RU2444773C1 - Технологическое полевое устройство с регулируемым стартовым напряжением - Google Patents

Технологическое полевое устройство с регулируемым стартовым напряжением Download PDF

Info

Publication number
RU2444773C1
RU2444773C1 RU2010141569/08A RU2010141569A RU2444773C1 RU 2444773 C1 RU2444773 C1 RU 2444773C1 RU 2010141569/08 A RU2010141569/08 A RU 2010141569/08A RU 2010141569 A RU2010141569 A RU 2010141569A RU 2444773 C1 RU2444773 C1 RU 2444773C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
field device
loop
current
input
Prior art date
Application number
RU2010141569/08A
Other languages
English (en)
Inventor
Джон П. ШУЛЬТЕ (US)
Джон П. ШУЛЬТЕ
Original Assignee
Роузмаунт Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=40578825&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=RU2444773(C1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Роузмаунт Инк. filed Critical Роузмаунт Инк.
Application granted granted Critical
Publication of RU2444773C1 publication Critical patent/RU2444773C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0423—Input/output
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/25—Pc structure of the system
    • G05B2219/25428—Field device
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C2201/00—Transmission systems of control signals via wireless link
    • G08C2201/10—Power supply of remote control devices

Abstract

Данная группа изобретений относится к полевым устройствам. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей полевого устройства за счет обеспечения возможности его работы на повышенной мощности. Он достигается тем, что полевое устройство содержит цепи полевого устройства, сконфигурированные для измерения технологического параметра или управления им; первый контактный зажим контура управления технологическим процессом, сконфигурированный для подсоединения к двухпроводному контуру управления технологическим процессом, причем двухпроводной контур управления технологическим процессом несет контурный ток; второй контактный зажим контура управления технологическим процессом, сконфигурированный для подсоединения к двухпроводному контуру управления технологическим процессом; импульсный стабилизатор, имеющий вход и выход, причем выход подсоединен к цепям полевого устройства и выполнен с возможностью обеспечения питанием цепей полевого устройства; и регулятор переменного напряжения, имеющий вход, электрически связанный с первым контактным зажимом контура управления технологическим процессом, и выход напряжения, соединенный с входом импульсного стабилизатора, и вход управления, при этом полевое устройство сконфигурировано так, что напряжение на выходе напряжения является функцией входа управления. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к полевым устройствам. А именно, настоящее изобретение относится к полевым устройствам, получающим питание от двухпроводного контура управления технологическим процессом.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Технологические устройства используются в промышленных системах управления технологическими процессами, чтобы контролировать и/или управлять производственными процессами. Управляющее устройство является технологическим устройством, которое используется для управления технологическим процессом. Примеры управляющих устройств включают в себя насосы, клапаны, приводы, соленоиды, двигатели, миксеры, мешалки, измельчители, дробилки, прокатчики, мельницы, шаровые мельницы, месильные машины, фильтры, смесители, циклонные уловители, центрифуги, башенные опоры, сушилки, конвейеры, сепараторы, подъемники, лебедки, обогреватели, холодильники и другое подобное оборудование. Передающее устройство является технологическим устройством, которое используется для распознавания (или контроля) функционирования технологического процесса, например, контролируя технологический параметр, такой как температура, давление, расход и т.д. Контролируемый технологический параметр передается, так что он может использоваться другим оборудованием, задействованным в технологическом процессе, например центральным диспетчерским пультом.
Двухпроводные технологические полевые устройства являются технологическими устройствами, которые находятся в удаленном пункте, или которым по иным основаниям требуется электрическая мощность, которая получается исключительно за счет подключения к двухпроводному контуру управления технологическим процессом. Двухпроводной контур управления технологическим процессом относится к проводной системе с использованием двух проводов, которая используется для переноса информации, связанной с контролируемым или управляемым технологическим процессом. Например, один стандартный тип двухпроводного контура управления технологическим процессом использует уровень тока в 4-20 мА для представления технологического параметра. В такой конфигурации передающее устройство может настраивать уровень тока на величину, например 10 мА, которая отражает распознаваемый технологический параметр, такой как давление.
Чтобы уменьшить количество проводки, необходимой для связи с технологическим устройством, многие технологические устройства запитываются исключительно напряжением, получаемым из двухпроводного контура управления технологическим процессом. Таким образом, полный объем мощности, доступной технологическому устройству, ограничен. Например, в контуре с током 4-20 мА, доступная суммарная мощность ограничивается наименьшим уровнем, при котором может быть установлен уровень тока (например, 3,6 мА), а максимальное падение напряжения в устройстве (например, несколько меньше 24 вольт) находится в безопасных пределах. Это дает менее 0,09 ватт, доступных для питания устройства.
