TW201616358A - 多功能訊號隔離轉換器 - Google Patents

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TW201616358A
TW201616358A TW103136526A TW103136526A TW201616358A TW 201616358 A TW201616358 A TW 201616358A TW 103136526 A TW103136526 A TW 103136526A TW 103136526 A TW103136526 A TW 103136526A TW 201616358 A TW201616358 A TW 201616358A
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張良琪
王仁舜
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侯宜良
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桓達科技股份有限公司
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Abstract

一種多功能訊號隔離轉換器，係設置於一安全區，該多功能訊號隔離轉換器係應用於設置於一危險區之一電子裝置；該多功能訊號隔離轉換器包含一訊號輸入端、一微處理器及一電源供應單元。該微處理器判斷該多功能訊號隔離轉換器的內部功能是否正常，以得到一第一判斷值。該電子裝置透過該訊號輸入端傳送一輸入訊號至該微處理器；依據該輸入訊號，該微處理器判斷該電子裝置的功能是否正常，以得到一第二判斷值。依據該第一判斷值及該第二判斷值，該微處理器控制該電源供應單元是否傳送一驅動電源至該電子裝置。

Description

多功能訊號隔離轉換器 【0001】
本發明係有關於一種訊號隔離轉換器，特別是一種多功能訊號隔離轉換器。
 【0002】
IEC 60079及IEC 80079係為國際電工委員會針對防爆電器訂定的標準。一相關技術之訊號隔離轉換器係擷取並轉換工業感測器領域中常用的電氣訊號（例如0～20mA、4～20mA、0～5V及0～10V等等），之後該相關技術之訊號隔離轉換器轉換上述電氣訊號並輸出訊號（例如0～25mA及-10～10Vdc等等）。
【0003】
因此，訊號隔離轉換器非常重要。然而，該相關技術之訊號隔離轉換器的缺點為高成本及低效率。
 【0004】
為改善上述習知技術之缺點，本發明之目的在於提供一種多功能訊號隔離轉換器。
【0005】
為達成本發明之上述目的，本發明之多功能訊號隔離轉換器係設置於一安全區，該多功能訊號隔離轉換器係應用於設置於一危險區之一電子裝置，該多功能訊號隔離轉換器包含：一訊號輸入端，該訊號輸入端電性連接至該電子裝置；一微處理器，該微處理器電性連接至該訊號輸入端；及一電源供應單元，該電源供應單元電性連接至該微處理器及該電子裝置，該電源供應單元供應一驅動電源。其中該微處理器判斷該多功能訊號隔離轉換器的內部功能是否正常，以得到一第一判斷值；其中該電子裝置透過該訊號輸入端傳送一輸入訊號至該微處理器；依據該輸入訊號，該微處理器判斷該電子裝置的功能是否正常，以得到一第二判斷值；其中依據該第一判斷值及該第二判斷值，該微處理器控制該電源供應單元是否傳送該驅動電源至該電子裝置。
【0006】
本發明之功效在於提供低成本及高效率的多功能訊號隔離轉換器。
 【0052】
10‧‧‧多功能訊號隔離轉換器
【0053】
20‧‧‧安全區
【0054】
30‧‧‧危險區
【0055】
40‧‧‧電子裝置
【0056】
42‧‧‧輸入訊號
【0057】
102‧‧‧訊號輸入端
【0058】
