DE112018000153T5

DE112018000153T5 - Luftschnittstellen-radarfüllstandgeber mit galvanischer trennung

Info

Publication number: DE112018000153T5
Application number: DE112018000153.9T
Authority: DE
Inventors: Kevin M. Haynes; Timothy S. Sussman
Original assignee: Magnetrol International Inc
Current assignee: Magnetrol International Inc
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-08-22
Also published as: US10451468B2; US10502608B2; WO2018140312A1; US20180209834A1; US20180209833A1

Abstract

Ein schleifenbetriebenes Prozessinstrument umfasst ein Steuersystem, das eine Prozessvariable misst und ein Messsignal entwickelt, das die Prozessvariable darstellt. Ein Zwei-Leiter-Schaltkreis zur Verbindung mit einer fernen Stromquelle unter Verwendung einer Zwei-Leiter-Prozessschleife steuert Strom auf der Schleife in Übereinstimmung mit dem Messsignal. Eine Stromversorgung mit galvanischer Trennung ist mit dem Zwei-Leiter-Schaltkreis und dem Steuersystem verbunden, um den Zwei-Leiter-Schaltkreis vom Steuersystem zu trennen. Die Stromversorgung empfängt Strom von der Zwei-Leiter-Prozessschleife und leitet dem Steuersystem Strom zu. Die Stromversorgung umfasst einen Spannungsregler, der Schleifenstrom empfängt und eine geregelte Ausgangsspannung entwickelt. Ein Stromumschalter empfängt die geregelte Ausgangsspannung und treibt eine Primärseite eines Transformators an. Eine Sekundärseite des Transformators ist mit dem Steuersystem gekoppelt. Eine Spannungsänderungssteuerung enthält einen Isolatorschaltkreis, der vom Steuersystem zum Steuern von Spannung angetrieben wird, die durch den Spannungsregler zugeleitet wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Nicht zutreffend.
STAATLICH GEFÖRDERTE FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Nicht zutreffend.
MICROFICHE/URHEBERRECHTSBEZUG
Nicht zutreffend.
GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf Prozesssteuerinstrumente und insbesondere auf ein Messinstrument mit galvanischer Trennung.
STAND DER TECHNIK
Prozesssteuersysteme benötigen die genaue Messung von Prozessvariablen. Typischerweise erfasst ein Sensor in der Form eines Primärelements den Wert einer Prozessvariable und ein Messwertgeber entwickelt einen Ausgang mit einem Wert, der als eine Funktion der Prozessvariable variiert. Zum Beispiel enthält ein Füllstandgeber ein Primärelement zum Erfassen eines Füllstands und einen Schaltkreis zum Entwickeln eines elektrischen Signals, das einen erfassten Füllstand darstellt.
Kenntnis eines Füllstands in Industrieprozesstanks oder Kesseln wird seit langem zur Sicherheit und für kosteneffizienten Betrieb von Fabrikanlagen benötigt. Es gibt viele Technologien zum Vornehmen von Füllstandmessungen. Diese enthalten Auftrieb, Kapazität, Ultraschall und Mikrowellenradar, um nur einige zu nennen.
In einer Form gibt ein Luftschnittstellen-Messinstrument, wie ein Mikrowellenradarfüllstandgeber, ein Radarsignal aus, das von einer Flüssigkeit oder anderen Oberfläche reflektiert wird, und das Instrument misst Flugzeit zwischen Aussenden und Empfangen des Radarsignals. Elektrische Energie wird von einem Ausgabeelement in eine elektromagnetische Welle umgewandelt. Die Welle breitet sich durch freien Raum aus.
Ein Zweidraht-Messwertgeber enthält zwei Anschlüsse, die mit einer fernen Stromversorgung verbunden sind. Der Messwertgeberschleifenstrom, der von der Stromversorgung bezogen wird, ist proportional zur Prozessvariable. Ein typisches Instrument arbeitet mit einer 24 Volt Gleichstromversorgung und variiert den Signalstrom in der Schleife zwischen 4 und 20 Milliampere (mA) Gleichstrom. Daher muss das Instrument mit Strom von weniger als 4 Milliampere arbeiten.
Während fortlaufend Schwachstromschaltkreise entwickelt werden, gibt es anderen steigenden Bedarf an Arbeitsleistungskapazitäten der Prozesssteuerinstrumente. Zum Beispiel wird mit einem Radarfüllstandmessgerät die Arbeitsleistung des Instruments durch leistungsstärkere Digitalsignalverarbeitungstechniken verbessert, die von einem Mikroprozessor angetrieben werden. Zusätzlich zum Mikroprozessor gibt es einige andere Schaltkreise, wie den Radarsendeempfänger, der elektrische Strom benötigt. Um erfolgreich zu sein, muss das Instrument optimale Verarbeitungskapazität und -geschwindigkeit nutzen. Dies bedeutet, maximalen Strom aus der Schleife schöpfen, die für elektronische Geräte verfügbar ist, und diesen effizient zu nutzen.
