CN1150485A - 带有用于阻止泄放所储能量的电路的变送器 - Google Patents

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Abstract

一种耦合到承载回路电流的控制回路(16)的变送器(10)检测一个过程变量发送到回路(16)上。变送器中的电路向控制回路(16)提供一个有效电容Ceff，变送器(10)包括一个耦联在电路(14)和控制回路(16)之间的隔离网络，防止储存在电容Ceff里的能量泄放到控制回路(16)中。

Description

带有用于阻止泄放所储能量的电路的变送器
本发明涉及用于过程控制回路中的变送器。更具体地说，本发明涉及将变送器电路与控制器隔离开来。
过程控制系统用在制造工厂里监控一个过程的操作。一个变送器安放在现场并监控该过程的变量比如说压力、温度或流量。变送器耦合到一个控制回路并将控制回路上的信息发送到监控过程操作的控制器。控制回路是一个承载为变送器工作供电的电流的二线制回路。通信采用场总线标准——一种数字通信标准，允许一个以上的变送器耦合到唯一的控制回路上将所检测的过程变量发送到控制室。这个标准叙述于ISA 50.02-1992第11节中，HART(R)是允许4-20mA范围的过程变量信号的数字通信的另一个标准。
变送器中的电路向控制回路提供一个有效电容Ceff。在这个电容上可建立起电荷，使得变送器在其至回路的两连接端之间储存能量。这个能量可能通过回路泄放掉。在场总线协议中，多个变送器连接到同一回路上，使得合成的Ceff可能特别大。已在设法减小Ceff规模并由此降低变送器的势能储存容量总量。此外，Ceff在诸变送器之间会变化。因此，变送器的更替受到限制。
把变送器的电容与控制回路隔离开来将是比较理想的。这将会防止向回路的能量泄放并提供变送器之间的更大的可替换性而不用考虑其内部的Ceff。
一个双线制变送器耦合到一个承载回路电流的控制回路。变送器检测一个过程变量并向回路提供其电学表示。变送器中的电路在直接连到控制回路时表现为一个有效电容Ceff。变送器包括一个耦合到电路和控制回路的电容隔离网络，它阻止有效电容Ceff所储的能量向控制回路泄放。在一个实施例中，隔离网络至少包括三只顺着回路电流的流动方向串联的二极管。
图1是根据本发明耦合到一个控制回路的变送器的方框图。
图2示出根据本发明的电容隔离网络的一个实施例。
图3示出根据本发明的电容隔离网络的一个实施例。
图4示出根据本发明的电容隔离网络的一个实施例。
图5示出根据本发明的电容隔离网络的一个实施例。
图6是图1的变送器的一个截面视图。
为方便起见，图中具有同一标号的元件是同一个元件或起到同样或类似作用的元件。
图1是根据本发明的变送器10的个简化方框图。变送器10包括传感器12和耦合到控制回路16的电子线路14。电子线路14包括测量电路18和电容隔离电路20。测量电路18包括处理电路22和接口电路24。
变送器10通过从控制回路16接收的电流I供电。在变送器10的两端产生一个电压降。该电压降一般在9到35伏之间。在一个实施例中，控制回路在场总线协议下工作并承载数字信息。传感器12检测一个有关过程参数的过程变量，例如温度、压力或流量等等。处理电路22对过程变量进行处理。例如，处理电路22可以校正传感器中的误差或执行对过程变量的其他计算。处理电路22耦合到接口电路24并控制接口电路24向控制回路16发送过程变量。在一个实施例中，接口电路24接收控制回路16上的数字指令控制处理电路22的工作。另外，接口电路24还包括一个向处理电路22和变送器10中的其他电路供电的电流输出。
回路电流I流过接口电路24。电子线路14包括的元件具有电阻、电容和电感。这些元件为回路16提供一个有效电容Ceff。图1示出有效电容Ceff跨在测量电路18上。Ceff被提供给根据本发明的电容隔离电路20。
在运行中，接口电路24根据发送数据请求通过回路16发送有关传感器12的输出的数字信息，借此将传感器12检测的参数或其他数据发送到回路16上。在现有的技术系统中，储存在电容器Ceff中的能量会通过回路16泄放掉。在本发明中，电容隔离电路20将电容Ceff与回路16隔开来以防止这种泄放。但是，电容隔离电路20不干扰测量电路18的工作，以便回路电流I能够流动，数字信息能够变化。
