PL215583B1

PL215583B1 - Sposób wytwarzania sygnału danych w przyrządzie magistrali dwuprzewodowej i przyrząd magistrali dwuprzewodowej

Info

Publication number: PL215583B1
Application number: PL379419A
Authority: PL
Inventors: William M. Mansfield
Original assignee: Micro Motion
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2013-12-31
Also published as: PL379419A1

Description

Wynalazek jest związany z dziedziną przyrządów magistrali dwuprzewodowych, a w szczególności z całkowicie wewnętrznie bezpiecznym przyrządem magistrali dwuprzewodowej dla niebezpiecznego środowiska.

Przepływomierze są stosowane do pomiaru masowego natężenia przepływu, gęstości i innych własności płynnych materiałów. Płynne materiały mogą stanowić ciecze, gazy, połączone ciecze i gazy, ciała stałe zawieszone w cieczach i ciecze zawierające gazy i zawiesiny. Na przykład, przepływomierze są szeroko stosowane przy wykonywaniu odwiertów oraz oczyszczaniu ropy naftowej i produktów ropy naftowej. Przepływomierz może być używany do określania wykonywania odwiertów przez pomiar natężenia przepływu (tj. przez pomiar masowego natężenia przepływu przez przepływomierz) i może nawet być używany do określania względnych proporcji składowych gazowych i płynnych strumienia.

Jeden typ środowiska przepływomierza jest środowiskiem niebezpiecznym, w którym występują pary lub cząstki palne. Przyrząd działający w takich warunkach musi być zaprojektowany i wykonany tak, żeby uniknąć zapalania się par lub cząstek palnych. Przyrząd zaprojektowany tak, żeby działać bezpiecznie w niebezpiecznym środowisku jest zwykle określany jako wewnętrznie bezpieczny (I.S.). Na przykład, taki przyrząd zwykle stosuje napięcia elektryczne o niskim poziomie i prądy elektryczne o niskim poziomie, które są znane jako niezdolne do spowodowania zapłonu w niebezpiecznym środowisku.

Fig. 1 pokazuje magistralę dwuprzewodową według stanu techniki, taką jak magistrala dwuprzewodowa FIELDBUST™ stosowana powszechnie dla oprzyrządowania przemysłowego. Termin FIELDBUS™ odnosi się do standardu magistrali dwuprzewodowej oprzyrządowania, która jest zwykle stosowana do połączenia ze sobą wielu przyrządów i jest ponadto zdolna do stosowania do zapewniania łączności cyfrowej między przyrządami. Ponadto urządzenie zaporowe magistrali pola może przesyłać cyfrowe sygnały komunikacyjne do urządzeń zewnętrznych, takich jak na przykład stacje kontrolne i sterujące. Urządzenie zaporowe magistrali pola jest dołączone do źródła mocy elektrycznej i dostarcza moc elektryczną przez magistralę dwuprzewodową. Urządzenie zaporowe magistrali pola zwykle odbiera moc elektryczną nie będącą wewnętrznie bezpieczną i z kolei dostarcza moc elektryczną, która jest ograniczona prądem, ograniczona napięciem i ograniczona mocą.

Istnieje kilka standardów FIELDBUST™. Jeden standard FIELDBUST™ określa, że urządzenie zaporowe może dostarczać maksymalny prąd około 130 miliamperów (mA) i maksymalne napięcie około 15 woltów (V) do wszystkich połączonych przyrządów. W stanie techniki typowe przyrządy magistrali pola były zaprojektowane dla poboru około 10 do 20 mA. Dlatego w rozwiązaniach ze stanu techniki liczba urządzeń, które mogą być dołączone do magistrali dwuprzewodowej, jest sterowana przez całkowity pobór prądu urządzeń przy dostępnym napięciu zaporowym.

Fig. 2 pokazuje typowy przyrząd ze stanu techniki, dołączony do magistrali dwuprzewodowej, pokazując, jak jest stosowana moc elektryczna z magistrali dwuprzewodowej. Znany przyrząd sztuki zawiera procesor sygnałowy i interfejs elektryczny. Interfejs elektryczny jest dołączony do magistrali dwuprzewodowej, takiej jak FIELDBUS™, i do źródła zasilania. Interfejs elektryczny zawiera barierę elektryczną magistrali, która jest dołączona do magistrali dwuprzewodowej. Bariera elektryczna magistrali zapewnia izolację elektryczną od magistrali i dostarcza prąd, napięcie i moc ograniczające moc elektryczną pobieraną z magistrali dwuprzewodowej. Magistrala dwuprzewodowa dostarcza moc elektryczną prądu stałego (DC) do bariery elektrycznej magistrali. Interfejs elektryczny zawiera ponadto barierę elektryczną sygnału, która jest dołączona do procesora sygnałowego. Procesor sygnałowy jest dołączony do czujnika, jak to pokazano. Bariera elektryczna sygnału zapewnia izolację elektryczną od procesora sygnałowego i dostarcza prąd, napięcie i moc ograniczająca moc elektryczną dostarczaną do czujnika przez procesor sygnałowy. Gdy czujnik jest czujnikiem przepływomierza, takiego jak przepływomierz Coriolisa, procesor sygnałowy jest zwykle dołączony do czujnika przez kabel dziewięcioprzewodowy. Interfejs elektryczny zawiera ponadto system komunikacyjny. System komunikacyjny odbiera sygnał danych z procesora sygnałowego i moduluje sygnał danych na magistrali dwuprzewodowej jako cyfrowy sygnał komunikacyjny. Standard FIELDBUS™ określa, że cyfrowe sygnały komunikacyjne występują w paśmie częstotliwości skupionym wokół 32 kiloherców (kHz).