In jüngster Zeit haben die schleifenbetriebenen Instrumente digitale Kommunikationen genutzt. In Normalbetrieb muss das Instrument 4 mA bis 20 mA Schleifenströme erlauben, während Digitalsignale immer noch über Modulation des Schleifenstroms kommuniziert werden. Schleifenströme von nur 3,6 mA oder bis zu 22 mA werden erlaubt, wenn der Messwertgeber eine Fehlerbedingung erfasst. Dies bedeutet, dass der beim Eingang zur Schaltstromversorgung verfügbare Strom, der den gesamten Messwertgeber antreibt, auf einer Eingangsspannung zur Schaltstromversorgung und dem nominalen Schleifenstrom basiert. Jedoch wird der tatsächlich verfügbare Strom auch auf der Effizienz der Schaltstromversorgung basieren. Zusätzlich ist es nötig, hohe Eingangsimpedanz für Digitalkommunikationen beizubehalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lösung eines oder mehrerer der vorstehend besprochenen Probleme auf eine neue und einfache Weise.
KURZDARSTELLUNG
Wie hierin beschrieben, verwendet ein schleifenbeschriebenes Instrument einen galvanischen Trennungsschaltkreis, während ein niedrigerer minimaler Strom zur Einheit beibehalten wird, der eine niedrigere minimale Versorgungsspannung zur Einheit erlaubt.
Weitgehend ist ein schleifenbetriebenes Prozessinstrument offenbart, das ein Steuersystem umfasst, das eine Prozessvariable misst und ein Messsignal entwickelt, das die Prozessvariable darstellt. Ein Zwei-Leiter (Engl: two-wire)-Schaltkreis zur Verbindung mit einer fernen Stromquelle, die eine Zwei-Leiter-Prozessschleife nutzt, steuert Strom auf der Schleife in Übereinstimmung mit dem Messsignal. Eine Stromversorgung mit galvanischer Trennung ist mit dem Zwei-Leiter-Schaltkreis und dem Steuersystem verbunden, um den Zwei-Leiter-Schaltkreis vom Steuersystem abzuschirmen. Die Stromversorgung empfängt Strom von der Zwei-Leiter-Prozessschleife und leitet dem Steuersystem Strom zu. Die Stromversorgung umfasst einen Spannungsregler, der Schleifenstrom empfängt und eine geregelte Ausgangsspannung entwickelt. Ein Stromumschalter empfängt die geregelte Ausgangsspannung und treibt eine Primärseite eines Transformators an. Eine Sekundärseite des Transformators ist mit dem Steuersystem gekoppelt. Eine Spannungsänderungssteuerung enthält einen Trennschaltkreis, der vom Steuersystem zum Steuern von Spannung, die vom Spannungsregler zugeleitet wird, angetrieben wird.
Es ist ein Merkmal, dass der Spannungsänderungssteuerschaltkreis die Spannung des Spannungsreglers auf einen höheren Wert bei niedrigeren Strompegeln und auf einen niedrigeren Wert bei höheren Strompegeln ändert.
Es ist ein anderes Merkmal, dass der Trennschaltkreis einen optischen Koppler umfasst, der vom Steuersystem gesteuert wird.
Es ist ein weiteres Merkmal, dass die Spannung, die durch den Spannungsregler zugeleitet wird, durch mehrere Spannungsreferenzgeräte eingestellt wird und der Spannungsänderungssteuerschaltkreis einen optischen Koppler umfasst, der vom Steuersystem gesteuert wird, um die Spannung selektiv zu ändern.
Es ist ein weiteres Merkmal, dass die Spannung, die durch den Spannungsregler zugeleitet wird, von mehreren Spannungsreferenzgeräten eingestellt wird und der Spannungsänderungssteuerschaltkreis mehrere optische Koppler umfasst, die vom Steuersystem gesteuert werden, um die Spannung selektiv zu ändern.
Es ist ein zusätzliches Merkmal, dass der Stromumschalter einen 1-zu-1 Strom über den Transformator umwandelt. Der Stromumschalter kann einen schaltenden Oszillator des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltkreises umfassen und der Oszillator treibt die Primärseite des Transformators an. Die Schaltfrequenz des Schaltoszillators kann ungefähr 150 kHz sein, um Kommunikationssignale niedrigerer Frequenz weiterzuleiten.
Es ist noch ein anderes Merkmal, dass das Steuersystem Schleifenstrom auf der Sekundärseite des Transformators steuert.
Es ist noch ein anderes Merkmal, ein Doppelfach-Gehäuse bereitzustellen, und der Zwei-Leiter-Schaltkreis und die Stromversorgung befinden sich in einem explosionssicheren Abteil des Gehäuses und das Steuersystem befindet sich in einem eigensicheren Fach des Gehäuses.
Gemäß einem anderen Aspekt ist ein Zweidraht-Messwertgeber offenbart, der ein Doppelfach-Gehäuse umfasst, das ein Verdrahtungsfach und ein Steuerfach definiert. Ein Steuersystem im Steuerfach enthält einen Signalverarbeitungsschaltkreis, der eine Prozessvariable misst und ein Messsignal entwickelt, das die Prozessvariable darstellt. Ein Zwei-Leiter-Schaltkreis und eine Stromversorgung befinden sich im Verdrahtungsfach. Der Zwei-Leiter-Schaltkreis dient zur Verbindung mit einer fernen Stromquelle, unter Verwendung einer Zwei-Leiter-Prozessschleife, zum Steuern von Strom auf der Schleife in Übereinstimmung mit dem Messsignal. Die Stromversorgung ist mit dem Zwei-Leiter-Schaltkreis und dem Steuersystem verbunden, um den Zwei-Leiter-Schaltkreis vom Steuersystem zu trennen. Die Stromversorgung empfängt Strom von der Zwei-Leiter-Prozessschleife und leitet dem Steuersystem Strom zu. Die Stromversorgung umfasst einen Spannungsregler, der Schleifenstrom empfängt und eine geregelte Ausgangsspannung entwickelt. Ein Stromumschalter empfängt die geregelte Ausgangsspannung und treibt eine Primärseite eines Transformators an. Eine Sekundärseite des Transformators ist mit dem Steuersystem gekoppelt. Eine Spannungsänderungssteuerung enthält einen Trennschaltkreis, der vom Steuersystem zum Steuern von Spannung, die durch den Spannungsregler zugeleitet wird, angetrieben wird.
