CN109976212A - 电流环路输入保护 - Google Patents

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Abstract

用于过程控制设备比如阀致动器的保护电路，例如防止对设备部件的损坏。特别地，保护电路允许在缺乏初级运行电压源(例如，在电源故障期间)时，模拟电流环路(例如，4‑20mA)向设备部件提供来源于该模拟电流环路的次级运行电压，以使在缺乏初级运行电压源，将来自模拟电流环路的信号应用于该过程控制设备时，该设备部件不受损坏。

Description

电流环路输入保护
本申请为分案申请，其原申请的申请日是2014年8月27日，申请号为201410429050.1，发明名称为“电流环路输入保护”。
技术领域
本公开指向过程控制设备电路，更具体地指向输入保护电路，该保护电路用于通过模拟电流环路进行控制或者通知(signaled)的设备。
背景技术
模拟电流环路比如4-20mA电流环路或者过去的10-50mA电流环路，通常用于将信号(例如，测量所得的传感器值、控制值等)发送给过程控制设备(比如致动器阀、马达转速控制器、面板仪器等)。在典型的场景中，传感器或者控制器分别提供代表指示值(比如测量值(例如，温度、压强等))或者设定值的输出电压，而传送器将该输出电压转换为封闭的电流环路中的成比例的4-20mA电流。随后，过程控制设备接收该4-20mA电流信号并通过内部电阻处理该信号，该信号可通过过程控制设备的模拟输入容易地进行测量。
一些从电流环路接收信号的过程控制设备依靠于来自电流环路自身的电源，但是其他设备从独立的运行电源(operating source)接收功率。在过去，过程控制设备比如位于远程石油结构或者气体结构中的现场仪器，依赖于气动电源。在这些情况下，仪器只要有用于发送信号目的的小电流源(4-20mA)就可以运行，同时该仪器的其他部件被气动地供电。
然而近年来，大量的现场仪器或过程控制设备依赖于与4-20mA电流环路独立的运行电源。例如，即使一些阀致动器通过4-20mA电流环路接收控制信号，这些致动器也依赖于电压输入(比如+10V和-10V)运行。照此，可能出现4-20mA电流被施加给该仪器而某些部件却没有由对应的运行电压源供电的情况，比如在电源故障期间。这种情况常常导致敏感电子部件(例如，集成电路)的损坏。
发明内容
一种用于保护过程控制设备的部件的保护电路，包括可操作地接收与指示值成比例的电流的电流环路输入端，以及被配置为耦接至电压源并从该电压源接收初级电压信号的运行电压输入端，该运行电压输入端此外可操作地为该部件供电，以使过程控制设备根据指示值运行以控制过程。该保护电路进一步包括多个保护电路部件，该多个保护电路部件被配置为，当初级电压信号低于第一阈值时，从电流环路输入端向该部件提供次级电压信号，并且当初级电压信号高于第一阈值时，从运行电压输入端向该部件提供初级电压信号。
一种过程控制设备包括集成电路部件，耦接至该集成电路部件的电压输入端的运行电压源，以及具有电流环路输入端的保护电路。该保护电路被配置为，当初级电压信号低于第一阈值时，从电流环路输入端向该部件提供次级电压信号，并且当初级电压信号高于第一阈值时，从运行电压源向该部件提供初级电压信号。
附图说明
图1示出了一个示例系统，该系统中保护电路允许电流环路为过程控制设备的部件供电；
图2是具有保护电路的一个示例设备电路的电路图，该保护电路可在如图1所示的过程控制设备中实施；
图3是具有保护电路的另一个示例设备电路的电路图，该保护电路可在如图1所示的过程控制设备中实施；
图4是具有保护电路的又一个示例设备电路的电路图，该保护电路可在如图1所示的过程控制设备中实施；
图5是描述了和图4的示例设备电路中实施的滤波器相关联的特性的曲线图。
具体实施方式
本公开指向用于过程控制设备(比如阀致动器)的保护电路，并且特别地，指向通过该保护电路防止对设备部件的损坏。特别地，根据本公开的保护电路允许在缺乏运行电压源(例如，在电源故障期间)时，模拟电流环路(例如，4-20mA)为过程控制设备供电，以使当来自模拟电流环路的信号应用于未被供电的过程控制设备时，该过程控制设备的部件不被损坏。
