Преобразователь с электрической цепью для замедления разряда накопленной энергии (варианты)

 

Изобретение относится к преобразователям параметра процесса в электрический сигнал для подключения к двухпроводному контуру управления. Техническим результатом является осуществление развязки по емкости между преобразователем и контуром управления, предотвращение разряда энергии в контур и большая взаимозаменяемость преобразователей независимо от их внутренней эффективной емкости. Один из вариантов изобретения содержит датчик для определения некоторой переменной процесса, измерительную схему, схему развязки по емкости, включающую выпрямительные элементы, ВЧ-фильтр, резисторы. Другой вариант изобретения содержит датчик для определения некоторой переменной процесса, измерительную схему, схему развязки по энергии, корпус преобразователя, разделенный стенкой, причем схема развязки по энергии расположена в первой камере корпуса и содержит выпрямляющие элементы, ВЧ-фильтр и резисторы. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

Настоящее изобретение относится к преобразователям для использования с контурами управления процессами. В частности к развязке между схемами преобразователя и контура управления.

Системы управления производственными процессами используются на производстве для контроля за ходом процесса. Преобразователь помещается в непосредственной близости от места процесса и контролирует некоторую переменную процесса, например, давление, температуру или расход. Преобразователь соединен с контуром управления и передает информацию по контуру управления на контроллер, который контролирует ход процесса. Контур управления представляет собой двухпроводной контур, несущий ток, который обеспечивает питание преобразователя. Обмен информацией осуществляется в соответствии со стандартом "fieldbus" (силовая шина), представляющим собой стандарт цифровой связи, при котором несколько преобразователей могут быть подключены к одному контуру управления для передачи определяемой переменной процесса на пульт управления. Этот стандарт описан в ISA 50&02-1992 раздел 11. Другим стандартом, который позволяет передачу цифровой информации через сигнал переменной процесса в диапазоне 4-20 МА, является HART.

Для двухпроводного контура управления электрические схемы преобразователя представляют собой эффективную емкость C_эфф. На этой емкости может накапливаться электрический заряд, приводя к накоплению преобразователем энергии на его соединениях контуром управления. Эта энергия может разряжаться через контур управления. При использовании протокола "fieldbus" допускается подсоединение нескольких преобразователей к одному и тому же контуру управления, что может привести к тому, что совокупная емкость C_эфф будет особенно большой. Ранее предпринимались попытки для уменьшения величины емкости C_эфф и, таким образом, уменьшения потенциальной способности преобразователя накапливать энергию. Кроме того, величина емкости C_эфф меняется от преобразователя к преобразователю. Таким образом, это приводит к ограничению взаимозаменяемости преобразователей.

Было бы желательно осуществить развязку по электрической емкости между преобразователем и контуром управления. Это предотвратило бы разряд энергии в контур и обеспечило бы большую взаимозаменяемость преобразователей независимо от их внутренней эффективной емкости C_эфф.

Из предшествующего уровня техники известен преобразователь параметра процесса в электрический сигнал для подключения к контуру управления, представленный в заявке WO 90/03602, опубл. 05.04.90, и взятый в качестве прототипа. Известный преобразователь содержит датчик для определения некоторой переменной процесса, измерительную схему, подключенную к датчику, обеспечивающую выходной сигнал преобразователя, относящийся к данной переменной процесса.

Недостатком данного изобретения является невозможность предотвращения разряда энергии в контур управления.

Технический результат по первому объекту изобретения достигается путем введения схемы развязки по емкости в преобразователь параметра процесса в электрический сигнал для подключения к двухпроводному контуру управления, несущему контурный ток, содержащий датчик для определения некоторой переменной процесса и измерительную схему, при этом схема развязки по емкости функционально включена между измерительной схемой и двухпроводным контуром управления, причем измерительная схема питается контурным током и имеет эффективную емкость, а схема развязки по емкости содержит, по меньшей мере, три диода, подключенные таким образом, что контурный ток протекает одновременно через три диода и предотвращает разряд энергии, запасенной в эффективной емкости, через двухпроводный контур управления.