Во многих случаях, функциональность технологического устройства ограничивается напряжением, которое доступно из двухпроводного контура управления технологическим процессом. Например, дополнительная функциональность может потребовать от микропроцессора увеличения вычислительных возможностей. Такой рост вычислительной мощности требует большего электрического напряжения и может превышать баланс напряжения, доступный из контура. Чтобы увеличить объем мощности, доступной для цепей в технологическом полевом устройстве, полевые устройства обычно используют высокоэффективные блоки питания для преобразования напряжения, получаемого из двухпроводного контура управления технологическим процессом, в стабилизированный уровень напряжения для использования внутренними цепями. Один тип блока питания, импульсный стабилизатор, использовался в технологических устройствах из-за его эффективности в обеспечении стабилизированного напряжения питания для компонентов в полевом устройстве. Например, использование импульсных стабилизаторов описывается в патенте US 5535243 от 9 июля 1996 года, БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА, УСТАНОВЛЕННОГО В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ, и в патенте US 5973942 от 26 октября 1999 года, ПУСКОВАЯ СХЕМА ДЛЯ ПОЛЕВОГО ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО СРЕДСТВА С ПИТАНИЕМ ОТ ПОСТОЯННОГО ТОКА. Однако импульсный стабилизатор может вносить шум в контур управления технологическим процессом, что может изменять или иным образом нарушать передачу информации в контуре.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Полевое передающее устройство включает в себя цепи полевого устройства, выполненные с возможностью измерения технологического параметра или управления им. Первый контактный зажим контура управления технологическим процессом выполняется с возможностью подсоединения к двухпроводному контуру управления технологическим процессом, который несет контурный ток. Второй контактный зажим контура управления технологическим процессом выполняется с возможностью подсоединения к двухпроводному контуру управления технологическим процессом. Импульсный стабилизатор имеет вход и выход. Выход подсоединяется к цепям передающего устройства и выполняется с возможностью обеспечения питанием цепей передающего устройства. Регулируемый источник напряжения имеет вход, электрически подсоединенный к первому контактному зажиму контура управления технологическим процессом, и выход напряжения, подсоединенный к входу импульсного стабилизатора, и вход управления, причем выход напряжения функционально зависит от входа управления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется описанием со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 является упрощенной схемой, показывающей систему управления или контроля технологического процесса, включающую в себя технологическое устройство, подсоединенное к двухпроводному контуру управления технологическим процессом;
Фиг.2 - упрощенная структурная схема цепей в полевом устройстве, включающем в себя блок питания для обеспечения питания устройству;
Фиг.3 - диаграмма зависимости нагрузки в омах от напряжения, показывающая предельную нагрузку для типичного передающего устройства;
Фиг.4 - диаграмма зависимости максимального нагрузочного сопротивления от напряжения блока питания для полевого устройства, имеющего регулируемое стартовое напряжение в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.5 - структурная схема полевого устройства предшествующего уровня техники, включающего в себя импульсный стабилизатор;
Фиг.6 - структурная схема полевого устройства, включающего в себя импульсный стабилизатор и линейный стабилизатор;
Фиг.7 - структурная схема полевого устройства, включающего в себя импульсный стабилизатор с регулируемым входным напряжением в соответствии с настоящим изобретением.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 показана упрощенная схема промышленной системы 100 управления или контроля технологического процесса, в которой двухпроводное технологическое полевое устройство одного типа, технологическое передающее устройство 102, подсоединено к производственному процессу, а именно к трубопроводной обвязке 104. Передающее устройство 102 также подсоединено к двухпроводному контуру 110 управления технологическим процессом, который подключен к диспетчерскому пульту 112. Контур 110 управления технологическим процессом изображен как несущий ток I, и может работать в соответствии с любой технологией, в том числе с промышленными стандартами, такими как стандарт связи HART®, стандарт Fieldbus (промышленная шина) или Profibus (открытая высокоскоростная промышленная шина), и т.д. Несмотря на то что описывается технологическое передающее устройство 102, настоящее изобретение может быть реализовано в любом технологическом устройстве, в котором желательно эффективное преобразование мощности. Диспетчерский пульт 112 может быть выполнен в виде удаленного пункта для использования операторами или другим обслуживающим персоналом или может быть выполнен в виде какого-либо конечного пункта, или пункта на контуре 110 управления технологическим процессом, или другого пункта.
На Фиг.2 показана упрощенная структурная схема передающего устройства 102, показанного на Фиг.1. Передающее устройство 102 включает в себя измерительный преобразователь 120 для связи с технологическим процессом. Например, измерительный преобразователь 120 может быть датчиком, таким как датчик давления, температуры или другим, для измерения технологического параметра. В полевом устройстве, которое способно управлять технологическим процессом, измерительный преобразователь может содержать, например, клапан, нагревательный элемент и т.д. Цепи 122 полевого устройства подсоединяются к измерительному преобразователю 120 и используются, например, для калибровки или корректировки измерений технологического параметра, вычисления технологических параметров, выполнения диагностики или любой другой функции, которая может выполняться в полевом устройстве. В общем случае, дополнительная функциональность в цепях 122 полевого устройства увеличит потребность в мощности цепей 122. Блок питания и схема 124 ввода/вывода показаны подсоединенными к цепям 122 полевого устройства и к двухпроводному контуру 110 управления технологическим процессом. Цепи 124 используются для взаимодействия по двухпроводному контуру 110 управления технологическим процессом, например для передачи измеренного или вычисленного технологического параметра по контуру 110 на диспетчерский пульт 112, показанный на Фиг.1. Цепи 124 также обеспечивают выход мощности для предоставления всей электрической мощности, необходимой цепям в пределах передающего устройства 102.