Należy rozumieć, że w tej znanej konfiguracji moc elektryczna pobierana z magistrali dwuprzewodowej jest stosowana tylko do zasilania systemu komunikacyjnego. Minimalna ilość mocy elektrycznej jest dlatego pobierana z magistrali dwuprzewodowej. Na przykład, system komunikacji zwykle pobiera tylko około 10-20 mA z magistrali dwuprzewodowej. Zewnętrzne źródło zasilania ze stanu

PL 215 583 B1 techniki dostarcza stosunkowo dużą moc elektryczną, która jest stosowana do uruchamiania zasilaczy lub elementów aktywnych (takich jak zasilacz(e) rury przepływowej) i która jest stosowana do zasilania procesora sygnałowego. W wyniku tego, wykonanie przyrządu wewnętrznie bezpiecznego jest trudne i złożone. W konsekwencji interfejs elektryczny musi zawierać barierę elektryczną magistrali i barierę elektryczną sygnałów. Ponadto sam przyrząd jest często umieszczony w obudowie przeciwwybuchowej. To jest dokonywane w stanie techniki, ponieważ źródło zasilania nie jest wewnętrznie bezpieczne, nawet gdyby standard magistrali dwuprzewodowej FIELDBUS™ powstał jako wewnętrznie bezpieczny system magistrali.

Wynalazek pomaga rozwiązać powyższe problemy przez dostarczenie sposobu wytwarzania sygnału danych w przyrządzie magistrali dwuprzewodowej oraz dostarczenie przyrządu magistrali dwuprzewodowej.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania sygnału danych w przyrządzie magistrali dwuprzewodowej, przy czym sposób obejmuje odbieranie trzeciego prądu w elemencie przyrządu, a element przyrządu generuje jeden lub większą liczbę sygnałów pomiarowych, odbieranie przez system komunikacyjny pierwszego prądu, odbieranie przez system komunikacyjny sygnału danych od procesora sygnałowego, modulowanie przez system komunikacyjny pierwszego prądu zgodnie z sygnałem danych w celu wytworzenia cyfrowego sygnału komunikacyjnego i modulowanie przez system komunikacyjny cyfrowego sygnału komunikacyjnego na magistrali dwuprzewodowej. Sposób, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że:

reguluje się przez procesor sygnałowy trzeci prąd przepływający przez element przyrządu przez generowanie i wysyłanie sygnału poziomu prądu sterującego do zasilacza prądu sterującego;

odbiera się przez procesor sygnałowy drugi prąd;

odbiera się przez procesor sygnałowy jeden lub większą liczbę sygnałów pomiarowych czujnika wytwarzanych przez element przyrządu;

tworzy się przez procesor sygnałowy sygnał danych z jednego lub większej liczby sygnałów pomiarowych czujnika;

przesyła się przez procesor sygnałowy sygnał danych do systemu komunikacyjnego; i bocznikuje się przez zasilacz przetwarzający sygnały nadmiarowy drugi prąd, przy czym pierwszy prąd, drugi prąd i trzeci prąd stanowią całkowity prąd urządzenia, a przyrząd magistrali dwuprzewodowej reguluje całkowity prąd urządzenia w celu utrzymania impedancji charakterystycznej.

Korzystnie, przyrząd magistrali dwuprzewodowej zawiera nadajnik przepływomierza i element przyrządu zawiera co najmniej jeden sterownik rury przepływowej i jeden lub więcej czujników przetwornikowych.

Korzystnie, przyrząd magistrali dwuprzewodowej zawiera nadajnik przepływomierza Coriolisa.

Korzystnie, impedancja przyrządu magistrali dwuprzewodowej jest stała, gdy przyrząd magistrali dwuprzewodowej przewodzi komunikaty.

Korzystnie, przyrząd magistrali dwuprzewodowej jest wewnętrznie bezpieczny (I.S.).

Przedmiotem wynalazku jest także przyrząd magistrali dwuprzewodowej, przystosowany do użycia z magistralą dwuprzewodową, zawierający element przyrządu, który odbiera trzeci prąd i który generuje jeden lub więcej sygnałów pomiarowych czujnika, system komunikacyjny, który odbiera pierwszy prąd i który odbiera sygnał danych z procesora sygnałowego, generuje cyfrowy sygnał komunikacyjny, zawierający sygnał danych i moduluje cyfrowy sygnał komunikacyjny na magistrali dwuprzewodowej, oraz zasilacz komunikacyjny, dołączony do systemu komunikacyjnego, przy czym zasilacz komunikacyjny i system komunikacyjny są połączone przez magistralę dwuprzewodową, a zasilacz komunikacyjny dostarcza pierwszy prąd, zasadniczo stałe napięcie i pierwszą moc do systemu komunikacyjnego, przy czym system komunikacyjny moduluje pierwszy prąd z wykorzystaniem zasilacza komunikacyjnego. Przyrząd magistrali dwuprzewodowej, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawiera:

procesor sygnałowy, który odbiera drugi prąd i który przetwarza jeden lub więcej sygnałów pomiarowych czujnika z elementu przyrządu dla wytwarzania sygnału danych, przy czym procesor sygnałowy reguluje trzeci prąd, aby zapobiec szybkości zmian trzeciego prądu, który mógłby powodować zakłócenia cyfrowej komunikacji w dwuprzewodowej magistrali;

zasilacz przetwarzający sygnały, dołączony do procesora sygnałowego, przy czym procesor sygnałowy i zasilacz przetwarzający sygnały są dołączone przez magistralę dwuprzewodową i równolegle do zasilacza komunikacyjnego i systemu komunikacyjnego, a zasilacz przetwarzający sygnały

PL 215 583 B1 dostarcza drugi prąd, zasadniczo stałe napięcie i drugą moc do procesora sygnałowego, przy czym zasilacz przetwarzający sygnały bocznikuje nadmiarowy prąd;

zasilacz prądu sterującego, dołączony do elementu przyrządu, przy czym element przyrządu i zasilacz prądu sterującego są dołączone przez magistralę dwuprzewodową i równolegle do zasilacza komunikacyjnego i systemu komunikacyjnego i dalej równolegle do zasilacza przetwarzającego sygnały i procesora sygnałowego, a zasilacz prądu sterującego dostarcza trzeci prąd, zasadniczo stałe napięcie i trzecią moc do elementu przyrządu;

przy czym pierwszy prąd, drugi prąd i trzeci prąd stanowią całkowity prąd urządzenia, a przyrząd magistrali dwuprzewodowej reguluje całkowity prąd urządzenia w celu utrzymania impedancji charakterystycznej.

Korzystnie, przyrząd magistrali dwuprzewodowej zawiera nadajnik przepływomierza.

