JP5859012B2 - ２線式プロセス計器の動的電力制御 - Google Patents

Description

本発明は、２線式プロセス計器における動的電力制御に関する。

多くの産業用のプロセス計器は、センサ信号または所望のアクチュエータ状態に基づいて４ｍＡから２０ｍＡまで変化する電流により２線式制御ループ上で動作する。センサの場合には、プロセス計器に接続されたホストが、制御ループ電流を測定することによって測定値を求める。アクチュエータの場合には、制御室が、所望のアクチュエータ状態を示すプロセス計器へ電流を供給する。

ホストは、制御室に位置し、２線式装置へ約２４Ｖの直流を供給する。センサについては、３．５ｍＡまたは２０．５ｍＡなどの範囲外の電流を測定することによって簡単な診断を遂行することができる。制御室と装置との間のケーブルは、１マイル以上もの長さになることがあり、このためワイヤの抵抗によるわずかな電圧降下が生じる。装置内の電子機器は、１２Ｖなどの公称値に電圧を調整して、センサおよびマイクロプロセッサに電力を供給する。

マイクロプロセッサは、センサの測定を行い、必要な電流値を求める。マイクロプロセッサは、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）を用いて、制御アンプおよび制御トランジスタを制御して分路抵抗器を介して電流を消費し、それによって電子機器および分路抵抗器の引き込み電流の全体が適正値になるようにする。正確な値が確実に報告されるように、プロセス計器の全体の使用電流量を測定する高精度検知抵抗器を使用して、フィードバックループを完結する。

プロセス計器のための従来の設計技術は、最小電流（３．５ｍＡ）で遂行することができる機能のみが実施されるよう仕様を定めていた。これは、プロセス計器が動作する環境の特質に起因する。これらの装置は、消費電力が非常に低く、遠隔地に設置される場合が多く、故障した場合、全部の動作を停止させる可能性がある。したがって、プロセス計器は、利用可能な電力の下限で完全に機能することが必須である。

装置は、３．５ｍＡで動作しなければならないが、２０ｍＡもの大きさで動作している場合がある。これは、利用可能な電力の１６．５ｍＡ以上が分路抵抗器内で無駄に消費されていることを意味する。

この電流に対する１つの用途は、プロセス制御計器用のＬＥＤ背面照明を提供することである。この機能を実現する従来の手法は、分路抵抗器をＬＥＤに置き換えることであった。これによって、確かに背面照明が実現されるが、背面照明の強度は制御されない。４ｍＡで、背面照明は、薄暗くなり、２０ｍＡで過度に明るくなることがある。

一実施態様は、トランスデューサ、２線式インターフェース、マイクロプロセッサ、デジタル／アナログ変換器、第１の制御回路および第２の制御回路を含むプロセス計器である。２線式インターフェースを通る電流は、トランスデューサの状態を示す。マイクロプロセッサは、トランスデューサと適合されている。デジタル／アナログ変換器は、電流値を示す信号をマイクロプロセッサから受け取る。第１の制御回路は、デジタル／アナログ変換器に接続され、２線式インターフェースを通る電流をこの電流値へ制御するように適合されている。第２の制御回路は、デジタル／アナログ変換器に接続され、２次負荷へ電流を供給する。

２次負荷を駆動するための第２の制御アンプを含むプロセス計器の図である。 ２次負荷を駆動するための可変利得を有する第２の制御アンプを含む、図１のプロセス計器の変形形態の図である。 マイクロプロセッサのクロック速度を向上させるための第２の制御アンプを含む、図１のプロセス計器の変形形態の図である。 トランスデューサに供給される電力を増加させるための第２の制御アンプを含む、図１のプロセス計器の変形形態の図である。 複数の２次負荷を含むプロセス計器のブロック図である。

一実施形態によると、図１は、２次負荷を駆動するための第２の制御アンプを含むプロセス計器１０の図である。トランスデューサ１２は、伝送電子機器１４に接続されている。伝送電子機器１４は、Ａ／Ｄコンバータ１６およびアイソレーション部１８などの構成要素を含み、マイクロプロセッサ２０によって読み取られるようにトランスデューサ１２の出力値を調節することができる。マイクロプロセッサ２０は、トランスデューサ１２が測定したプロセス変数に基づいて必要な全ループ電流を求め、適切な全ループ電流と相互に関連する信号をデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２２に供給する。４〜２０ｍＡのループ電流に対して、典型的なＤＡＣ出力値は、１〜３Ｖである。ＤＡＣ２２の出力部は、フィードバック回路２３を介して制御アンプ２４に接続されている。

