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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
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Nicht zutreffend.
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BUNDESGEFÖRDERTE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
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Nicht zutreffend.
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MICROFICHE/COPYRIGHTVERWEIS
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Nicht zutreffend.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich auf Prozesssteuerinstrumente und genauer auf ein schleifenbetriebenes Instrument mit einem Kommunikations-Bypass-Schaltkreis.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Prozesssteuersysteme verlangen die genaue Bemessend von Prozessvariablen. Typischerweise erkennt ein Sensor in der Form eines Hauptelements den Wert einer Prozessvariable und ein Sender entwickelt eine Ausgabe, die einen Wert aufweist, der als Funktion der Prozessvariable variiert. Beispielsweise enthält ein Pegeltransmitter ein Hauptelement für die Erkennung des Pegels und einen Schaltkreis für die Entwicklung eines elektrischen Signals, das den erkannten Pegel darstellt.
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Wissen über die Pegel in industriellen Prozesstanks oder Behältern ist schon lange für sichere und kostengünstige Bedienung von Anlagen notwendig. Es gibt zahlreiche Technologien für die Durchführung von Pegelmessungen. Diese enthalten Auftrieb, Kapazität, Ultraschall- und Mikrowellenradar, um nur einige zu nennen.
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In einer Form startet ein Instrument zum Messen durch Luft, wie etwa ein Mikrowellenradarpegelsender, ein Radarsignal, das von einer Flüssigkeit oder einer anderen Fläche reflektiert, und das Instrument misst die Flugzeit zwischen der Übertragung und dem Empfang des Radarsignals. Elektrische Energie wird in von einem Startelement in eine elektromagnetische Welle umgewandelt. Die Welle setzt sich durch den freien Raum fort.
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Ein Zwei-Leiter (Engl: two-wire)-Sender enthält zwei Anschlüsse, die mit einer externen Stromversorgung verbunden sind. Der Senderschleifenstrom, der von der Stromversorgung gezogen wird, ist proportional zu der Prozessvariablen. Ein typisches Instrument läuft auf einer 24-Volt-GS-Stromversorgung und variiert den Signalstrom in der Schleife zwischen 4 und 20 Milliampere (mA) GS. So muss das Instrument mit einem Strom laufen, der weniger als 4 Milliampere beträgt.
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Während Schaltkreise mit weniger Leistung ständig entwickelt werden, gibt es andere zunehmende Forderungen an die Leistungsfähigkeiten der Prozesssteuerinstrumente. Beispielsweise wird bei einer Radarpegelmessvorrichtung die Leistung des Instruments durch leistungsstärkere Signalverarbeitungstechniken verbessert,. die durch einen Mikroprozessor getrieben werden. Neben dem Mikroprozessor gibt es mehrere andere Schaltkreise, wie etwa den Radartransceiver, die elektrische Energie benötigen. Um erfolgreich zu sein, muss das Instrument die optimale Verarbeitungsfähigkeit und -geschwindigkeit nutzen. Dies bedeutet, dass die maximale Energie aus der Schleife für die Elektronik bereitgestellt werden muss und diese effektiv zu verwenden ist.
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In neuerer Zeit haben die schleifenbetriebenen Instrumente digitale Kommunikation verwendet. Typische digitale Kommunikation verlässt sich auf Zweiwegekommunikationssignale. Die Kommunikation in eine typische Sensorvorrichtung erfolgt durch Spannungspegelmodulation. Die Kommunikation aus einer typischen Sensorvorrichtung erfolgt durch Modulation der Stromaufnahme der Einheit. Im normalen Betrieb muss das Instrument einen Schleifenstrom von 4 mA bis 20 mA erlauben, während es noch immer digitale Signale über die Modulation der Versorgungsspannung und des Schleifenstroms kommuniziert. Im normalen Betrieb ist es notwendig, einen hohen Widerstand für die digitale Kommunikation zu erhalten.
