CN116171410A - 本质安全自动化现场设备 - Google Patents

Abstract

一种自动化技术的本质安全现场设备，包括：‑连接端子(30a、30b)，电流(Is)能够经由所述连接端子(30a、30b)供应；‑传感器元件和/或致动器元件(16)；‑现场设备电子设备(31、32、33、34、36)，具有在所述连接端子(30a、30b)和并入到所述电流路径(50)中的电压调节器(36)之间的电流路径(50)，所述电压调节器被设计为基于所述电流(Is)提供电力供应(16)；‑防爆单元(35、38)，包括串联并入到所述电流路径(50)中的至少两个有源可控切换元件(38a、38b)和两个阈值电路(35a、35b)，所述阈值电路(35a、35b)被设计为使得第一阈值电路(35a)根据第一阈值来控制第一切换元件(38a)，并且第二阈值电路(35b)根据第二阈值来控制第二切换元件(38b)，使得当达到所述第一阈值和/或第二阈值时，所述电流(Is)被限制为所述第一阈值和/或第二阈值，并且所述阈值电路(35a、35b)与所述电压调节器(36)并联连接。

Description

本质安全自动化现场设备

技术领域

本发明涉及一种用于爆炸危险区域的自动化技术的本质安全现场设备。

背景技术

在自动化技术中，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技术中。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、电导率计等)被用于记录相应的过程变量(诸如液位、流量、压力、温度、pH水平和电导率)。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来更改。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。在本发明的情境中，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处的设备。

各种各样的这种现场设备由Endress+Hauser公司制造和销售。

许多现场设备都可以用于所谓的2线版本。在这种情况下，电力借助于与用于通信的相同的双导线被供应给现场设备。

特别是在过程工业中，同样也在自动化技术中，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，所谓的爆炸危险区域)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)，待发送信号中存在的电能能够被限制，使得爆炸在任何情况下(短路、中断、热效应等)都无法由该信号触发。为此，对应的保护原理已在IEC EN DIN 60079-ff中定义。

根据该标准，爆炸危险区域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表示点火保护类型“本质安全”(代码Ex-i，IEC EN DIN 60079-11，2012年6月发布)。

点火保护类型“本质安全”是基于电路中电流和电压限制的原理。电路中可能能够使爆炸性环境点火的能量在此处受到限制，使得周围爆炸性环境的点火既不能通过火花发生也不能通过不允许的电组件加热来发生。

点火保护类型“本质安全”定义了三个保护级别：Ex-ia、Ex-ib和Ex-ic。在这种情况下，最高级别由级别a定义，在该级别下，两个可计数的错误组合不会导致故障，从而导致点火(2错误安全)。级别b定义了一个可计数错误不会导致故障，从而导致点火(1错误安全)。因此，在级别c的情况下，未定义错误安全，使得在一次故障的情况下，点火已经能够被触发(0错误安全)。

能够引发周围爆炸性环境的可能点火的关键区域是双线线路连接到的现场设备的连接端子。

因此，能够作用于连接端子的短路电流通常借助于防爆单元来限制。从现有技术已知的防爆单元通常包括用于功率限制的一个或多个齐纳二极管以进行电压限制，以及与其串联的一个或多个防爆电阻器以与用于最大电流限制的保险丝组合，其中，此外，利用附加的二极管来防止来自电感器L和/或电容器C的能量的电源侧回流。防爆单元通常被设计为使得一个或多个防爆电阻器具有大约330欧姆的总电阻。

这些防爆单元的缺点是，在例如端子电压Uk＝24V和22mA的错误电流的正常操作期间，将出现7.26V(具有330欧姆电阻)的电压降。这对应于防爆电阻器处的功率损耗为可用总功率的1/3。

由于这种性能损耗，仅节能组件能够用于设备电路。现场设备电子设备的发展也变得更加复杂，因此更加昂贵。另外，还会出现功能缺点，诸如例如测量性能以及测量值的视觉或数字表示(例如通过显示器或经由蓝牙等)方面的损耗。