现在参考图1，依照本公开的一个版本构建的示例系统100包括具有保护电路104的过程控制设备102。举例说明，过程控制设备102可包括电控制阀、致动器、马达、比例-积分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器、级联控制器等，并且过程控制设备102可以是制造厂、石油开采结构或者气体开采结构、精炼厂、HVAC(制热、通风和空气调节)系统等的一部分。
例如，过程控制器102通过电流环路106接收控制信号，电流环路106比如是由环路电源供应器108供电的4-20mA电流环路。在实施中，信号输出设备110比如传感器(例如，温度计、压强传感器、速度计等)或者控制器，分别输出与指示值(比如测量值(例如，温度、压强、速度等))成比例的电压或者设定值。信号输出设备110输出该电压至传送器112，并且继而，传送器112将来自信号输出设备110的电压转换为和/或者放大成电流环路106中的成比例的电流信号。在实施中，当测量了该电流环路信号(比如，通过内部电阻两端电压的测量)，过程控制设备102可触发设备功能、执行适当的控制逻辑等。环路电源供应器108向该电路供电。
传送器112、环路电源供应器108和/或信号输出设备110在图1中虽然被示为独立的部件，但在某些情况下其可以是过程控制设备或者仪器设备的内部部件。例如，过程控制器的信号输出设备110可包括实施控制逻辑的计算机可读指令，当该指令被处理器执行时，该控制逻辑向传送器112输出数字控制信号或者设定值。在这种情况下，信号输出设备110和/或者传送器112可包括模数转换器(未示出)，以将数字控制信号转换为电压。
例如，传送器112可以用电流环路中的4mA信号以指示来自信号输出设备110的为零的测量值或者为零的校准值，并且用电流环路中的20mA信号以指示来自信号输出设备110的最大测量值或者满量程测量值(full-scale measurement)。另外，在实施例中，传送器112自身可由环路电源供应器108供电，并且因此可被配置为在电流低于4mA时运行，电流低于4mA可代表信号输出设备110的为零的测量值。
在实施例中，环路电源供应器108可以是直流(DC)电源供应器，从而电流的大小与信号输出设备110的输出成比例。在一些实施例中，电源供应器108可以设置为在一电平时运行，该电平大于电流环路106的导线中的电压降加上过程控制设备102两端的电压降和运行传送器112所需的电压之和。
虽然过程控制设备102通过电流环路106被通知或者控制，但过程控制设备102由电源114供电。电源114向多个部件116供电，包括为其他的电路或者部件提供运行电压的一些电路或者部件(例如，运行电压输出电路115)。例如，电源114可向调节器供电，该调节器可输出正电压和负电压，该正电压和负电压继而被应用于集成电路设备的轨(rail)。在实施中，该正电压和负电压在图1中分别表示为+V和-V，因为该电压在设备和设备之间可以不同(例如，IC与IC之间，和/或者过程控制设备与过程控制设备之间)。例如，当过程控制设备102内的马达从电源114接收电源以运行时，其可通过电流环路106中的信号来进行触发或者控制。例如，电源114可包括耦接至主电源的电源供应器，其中该主电源通过交流电(AC)适配器输入至过程控制设备102，或者运行电压源114可包括耦接至电池电源的电源供应器(在这种情况下其可以布置在过程控制设备102的内部)。电源114在一些情况下可电耦接至运行电压输出电路115(比如电源供应器电路或者调节器电路)，该运行电压输出电路115可以将主电源或者其他电压信号(例如，120V)转换为特定电压(例如，±3.3V,±10V)，其中该特定电压可以施加在部件(比如IC)的对应引脚或者输入端的两端。在一些实施例中，电源114与环路电源供应器108分离，以使电源114和环路电源供应器108其中的一个电源故障时，不意味着另一个也电源故障。
