專利名稱：：用于現(xiàn)場(chǎng)安裝式發(fā)送器的電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種由一個(gè)過程控制環(huán)供電的現(xiàn)場(chǎng)安裝式測(cè)量發(fā)送器，該發(fā)送器通過控制環(huán)傳送一個(gè)過程變量。更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明涉及一種用于現(xiàn)場(chǎng)安裝式發(fā)送器的電源。在工業(yè)中使用過程控制系統(tǒng)來監(jiān)視和控制過程。一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)安裝式發(fā)送器監(jiān)視過程的一個(gè)變量，例如溫度，流速或壓力。該發(fā)送器耦合到一個(gè)傳導(dǎo)環(huán)電流I的雙線過程控制環(huán)上。環(huán)電流I對(duì)發(fā)送器供電。發(fā)送器通過控制環(huán)對(duì)一個(gè)監(jiān)視整個(gè)過程的中央控制器發(fā)送過程變量。中央控制器使用從發(fā)送器接收的過程變量來控制過程。發(fā)送器可以使用的電源的變化由控制環(huán)所限制。典型控制環(huán)包括4-20mA標(biāo)準(zhǔn)，其中4mA信號(hào)表示零，以及20mA信號(hào)表示滿標(biāo)讀數(shù)。發(fā)送器通過控制電流I來傳送過程變量。在相同環(huán)上還可以傳送數(shù)字信息。另一種標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，其中相同控制環(huán)上可以耦合多個(gè)發(fā)送器。所希望的是為現(xiàn)場(chǎng)安裝式發(fā)送器提供高度的計(jì)算能力。這種能力的優(yōu)點(diǎn)為數(shù)重多，包括誤差校正，數(shù)據(jù)記錄和診斷功能。但是，電源限制制約了發(fā)送器的處理能力。例如，如果一臺(tái)微處理器正在執(zhí)行計(jì)算，那么必須適當(dāng)減慢其時(shí)鐘速度，以便限制功率抽運(yùn)。因此，電源制約是現(xiàn)場(chǎng)安裝式發(fā)送器容量的一個(gè)限制因素。本發(fā)明為雙線過程控制環(huán)中的現(xiàn)場(chǎng)安裝式發(fā)送器提供一種有效的電源，其中發(fā)送器由控制環(huán)供電。該發(fā)送器包括一個(gè)用于傳感過程的一個(gè)過程變量的傳感器，以及通過控制環(huán)用于傳送該過程變量的測(cè)量電路。一個(gè)電源電路從控制環(huán)接收環(huán)電流，并且對(duì)測(cè)量電路供電。該電源電路包括一個(gè)耦合到測(cè)量電路的電感元件，其對(duì)測(cè)量電路供電。一個(gè)開關(guān)控制為選擇性地把能量耦合感應(yīng)到控制環(huán)。當(dāng)開關(guān)把電感元件耦合到控制環(huán)時(shí)，該電感元件通過控制環(huán)從環(huán)電路接收能量。圖1是包括按照本發(fā)明的電源電路的發(fā)送器的簡(jiǎn)化圖。圖2是表示圖1接口電路的簡(jiǎn)化示意圖。圖3是按照本發(fā)明的電源的簡(jiǎn)化示意圖。圖4是表示本發(fā)明的接口和電源電路的示意圖。圖5是用于本發(fā)明的起動(dòng)電路的簡(jiǎn)化示意圖。圖1是發(fā)送器10的方框圖，它包括傳感器12和耦合到控制環(huán)16a和16b的發(fā)送器電子部件14。發(fā)送器電子部件14包括測(cè)量電路18和按照本發(fā)明的接口/電源電路20。在操作期間，發(fā)送器10與一個(gè)耦合到電流環(huán)16a/16b的控制器(未示出)相連接。發(fā)送器10傳感一個(gè)過程變量，例如溫度，壓力或流速，并且把該信息傳送到控制器。這個(gè)傳送例如可以通過在4mA信號(hào)與20mA信號(hào)之間控制流過環(huán)16a/16b的電流I來進(jìn)行，4mA信號(hào)表示最小值，而20mA信號(hào)表示過程變量的滿標(biāo)值。測(cè)量電路18從傳感器12接收過程變量，并且控制電路20以調(diào)制環(huán)電流I。