Korzystnie, impedancja charakterystyczna przyrządu magistrali dwuprzewodowej jest stała, gdy przyrząd magistrali dwuprzewodowej przewodzi komunikaty.

Korzystnie, szybkość zmian trzeciego prądu w elemencie przyrządu jest ograniczona do występowania z szybkościami lub częstotliwościami, które nie będą zakłócać komunikacji cyfrowej w magistrali dwuprzewodowej.

Korzystnie, przyrząd magistrali dwuprzewodowej zawiera ponadto:

system komunikacyjny, zawierający procesor komunikacyjny, który odbiera pierwszy prąd i który odbiera sygnał danych z procesora sygnałowego, generuje cyfrowy sygnał komunikacyjny, zawierający sygnał danych, moduluje cyfrowy sygnał komunikacyjny na magistrali dwuprzewodowej, i przekazuje pierwszy rozkaz poziomu prądu do zasilacza komunikacyjnego, przy czym zasilacz komunikacyjny dostarcza pierwszy prąd zasadniczo zgodnie z pierwszym rozkazem poziomu prądu;

urządzenie obniżające napięcie, włączone między zasilacz przetwarzający sygnały i procesor sygnałowy i skonfigurowane do dostarczania określonego z góry poziomu napięcia do procesora sygnałowego, regulator napięcia bocznikującego, dołączony do zasilacza przetwarzającego sygnały i urządzenia obniżającego napięcie, przy czym regulator napięcia bocznikującego bocznikuje prąd nadmiarowy niewymagany przez procesor sygnałowy, zasilacz przetwarzający sygnały, dołączony do urządzenia obniżającego napięcie i regulatora napięcia bocznikującego, przy czym zasilacz przetwarzający sygnały, procesor sygnałowy, urządzenie obniżające napięcie i regulator napięcia bocznikującego są dołączone przez magistralę dwuprzewodową i równolegle do zasilacza komunikacyjnego i procesora komunikacyjnego;

zasilacz prądu sterującego dołączony poprzez magistralę dwuprzewodową i równolegle do zasilacza komunikacyjnego i procesora komunikacyjnego i dalej równolegle do zasilacza przetwarzającego sygnały, procesora sygnałowego, urządzenia obniżającego napięcie i regulatora napięcia bocznikującego.

Przedmiot wynalazku, w przykładach wykonania, jest przedstawiony na rysunku.

Ten sam numer odniesienia reprezentuje ten sam element na wszystkich rysunkach.

Fig. 1 pokazuje magistralę dwuprzewodową według stanu techniki, taką jak magistrala dwuprzewodowa FIELDBUS™ stosowana powszechnie w oprzyrządowaniu przemysłowym,

Fig. 2 pokazuje typowy przyrząd ze stanu techniki, dołączony do magistrali dwuprzewodowej, pokazując, jak jest stosowana moc elektryczna z magistrali dwuprzewodowej,

Fig. 3 jest schematem blokowym przyrządu według wykonania wynalazku,

Fig. 4 pokazuje środowisko operacyjne, które zawiera trzy przyrządy,

Fig. 5 jest schematem przyrządu według wykonania wynalazku,

Fig. 6 jest schematem przyrządu według innego wykonania wynalazku,

Fig. 7 pokazuje szczegóły regulatora napięcia bocznikującego według wykonania wynalazku i

Fig. 8 pokazuje szczegóły aktualnego układu sterującego według wykonania wynalazku.

Fig. 3-8 i następujący opis przedstawiają specyficzne przykłady wynalazku dla ujawnienia specjalistom w tej dziedzinie, jak wykonać i zastosować najlepszy rodzaj wynalazku. W celu ujawnienia zasad wynalazku, uproszczono lub pominięto kilka konwencjonalnych aspektów wynalazku. SpecjaliPL 215 583 B1 ści w tej dziedzinie docenią odmiany tych przykładów, które znajdują się w granicach zakresu wynalazku. Specjaliści w tej dziedzinie docenią, że cechy opisane poniżej mogą być połączone w różny sposób dla tworzenia wielu odmian wynalazku. W wyniku wynalazek nie jest ograniczony do określonych przykładów opisanych poniżej, lecz tylko przez zastrzeżenia i ich ekwiwalenty.

Fig. 3 jest schematem blokowym przyrządu 300 według wykonania wynalazku. Przyrząd 300 zawiera element 304 przyrządu i elektryczny interfejs 302. Elektryczny interfejs 302 jest dołączony do elementu 304 przyrządu i jest dołączony do magistrali dwuprzewodowej 308.

Ponieważ przyrząd 300 w jednym wykonaniu może być tylko urządzeniem dołączonym urządzenia warunkującego magistralę (patrz fig. 4 i załączone omówienie), elektryczny interfejsu 302 może pobierać w przybliżeniu cały dostępny prąd elektryczny i moc elektryczną z magistrali dwuprzewodowej 308. Na przykład, przyrząd 300 może pobierać do około 130 miliamperów (mA) z całego I.S. FIELDBUS™. W niektórych zastosowaniach, zależnie od lokalizacji potwierdzenia i charakterystyki niebezpiecznego środowiska, ten prąd elektryczny 130 mA jest maksymalną wartością prądu, jaką urządzenie warunkujące magistralę może dostarczyć przy ograniczeniach I.S. Dlatego przyrząd 300 może być urządzeniem całkowicie bezpiecznym wewnętrznie, jeżeli potrzeba, bez konieczności zastosowania elektrycznych urządzeń zaporowych i konieczności zastosowania dodatkowego zasilania zewnętrznego. W dodatku przyrząd 300, ponieważ jest całkowicie bezpieczny wewnętrznie, nie wymaga zastosowania dużej i drogiej obudowy przeciwwybuchowej. Alternatywnie przyrząd 300 może być stosowany w środowiskach nie będących niebezpiecznymi lub o małym niebezpieczeństwie.