フィードバック回路２３は、抵抗器２３ａ〜２３ｃおよびコンデンサ２３ｄ〜２３ｅを含む。抵抗器２３ａおよび２３ｂは、ＤＡＣ２２に接続されている。抵抗器２３ａは、抵抗器２３ｃおよびコンデンサ２３ｄにも接続されている。コンデンサ２３ｄの反対側の端子は、抵抗器２３ｂに接続されている。抵抗器２３ｃは、制御アンプ２４の非反転入力部に接続されている。コンデンサ２３ｅは、制御アンプ２４の反転入力部と出力部との間に接続されている。

制御アンプ２４の出力部は、制御トランジスタ２６に接続されている。制御トランジスタ２６は、分路抵抗器２８に接続されている。分路抵抗器２８は、検知抵抗器３２とグランド接点３０を共有する。検知抵抗器３２は、抵抗器２３ｂおよびコンデンサ２３ｄに帰還接続され、ループ電流（Ｉ_Ｌ）を制御するためのフィードバックループを完結する。端子３４ａは制御トランジスタ２６に接続され、端子３４ｂは検知抵抗器３２に接続されている。電源サブシステム３６も端子３４ａに接続され、プロセス計器１０によって使用される電源母線（例えば１０〜１５Ｖ、４Ｖ、３Ｖなど）を調整し且つ供給するために必要な回路を提供する。

フィードバック回路２３、制御アンプ２４および制御トランジスタ２６は、共に、分路抵抗器２８において消費される電力を調節するための１次電源制御回路を形成する。また、この１次電源制御回路は、当業者によって理解される数多くの他のアナログ制御回路であってもよい。

本実施形態によると、２次負荷３８は、ＤＡＣ２２の出力部に接続されている。スイッチ４０が一部の実施形態において含まれ、このスイッチ４０により、必要に応じてマイクロプロセッサ２０が２次負荷３８を有効または無効にすることができる。ＤＡＣ２２は、抵抗器４２および４４を備える分圧器に接続されている。分圧器は、制御トランジスタ４８に接続される制御アンプ４６に接続されている。制御アンプ４６および制御トランジスタ４８は、２次負荷によって消費される電力を調節するための２次電源制御回路を形成する。また、この２次電源制御回路は、当業者によって理解される数多くの他のアナログ制御回路であってもよい。

本実施形態において、２次負荷は、１つまたは複数のＬＥＤ５０である（簡単にするため、１つのＬＥＤだけが描かれている）。制御トランジスタ４８は、ＬＥＤ５０を介して正の電圧母線（一部の実施形態においては４Ｖ）に接続されるとともに、抵抗器５２を介してグランドに接続されている。ＬＥＤ５０は、プロセス計器においてディスプレイ用の背面照明として使用することができ、２次負荷の一例である。

最小電力の状況において、プロセス計器１０は、トランスデューサ１２およびマイクロプロセッサ２０を動作させるために１．５〜２．７ｍＡのベース電流条件を必要とする。これは、わずか０．８〜２ｍＡの付加的な電流を、分路抵抗器２４を介して放電させるか、またはＬＥＤ５０などの２次負荷に対して使用しなければならないことを意味する。最大電力の状況では、この付加的な電流は、１９ｍＡもの大きさにまで増大する。

２次負荷３８により、ＬＥＤ５０を流れる電流の制御を独立して調整することができる。２次負荷３８は、ＤＡＣ２２から１次アナログ制御信号を受け取って、ＬＥＤ５０を流れる電流の独立した制御を可能にする。これにより、揺らぎを最小にするための制御された強度でＬＥＤ５０を動作させることができる。また、測定状態、故障状態、利用可能な電力、またはプロセス計器上のユーザインターフェースからのコマンドに基づいて、ＬＥＤ５０を選択的にオンおよびオフさせることもできる。

利用可能な過剰電力を独立に制御することによって、２線式プロセス計器に対してさらなる利点が提供される。従来おいて、２線式プロセス計器に対する設計思想とは、最小電力（１．５〜２．７ｍＡの最小限必要なベース電流が不足する３．５ｍＡ）で機能を行われうる場合は、その機能は全く行われないということであった。本発明は、第２のサブシステムを選択的に制御し、利用可能な電力を使用して要望通りに機能性およびプロセッサ速度の向上を図ることができ、多くの付加的な重要ではない負荷を扱うように拡張することができる。