另外，在有些通信協(xié)議中，例如在HART標(biāo)準(zhǔn)中，測(cè)量電路18通過環(huán)16a/16b進(jìn)行數(shù)字通信，并且用數(shù)字法傳送所傳感的過程變量。測(cè)量電路18通過環(huán)16a/16b對(duì)控制器(未示出)發(fā)送數(shù)字信息，并從控制器接收數(shù)字指令。電路20還使用環(huán)電流I以對(duì)發(fā)送器10供電。圖1還表示電路18與電源20之間的各種輸入和輸出。數(shù)字信息通過數(shù)據(jù)線24提供給接口/電源20。測(cè)量電路18的模擬輸出通過線22提供給接口/電源20。從環(huán)16a/16b接收的信息通過數(shù)據(jù)線26提供給測(cè)量電路18。另外，按照本發(fā)明由電路20通過電源線28對(duì)測(cè)量電路18供電。圖2表示圖1接口/電源20一部分的更詳細(xì)視圖。電路20包括接口電路30和耦合到環(huán)16a/16b的電源32。為簡(jiǎn)單起見，未表示本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的傳感環(huán)16a/16b中數(shù)字信號(hào)，并通過線26把這樣的信號(hào)傳送到測(cè)量電路18的電路。接口電路30包括運(yùn)算放大器36，晶體管38和40，齊納二極管42，以及二極管44。模擬和數(shù)字輸入22和24分別通過電阻器46和電容器48耦合到運(yùn)算放大器36。一個(gè)起動(dòng)電路50通過電阻器52耦合到運(yùn)算放大器36。運(yùn)算放大器36耦合到晶體管38的基極，晶體管38的集電極連接到晶體管40的基極。齊納二極管42提供一個(gè)電流分流及一個(gè)相對(duì)恒定的電壓降，該電壓降用來對(duì)運(yùn)算放大器36供電，并作為電源32的一個(gè)預(yù)調(diào)整輸入。傳感電阻器60對(duì)反饋電阻器122提供一個(gè)與環(huán)電流成正比的電壓，其然后成為與通過環(huán)16a/16b的環(huán)電流I相關(guān)的至運(yùn)算放大器36的環(huán)電流反饋。在操作期間，數(shù)字信息由電路30用晶體管40快速調(diào)制電流I而發(fā)送到環(huán)16a/16b，其通過節(jié)點(diǎn)34響應(yīng)數(shù)據(jù)線24上的調(diào)制信號(hào)。通過環(huán)16a/16b的電流I的緩慢變化部分(這里稱為模擬電流)由輸入22控制，其又通過運(yùn)算放大器36控制晶體管40。起動(dòng)電路50用來對(duì)運(yùn)算放大器36提供瞬變階躍輸入，以便在二極管42兩端產(chǎn)生一個(gè)足夠大的電壓降，以對(duì)運(yùn)算放大器供電并接通電源32。一旦電路激活，除去從起動(dòng)電路50對(duì)運(yùn)算放大器36的階躍輸入。一旦輸出端28的電源已供給測(cè)量電路18中的微處理器，該微處理器就設(shè)置線22上傳送的信號(hào)，以便環(huán)電流I達(dá)到其希望的模擬電平。二極管44在萬一操作員試圖以錯(cuò)誤方向強(qiáng)制電流流過環(huán)16a/16b時(shí)提供反向保護(hù)。為了增加可用功率，二極管42兩端之間的電壓降應(yīng)該選擇盡可能高。如下所說明，電源32以大約90％效率把輸入功率(電壓乘以電流)轉(zhuǎn)換成輸出功率。在一個(gè)4-20mA系統(tǒng)中，輸入電源32的最小電流可以低到3.5mA。因此，二極管42兩端之間一個(gè)大電壓降有助于增加可用功率。從另一方面來說，二極管42兩端之間電壓降的最大值應(yīng)該根據(jù)發(fā)送器10所需要來操作的最小電壓選擇。這種選擇根據(jù)下列公式VMIN＝VCEof40+V42+(I×R60)+V44公式1其中VMIN是發(fā)送器所必須操作的最小電壓，是VCEof40晶體管40的集電極與發(fā)射極之間的正向電壓，V42是二極管42兩端之間的電壓降，I是環(huán)電流，R60電阻器60的電阻，以及V44是二極管44兩端之間的電壓降。圖3是電源32的簡(jiǎn)化示意圖。電源32包括電容器62，開關(guān)64，二極管68，電感器70及電容器72，如圖3所示那樣連接。