104‧‧‧限壓限流電路
【0059】
106‧‧‧訊號隔離單元
【0060】
108‧‧‧微處理器
【0061】
110‧‧‧放大電路
【0062】
112‧‧‧訊號輸出電路
【0063】
114‧‧‧通訊模組
【0064】
116‧‧‧電源供應單元
【0065】
118‧‧‧類比數位轉換單元
【0066】
120‧‧‧查詢表
【0067】
122‧‧‧驅動電源
【0068】
124‧‧‧輸出訊號
【0069】
126‧‧‧電晶體開關
【0070】
128‧‧‧限流電阻
【0071】
130‧‧‧第一齊納二極體
【0072】
132‧‧‧第二齊納二極體
【0073】
134‧‧‧第三齊納二極體
【0074】
136‧‧‧第一二極體
【0075】
138‧‧‧第二二極體
【0076】
140‧‧‧第三二極體
【0077】
142‧‧‧第四齊納二極體
【0078】
144‧‧‧第五齊納二極體
【0079】
146‧‧‧第六齊納二極體
【0080】
300‧‧‧電腦
【0081】
301‧‧‧集線器
【0082】
302‧‧‧無線集線器
【0083】
S1～9‧‧‧感測器
【0084】
901‧‧‧曲線
【0085】
902‧‧‧曲線
【0086】
903‧‧‧曲線
【0087】
911‧‧‧曲線
【0088】
912‧‧‧曲線
【0089】
913‧‧‧曲線
【0090】
914‧‧‧曲線
【0091】
921‧‧‧曲線
【0092】
922‧‧‧曲線
【0093】
923‧‧‧曲線
【0094】
924‧‧‧曲線
【0007】
圖1為本發明之多功能訊號隔離轉換器方塊圖。
【0008】
圖2為本發明之類比訊號與輸入輸出（I/O）轉換功能之第一實施例示意圖。
【0009】
圖3為本發明之類比訊號與輸入輸出（I/O）轉換功能之第二實施例示意圖。
【0010】
圖4為本發明之類比訊號輸入及輸出轉換功能之第一實施例示意圖。
【0011】
圖5為本發明之類比訊號輸入及輸出轉換功能之第二實施例示意圖。
【0012】
圖6為本發明之類比訊號輸入及輸出轉換功能之第三實施例示意圖。
【0013】
圖7為本發明之類比訊號輸入及輸出轉換功能之第四實施例示意圖。
【0014】
圖8為本發明之限壓限流電路之電路圖。
【0015】
圖9為本發明中具數位通訊功能之該多功能訊號隔離轉換器之一實施例示意圖。
 【0016】
有關本發明的詳細說明及技術內容，請參閱以下的詳細說明和附圖說明如下，而附圖與詳細說明僅作為說明之用，並非用於限制本發明。
【0017】
請參考圖1，其係為本發明之多功能訊號隔離轉換器方塊圖。一多功能訊號隔離轉換器10係設置於一安全區20（第一區），該多功能訊號隔離轉換器10係應用於設置於一危險區30（第二區）之一電子裝置40。
【0018】
該多功能訊號隔離轉換器10包含一訊號輸入端102、一限壓限流電路104、一訊號隔離單元106、一微處理器108、一放大電路110、一訊號輸出電路112、一通訊模組114及一電源供應單元116。該微處理器108包含一類比數位轉換單元118及一查詢表120。
【0019】
該訊號輸入端102電性連接至該電子裝置40；該限壓限流電路104電性連接至該微處理器108、該訊號輸入端102、該訊號隔離單元106、該電源供應單元116及該電子裝置40；該訊號隔離單元106電性連接至該微處理器108及該訊號輸入端102；該微處理器108電性連接至該訊號輸入端102；該放大電路110電性連接至該微處理器108及該訊號輸出電路112；該訊號輸出電路112電性連接至該微處理器108；該通訊模組114電性連接至該微處理器108；該電源供應單元116電性連接至該微處理器108及該電子裝置40。
【0020】