Andere Merkmale und Vorteile werden aus einer Betrachtung der gesamten Patentschrift, einschließlich der Zeichnungen und Ansprüche ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine Seitenansicht eines Luftschnittstellenmessinstruments, enthaltend eine galvanische Trennung gemäß der Erfindung;
2 ist eine Seitenansicht, ähnlich 1, mit einem Doppelfach-Steuergehäuse, separat von einem Primärelement;
3 ist eine Seitenabschnittansicht des Doppelfach-Steuergehäuses;
4 ist ein Blockdiagramm, das die Beziehung zwischen Platinen im Doppelfach-Steuergehäuse von 3 veranschaulicht;
5 ist ein Blockdiagramm der Schaltungen;
6 ist ein Blockdiagramm eines Stromversorgungsschaltkreises gemäß einem Aspekt der Erfindung; und
7 ist ein Blockdiagramm einer Stromversorgung gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In Bezug auf 1 und 2 wird ein Prozesssteuerinstrument 10, auch als ein Zweidraht-Messwertgeber bezeichnet, gemäß der Erfindung veranschaulicht. Das Prozesssteuerinstrument 10 verwendet Mikroleistungsimpulsradar (Micropower Impuls Radar, MIR) in Verbindung mit Äquivalente Zeitabtastungs- (Equivalent Time Sampling, ETS) und Ultrabreitband- (Ultra-Wideband, UWB) Sendeempfängern zum Messen eines Füllstands unter Verwendung von Zeitdomänenreflektometrie (Time Domain Reflecometry, TDR). Insbesondere verwendet das Instrument 10 Luftschnittstellenradar zum Erfassen eines Füllstands. Während die hierin beschriebenen Ausführungsformen sich auf eine MIR-Füllstanderfassungsvorrichtung beziehen, können verschiedene Aspekte der Erfindung mit anderen Typen von Prozesssteuerinstrumenten zum Messen verschiedener Prozessparameter, wie einem Entfernungsmesser, verwendet werden, wie für den Fachkundigen ersichtlich wird.
Das Prozesssteuerinstrument 10 enthält ein Steuergehäuse 12 und einen Sensor oder ein Primärelement 14. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Primärelement 14 eine Antenne.
Die Antenne 14 enthält einen Prozessadapter 16 zur Verbindung mit dem Gehäuse 12. Der Prozessadapter 16 ist an einem Prozesskessel V, siehe 1, unter Verwendung eines Flansches 18 montiert. Der Prozessadapter 16 kann an den Flansch 18 geschraubt oder geschweißt sein. Alternativ kann der Prozessadapter 16 direkt in eine Öffnung des Prozesskessels V geschraubt sein.
Das Instrument 10 verwendet Impulsradartechnologie mit ETS-Schaltungen. Kurze Schübe von Mikrowellenenergie werden ausgestrahlt und nachfolgend von einer Oberfläche reflektiert. Der Abstand ist durch die Gleichung berechnet. $D = (Geschwindigkeit einer EM-Ausbreitung) * Laufzeit (Umlauf) / 2.$
Füllstand wird dann durch Anwenden eines Tankhöhenwerts berechnet. ETS wird verwendet, um die Hochgeschwindigkeits-, elektromagnetische (EM) Schwachstromenergie zu messen. Die EM- Hochgeschwindigkeitsenergie (1.000 ft/µs) ist über kurze Strecken und bei den in der Prozesssteuerindustrie benötigen Auflösungen schwierig zu messen. ETS nimmt die EM Signale in Echtzeit (Nanosekunden) auf und rekonstruiert sie in äquivalenter Zeit (Millisekunden), was viel leichter zu messen ist. ETS wird durch Abtasten des Tanks bewerkstelligt, um tausende Abtastungen zu sammeln. Das Umlaufereignis auf einem 65 ft. Tank beansprucht in Echtzeit nur 133 Nanosekunden. Nachdem es in äquivalenter Zeit rekonstruiert ist, beträgt es 200 Millisekunden.
Das Luftschnittstellenradarfüllstandmessinstrument 10 gibt ein Radarsignal aus, das von einer Flüssigkeit oder anderen Oberfläche reflektiert wird, und misst Flugzeit zwischen Aussenden und Empfangen des Radarsignals. Elektrische Energie wird in eine elektromagnetische Welle vom Startelement umgewandelt, die sich durch freien Raum ausbreitet. Das System betreibt ein Signal um 26 GHz.