Как обсуждалось выше, технологические полевые устройства, которые полностью запитываются с использованием напряжения, получаемого из контура управления технологическим процессом, могут нуждаться в высокоэффективном стабилизаторе напряжения, чтобы удовлетворять свои потребности в напряжении. Это может подразумевать, что для питания полевого устройства используется импульсный стабилизатор. Одним из недостатков импульсного стабилизатора является то, что ему требуется относительно большой конденсатор, чтобы работать без внесения шума в систему. Это может быть особенно проблематичным в условиях, когда не могут использоваться большие величины емкости. Например, чтобы удовлетворять внутренним требованиям безопасности, количество энергии, которую может сохранять полевое устройство, ограничивается. Это затрудняет выполнение требования на ограничение шума, вносимого в двухпроводной канал связи, для обеспечения внутренних требований безопасности необходима малая мощность, передаваемая из двухпроводного контура связи, наряду с поддержанием малой емкости.
Типичные полевые устройства на 4-20 мА имеют фиксированные стартовое напряжение и потерянную мощность. Как используется в настоящем документе, "стартовым значением" является минимальное напряжение постоянного тока, необходимое на контактных зажимах устройства для обеспечения нормальной работы устройства. Например, при высоких уровнях контурного тока (например, 20 мА), параллельный стабилизатор теряет мощность на своем выходном транзисторе. Предлагались различные технологии, чтобы попытаться перехватить эту обычно теряемую мощность.
С другой стороны, в типичном контуре с нагрузочным резистором, при низких значениях контурного тока (например, 4 мА), напряжение на контактных зажимах передающего устройства будет выше заданного стартового напряжения для передающего устройства. Это означает, что мощность теряется в стабилизаторе, который используется для питания электронных схем передающего устройства. Настоящее изобретение направлено на использование этой обычно теряемой мощности. А именно, при использовании настоящего изобретения, стартовое напряжение при слабых контурных токах повышается, а дополнительная мощность используется и делается доступной электронным схемам передающего устройства. Дополнительно, при больших контурных токах, заданное стартовое напряжение снижается, в результате чего ток в рабочей точке становится больше 4 мА, но остается ниже желательной величины контурного тока. Таким образом, напряжение на контактных зажимах, требуемое для функционирования устройства, зависит от контурного тока. Более высокое напряжение на контактных зажимах требуется при слабых контурных токах (4 мА), а более низкое напряжение на контактных зажимах требуется при больших величинах тока (20 мА).
Настоящее изобретение позволяет эффективно использовать мощность в устройстве передачи технологических параметров или другом полевом устройстве, которое доступно со стороны контурного блока питания и нагрузочного резистора. Типичные спецификации для полевых устройств включают в себя диаграмму предельно допустимой нагрузки, чтобы служить ориентиром оператору при выборе блока питания и нагрузочного резистора для конкретного применения. На Фиг.3 представлена диаграмма зависимости нагрузочного сопротивления от напряжения блока питания для типичного передающего устройства. Диаграмма показывает максимальное сопротивление нагрузки для данного контурного блока питания. При этом нагрузкой является полное сопротивление контура, включающее в себя нагрузочный резистор и другие сопротивления, такие как от проводки контура и Внутренних Защитных барьеров. На Фиг.3 стартовое напряжение равно 10,5 вольт. Это минимальное напряжение, необходимое на контактных зажимах передающего устройства для работы передающего устройства.
На Фиг.4 показана диаграмма зависимости нагрузочного сопротивления от напряжения блока питания для полевого устройства в соответствии с настоящим изобретением. На Фиг.4, пунктирная линия (воспроизведена с Фиг.3) показывает соотношение для стандартного графика в полевых условиях для стандартного полевого устройства, тогда как сплошная линия показывает зависимость между максимальным нагрузочным сопротивлением и напряжением блока питания для полевого устройства в соответствии с одним примером настоящего изобретения. При такой конфигурации баланс мощности был увеличен. Эта конфигурация обусловливает для полевого устройства стартовое напряжение 15 вольт, однако "эффективным" стартовым напряжением является приблизительно 10,5 вольт. Для напряжений блока питания контура более 15,8, предельно допустимая нагрузка для полевого устройства согласно настоящему изобретению, продемонстрированная на Фиг.4, является той же, что и для стандартного полевого устройства. (Заметим, что для цифровой связи HART® требуется минимальное нагрузочное сопротивление в 250 Ом, так что обычно используется блок питания больше чем на 15,8 вольт). Питающие напряжения контура согласно промышленному стандарту обычно находятся в диапазоне от 24 до 40 вольт. Поэтому, в типичной конфигурации, пользователь не будет зависеть от новой конфигурации полевого устройства и может просто установить и эксплуатировать полевое устройство стандартным образом. Настоящее изобретение может быть реализовано с использованием любой подходящей технологии. В одном примере используется архитектура с регулируемым предварительным стабилизатором, которая обеспечивает регулируемое входное напряжение для импульсного стабилизатора. Эта конфигурация изолирует цепи, чтобы блокировать высокие контурные напряжения от импульсного стабилизатора, и изолирует шум от импульсного стабилизатора от поступления в контур управления технологическим процессом.
Далее дается более подробное разъяснение функционирования настоящего изобретения. Как обсуждалось выше, технологическому устройству необходимо достаточное напряжение, обычно называемое "стартовое напряжение", между его контактными зажимами для нормальной работы. Примером типичного "стартового напряжения" является постоянная величина, такая как 12 вольт. Пока устройство имеет, по меньшей мере, 12 вольт между его контактными зажимами, устройство будет способно нормально работать. Блок питания, который используется для работы контура управления технологическим процессом, должен выбираться так, чтобы быть достаточно мощным для обеспечения желательного падения напряжения между контактными зажимами устройства в любых условиях эксплуатации. Дополнительно, нагрузочное сопротивление входит в контур управления технологическим процессом, что также привносит падение напряжения в контуре. Нагрузочное сопротивление обычно составляет, по меньшей мере, 250 Ом, что необходимо для обеспечения измерения тока и цифровой связи HART®. Другие падения напряжения включают в себя падение напряжения в проводке и любых внутренних защитных барьерах. Таким образом, типичный блок питания, необходимый для обслуживания устройства со стартовым напряжением 12 вольт, имеет на выходе 24 вольта.