在操作期間，輸入電容器62從控制環(huán)16a/16b接收輸入電流，使其充電，并且由此對(duì)開關(guān)64提供一個(gè)電壓源。當(dāng)開關(guān)64閉合時(shí)，電容器62兩端之間的電壓施加到電感器70。通過電感器70的電流斜坡增加，把能量存儲(chǔ)在電感器70的磁場(chǎng)中。這個(gè)電流還流入輸出濾波電容器72，并且通過電源引線28流出。當(dāng)開關(guān)64斷開時(shí)，電流繼續(xù)按相同方向流過電感器70。但是，當(dāng)開關(guān)64斷開時(shí)電流流過二極管68。在開關(guān)64為斷開位置下，只有電感器70的電流通過接線28供給負(fù)載。這個(gè)電流隨著電感器70的磁場(chǎng)中所存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移到電容器72和負(fù)載而趨向零衰減。開關(guān)64的負(fù)載循環(huán)由電路(圖3未示出)控制，以便由耦合到線28的負(fù)載所抽出的電流大致恒定(直流)。該電路使用反饋來監(jiān)視輸出電壓以控制開關(guān)64。這里定義效率有幫助意義效率＝POUT/PIN公式2或效率＝(VOUT×IOUT)/(VIN×IIN)公式3圖4表示按照本發(fā)明的接口/電源電路20的詳細(xì)示意圖。在盡可能范圍內(nèi)，標(biāo)號(hào)在圖4與圖2和圖3之間保持相同。電路18和線26在本領(lǐng)域已知，且在圖4中未示出。圖4電路元件的元件值如下電阻器4646KΩ6050KΩ10012KΩ10212KΩ10412KΩ10610KΩ10822KΩ1106.2KΩ1161KMΩ118578KΩ12240.2KΩ電容器482700PF546800PF620.1μF72150μF124150μF二極管427.5V齊納44pn112800PF11420PF1267.5V齊納128pn1N58711304.7V齊納1324.7V齊納電感器701000μH圖4還表示集成電路140，它是從MaximIntegratedProducts，120SanGabrielDrive，Sunnyvale，California94086可買得到的MAX639ESA調(diào)節(jié)器。圖4電路與圖2和圖3所示簡(jiǎn)化電路操作相似。集成電路140包括開關(guān)64和控制開關(guān)64斷開和閉合的電路。集成電路140的各種輸入和輸出如下表1</tables>如上所討論，當(dāng)發(fā)送器10接通時(shí)，起動(dòng)電路50使運(yùn)算放大器的輸入起始變?yōu)楦郀顟B(tài)。這樣使大量電流從環(huán)16a/16b抽出，對(duì)電源32中電容器充電。電路50保持高狀態(tài)大約200mS，此時(shí)電源32在電源線28上提供一個(gè)調(diào)節(jié)輸出，并且發(fā)送器10能開始起作用。圖5是用來對(duì)運(yùn)算放大器36提供起動(dòng)輸入的起動(dòng)電路50的示意圖?！盎颉遍T152通過數(shù)據(jù)線22從電路18接收第一輸入。至“或”門152的第二輸入連接到測(cè)量電路18中所包含的發(fā)送器10的微處理器154。在至“或”門152的這個(gè)第二輸入與線16a的一個(gè)正電壓電平V+之間還連接一個(gè)上拉電阻器156。當(dāng)發(fā)送器10首先通過環(huán)16a/16b接收功率時(shí)，至“或”門152的輸入通過連接到線16a的正電壓電平V+的上拉電阻器156而被拉起。這個(gè)正電壓輸入使“或”門152的輸出變?yōu)楦郀顟B(tài)，其通過電阻器46和102連接到和數(shù)節(jié)點(diǎn)36，由此使電源32可以接收大電流以起動(dòng)操作。一旦電源32操作，就在用來激發(fā)包括微處理器154的測(cè)量電路18的電源線28上提供調(diào)節(jié)輸出。微處理器154然后提供一個(gè)低輸出，強(qiáng)制“或”門152的第二輸入變?yōu)榈蜖顟B(tài)，由此使數(shù)據(jù)線22上來自電路18的信號(hào)可以直接控制“或”門152提供給運(yùn)算放大器36的輸出。因此，一旦微處理器154操作，線22上的數(shù)據(jù)就如上所述通過運(yùn)算放大器36調(diào)制到環(huán)16a/16b上。