因此，本发明的目的是克服上述缺点。

发明内容

根据本发明，该目的通过根据权利要求1的本质安全自动化现场设备实现。

一种用于爆炸危险区域的本质安全自动化现场设备包括：

-第一连接端子和第二连接端子，用于连接双线线路，电流能够经由该双线线路供应；

-传感器元件和/或致动器元件，用于捕获和/或设置过程变量；

-连接到第一连接端子和第二连接端子的现场设备电子设备，所述现场设备电子设备经由从第一连接端子到第二连接端子的电流路径传导电流Is，该电流Is能够经由双线线路供应，其中，现场设备电子设备具有被并入到电流路径中的电压调节器，所述电压调节器被设计为基于所供应的电流Is至少为传感器元件和/或致动器元件提供电力供应，其中，现场设备电子设备被进一步设计为通过将电流Is设置为对应值来发送经由传感器元件捕获的过程变量，和/或通过读取电流Is来接收将由致动器元件设置的过程变量并且相应地调整致动器元件；

-防爆单元，包括串联并入到电流路径中的至少第一有源可控切换元件和第二有源可控切换元件，以及至少第一阈值电路和第二阈值电路，该第一阈值电路和第二阈值电路被设计为使得第一阈值电路根据电流Is的第一阈值来控制第一可控切换元件，并且第二阈值电路根据电流Is的第二阈值来控制第二可控切换元件，使得当达到第一阈值和/或第二阈值时，电流Is被限制为第一阈值和/或第二阈值，并且其中阈值电路与并入到电流路径中的电压调节器并联连接。

根据本发明，代替防爆单元中的一个或多个欧姆防爆电阻器，防爆单元内的有源可控切换元件作为电流限制被并入到电流路径中，其在每种情况下都经由阈值电路来控制。

根据本发明的现场设备的有利实施例提供了防爆单元还包括与第一切换元件和第二切换元件串联并入到电流路径中的第三有源可控切换元件以及第三阈值电路，该第三阈值电路被设计为使得第三阈值电路根据电流Is的第三阈值来控制第三可控切换元件，其中，阈值电路被设计为使得在达到第一阈值、第二阈值和/或第三阈值时，电流Is被限制为第一阈值、第二阈值和/或第三阈值，并且其中，第三阈值电路还被并联连接到并入到电流路径中的电压调节器。

根据本发明的现场设备的又一有利实施例提供了电流Is的第一阈值、第二阈值和/或第三阈值大于22mA，特别是在32至40mA的范围内。

根据本发明的现场设备的又一有利实施例提供了第一阈值电路、第二阈值电路和/或第三阈值电路被设计为使得三个阈值中的至少两个阈值，优选地所有阈值基本上相同。

根据本发明的现场设备的替代实施例提供了第一阈值电路、第二阈值电路和/或第三阈值电路被设计为使得电流Is的三个阈值中的至少两个阈值彼此不同。

根据本发明的现场设备的又一有利实施例提供了有源可控切换元件包括半导体切换元件或晶体管。使用半导体切换元件(例如以场效应晶体管(MOSFET)的形式)的优点在于，在正常操作中，它们生成<1V的非常小的电压降。功率下降也非常小(<5％)。

根据本发明的现场设备的又一有利实施例提供了阈值电路在每种情况下包括至少两个晶体管。

根据本发明的现场设备的又一有利实施例提供了现场设备电子设备还具有分流电阻器，该分流电阻器与电压调节器串联并入到电流路径中，并且现场设备电子设备还被配置为经由分流电阻器读回电流Is，并且其中，通过跨分流电阻器的至少一个电压抽头，第一阈值电路、第二阈值电路和/或第三阈值电路实现被达到的电流Is的第一阈值、第二阈值和/或第三阈值。具体地，该实施例能够提供至少一个阈值电路，优选地所有阈值电路在每种情况下包括至少两个晶体管，并且至少两个晶体管在每种情况下都彼此连接，并且连接到相应的有源可控切换元件以及连接到分流电阻器，使得相应的切换阈值基本上由分流电阻器确定。

根据本发明的现场设备的又一有利实施例提供了在每种情况下，至少一个阈值电路，优选地所有阈值电路包括至少一个比较器、晶体管和分压器，它们彼此连接并且连接到相应的有源可控切换元件，使得相应的切换阈值基本上由分压器确定。

附图说明

本发明基于以下附图更详细地解释。示出了以下内容：

图1：现场设备的示意性表示，该现场设备经由用于信号和电力传输的双线线路连接到更高级别单元，

图2：详细示出了根据本发明设计的防爆单元的第一变体，

图3：详细示出了根据本发明设计的防爆单元的第二变体，以及

图4a至4c：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经由第一连接端子30a和第二连接端子30b连接到用于信号和能量传输的双线线路14。双线线路14在另一端处依次连接到更高级别单元12。在所示示例中，现场设备10是一个测量点，在该测量点处，借助于传感器16捕获测量值或过程变量(例如温度、压力、湿度、液位、流量)。然而，现场设备也可以是致动器地点，其中借助于致动器来设置过程变量。