該電源供應單元116供應一驅動電源122。該微處理器108判斷該多功能訊號隔離轉換器10的內部功能是否正常，以得到一第一判斷值。該電子裝置40透過該訊號輸入端102傳送一輸入訊號42至該微處理器108；依據該輸入訊號42，該微處理器108判斷該電子裝置40的功能是否正常，以得到一第二判斷值。依據該第一判斷值及該第二判斷值，該微處理器108控制該電源供應單元116是否傳送該驅動電源122至該電子裝置40。
【0021】
該訊號隔離單元106係用以接收該輸入訊號42，並接著該訊號隔離單元106隔離地通知該微處理器108該輸入訊號42，藉以保護該微處理器108。該訊號隔離單元106可為例如但不限定為一電磁式訊號隔離器、一電容式訊號隔離器或一電感式訊號隔離器。
【0022】
該訊號輸出電路112包含一繼電器（圖1未示）；該微處理器108通過該訊號輸出電路112及該放大電路110輸出一輸出訊號124。該類比數位轉換單元118係用以將該輸入訊號42轉換為一數位訊號。
【0023】
該微處理器108判斷該多功能訊號隔離轉換器10的內部功能包含：該多功能訊號隔離轉換器10的內部電壓是否符合標準電壓、該微處理器108與該多功能訊號隔離轉換器10的內部元件的通訊（例如SPI、I2C、UART）是否正常及該多功能訊號隔離轉換器10的內部溫度是否符合標準溫度。
【0024】
如果該多功能訊號隔離轉換器10的內部電壓符合標準電壓，則該第一判斷值被判定為1；如果該多功能訊號隔離轉換器10的內部電壓不符合標準電壓，則該第一判斷值被判定為0。如果該微處理器108與該多功能訊號隔離轉換器10的內部元件的通訊正常，則該第一判斷值被判定為1；如果該微處理器108與該多功能訊號隔離轉換器10的內部元件的通訊不正常，則該第一判斷值被判定為0。如果該多功能訊號隔離轉換器10的內部溫度符合標準溫度，則該第一判斷值被判定為1；如果該多功能訊號隔離轉換器10的內部溫度不符合標準溫度，則該第一判斷值被判定為0。
【0025】
該微處理器108判斷該電子裝置40的功能包含：
【0026】
1.該多功能訊號隔離轉換器10與該電子裝置40之間的連線偵測：偵測該輸入訊號42的電流值是否大於零。該輸入訊號42的電流值通常為4～20mA；因此如果該輸入訊號42的電流值大於零，則該第二判斷值被判定為1；如果該輸入訊號42的電流值為零，則該第二判斷值被判定為0。
【0027】
2.該輸入訊號42的電流值是否符合標準電流值：
【0028】
（a）如果該電子裝置40之該輸入訊號42的電流值的規格為4～20mA：當該電子裝置40之該輸入訊號42的電流值小於3.8mA或大於20.5mA，則該第二判斷值被判定為0；反之，該第二判斷值被判定為1。
【0029】
（b）如果該電子裝置40之該輸入訊號42的電流值的規格為8/16mA：當該電子裝置40之該輸入訊號42的電流值於8/16mA+-10%之外，則該第二判斷值被判定為0；反之，該第二判斷值被判定為1。
【0030】
該第一判斷值及該第二判斷值可為例如但不限定為數位訊號值；當該第一判斷值不為1或該第二判斷值不為1時，該微處理器108控制該電源供應單元116不傳送該驅動電源122至該電子裝置40；當該第一判斷值為1且該第二判斷值為1時，該微處理器108控制該電源供應單元116傳送該驅動電源122至該電子裝置。
【0031】
該微處理器108核對該查詢表120以控制該電源供應單元116是否傳送該驅動電源122至該電子裝置40。該電子裝置40可為例如但不限定為一感測器或一致動器。該感測器係用以量測物理量，例如溫度、壓力、物液位等等；該致動器係用以改變物理量，例如加熱器、馬達等等。該多功能訊號隔離轉換器10係用以控制該致動器的停啟。
【0032】