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In Anwendungen, in denen eine Vorrichtung Explosionssicherheitsanforderungen erfüllen muss, kann ein galvanischer Trennungsschaltkreis bereitgestellt sein. Ein solcher Trennungsschaltkreis kann jedoch ein Problem mit der Modulation der Versorgungsspannung verursachen. Digitale Kommunikation verlangt eine einen hohen Eingangswiderstand in das Pegelmessinstrument. Leider sind mit den galvanischen Trennungsschaltkreisen die kommunikationseingabespannungsmodulierten Signale nicht zuverlässig, wenn sie am Modem durch die traditionellen Stromleitungsanschlüsse des Instruments empfangen werden.
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Die vorliegende Erfindung ist auf die Lösung eines oder mehrerer der oben dargestellten Probleme auf eine neue und einfache Weise gerichtet.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Wie hierin beschrieben, verwendet ein schleifenbetriebenes Prozesssteuerinstrument einen Bypass-Schaltkreis für ein digitales Kommunikationseingabesignal, das an einer Stromversorgung vorbeiläuft.
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Breit gesprochen, wird ein schleifenbetriebenes Prozesssteuerinstrument offenbart, das ein Steuersystem umfasst, das einen Steuerschaltkreis, einen Modemschaltkreis und einen Schleifenausgabeschaltkreis umfasst. Der Steuerschaltkreis misst eine Prozessvariable und entwickelt ein Messsignal, das die Prozessvariable darstellt und enthält einen Schleifensteuerschaltkreis und einen Kommunikationsschaltkreis. Der Modemschaltkreis ist operativ mit dem Kommunikationsschaltkreis verbunden und enthält einen Modulations-Eingabeport und einen Modulations-Ausgabeport. Der Schleifenausgabeschaltkreis empfängt ein Messsignal von dem Schleifensteuerschaltkreis und ist mit dem Modulations-Eingabeport verbunden. Ein Zwei-Leiter-Schaltkreis dient der Verbindung mit einer externen Stromquelle unter Verwendung einer Zwei-Leiter-Prozessschleife. Eine Energieversorgung mit Abschirmung ist mit dem Zwei-Leiter-Schaltkreis und dem Schleifenausgabeschaltkreis verbunden, um den Zwei-Leiter-Schaltkreis von dem Steuersystem zu isolieren. Die Energieversorgung empfängt Energie von der Zwei-Leiter-Prozessschleife und liefert Energie an das Steuersystem und zieht dem Messsignal entsprechend Schleifenstrom auf der Zwei-Leiter-Prozessschleife, und stellt die Ausgabe auf dem Schleifenstrom bereit. Ein Bypass-Schaltkreis mit Abschirmung ist zwischen dem Zwei-Leiter-Schaltkreis und dem Modemschaltkreis-Modulations-Eingabeport verbunden, um modulierte Eingabesignale an den Modemschaltkreis bereitzustellen, der die Stromversorgung umgeht.
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Es ist ein Merkmal, dass der Bypass-Schaltkreis ein kommunikationseingabespannungsmoduliertes Signal von dem Zwei-Leiter-Schaltkreis empfängt.
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Es ist ein anderes Merkmal, dass der Bypass-Schaltkreis eine Reihe verbundener Hochspannungs-Isolationskondensatoren umfasst und einen hohen Eingangswiderstand aufrechterhält.
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Es ist ein anderes Merkmal, dass die Energieversorgung einen Spannungsregler umfasst, der Schleifenenergie empfängt und eine regulierte Ausgangsspannung entwickelt. Der Bypass-Schaltkreis ist vor dem Spannungsregler mit dem Zwei-Leiter-Schaltkreis verbunden.
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Es ist ein weiteres Merkmal, dass die Energieversorgung einen Transformator umfasst.
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Es ist ein weiteres Merkmal, dass der Modemschaltkreis das modulierte Eingabesignal empfängt und digitale Signale an den Steuerschaltkreis erzeugt.
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Es ist ein weiteres Merkmal, dass der Modemschaltkreis digitale Signale von dem Steuerschaltkreis empfängt und das modulierte Ausgabesignal erzeugt, um die Modulation auf dem Schleifenstrom auszulösen.
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Es ist ein weiteres Merkmal, dass der Steuerschaltkreis einen Mikrocontroller umfasst.
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Es ist noch ein weiteres Merkmal, dass der Modemschaltkreis ein Modem mit „Highway Addressable Remote Transducer“- (HART) Fähigkeiten umfasst.