现场设备10不包含其自身的能量源，而是经由双线线路14获得其操作所需的电源电流。例如，这能够通过更高级别单元12中包含的电压源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。

为了获取测量值，现场设备10包含已经提及的传感器16和与其连接的测量换能器电路20，该测量换能器电路20经由控制线路22控制可控电流源，使得测量电流Is被设置为表示所捕获的测量值的值(信号电流)。

更高级别单元12包含一个评估电路26，该评估电路26从经由双线线路14发送的信号电流Is中获得测量值信息。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，并且被馈送给评估电路26。

借助于内部现场设备电子设备，信号电流Is在现场设备10中由电流路径50从第一连接端子30a引导到第二连接端子30b。电流Is能够经由被并入到电流路径50或电流吸收器32中的可控电流调节器来设置。电流调节器对应地由测量换能器电路20在输出处输出的信号控制，该信号作为控制信号经由控制线路22被供应给电流调节器32。取决于在每种情况下捕获的测量值，因此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能够包括例如晶体管，它由来自测量换能器电路20的控制信号调节。在现场设备被设计为致动器的情况下，即，具有致动器元件而不是传感器元件，电流调节器被省略。

现场设备还包括低阻抗分流电阻器33，借助于读回线路23，信号电流Is经由该低阻抗分流电阻器33通过测量换能器电路20读回。根据欧姆定律，电压U_shunt＝R_shunt·Is在分流电阻器33处下降。因此，电压U_shunt与流过现场设备的电流Is成比例。为了调节要设置的信号电流Is，跨分流电阻器33的电压降被供应给测量换能器电路。这种类型的分流电阻器33对于调节电流信号是必不可少的，对应于由现场设备的传感器确定的测量值，并且通常具有5至40欧姆范围内的电阻值，优选地7至30欧姆，特别优选地在10至25欧姆的范围内。

如可以从图1看到的，现场设备10还包含电压调节器36，例如切换调节器或线性调节器的形式，其任务是为测量换能器电路20和传感器16生成尽可能恒定的操作电压。电压调节器36的输入电压能够例如由电压源34提供，特别是以电容器的形式。电压源34支持输入电压或端子电压Uk，它由更高级别单元12中包含的电压源18提供。因此，电压源34用作与其连接的电路部分的“源”，特别是用于电压调节器36。

电压调节器36与电压源34的结合使用使得可以始终为测量换能器电路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，但是电压调节器36确保测量换能器电路20和传感器16的操作电压保持在恒定值，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获取的测量值处于测量值范围的下端，则信号电流Is也假设为信号电流范围的下限值。因此，在通常4至20mA的技术中，值为4mA。因此，如果由传感器16捕获的测量值处于测量值范围的上端，则信号电流Is假设为信号电流范围的上限值。因此，在通常4至20mA的技术中，值为20mA。

为了电压限制，电压限制电路31能够在第一连接端子与第二连接端子之间与外部电压源并联连接。电压限制电路31能够例如由齐纳二极管形成。

此外，现场设备包括根据本发明设计的用于电流限制的防爆单元35、38。在图1中，防爆单元仅通过示例指示。图2和图3详细示出了防爆单元的第一变体和第二变体。

防爆单元35、38包括至少第一有源控制或可控切换元件38a和第二有源控制或可控切换元件38b以及第一阈值电路35a和第二阈值电路35b，每个阈值电路控制切换元件。防爆单元被用于电流限制。

取决于期望的保护等级和根据2012年6月发布的标准IEC EN DIN 60079-11的要求，防爆单元还能够具有第三切换元件38c和第三阈值电路35c，如图2和3中通过示例所示。

有源控制或可控切换元件38a、38b和38c能够例如被实现为半导体切换元件，诸如场效应晶体管，特别是MOSFET，或者被实现为晶体管，特别是双极晶体管。

彼此串联并且与电压调节器36串联的电路元件38a、38b、38c被并入到电流路径50中。另一方面，阈值电路35a、35b、35c与可以说用作负载的电压调节器36并联地并入。

在切换元件38a、38b、38c被设计为场效应晶体管的情况下，与常规限流器相比，这提供了提供期望的栅极-源极电压能够被省去的优点。此处，冲程经由作为负载的电压调节器36实现。

