具有低功率光隔離件的工業(yè)過程現(xiàn)場設備的制作方法
【專利摘要】工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備包括過程變量換能器，配置成感應或控制過程變量?，F(xiàn)場設備電路配置成連接到過程變量換能器，并且將涉及過程變量的信息通信到另一個位置?，F(xiàn)場設備電路包括光隔離件，具有在電流隔離件的第一側面上的傳輸電路，所述傳輸電路配置成傳輸光學信號，所述光學信號跨越隔離件被脈沖開啟和關閉。接收電路定位在電流隔離件的第二側面上，并且配置成用光學傳感器接收光學信號。當光學傳感器接收脈沖時，光學傳感器進入“開啟”狀態(tài)，并且否則在“關閉”狀態(tài)。接收電路基于接收的光學信號，提供輔助側面輸出。當光學傳感器在“關閉”狀態(tài)時，接收電路進入低功率狀態(tài)。
【專利說明】具有低功率光隔離件的工業(yè)過程現(xiàn)場設備

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及工業(yè)過程現(xiàn)場設備，用于測量或控制工業(yè)過程的過程變量。更特別地，本實用新型涉及工業(yè)過程現(xiàn)場設備，包括光隔離件以隔離現(xiàn)場設備中的元件。

【背景技術】
[0002]光隔離件(也被稱為光電隔離件、光連接器或照片連接器)是使用包括可見光和紅外輻射的電磁輻射在兩個隔離的電路之間轉移電信號的電力元件的布置。這個隔離防止感應的或以其它形式存在于一個電路中的大電壓轉移或連接到另一個電路。光隔離件不能在電路之間提供功率，但是可以在隔離的電路之間傳遞信號。如可以認識到的，光隔離件在希望隔離的多種電路中享有普遍的使用。
[0003]使用光隔離件的一個特別的電子設備被認為是現(xiàn)場設備?，F(xiàn)場設備通過過程控制和測量產業(yè)用于多種目的。通常，這種現(xiàn)場設備具有現(xiàn)場硬化殼體，使得現(xiàn)場設備可以安裝在相對粗糙的環(huán)境中，并且能夠抵抗氣候的極端溫度、濕度、振動和機械的震動?，F(xiàn)場設備還一般在相對低的功率下操作。例如，一些現(xiàn)場設備是現(xiàn)在可獲得的，所述現(xiàn)場設備從公知的4-20mA回路接收所有它們的操作功率。
[0004]現(xiàn)場設備在其中操作的環(huán)境有時可以是非常易變的。一些環(huán)境可以如此易變，從而電力元件的游走的火花或足夠高的表面溫度可以促使環(huán)境點燃和產生爆炸。為保證這種情況不發(fā)生，已經發(fā)展了內在的安全規(guī)程。遵從內在的安全要求幫助保證甚至在故障條件下，電路或設備本身不能點燃易變的環(huán)境。光隔離件可以用于隔離現(xiàn)場設備中的電路，以滿足內在的安全要求。現(xiàn)場設備中的元件之間的隔離的高速通信典型地要求高功率光連接器。然而，在許多現(xiàn)場設備中，可獲得的功率是非常有限的。進一步，光連接器典型地沒有根據(jù)內在的安全要求配置使用，并且因此要求在光連接器的換能器和接收器之間的相對大的分離。這個空隙減小設備的速度，并且要求額外的功率以跨越該距離。
實用新型內容
[0005]工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備包括過程變量換能器，配置成感應或控制過程變量?，F(xiàn)場設備電路配置成連接到過程變量換能器，并且將涉及過程變量的信息通信到另一個位置?，F(xiàn)場設備電路包括光隔離件，具有在電流隔離件的第一側面上的傳輸電路，所述傳輸電路配置成傳輸光學信號，所述光學信號跨越隔離件被脈沖開啟和關閉。接收電路定位在電流隔離件的第二側面上，并且配置成用光學傳感器接收光學信號。當光學傳感器接收脈沖時，光學傳感器進入“開啟”狀態(tài)，并且否則在“關閉”狀態(tài)。接收電路基于接收的光學信號提供輔助側面輸出。當光學傳感器在“關閉”狀態(tài)時，接收電路進入低功率狀態(tài)。
[0006]根據(jù)本實用新型的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，傳輸電路通常在低功率狀態(tài)，并且當傳輸脈沖時，進入高功率狀態(tài)。
