CN116097181A - 用于潜在爆炸区域的自动化现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于潜在爆炸区域的自动化现场设备，所述设备包括：‑两个连接端子，其用于连接双线线路，电流能够经由所述双线线路被供应；‑传感器和/或致动器元件，其用于捕获和/或设置过程变量；‑现场设备电子系统，其被连接至所述连接端子，并且能够经由所述双线线路供应的所述电流被供应给所述现场设备电子系统，并且被设计为基于所述供应的电流为所述现场设备提供功率供应，并且还借助于所述双线线路发送或接收借助于所述传感器元件捕获的所述过程变量和/或要由所述致动器元件设置的过程变量；以及‑防爆单元，作为所述现场设备电子系统的一部分，所述防爆单元被并入到所述两个连接端子之间的电流路径中以限制可能的短路电流，并且所述防爆单元包括串联的所述至少两个二极管以及并联连接至所述至少两个二极管的至少一个电阻器。

Description

用于潜在爆炸区域的自动化现场设备

技术领域

本发明涉及一种用于潜在爆炸区域的自动化现场设备。

背景技术

在自动化中，用于记录和/或修改过程变量的现场设备经常被使用，特别是在过程自动化中。传感器，诸如液位测量设备、流量计、压力和温度测量设备、pH氧化还原电位计、导电率计等，被用于记录相应的过程变量，诸如液位、流量、压力、温度、pH水平和导电率。致动器，诸如例如阀门或泵，被用于影响过程变量。因此，管道区段中的流体流率或容器中的液位能够借助于致动器被更改。原则上，在过程中使用的并且供应或处理过程相关信息的所有设备均被称为现场设备。在本发明的上下文中，现场设备还包括远程I/O、无线电适配器和/或通常被布置在现场级的设备。

各种各样的这种现场设备由Endress+Hauser公司制造和销售。

许多现场设备都可用于所谓的2线版本。此处，功率借助于用于通信的同一对线路(双线线路)被供应给现场设备。

特别是在过程工业中，但在自动化中，物理或技术变量通常必须由现场设备在存在潜在爆炸风险的区域(即，所谓的潜在爆炸区域)中测量或确定。借助于现场设备和评估系统中的适当措施(例如电压和电流限制)，待发送的信号中的电功率能够被限制，使得该信号在任何情况下(短路、中断、热效应等)都无法触发爆炸。为此，对应的保护原理已在IECEN DIN 60079ff中定义。

根据该标准，爆炸性环境中使用的现场设备的设计和电路系统措施是基于要应用的点火保护类型定义的。这些点火保护类型中的一种点火保护类型由点火保护类型“固有安全”(标识代码Ex-i，IEC EN DIN60079-11，2012年6月发布)表示。

点火保护类型“固有安全”基于限制电路中的电流和电压的原理。电路中能够对爆炸性环境点火的功率受到限制，使得周围的爆炸性环境无法通过火花或不允许的电组件加热而被点火。

周围爆炸性环境的可能点火能够发生的关键区域是现场设备的连接端子，双线线路被连接至该连接端子。

因此，能够作用于连接端子的短路电流通常使用防爆单元来限制。现有技术中已知的防爆单元通常包括串联连接的至少两个(但通常是三个)二极管，这些二极管用于使大电容器(C>100nF)解耦。然而，这具有以下缺点：即使在低电流的情况下，二极管也会产生电压降，这继而导致较低的电压，从而导致内部现场设备电子系统可用的功率较少。

这能够使用简单的示例来示出。假设4-20mA现场设备，其在故障条件下可用电流≤3.6mA，并且在10.6V的供应电压下操作，则连接端子处的功率将为38.16mW。

如果三个二极管被串联使用，并且二极管的150mV的相对较低的正向电压被假设，则每个二极管处的损耗仍为0.54mW。在三个二极管串联连接的情况下，这对应于1.62mW的功率损耗。这意味着二极管处可用能量的4.25％(＝1.62mW/(3.6mA*10.6V)＝1.62mW/38.16mW)将损失。

发明内容

因此，本发明基于提出一种现场设备的目的，该现场设备包括具有较低功率损耗的防爆单元。

根据本发明，该目的通过根据权利要求1的自动化现场设备实现。

根据本发明的用于潜在爆炸区域的自动化现场设备包括：

-两个连接端子，其用于连接双线线路，电流能够经由该双线线路被供应；

-传感器和/或致动器元件，其用于捕获和/或设置过程变量；

-现场设备电子系统，其被连接至连接端子，并且能够经由双线线路供应的电流被供应给该现场设备电子系统，并且该现场设备电子系统被设计为基于供应的电流为现场设备提供功率供应，并且还借助于双线线路发送或接收借助于传感器元件捕获的过程变量和/或要由致动器元件设置的过程变量；以及

-防爆单元，作为现场设备电子系统的一部分，该防爆单元被并入到两个连接端子之间的电流路径中以限制可能的短路电流，并且包括串联的至少两个二极管以及并联连接至该至少两个二极管的至少一个电阻器。