阈值电路基本上以这种方式构造，即，它们分别根据在电流路径50中流动的电流Is的阈值来致动对应的切换元件。致动以这种方式发生，即，在达到相应的阈值时，在电流路径50中流动的电流Is将被限制为相应的阈值。电流Is的阈值大于22mA(Is＞22mA)，特别是位于32至40mA的范围内。阈值电路35a、35b、35c现在能够被设计为使得它们都具有相同的阈值，或者备选地，阈值至少在一些情况下不同。

为了不必生成附加的电压降并且因此产生功率损耗，用于确定电流值所需的电压抽头21能够跨分流电阻器33实施。

详细地，阈值电路能够被不同地设计。因此，如图2所示，第一阈值电路35a、第二阈值电路35b和第三阈值电路35c在每种情况下都能够由具有至少两个晶体管的晶体管电路组成，特别是双极晶体管。晶体管电路35a、35b、35c分别被设计为使得相应的切换元件38a、38b、38c经由第一晶体管41a、41b、41c的集电极-发射极路径被控制，其中，控制信号经由第二晶体管42a、42b、42c的集电极-发射极路径被供应给第一晶体管41b、41b、41c的基极。在这种情况下，电压经由第二晶体管的发射极在分流电阻器33处分接。如有必要，如图2所示，又一电阻器能够在分接点与第二晶体管的发射极之间连接。根据该变体，相应的切换阈值基本上由分流电阻器(33)或分流电阻器的电阻值确定。

图3示出了根据本发明设计的防爆单元35、38的另一变体。第一阈值电路35a、第二阈值电路35b和第三阈值电路35c在每种情况下具有比较器39a、39b、39c和晶体管41a、41b、41c。此外，防爆单元具有分压器40。跨分流电阻器33的电压抽头在此处由分压器实现。分压器40的中心抽头连接到比较器的反相输入，使得相应的切换阈值基本上由分压器40确定，即，由分压器的两个电阻器的电阻比确定。

图4a至4c示出了根据本发明设计的防爆单元35、38的电路模拟，与现有技术中已知的例如由诸如电阻器等无源组件组成的防爆单元相比，防爆单元35、38具有有源控制半导体切换元件。

从图4a和4b中可以清晰地看出，与现有技术中已知的具有电阻器或无源组件的防爆单元(在图4a和4b中用虚线椭圆指示)相比，具有用于电流限制的半导体切换元件的防爆单元35、38生成显著更低的电压降，因此具有显著更低的功率损耗。这意味着显著更多的能量能够相应地在现场设备内提供。

根据本发明设计的防爆单元35、38的又一优点如图4c所示，其中电路如已经提及的那样被限制为限定电流，这能够在以下附图中看到。在欧姆限制的情况下，电流上升到>50mA，并且在半导体限制处，上升到≤40mA。

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

21 电压抽头

22 控制线路

23 读回线路

24 测量换能器电路的输出

30a、30b 连接端子

31 电压限制电路((多个)齐纳二极管)

32 可控电源

33 分流电阻器

34 电压源，例如电容器

35 阈值电路

35a 第一阈值电路

35b 第二阈值电路

35c 第三阈值电路

36 电压调节器，例如切换调节器或线性调节器37

38 有源切换元件，特别是半导体切换元件或晶体管

38a 第一有源切换元件，特别是半导体切换元件或晶体管38b 第二有源切换元件，特别是半导体切换元件或晶体管38c 第三有源切换元件，特别是半导体切换元件或晶体管39a、39b、39c比较器

40分压器

41a、41b、41c晶体管

50 电流路径

Is 测量电流

Uk 端子电压

U_shunt 跨分流电阻器的电压

Claims (10)

1.一种用于爆炸危险区域的自动化技术的本质安全现场设备，包括：

-第一连接端子和第二连接端子(30a、30b)，用于连接双线线路(14)，电流能够经由所述双线线路(14)供应；

-传感器元件和/或致动器元件(16)，用于捕获和/或设置过程变量；

-连接到所述第一连接端子和所述第二连接端子(30a、30b)的现场设备电子设备(31、32、33、34、36)，所述现场设备电子设备经由从所述第一连接端子到所述第二连接端子(30a、30b)的电流路径(50)传导电流(Is)，所述电流(Is)能够经由所述双线线路供应，其中，所述现场设备电子设备(31、32、33、34、36)具有被并入到所述电流路径(50)中的电压调节器(36)，所述电压调节器被设计为基于所供应的电流(Is)至少为所述传感器元件和/或致动器元件(16)提供电力供应，其中，所述现场设备电子设备(31、32、33、34、36)被进一步设计为通过将所述电流(Is)设置为对应值来发送经由所述传感器元件(16)捕获的所述过程变量，和/或通过读取所述电流(Is)来接收将由所述致动器元件(16)设置的过程变量并且相应地调整所述致动器元件(16)；