Magistrala dwuprzewodowa 308 może dostarczać całą moc elektryczną do przyrządu 300 i może zapewniać komunikację cyfrową między przyrządem 300 i innymi urządzeniami. Impedancja przyrządu 300 magistrali dwuprzewodowej w jednym wykonaniu jest zasadniczo stała, podczas gdy magistrala dwuprzewodowa przewodzi komunikaty. Magistrala dwuprzewodowa 308 może dostarczać moc elektryczną, która jest ograniczona prądem, napięciem i mocą. Magistrala dwuprzewodowa 308 może dostarczać wewnętrznie bezpieczne (I.S.) prąd i napięcie elektryczne. Magistrala dwuprzewodowa 308 w pewnych wykonaniach może dostarczać do około 130 mA prądu elektrycznego do przyrządu 300 i może zwykle dostarczać do około 15 woltów (V). Jednak, zależnie od zdolności zapłonu w środowisku, mogą być stosowane większe poziomy napięcia i prądu (i mogą powodować inne niebezpieczne standardy lokalizacji).

Element 304 przyrządu może pobierać moc elektryczną i wytwarza jeden lub więcej sygnałów, takich jak sygnał pomiarowy czujnika, które są związane ze zjawiskami fizycznymi. Element 304 przyrządu może zawierać dowolnego rodzaju czujniki, przetworniki, sterowniki itd. i ich kombinację. W jednym wykonaniu element 304 przyrządu zawiera sterownik rury przepływowej, który wprawia w drgania rurę przepływową i zawiera ponadto jeden lub więcej czujników przetwornikowych, które wyczuwają drgania rury przepływowej. Jeden lub więcej czujników przetwornikowych może modulować związek prądu elektrycznego i/lub fazy prądu elektrycznego płynącego przez element 304 przyrządu dla wytworzenia sygnałów pomiarowych czujnika. Element 304 przyrządu może zawierać przepływomierz Coriolisa, przepływomierz turbinowy, przepływomierz magnetyczny itd.

Elektryczny interfejs 302 sprzęga element 304 przyrządu i magistralę dwuprzewodową 308. Elektryczny interfejs 302 dostarcza moc elektryczną do elementu 304 przyrządu (i do dowolnego związanego z nim układu przetwarzającego) w sposób zgodny z charakterystyką magistrali dwuprzewodowej 308. Elektryczny interfejs 302 przewodzi również komunikaty cyfrowe przez magistralę dwuprzewodową 308. Dlatego elektryczny interfejs 302 dostarcza moc elektryczną do systemu komunikacyjnego, dostarcza moc elektryczną elementu sterującego i dostarcza moc elektryczną do procesora sygnałowego i związanego(ych) z nim czujnika(ów).

Elektryczny interfejs 302 może być zdolny I.S. i może być dołączony do magistrali dwuprzewodowej I.S. Jednak elektryczny interfejs 302 nie musi wykonywać całkowitego ograniczania prądu, napięcia i mocy, gdy magistrala dwuprzewodowa 308 jest całkowicie I.S. To może korzystnie wyeliminować konieczność zastosowania elektrycznych urządzeń zaporowych w przyrządzie 300. To może także korzystnie wyeliminować konieczność zastosowania dużej i kosztownej obudowy przeciwwybuchowej dla przyrządu 300. Ponadto to może wyeliminować zastosowanie oddzielnego, zewnętrznego źródła zasilania, z wymaganiami odnośnie towarzyszących kosztów, okablowania i bariery.

Przyrząd 300 może opcjonalnie zawierać obudowę przeciwwybuchową jako nadzwyczajny poziom bezpieczeństwa. Przyrząd 300 może ponadto opcjonalnie wykorzystywać inne sposoby zabezpieczenia znane w stanie techniki.

PL 215 583 B1

Fig. 4 pokazuje środowisko operacyjne 400, które zawiera trzy przyrządy 300A, 300B i 3000. Każdy przyrząd 300A, 300B i 3000 jest dołączony do odpowiedniego układu warunkującego 400A, 400B i 4000 magistrali przez magistralę dwuprzewodową 308A, 308B i 3080 (urządzenia terminatorów magistrali nie są pokazane dla uproszczenia). Magistrale dwuprzewodowe 308A-308C mogą być magistralami I.S. lub nie I.S. Bariery 400A, 400B i 4000 magistrali są dołączone do źródła zasilania 404, które nie musi być urządzeniem zasilającym I.S. Bariery 400A, 400B i 4000 magistrali zapewniają izolację elektryczną i ograniczenie prądu, napięcia i mocy każdej z magistrali dwuprzewodowych 308A, 308B i 3080. Przyrządy 300A, 300B i 3000 mogą pobierać całą ilość mocy elektrycznej dostarczonej przez urządzenia warunkujące 400A, 400B i 4000 magistrali. To jest kontrastowe względem rozwiązania ze stanu techniki, które jest pokazane na fig. 1. Alternatywnie wiele przyrządów 300 może być dołączonych do pojedynczego układu warunkującego 400 magistrali (patrz linie przerywane).

Fig. 5 jest schematem przyrządu 500 według wykonania wynalazku. Numery odniesienia, podobnie jak poprzednie figury, wskazują wspólne elementy. Przyrząd 500 zawiera system komunikacyjny 511, procesor sygnałowy 512 i element 304 przyrządu. Przyrząd 500 zawiera ponadto zasilacz komunikacyjny 501, zasilacz czujnikowy 502 i zasilacz 503 prądu sterującego. Przyrząd 500 jest przeznaczony do użycia z magistralą dwuprzewodową 308.

Przyrząd 500 może zawierać na przykład układ elektroniczny przepływomierza. Przyrząd 500, w różnych wykonaniach pokazanych i omówionych tutaj, może zawierać nadajnik przepływomierza, który generuje i nadaje sygnały pomiarowe przepływomierza. Bardziej szczegółowo, przyrząd 500 może zawierać nadajnik przepływomierza Coriolisa, który generuje i nadaje sygnały przepływomierza, które są mierzone przez urządzenie rury przepływowej Coriolisa.

Magistrala dwuprzewodowa 308 w jednym wykonaniu stanowi magistralę dwuprzewodową zgodną ze standardem FOUNDATION FIELDBUS™. Mechanizm sygnalizacyjny warstwy fizyczn ej FOUNDATION FIELDBUS™ wymaga stałej impedancji charakterystycznej w określonym paśmie częstotliwości. Zgodnie z tym urządzenia na magistrali transmitują dane w wyniku zmian prądu, jaki pobierają przy szczególnej częstotliwości sygnalizacji.