該通訊模組114係用以連接一外部的RS-485介面、一外部的RS-232介面、一外部的高速通道可定址遠程轉換器（highway addressable remote transducer，HART）介面、一ZigBee介面、一無線HART介面或一GSM介面。該放大電路110可增加該微處理器108的輸入接腳及輸出接腳的數量，以達到直接控制較大電壓電流的設備；該放大電路110包含一繼電器（圖1未示）。
【0033】
再者，該多功能訊號隔離轉換器10更包含一類比訊號輸入模組（圖1未示）及一數位訊號輸入模組（圖1未示）。該類比訊號輸入模組電性連接至該訊號輸入端102及該限壓限流電路104；該數位訊號輸入模組電性連接至該訊號輸入端102及該限壓限流電路104。
【0034】
該類比訊號輸入模組係為擴充用的類比訊號輸入電路，用以量測除了0～24mA以外的類比訊號，例如0～5V電壓、0～10V電壓等等。該數位訊號輸入模組用以搭配智能型感測器（該電子裝置40）使用，可與智能型感測器間傳輸數位資料，例如Modbus、HART、Profibus等等傳輸規範，亦可為自行開發的通訊協議。
【0035】
請參考圖2，其係為本發明之類比訊號與輸入輸出（I/O）轉換功能之第一實施例示意圖；請參考圖3，其係為本發明之類比訊號與輸入輸出（I/O）轉換功能之第二實施例示意圖。真的（True）/假的（False）為該微處理器108的輸入輸出接腳（I/O）狀態；亦即，該微處理器108依據該查詢表120中的第3、4圖來調整輸入輸出接腳（I/O）狀態。
【0036】
請參考圖2；當輸入訊號大於設定值時，將輸入輸出接腳（I/O）設定為High，反之設定為Low。請參考圖3；當輸入訊號小於設定值時，將輸入輸出接腳（I/O）設定為High，反之設定為Low。因此，可將類比電流輸入訊號轉換為High/Low的數位訊號；該微處理器108可直接與PLC進行通訊；該微處理器108亦可藉由該放大電路110直接控制PLC。
【0037】
請參考圖4，其係為本發明之類比訊號輸入及輸出轉換功能之第一實施例示意圖。該微處理器108依據該查詢表120中的圖4～7來轉換類比訊號。圖4為電流轉換表，其中曲線901為輸入4~20mA與輸出0~20mA轉換曲線；曲線902為輸入0~20mA與輸出0~20mA轉換曲線；曲線902亦為輸入4~20mA與輸出4~20mA轉換曲線；曲線903為輸入0~20mA與輸出4~20mA轉換曲線。上述訊號為該電子裝置40（感測器）直接量測到的訊號，於工業應用中通常稱為料位高度。
【0038】
請參考圖5，其係為本發明之類比訊號輸入及輸出轉換功能之第二實施例示意圖。曲線911為輸入4~20mA與輸出20~0mA轉換曲線；曲線912為輸入0~20mA與輸出20~0mA轉換曲線；曲線913為輸入0~20mA與輸出20~4mA轉換曲線；曲線914為輸入4~20mA與輸出20~4mA轉換曲線。依據圖5曲線所輸出的類比訊號與圖4為反向訊號，於工業應用中通常稱為高度下限（Level Low）。透過圖4、5則可將高度上限（Level High）及高度下限進行轉換功能。
【0039】
請參考圖6，其係為本發明之類比訊號輸入及輸出轉換功能之第三實施例示意圖。曲線921為輸入4~20mA與輸出0~5V轉換曲線；曲線922為輸入4~20mA與輸出0~10V轉換曲線；曲線923為輸入0~20mA與輸出0~5V轉換曲線；曲線924為輸入0~20mA與輸出0~10V轉換曲線。透過圖6可將工業常見的電流訊號轉換為電壓訊號。
【0040】
請參考圖7，其係為本發明之類比訊號輸入及輸出轉換功能之第四實施例示意圖。曲線931為輸入4~20mA與輸出5~0V轉換曲線；曲線932為輸入4~20mA與輸出10~0V轉換曲線；曲線933為輸入0~20mA與輸出5~0V轉換曲線；曲線934為輸入0~20mA與輸出10~0V轉換曲線。圖6、7如同圖4、5亦可進行物位高度及空桶高度進行轉換功能。
【0041】
