CN100504679C - 带有开关式电源的过程设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于连接到两线过程控制回路(110)的过程现场设备(102)包含现场设备电路(122)和向该电路(122)提供电力的开关式调节器(152)。串联调节器(156)向开关式调节器(152)提供调整的电源电压。噪声滤波器(158)减少了来自开关式调节器(152)的、进入两线过程控制回路(110)的噪声数量。

Description

带有开关式电源的过程设备
技术领域
本发明涉及用于监控或控制工业过程的操作的类型的过程现场设备。更具体地，本发明涉及过程现场设备，该过程现场设备连接在两线过程控制回路上且该过程现场设备完全由从该两线过程控制回路上接收的电力提供电力。
背景技术
在工业过程控制系统中使用过程设备，以监控和/或控制该工业过程。控制设备是用于控制过程的过程设备。示例控制设备包含泵、阀、激励器、螺线管、电动机、混合器、搅拌机、断路器、压碎机、轧辊机、磨粉机、球磨机、揉面团机、过滤器、混料器、旋风机、离心分离机、钻塔、干燥机、传送机、分离器、升降机、提升机、加热器、冷却器和其他这种装备。变送器(transmitter)是用于检测(或监控)过程操作的过程设备，例如通过监控诸如温度、压力、流量等之类的过程变量。被监控的过程变量被发送以使它能够由过程中的其他装置所使用，例如中心控制室。另一示例过程设备是过程监控器或通信装置，被用于监控过程、诸如过程变送器或过程控制器之类的在该过程中使用的装备的操作，并控制过程装置，例如对该装置编程或发送指令。
两线过程现场设备是被设置在远离位置或否则需要完全地通过连接至两线过程控制回路的连接接收电力的过程设备。两线过程控制回路指的是利用两根线的线路系统，并且该线路系统被用于传输关于被监控或控制的过程的信息。例如，一个标准型两线过程控制回路使用4—20mA电流电平表示过程变量。在这种配置中，变送器可将电流电平控制为诸如10mA的值，该值表示诸如压力之类的检测的过程变量。其他过程控制回路配置允许数字信号的传输。数字信号可以是模拟电流电平的传输的替代物或者可以与模拟电流电平的传输相组合。
为了减少需要连接至过程设备的线路的数量，许多过程设备完全使用从两线过程控制回路上接收的电力供给电力。因此，该过程设备可得到的总电力量受到限制。例如，在4—20mA电流回路中，可得到的总电力在固有安全位置(intrinsic safe location)中受到电流电平可被设置的最低电平(例如3.6mA)和该设备上可得到的最大电压降(例如大约小于24伏特)的限制。即小于0.9瓦特可利用以供给该设备电力。
在很多情况中，过程设备的功能受到可从两线过程控制回路得到的电力数量的限制。例如，附加的功能可能需要微处理器的附加的计算能力。这种增加的计算能力需要更大的电能，并且可能超过该回路上可利用的电力预算。为了增加过程现场设备中电路的可利用的电力数量，现场设备通常使用高效电源，以将从两线过程控制回路接收到的电力转换为内部电路所使用的调整的电压电平。一种电源，开关式调节器(regulator)，由于其高效地将调整的电源电压提供给现场设备中的元件，因而被使用在过程设备中。然而，开关式调节器可能将噪声引入该过程控制回路，该噪声可能改变或对回路上信息的传输产生不利影响。
发明内容
一种用于连接至两线过程控制回路的过程现场设备包含现场设备电路和开关式调节器，该开关式调节器被配置向该现场设备电路提供电力。体电容器被连接至开关式调节器的输入端且被配置向该开关式调节器提供电力。串联电压调节器向体电容器提供调整的电源电压。噪声滤波器将串联电压调节器连接至两线过程控制回路，并且减少由于两线过程控制回路中的开关式调节器而产生的噪声。
一种向两线过程控制回路中现场设备中的电路提供电力的方法，包含从两线过程控制回路中接收电力和将接收的电力预调整为调整的电压电平。滤除来自开关式调节器的噪声，以免进入两线过程控制回路。
附图说明
图1是示出过程控制或监控系统的简图，包括被链接至两线过程控制回路的过程设备。
图2是现场设备中电路的简化框图，包括给设备提供电力的电源。
图3是现场设备中电源电路的简化框图。
图4是示出本发明中的电源电路的一个示例实施例的简图。
图5是示出本发明中的电源电路的另一个示例实施例的简图。
图6是说明信号噪声对时间的曲线图，示出注入两线过程控制回路中的信号噪声。
图7是类似于图6的信号噪声对时间的曲线图，说明由于本发明的配置而降低的信号噪声。
具体实施例
如背景部分中所述，一些类型的过程现场设备完全使用从相同两线过程控制回路接收的电力来提供电力，该两线过程控制回路用于传输关于该过程的信息。图1是示出工业过程控制或监控系统100的简图，在该系统中一种两线过程现场设备(过程变送器)102连接至工业过程，具体为过程管线104。变送器102还连接至连接到控制室112的两线过程控制回路110。过程控制回路110被图示为传输电流I，并且依据包括诸如HART
