalidade(s) exem- plar, será entendido por aqueles versados na técnica que diversas alterações podem ser feitas e equivalentes podem ser elementos substitutos das mesmas sem se afastar do esco-

: 24 : po da invenção.

Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situa- ção específica ou material aos ensinamentos da invenção sem se afastar de seu escopo essencial.

Portanto, pretende-se que a invenção não seja limitada à modalidade(s) específi- ca, revelada, mas que a invenção incluirá todas as modalidades compreendidas no escopo ' 5 dasreivindicações anexas. | :

Claims (15)

' REIVINDICAÇÕES

1. Conjunto de sensor para uso com um transmissor de processo, o conjunto de sensor compreendendo: um elemento sensor analógico; . fios de conexão de sensor para conectar o elemento sensor analógico ao transmis- sor de processo para prover um sinal de sensor analógico a partir do elemento sensor ana- : lógico para o transmissor de processo; conjunto de circuitos de memória para armazenar informação relacionada ao con- junto de sensor; sendo o conjunto sensor, CARACTERIZADO por compreender: um conjunto de circuitos de interface conectado aos fios de conexão de sensor para prover comunicação digital entre o conjunto de circuito de memória e o transmissor de pro- cesso através dos fios de conexão de sensor, em que o conjunto de circuitos de interface é configurado para permitir que o sinal de sensor analógico e a comunicação digital sejam — providos ao mesmo tempo através dos fios de conexão de sensor.

2. Conjunto de sensor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento sensor analógico é um elemento sensor de temperatura.

3. Conjunto de sensor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo : fato de que o conjunto de circuitos de interface acopla o conjunto de circuitos de memória - 20 aosfiosde conexão de sensor através de um entre acoplamento indutivo e acoplamento caparcitivo.

4. Conjunto de sensor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a informação relacionada ao conjunto de sensor compreende ainda informação de configuração.

5. Conjunto de sensor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a comunicação digital é provida por um sinal de portadora modulada.

6. Conjunto de sensor, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de circuitos de interface deriva energia para o conjunto de circuitos de memória a partir do sinal de portadora modulada recebido através dos fios de conexão desensor :

7. Conjunto de sensor, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo . fato de que o conjunto de circuitos de interface inclui um identificador de identificação por radiofrequência (RFID).

8. Conjunto de sensor, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de circuitos de interface inclui um conjunto de circuitos de modula- dor/demodulador.

9. Transmissor de processo para uso com um conjunto de sensor, o transmissor de

' 2 H processo compreendendo: conjunto de circuitos de interface para conectar o transmissor de processo aos fios de conexão de sensor a partir do conjunto de sensor para receber um sinal de sensor ana- lógico a partir do conjunto de sensor; . — é 5 um microprocessador para receber informação relacionada ao conjunto de sensor; - sendo o transmissor de processo CARACTERIZADO por compreender: um conjunto de circuitos de comunicação de sensor conectado ao conjunto de cir- cuitos de interface para prover comunicação digital entre o microprocessador e o conjunto de sensor, em que o conjunto de circuitos de interface é configurado para permitir que o si- —nalde sensor analógico e a comunicação digital sejam providos ao mesmo tempo através dos fios de conexão de sensor.

10. Transmissor de processo, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que a informação relacionada ao conjunto de sensor compreende ainda infor- mação de configuração.

11. Transmissor de processo, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que a comunicação digital é provida por um sinal de portadora modulada.

12. Transmissor de processo, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de circuitos de comunicação de sensor inclui : um circuito leitor RFID.

. 20 13. Transmissor de processo, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de circuitos de comunicação de sensor deri- va energia a partir da corrente em excesso do transmissor.

14. Método de configurar uma combinação de conjunto de sensor/transmissor de processo, CARACTERIZADO por: conectar o conjunto de sensor ao transmissor de processo através de fios de cone- xão de sensor; fornecer um sinal de portadora a partir do transmissor de processo para o conjunto de sensor através dos fios de conexão de sensor acionando o conjunto de circuitos de me- mória associado com o conjunto de sensor com o sinal de portadora; modular o sinal de portadora no conjunto de sensor com base nos dados de confi- : guração do conjunto de sensor armazenados no conjunto de circuitos de memória para pro- > duzir um sinal de portadora modulada contendo os dados de configuração; demodular o sinal de portadora modulada no transmissor de processo para obter os dados de configuração; e configurar o transmissor de processo com base nos dados de configuração, em que o conjunto de sensor e o transmissor de processo são configurados para permitir que um sinal de sensor analógico a partir do conjunto de sensor e a comunicação digital entre o con-

Ê 3 Í junto de sensor e o transmissor de processo sejam providos ao mesmo tempo através dos fios de conexão de sensor.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO por compreen- der ainda: : : . 5 modular o sinal de portadora no transmissor de processo para produzir um sinal de » portadora modulado contendo dados a serem armazenados pelo conjunto de circuitos de memória; demodular o sinal de portadora modulado contendo dados a serem armazenados no conjunto de sensor; e gravar os dados a serem armazenados no conjunto de circuitos de memória. “ '