記載した構造により、普通ならば分路抵抗器２８において放電されることになるループ電流の所定量を２次負荷に経由させるように設計時に決定することができる。例えば、４〜２０ｍＡのループ電流に対して、１〜６ｍＡのＬＥＤ電流が要求されると仮定する。抵抗器５２に５オームの抵抗が選択され、制御アンプ４６の入力電圧範囲が５〜３０ｍＶとなる。４〜２０ｍＡのループ電流に対して、ＤＡＣ２２の出力は、１〜３Ｖである。抵抗器４２および４４の値は、所望のＬＥＤ電流を生成するために、それぞれ９５ｋオームおよび５ｋオームとすることができる。

この手法は、多くの利点を提供する。ＬＥＤ５０を、選択的にオンおよびオフすることができる。いくつかの実施形態において、ＬＥＤ５０をあるループ電流でのみで有効にすることができる。スイッチ４０のパルス幅変調を用いて強度を制御することができる。また、スイッチ４０は、ＬＥＤ５０を点滅させてエラー状態を示すために使用することもできる。

プロセス計器は、４〜２０ｍＡの範囲を有することができるが、プロセス変数は、多くの場合その範囲の中間にある。以前の設計は、最小のループ電流においてのみ実現できる機能性の提供に焦点を当てていた。ここでは、２次システムにおいて、通常の比較的大きな動作電流において有効化することと、小さなループ電流において無効化することとを選択的に行うことができる。これにより、それらのタスクをサポートすることが可能な場合は、プロセス計器１０は、選択的に追加の機能を実行することができる。

マイクロプロセッサ２０およびプロセス計器１０内の残りの回路における電流を明確化するＤＡＣ制御により、ＬＥＤ電流は自動的に調整される。これにより、分路抵抗器２８から電力を取り出すことによって引き起こされる可能性のある揺らぎをなくす。故障モードは、ＬＥＤ回路が主要なプロセス計器の電流制御ループから分離されているものとして、良性である。これにより、プロセス計器１０にとって回路の決定的に重要な部分（分路抵抗器２８）を変更することが回避される。既存の分路回路の設計を維持することによって、本質的安全（ＩＳ）の問題が回避される。

ＬＥＤの典型的な用途は、プロセス計器１０に取り付けられたディスプレイの背面照明としての用途である。この構造により、回路の残りの部分を変更せずに、ＬＥＤを任意選択のディスプレイモジュールとして追加することができる。過剰な電力は、分路抵抗器２８において一般的に消費される。付属品モジュールを収容するために分路配線および抵抗素子を修正すると、重要な設計、妥当性確認および検証労力を必要とする本質的安全（ＩＳ）の問題を引き起こす。この構成により、既存の分路設計を維持することによってこの問題が回避され、付属品照明ができるように分路配線をディスプレイモジュール内へ形成する必要がなくなる。

別の実施形態によると、図２は、２次負荷を駆動するための可変利得を含む（図１の）プロセス計器１０の変形形態であるプロセス計器１００の図である。図１に示される参照数字と同様の要素を指定するために、同様の参照数字が図２において使用される。２次負荷１０２は、スイッチ１０４を介してＤＡＣ２２の出力部に接続されている。スイッチ１０４は、可変抵抗器１０６に接続されている。マイクロプロセッサ２０は、スイッチ１０４および可変抵抗器１０６の両方を制御する。可変抵抗器１０６は、抵抗器１０８と共に、制御アンプ１１０の入力部において分圧器を形成する。制御アンプ１１０は、制御トランジスタ１１２に接続されている。制御トランジスタ１１２は、ＬＥＤ１１４を介して正の電圧母線に接続されるとともに、抵抗器１１６を介してグランド接点に接続されている。

電流がＬＥＤ１１４、制御トランジスタ１１２、および抵抗器１１６を流れると、電位差が抵抗器１１６に生じる。制御アンプ１１０へのフィードバックループによって、抵抗器１１６の電位差が抵抗器１０８の電位差と確実に一致するようになる。可変抵抗器１０６の値を変えることによって、ＤＡＣ２２の任意の出力において分圧器の動作および抵抗器１０８の電圧降下が変化することになる。このようにして、マイクロプロセッサ２０は、２次負荷を流れる電流を制御することができる。２次負荷としてＬＥＤを用いる場合には、この調節によって調光をすることができる。

図３は、マイクロプロセッサのクロック速度を向上するための第２の制御アンプを含む（図１の）プロセス計器１０の変形形態であるプロセス計器２００の図である。図１および２に示される参照数字と同様の要素を指定するために、同様の参照数字が図３において使用される。２次負荷２０２は、スイッチ２０４を介してＤＡＣ２２の出力部に接続されている。スイッチ２０４は、マイクロプロセッサ２０によって制御され、抵抗器２０６および２０８によって形成される分圧器に接続されている。制御アンプ２１０は、入力部に分圧器が接続され、出力部に制御トランジスタ２１２が接続されている。制御トランジスタ２１２は、正の電圧母線に接続されるとともに、抵抗器２１４を介してグランドに接続されている。２次負荷に対するフィードバック回路の動作は、図１および２の実施形態に記載されたものと同じである。