-防爆单元(35、38)，包括串联并入到所述电流路径(50)中的至少第一有源可控切换元件(38a、38b)，以及至少第一阈值电路和第二阈值电路(35a、35b)，所述第一阈值电路和第二阈值电路(35a、35b)被设计为使得所述第一阈值电路(35a)根据所述电流(Is)的第一阈值来控制所述第一可控切换元件(38a)，并且所述第二阈值电路(35b)根据所述电流(Is)的第二阈值来控制所述第二可控切换元件(38b)，使得当达到所述第一阈值和/或所述第二阈值时，所述电流(Is)被限制为所述第一阈值和/或所述第二阈值，并且其中，所述阈值电路(35a、35b)与并入到所述电流路径(50)中的所述电压调节器(36)并联连接。

2.根据权利要求1所述的自动化技术的本质安全现场设备，其中，所述防爆单元(35、38)还包括与所述第一切换元件和所述第二切换元件(38a、38b)串联并入到所述电流路径(50)中的第三有源可控切换元件(38c)，以及第三阈值电路(35c)，所述第三阈值电路(35c)被设计为使得所述第三阈值电路(35c)根据所述电流(Is)的第三阈值来控制所述第三可控切换元件(38c)，其中，所述阈值电路(35a、35b、35c)被设计为使得在达到所述第一阈值、所述第二阈值和/或所述第三阈值时，所述电流(Is)被限制为所述第一阈值、所述第二阈值和/或所述第三阈值，并且其中，所述第三阈值电路(35a、35b)还被并联连接到并入到所述电流路径(50)中的所述电压调节器(36)。

3.根据权利要求1或2所述的自动化技术的本质安全现场设备，其中，所述电流(Is)的所述第一阈值、所述第二阈值和/或所述第三阈值大于22mA，特别是在32至40mA的范围内。

4.根据前述权利要求中的一个或多个所述的自动化技术的本质安全现场设备，其中，所述第一阈值电路、所述第二阈值电路和/或所述第三阈值电路被设计为使得三个阈值中的至少两个阈值，优选地所有阈值基本上相同。

5.根据权利要求1至3中的一个所述的自动化技术的本质安全现场设备，其中，所述第一阈值电路、所述第二阈值电路和/或所述第三阈值电路被设计为使得所述电流(Is)的三个阈值中的至少两个阈值彼此不同。

6.根据前述权利要求中的一个或多个所述的自动化技术的本质安全现场设备，其中，所述有源可控切换元件(38a、38b、38c)具有半导体切换元件或晶体管。

7.根据前述权利要求中的一个或多个所述的自动化技术的本质安全现场设备，其中，所述阈值电路(35a、35b、35c)分别包括至少两个晶体管。

8.根据前述权利要求中的一个或多个所述的自动化技术的本质安全现场设备，其中，所述现场设备电子设备还包括分流电阻器(33)，所述分流电阻器(33)与所述电压调节器(36)串联地并入到所述电流路径(50)中，并且所述现场设备电子设备(31、32、33、34、36)还被配置为经由所述分流电阻器(33)读回所述电流(Is)，并且其中，通过跨所述分流电阻器(33)的至少一个电压抽头，所述第一阈值电路、所述第二阈值电路和/或所述第三阈值电路(35a、35b)实现被达到的所述电流(Is)的所述第一阈值、所述第二阈值和/或所述第三阈值。

9.根据至少上一权利要求所述的自动化技术的本质安全现场设备，其中，所述阈值电路的至少一个阈值电路，优选地所有阈值电路分别包括至少两个晶体管，并且所述至少两个晶体管在每种情况下都彼此连接并且连接到相应的有源可控切换元件(38a、38b、38c)以及连接到所述分流电阻器(33)，使得相应的切换阈值基本上由所述分流电阻器(33)确定。

10.根据前述权利要求中的至少一个所述的自动化技术的本质安全现场设备，其中，所述阈值电路(35a、35b、35c)中的至少一个阈值电路，优选地所有阈值电路在每种情况下都包括至少一个比较器(39a、39b、39c)、晶体管和分压器(40)，所述至少一个比较器(39a、39b、39c)、晶体管和分压器(40)彼此连接并且连接到相应的有源可控切换元件(38a、38b、38c)，使得相应的切换阈值基本上由所述分压器(40)确定。

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