Часто бывает желательно понизить стартовое напряжение технологического устройства, поскольку это уменьшает какие-либо ограничения в отношении блока питания, который может использоваться для питания контура. Однако устройство с более низким стартовым напряжением, как правило, имеет меньше мощности, доступной для внутренних цепей.
Минимальное напряжение, доступное технологическому устройству, возникает, когда контурный ток принимает максимальное значение. Это приводит к максимальному падению напряжения на нагрузочном резисторе, а также других источниках сопротивления контура, и минимальному напряжению между контактными зажимами устройства. Например, в контуре управления технологическим процессом с питанием в 24 вольта и 500-омным нагрузочным сопротивлением, если в контуре 4 мА, на нагрузочном резисторе падение напряжения составляет 2 вольта. (Заметим, что в этом примере игнорируются величины других добавочных сопротивлений, например, от проводки и внутренних защитных барьеров.) Это влечет за собой падение на 22 вольта между контактными зажимами устройства, дающее 0,088 ватт доступной мощности. Для сравнения, когда контур работает при 20 мА, имеет место падение на 10 вольт на нагрузочном резисторе, оставляя только 14 вольт, доступные на контактных зажимах устройства. Аналогично, при 20 мА, потребление мощности устройства определяется как 20 мА × 14 вольт = 0,28 ватт. Если цепи устройства используют только 0,015 ватт, оставшаяся мощность теряется в схеме параллельного стабилизатора и просто преобразуется в теплоту. Это происходит при всех уровнях тока от 4 мА до 20 мА.
В отличие от этого благодаря настоящему изобретению эта потерянная мощность используется для понижения стартового напряжения, когда контурный ток больше чем 4 мА. Это позволяет увеличить ток в рабочей точке, используемый устройством. Точнее, стартовое напряжение устройства становится регулируемым, чтобы возместить часть потерянной мощности. Это дает ряд преимуществ, проиллюстрированных в следующих примерах.
Пример 1
Пример 1 иллюстрирует снижение ограничений, накладываемых на блок питания и нагрузочное сопротивление. В этой иллюстративной технологической установке типичное передающее устройство со стартовыми требованиями 12 вольт используется с нагрузочным сопротивлением на 500 Ом. Минимальной величиной для блока питания является:
Vps(min) = 12 В + 20 мА × 500 Ом = 22 В (1)
Однако, если реализуется полевое устройство с регулируемым стартовым напряжением в соответствии с настоящим изобретением, может использоваться более слабый блок питания. Например, стартовое напряжение может задаваться уравнением:
Vliftoff = 13,5 В - Iloop × 0,375 (2)
(Это просто один пример соотношения в настоящем изобретении, и оно не ограничивается такой конфигурацией.) Согласно Уравнению 2, когда контур работает при 4 мА, стартовое напряжение равно 12 вольт, так что требуемой максимальной величиной для блока питания является 12 вольт + 4 мА × 500 Ом = 14 вольт. Аналогично, при контурном токе 12 мА, стартовое напряжение равно 9 вольт, так что требуемой максимальной величиной для блока питания является 9 вольт + 12 мА × 500 Ом = 15 вольт. При максимальной величине контурного тока в 20 мА на контуре стартовое напряжение равно 6 вольт, так что требуемой минимальной величиной для блока питания является 6 вольт + 20 мА × 500 Ом = 16 вольт. Таким образом, контур в этом сценарии может получать питание, используя блок питания на 16 вольт, в отличие от блока питания на 22 вольта, который потребовался бы при использовании типичного технологического устройства. Аналогичный расчет может быть продемонстрирован, чтобы показать, что если используется блок питания на 24 вольта, типичное устройство со стартовыми 12 вольтами могло бы работать с максимальным нагрузочным сопротивлением не более 600 Ом. Однако при использовании устройства с регулируемым стартовым напряжением согласно настоящему изобретению блок питания на 24 вольта может использоваться в сочетании с нагрузочным сопротивлением не более 900 Ом.
Таким образом, для типичного устройства (Уравнение 1) мощность устройства ограничивается величиной (минимальный контурный ток) · (стартовое напряжение) = 3,6 мА · 12 В = 43,2 мВт.
Для устройства в соответствии с настоящим изобретением (Уравнение 2) мощность устройства ограничивается, рассматривая все контурные токи:
- при 3,6 мА стартовыми являются 12,15 В. Доступная мощность равна (3,6 мА) · (12,15) = 43,7 мВт (незначительный прирост для параметров, выбранных в Уравнении 2);
- при 4 мА стартовыми являются 12 В. Доступная мощность равна (4 мА) · (12) = 48 мВт;
- при 20 мА стартовыми являются 6 В. Доступная мощность равна (20 мА) · (6) = 120 мВт.
Это показывает, что предельный случай имеет место при минимальном контурном токе, когда для питания схемы доступно 43,7 мВт.
Заметим, что оба устройства обеспечивают почти одинаковый объем мощности для схемы: 43 мВт.
Пример 2
В этом примере, баланс мощности увеличивается за счет повышения стартового напряжения выше традиционных уровней при слабых контурных токах и понижения стартового напряжения при больших контурных токах. В этом примере, предположим, что полевое устройство имеет стартовое напряжение 16 вольт при контурном токе 4 мА и 12 вольт при контурном токе 20 мА. Это приводит к Уравнению 3:
Vliftoff = 17 - Iloop × 0,25 (3)
При контурном токе в 4 мА и 16 вольтах между контактными зажимами устройства, доступная мощность для устройств равна 4 мА × 16 В = 64 мВт. Если нагрузочное сопротивление принять равным 250 Ом, типичному полевому устройству потребовалось бы напряжение блока питания 12+0,02·250=17 В. Устройству с регулируемым стартовым напряжением потребуется подача 16+0,004·250=17 В, как и типичному устройству. Таким образом, с таким нагрузочным резистором и блоком питания на 17 В новое устройство имеет 64 мВт, доступные для питания устройства, против лишь 48 мВт при использовании типичного устройства. Такое же преимущество будет достигнуто для нагрузочных резисторов более 250 Ом, но не для нагрузочных резисторов менее 250 Ом. Это подобно (но не идентично) устройствам, изображенным на Фиг.4. Для сравнения, традиционное устройство со стартовым напряжением 12 вольт имеет только 4 мА × 12 В = 48 мВт доступной мощности.