图2至图5示出电容隔离电路20的各种不同结构。在图2至图5中，测量电路18的有效电容和电阻分别用电容Ceff和电阻Reff模拟。在图2中，隔离电路20包括二极管30、32和34。二极管30至34顺着电流I的方向连接，并与回路16串联。二极管30至34通过阻止电流通过回路16沿着和电流I的流向相反的方向流动而防止了储存在电容Ceff中的能量泄放。使用三只二极管30至34提供了三级的冗余量。二极管30至34的任何两只可以失效，剩下的一只二极管仍将防止能量泄放。
图3示出隔离电路20的另一个实施例。在图3中，隔离电路20包括顺着电流I进入变送器10的流动方向与回路16串联连接的二极管40、42和44。电路20还包括顺着电流I流出变送器10的方向串联连接的二极管46、48和50。在图3中，隔离电路20还包括RF滤波电容器52和54，将电流回路通过电容方式耦接到地电位。一般，电容器52和54设置在变送器10的中央隔板56中，并具有大约2000PF的数值。在运行中，电容器52和54为干扰测量电路18的工作的高频RF信号提供一个对地的短路。隔离电路20包括两组隔离二极管。这就防止了电容Ceff中的能量经由一条通过地电位和电容器52或电容器54的通路泄放。仍然是，通过使用两组三只二极管(40、42与44或者46、48与50各组负责一条通路)而提供了三级冗余。如果电容器52或54的任一只失效，则出现泄放并提供一个到地电位(一般就是变送器的机壳，图3中未示出)的通路。
图4示出电容隔离电路20的另一实施例，仅包括三只二极管60、62和64就达到所需要的隔离。二极管60、62和64沿回路电流的进入通道顺着回路电流I流动方向串联连接。中央隔板56承载滤波电容器52和54。电阻66和68分别加在回路电流I的输入和输出通路上。一般，电阻66的阻值与电阻68的阻值完全一样，并具有5.5的数值。电阻66和68选得有足够大的数值以限制电容器52和54储存的任何势能被很快地泄入回路16。另外，电阻66和68与电容52和54应当足够大以减少故障。与图3的电路相比较，图4的电路在提供三级冗余的同时仅包括三只二极管电压降。
图5示出电路20的另一个实施例。图5示出其中中央隔板承载电容器52和54的隔离电路20。电路20还包括具有二极管72、74，76和78的全波桥式整流器70。电桥70的输出端连接到二极管80。图5的电路20以类似于图4的电路20的方式工作。但是，电桥70允许在变送器10和反接的控制回路16之间进行连接而不会影响变送器10的工作。另外，电桥70和二极管80确保经由变送器10的电流I的通路至少流过三只二极管，以此隔离测量电路18并提供三级冗余。使用图5所指出的方向的电流I的例子，回路电流I流过电桥70的二极管72、二极管80、测量电路18、以及桥式电路70的二极管76。而且，如果电流通路中任何两只二极管失效，剩下的第三只二极管将防止电路18中储存的能量通过回路16的不应有的泄放。
图6是变送器10的截面视图，示出电路22和24以及中央隔板56的相对位置。图6示出变送器主体100被中央隔板56分成一个第一腔室101a和一个第二腔室101b。第一腔室101a用端盖帽102密封，第二腔室101b用端盖帽104密封。第一腔室101a安装有处理和接口电路22/24。RF滤波电容器52和54安放在中央隔板56中并耦联到承载桥式整流器70的线路板上。线路板110安装在第二腔室101b中并包括有耦联到电路回路16的引线，该引线经由导管108进入外壳100，线路板110包括电阻66和68。变送器外壳100与装有传感器12(图6中未示出)的传感器外壳106接触。如图6所示，电容器52和54允许电流I进入第一腔室101a中的电路，只是滤去了高频RF干扰。像上面所说的一样，电桥70和二极管80防止储存在电路22/24中的能量回泄到电流回路16。图6所示的特定变送器10系用于测量差分压力。
二极管应当选择得提供一个低的正向电压降，例如肖特基势垒二极管。需要选择提供低反向漏电流的桥式整流器二极管以降低视在变送器电流。在一个优选实施例中，桥式整流器70的二极管和二极管80均为肖特基势垒二极管。二极管80应当选择得提供在其整个工作范围内的直线性。因为二极管80仅在电流I通路的一条“腿”中，故非线性可以引起信号失真。在一个实施例中，二极管80具有一个大电流容量(例如说30安培)，以使电压降压在二线制变送器的低电流电平(4-20mA)时很小。但是，在正向压降和漏电流之间有一个权衡的问题。
虽然本发明是参照优选实施例叙述的；但是熟悉这一技术的人员将会理解，可以在形式和细节上作出一些更改而不需脱离本发明的精神和范围。例如，本发明可用在中央控制器、现场安装的控制器、配置设备(例如手持设备)、调制解调器或其他耦合到双线制电流回路的设备中。此外，可以使用二极管以外的隔离元件例如FET。