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Es ist noch ein weiteres Merkmal, dass der Modemschaltkreis ein Feldbusmodem umfasst.
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Es ist nach einem anderen Aspekt ein Zwei-Leiter-Sender offenbart, der ein Doppelabteilungsgehäuse umfasst, das ein Verdrahtungsabteil und ein Steuerabteil definiert. Ein Steuersystem in dem Steuerabteil umfasst einen Steuerschaltkreis, einen Modemschaltkreis und einen Schleifenausgabeschaltkreis. Der Steuerschaltkreis misst eine Prozessvariable und entwickelt ein Messsignal, das die Prozessvariable darstellt und enthält einen Schleifensteuerschaltkreis und einen Kommunikationsschaltkreis. Der Modemschaltkreis ist operativ mit dem Kommunikationsschaltkreis verbunden und enthält einen Modulations-Eingabeport und einen Modulations-Ausgabeport. Der Schleifenausgabeschaltkreis empfängt ein Messsignal von dem Schleifensteuerschaltkreis und ist mit dem Modulations-Ausgabeport verbunden. Ein Zwei-Leiter-Schaltkreis und eine Energieversorgung befinden sich in dem Verdrahtungsabteil. Der Zwei-Leiter-Schaltkreis dient der Verbindung mit einer externen Stromquelle unter Verwendung einer Zwei-Leiter-Prozessschleife. Die Energieversorgung mit Abschirmung ist mit dem Zwei-Leiter-Schaltkreis und dem Schleifenausgabeschaltkreis verbunden, um den Zwei-Leiter-Schaltkreis von dem Steuersystem zu isolieren. Die Energieversorgung empfängt Energie von der Zwei-Leiter-Prozessschleife und liefert Energie an das Steuersystem und zieht dem Messsignal entsprechend Schleifenstrom auf der Zwei-Leiter-Prozessschleife, und stellt die Ausgabe auf einem Schleifenstrom bereit. Ein Bypass-Schaltkreis mit Abschirmung ist in dem Verdrahtungsabteil zwischen dem Zwei-Leiter-Schaltkreis und dem Modemschaltkreis-Modulations-Eingabeport verbunden, um modulierte Eingabesignale an den Modemschaltkreis bereitzustellen, der die Stromversorgung umgeht.
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Es ist ein Merkmal, dass das Verdrahtungsabteil ein explosionssicheres Abteil umfasst und das Steuerabteil ein eigensicheres Abteil umfasst.
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Andere Merkmale und Vorteile sind aus einer Überprüfung der gesamten Spezifikation, einschließlich der Zeichnungen und Ansprüche, offensichtlich.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Seitenansicht eines schleifenbetriebenen Prozesssteuerinstruments, das einen Bypass-Schaltkreis nach der Erfindung enthält;
- 2 ist eine Seitenansicht ähnlich 1, mit einem Doppelabteilungssteuerungsgehäuse, das von einem Hauptelement getrennt ist;
- 3 ist eine seitliche Schnittansicht des Doppelabteilungssteuerungsgehäuses;
- 4 ist ein Blockdiagramm, das die Beziehung zwischen Platinen in dem Doppelabteilungssteuergehäuse von 3 illustriert; und
- 5 ist ein Blockdiagramm der Schaltkreise des schleifenbetriebenen Prozesssteu eri nstru ments.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Mit Verweis auf 1 und 2 ist ein schleifenbetriebenes Prozesssteuerinstrument 10, auch als Zwei-Leiter-Sender, gemäß der Erfindung illustriert. Das Prozesssteuerinstrument 10 verwendet „Micro Power Impulse Radar“ (MIR) in Verbindung mit „Equivalent Time Sampling“ (ETS) und „Ultra-Wideband“-(UWB) Transceivern zum Messen eines Pegels unter Verwendung von Zeitdomänenreflektometrie (TDR). Insbesondere verwendet das Instrument 10 Luftradar zur Erkennung des Pegels. Während die hierin beschriebenen Ausführungsformen sich auf eine MIR-Pegelerkennungsvorrichtung beziehen, können verschiedene Aspekte der Erfindung mit anderen Typen von Prozesssteuerinstrumenten zum Messen verschiedener Prozessparameter verwendet werden, wie für einen Fachmann offensichtlich sein wird.