In Bezug auf 3 umfasst das Steuerungsgehäuse 12 ein Doppelfach-Gehäuse, das eine Basis 22 enthält, die ein explosionssicheres Verdrahtungsfach 24 und ein eigensicheres Steuerungsfach 26 definiert, die über einen Durchlass 28 verbunden sind. Eine erste Abdeckung 30 umschließt das Verdrahtungsfach 24. Eine zweite Abdeckung 32 umschließt das Steuerungsfach 26. Das Verdrahtungsfach 24 beherbergt eine Verdrahtungsplatte 34 und eine galvanische Transformatorplatte 35, siehe 4, zum Verbinden mit einer fernen Stromquelle und die nötigen Schnittstellenschaltungen enthaltend. Diese Schaltungen sind in Kommunikation mit einer digitalen PC-Platte 36 und einer analogen PC-Platte 38 im Steuerungsfach 26. Die digitale PC-Platte 36 enthält einen Mikroprozessor zum Steuern von Funktionalität des gesamten Instruments. Die analoge PC-Platte 38 enthält Signalverarbeitungsschaltungen, die ein Funkfrequenz (Radio Frequency, RF) Modul 40 antreiben und weiter das Rückkehrsignal vom RF-Modul 40 verarbeiten. das RF-Modul 40 ist in Kommunikation mit der Antenne 14, wie unterhalb beschrieben. Eine Anzeige/Tastenfeld-PC-Platte 42 ist mit der digitalen PC-Platte 36 verbunden und ist durch die zweite Abdeckung 32 sichtbar und durch deren Entfernen zugänglich.
Die Form des Gehäuses 12 und die Schaltkreise darin sind nur beispielhaft veranschaulicht und beschrieben. Die Erfindung betrifft insbesondere eine galvanische Trennung, wie unterhalb beschrieben.
Das RF-Modul 40 hat eine Platine 44 mit einem herkömmlichen Startelement. In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst das Startelement elektromagnetische Strahlungselemente, die leitfähige Spuren sind, die auf der Platine 44 gebildet sind. Das Startelement erzeugt und empfängt ein Hochfrequenzsignal zur Füllstandmessung.
Ein luftgefüllter Antennenhohlleiter 46 ist dichtend an dem Steuerungsgehäuse 12 montiert und mit dem Startelement auf der Platine 44 ausgerichtet. Daher arbeitet das Startelement mit dem Hohlleiter 46 und einer Hohlleiterkappe 47 zusammen, um das Startsignal zur Antenne 14 zu erzeugen, wie bekannt ist. Der luftgefüllte Hohlleiter 46 ist angepasst, im K-3 Band zu arbeiten.
Der Antennenhohlleiter 46 ist von einem Schnellverbindungskoppler 48 zum Zusammenfügen mit einem entsprechenden Schnellverbindungskoppler 49 auf der Antenne 14 umgeben, siehe 2. Dies stellt eine Schnellverbindungs-/Lösungskopplung bereit, die dem Kessel V erlaubt, bei Entfernung des Steuerungsgehäuses 12 abgedichtet zu bleiben.
Während diese Anmeldung die galvanische Trennung in Verbindung mit einem Luftschnittstellen-Radarfüllstandmesswertgeber beschreibt, können diese Schaltungen mit Prozesssteuerinstrumenten zum Messen anderer Parameter und Verwenden anderer Technologien, enthaltend zum Beispiel Wellenleiterradar, Kapazität und dergleichen, verwendet werden.
Die Anzeige/Tastenfeld-PC-Platte 42 stellt eine Anwenderschnittstelle zum Eingeben von Parametern mit einem Tastenfeld und Anzeigen von Anwender- und Statusinformationen bereit. Die digitale PC-Platte 36 würde eine herkömmliche Mikrosteuerung und einen Speicher enthalten. Der Speicher kann sowohl nichtflüchtigen Speicher zum Speichern von Programmen und Kalibrierungsparametern als auch flüchtigen Speicher, der während Füllstandmessungen verwendet wird, enthalten. Die digitale PC-Platte ist auch durch die galvanische Transformatorplatte 35 mit der Verdrahtungsplatte 34 zum Verbinden einer fernen und externen Stromquelle über eine Zwei-Leiter-Schleife verbunden. Die Zwei-Leiter-Verbindung wird verwendet, um Füllstandinformationen zu kommunizieren, wie wohlbekannt ist. Die Transformatorplatte 35 enthält Stromversorgung und andere Schaltungen.
Wie unterhalb ausführlicher beschrieben, nehmen die Schaltkreise im Verdrahtungsfach 24 Versorgungsspannung bei Eingangsanschlüssen TB1 vom Kunden an und stellen Strom durch eine galvanisch getrennte Barriere zum Abgleichelement der Einheit 10 bereit. Die galvanische Trennung ist deswegen wichtig, weil sie der Einheit erlaubt, als explosionssicher im Verdrahtungsfach 24 und eigensicher (IS) im Steuerungsfach 26 zu arbeiten, während sie kein besonders IS Erdungskabel benötigt. Kommunikationssignale wie zum Beispiel HART, Feldbus oder Profibus, oder andere müssen sauber durch die Schaltkreise durchgehen.