根据本发明的现场设备的有利实施例提供了至少两个二极管和至少一个电阻器彼此协调，使得在防爆单元的下游提供的输出电压(Uout)的拐点下方，功率损耗基本上由至少一个电阻器确定，并且在拐点上方，功率损耗基本上由至少两个二极管确定，其中拐点特别地位于0.1至6伏特的范围内，优选地0.2至4伏特的范围内，特别优选地0.3至2.5伏特的范围内。

根据本发明的现场设备的有利实施例提供了至少两个二极管和至少一个电阻器进一步彼此协调，使得拐点下方的功率损耗小于拐点上方的功率损耗。

根据本发明的现场设备的有利实施例提供了至少一个电阻器的电阻值在10至100欧姆的范围内，优选地15至60欧姆的范围内，特别优选地30至35欧姆的范围内，非常特别优选地大约33欧姆。

根据本发明的现场设备的有利实施例提供了至少两个二极管在每种情况下都具有大约0.3V的正向电压。

附图说明

本发明基于以下附图更详细地解释。以下被示出：

图1：现场设备的示意性表示，该现场设备经由用于信号和功率传输的双线线路被连接至更高级别，

图2：详细的防爆单元，以及

图3a至3c：防爆单元的电路模拟。

具体实施方式

图1示出了现场设备10的示意性表示，该现场设备10经由用于信号和概率传输的双线线路14被连接至更高级别12。在所示示例中，现场设备10是测量点，在该测量点中，测量值或过程变量(例如温度、压力、湿度、液位、流量)借助于传感器16被捕获。然而，现场设备也可以是致动器点，其中过程变量借助于致动器被设置。

现场设备10不包含其自身的电源，而是经由双线线路14汲取其操作所需的供应电流。例如，这能够通过更高级别单元12中所包含的电压源18提供。表示刚刚测量的测量值的测量值信号经由相同的双线线路14从现场设备10发送到更高级别单元12。根据常规技术，测量值信号是经由双线线路14流动的信号电流Is，它能够在两个预指定值(通常为4mA和20mA的电流值)之间变化。电压源18供应DC电压Uv，并且测量电流Is是直流。

为了检测测量值，现场设备10包含前述传感器16和连接至其的换能器电路20，该换能器电路20在输出22处发射表示所捕获的测量值的信号。

更高级别单元12包含评估电路26，该评估电路26从信号电流Is中获得测量值信息，该信号电流Is经由双线线路14发送。为此，测量电阻器28被插入到双线线路中，电压UM在该双线线路处被生成，该电压UM与经由双线线路发送的信号电流Is成比例，并且被供应给评估电路26。

信号电流Is由可控电流调节器或电流吸收器32被设置在现场设备10中，由换能器电路20在输出24处发射的信号作为待定义的信号电流Is的控制信号被供应给该可控电流调节器或电流吸收器32。取决于在每种情况下检测到的测量值，在双线线路中流动的信号电流Is通过电流调节器或电流吸收器32的对应控制来设置。电流调节器或电流吸收器可以包括例如由换能器电路20经由控制信号控制的晶体管。

如能够从图1看到的，现场设备10还包含电压源34和电压调节器36，例如开关或线性调节器的形式，其任务是为换能器电路20和传感器16生成尽可能恒定的操作电压。电压调节器36的输入电压由电压源34供应。例如，电压源34能够是电容器。电压调节器36与电压源34的结合使用使得可能始终为换能器电路20和传感器16提供最高的可能功率。尽管其输入电压Ue增加，但电压调节器36确保换能器电路20和传感器16的操作电压被保持在恒定值，使得更高的输入功率通过增加电压调节器36处的输入电压Ue可用，从而也实现更高的输出功率。

如果由传感器16检测到的测量值处于测量值范围的下端，则信号电流Is也将假设信号电流范围的下限值。因此，在通常的4至20mA技术中，值为4mA。对应地，如果由传感器16检测到的测量值处于测量值范围的上端，则信号电流Is将假设信号电流范围的上限值。因此，在通常的4至20mA技术中，值为20mA。

此外，现场设备10包括防爆单元38，该防爆单元38被布置在可控电流源和电流路径Is中的连接端子30中的一个连接端子30之间。在图1中，防爆单元38被布置在上连接端子30和可控电流调节器或电流吸收器32之间。然而，防爆单元38也能够被布置在现场设备中的下连接端子后面。

防爆单元38使得可能在开头提及的潜在爆炸区域中使用现场设备10，因为短路电流被防爆单元减小到非临界水平。

图2示出了根据本发明设计的防爆单元38。这包括彼此串联连接的三个二极管40和与二极管的串联连接并联布置或连接的电阻器42。通过二极管40的串联连接和与其并联连接的电阻器42的组合，功率损耗能够被减少。这将使用以下示例进行解释。通过示例，假设电阻器具有33欧姆的值。在这种情况下，继续上面提及的示例(Is＝3.6mA并且Uk＝10.6V)，电阻器两端存在118.8mV的电压降，并且因此功率损耗为0.427mW。这意味着功率损耗将减少74％。三个二极管与电阻器42并联连接，以便避免由于电阻器的电流依赖性而导致的功率损耗的不成比例的增加，即，随着电流增加，电压降也增加。没有并联连接的二极管40的情况下，最大电流Is为22mA并且电阻为33欧姆，则会有15.972mW的功率损耗。为了不接受这些损耗，三个二极管40仍然被串联连接在电路中。在该状态下，功率损耗将为9.9mW。