На Фиг.5 показана упрощенная структурная схема полевого устройства предшествующего уровня техники, использующего импульсный стабилизатор, который обеспечивает регулируемое стартовое напряжение. На Фиг.5 полевое устройство 200 включает в себя первый и второй контактные зажимы 202 и 204, которые подсоединяются к двухпроводному контуру 206 управления технологическим процессом. Двухпроводной контур 206 управления технологическим процессом включает в себя контурный резистор 208 и блок 210 питания, и по нему протекает контурный ток IL. Полевое устройство 200 включает в себя импульсный стабилизатор 212, параллельный стабилизатор 214 и электронные схемы 216 устройства. В этом примере для упрощения считается, что импульсный стабилизатор 212 имеет 100%-ную эффективность. Импульсный стабилизатор 212 эффективно забирает мощность из контура для работы электронных схем 216 устройства. Иллюстративные электронные схемы включают в себя микропроцессор, аналого-цифровые преобразователи, цепи связи, цепи датчика и т.д. Параллельный стабилизатор 214 отводит ток, который не используется для питания полевого устройства 200, обратно в контур 206. Таким образом, ответвленный ток Ishunt будет равен контурному току IL за вычетом тока в рабочей точке IQ, используемого для питания устройства.
Весь ток в рабочей точке пропускается через импульсный стабилизатор 212. Однако, поскольку только это обеспечивает необходимое устройству питание, взятый из контура ток будет уменьшаться по мере увеличения входного напряжения следующим образом:
IQ × VIN = Icircuit × Vcircuit ≅ 15 мВт (4)
Где: VIN - входное напряжение для стабилизатора; Vcircuit - напряжение, предоставляемое на электронные схемы 216; Icircuit - ток, текущий через электронные схемы 216. Это дает:
Figure 00000001
 (5)
Схема на Фиг.5 обеспечивает ток в рабочей точке, который уменьшается с увеличением входного напряжения. Это обеспечивает регулируемое стартовое напряжение, которое позволяет устройству работать с малым током в рабочей точке при высоких входных напряжениях (с ISET на 4 мА) и с большим током в рабочей точке при низком входном напряжении (с ISET=20 мА). Однако одна из проблем, связанных с такой конфигурацией, заключается в том, что напряжение на контактных зажимах может быть довольно большим, например более 40 вольт. Типичные импульсные стабилизаторы не могут работать при таких высоких напряжениях, что усложняет проектирование цепей. Другая проблема заключается в том, что импульсный стабилизатор напрямую подсоединяется к контуру 206 управления технологическим процессом и может вносить в контур шум избыточного напряжения из-за неравномерного потребления тока. Этот шум может нарушить цифровую связь или привести к ошибкам измерения контурного тока.
Одно решение этих проблем продемонстрировано на Фиг.6. В конфигурации на Фиг.6 полевое устройство 230 включает в себя гибридную схему блока питания, которая включает в себя линейный стабилизатор 232. Линейный стабилизатор используется для подачи фиксированного предварительно заданного стабилизированного напряжения VPRE, например 10 вольт, на импульсный стабилизатор 212. Эта конфигурация позволяет использовать импульсный стабилизатор 212, который должен принимать только низкое входящее напряжение (10 вольт, например) и от которого не требуется оперировать большими входными напряжениями (40-50 вольт), например. Такой стабилизатор нуждается в меньшем количестве компонентов и менее сложен. Дополнительно, конфигурация изолирует контурные контактные зажимы 202 и 204 от шума, связанного с импульсным стабилизатором 212. Тем не менее, в этой конфигурации ток IQ в рабочей точке является фиксированным и не зависит от напряжения на контактных зажимах.
На Фиг.7 показано полевое устройство 250 в соответствии с одним из иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, которое обеспечивает регулируемое стартовое напряжение. В конфигурации на Фиг.7, напряжение, подаваемое на импульсный стабилизатор 212 (VPRE), является регулируемым и может изменяться. В частности, линейный стабилизатор 232 имеет вход управления, который принимает управляющий сигнал от электронных схем 216 устройства. В этом примере, VPRE изменяется в зависимости от управляющего сигнала ISET, подаваемого электронными схемами устройства. ISET используется параллельным стабилизатором для управления ILOOP в зависимости от Ishunt.
Например, VPRE может настраиваться на 10 вольт, если ISET задает контурный ток в 4 мА. VPRE может снижаться до 5 вольт, когда ISET задает контурный ток в 20 мА. При этих условиях, если электронным схемам 216 устройства требуется 15 мВт мощности, ток в рабочей точке при контурном токе 4 мА будет равен 1,5 мА (15 мВт/10 вольт). Аналогично, если ISET задает контурный ток в 20 мА, ток в рабочей точке будет равен 3 мА (15 мВт/5 вольт). Однако, если электронным схемам 216 устройства требуется 30 мВт, а не 15 мВт, ток в рабочей точке удваивается до 3 мА при контурном токе 4 мА и до 6 мА при контурном токе 20 мА.
Устройство на Фиг.7 будет иметь стартовое напряжение 12 вольт при контурном токе 4 мА и 7 вольт при контурном токе 20 мА. Таким образом, устройство 250 может работать с системным блоком питания на 24 вольта и нагрузочным сопротивлением 208 до 850 Ом. Дополнительная мощность, доступная устройству, может сохраняться для будущего использования или использоваться для обеспечения питанием энергоемких операций, таких как дополнительное вычисление, диагностика и т.д. В одной из конфигураций предусматривается дополнительная схема беспроводной связи, которая получает питание с использованием этих технологий.
Конфигурация, описанная в настоящем документе, снижает ограничения на контурный блок питания и нагрузочное сопротивление. Дополнительно, конфигурация обеспечивает дополнительную мощность для цепей в полевом устройстве.
Несмотря на то что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что могут быть сделаны изменения в форме и деталях без отступления от сущности и объема настоящего изобретения.
Соотношение между напряжением, подаваемым на импульсный стабилизатор, и контурным током может иметь любую желательную взаимозависимость, в том числе линейную и нелинейную зависимости. Электронные схемы устройства продемонстрированы в виде устройства управления стабилизатора (через ISET) для линейного стабилизатора. Однако отдельное устройство управления выводом стабилизатора тоже может использоваться.