In Bezug auf 5 veranschaulicht ein Blockdiagramm die Schaltungen in den Verdrahtungsfächern 24, die einen Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 und eine Stromversorgung 52 enthalten. Der Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 dient zur Verbindung mit einer fernen Stromquelle unter Verwendung einer Zwei-Leiter-Prozessschleife, wie sie bekannt ist, zum Steuern von Strom auf der Schleife in Übereinstimmung mit einem Messsignal von einem Steuersystem 54, das die Schaltungen im eigensicheren Steuerungsfach 26 umfasst. Die Stromversorgung 52 hat eine galvanische Trennungsbarriere und ist zwischen dem Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 und dem Steuersystem 54 verbunden, um den Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 vom Steuersystem 54 zu trennen. Die Stromversorgung 52 empfängt Strom von der Zwei-Leiter-Prozessschleife und leitet dem Steuersystem 54 Strom zu.
Der Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 umfasst einen Zwei-Leiter-Eingangsblock 56 und einen Eingangsfilterschaltkreisblock 58. Der Zwei-Leiter-Eingangsblock 56 stellt den Kundeneingang zur Einheit beim Anschlussblock TB1 bereit, siehe 4. Dies ist die Anwenderverbindung mit dem Instrument 10. Der Anwender muss geeigneten Strom bereitstellen und die Einheit wird Schleifenstrom basierend auf dem Füllstand im Prozess entnehmen, wie er vom Steuersystem 54 gemessen wird. Typisch für die meisten Zwei-Leiter-Instrumente wird diese Einheit 4 mA bis 20 mA entnehmen, basierend auf dem gemessenen Füllstand im Prozess.
Der Eingangsfilterschaltkreisblock 58 enthält Standardfilterschaltkreise, die verhindern, dass Rauschen tiefer in die Einheit 10 eindringt, wo es Schaden an der Einheit 10 verursachen oder normalen Betrieb korrumpieren könnte.
Die Stromversorgung 52 ist auf der galvanischen Transformatorplatte 35, siehe 4. Die Stromversorgung 52 umfasst einen linearen Spannungsregler 60. Die Spannung wird durch Spannungsreferenz-Zenerdioden, die nachstehend beschrieben werden, eingestellt und kann durch das Steuerungssystem 54 unter Verwendung einer Spannungsänderungssteuerung 62, die auch nachstehend beschrieben wird, unter Verwendung eines optischen Kopplers, auch als ein Optokoppler bezeichnet, geändert werden. Der Spannungsregler 60 lässt die Eingangsimpedanz zu den digitalen Kommunikationssignalen hoch erscheinen. Die Spannung des Spannungsreglers 60 muss niedriger sein als die Anschlussspannung zur Transformatorplatte 35. Jedoch muss die Reglerspannung hoch genug sein, um der Einheit 10 ausreichend Strom zuzuleiten, damit diese ordentlich arbeitet. Der Spannungsregler 60 hilft auch, Rauschen bei den Anschlüssen TB1 zu eliminieren, das durch die Schaltkreise tiefer in der Einheit 10 verursacht wird. Die Spannungsänderung der Reglerspannung, wie unterhalb beschrieben, ist wichtig, um hohe Eingangsimpedanz über die Spanne von Schleifenstrom beizubehalten, der durch den Schaltkreis gehen muss. Wie unterhalb beschrieben, ist die Spannungsänderung der primären Spannung keine geschlossene Schleifensteuerung der Spannung über eine galvanische Trennungsbarriere.
Der Spannungsregler 60 leitet EMI-Filterschaltkreisen 64, die elektromagnetische Interferenz filtern, geregelte Spannung zu. Ein Schalterschaltkreisblock 66 ist zwischen dem EMI-Filterschaltkreis 64 und einem galvanischen Trennungsblock 68 verbunden, der einen Gleichstrom-Gleichstrom-Transformator 70 enthält. Der Schalterschaltkreis 66 ist der schaltende Oszillator eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltkreises. Der Oszillator treibt die Primärseite des Gleichstrom-Gleichstrom-Transformators 70 an. Der Oszillator läuft frei, sodass, wann immer der Platte Strom zugeleitet wird, der Schalter oszilliert. Die Frequenz dieses schaltenden Oszillators muss ausreichend hoch sein, wie zum Beipsiel ungefähr 150 kHz, um den niedrigeren Frequenzkommunikationssignalen zu erlauben, sauber durch den Schaltkreis durchgeleitet zu werden. Es ist auch das Ziel des gesamten Schaltkreises, dass sich der Sekundärstrom des Transformators 70 gut mit dem Primärstrom deckt. Die gute Übereinstimmung des Stroms erlaubt der Schleifensteuerung auf der Sekundärseite des Transformators 70 ausgeführt zu werden und trotzdem fest mit der Primärseite und daher den Anwenderanschlüssen TB1 gekoppelt zu sein. Die Stromübertragung ist der kritische Parameter, der durch diese Schaltkreise beibehalten werden muss. Die Stromschleifensteuerung, 4 mA bis 20 mA, findet in den Sekundärschaltkreisen über das Steuersystem 54 statt.
Der galvanische Trennungsblock 68 verwendet den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 70 als die Primärkomponente. Um eine ordentliche Trennung sicherzustellen, muss dieser Transformator70 einige spezifische IS-Sicherheitsanforderungen erfüllen. Der Transformator muss hohe Trennungsspannungsanforderungen erfüllen und ordentliche Kriechstrecken- und Sicherheitsabstandsbedingungen sicherstellen. Der galvanische Trennungsschaltkreis 68 muss fähig sein, das strommodulierte Signal ohne Verzerrung an die Anwenderschlüsse TB1 weitergeben.