Claims (18)

1、一种用于耦合到承载回路电流的二线制控制回路的变送器，包括：
一个用于检测过程变量的传感器；
耦合到传感器的测量电路，提供一个有关过程变量的变送器输出，测量电路由回路电流供电并提供一个有效电容Ceff以及
一个适于耦联在接口电路与控制回路之间的电容隔离网络，隔离网络至少包括三只二极管，连接得使回路电流同时流过三只二极管并阻止存储在Ceff中的能量通过控制回路泄放。
2、权利要求1的变送器，其中隔离网络包括4只连接成全波桥式整流器的二极管，整流器具有连接到控制回路的输入端和一个耦合到第五二极管的输出端，后者连接到测量电路。
3、权利要求1的变送器，其中隔离网络包括一个耦合到控制回路的RF滤波元件。
4、权利要求3的变送器，其中RF滤波元件跨接测量电路和三只二极管。
5、权利要求3的变送器，其中隔离网络包括一个连接在RF滤波元件和控制回路之间的电阻元件。
6、权利要求3的变送器，其中RF滤波元件安放在将测量电路与控制回路隔开的变送器中央隔板中。
7、一种用在过程控制系统中的变送器，包括：
一个用于检测过程变量的传感器；
一个具有用隔板分成第一腔室和第二腔室的变送器外壳，适于将外壳的第一腔室中的测量电路耦合到二线制控制回路和传感器，测量电路由流过回路的回路电流供电并将过程变量传送到回路上，其中测量电路具有一个用于储存能量的能量储存装置；
耦联在测量电路和控制回路之间的外壳第一腔室中的能量隔离电路至少包括三个整流元件，阻止能量由测量电路向控制回路泄放，三个整流元件连接得其中任何一个元件在其他两个元件失效期间阻止能量泄放。
8、权利要求7的变送器，其中整流元件是二极管。
9、权利要求7的变送器，其中隔离电路包括连接成全波桥式整流器的整流元件，整流器具有一个连接到控制回路的输入端和一个耦合到第五整流元件的输出端，第五整流元件则连接到测量电路。
10、权利要求7的变送器，其中隔离电路包括一个RF滤波元件。
11、权利要求10的变送器，其中RF滤波元件耦合到控制回路和三个整流元件。
12、权利要求10的变送器，其中隔离电路还包括一个连接在RF滤波元件和管制回路之间的电阻性元件。
13、权利要求10的变送器，其中RF滤波元件安放在变送器的隔板中。
14、一种用于耦合到承载回路电流的二线制控制回路的控制回路装置，包括：
一个用于耦联到二线制控制回路的连接器；
用于在二线制控制回路上传递信息并提供一个有效电容Ceff的通信电路；以及
一个适于耦联在通信电路和连接到二线制控制回路的连接件之间的电容隔离网络，隔离网络至少包括三只二极管，使得回路电流同时流过三只二极管并阻止储存在Ceff中的能量泄放。
15、权利要求14中控制回路装置，其中隔离网络包括四只连接成全波桥式整流器的二极管，整流器具有连接到控制回路的输入端和一个连接到第五二极管的输出端，第五二极管则连接到通信电路。
16、权利要求14的控制回路装置，其中隔离网络包括一个耦合到控制回路的RF滤波元件。
17、权利要求16的控制回路装置，其中RF滤波元件跨接通信电路和三只二极管。
18、权利要求16的控制回路装置，其中隔离网络包括一个连接在RF滤波元件和控制回路之间的电阻性元件。
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