Claims (13)

1. Полевое устройство, содержащее:
цепи полевого устройства, сконфигурированные для измерения технологического параметра или управления им;
первый контактный зажим контура управления технологическим процессом, сконфигурированный для подсоединения к двухпроводному контуру управления технологическим процессом, причем двухпроводной контур управления технологическим процессом несет контурный ток;
второй контактный зажим контура управления технологическим процессом, сконфигурированный для подсоединения к двухпроводному контуру управления технологическим процессом;
импульсный стабилизатор, имеющий вход и выход, причем выход подсоединен к цепям полевого устройства и выполнен с возможностью обеспечения питанием цепей полевого устройства; и регулятор переменного напряжения, имеющий вход, электрически связанный с первым контактным зажимом контура управления технологическим процессом, и выход напряжения, соединенный с входом импульсного стабилизатора, и вход управления, при этом полевое устройство сконфигурировано так, что напряжение на выходе напряжения является функцией входа управления.
2. Устройство по п.1, в котором выходное напряжение регулятора переменного напряжения регулируемого источника напряжения имеет нелинейную зависимость от контурного тока.
3. Устройство по п.1, в котором выходное напряжение регулятора переменного напряжения имеет линейную зависимость от контурного тока.
4. Устройство по п.1, которое включает в себя параллельный стабилизатор, конфигурированный для отведения тока в двухпроводной контур управления технологическим процессом.
5. Устройство по п.1, в котором вход регулятора переменного напряжения подсоединен к цепям полевого устройства.
6. Устройство по п.5, которое включает в себя параллельный стабилизатор тока, конфигурированный для отведения тока, превышающего ток в рабочей точке, требуемый полевому устройству, при этом параллельный стабилизатор тока отвечает на сигналы цепей полевого устройства.
7. Устройство по п.1, в котором полевое устройство содержит передающее устройство.
8. Устройство по п.7, в котором контурный ток зависит от технологического параметра.
9. Способ питания технологического полевого устройства, содержащий этапы, на которых:
подсоединяют первый и второй контактные зажимы контура управления технологическим процессом полевого устройства к двухпроводному контуру управления технологическим процессом, причем двухпроводной контур управления технологическим процессом несет контурный ток;
принимают входное напряжение на импульсном стабилизаторе;
подают питание на цепи полевого устройства с выхода импульсного стабилизатора за счет входного напряжения; и
управляют входным напряжением для импульсного стабилизатора путем управления регулятором переменного напряжения через управляющий вход.
10. Способ по п.9, в котором напряжение, подаваемое на вход импульсного стабилизатора, нелинейно зависит от контурного тока.
11. Способ по п.9, в котором напряжение, подаваемое на вход импульсного стабилизатора, линейно зависит от контурного тока.
12. Способ по п.9, который включает в себя этап, на котором отводят ток в двухпроводной контур управления технологическим процессом.
13. Способ по п.9, который включает в себя этап, на котором управляют контурным током с учетом технологического параметра.
RU2010141569/08A 2008-03-10 2009-02-19 Технологическое полевое устройство с регулируемым стартовым напряжением RU2444773C1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/045,248 2008-03-10
US12/045,248 US7970063B2 (en) 2008-03-10 2008-03-10 Variable liftoff voltage process field device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2444773C1 true RU2444773C1 (ru) 2012-03-10