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Das Prozesssteuerinstrument 10 enthält ein Steuergehäuse 12 und einen Sensor oder ein Hauptelement 14. In einer illustrierten Ausführungsform ist das Hauptelement 14 eine Antenne.
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Die Antenne 14 enthält einen Prozessadapter 16 für den Anschluss an dem Gehäuse 12. Der Prozessadapter 16 ist unter Verwendung eines Flanschs 18 mit einem Prozessbehälter V gekoppelt, siehe 1. Der Prozessadapter 16 kann mit einem Gewinde oder mit Schweißen an dem Flansch 18 verbunden sein. Alternativ kann der Prozessadapter 16 direkt in eine Öffnung in dem Prozessbehälter V eingeführt werden.
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Das Instrument 10 verwendet Impuls-Burst-Radartechnologie mit ETS-Schaltkreisen. Kurze Bursts von Mikrowellenenergie werden ausgestoßen und nachfolgend von einer Fläche reflektiert. Die Distanz wird mit der folgenden Gleichung berechnet.
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D = (Geschwindigkeit der EM-Ausbreitung) * Übertragungszeit (hin und zurück)/2.
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Der Pegel wird dann berechnet, indem ein Tankhöhenwert angewendet wird. ETS wird verwendet, um die Energie mit hoher Geschwindigkeit und niedriger elektromagnetischer (EM) Energie zu messen. Die Hochgeschwindigkeits-EM-Energie (1.000 ft/µs) ist schwer über kurze Distanzen und mit der Auflösung zu messen, die in der Prozesssteuerungsindustrie verlangt wird. ETS erfasst die EM-Signale in Echtzeit (Nanosekunden) und rekonstruiert sie in äquivalenter Zeit (Millisekunden), was viel leichter zu messen ist. ETS wird erreicht, indem der Behälter gescannt wird, um tausende von Proben zu erfassen. Das Ereignis der Bewegung hin und zurück in einem 65-ft.-Tank dauert in Echtzeit nur 133 Nanosekunden. Nach der Rekonstruktion in äquivalenter Zeit misst es 200 Millisekunden.
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Das Radarpegelmessinstrument 10 durch Luft startet ein Radarsignal, das von einer Flüssigkeit oder einer anderen Fläche reflektiert, und misst die Flugzeit zwischen der Übertragung und dem Empfang des Radarsignals. Elektrische Energie wird in von einem Startelement in eine elektromagnetische Welle umgewandelt, die sich durch den freien Raum fortsetzt. Das System betreibt ein Signal um 26 GHz.
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Mit Verweis auf 3 umfasst das Steuergehäuse 12 ein Doppelabteilungsgehäuse, das eine Basis 22 enthält, die ein explosionssicheres Verdrahtungsabteil 24 und ein eigensicheres Steuerabteil 26 definiert, die durch eine Passage 28 verbunden sind. Eine erste Abdeckung 30 umschließt das Verdrahtungsabteil 24. Eine zweite Abdeckung 32 umschließt das Steuerabteil 26. Das Verdrahtungsabteil 24 beinhaltet eine Verdrahtungsplatine 34 und eine galvanische Transformatorplatine 35 zur Verbindung einer externen Stromquelle und einschließlich der notwendigen Schnittstellenschaltkreise. Diese Schaltkreise befinden sich in Kommunikation mit einer digitalen PC-Platine 36 und einer analogen PC-Platine 38 im Steuerabteil 26. Die digitale PC-Platine 36 enthält einen Mikroprozessor für die Steuerung der Funktion des allgemeinen Instruments. Die analoge PC-Platine 38 enthält Signalverarbeitungsschaltkreise, die ein Radiofrequenz- (RF) Modul 40 treiben und ferner das Rücklaufsignal von dem RF-Modul 40 verarbeiten. Das RF-Modul 40 befindet sich in Kommunikation mit der Antenne 14, wie unten beschrieben. Eine Anzeige/Tastenfeld-PC-Platine 42 ist mit der digitalen PC-Platine 36 verbunden, durch die zweite Abdeckung 32 zu sehen und nach deren Entfernung erreichbar.