請參考圖8，其係為本發明之限壓限流電路之電路圖。該限壓限流電路104包含一電晶體開關126、一限流電阻128、一第一齊納二極體130、一第二齊納二極體132、一第三齊納二極體134、一第一二極體136、一第二二極體138、一第三二極體140、一第四齊納二極體142、一第五齊納二極體144及一第六齊納二極體146。
【0042】
該電晶體開關126電性連接至該微處理器108及該電源供應單元116；該限流電阻128電性連接至該電晶體開關126及該電子裝置40；該第一齊納二極體130電性連接至該電子裝置40及該限流電阻128；該第二齊納二極體132電性連接至該電子裝置40及該限流電阻128；該第三齊納二極體134電性連接至該電子裝置40及該限流電阻128。
【0043】
該第一二極體136電性連接至該訊號輸入端102；該第二二極體138電性連接至該第一二極體136；該第三二極體140電性連接至該第二二極體138及該訊號隔離單元106；該第四齊納二極體142電性連接至該第三二極體140及該訊號隔離單元106；該第五齊納二極體144電性連接至該第三二極體140及該訊號隔離單元106；該第六齊納二極體146電性連接至該第三二極體140及該訊號隔離單元106。
【0044】
當該微處理器108導通該電晶體開關126時，該電源供應單元116傳送該驅動電源122至該電子裝置40；當該微處理器108不導通該電晶體開關126時，該電源供應單元116不傳送該驅動電源122至該電子裝置40。
【0045】
請參考圖9，其係為本發明中具數位通訊功能之該多功能訊號隔離轉換器之一實施例示意圖。圖9包含三種通訊迴路：
【0046】
1.該些多功能訊號隔離轉換器10連接至一集線器301（HUB）；該集線器301連接至一上位控制器，例如一電腦300、一可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC，圖9未示）或一資料擷取與監控系統（supervisory control and data acquisition，SCADA，圖9未示）。
【0047】
2.該些多功能訊號隔離轉換器10連接至一無線集線器302；該無線集集線器302無線連接（例如ZigBee）至該電腦300。
【0048】
3.該些多功能訊號隔離轉換器10直接無線連接（例如ZigBee）至該電腦300。
【0049】
其中，該電腦300、該集線器301（HUB）、該無線集線器302及該些多功能訊號隔離轉換器10之間的通訊迴路可為例如RS-485、RS-232、HART介面、無線的Zigbee、WirelessHART、GSM等介面。該些多功能訊號隔離轉換器10與複數之感測器S1～9之間的通訊迴路可為例如Modbus、HART、Profibus等等。
【0050】
本發明之功效在於提供低成本及高效率的多功能訊號隔離轉換器。該多功能訊號隔離轉換器10係符合IEC 60079及IEC 80079（國際電工委員會針對防爆電器訂定的標準）等相關法規規範。該多功能訊號隔離轉換器10係擷取並轉換工業感測器領域中常用的電氣訊號（例如0～20mA、4～20mA、0～5V及0～10V等等），之後該多功能訊號隔離轉換器10轉換上述電氣訊號並輸出該輸出訊號124（例如0～25mA及-10～10Vdc等等）。
【0051】
然以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。綜上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。
10‧‧‧多功能訊號隔離轉換器
20‧‧‧安全區
30‧‧‧危險區
40‧‧‧電子裝置
42‧‧‧輸入訊號
102‧‧‧訊號輸入端
104‧‧‧限壓限流電路
106‧‧‧訊號隔離單元
108‧‧‧微處理器
110‧‧‧放大電路
112‧‧‧訊號輸出電路
114‧‧‧通訊模組