Технический результат по второму объекту изобретения достигается путем введения схемы развязки по энергии в преобразователь параметра процесса в электрический сигнал в системе управления, содержащий датчик для определения некоторой переменной процесса и измерительную схему, при этом преобразователь дополнительно содержит корпус преобразователя, который имеет первую и вторую камеры, разделенные стенкой, функционально связывающей измерительную схему, содержащую средство накопления энергии и расположенную в первой камере, с двухпроводным контуром управления и датчиком, причем измерительная схема питается контурным током, протекающим по двухпроводному контуру управления и передающим указанную переменную процесса через контур, причем схема развязки по энергии расположена в первой камере корпуса, включена между измерительной схемой и двухпроводным контуром управления и содержит, по меньшей мере, три выпрямляющих элемента, блокирующих разряд из измерительной схемы в двухпроводной контур управления, причем три выпрямляющих элемента подключены так, что один из трех выпрямляющих элементов блокирует разряд энергии при выходе из строя любого из двух других выпрямляющих элементов.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения преобразователь соединяется с контуром управления, несущим контурный ток. Преобразователь определяет параметр процесса и обеспечивает его электрическое представление в контур управления. При работе схемы в преобразователе представляют эффективную емкость C_эфф, если они подключены непосредственно к контуру управления. Преобразователь включает в себя схему развязки по емкости, подсоединенную между вышеупомянутыми схемами и контуром управления, что приводит к предотвращению разряда энергии, запасенной в эффективной емкости C_эфф, в контур управления. В одном конкретном варианте осуществления изобретения схема развязки по емкости содержит, по меньшей мере, три диода, включенных последовательно в направлении протекания тока контура управления.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает упрощенную блок-схему преобразователя в соответствии с настоящим изобретением, подключенного к двухпроводному контуру управления; фиг. 2 изображает один вариант выполнения схемы развязки по емкости для использования в преобразователе в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 3 изображает второй вариант выполнения схемы развязки по емкости для использования в преобразователе в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 4 изображает третий вариант выполнения схемы развязки по емкости для использования в преобразователе в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 5 изображает четвертый вариант выполнения схемы развязки по емкости для использования в преобразователе в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 6 изображает поперечное сечение преобразователя, показанного на фиг. 1.

Для удобства детали, имеющие одинаковые номера позиций на чертежах, являются идентичными или выполняют одну и ту же или аналогичную функцию.

На фиг. 1 изображена упрощенная блок-схема преобразователя 10 в соответствии с настоящим изобретением. Преобразователь 10 включает в себя датчик 12 для определения процесса и электронный блок 14 датчика, соединенный с двухпроводным контуром управления 16. Электронный блок 14 датчика включает в себя измерительные схемы 18 и схему 20 развязки по емкости, функционально связывающую измерительные схемы 18 и двухпроводной контур управления 16. Измерительные схемы 18 включают в себя обрабатывающие схемы 22 и схемы 24 интерфейса.

Преобразователь 10 запитывается током I из двухпроводного контура управления 16, что приводит к падению напряжения на преобразователе 10. Как правило, падение напряжения на преобразователе 10 составляет от 9 до 35 вольт. В одном конкретном варианте осуществления контур управления 16 функционирует в соответствии с протоколом "fieldbus" и передает информацию в цифровом виде. Датчик 12 определяет некоторую переменную процесса, относящуюся к какому-то параметру процесса, такую, как температура, давление или расход. Обрабатывающие схемы 22 обрабатывают данную переменную процесса. Например, обрабатывающие схемы 22 могут корректировать ошибки датчика или выполнять другие вычисления на основе этой переменной процесса. Обрабатывающие схемы 22 соединены со схемами 24 интерфейса и управляют ими для передачи данной переменной процесса по контуру управления 16. В одном конкретном варианте осуществления схемы 24 интерфейса принимают команды в цифровом виде по двухпроводному контуру управления 16, который управляет функционированием обрабатывающих схем 22. Далее, схемы 24 интерфейса включают в себя выход блока питания, который питает обрабатывающие схемы 22 и другие схемы преобразователя 10.

Контурный ток I протекает через схемы 24 интерфейса. Электронный блок 14 датчика включает в себя компоненты, которые обладают сопротивлением, емкостью и индуктивностью. Эти компоненты представляют эффективную емкость C_эфф для контура управления 16. Фиг. 1 показывает эффективную емкость C_эфф, подключенную параллельно измерительным схемам 18. Эффективная емкость C_эфф подается на схему 20 развязки по емкости в соответствии с настоящим изобретением.