Urządzenia na magistrali odbierają dane przez obserwację napięcia uzyskiwanego na impedancji charakterystycznej w wyniku zmiany prądu.

Jedna cecha tego mechanizmu jest taka, że prąd stały może być pobierany z magistrali bez oddziaływania na komunikację, ponieważ to nie zmienia impedancji charakterystycznej dla prądu przemiennego. Inna cecha tego mechanizmu jest taka, że przyrząd 500 nie może pozwolić na zmiany prądu, które mogłyby być wystarczająco szybkie dla interpretacji w protokole FIELDBUS™ jako sygnał komunikacyjny. Gdy przyrząd 500 zawiera przepływomierz, szybkie zmiany prądu czujnika nie mogą być natychmiast możliwe z powodu tego ograniczenia. Jedną sytuacją, w jakiej może to nastąpić, jest sytuacja, gdy na przykład pęcherzyki powietrza są wprowadzane do ciekłego materiału płynącego przez przepływomierz.

Urządzenie warunkujące 400 magistrali (patrz fig. 4) może zapewniać w razie potrzeby wewnętrznie bezpieczny poziom prądu, napięcia i mocy elektrycznej na magistrali dwuprzewodowej 308. Urządzenie warunkujące 400 magistrali w jednym wykonaniu może stanowić urządzenie zaporowe Fieldbus Intrinsically Safe 0Oncept(FIS0O)FIELDBUS™. Przyrząd 500 według wynalazku może być zaprojektowany do poboru zasadniczo maksymalnego dostępnego prądu z urządzenia warunkującego 400 magistrali. To jest dokonywane podczas regulacji całkowitego prądu It urządzenia tak, żeby utrzymać impedancję charakterystyczną wymaganą dla komunikacji i przy dostarczaniu regulowanego napięcia stałego dla układu wspomagania (patrz także fig. 6 i załączone omówienie). Alternatywnie przyrząd 500 może pobierać mniejszy niż maksymalny dostępny prąd i dlatego wiele przyrządów 500 może być dołączonych do pojedynczego urządzenia warunkującego 400 magistrali.

Zasilacz komunikacyjny 501, zasilacz 502 przetwarzający sygnały i zasilacz 503 prądu sterującego mogą zawierać urządzenia regulujące prąd. Takie zasilacze regulujące prąd są wykorzystywane szeregowo z innymi elementami na magistrali dwuprzewodowej 308 w celu wykorzystania dużej impedancji wyjściowej, która jest charakterystyczna dla źródła prądu. To zapobiega oddziaływaniu impedancji wewnętrznych przyrządu 500 (takiemu jak ładowanie czujnika, pobieranie prądu DSP lub inne wewnętrzne składowe bierne) na zewnętrzną impedancję charakterystyczną, widzianą przy magistrali dwuprzewodowej 308. Dlatego trzy niezależne zasilacze/źródła prądu sterują pierwszym prądem 1 (nadawania komunikacji), trzecim prądem I3 (sterowania czujnikiem) i drugim prądem h (przetwarzania sygnałów) wymaganym do zasilania procesora sygnałowego 512 (lub procesora sygnałowego 512 i związanego z nim układu, patrz fig. 6).

PL 215 583 B1

Element 304 przyrządu odbiera moc elektryczną z zasilacza 503 prądu sterującego i moduluje prąd sterujący w pewien sposób. Element 304 przyrządu w jednym wykonaniu zawiera jeden lub więcej czujników przetwornikowych rury przepływowej, takich jak na przykład czujniki przetwornikowe rury przepływowej Coriolisa. Każdy czujnik przetwornikowy moduluje prąd elektryczny w oparciu o ruch rury przepływowej, przy czym różnica fazy między sygnałami pomiarowymi czujnika reprezentuje masowe natężenie przepływu materiału ciekłego.

Procesor sygnałowy 512 odbiera energię elektryczną z zasilacza 502 przetwarzającego sygnały. W dodatku procesor sygnałowy 512 wysyła sygnał poziomu prądu sterującego do zasilacza 503 prądu sterującego na magistrali lub linii 523. Sygnał poziomu prądu sterującego steruje prądem sterującym płynącym przez aktywny element 304 przyrządu, tak jak na przykład przez sterownik rury przepływowej. Procesor sygnałowy 512 odbiera także sygnały pomiarowe czujnika na magistrali lub linii 523, jak modulowane przez element 304 przyrządu. Procesor sygnałowy 512 może wykonywać kalibracje i obróbkę sygnałów pomiarowych czujnika w celu wytwarzania sygnału danych reprezentującego masowe natężenie przepływu i/lub gęstość materiału.

Przez magistralę lub linię 523 procesor sygnałowy 512 może regulować trzeci prąd I3, na przykład regulując i/lub ograniczając prąd sterujący podczas występowania wielkich zmian masowego natężenia przepływu. W dodatku zasilacz 503 prądu sterującego może ograniczać szybkość zmian trzeciego prądu I3 przez element 304 przyrządu dla uniknięcia zakłócania łączności cyfrowej przez magistralę dwuprzewodową 308. Zasilacz 503 prądu sterującego może ograniczać zmiany prądu występujące z szybkościami (tj. częstotliwościami), które nie będą oddziaływać wzajemnie z typową częstotliwością komunikacyjną 32 kHz pasma.

System komunikacyjny 511 odbiera energię elektryczną z zasilacza komunikacyjnego 501. System komunikacyjny 511 może zawierać tor sprzężenia zwrotnego 521, który umożliwia systemowi komunikacyjnemu 511 sterować/modulować pierwszy prąd 1 dostarczany przez zasilacz komunikacyjny 501. System komunikacyjny 511 odbiera sygnał danych z procesora sygnałowego 512 przez magistralę lub linię 522 i generuje cyfrowy sygnał komunikacyjny, który jest przesyłany przez magistralę dwuprzewodową 308.