Family

ID=40578825

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010141569/08A RU2444773C1 (ru) 2008-03-10 2009-02-19 Технологическое полевое устройство с регулируемым стартовым напряжением

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7970063B2 (ru)
EP (1) EP2255259B1 (ru)
JP (1) JP5250642B2 (ru)
CN (1) CN101960399B (ru)
RU (1) RU2444773C1 (ru)
WO (1) WO2009114064A1 (ru)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8786128B2 (en) * 2010-05-11 2014-07-22 Rosemount Inc. Two-wire industrial process field device with power scavenging
JP5141790B2 (ja) * 2010-10-05 2013-02-13 横河電機株式会社 ２線式伝送器
US8890493B2 (en) * 2010-12-29 2014-11-18 Tacettin Isik Highly simplified switching regulator which allows very high switching frequencies
US9714861B2 (en) * 2012-10-17 2017-07-25 Magnetrol International, Incorporated Adjustable shunt regulated and switching power supply for loop powered transmitter
CN105378569A (zh) * 2013-07-22 2016-03-02 应用材料公司 通过测量光性质来进行的闭环控制
DE102014107991B4 (de) * 2014-06-05 2020-01-30 Krohne Messtechnik Gmbh Feldgerät mit Schaltwandlerschaltung
US10082784B2 (en) 2015-03-30 2018-09-25 Rosemount Inc. Saturation-controlled loop current regulator
WO2020023425A1 (en) 2018-07-23 2020-01-30 Msa Technology, Llc Energy harvesting from current loops
DE102018122014A1 (de) 2018-09-10 2020-03-12 Endress + Hauser Flowtec Ag Meßgeräte-System sowie damit gebildete Meßanordnung
JP7010205B2 (ja) * 2018-12-25 2022-01-26 横河電機株式会社 ２線式伝送器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5535243A (en) * 1994-07-13 1996-07-09 Rosemount Inc. Power supply for field mounted transmitter
RU2279117C2 (ru) * 2004-08-04 2006-06-27 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "КОМПЛЕКСЫ и СИСТЕМЫ" (ООО НПП "КОМПЛЕКСЫ и СИСТЕМЫ") Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами

Family Cites Families (54)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4015609A (en) 1975-11-17 1977-04-05 Vitatron Medical B.V. Circuit for low power-low energy source
US4206297A (en) 1977-04-25 1980-06-03 Chemplex Company Polymerization catalysts and methods
US4206397A (en) 1978-03-13 1980-06-03 Rosemount Inc. Two wire current transmitter with improved voltage regulator
IL57186A (en) 1979-04-30 1982-03-31 Mg Electronics Ltd Dc/dc converter power supply
US4419270A (en) * 1980-06-26 1983-12-06 Nippon Shokubai Kagaku Kogyo Co. Ltd. Oxidation catalyst
US4502318A (en) 1982-03-01 1985-03-05 Scans Associates, Inc. Method and apparatus for calibrating flow meters
US4621551A (en) 1982-09-13 1986-11-11 The Warner & Swasey Company Tailstock quill hydraulic circuit
US4606076A (en) 1985-01-07 1986-08-12 Motorola, Inc. Communication receiver system having a voltage converter with an operating frequency below the receiver IF
JPS62279758A (ja) 1986-05-29 1987-12-04 Nec Corp 位相変調器のバ−ストタイミング駆動方式
US5187474A (en) 1986-10-02 1993-02-16 Rosemount Inc. Digital converter apparatus for improving the output of a two-wire transmitter
US4833922A (en) 1987-06-01 1989-05-30 Rosemount Inc. Modular transmitter
US4804958A (en) 1987-10-09 1989-02-14 Rosemount Inc. Two-wire transmitter with threshold detection circuit
US4866435A (en) 1987-10-16 1989-09-12 Rosemount Inc. Digital transmitter with variable resolution as a function of speed
US4889179A (en) 1987-11-25 1989-12-26 J. R. Microwave, Inc. Two wire adaptive system for interconnecting a four wire thermostat and a four wire, heating/cooling system
FI881690A (fi) 1988-04-12 1989-10-13 Ins Tsto Pentti Tamminen Ky Foerfarande och anordning foer utnyttjande av laegspaenningsstroemkaellor.
US4916381A (en) 1988-05-12 1990-04-10 Rosemount Inc. Current source for a variable load with an inductive component
JP2567100B2 (ja) 1988-06-22 1996-12-25 富士通株式会社 小型加速度測定記録装置
FI100139B (fi) 1988-11-04 1997-09-30 Schneider Electric Sa Rakennuksen teknisten toimintojen valvontalaitteisto
CA1311032C (en) 1989-03-31 1992-12-01 Stanley Chlebda Two-wire telemetering system including power regulated transmitting device
JPH0650557B2 (ja) 1989-07-04 1994-06-29 株式会社日立製作所 フィールド計器の通信方式
US5146401A (en) 1989-09-05 1992-09-08 Honeywell Inc. Apparatus for providing a universal interface in a process control system
CA2066743C (en) 1989-10-02 2000-08-01 Jogesh Warrior Field-mounted control unit
DE3934577A1 (de) 1989-10-17 1991-04-18 Philips Patentverwaltung Stromversorgungseinrichtung mit einschaltstrombegrenzungsschaltung
US5258868A (en) 1990-02-02 1993-11-02 Rosemount Inc. Optical process variable transmitter
US5179488A (en) 1990-07-26 1993-01-12 Rosemount Inc. Process control instrument with loop overcurrent circuit
US5184094A (en) 1991-08-16 1993-02-02 Moore Products Co. Low power oscillator circuits
JPH07110132B2 (ja) 1991-08-22 1995-11-22 日本モトローラ株式会社 電圧変換装置
US5245333A (en) 1991-09-25 1993-09-14 Rosemount Inc. Three wire low power transmitter
JPH05346809A (ja) * 1991-12-13 1993-12-27 Moore Prod Co 多モード入力／出力回路及びモジユールとそれを使用したプロセス制御システム
US5437178A (en) 1992-07-06 1995-08-01 Kay-Ray/Sensall, Inc. Controller for ultrasonic sensors
US5377090A (en) 1993-01-19 1994-12-27 Martin Marietta Corporation Pulsed power converter with multiple output voltages
US5360997A (en) 1993-06-28 1994-11-01 Watson Toy F Automobile anti-theft switch
US5606513A (en) 1993-09-20 1997-02-25 Rosemount Inc. Transmitter having input for receiving a process variable from a remote sensor
JP3401886B2 (ja) 1993-12-13 2003-04-28 株式会社ニコン 電池を用いた電源システム
US5710552A (en) 1994-09-30 1998-01-20 Rosemount Inc. Barrier device
US5610552A (en) 1995-07-28 1997-03-11 Rosemount, Inc. Isolation circuitry for transmitter electronics in process control system
US5764891A (en) 1996-02-15 1998-06-09 Rosemount Inc. Process I/O to fieldbus interface circuit
US6178101B1 (en) 1997-08-15 2001-01-23 Unitron, Inc. Power supply regulation
US5973943A (en) * 1998-01-05 1999-10-26 International Rectifier Corporation Non zero-voltage switching protection circuit
SE514719C2 (sv) 1998-07-01 2001-04-09 Emerson Energy Systems Ab Förfarande och anordning för att optimera uteffekten hos en likriktare innefattande en preregulator och en DC/DC- omvandlare
US5973942A (en) 1998-07-10 1999-10-26 Rosemount Inc. Start up circuit for DC powered field instrument
US6813318B1 (en) 1999-04-30 2004-11-02 Rosemount Inc, Process transmitter having a step-up converter for powering analog components
AU2001282963A1 (en) 2000-07-21 2002-02-05 Ixys Corporation Active power filter for isolating electrically noisy load from low noise power supply
US6489755B1 (en) 2000-09-18 2002-12-03 Adtran, Inc. Active ripple and noise filter for telecommunication equipment powering
US6313616B1 (en) 2000-09-21 2001-11-06 Home Touch Lighting Systems Llc Switching buck converter with floating regulator
EP1202427B1 (en) 2000-10-27 2013-08-28 Invensys Systems, Inc. Load voltage controller for a field device and related control method
FR2817380B1 (fr) 2000-11-24 2003-01-03 Alstom Circuit electrique pour la transmission d'une information d'etat, notamment d'un organe de materiel ferroviaire roulant et systeme electrique incorporant un tel circuit
US6680690B1 (en) 2003-02-28 2004-01-20 Saab Marine Electronics Ab Power efficiency circuit
US6806693B1 (en) 2003-04-14 2004-10-19 National Semiconductor Corporation Method and system for improving quiescent currents at low output current levels
US7018800B2 (en) * 2003-08-07 2006-03-28 Rosemount Inc. Process device with quiescent current diagnostics
US7187158B2 (en) * 2004-04-15 2007-03-06 Rosemount, Inc. Process device with switching power supply
US7262693B2 (en) * 2004-06-28 2007-08-28 Rosemount Inc. Process field device with radio frequency communication
US8000841B2 (en) 2005-12-30 2011-08-16 Rosemount Inc. Power management in a process transmitter
US8847571B2 (en) * 2008-06-17 2014-09-30 Rosemount Inc. RF adapter for field device with variable voltage drop