При работе схемы 24 интерфейса передают информацию в цифровом виде, относящуюся к выходу датчика 12, через контур управления 16 в ответ на запрос на передачу данных, посредством чего параметр, определяемый датчиком 12, или другие данные передаются через контур управления 16. В известных аналогичных системах энергия, запасенная в эффективной емкости C_эфф, может разряжаться через двухпроводный контур управления 16. В данном изобретении схема 20 развязки по емкости осуществляет развязку между эффективной емкостью C_эфф и двухпроводным контуром управления 16 для прекращения этого разряда. Однако схема 20 развязки по емкости не влияет на работу измерительных схем 18, позволяя тем самым протекать контурному току I и осуществлять обмен цифровой информацией.

Фиг. 2-5 показывают различные конфигурации схемы 20 развязки по емкости. На фиг. 2-5 эффективные емкость и сопротивление измерительной схемы моделируются при помощи конденсатора C_эфф и сопротивления R_эфф соответственно. На фиг. 2 схема 20 развязки по емкости включает в себя диоды 30, 32 и 34. Диоды 30-34 подсоединены в направлении протекания контурного тока I последовательно с контуром управления 16. Диоды 30-34 предотвращают разряд энергии, запасенной в эффективной емкости C_эфф, через контур управления 16 путем блокирования тока через контур управления 16 в направлении, противоположном протеканию контурного тока I. Использование трех диодов 30-34 обеспечивает три уровня резервирования. Если два любых диода 30-34 повреждены, оставшийся диод предотвратит разряд.

Фиг. 3 показывает другой вариант осуществления схемы 20 развязки по емкости. На фиг. 3 схема 20 развязки по емкости включает в себя диоды 40, 42 и 44, соединенные последовательно с контуром 16 в направлении протекания контурного тока I, входящего в преобразователь 10. Схема 20 развязки по емкости также включает в себя диоды 46, 48 и 50, соединенные последовательно в направлении протекания тока I, выходящего из преобразователя 10. На фиг. 3 схема развязки по емкости также включает в себя ВЧ-фильтр, обеспечиваемый конденсаторами 52 и 54, которые осуществляют емкостную связь токового контура с "землей". В типичной ситуации конденсаторы 52 и 54 устанавливаются на центральной стенке 56 преобразователя 10 и имеют величину около 2000 пФ. При работе конденсаторы 52 и 54 обеспечивают заземление высокочастотных радиосигналов, которые создают помехи для функционирования измерительных схем 18. Схема 20 развязки по емкости включает в себя два набора развязывающих диодов. Это предотвращает разряд энергии, запасенной в эффективной емкости C_эфф, в контур управления 16 через "землю" и конденсатор 52 или 54 в ситуациях, когда один провод двухпроводного контура управления 16 заземлен. При этом снова два набора диодов по три диода в каждом (40, 42 и 44 или 46, 48 и 50), по одному набору для каждого пути, обеспечивают три уровня резервирования. Разряд может произойти, если любой из конденсаторов 52 или 54 выйдет из строя и обеспечит закорачивание электрического пути на "землю", которой обычно является шасси преобразователя (не показано на фиг. 3).

Фиг. 4 показывает другой вариант осуществления схемы 20 развязки по емкости, которая включает в себя только три диода 60, 62 и 64 для достижения желаемой развязки. Диоды 60, 62 и 64 соединены последовательно в направлении входящего контурного тока I. ВЧ-фильтр, обеспечиваемый конденсаторами 52 и 54, расположен на центральной стенке 56. Добавлены резисторы 66 и 68 на входе и выходе контурного тока I, соответственно. Как правило, резисторы 66 и 68 имеют одинаковое сопротивление, равное 5,5 Ом. Сопротивление резисторов 66 и 68 выбирается достаточно большим, чтобы предотвратить быструю развязку запаса потенциальной энергии конденсаторов 52 и 54 в двухпроводный контур управления 16. Кроме того, резисторы 66 и 68 и конденсаторы 52 и 54 должны иметь достаточно высокие значения для уменьшения вероятности выхода из строя. По сравнению со схемой, показанной на фиг. 3, схема, показанная на фиг. 4, включает только три падения напряжения на диодах, обеспечивая три уровня резервирования. ВЧ-фильтр 56 подключен параллельно измерительным схемам (показано на фиг. 4 как R_эфф и C_эфф) и трем диодам 60, 62 и 64.