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Die Form des Gehäuses 12 und der Schaltkreise darin sind nur beispielhaft illustriert. Die Erfindung ist speziell auf einen Kommunikationsbypass um eine Energieversorgung mit galvanischer Trennung gerichtet, wie nachfolgend beschrieben.
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Das RF-Modul 40 weist eine Platine 44 mit einem konventionellen Startelement auf. In der illustrierten Ausführungsform umfasst das Startelement elektromagnetische Abstrahlungselemente, die leitfähige Traces sind, die auf der Platine 44 designt sind. Der Startelement erzeugt und empfängt ein hochfrequentes Signal für den Messpegel.
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Ein luftgefüllter Antennenwellenleiter 46 ist dichtend an dem Steuergehäuse 12 montiert und an dem Startelement auf der Platine 44 ausgerichtet. So arbeitet das Startelement zusammen mit dem Wellenleiter 46 und einer Wellenleiterabdeckung 47 zum Erzeugen des Startsignals an die Antenne 14, wie bekannt ist. Der luftgefüllte Wellenleiter 46 ist angepasst, in dem K-Band zu funktionieren.
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Der Antennenwellenleiter 46 ist durch einen Schnellverbindungskoppler 48 umgeben, um in einen entsprechenden Schnellverbindungskoppler 49 auf der Antenne 14 einzugreifen, siehe 2. Dies stellt eine Koppelung für schnelle Verbindung/Trennung bereit, die es dem Behälter V erlaubt, bei Entfernung des Steuergehäuses 12 versiegelt zu bleiben.
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Während diese Anwendung den Bypass-Schaltkreis und die galvanische Trennung in Verbindung mit einem Radarpegelsender über die Luft beschreibt, kann dieser Schaltkreis auch mit Prozesssteuerinstrumenten zur Messung anderer Parameter und unter Verwendung anderer Technologien verwendet werden, wie etwa geleitetem Wellenradar, Kapazität oder dergleichen.
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Ebenso stellt mit Verweis auf 4 die Anzeige/Tastenfeld-PC-Platine 42 eine Benutzerschnittstelle zum Eingeben von Parametern mit einem Tastenfeld und unter Anzeige von Benutzer- und Statusinformationen bereit. Die digitale PC-Platine 36 enthält einen konventionellen Mikrocontroller und einen Speicher. Der Speicher kann nichtflüchtigen Speicher zum Speichern von Programmen und Kalibrierungsparametern umfassen, sowie flüchtigen Speicher, der bei Pegelmessungen verwendet wird. Die digitale PC-Platine ist ebenfalls durch die galvanische Transformatorplatine 35 mit der Verdrahtungsplatine 34 verbunden, um eine entfernte und externe Leitungsquelle übe eine Zwei-Leiter-Schleife zu verbinden. Die Zwei-Leiterverbindung wird verwendet, um Pegelinformationen zu kommunizieren, wie bekannt ist.
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Wie nachfolgend genauer beschrieben, nehmen die Schaltkreise in dem Verdrahtungsabteil 24 Versorgungsspannung an den Eingabeterminals TB1 vom Kunden an und stellen durch eine galvanisch isolierte Schranke Energie für das Gleichgewicht der Einheit 10 bereit. Die galvanische Trennung ist wichtig, weil sie der Einheit erlaubt, in dem Verdrahtungsabteil 24 als explosionssicher und in dem Steuerabteil 26 als eigensicher (IS) zu funktionieren, während ein spezieller IS-Erdungsdraht verlangt wird. Digitale Kommunikationssignale, wie beispielsweise HART, Feldbus oder Profibus, oder andere, müssen sauber durch die Schaltkreise gehen.
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Mit Verweis auf 5 illustriert ein Blockdiagramm die Schaltkreise in dem Verdrahtungsabteil 24, das einen Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 und eine Energieversorgung 52 enthält. Der Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 dient der Verbindung mit einer externen Stromquelle unter Verwendung einer Zwei-Leiter-Prozessschleife, wie bekannt ist, ’zum Steuern von Strom auf der Schleife nach einem Messsignal von einem Steuersystem 54, das die Schaltkreise in dem eigensicheren Steuerabteil 26 umfasst. Wie offensichtlich sein wird, ist hierin nur ein Abschnitt der Schaltkreise des Steuersystems 54 illustriert. Die Energieversorgung 52 weist eine galvanische Trennungs-Schranke auf und ist zwischen dem Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 und dem Steuersystem 54 verbunden, um den Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 von dem Steuersystem 54 zu isolieren. Die Energieversorgung 52 empfängt Energie von der Zwei-Leiter-Prozessschleife und liefert Energie an das Steuersystem 54.