System komunikacyjny 511 generuje wyjściowe cyfrowe sygnały komunikacyjne przez modulację prądu płynącego przez magistralę dwuprzewodową 308, w paśmie częstotliwości skupionych wokół 32 kHz. Na przykład, pierwszy prąd 1 może zawierać dwa dyskretne poziomy Ι^α i Jjb prądu, które stanowią reprezentację cyfrowej jedynki lub reprezentację cyfrowego zera. Dlatego drugi prąd I2 może być sterowany przez zasilacz 502 przetwarzający sygnały tak, że drugi prąd I2 jest zasadniczo prądem stałym.

Przy zastosowaniu przepływomierza, trzeci prąd I3 może zmieniać się w odpowiedzi na strumień materiału w rurze przepływowej przepływomierza. W konsekwencji zmiana całkowitego prądu It może reprezentować tylko zmiany pierwszego prądu Ι1 tj. zmiany całkowitego prądu It reprezentują po prostu cyfrowy sygnał komunikacyjny. W jednym wykonaniu jest to realizowane przez bocznikujący prąd nadmiarowy w gałęzi zasilacza przetwarzającego sygnały przyrządu 500, co zostanie omówione w połączeniu z fig. 6. W dodatku system komunikacyjny 511 może odbierać sygnały cyfrowe przez magistralę dwuprzewodową 308, takie jak rozkazy, kalibracje itd. i może przekazywać je do procesora sygnałowego 512.

Fig. 6 jest schematem przyrządu 600 według innego wykonania wynalazku. Numery odniesienia, podobnie jak na poprzednich figurach, wskazują wspólne elementy. Przyrząd 600 w tym wykonaniu zawiera zasilacz komunikacyjny 501, zasilacz 502 przetwarzający sygnały, zasilacz 503 prądu sterującego i element 304 przyrządu. W tym wykonaniu procesor sygnałowy 512 może stanowić procesor sygnału cyfrowego (DSP) i może zawierać ponadto urządzenie obniżające 604 napięcie i regulator 605 napięcia bocznikującego. W dodatku w tym wykonaniu system komunikacyjny 511 zawiera procesor komunikacyjny 616.

Procesor sygnałowy 512 odbiera sygnał poziomu prądu sterującego i sygnały pomiarowe czujnika z zasilacza 503 prądu sterującego. Procesor sygnałowy 512 przetwarza sygnały pomiarowe czujnika dla otrzymania masowego natężenia przepływu materiału płynącego przez rurę przepływową dołączoną do przyrządu 600. W dodatku procesor sygnałowy 512 może dostarczać sygnały sprzężenia zwrotnego do zasilacza 503 prądu sterującego, które może regulować prąd sterujący, jak omówiono poprzednio.

Regulator 605 napięcia bocznikującego jest połączony szeregowo z zasilaczem 502 przetwarzającym sygnały, żeby zapobiec nasyceniu zasilacza 502 przetwarzającego sygnały, gdy pobór prą8

PL 215 583 B1 du procesora sygnałowego 512 jest mniejszy niż sygnał zadający cyfrowego źródła prądu. Regulator napięcia bocznikującego bocznikuje nadmiarowy prąd niewymagany przez procesor sygnałowy 512 dla utrzymania zasadniczo stałego napięcia dla urządzenia obniżającego 604 napięcie.

Urządzenie obniżające 604 napięcie przetwarza napięcie dostarczane do procesora sygnałowego 512 do niższego poziomu napięcia. Dlatego napięcie uzyskiwane z magistrali dwuprzewodowej 308 nie oddziałuje na napięcie dostarczane do procesora sygnałowego 512. Urządzenie obniżające 604 napięcie może zawierać na przykład mikroukład lub układ regulatora napięcia stałego.

Procesor komunikacyjny 616 odbiera sygnał danych z procesora sygnałowego 512. Procesor komunikacyjny 616 może mierzyć pierwszy (tj. komunikacyjny) prąd 1 i modulować prąd pobierany na magistrali dwuprzewodowej 308 dla przesyłania sygnału danych przez magistralę dwuprzewodową 308 jako cyfrowy sygnał komunikacyjny prądu stałego (DC), jak to omówiono poprzednio.

Fig. 7 pokazuje szczegóły regulatora 605 napięcia bocznikującego według wykonania wynalazku. W pokazanym wykonaniu regulator 605 napięcia bocznikującego zawiera wzmacniacz Aj, tranzystor Ql, rezystory R i R₂ oraz źródło napięcia V odni^-

Tranzystor Q₂ może stanowić dowolny właściwy tranzystor, taki jak tranzystor mocy. Jednym właściwym typem tranzystora jest tranzystor połowy typu metal- tlenek-półprzewodnik (MOSFET), który jest zdolny do pracy przy wysokich poziomach prądu. Tranzystor Q₂ w pokazanym wykonaniu stanowi tranzystor MOSFET o kanale wzbogaconym typu n, taki jak tranzystor MOSFET IRF220, wprowadzony na rynek przez International Rectifier, El Segundo, Kalifornia.

Wzmacniacz A może stanowić dowolny właściwy wzmacniacz, taki jak wzmacniacz operacyjny. Wejście dodatnie wzmacniacza A₁ jest spolaryzowane przez układ dzielnika napięcia, zawierający rezystory R i R₂. W jednym wykonaniu R ma wartość około 50 kiloomów i R₂ ma wartość około 5 kiloomów, przy dostarczaniu napięcia wejściowego na dodatnim wejściu około 5/55 napięcia magistrali. Mogą być także zastosowane inne wartości. Napięcie odniesienia V_ODN1 zapewnia zasadniczo stałe napięcie dla ujemnego wejścia wzmacniacza Aj, W jednym wykonaniu napięcie odniesienia V_ODN1 zapewnia około 2,5 woltów dla ujemnego wejścia wzmacniacza. Napięcie odniesienia V_ODN1może dostarczać regulator napięcia lub inne urządzenie, które dostarcza zasadniczo stałe napięcie. Alternatywnie napięcie odniesienia V_ODN1 może pochodzić z oddzielnego źródła zasilania, takiego jak bateria.

Podczas pracy regulator 605 napięcia bocznikującego polaryzuje tranzystor Q₂ tak, żeby regulować prąd płynący przez rezystory R i R₂ i dlatego utrzymywać zasadniczo stałe napięcie V_STAŁE na obciążeniu 700. Obciążenie 700 może stanowić obciążenie rezystancyjne/pojemnościowe.