在一些场景中，当过程控制设备102不由电源114供电时，或者至少，当通常从运行电压输出电路115接收初级电压信号的部件未接收该初级电压信号时，过程控制设备102可通过电流环路106接收信号。例如，电源114可能遭受工厂供电故障，或者电源114可能是电源耗尽的内部电池电源。或者，运行电压输出电路115中的一个或者多个部件(比如调节器)可能遇到故障。在这种情况下，保护电路104通过暂时地从电流环路106向一个或者多个部件116提供被配置为接收初级电压信号的引脚或者输入端的两端的次级电压信号，来防止对该一个或者多个部件116(比如集成电路(IC)或者测量放大器)的损坏。以这种方式，即使当缺乏来自运行电压输出电路115的电压信号(例如，当来自运行电压输出电路115的电压信号低于阈值)时，部件116也能够从电流环路106接受输入而不被损坏。例如，当IC通过接收(例如，从电流环路106接收)它的其他引脚上的控制信号时，电流环路106能提供IC的电源轨(power rail)两端的电压从而对该IC进行供电。示例保护电路的更多细节将参考图2和图3进行描述。
虽然示例系统100包括一个过程控制设备102、一个电流环路106和一个保护电路104，但传送器可向具有任何数量的保护电路的任何数量的过程控制设备发送控制信号。例如，过程控制设备可包括各自被独立的保护电路保护的多个部件。或者，一个保护电路可通过连接至过程控制设备中的多个部件的总线连接来保护该多个部件，该总线连接将电流环路信号分配给多个部件。
另外，虽然示例电流环路106示为双导线(two-wire)电流环路或者“类型2”电流环路，但本公开的电流环路可以是任何适当的类型。例如，电流环路可以是三导线电流环路，其中传送器、过程控制设备和电源共享对地连接并且第三导线连接至运行电压，或者电流环路可以是通过AC供电的四导线电流环路。
图2是示例设备电路200的电路图，该设备电路200包括保护电路以防止对设备的部件损坏。例如，设备电路200可以在过程控制设备102中实施。
设备电路200包括来自电流环路(例如，4-20mA)的输入端202和来自运行电压源(例如，来自运行电压输出电路115)的运行电压输入端204。在实施中，运行电压输入端204可接收用于一个或者多个过程控制设备部件的运行电压，并且来自电流环路的输入端202可接收在过程控制设备处的(例如，与传感器输出或者设定值成比例的)控制信号。例如，从运行电压输入端204接收电压的部件可包括测量放大器(instrumentation amp)206。虽然测量放大器206将用作参考图2的示例部件，但任何适当的过程控制设备部件包括其他IC、印刷电路板(PCB)、电位器、电阻器、电容器、微机电系统(MEMS)等，可从运行电压输入204接收初级运行电压，并且可以被保护电路保护。
在一定的场景中，当测量放大器206未接收运行电压输入端204处的运行电压(例如，当运行电压输入端204处的电压低于阈值，比如为0V)时，传送器(比如传送器112)可通过电流环路向电流环路输入端202发送电流。例如，在这种情况下，设备电路200的可包括一个或者多个二极管208的保护电路104，允许测量放大器206(即，过程控制设备的部件)接收次级运行电压，该次级运行电压来源于通过环路输入端202接收的电流。因此，当运行电压输入端204处接收的初级运行电压低于预定阈值时，测量放大器206暂时地接收次级运行电压。以这种方式，测量放大器206不会在它没有接收运行电压的同时，也没有通过电流环路输入端202接收信号；次级运行电压用来保护测量放大器206避免相关联的损坏。
例如，保护电路104的二极管208可以是具有低正向电压降的任何适当的二极管，比如肖特基二极管(Schottky diode)。虽然示例保护电路包括八个二极管208，但可以使用任何适当数量和任何适当类型的二极管，以允许电流环路暂时地向过程控制设备部件提供次级运行电压。
在另一个场景中，运行电压通过运行电压输入端204应用于示例设备电路200。在这种情况下，测量放大器206可通过运行电压输入端204接收初级运行电压，而不接收来源于在电流环路输入端202处提供的电流的次级运行电压。因此，保护电路104允许过程控制设备部件在缺乏初级电压源时，接收来源于电流环路的次级运行电压或者冗余运行电压，而当这个初级电压源可用时，允许该初级电压源为该部件供电。