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Der Zwei-Leiter-Schaltkreis 50 umfasst einen Zwei-Leitereingabeblock 56 und einen Eingabefilterschaltkreisblock 58. Der Zwei-Leitereingabeblock 56 stellt die Kundeneingabe für die Einheit am Terminalblock TB1, siehe 4, bereit. Dies ist die Benutzerverbindung mit dem Instrument 10. Der Benutzer muss eine geeignete Energie bereitstellen und die Einheit zieht Schleifenstrom auf Grundlage des Pegels in dem Prozess wie durch das Steuersystem 54 gemessen wird. Wie es für die meisten Zwei-Leiterinstrumente typisch ist, zieht diese Einheit 4 mA bis 20 mA basierend auf dem gemessenen Pegel in dem Prozess. Die digitale Kommunikation in den Zwei-Leitereingabeblock 56 kann durch Spannungspegelmodulation erfolgen. Die digitale Kommunikation auswärts erfolgt durch Modulation der Stromaufnahme der Einheit.
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Der Eingabefilterschaltkreisblock 58 enthält Standardfilterschaltkreise, die verhindern, dass Rauschen tiefer in die Einheit 10 vordringt, wo es zu Schäden an der Einheit 10 führen oder den normalen Betrieb stören könnte.
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Die Energieversorgung 52 befindet sich auf der galvanischen Transformatorplatine 35, siehe 4. Die Energieversorgung 52 umfasst einen linearen Spannungsregler 60. In der illustrierten Ausführungsform wird eine Spannung durch Spannungsreferenz-Zenerdioden eingestellt und kann durch das Steuersystem 54 unter Verwendung einer Spannungsverschiebungssteuerung 62, die einen optischen Koppler verwendet, verschoben werden. Der Spannungsregler 60 lässt den Eingabewiderstand hoch im Vergleich zu den digitalen Kommunikationssignalen erscheinen. Die Spannung des Spannungsreglers 60 muss geringer sein als die Anschlussspannung an der Transformatorplatine 35. Die Spannung muss jedoch hoch genug sein, um ausreichend Energie für den korrekten Betrieb der Einheit 10 bereitzustellen. Der Spannungsregler 60 hilft auch beim Eliminieren von rauschen an den Terminals TB1 durch die Schaltkreise tiefer in der Einheit 10. Die Spannungsverschiebung der Reglerspannung ist wichtig, um einen hohen Eingabewiderstand über den Bereich des Schleifenstroms zu erhalten, der durch den Schaltkreis gelangen muss.
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Der Spannungsregler 60 liefert geregelte Spannung an die EMI-Filterschaltkreise 64, die für elektromagnetische Störungen filtern. Ein Umschalterschaltkreisblock 66 ist zwischen dem EMI-Filterschaltkreis 64 und einem galvanischen Trennungsblock 68 verbunden, der einen GS-GS-Transformator 70 enthält. Der Umschaltschaltkreis 66 ist der Umschaltoszillator einer GS-GS-Umwandlerschaltkreises. Der Oszillator treibt die Hauptleitung des GS-GS-Transformators 70. Der Oszillator ist freilaufend, sodass der Umschalter oszilliert, wann immer Energie auf die Platine geschaltet wird. Die Frequenz dieses Umschaltoszillators muss ausreichend hoch sein, wie etwa ca. 150 kHz, damit die Niederfrequenzkommunikationssignale sauber durch den Schaltkreis geführt werden können. Außerdem ist das Ziel des Gesamtschaltkreises, dass der sekundäre Strom des Transformators 70 sehr ähnlich zu dem Hauptstrom ist. Die gute Übereinstimmung des Stroms erlaubt die Durchführung der Schleifensteuerung an der Nebenleitung des Transformators 70 und dennoch eine enge Koppelung mit der Hauptleitung und so mit den Benutzerterminals TB1. Die Stromübertragung ist der kritische Parameter, der durch diese Schaltkreise erhalten bleiben muss. Die Stromschleifensteuerung, 4 mA bis 20 mA, findet in den sekundären Schaltkreisen über das Steuersystem 54 statt.