Fig. 8 pokazuje szczegóły obwodu sterującego 800 prądem według wykonania wynalazku. Obwód sterujący 800 prądem może być stosowany w dowolnym zasilaczu komunikacyjnym 501, zasilaczu 502 przetwarzającym sygnały i zasilaczu 503 prądu sterującego. Obwód sterujący 800 prądem może być stosowany w kombinacji z regulatorem 605 napięcia bocznikującego, przy czym obciążenie 808 i obciążenie 700 stanowią jedno wspólne obciążenie. Obwód sterujący 800 prądem zawiera tranzystor Q₂, wzmacniacz A^, rezystor R3 i źródło napięcia V_ODN2. Obwód sterujący 800 prądem ogranicza prąd płynący przez obciążenie 808 i dlatego zapewnia zasadniczo stały pobór prądu I_STAŁE przez obciążenie 800. Obciążenie 808 może stanowić obciążenie rezystancyjne/pojemnościowe.

Tranzystor Q₂ może stanowić dowolny właściwy tranzystor, taki jak tranzystor mocy, zawierający tranzystor MOSFET. Tranzystor Q₂ w pokazanym wykonaniu stanowi tranzystor MOSFET o kanale wzbogaconym typu p, taki jak tranzystor MOSFET IRF 9130, wprowadzony na rynek przez International Rectifier, El Segundo, Kalifornia.

Wzmacniacz A może zawierać dowolny właściwy wzmacniacz, taki jak wzmacniacz operacyjny. Dodatnie wejście wzmacniacza A₂ jest spolaryzowane przez napięcie generowane przez ustalony prąd. I_STAŁE płynący przez rezystor polaryzujący R3. W jednym wykonaniu R3 ma wartość około 10 omów. Gdy I_STAŁE wynosi około 130 miliamperów, napięcie na dodatnim wejściu wzmacniacza wynosi około 1,3 wolta. Jednak mogą być stosowane inne wartości.

Napięcia odniesienia V_ODN2 zapewnia zasadniczo stałe napięcie dla ujemnego wejścia wzmacniacza Ag. W jednym wykonaniu napięcie odniesienia V_ODN2 zapewnia około jeden wolt do ujemnego wejścia wzmacniacza. Napięcia odniesienia V_ODN2 może pochodzić z regulatora napięcia lub innego urządzenia, które dostarcza zasadniczo stałe napięcie. Alternatywnie napięcie odniesienia V_ODN2 może pochodzić z oddzielnego źródła zasilania, takiego jak bateria.

Podczas pracy wzmacniacz A₂ jest spolaryzowany przez zasadniczo stałe napięcie i polaryzuje tranzystor Q₂ dla utrzymania zasadniczo ustalonego prądu wyjściowego I_STAŁE· Jeżeli I_STAŁE wzrasta

PL 215 583 B1 lub spada, napięcie na rezystorze polaryzującym R3 zmienia się, regulując sygnał wyjściowy wzmacniacza A2 i dlatego kompensując polaryzację tranzystora Q2.

Przyrząd według wynalazku może być zbudowany według dowolnego z wykonań w celu zapewnienia kilku zalet. Przyrząd może być zbudowany tak, żeby być całkowicie wewnętrznie bezpieczny, jeżeli jest to żądane. Przyrząd może być zbudowany tak, żeby eliminować elementy lub części nie-I.S. Zdolność zastosowania urządzenia warunkującego magistrali dla pojedynczego przyrządu umożliwia budowę przyrządu bez potrzeby zastosowania elektrycznych urządzeń/obwodów zaporowych w przyrządzie. W jednym wykonaniu zastosowanie urządzenia warunkującego magistrali każdego przyrządu umożliwia budowę przyrządu potrzeby specjalnej obudowy dla przyrządu, takiej obudowa przeciwwybuchowa.

Claims

1. Sposób wytwarzania sygnału danych w przyrządzie magistrali dwuprzewodowej, przy czym sposób obejmuje odbieranie trzeciego prądu w elemencie przyrządu, a element przyrządu generuje jeden lub większą liczbę sygnałów pomiarowych, odbieranie przez system komunikacyjny pierwszego prądu, odbieranie przez system komunikacyjny sygnału danych od procesora sygnałowego, modulowanie przez system komunikacyjny pierwszego prądu zgodnie z sygnałem danych w celu wytworzenia cyfrowego sygnału komunikacyjnego i modulowanie przez system komunikacyjny cyfrowego sygnału komunikacyjnego na magistrali dwuprzewodowej; i przy czym sposób jest, znamienny tym, że:

reguluje się przez procesor sygnałowy (512) trzeci prąd przepływający przez element (304) przyrządu przez generowanie i wysyłanie sygnału poziomu prądu sterującego do zasilacza (503) prądu sterującego;

odbiera się przez procesor sygnałowy (512) drugi prąd;

odbiera się przez procesor sygnałowy (512) jeden lub większą liczbę sygnałów pomiarowych czujnika wytwarzanych przez element (304) przyrządu;

tworzy się przez procesor sygnałowy (512) sygnał danych z jednego lub większej liczby sygnałów pomiarowych czujnika;

przesyła się przez procesor sygnałowy (512) sygnał danych do systemu komunikacyjnego (511); i bocznikuje się przez zasilacz (502) przetwarzający sygnały nadmiarowy drugi prąd, przy czym pierwszy prąd, drugi prąd i trzeci prąd stanowią całkowity prąd urządzenia, a przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej (308) reguluje całkowity prąd urządzenia w celu utrzymania impedancji charakterystycznej.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej zawiera nadajnik przepływomierza i element (304) przyrządu zawiera co najmniej jeden sterownik rury przepływowej i jeden lub więcej czujników przetwornikowych.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej zawiera nadajnik przepływomierza Coriolisa.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że impedancja przyrządu (500) magistrali dwuprzewodowej jest stała, gdy przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej przewodzi komunikaty.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej jest wewnętrznie bezpieczny (I.S.).