電圧制御発振器２１６は、マイクロプロセッサ２０にクロックを供給する。電圧制御発振器２１６の電圧入力は、正の母線電圧と２次負荷制御回路の出力電圧を加算する加算器２１８によってなされる。２次負荷が有効にされると、電圧制御発振器２１６における電圧が上昇し、これによってクロック速度が向上する。これにより、マイクロプロセッサ２０がループ電流に基づいて、その処理電力を選択的に増大させることができる。より多くの電力が利用可能な場合、マイクロプロセッサ２０は、その処理能力を向上させることにより、更なるタスクを引き受けることができる。

図４は、トランスデューサにさらなる電力を供給することができる（図１の）プロセス計器１０の変形形態であるプロセス計器３００の図である。図１〜３に示される参照数字と同様の要素を指定するために、同様の参照数字が図４において使用される。２次負荷３０２は、スイッチ３０４を介してＤＡＣ２２の出力部に接続されている。スイッチ３０４は、マイクロプロセッサ２０によって制御され、抵抗器３０６および３０８によって作成される分圧器に接続されている。この分圧器は、制御アンプ３１０に接続されている。制御アンプ３１０は、制御抵抗器３１２に接続されている。制御抵抗器３１２は、正の電圧母線に接続されるとともに、抵抗器３１４を介してグランドに接続されている。この制御回路の動作は、図１〜３に関して説明されたものと同一である。

抵抗器３１４は、アイソレーション部３１６を介してトランスデューサ１２にも接続されている。これにより、マイクロプロセッサ２０が、さらなる電力を選択的に供給することができ、またはトランスデューサ１２内のヒータなどのサブシステムをアクティブにすることができる。そうすることの目的には、トランスデューサ１２の保守、またはトランスデューサ１２に対する高度な診断を達成することが含まれる。この構造により、トランスデューサ１２へ供給される電力をループ電流に基づいて増加させることができ、またはループ電流の閾値などのある条件の下で電力を供給することができる。

別の実施形態によると、図５は、複数の２次負荷サブシステムを含むプロセス計器４００のブロック図である。トランスデューサ４１０は、伝送電子機器４１２に接続されている。伝送電子機器４１２は、マイクロプロセッサ４１４に接続され、このマイクロプロセッサ４１４がＤＡＣ４１６に接続されている。ＤＡＣ４１６は、１次電源制御回路４１８に接続されている。１次電源制御回路４１８は、端子４２０ａ〜４２０ｂに接続されている。２次負荷４２２ａ〜４２２ｃは、それぞれがＤＡＣ４１６およびマイクロプロセッサ４１４に接続されている。このようにして、任意の数の２次負荷をプロセス装置４００に接続することができ、マイクロプロセッサ４１４の動作によって、個々にまたはまとめて選択的に有効にすることができる。

２次負荷に関して説明した実施形態は、例示にすぎない。任意の数の可能性のある２次負荷を使用することができる。さらに、任意の数の２次負荷を単一のプロセス計器に含むことができる。背面照明用のＬＥＤなどの２次サブシステムを独立に制御することによって、または追加のタスクのためにプロセッサ電力を増加させることによって、プロセス計器がさらなる機能を提供することができる。

本発明は、例示的な実施形態（複数可）を参照して説明されたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、均等物をそれらの要素の代わりに用いることができるということを当業者は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態（複数可）に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に収まる実施形態をすべて含むことが意図されている。

Claims (23)