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5535243A (en) * 1994-07-13 1996-07-09 Rosemount Inc. Power supply for field mounted transmitter
RU2279117C2 (ru) * 2004-08-04 2006-06-27 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "КОМПЛЕКСЫ и СИСТЕМЫ" (ООО НПП "КОМПЛЕКСЫ и СИСТЕМЫ") Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами

Also Published As

Publication number Publication date
JP5250642B2 (ja) 2013-07-31
EP2255259A1 (en) 2010-12-01
US20090224730A1 (en) 2009-09-10
JP2011513877A (ja) 2011-04-28
US7970063B2 (en) 2011-06-28
CN101960399B (zh) 2013-10-09
EP2255259B1 (en) 2014-10-08
CN101960399A (zh) 2011-01-26
WO2009114064A1 (en) 2009-09-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2444773C1 (ru) Технологическое полевое устройство с регулируемым стартовым напряжением
RU2338262C2 (ru) Двухпроводной передатчик с изолированным выходом can
EP1735670B1 (en) Process device with switching power supply
US6388431B1 (en) High efficiency power supply for a two-wire loop powered device
JP2011524588A (ja) 電圧降下が可変のフィールド機器用無線アダプタ
JP6548741B2 (ja) 飽和制御型ループ電流レギュレータ
WO2005067381A2 (en) Digitally controlled power supply
CN101416134B (zh) 用于抽头变换器的通用输入装置
US9243932B2 (en) Measuring device for measuring a precess variable in industrial measurements and control technology
WO2003021195A1 (en) Two wire output/power mechanism for remote devices
CN106980261B (zh) 定位器
CN101853034B (zh) 流量控制装置
US10333640B2 (en) Range extension for combined data and power line
JP3553481B2 (ja) 測定装置
JP2010152596A (ja) 電流入出力装置
US20230168655A1 (en) Automation field device
CN109725631B (zh) 一种静态电流测试装置和车辆
JPS6180313A (ja) 定電流装置
JP2012243178A (ja) 監視回路および監視システム