Figure C200580011030D0006100949QIETU
通信标准、Fieldbus(现场总线)或Profibus标准等之类的工业标准的任何技术而操作。尽管描绘了过程变送器102，但是本发明可以在期望得到有效电力转换的任何类型的过程设备中实施。控制室112可以包括由操作者或其他工作人员使用的远程位置，或者可包括沿过程控制回路110的任何终端或位置或其他位置。
图2是图1中所示变送器102的简化框图，变送器102包括用于连接至过程的换能器120。例如，换能器120可以是诸如压力、温度之类的传感器或用于测量过程变量的其他传感器。在能够控制过程的现场设备中，换能器可包括例如阀、加热元件等。现场设备电路122连接至换能器120，并且被用于例如校正或补偿过程变量测量值、计算过程变量、执行诊断或者可能在现场设备中执行的任意其他功能。一般地，现场设备电路122中的附加功能将增加电路122的电力需求。示出了电源和I/O电路124，连接至现场设备电路122和两线过程控制回路110。电路124被用于在两线过程控制回路110上通信，例如在回路110上将测量的或计算的过程变量传递给图1中所示的控制室112。电路124还提供电力输出，用于提供变送器102内的电路所需的所有电能。
如背景部分中所述，完全使用从过程控制回路接收的电力来提供电力的过程现场设备可能需要高效的电压调节器，以满足它们的电力需求。典型地，这意味着使用开关式调节器向现场设备提供电力。开关式调节器的一个缺陷是，它需要相当大的电容，以在不将噪声引入系统中的情况下工作。这尤其在不能使用大的电容值的环境中是个问题。例如，为了符合固有的安全要求，现场设备能够存储的电力数量是有限的。这难于满足以下要求：将有限噪声引入该两线通信回路、从该两线通信回路汲取低电力，以及保持固有安全要求所必需的小电容。
图3是更详细地示出电源电路150的简化框图。电源电路150连接至两线过程控制回路110，并且向现场设备电路122提供电力。电源电路150包括开关式调节器152，该开关式调节器152向现场设备122提供电源输出。体电容器154给开关式调节器152提供输入，且由串联电压调节器156提供电力。从两线过程控制回路110通过滤波电路158提供电力给串联电压调节器156。依据本发明，图3中所示配置大大降低了由开关式调节器152产生的在后面注入两线过程控制回路110中的噪声数量。
图3中说明的配置为开关式调节器152提供预调节器电路170，该预调节器电路170在连接164上产生调整的输入电压供开关式调节器152使用。例如，如果现场设备电路122汲取的电流突然增加，则开关式调节器152从体电容器154汲取电力，并且可能不能够足够快地响应这个电流尖峰。如果开关式调节器158能够直接从过程控制回路110中汲取电流，则这个电流尖峰会将噪声引入回路110。然而，使用本发明，滤波电路158降低了调节器156的响应时间，以使从开关式调节器152汲取的峰电流被强制以体电容器154而不是回路110的能量来实现。可以配置该电路，以使引入回路110的任意噪声处于在回路110上通信所使用的频率范围之外。例如，回路110上较高频率噪声对在控制室112中得到的读数具有减弱的影响。因此，如果预调节器电路170提供低通滤波器，则来自开关式调节器152的噪声的主要部分可由两线过程控制回路110阻塞。然而，为了符合固有的安全要求，应该在不使用大电容的情况下实现滤波电路158。这意味着，在这种实施方案中不能使用常规电容性滤波技术。
使用本发明，串联预调节器170的滤波电路158被配置以利用足够小的电容器，以符合固有安全要求，同时仍提供充分的过滤，以阻止由于开关式调节器152电流变化进入回路110。滤波电路158包括至少一个有源元件，以增加电路的滤波能力。有源元件例如可以是诸如场效应晶体管之类的晶体管、三端子器件、非线性器件或其它元件。
图4是依据本发明的电源电路200的一个实施方案的示意图。电源电路200被图示作为通过过程控制回路110被连接至控制室112。控制室电路112被模拟为与500欧姆电阻串联的24伏电源。开关式调节器被模拟为A/C电流源202，其表示由开关式调节器引入该电路的噪声。体电容器154由电容器C4、C5和C6连同固有的安全电阻器R10和R11一起构成。电压预调节器156包括运算放大器，该运算放大器被配置以将调整的10伏输出给开关式调节器。该运算放大器由电容器C3提供负反馈，并且具有由电阻器R8和R9设置为电压电平的倒相输入。非倒相输入被连接到电压参考电平V2，例如齐纳二极管。在一个实施例中，运算放大器包括可从Texas仪器公司买到的TLC27L4。电阻器R4被配置以提供起动电压以引导调节器156的均压工作(strap operation)。滤波电路158包括N型耗尽型场效应晶体管Q1，并且具有如上所述的有源元件。将小电容器C2连接在晶体管Q1的栅极和漏极间。在操作期间，由于开关式调节器152的工作而导致的在10伏电源处出现的任何噪声将由电容器C2和电阻器R3滤去。电容器C2和电阻器R3能够使Q1的滤波能力增加。这大大减小了进入两线过程控制回路的噪声信号数量。