6. Przyrząd magistrali dwuprzewodowej, przystosowany do użycia z magistralą dwuprzewodową, zawierający element przyrządu, który odbiera trzeci prąd i który generuje jeden lub więcej sygnałów pomiarowych czujnika, system komunikacyjny, który odbiera pierwszy prąd i który odbiera sygnał danych z procesora sygnałowego, generuje cyfrowy sygnał komunikacyjny, zawierający sygnał danych i moduluje cyfrowy sygnał komunikacyjny na magistrali dwuprzewodowej, oraz zasilacz komunikacyjny, dołączony do systemu komunikacyjnego, przy czym zasilacz komunikacyjny i system komunikacyjny są połączone przez magistralę dwuprzewodową, a zasilacz komunikacyjny dostarcza pierwszy prąd, zasadniczo stałe napięcie i pierwszą moc do systemu komunikacyjnego, przy czym system komunikacyjny moduluje pierwszy prąd z wykorzystaniem zasilacza komunikacyjnego;

przy czym przyrząd magistrali dwuprzewodowej jest, znamienny tym, że zawiera:

procesor sygnałowy (512), który odbiera drugi prąd i który przetwarza jeden lub więcej sygnałów pomiarowych czujnika z elementu (304) przyrządu dla wytwarzania sygnału danych, przy czym

PL 215 583 B1 procesor sygnałowy (512) reguluje trzeci prąd, aby zapobiec szybkości zmian trzeciego prądu, który mógłby powodować zakłócenia cyfrowej komunikacji w dwuprzewodowej magistrali (308);

zasilacz (502) przetwarzający sygnały, dołączony do procesora sygnałowego (512), przy czym procesor sygnałowy (512) i zasilacz (502) przetwarzający sygnały są dołączone przez magistralę dwuprzewodową (308) i równolegle do zasilacza komunikacyjnego (501) i systemu komunikacyjnego (511), a zasilacz (502) przetwarzający sygnały dostarcza drugi prąd, zasadniczo stałe napięcie i drugą moc do procesora sygnałowego (512), przy czym zasilacz (502) przetwarzający sygnały bocznikuje nadmiarowy prąd;

zasilacz (503) prądu sterującego, dołączony do elementu (304) przyrządu, przy czym element (304) przyrządu i zasilacz (503) prądu sterującego są dołączone przez magistralę dwuprzewodową (308) i równolegle do zasilacza komunikacyjnego (501) i systemu komunikacyjnego (511) i dalej równolegle do zasilacza (502) przetwarzającego sygnały i procesora sygnałowego (512), a zasilacz (503) prądu sterującego dostarcza trzeci prąd, zasadniczo stałe napięcie i trzecią moc do elementu (304) przyrządu;

przy czym pierwszy prąd, drugi prąd i trzeci prąd stanowią całkowity prąd urządzenia, a przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej reguluje całkowity prąd urządzenia w celu utrzymania impedancji charakterystycznej.

7. Przyrząd magistrali dwuprzewodowej według zastrz. 6, znamienny tym, że przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej zawiera nadajnik przepływomierza.

8. Przyrząd magistrali dwuprzewodowej według zastrz. 6, znamienny tym, że przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej zawiera nadajnik przepływomierza i element (304) przyrządu zawiera co najmniej jeden sterownik rury przepływowej i jeden lub więcej czujników przetwornikowych.

9. Przyrząd magistrali dwuprzewodowej według zastrz. 6, znamienny tym, że przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej zawiera nadajnik przepływomierza Coriolisa.

10. Przyrząd magistrali dwuprzewodowej według zastrz. 6, znamienny tym, że przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej jest wewnętrznie bezpieczny (I.S.).

11. Przyrząd magistrali dwuprzewodowej według zastrz. 6, znamienny tym, że impedancja charakterystyczna przyrządu (500) magistrali dwuprzewodowej jest stała, gdy przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej przewodzi komunikaty.

12. Przyrząd magistrali dwuprzewodowej według zastrz. 6, znamienny tym, że szybkość zmian trzeciego prądu w elemencie przyrządu jest ograniczona do występowania z szybkościami lub częstotliwościami, które nie będą zakłócać komunikacji cyfrowej w magistrali dwuprzewodowej.

13. Przyrząd magistrali dwuprzewodowej według zastrz. 6, znamienny tym, że przyrząd (500) magistrali dwuprzewodowej zawiera ponadto:

system komunikacyjny (511), zawierający procesor komunikacyjny (616), który odbiera pierwszy prąd i który odbiera sygnał danych z procesora sygnałowego (512), generuje cyfrowy sygnał komunikacyjny, zawierający sygnał danych, moduluje cyfrowy sygnał komunikacyjny na magistrali dwuprzewodowej (308), i przekazuje pierwszy rozkaz poziomu prądu do zasilacza komunikacyjnego (501), przy czym zasilacz komunikacyjny dostarcza pierwszy prąd zasadniczo zgodnie z pierwszym rozk azem poziomu prądu;

urządzenie obniżające (604) napięcie, włączone między zasilacz (502) przetwarzający sygnały i procesor sygnałowy (512) i skonfigurowane do dostarczania określonego z góry poziomu napięcia do procesora sygnałowego (512), regulator (605) napięcia bocznikującego, dołączony do zasilacza (502) przetwarzającego sygnały i urządzenia obniżającego (604) napięcie, przy czym regulator (605) napięcia bocznikującego bocznikuje prąd nadmiarowy niewymagany przez procesor sygnałowy (512), zasilacz (502) przetwarzający sygnały, dołączony do urządzenia obniżającego (604) napięcie i regulatora (605) napięcia bocznikującego, przy czym zasilacz (502) przetwarzający sygnały, procesor sygnałowy (512), urządzenie obniżające (604) napięcie i regulator (605) napięcia bocznikującego są dołączone przez magistralę dwuprzewodową (308) i równolegle do zasilacza komunikacyjnego (501) i procesora komunikacyjnego (616);

zasilacz (503) prądu sterującego dołączony poprzez magistralę dwuprzewodową (308) i równolegle do zasilacza komunikacyjnego (501) i procesora komunikacyjnego (616) i dalej równolegle do zasilacza (502) przetwarzającego sygnały, procesora sygnałowego (512), urządzenia obniżającego (604) napięcie i regulatora (605) napięcia bocznikującego.