1. トランスデューサと、
   前記トランスデューサの状態を示す電流が流れる２線式インターフェースと、
   前記トランスデューサと適合するマイクロプロセッサと、
   電流値を示す信号を前記マイクロプロセッサから受け取るデジタル／アナログ変換器と、
   前記デジタル／アナログ変換器に接続され、前記２線式インターフェースを通る前記電流を分路抵抗器に流れる電流を調整することによって前記電流値に制御するように適合された第１の制御回路と、
   前記マイクロプロセッサによって２次負荷に電流を供給するように選択的に有効となる第２の制御回路とを備え、
   前記２線式インターフェースを通る前記電流の一部は、前記２次負荷ではなく前記分路抵抗器に流れることを特徴とするプロセス計器。
2. 前記第１の制御回路は、
   前記デジタル／アナログ変換器に接続された第１の制御アンプと、
   前記第１の制御アンプに接続された第１の制御トランジスタと、
   前記分路抵抗器および前記第１の制御アンプに接続された検知抵抗器とを備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス計器。
3. 前記２次負荷は、１つまたは複数の発光ダイオードを備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス計器。
4. 前記プロセス計器は、ディスプレイをさらに備え、前記発光ダイオードが前記ディスプレイ用の背面照明として構成されていることを特徴とする請求項３に記載のプロセス計器。
5. 前記２次負荷は、前記マイクロプロセッサに結合された電圧制御発振器を備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス計器。
6. 前記２次負荷に電流が供給されると、前記トランスデューサに追加的な電力が供給されることを特徴とする請求項１に記載のプロセス計器。
7. 前記第２の制御回路は、前記２次負荷への電流の供給を有効にする、または無効にするように構成された前記マイクロプロセッサに接続されたスイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス計器。
8. 前記第２の制御回路は、前記２次負荷に供給される電流の量を調節するために前記マイクロプロセッサによって動作可能な可変利得素子を含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス計器。
9. 前記デジタル／アナログ変換器に接続されるとともに、第３の負荷へ電流を供給するように適合された第３の制御回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス計器。
10. 前記第２の制御回路は、
    前記デジタル／アナログ変換器に接続された第２の制御アンプと、
    前記第２の制御アンプに接続された第２の制御トランジスタと、
    前記第２の制御トランジスタおよび前記第２の制御アンプに接続された第１の抵抗器とを備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス計器。
11. 前記第２の制御回路は、
    前記デジタル／アナログ変換器と前記第２の制御アンプとの間に接続された第２の抵抗器と、
    前記第２の制御アンプとグランド基準との間に接続された第３の抵抗器とをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス計器。
12. 前記第２の抵抗器は、前記マイクロプロセッサによって制御される可変抵抗器であることを特徴とする請求項１１に記載のプロセス計器。
13. 前記第３の抵抗器は、前記マイクロプロセッサによって制御される可変抵抗器であることを特徴とする請求項１２に記載のプロセス計器。
14. プロセス計器の電力消費を制御するための方法であって、
    前記プロセス計器に対する所望の全電力消費を求めるステップと、
    前記所望の全電力消費に関連する制御信号を生成するステップと、
    ２次電力制御回路に前記制御信号を供給するステップと、
    前記２次電力制御回路を使用して、前記制御信号に基づいて２次負荷の電力消費を前記所望の全電力消費の一部に選択的に調節するステップと、
    １次電力制御回路を使用して分路抵抗器における電力消費を調節して、前記プロセス計器の前記全電力消費が前記所望の全電力消費に等しくなるようにするステップとを含み、
    前記調節するステップにおいて、２線式インターフェースを通る電流の一部が、前記２次負荷ではなく前記分路抵抗器に流れることを特徴とする方法。
15. 所望の全電力消費を求めるステップは、
    前記プロセス計器に取り付けられたセンサを使用してプロセス変数を測定するステップと、
    前記測定されたプロセス変数に基づいて所望の全電力消費を求めるステップとを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記２次負荷は、マイクロプロセッサを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記２次負荷は、１つまたは複数の発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 前記２次負荷は、トランスデューサを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
19. マイクロプロセッサにより、前記２次負荷への電力の供給を選択的に有効および無効にされることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
20. プロセス計器であって、
    前記プロセス計器によって測定されたプロセス変数に少なくとも基づいて前記プロセス計器に対する所望の全電力消費を求めるための手段と、
    ２次負荷によって消費される電力を前記所望の全電力消費の一部に選択的に調節するための手段と、
    分路抵抗器において消費される電力を調節して、前記プロセス計器に対する前記全電力消費が前記所望の全電力消費と等しくなるようにするための手段とを備え、
    ２線式インターフェースを通る電流の一部が、前記２次負荷ではなく前記分路抵抗器に流れることを特徴とするプロセス計器。
21. 所望の全電力消費を求めるための前記手段は、マイクロプロセッサを含むことを特徴とする請求項２０に記載のプロセス計器。
22. ２次負荷によって消費される電力を選択的に調節するための前記手段は、デジタル／アナログ変換器に結合された２次電力制御回路を含み、
    前記２次電力制御回路は、マイクロプロセッサによって前記２次負荷に電流を供給するように選択的に有効となることを特徴とする請求項２０に記載のプロセス計器。
23. 分路抵抗器において消費される電力を調節するための前記手段は、前記分路抵抗器に電流を供給するために、デジタル／アナログ変換器に結合された１次電力制御回路を含むことを特徴とする請求項２０に記載のプロセス計器。

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