Технологическое полевое устройство с регулируемым стартовым напряжением
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.
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:
|
(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.
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.