[0007]根據(jù)本實用新型的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，接收電路包括放大器，配置成用于放大來自光學傳感器的輸出。
[0008]根據(jù)本實用新型的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，接收電路包括比較器，基于來自光學傳感器的輸出提供輸出。
[0009]根據(jù)本實用新型的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，來自光學傳感器的輸出交流地耦合到比較器。
[0010]根據(jù)本實用新型的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，包括電容器以將來自光學傳感器的輸出交流地耦合到比較器。
[0011]根據(jù)本實用新型的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，比較器滯后操作，并且配置成鎖存輸出位。
[0012]根據(jù)本實用新型的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，來自光學傳感器的輸出通過低通濾波器耦合到比較器。
[0013]根據(jù)本實用新型的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，包括二極管以耦合到放大器，所述二極管配置成用于防止放大器進入飽和。
[0014]根據(jù)本實用新型的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，包括磁性線圈，配置成用于施加磁場到過程流體流，并且其中，過程變量換能器包括感應電極，所述感應電極配置成用于感應與流速有關的過程流體流產生的電動勢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是磁通計的局部剖視圖。
[0016]圖2是圖1的磁通計的簡化電路示意圖。
[0017]圖3是光隔離件傳輸電路的示意圖。
[0018]圖4是光隔離件接收電路的示意圖。

【具體實施方式】
[0019]在各種方面，提供包括光隔離件的工業(yè)過程現(xiàn)場設備，所述光隔離件在設備的電力元件之間提供隔離。光隔離件包括傳輸電路和接收電路。為減少功率消耗，傳輸和接收電路配置成在常關或低功率狀態(tài)下操作。與典型地在利用光連接器的大部分現(xiàn)場設備中的構造相比，這個構造導致更低的功率消耗。電路可以優(yōu)化，用于不同的操作頻率、工作循環(huán)和電壓電平。以下的討論指向現(xiàn)場設備，其中數(shù)據(jù)通過光隔離件從測量電路傳輸?shù)捷敵鲭娐?。然而，本實用新型不受限于這種構造。進一步，具體的執(zhí)行聯(lián)系磁通計說明。然而，本實用新型可以在任何現(xiàn)場設備中執(zhí)行，在所述現(xiàn)場設備中，希望使用光隔離件的隔離。
[0020]圖1是磁通計20的局部剖視圖，其中本實用新型的實施例是特別有用的。磁通計20包括由具有電絕緣襯墊23的低磁性滲透材料形成的流管22，電磁鐵26通過線圈、鐵磁體芯或鐵皮芯28和電極30、32形成。電磁鐵26和電極30、32連線到換能器電路34。在操作中，換能器電路用電流驅動電磁鐵26，并且電磁鐵26產生通過流管22內部的箭頭指示的磁場36。過程流體21流過流管22中的磁場，并且流動在流體21中感應出電動勢(EMF，電壓)。絕緣襯墊23防止電動勢從流體21泄漏到金屬流管22。電極30、32接觸流體21，并且獲得或感應電動勢，根據(jù)法拉第(Faraday)定律，所述電動勢與流管22中的流體21的流速(flow rate)是成比例的。
[0021]圖2是磁通計換能器20的電路的圖解視圖。磁通計20包括流管22，適合輸送流動的流體21，所述流體21電連接到流管22。線圈26接近流管22定位以響應于來自驅動電路152的驅動信號將磁場施加到過程流體。電極30和32感應流體21中產生的電動勢。電動勢與流體21的流速和施加的磁場36有關。電極30和32通過差動放大器150連接到測量電路154。根據(jù)公知的技術，測量電路154提供與流量相關的輸出。例如，測量電路154可以包括，適當程控的或配置的微處理器(多個微處理器)或數(shù)字信號處理器(DSP)電路。