为了阐明，防爆单元38的电路模拟如图3a至3c所示。随着时间的推移，防爆单元两端的电压、电流和功率损耗被模拟。防爆单元38仅利用电阻器(即，没有并联连接的二极管)模拟一次、仅利用串联连接的三个二极管(即，没有串联连接的电阻器)模拟一次以及利用根据本发明的串联连接的三个二极管40和与其并联连接的电阻器42的组合模拟一次，作为限制措施。图3a仅示出了与对应电路被模拟的时间相比的电流Is。

作为电路模拟的结果，从图3b能够看出，仅使用串联连接的二极管的限制措施情况下，直到约0.85V的拐点的防爆单元两端的电压降比仅使用电阻器的限制措施的电压降更大。

在大约0.85V的拐点之后，与由二极管组成的防爆单元相比，行为发生变化，并且仅由电阻器组成的防爆单元两端的电压降增加。因此，针对防爆单元的功率损耗而言，相同的行为也很明显，并且该行为如图3c所示。因此，防爆单元的输出处的可用功率相应地改变，即，与仅由电阻器组成的防爆单元相比，在仅由二极管组成的防爆单元的情况下，直到拐点的防爆单元的输出处的可用功率较少，并且在拐点之后的功率较多。

图3a至3c还示出了防爆单元的电路模拟的结果，该防爆单元根据本发明设计并且由一个电阻器和与其并联连接的三个二极管组成。图3c所示的电路模拟示出了两种限制方法(电阻器和与其并联连接的二极管)的组合在0至40mA的非常大的范围上提供最大输出功率。

附图标记列表

10      现场设备

12      更高级别单元，例如可编程逻辑控制器(PLC)

14      双线线路

16      传感器

20      换能器电路

24      换能器电路的输出

30      连接端子

32      可控电流调节器或者电流吸收器

34      功率存储元件

36      电压调节器，例如开关调节器或线性调节器

38      防爆单元

40      防爆单元的二极管

42      防爆单元的电阻器

Ue      存储元件的输出处的电压

Is      测量电流

Uk      端子电压

WP      拐点

Claims (5)

1.一种用于潜在爆炸区域的自动化现场设备(10)，所述设备包括：

-两个连接端子(30)，所述两个连接端子用于连接双线线路(14)，电流能够经由所述双线线路(14)被供应；

-传感器和/或致动器元件(16)，所述传感器和/或致动器元件用于检测和/或设置过程变量；

-现场设备电子系统(32、34、36、38)，所述现场设备电子系统被连接至所述连接端子(30)，并且能够经由所述双线线路(14)供应的所述电流(Is)被供应给所述现场设备电子系统(32、34、36、38)，并且所述现场设备电子系统被设计为基于所述供应的电流(Is)为所述现场设备提供功率供应，并且还借助于所述双线线路(14)发送或接收借助于所述传感器元件(16)捕获的所述过程变量和/或要由所述致动器元件(16)设置的过程变量；以及

-防爆单元(38)，作为所述现场设备电子系统的一部分，所述防爆单元被并入到所述两个连接端子(14)之间的电流路径(50)中以限制可能的短路电流，并且所述防爆单元包括串联的至少两个二极管(40)以及并联连接至所述至少两个二极管(40)的至少一个电阻器(42)。

2.根据权利要求1所述的自动化现场设备，其中所述至少两个二极管(40)和所述至少一个电阻器(42)彼此协作，使得在所述防爆单元的下游提供的输出电压(Uout)的拐点下方，功率损耗基本上由所述至少一个电阻器确定，并且在所述拐点上方，所述功率损耗基本上由所述至少两个二极管(40)确定，其中所述拐点特别地位于0.1至6伏特的范围内，优选地0.2至4伏特的范围内，特别优选地0.3至2.1伏特的范围内。

3.根据前述权利要求中的一个或两个权利要求所述的自动化现场设备，其中所述至少两个二极管(40)和所述至少一个电阻器(42)进一步彼此协作，使得所述拐点下方的功率损耗小于所述拐点上方的功率损耗。

4.根据前述权利要求中的一个或多个权利要求所述的自动化现场设备，其中所述至少一个电阻器(42)的电阻值在10至100欧姆的范围内，优选地15至60欧姆的范围内，特别优选地30至35欧姆的范围内，非常特别优选地大约33欧姆。

5.根据前述权利要求中的一个或多个权利要求所述的自动化现场设备，其中所述至少两个二极管(40)分别具有大约0.3V的正向电压。

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