116‧‧‧電源供應單元
118‧‧‧類比數位轉換單元
120‧‧‧查詢表
122‧‧‧驅動電源
124‧‧‧輸出訊號

Claims (10)

  1. 【第1項】
    一種多功能訊號隔離轉換器，係設置於一安全區，該多功能訊號隔離轉換器係應用於設置於一危險區之一電子裝置，該多功能訊號隔離轉換器包含：
    一訊號輸入端，該訊號輸入端電性連接至該電子裝置；
    一微處理器，該微處理器電性連接至該訊號輸入端；及
    一電源供應單元，該電源供應單元電性連接至該微處理器及該電子裝置，該電源供應單元供應一驅動電源，
    其中該微處理器判斷該多功能訊號隔離轉換器的內部功能是否正常，以得到一第一判斷值；
    其中該電子裝置透過該訊號輸入端傳送一輸入訊號至該微處理器；依據該輸入訊號，該微處理器判斷該電子裝置的功能是否正常，以得到一第二判斷值；
    其中依據該第一判斷值及該第二判斷值，該微處理器控制該電源供應單元是否傳送該驅動電源至該電子裝置。
  2. 【第2項】
    如申請專利範圍第1項所述之多功能訊號隔離轉換器，更包含：
    一訊號隔離單元，該訊號隔離單元電性連接至該微處理器及該訊號輸入端，
    其中該訊號隔離單元係用以接收該輸入訊號，並接著該訊號隔離單元隔離地通知該微處理器該輸入訊號，藉以保護該微處理器。
  3. 【第3項】
    如申請專利範圍第2項所述之多功能訊號隔離轉換器，其中該訊號隔離單元係為一電磁式訊號隔離器、一電容式訊號隔離器或一電感式訊號隔離器。
  4. 【第4項】
    如申請專利範圍第2項所述之多功能訊號隔離轉換器，更包含：
    一限壓限流電路，該限壓限流電路電性連接至該微處理器、該訊號輸入端、該訊號隔離單元、該電源供應單元及該電子裝置，
    其中該限壓限流電路包含：
    至少一齊納二極體；及
    一限流電阻，該限流電阻電性連接至該齊納二極體。
  5. 【第5項】
    如申請專利範圍第4項所述之多功能訊號隔離轉換器，更包含：
    一訊號輸出電路，該訊號輸出電路電性連接至該微處理器，
    其中該微處理器通過該訊號輸出電路輸出一輸出訊號。
  6. 【第6項】
    如申請專利範圍第5項所述之多功能訊號隔離轉換器，更包含：
    一通訊模組，該通訊模組電性連接至該微處理器。
  7. 【第7項】
    如申請專利範圍第6項所述之多功能訊號隔離轉換器，更包含：
    一放大電路，該放大電路電性連接至該微處理器及該訊號輸出電路。
  8. 【第8項】
    如申請專利範圍第7項所述之多功能訊號隔離轉換器，其中該微處理器判斷該多功能訊號隔離轉換器的內部功能包含：該多功能訊號隔離轉換器的內部電壓是否符合標準電壓、該微處理器與該多功能訊號隔離轉換器的內部元件的通訊是否正常及該多功能訊號隔離轉換器的內部溫度是否符合標準溫度。
  9. 【第9項】
    如申請專利範圍第8項所述之多功能訊號隔離轉換器，其中該微處理器判斷該電子裝置的功能包含：該輸入訊號的電流值是否大於零或該輸入訊號的電流值是否符合標準電流值。
  10. 【第10項】
    如申請專利範圍第9項所述之多功能訊號隔離轉換器，其中該微處理器包含一類比數位轉換單元，該類比數位轉換單元係用以將該輸入訊號轉換為一數位訊號；該第一判斷值及該第二判斷值係為數位訊號值；當該第一判斷值不為1或該第二判斷值不為1時，該微處理器控制該電源供應單元不傳送該驅動電源至該電子裝置；當該第一判斷值為1且該第二判斷值為1時，該微處理器控制該電源供應單元傳送該驅動電源至該電子裝置；該微處理器更包含一查詢表；該微處理器核對該查詢表以控制該電源供應單元是否傳送該驅動電源至該電子裝置。
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