[0022]測量電路154的輸出被提供到輸出電路158，用于傳輸?shù)竭h離磁通計20的控制或監(jiān)測電路。輸出電路158提供過程流體21的流量的數(shù)字或模擬輸出指示。輸出電路158的輸出被顯示為連接到過程控制回路160。回路160可以是電流回路，模擬和/或數(shù)字輸出通過所述回路被傳輸?shù)揭话愕剡h離流量計20定位的控制或監(jiān)測電路。示例的通信技術包括4-201^或撤1^00電流回路、現(xiàn)場總線(FieldBus)協(xié)議或其他，并且也包括諸如無線HART(R)通信協(xié)議的無線通信技術。在一些構造中，從回路160接收的功率被用于驅動換能器20的的電路的一些或全部。
[0023]根據(jù)內在的安全設計要求，使用光學連接技術將涉及被測量的流量的信息從測量電路154跨越電流隔離件180傳送到輸出電路158。隔離件180可以根據(jù)內在的安全要求，并且一部分隔離件180對于由光連接器使用的電磁輻射應該是至少局部透明的。例如，隔離件可以通過使用物理屏障將換能器20殼體分成兩個部分來實現(xiàn)。一部分可以容納較低功率的內在安全電路，而另一部分可以容納較高功率的電路。
[0024]在該例子中，兩個光連接器用于雙向通信。在圖2中，第一光連接器通過光學傳輸電路196形成，所述光學傳輸電路196將光學信號204跨越隔離件180發(fā)送到光學接收電路200。第二光連接器通過光學傳輸電路198形成,所述光學傳輸電路198將光學信號206跨越隔離件180發(fā)送到光學接收電路202。然而，單個的傳輸/接收電路對可以用于單向通信，例如從測量電路154到輸出電路158。另外，多對傳輸和接收電路可以用于單向或雙向通信。光連接器的使用允許在兩個電路154、158之間沒有電連接時在兩個電路154、158之間傳輸數(shù)據(jù)。在一般的磁通計構造中，測量電路和線圈驅動電路由外部電源驅動。在一些現(xiàn)有技術構造中，為滿足內在的安全要求，輸出電路158要求分離的隔離電源和/或其他的隔離技術。然而，在一個例子構造中，輸出電路158由通過回路160接收的功率驅動。
[0025]圖3和4分別是圖2中示出的光學傳輸電路196和光學接收電路200的簡化示意圖。如下所述，傳輸和接收電路使用在?！瓣P閉”或低功率狀態(tài)下操作因而當必要時使用功率的結構實現(xiàn)。更具體地，電路被配置成使得傳輸和接收電路196、200僅僅在它們之間傳輸較低邏輯電平時(例如邏輯“O”)消耗實質(substantial)功率。當沒有光學信號204存在時，高邏輯電平，即邏輯“1”，在電路196和200之間傳輸。因此，當傳輸數(shù)字高值時，傳輸電路196被關閉。進一步地，接收電路200配置成當光學信號204不被接收時在低功率狀態(tài)下操作。注意在這種構造中，信號中相等的上升和衰變時間應該被考慮，以防止信號的相位差。
[0026]在圖3示出的實施例中，紅外二極管220通過電阻224由門電路222驅動。在空閑狀態(tài)期間，當門電路222是邏輯高時，二極管220不傳導電流。在通信期間，二極管220由必要的電流(curring)驅動,在這種情況下在每個“O”位(bit)期間約3mA。因此,例如，如果最高的占空比是5%，平均電流約為150μΑ。門電路222從測量電路154接收數(shù)碼流信號，并且響應地驅動光源(二極管)220。當通電時，二極管220將光學信號204傳輸?shù)浇邮针娐?00。
[0027]在圖4示出的實施例中，信號204由光學傳感器(二極管)240接收。如圖4所示，二極管240連接到電源和晶體管242的基極。晶體管242通過電阻244連接到電源。進一步，晶體管242的集電極通過肖特基二極管246連接到二極管240。晶體管242的集電極通過電容器252交流電(AC)連接到差動比較器250的同相(non-1nverting)輸入。比較器250的同相輸入還通過電阻器254和256連接到電接地。比較器250的反相輸入通過電阻器270連接到電源，并且通過電阻器272連接到電接地。正反饋通過電阻器280提供。