Фиг. 5 показывает еще один вариант осуществления схемы 20. Фиг. 5 показывает схему 20 развязки по емкости, в которой ВЧ-фильтр, обеспечиваемый конденсаторами 52 и 54, расположен на центральной стенке 56. Схема 20 развязки по емкости также включает в себя четыре диода 72, 74, 76 и 78, соединенные в виде мостового выпрямителя 70. Мостовой выпрямитель 70 имеет два вывода 71, 73, соединенные с двухпроводным контуром управления 16 через резисторы 66, 68. Выход 75 мостового выпрямителя 70 соединен с пятым диодом 80, который соединен с измерительной схемой 18. Схема 20 развязки по емкости на фиг, 5 функционирует аналогично схеме 20 развязки по емкости на фиг. 4. Однако мостовой выпрямитель 70 позволяет производить инверсию соединения преобразователя 10 с двухпроводным контуром управлением 16, не влияя на работу преобразователя 10. Далее, мостовой выпрямитель 70 и диод 80 гарантируют, что ток I, протекающий через преобразователь 10, всегда проходит, по меньшей мере, через три диода, обеспечивая таким образом развязку измерительной схемы 18 и обеспечивая три уровня резервирования. Для примера, если контурный ток I течет в направлении, показанном на фиг. 5, то контурный ток I проходит через диод 72 мостового выпрямителя 70, диод 30, измерительные схемы 18 и диод 76 мостового выпрямителя 70. И в этом случае, если два любых диода на пути тока повреждены, оставшийся третий диод предотвращает нежелательный разряд энергии, запасенной в измерительной схеме 18, через контур управления 16.

Фиг. 6 представляет поперечный разрез преобразователя 10 и показывает относительное расположение обрабатывающей схемы 22 и схемы 24 интерфейса и центральной стенки 56. Фиг. 6 показывает контур 100 преобразователя, который центральная стенка 56 делит на первую камеру 101a и вторую камеру 101b. Первая камера 101a закрывается крышкой 102, а вторая камера 101b закрывается крышкой 104. В первой камере 101a расположены обрабатывающая схема 22 и схема 24 интерфейса. Конденсаторы 52 и 54 ВЧ-фильтра расположены на центральной стенке 56 и присоединены к плате, несущей мостовой выпрямитель 70. Плата 110 расположена во второй камере 101b. Плата 110 включает в себя выводы, подключенные к двухпроводному контуру управления 16 и входящие в корпус 100 через кабельный канал 108. Резисторы 66 и 68 расположены на плате 110. Корпус 100 преобразователя присоединен к корпусу 106 датчика, в котором расположен датчик 12 (не изображен на фиг. 6). Как показано на фиг. 6, конденсаторы 52 и 54 позволяют току I входить в схемы в первой камере 101a, но отфильтровывают высокочастотные помехи. Мостовой выпрямитель 70 и диод 80 предотвращают разряд энергии, запасенной в обрабатывающей схеме 22 и 24 интерфейса, назад в контур управления 16, как уже было объяснено. Конкретный преобразователь 10, изображенный на фиг. 6, предназначен для измерения перепада давления. Схема развязки по энергии в первой камере 101a корпуса 100 включена между обрабатывающими схемами 22, схемами 24 интерфейса и контуром управления 16 и включает в себя, по меньшей мере, три выпрямляющих элемента, которые блокируют разряд энергии в контур управления 16 из схем 22/24. Подсоединены три выпрямляющих элемента, причем один из упомянутых выпрямляющих элементов блокирует разряд энергии при повреждении любого из других двух упомянутых выпрямляющих элементов. Выпрямляющие элементы могут содержать диоды. Схема развязки по энергии может также содержать четыре выпрямляющих элемента, соединенных в мостовой выпрямитель 70, имеющий входы, подсоединенные к контуру управления 16, и выход, подсоединенный к пятому выпрямляющему элементу 80, который соединен со связывающими схемами.