Die Sekundärseite des galvanischen Trennungsblocks 68 ist mit einem Gleichrichterschaltkreis 72 verbunden, um eine Gleichstromspannung bereitzustellen. Das Ergebnis ist eine Gleichstromversorgungsspannung, die lose vom Spannungsregler 60 gesteuert wird, aber dicht am Schleifenstrom entlanggeht. Ein Ausgangsfilterschaltkreisblock 74 empfängt die gleichgerichtete Gleichstromspannung und enthält einen Tiefpassfilter, um die Schalterränder zu unterdrücken. Die resultierende Gleichstromspannung darf kein Schaltfrequenzrauschen haben, die den Betrieb der Einheit 10 stören könnte. Ein Sicherheitsbegrenzungsschaltkreis 76 begrenzt den Pegel der Versorgungsgleichstromspannung an das Steuersystem 54. Das Steuersystem 54 umfasst das Abgleichelement der Zweidraht-Messwertgeberschaltungen, das im eigensicheren Fach 26 beinhaltet sind.
Die Stromversorgung 52 enthält auch einen Kommunikationsumgehungspfadblock 78, der Kommunikationssignalen, wie HART, Feldbus, Profibus oder dergleichen erlaubt, den galvanischen Trennungsschaltkreis 68 zu umgehen.
In Bezug auf 6 ist die Stromversorgung 52 detaillierter veranschaulicht. Die Spannungsänderungssteuerung 62 umfasst Spannungsreferenzgeräte in der Form von in Serie verbundenen Zenerdioden D1 und D2, die mit dem Spannungsregler 60 verbunden sind, um die Versorgungsspannung einzustellen, die vom Spannungsregler 60 bei einem V-PRIMARY gekennzeichneten Ausgang zugeleitet wird. Die Spannungsänderungssteuerung 62 enthält einen optischen Koppler U1, der einen Isolatorschaltkreis definiert, der vom Steuersystem 54 gesteuert wird und über die zweite Diode D2 verbunden ist. Die Diode D1 stellt eine Spannungsreferenz V1 bereit. Die Diode D2 stellt eine Spannungsreferenz V2 bereit. Die Spannungsreglerausgangsspannung V-PRIMARY ist gleich V1 plus V2 mit dem optischen Koppler U1 ausgeschaltet und gleich V1, wenn der optische Koppler U1 eingeschaltet ist, da der optische Koppler U1 einen Kurzschluss über die zweite Zenerdiode D2 bereitstellt. Daher erlaubt der optische Koppler U1 dem V-Primary Pegel, durch das Steuersystem 54 verschoben zu werden, was in einer Änderung von positiver zu negativer Spannung vom Sicherheitsgrenzschaltkreis 76 resultiert, der dem Steuersystem 54 bereitgestellt ist. Dies erfolgt, während eine galvanische Trennungsbarriere, die durch eine Linie 80 dargestellt ist, zwischen dem Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 und dem Steuersystem 54 beibehalten wird.
In Bezug auf 7 ist eine Stromversorgung 52` veranschaulicht, die vier Pegel von Spannung V-PRIMARY bereitstellt. In diesem Fall umfasst die Spannungsänderungsteuerung 62' Spannungsreferenzgeräte in der Form von drei in Serie verbundenen Zenerdioden D1, D2 und D3, die mit dem Spannungsregler 60 verbunden sind. Der Isolatorschaltkreis umfasst zwei optische Koppler OPTO1 und OPTO2, die vom Steuersystem 54 gesteuert werden. Der erste optische Koppler OPTO1 ist über die Zenerdiode D3 verbunden. Der zweite optische Koppler OPTO2 ist über die zweite Zenerdiode D2 verbunden. Die erste Zenerdiode D1 stellt eine Spannungsreferenz V1 bereit. Die zweite Zenerdiode D2 stellt eine Spannungsreferenz V2 bereit. Die dritte Zenerdiode D3 stellt eine Spannungsreferenz V3 bereit. Mit diesen Schaltungen ist das Steuersystem 54 programmiert, den Pegel der V-PRIMARY Spannung selektiv zu ändern, sodass dieser gleich V1 plus V2 plus V3 ist, mit sowohl OPTO1 als auch OPTO2 ausgeschalten; gleich V1 plus V2 ist, wenn OPTO1 eingeschaltet ist; gleich V1 plus V3 ist, wenn OPTO2 eingeschaltet ist; und V1 ist, wenn sowohl OPTO1 als auch OPTO2 eingeschaltet sind.
Das beschriebene System ist ein explosionssicheres Prozesssteuerinstrument, das eine galvanische Trennungsstromversorgung 52 enthält. Die Stromversorgung 52 enthält einen Spannungsregler 60, der den Umschalter 66 speist, der eins-zu-eins Strom über den Transformator 70 umwandelt. Die galvanische Verdrahtungsplatte 34 ist immer noch ein 4 bis 20 mA Zwei-Leiter-Ausgangsgerät; jedoch ist die Spannung vom Spannungsregler 60, der den Schalterschaltkreis 66 speist, fixiert. Letztendlich wird die digitale PC-Platte 36 auch eine minimale Menge an Spannung nehmen, um angemessen zu laufen. Eine andere Begrenzung des Schaltkreis ist, dass die Doppelleistungsquelle typischerweise immer einen seriellen Eingangswiderstand für entweder DAC oder HART Kommunikation hat. Wenn Strom steigt, steigt der Spannungsabfall über den Doppelwiderstand, was die verfügbare Spannung für das Instrument senkt. Die Spannung beim Anschlussblock TB1, nach Zwei-Leiterwiderstand, muss über dem fixierten Spannungsreglerwert der Stromversorgung 52 liegen. Deshalb muss ein großer minimaler Spannungswert an die Einheit spezifiziert werden, falls die Einheit große Strommengen mit einem größeren seriellen Widerstand auf der Zwei-Leiter-Schleife entnimmt.