[0028]在操作期間，二極管240通常在空閑狀態(tài)中，并且不接收信號204，并且因此不傳導電流。在該空閑狀態(tài)期間(邏輯“I”或高)，由電路200抽取的電流和由比較器250抽取的電流通過電阻器270、272、電阻器280、256。在該具體例子中，對于約160μΑ的總電流，所述電流分別約10 μ Α、20 μ A和130 μ A。
[0029]當“0”位被接收時，接收電路200抽取作為二極管220、240之間的電流傳輸比(CTR)的函數(shù)的電流。例如，如果3mA的驅動電流應用到圖3中的二極管220，并且在晶體管242的增益之后，電流傳輸比為60%，則通過電阻器244的電流約1.8mA。如果上面提到的占空比為5%，側平均電流約90 μ A。因此，接收電路200抽取的平均電流約250 μ Α。
[0030]根據(jù)該實施例，接收電路200包括4個主要的部分。二極管240提供光學傳感器。放大器部分由晶體管242提供。交流地耦合部分由電容器252執(zhí)行。滯后和比較器部分由比較器250和電阻器256、280執(zhí)行。該部分作為有滯后的比較器起作用，并且鎖存接收的數(shù)據(jù)位。
[0031]在接收電路200中，肖特基勢壘二極管246操作以防止如果接收信號204太大晶體管242進入飽和。晶體管242的這種飽和可能傾斜位圖案并且引起接收信號中的誤差。來自晶體管242的放大電流流過產生電壓的電阻器244，通過電容器252交流地耦合到比較器250。電容器252的電容應該被選擇以利用衰變時間來平衡連接信號的振幅。電阻256的較低的值輔助減小衰變時間，然而，這還可以裝載交流地耦合信號?？缭诫娮?56產生的交流地耦合信號必須超過比較器250的反相輸入上的電壓。比較器250的反相輸入的偏置電壓可以如所希望設置以達到該閾值。通過電容器252的信號的信號強度應該基于比較器250的偏移電壓和希望的噪聲抑制被選擇。例如，如果比較器250的偏移電壓是10mV，并且希望20mV的噪聲抑制容限，反相輸入偏置應該是約30mV。提供到比較器250的滯后反饋是約60mV。所述滯后反饋選擇為反相輸入值的兩倍，使得在上升和下降信號二者中達到相等的閾值。當比較器250的輸出低時，同相輸入將在O伏特。當比較器250的輸出高時，同相輸入將在60mV。當負躍遷達到地電平以下時，電阻254限制由比較器250接收的電流。
[0032]如在上面討論中的詳盡解釋，電路配置成通過保持在常關閉狀態(tài)并且僅在必要時使用有效功率來減少功率消耗。當在光隔離件之間傳輸數(shù)據(jù)時，例如，邏輯電平“0”，該電路僅消耗有效(significant)功率,但是當傳輸邏輯電平“ I”時,不使用實質(substantial)功率。在位從傳輸電路196傳輸?shù)浇邮针娐?00之后，接收電路200使用晶體管242放大接收信號，并且使用電容器252將接收信號交流地耦合到比較器250。比較器250操作為具有滯后的零跨越(zero crossing)檢測器。在該構造中，比較器250鎖存數(shù)據(jù)位。當電路僅放大一個邏輯電平時，所述邏輯電平然后交流地耦合進入隨后階段，動態(tài)的功率消耗實質地限制到放大階段。如上所述，為了保持對稱的上升和下降時間，應該使用線性放大。如果要求對稱的傳播延遲，增益放大階段不飽和是重要的。進一步，使用的功率相反地涉及傳輸數(shù)據(jù)的頻率。較高的頻率使用較少的功率。每個數(shù)據(jù)包的位的數(shù)量也直接地影響功率消耗。每個被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的增加的數(shù)據(jù)位要求增加的功率消耗。
[0033]以上結構允許每個階段被分別地優(yōu)化。優(yōu)選地，增益被優(yōu)化以克服光學元件的低電流傳輸比。進一步，增益階段可以被優(yōu)化以調整用于電流傳輸比和溫度中的變化以及隔離作用。交流地耦合階段可以被調整用于希望的操作頻率，并且還最小化功率耗散。零跨越檢測器和滯后比較器可以被設置有最小閾值，以接受信號并且拒絕噪聲。優(yōu)選地，比較器被選擇以最小化功率消耗。