Диоды должны выбираться, чтобы обеспечить малое прямое падение напряжения, например, диоды Шотки. Для мостового выпрямителя 70 желательно выбирать диоды, которые обеспечивают низкую обратную утечку тока, чтобы уменьшить заметный ток преобразователя. В предпочтительном варианте диоды мостового выпрямителя 70 и диод 80 являются диодами Шотки. Диод 80 должен выбираться для обеспечения линейности в рабочем диапазоне. Нелинейности могут вызвать искажение сигнала, так как диод 80 находится только в одной "ветви" пути тока I. В одном из исполнении изобретения диод 80 имеет большую емкость по току (например 30 А), чтобы обеспечить малое падение напряжения при низких уровнях тока двухпроводного преобразователя (4-20 мА). Однако существует взаимозависимость между прямым падением напряжения и током утечки.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в этой области техники поймут, что возможны изменения в деталях и форме без изменения сути изобретения. Например, изобретение может быть применено в центральном контроллере, контроллере, расположенном в непосредственной близости от места процесса, конфигурационном приборе (например, в приборе для ручного управления), модеме или другом приборе, подключаемом к двухпроводному токовому контуру. Кроме того, взамен диодов могут быть применены другие элементы, такие как полевые транзисторы (ПТ).

Формула изобретения

1. Преобразователь параметра процесса в электрический сигнал для подключения к двухпроводному контуру управления, несущему контурный ток, содержащий датчик для определения некоторой переменной процесса и измерительную схему, подключенную к датчику для обеспечения выходного сигнала преобразователя, относящегося к данной переменной процесса, отличающийся тем, что преобразователь дополнительно содержит схему развязки по емкости, функционально включенную между измерительной схемой и двухпроводным контуром управления, причем измерительная схема питается контурным током и имеет эффективную емкость, а схема развязки по емкости содержит, по меньшей мере, три диода, подключенных так, что контурный ток протекает одновременно через три диода и предотвращает разряд энергии, запасенной в эффективной емкости, через двухпроводный контур управления.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что схема развязки по емкости содержит четыре диода, соединенные в виде мостового выпрямителя, имеющего входы, подсоединенные к двухпроводному контуру управления, и выход, подсоединенный к пятому диоду, который подключен к измерительной схеме.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что схема развязки по емкости включает в себя ВЧ-фильтр, подключенный к двухпроводному контуру управления.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что ВЧ-фильтр подключен параллельно измерительной схеме и трем диодам.

5. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что схема развязки по емкости дополнительно содержит резисторы, расположенные на входе и выходе двухпроводного контура управления.

6. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что ВЧ-фильтр расположен на центральной стенке преобразователя, отделяющей измерительную схему от двухпроводного контура управления.

7. Преобразователь параметра процесса в электрический сигнал в системе управления, содержащий датчик для определения некоторой переменной процесса и измерительную схему, отличающийся тем, что преобразователь дополнительно содержит схему развязки по энергии и корпус преобразователя, который имеет первую камеру и вторую камеру, разделенные стенкой, функционально связывающей измерительную схему, содержащую средство накопления энергии и расположенную в первой камере, с двухпроводным контуром управления и датчиком, причем измерительная схема питается контурным током, протекающим по двухпроводному контуру управления и передающим указанную переменную процесса через контур, причем схема развязки по энергии расположена в первой камере корпуса, включена между измерительной схемой и двухпроводным контуром управления и содержит, по меньшей мере, три выпрямляющих элемента, блокирующих разряд из измерительной схемы в двухпроводный контур управления, причем три выпрямляющих элемента подключены так, что один из трех выпрямляющих элементов блокирует разряд энергии при выходе из строя любого из двух других выпрямляющих элементов.

8. Преобразователь по п.7, отличающийся тем, что выпрямляющие элементы содержат диоды.

9. Преобразователь по п.7, отличающийся тем, что схема развязки по энергии содержит четыре выпрямляющих элемента, соединенных в виде мостового выпрямителя, имеющего входы, подсоединенные к двухпроводному контуру управления, и выход, подсоединенный к пятому выпрямляющему элементу, который подключен к измерительной схеме.

10. Преобразователь по п.7, отличающийся тем, что схема развязки по энергии включает в себя ВЧ-фильтр.

11. Преобразователь по п.10, отличающийся тем, что ВЧ-фильтр подключен к двухпроводному контуру управления и, по меньшей мере, к трем выпрямляющим элементам.

12. Преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что схема развязки по энергии дополнительно включает в себя резисторы, расположенные на входе и выходе двухпроводного контура управления.

13. Преобразователь по п.10, отличающийся тем, что ВЧ-фильтр расположен на стенке преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6