Die Stromversorgung 52 stellt eine gesteuerte Spannungspegeländerung des fixierten Spannungsreglers 60 bereit. Daher steuert die digitale PC-Platte 36 die Spannungsänderungssteuerung 62. Falls Schleifenstrom über einem ausgewählten Wert ist, dann wird der Spannungsregler 60 auf einen niedrigeren Wert geändert, während bei niedrigeren Schleifenstromwerten unter dem ausgewählten Pegel der Spannungsregler 60 auf einen höheren Wert geändert wird. Der gesamte Effekt ist, einen niedrigeren minimalen Strom zur Einheit beizubehalten, was eine niedrigere minimale Stromversorgungsspannung an die Einheit erlaubt. Niedrigere Spannung bei höheren Schleifenströmen zu erlauben, wird niedrigere Einschaltspannung an die Einheit erlauben und somit den sicheren Betriebsbereich dadurch verbessern, höheren Schleifenwiderstand bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung zu erlauben.
Ähnlich steuert mit der Stromversorgung 52 die digitale PC-Platte 36 die Spannungsänderungssteuerung 62, um eine schrittweise höhere Spannung bei niedrigeren Stromwerten bereitzustellen, die basierend auf Referenzspannungen ausgewählt werden können, die durch Zenerdioden-Spannungspegel eingestellt werden, wie ersichtlich werden wird. Insbesondere wird die digitale PC-Platte 36 programmiert, die optischen Koppler OPTO1 und OPTO2 selektiv ein oder auszuschalten, basierend darauf, dass Schleifenstrom über oder unterhalb von drei ausgewählten Pegeln ist.
Daher verwenden die beschriebenen Schaltkreise zwei Spannungsänderungspegel in einem Aspekt und vier Spannungsänderungspegel in einem anderen. Jedoch können andere Steuerungen verwendet werden, um mehrere Spannungspegel zu erlauben. Dies könnte durch Verwendung zusätzlicher optischer Koppler und anderer Schaltungen erfolgen, wie ersichtlich werden wird.
Wie besprochen, erfolgt die Steuerung der Spannungsänderung durch Steuerschaltungen auf der digitalen PC-Platte 36. Die Steuerfunktionalität für die Spannungsänderung kann ähnlich zu der in US Patent Nr. 9,714,861 spezifizierten sein, dessen Beschreibung zum Zweck der Bezugnahme hiermit zitiert ist.
Es wird für den Fachkundigen ersichtlich, dass es viele mögliche Modifikationen gibt, die an den spezifischen Formen der Merkmale und Komponenten der offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, während man im Wesen der hierin offenbarten Konzepte bleibt. Dementsprechend sollten keine Begrenzungen bei den spezifischen Formen der hierin offenbarten Ausführungsformen in die Ansprüche interpretiert werden, außer ausdrücklich in den Ansprüchen genannt. Obwohl einige Ausführungsformen vorstehend ausführlich beschrieben wurden, sind andere Modifikationen möglich. Andere Ausführungsformen können innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche liegen.
Die vorangehende Offenbarung spezifischer Ausführungsformen ist gedacht, die breiten Konzepte zu veranschaulichen, die von der Erfindung erfasst sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9714861 [0051]

Claims

Schleifenbetriebenes Prozesssteuerinstrument, umfassend ein Steuersystem, das eine Prozessvariable misst und ein Messignal entwickelt, das die Prozessvariable darstellt; einen Zwei-Leiter-Schaltkreis zur Verbindung mit einer fernen Stromquelle, unter Verwendung einer Zwei-Leiter-Prozessschleife zum Steuern von Strom auf der Schleife in Übereinstimmung mit dem Messignal; und eine Stromversorgung mit galvanischer Trennung, die mit dem Zwei-Leiter-Schaltkreis und dem Steuersystem verbunden ist, um den Zwei-Leiter-Schaltkreis vom Steuersystem zu trennen, um Strom von der Zwei-Leiter-Prozessschleife zu empfangen und dem Steuersystem Strom zuzuleiten, wobei die Stromversorgung einen Spannungsregler, der Schleifenstrom empfängt und eine geregelte Ausgangsspannung entwickelt, einen Stromumschalter, der die geregelte Ausgangsspannung empfängt und eine Primärseite eines Transformators antreibt, während eine Sekundärseite des Transformators mit dem Steuersystem gekoppelt ist, und eine Spannungsänderungssteuerung, die einen Isolatorschaltkreis enthält, der vom Steuersystem zum Steuern von Spannung angetrieben wird, die durch den Spannungsregler zugeleitet wird, umfasst.
Schleifenbetriebenes Prozessinstrument nach Anspruch 1, wobei der Spannungsänderungssteuerschaltkreis die Spannungsreglerspannung auf einen höheren Wert bei niedrigeren Strompegeln und auf einen niedrigeren Wert bei höheren Strompegeln ändert.