[0034]雖然本實用新型已經參照優(yōu)選的實施例進行描述，在本領域技術人員將認識到可以在沒有違背本實用新型的精神和范圍的情況下在形式和細節(jié)中進行改變。雖然元件30和32特別地參考為電極，但是這些元件可以包括配置成感應或控制過程變量的任何類型的過程變量換能器。因此，圖2中的電路154可以是控制或測量電路。于此使用的術語“光學的”包括在可見區(qū)域和包括紅外和紫外的其他區(qū)域的電磁輻射。如上所述，術語“回路”和“過程控制回路”包括有線和無線通信技術二者。因此，來自圖2中的輸出電路158的輸出160可以是無線輸出。
【權利要求】
1.一種工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，包括: 過程變量換能器，所述過程變量換能器配置成用于感應或控制過程變量； 現(xiàn)場設備電路，所述現(xiàn)場設備電路配置成用于連接到過程變量換能器，并且在工業(yè)過程控制回路上通信，包括光隔離件的現(xiàn)場設備電路包括: 傳輸電路，所述傳輸電路在電流隔離件的第一側面，配置成用于跨越隔離件傳輸光學信號，光學信號被脈沖開啟和關閉；和 接收電路，所述接收電路在電流隔離件的第二側面，配置成用于接收光學信號，并且基于光學信號響應地提供輔助側面輸出，接收電路包括光學傳感器，當所述接收電路接收光學信號中的脈沖時，所述光學傳感器進入“開啟”狀態(tài)，并且否則在“關閉”狀態(tài)，其中當光學傳感器在“關閉”狀態(tài)時，接收電路進入低功率狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，其特征在于:傳輸電路通常在低功率狀態(tài)，并且當傳輸脈沖時，進入高功率狀態(tài)。
3.根據(jù)權利要求1所述的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，其特征在于:接收電路包括放大器，配置成用于放大來自光學傳感器的輸出。
4.根據(jù)權利要求1所述的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，其特征在于:接收電路包括比較器，基于來自光學傳感器的輸出提供輸出。
5.根據(jù)權利要求4所述的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，其特征在于:來自光學傳感器的輸出交流地耦合到比較器。
6.根據(jù)權利要求5所述的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，其特征在于:包括電容器以將來自光學傳感器的輸出交流地耦合到比較器。
7.根據(jù)權利要求4所述的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，其特征在于:比較器滯后操作，并且配置成鎖存輸出位。
8.根據(jù)權利要求4所述的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，其特征在于:來自光學傳感器的輸出通過低通濾波器耦合到比較器。
9.根據(jù)權利要求1所述的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，其特征在于:包括二極管以耦合到放大器，所述二極管配置成用于防止放大器進入飽和。
10.根據(jù)權利要求1所述的工業(yè)過程控制現(xiàn)場設備，其特征在于:包括磁性線圈，配置成用于施加磁場到過程流體流，并且其中，過程變量換能器包括感應電極，所述感應電極配置成用于感應與流速有關的過程流體流產生的電動勢。
【文檔編號】G01F1/58GK204064356SQ201420364530
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2013年9月26日
【發(fā)明者】科爾克·阿蘭·亨特, 喬丹·丹尼斯·盧赫特, 賈里德·詹姆斯·德雷爾, 布魯斯·大衛(wèi)·羅夫納, 提姆·斯科特·萊姆克 申請人:羅斯蒙特公司