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Der galvanische Trennungsblock 68 verwendet den GS-GS-Transformator 70 als Hauptkomponente. Um eine korrekte Abschirmung sicherzustellen, muss dieser Transformator 70 mehrere spezifische IS-Sicherheitsanforderungen erfüllen. Der Transformator muss hohe Anforderungen an die Abschirmungsspannung erfüllen, sowie die Einhaltung des richtigen Kriechstroms und der Anforderungen an die Abstände sicherstellen. Der galvanische Trennungsschaltkreis 68 muss in der Lage sein, das strommodulierte Signal ohne Verzerrung an die Benutzerterminals TB1 weiterzugeben.
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Die Nebenleitung des galvanischen Trennungssblocks 68 ist mit einem Gleichrichterschaltkreis 72 verbunden, um eine GS-Spannung bereitzustellen. Das Ergebnis ist eine GS-Versorgungsspannung, die lose durch den Spannungsregler 60 gesteuert ist, aber eng an dem Schleifenstrom liegt. Ein Ausgabefilterschaltkreisblock 74 empfängt die gleichgerichtete GS-Spannung und enthält einen Low-Pass-Filter zum Unterdrücken der Umschalterflanken. Die entstehende GS-Spannung darf kein Schaltfrequenzrauschen aufweisen, das die Funktion der Einheit 10 stören könnten. Ein sicherheitsbegrenzender Schaltkreis 76 begrenzt den Pegel der Versorgungs-GS-Spannung in das Steuersystem 54.
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Die Energieversorgung 52 enthält auch einen Kommunikationsbypasspfadblock 78, der digitale Kommunikationssignalen, wie etwa HART, Feldbus, Profibus oder dergleichen, erlaubt, den galvanischen Trennungsschaltkreis 68 zu umgehen.
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Das Steuersystem 54 umfasst Schaltkreise in dem eigensicheren Steuerabteil 26, das enthält einen Block 80 enthält, der nachfolgend als Microcontrollerblock bezeichnet wird, der Verbindungen mit Microcontrollerschaltkreisen, einem Kommunikationsmodemschaltkreiseblock 82 und einem Schleifenausgabeblock 84 bereitstellt. Der Microcontrollerblock 80 enthält konventionelle Schaltkreise für Niederspannungs-Energieversorgungsschleifensteuerschaltkreise, Kommunikationsschaltkreise, programmierte Logikschaltkreise, Benutzerschnittstellen- und Messschaltkreise. Diese Schaltkreise messen die Prozessvariable und entwickeln ein Messsignal, das die Prozessvariable darstellt. Dieses Messsignal wird von einem Schleifensteuerschaltkreis ausgegeben und als LOOP bezeichnet, was den Pegel des Schleifenstroms bestimmt, der durch die Einheit 10 gezogen werden soll. Außerdem gibt es den Kommunikationsschaltkreis, der mit COMMUNICATION bezeichnet ist, für die digitale Kommunikation über die Zwei-Leiter-Prozessschleife.
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Der Modemschaltkreiseblock 82 steuert die digitale Kommunikation. In der illustrierten Ausführungsform kann dies einen DS8500-Modemschaltkreis umfassen, der für konventionelle „Highway Addressable Remote Transducer“- (HART) Kommunikation verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung mit HART-Kommunikation beschränkt und kann mit anderen Formen digitaler Kommunikation verwendet werden, einschließlich beispielsweise Feldbus, Profibus oder dergleichen.
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HART-Kommunikation verlässt sich, wie es für andere digitale Kommunikationssysteme üblich ist, auf die Zweiwege-Kommunikationssignale. Die Kommunikation in eine typische Sensorvorrichtung erfolgt durch Spannungspegelmodulation. Die Kommunikation aus einer typischen Sensorvorrichtung erfolgt durch Modulation der Stromaufnahme der Einheit.