本發(fā)明提供一種用于一個(gè)雙線過程控制發(fā)送器的電源。該電源能以高效率構(gòu)成。在典型的過程控制系統(tǒng)中，環(huán)電流可以小于4mA。本發(fā)明的電源能夠?qū)Πl(fā)送器中的測(cè)量電路提供比控制環(huán)中流動(dòng)的環(huán)電流I大的電流。此外，電源的高效率結(jié)果對(duì)測(cè)量電路產(chǎn)生了比現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)大的功率，這樣允許測(cè)量電路中有更多的元件和/或更高的時(shí)鐘速度。雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例敘述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，在不違反本發(fā)明的精神和范圍下可以對(duì)形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行改變。例如，本發(fā)明能用于其它類型耦合到雙線過程控制環(huán)的裝置，比如現(xiàn)場(chǎng)控制器或結(jié)構(gòu)裝置。權(quán)利要求1.一種用于一個(gè)雙線過程控制環(huán)的發(fā)送器，包括一個(gè)傳感器，傳感一個(gè)過程變量；測(cè)量電路，通過控制環(huán)傳送一個(gè)指示過程變量的值的信號(hào)；電源電路，從控制環(huán)接收環(huán)電流，并且對(duì)測(cè)量電路提供一個(gè)激發(fā)電流，包括一個(gè)電感元件，耦合到測(cè)量電路；以及一個(gè)開關(guān)，有選擇地把電感元件耦合到控制環(huán)；一個(gè)電容器，用于存儲(chǔ)電荷；調(diào)制電路，耦合到測(cè)量電路和雙線環(huán)，其響應(yīng)性地控制流過環(huán)的電流；以及起動(dòng)電路，耦合到調(diào)制電路，其控制調(diào)制電路，在起動(dòng)狀態(tài)期間使環(huán)電流增加，由此使電源電路中的電容器充電。2.權(quán)利要求1的發(fā)送器，其中激發(fā)電流比環(huán)電流大。3.權(quán)利要求1的發(fā)送器，包括耦合到調(diào)制電路的模擬傳送電路，通過控制環(huán)電流以經(jīng)過雙線過程控制環(huán)用于傳送模擬信息。4.權(quán)利要求1的發(fā)送器，包括耦合到調(diào)制電路的數(shù)字傳送電路，通過控制環(huán)電流以經(jīng)過雙線過程控制環(huán)用于傳送數(shù)字信息。5.權(quán)利要求1的發(fā)送器，包括一個(gè)與電源并聯(lián)連接，并且對(duì)電源提供一個(gè)大致恒定的電壓輸入的預(yù)調(diào)節(jié)器二極管。6.權(quán)利要求1的發(fā)送器，其中電源的電壓輸出比發(fā)送器兩端之間的電壓降大。7.權(quán)利要求1的發(fā)送器，其中緊接起動(dòng)狀態(tài)之后，起動(dòng)電路保持大約200msec的接通狀態(tài)。全文摘要一種用于一個(gè)雙線過程控制環(huán)(16a/16b)的現(xiàn)場(chǎng)安裝式發(fā)送器(10)包括一個(gè)傳感器(12)，測(cè)量電路(18)和一個(gè)電源(20)。傳感器(12)傳感過程的一個(gè)過程變量，其由測(cè)量電路(18)通過控制環(huán)(16a/16b)傳送。電源(20)由流過控制環(huán)(16a/16b)的電流供電，并且對(duì)測(cè)量電路(18)供電。電源(20)包括一個(gè)耦合到測(cè)量電路(18)的電感元件(70)，以及一個(gè)有選擇地把電感元件(70)耦合到控制環(huán)(16a/16b)的開關(guān)(64)。文檔編號(hào)G05B15/02GK1152963SQ9519411公開日1997年6月25日申請(qǐng)日期1995年6月28日優(yōu)先權(quán)日1994年7月13日發(fā)明者凱文·D·沃格利,托德·A·皮耶喬夫斯基申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司