图5是代表依据本发明的另一实施方案的电源电路220的电路图。然而，在图5的配置中，滤波电路158包括由晶体管Q1和Q2构成的两个有源元件、47pF的附加电容器C1和附加电阻器R2。这种配置具有两级滤波，以进一步增加电容器的滤波能力。
使用该电路的特定开关式调节器可根据需要被选择。在一种结构中，使用两个开关式调节器产生两个电压。例如，可以使用Linear Technology的LTC1771生成5.2伏的电源电压，以及可以使用LTC1474生成3.0伏的电源电压。
图6是信号幅度对时间的曲线，图示了在没有使用附加滤波时施加到过程控制回路的噪声信号。这个回路噪声在500欧姆电阻性负载上测得。在另一方面，图7是相同的曲线，示出使用图5中所述电路配置的噪声信号。
尽管本发明已经参考优选实施例被描述，但是本领域技术人员将会明白，不脱离本发明的宗旨和范围，而可以实现在形式和细节上的多个改变。本发明可以用于所有类型的现场设备，尽管它尤其可应用至完全使用来自两线过程控制回路接收到的电力来提供电力的那些设备。然而，本发明可以用于其它过程现场设备，在这些现场设备中有相当严格的电力预算。尽管在此说明了具体电路和配置，但是本发明不限于这些配置。

Claims (20)

1.一种用于连接至两线过程控制回路的过程现场设备，包括：
现场设备电路；
开关式调节器，其被配置以向现场设备电路提供电力；
体电容器，其被连接至开关式调节器的输入端，以向该开关式调节器提供电力，所述体电容器由一个或多个电容器构成；
串联电压调节器，其被配置以向体电容器提供调整的电源电压；以及
噪声滤波器，其被配置以将串联电压调节器连接至两线过程控制回路，以使用来自两线过程控制回路的电力向串联电压调节器提供电力，以及阻塞来自开关式调节器的噪声进入两线过程控制回路，所述噪声滤波器包括滤波器和配置用于增加滤波器电容器的有效电容的有源元件。
2.如权利要求1中的设备，其中所述有源元件包含三个端子。
3.如权利要求2中的设备，其中该有源元件的第一端子连接至两线过程控制回路，该有源元件的第二端子连接至体电容器，该有源元件的第三端子连接至串联电压调节器。
4.如权利要求3中的设备，其中该有源元件包括场效应晶体管，第三端子包括该场效应晶体管的栅极。
5.如权利要求2中的设备，其中该有源元件的第一端子连接至两线过程控制回路，该有源元件的第二端子连接至滤波器电容器的一侧，以及第三端子连接至滤波器电容器的另一侧。
6.如权利要求1中的设备，其中噪声滤波器包含场效应晶体管。
7.如权利要求1中的设备，其中噪声滤波器包含两个场效应晶体管和两个电容。
8.如权利要求1中的设备，其中串联电压调节器包含运算放大器。
9.如权利要求8中的设备，其中串联电压调节器包含电容器，该电容器向运算放大器提供负反馈。
10.一种向两线过程控制回路中的现场设备的电路提供电力的方法，包括：
从两线过程控制回路中接收电力；
将接收的电力预调整为调整的电压电平；
使用调整的电压电平给体电容器充电，其中所述体电容器由一个或多个电容器构成；
使用连接至体电容器的开关式调节器给现场设备中的电路提供电力；
滤除来自开关式调节器的噪声，以免进入两线过程控制回路；以及
使用具有有源元件的滤波器增加滤波器电容器的有效电容。
11.如权利要求10中的方法，其中有源滤除噪声包含使用具有三个端子的有源元件的滤波器。
12.如权利要求11中的方法，其中该有源元件的第一端子连接至两线过程控制回路，该有源元件的第二端子连接至体电容器，以及该有源元件的第三端子连接至串联电压调节器。
13.如权利要求10中的方法，其中该有源元件包括场效应晶体管，以及该有源元件的第三端子包括该场效应晶体管的栅极。
14.如权利要求10中的方法，其中滤除噪声包含使用滤波器电容器。
15.如权利要求10中的方法，其中有源元件包含三个端子。
16.如权利要求15中的方法，其中该有源元件的第一端子连接至两线过程控制回路，该有源元件的第二端子连接至滤波器电容器的一侧，以及第三端子连接至滤波器电容器的另一侧。
17.如权利要求10中的方法，其中滤除噪声包含使用场效应晶体管。
18.如权利要求10中的方法，其中滤除噪声包含使用两个场效应晶体管和两个电容器。
19.如权利要求10中的方法，其中预调整包含使用运算放大器。
20.如权利要求19中的方法，其中预调整进一步包含通过电容器向运算放大器提供负反馈。
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