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Aus Sicht einer physischen HART-Lage verursacht bei Verwendung der HART-Kommunikation die galvanische Trennung der Energieversorgung ein Problem mit dem HART-Kommunikationseingabesignal, das eine Spannungsmodulationssignal ist, das durch die Zwei-Leiter-4/20mA-Stromleitungen an den Modemschaltkreiseblock 82 auf der digitalen Platine 36 gesendet wird. HART-Kommunikation verlangt eine einen hohen Eingangswiderstand in das Pegelmessinstrument. Bei den galvanisch isolierten Schaltkreisen sind die kommunikationseingabespannungsmodulierten Signale nicht zuverlässig, wenn sie am HART-Modem durch die traditionellen Stromleitungsanschlüsse des Instruments empfangen werden.
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Wie hierin beschrieben, wird ein Bypass-Schaltkreispfad für das kommunikationseingabespannungsmodulierte Signal an den Modemschaltkreiseblock 82 bereitgestellt. Dies wird als Kommunikationsbypasspfadblock 78 in 5 dargestellt. Der Schaltkreispfad oder Bypass stellt eine Verbindung vor dem Spannungsregler 60 auf der Verdrahtungsplatine 34 her. Diese Verbindung wird dann von der Energieversorgung 52 unter Verwendung von zwei in Reihe geschalteten Hochspannungs-Isolationskondensatoren (nicht dargestellt) isoliert und hält einen hohen Widerstand gegen die Stromleitungen aufrecht, der für die Spezifikation der physischen HART-Lage notwendig ist. Nach den Kondensatoren verbindet der getrennte Schaltkreispfad den Eingang INPUT VOLTAGE MODULATION des Kommunikationsmodemschaltkreiseblocks 82. Die HART-spannungsmodulierten Eingabesignale werden demoduliert und erzeugen die digitalen Signale RX-DATA und CARRIER_DETECT, die für die bekannte Verarbeitung an den Microcontrollerblock 80 weitergegeben werden.
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Der Microcontrollerblock 80 steuert den Schleifenstrom-GS-Pegel, 4 mA bis 20 mA, als Anzeige des Prozesspegels, den das Instrument überwacht, und reagiert auf die empfangenen Kommunikationssignale und steuert wiederum das digitale Sendesignal, TX_DATA, und das LOOP-Signal aus dem Schleifensteuerschaltkreis. Der Modemblock 82 moduliert das TX_DATA-Signal zum Erzeugen der Ausgabe OUTPUT MODULATION CONTROL an den Schleifenausgabeblock 84, der die Modulation auf der Schleifenausgabe auslöst. Der Schleifenausgabeblock 84 empfängt auch die LOOP-Ausgabe von dem Microcontrollerblock 80 und verwendet dies zum Steuern des Schleifenstroms, der von dem sicherheitsbegrenzenden Schaltkreis 76 gezogen wird, während Strommodulation in Reaktion auf OUTPUT MODULATION CONTROL aus dem Modemblock 82 eingeschlossen wird. So bewegt sich das zurücklaufende strommodulierte Signal von dem Modemblock 82 durch den galvanischen Transformator 70 auf der Verdrahtungsplatine 34, dann durch den Spannungsregler 60 und schließlich aus der Vorrichtung heraus auf die Zwei-Leiter-4/20mA-Stromleitungen.
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Es ist für einen Fachmann zu erkennen, dass viele mögliche Modifikationen an den spezifischen Formen der Merkmale und Komponenten der offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, während der Geist der hierin offenbarten Konzepte erhalten bleibt. Dementsprechend sollten keine Einschränkungen der spezifischen Formen der hierin offenbarten Ausführungsformen in die Ansprüche hineingelesen werden, sondern sie nicht ausdrücklich in den Ansprüchen genannt sind. Wenn auch einige Ausführungsformen oben ausführlich beschrieben sind, sind auch andere Modifikationen möglich. Andere Ausführungsformen können in den Umfang der folgenden Ansprüche fallen.
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Die obige Offenbarung spezifischer Ausführungsformen soll illustrativ für die breiten Konzepte sein, die durch die Erfindung verstanden werden.