Schleifenbetriebenes Prozessinstrument nach Anspruch 1, wobei der Isolatorschaltkreis einen optischen Koppler umfasst, der vom Steuersystem gesteuert wird.
Schleifenbetriebenes Prozessinstrument nach Anspruch 1, wobei die Spannung, die durch den Spannungsregler zugeleitet wird, durch mehrere Spannungsreferenzgeräte eingestellt ist und ein optischer Koppler, der vom Steuersystem gesteuert wird, selektiv die Spannung ändert.
Schleifenbetriebenes Prozessinstrument nach Anspruch 1, wobei die Spannung, die durch den Spannungsregler zugeleitet wird, durch mehrere Spannungsreferenzgeräte eingestellt ist und mehrere optische Koppler, die vom Steuersystem gesteuert werden, selektiv die Spannung ändern.
Schleifenbetriebenes Prozessinstrument nach Anspruch 1, wobei der Stromumschalter einen Eins-zu-Eins-Strom über den Transformator umwandelt.
Schleifenbetriebenes Prozessinstrument nach Anspruch 6, wobei der Stromumschalter einen Schaltoszillator eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltkreises umfasst und der Oszillator die Primärseite des Transformators antreibt.
Schleifenbetriebenes Prozessinstrument nach Anspruch 7, wobei Schaltfrequenz des Schaltoszillators ungefähr 150 kHz ist, um Kommunikationssignale niedrigerer Frequenz weiterzuleiten.
Schleifenbetriebenes Prozessinstrument nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem Schleifenstrom auf der Sekundärseite des Transformators steuert.
Schleifenbetriebenes Prozessinstrument nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Doppelfach-Gehäuse und der Zwei-Leiter-Schaltkreis und die Stromversorgung sind in einem explosionssicheren Fach des Gehäuses und das Steuersystem ist in einem eigensicheren Fach des Gehäuses.
Zweidraht-Sender, umfassend: ein Doppelfach-Gehäuse, das ein Verdrahtungsfach und ein Steuerfach definiert; ein Steuersystem im Steuerfach, das einen Signalverarbeitungsschaltkreis umfasst, der eine Prozessvariable misst und ein Messsignal entwickelt, das die Prozessvariable darstellt; und einen Zwei-Leiter-Schaltkreis und eine Stromversorgung im Verdrahtungsfach, wobei der Zwei-Leiter-Schaltkreis zur Verbindung mit einer fernen Stromquelle unter Verwendung einer Zwei-Leiter-Prozessschleife, zum Steuern von Strom auf der Schleife in Übereinstimmung mit dem Messsignal, wobei die Stromversorgung mit dem Zwei-Leiter-Schaltkreis und dem Steuersystem verbunden ist, um den Zwei-Leiter-Schaltkreis vom Steuersystem zu trennen, zum Empfangen von Strom von der Zwei-Leiter-Prozessschleife und Zuleiten von Strom an das Steuersystem dient, wobei die Stromversorgung einen Spannungsregler, der Schleifenstrom empfängt und eine geregelte Ausgangsspannung entwickelt, einen Stromumschalter, der die geregelte Ausgangsspannung empfängt und eine Primärseite eines Transformators antreibt, während eine Sekundärseite des Transformators mit dem Steuersystem gekoppelt ist, und eine Spannungsänderungssteuerung, die einen Isolatorschaltkreis enthält, der vom Steuersystem zum Steuern von Spannung angetrieben wird, die durch den Spannungsregler zugeleitet wird, umfasst.
Zweidraht-Sender nach Anspruch 11, wobei der Spannungsänderungssteuerschaltkreis die Spannungsreglerspannung auf einen höheren Wert bei niedrigeren Strompegeln und auf einen niedrigeren Wert bei höheren Strompegeln ändert.
Zweidraht- Sender nach Anspruch 11, wobei der Isolatorschaltkreis einen optischen Koppler umfasst, der vom Steuersystem gesteuert wird.
Zweidraht- Sender nach Anspruch 11, wobei die Spannung, die durch den Spannungsregler zugeleitet wird, durch mehrere Spannungsreferenzgeräte eingestellt wird und ein optischer Koppler, der vom Steuersystem gesteuert wird, selektiv die Spannung ändert.
Zweidraht- Sender nach Anspruch 11, wobei die Spannung, die durch den Spannungsregler zugeleitet wird, durch mehrere Spannungsreferenzgeräte eingestellt wird und mehrere optische Koppler, die vom Steuersystem gesteuert werden, selektiv die Spannung ändern.
Zweidraht- Sender nach Anspruch 11 wobei der Stromumschalter einen Eins-zu-Eins-Strom über den Transformator umwandelt.
Zweidraht- Sender nach Anspruch 16, wobei der Stromumschalter einen Schaltoszillator eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltkreises umfasst und der Oszillator die Primärseite des Transformators antreibt.
Zweidraht- Sender nach Anspruch 17, wobei Schaltfrequenz des Schaltoszillators ungefähr 150 kHz ist, um Kommunikationssignale niedrigerer Frequenz weiterzuleiten.
Zweidraht-Messwertgeber nach Anspruch 11, wobei das Steuersystem Schleifenstrom auf der Sekundärseite des Transformators steuert.
Zweidraht-Messwertgeber nach Anspruch 11, wobei das Verdrahtungsfach ein explosionssicheres Fach umfasst und das Steuerfach ein eigensicheres Fach umfasst.