除了已经提及的保护电路部件(二极管208)之外，设备电路200的保护电路可包括电流环路输入端202处的分压器部分210。例如，该分压器部分210允许设备电路200从以任何电压(比如直流12V、15V、14V或者36V)运行的传送器或者电源供应器，接受电流环路信号。一些传送器可以以高于特别的对应的运行电压输入端204处的电压的电压运行。因此，为保护测量放大器206，或者其他过程控制设备部件，分压器部分210对电流环路输入端202两端的电压进行划分，以使在缺乏输入端204处的初级运行电压时，电流环路输入端202两端的电压能够应用来为测量放大器206供电。例如，可以对分压器部分210进行设计，从而使应用于被保护部件(例如，应用于测量放大器206)的电压不超过为运行电压输入端204指定的电压。例如，如果过程控制设备被配置为接收电流环路输入端202两端的36V，并且测量放大器206具有10V电压轨，则分压器部分210可以以因子4进行划分，以使9V的输入能够应用于测量放大器206的电压轨。分压器部分210可包括以产业中所已知的方式布置来进行分压的电阻器。在一些实施中，分压器部分210可包括用于改进噪音消除的0.1％电阻器，和/或者分压器部分210可包括一个或者多个电容器211以提供滤波(filtering)。
再进一步，在实施中，设备电路200可包括场效应晶体管(FET)212和输出二极管214。FET“钳制”设备电路200的输出端，以使在缺乏来自电源输入端204的应用电压时，该输出端不转为正电压，并且输出二极管214避免设备电路200的输出端转为大于二极管两端的电压降的负电压。
图3是描述另一个示例设备电路300的电路图，该设备电路300包括防止对设备部件的损坏的保护电路。与示例设备电路200相比，设备电路300的保护电路包括较少的二极管，并且不包括分压器部分。但是，设备电路300的保护电路仍然允许设备部件302在缺乏初级运行电压时接收次级运行电压，该次级运行电压来源于电流环路输入端304处的电流。
图4描述了另一个示例设备电路400。如同图2中描述的设备电路200，设备电路400包括分压器部分410。在分压器部分410中，实现了级联的单极滤波器(cascaded single-pole filter)，该滤波器用来提供噪音消除和滤波。在图2的分压器电路210中的电阻器R40和R41，在分压器部分410中分别地分裂为两个、各自串联连接的电阻器，R40/R42和R41/R43。还包括并联电容器C50和C51，并且其被配置为建立级联的RC滤波器。在一些实施中，分压器部分410可包括用于提升噪音消除的0.1％电阻器。图5是描述响应特性的曲线图，该响应特性与图4的示例设备电路400中实施的滤波器相关联。轨迹502代表单极滤波器的响应。轨迹504对应于在图4的设备电路400中实施的级联滤波器的响应。

Claims (11)

1.一种过程控制设备中的部件，所述部件包括：
第一输入端，所述第一输入端接收来自电流环路的信号；以及
第二输入端，所述第二输入端不同于所述第一输入端，并且接收来自电压源的信号，
其中，所述部件耦接至保护电路，所述保护电路在来自所述电压源的信号低于第一阈值时，向所述第二输入端提供从在所述第一输入端接收到的信号得到的备份电压信号。
2.根据权利要求1所述的部件，其中，所述部件是集成电路。
3.根据权利要求1所述的部件，其中，所述部件是多个部件，并且其中，所述部件中的每一个都具有所述第一输入端的实例和所述第二端的实例，并且其中，所述保护电路保护所述多个部件中的每一个。
4.根据权利要求1所述的部件，其中，耦接到所述部件的所述保护电路包括分压器，所述分压器被配置为按预定因子划分所述电流环路输入端的引线脚两端的电压。
5.如权利要求1所述的部件，其中，在所述第一输入端从所述电流环路接收的信号是4-20mA信号，并且被配置为向所述部件提供与指示值成比例的电流值。
6.如权利要求1所述的部件，其中，所述指示值代表传感器输出。
7.如权利要求1所述的部件，其中，所述指示值是来自控制器的设定值。
8.如权利要求1所述的部件，其中，来自所述电压源的信号和所述备份电压信号中的每一个向所述部件提供运行功率。
9.如权利要求1所述的部件，其中，所述部件是运算放大器。
10.如权利要求1所述的部件，其中：
所述部件是集成电路，
在所述第一输入端从所述电流环路接收的信号是4-20mA信号，并且被配置为向所述部件提供与指示值成比例的电流值，并且
来自所述电压源的信号和所述备份电压信号中的每一个向所述集成电路提供操作电源。
11.如权利要求10所述的部件，其中，所述部件是运算放大器。
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