具有低功率光隔离件的工业过程现场设备的制作方法
【专利摘要】工业过程控制现场设备包括过程变量换能器，配置成感应或控制过程变量。现场设备电路配置成连接到过程变量换能器，并且将涉及过程变量的信息通信到另一个位置。现场设备电路包括光隔离件，具有在电流隔离件的第一侧面上的传输电路，所述传输电路配置成传输光学信号，所述光学信号跨越隔离件被脉冲开启和关闭。接收电路定位在电流隔离件的第二侧面上，并且配置成用光学传感器接收光学信号。当光学传感器接收脉冲时，光学传感器进入“开启”状态，并且否则在“关闭”状态。接收电路基于接收的光学信号，提供辅助侧面输出。当光学传感器在“关闭”状态时，接收电路进入低功率状态。
【专利说明】具有低功率光隔离件的工业过程现场设备
【背景技术】
[0001]本发明涉及工业过程现场设备，用于测量或控制工业过程的过程变量。更特别地，本发明涉及工业过程现场设备，包括光隔离件以隔离现场设备中的元件。
[0002]光隔离件(也被称为光电隔离件、光连接器或照片连接器)是使用包括可见光和红外辐射的电磁辐射在两个隔离的电路之间转移电信号的电力元件的布置。这个隔离防止感应的或以其它形式存在于一个电路中的大电压转移或连接到另一个电路。光隔离件不能在电路之间提供功率，但是可以在隔离的电路之间传递信号。如可以认识到的，光隔离件在希望隔离的多种电路中享有普遍的使用。
[0003]使用光隔离件的一个特别的电子设备被认为是现场设备。现场设备通过过程控制和测量产业用于多种目的。通常，这种现场设备具有现场硬化壳体，使得现场设备可以安装在相对粗糙的环境中，并且能够抵抗气候的极端温度、湿度、振动和机械的震动。现场设备还一般在相对低的功率下操作。例如，一些现场设备是现在可获得的，所述现场设备从公知的4-20mA回路接收所有它们的操作功率。
[0004]现场设备在其中操作的环境有时可以是非常易变的。一些环境可以如此易变，从而电力元件的游走的火花或足够高的表面温度可以促使环境点燃和产生爆炸。为保证这种情况不发生，已经发展了内在的安全规程。遵从内在的安全要求帮助保证甚至在故障条件下，电路或设备本身不能点燃易变的环境。光隔离件可以用于隔离现场设备中的电路，以满足内在的安全要求。现场设备中的元件之间的隔离的高速通信典型地要求高功率光连接器。然而，在许多现场设备中，可获得的功率是非常有限的。进一步，光连接器典型地没有根据内在的安全要求配置使用，并且因此要求在光连接器的换能器和接收器之间的相对大的分离。这个空隙减小设备的速度，并且要求额外的功率以跨越该距离。
【发明内容】
[0005]工业过程控制现场设备包括过程变量换能器，配置成感应或控制过程变量。现场设备电路配置成连接到过程变量换能器，并且将涉及过程变量的信息通信到另一个位置。现场设备电路包括光隔离件，具有在电流隔离件的第一侧面上的传输电路，所述传输电路配置成传输光学信号，所述光学信号跨越隔离件被脉冲开启和关闭。接收电路定位在电流隔离件的第二侧面上，并且配置成用光学传感器接收光学信号。当光学传感器接收脉冲时，光学传感器进入“开启”状态，并且否则在“关闭”状态。接收电路基于接收的光学信号提供辅助侧面输出。当光学传感器在“关闭”状态时，接收电路进入低功率状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是磁通计的局部剖视图。
[0007]图2是图1的磁通计的简化电路示意图。
[0008]图3是光隔离件传输电路的示意图。
[0009]图4是光隔离件接收电路的示意图。
【具体实施方式】
[0010]在各种方面，提供包括光隔离件的工业过程现场设备，所述光隔离件在设备的电力元件之间提供隔离。光隔离件包括传输电路和接收电路。为减少功率消耗，传输和接收电路配置成在常关或低功率状态下操作。与典型地在利用光连接器的大部分现场设备中的构造相比，这个构造导致更低的功率消耗。电路可以优化，用于不同的操作频率、工作循环和电压电平。以下的讨论指向现场设备，其中数据通过光隔离件从测量电路传输到输出电路。然而，本发明不受限于这种构造。进一步，具体的执行联系磁通计说明。然而，本发明可以在任何现场设备中执行，在所述现场设备中，希望使用光隔离件的隔离。
[0011]图1是磁通计20的局部剖视图，其中本发明的实施例是特别有用的。磁通计20包括由具有电绝缘衬垫23的低磁性渗透材料形成的流管22，电磁铁26通过线圈、铁磁体芯或铁皮芯28和电极30、32形成。电磁铁26和电极30、32连线到换能器电路34。在操作中，换能器电路用电流驱动电磁铁26，并且电磁铁26产生通过流管22内部的箭头指示的磁场36。过程流体21流过流管22中的磁场，并且流动在流体21中感应出电动势(EMF，电压)。绝缘衬垫23防止电动势从流体21泄漏到金属流管22。电极30、32接触流体21，并且获得或感应电动势，根据法拉第(Faraday)定律，所述电动势与流管22中的流体21的流速(flow rate)是成比例的。
[0012]图2是磁通计换能器20的电路的图解视图。磁通计20包括流管22，适合输送流动的流体21，所述流体21电连接到流管22。线圈26接近流管22定位以响应于来自驱动电路152的驱动信号将磁场施加到过程流体。电极30和32感应流体21中产生的电动势。电动势与流体21的流速和施加的磁场36有关。电极30和32通过差动放大器150连接到测量电路154。根据公知的技术，测量电路154提供与流量相关的输出。例如，测量电路154可以包括，适当程控的或配置的微处理器(多个微处理器)或数字信号处理器(DSP)电路。
[0013]测量电路154的输出被提供到输出电路158，用于传输到远离磁通计20的控制或监测电路。输出电路158提供过程流体21的流量的数字或模拟输出指示。输出电路158的输出被显示为连接到过程控制回路160。回路160可以是电流回路，模拟和/或数字输出通过所述回路被传输到一般地远离流量计20定位的控制或监测电路。示例的通信技术包括4-201^或撤1^00电流回路、现场总线(FieldBus)协议或其他，并且也包括诸如无线HART(R)通信协议的无线通信技术。在一些构造中，从回路160接收的功率被用于驱动换能器20的的电路的一些或全部。
[0014]根据内在的安全设计要求，使用光学连接技术将涉及被测量的流量的信息从测量电路154跨越电流隔离件180传送到输出电路158。隔离件180可以根据内在的安全要求，并且一部分隔离件180对于由光连接器使用的电磁辐射应该是至少局部透明的。例如，隔离件可以通过使用物理屏障将换能器20壳体分成两个部分来实现。一部分可以容纳较低功率的内在安全电路，而另一部分可以容纳较高功率的电路。
[0015]在该例子中，两个光连接器用于双向通信。在图2中，第一光连接器通过光学传输电路196形成，所述光学传输电路196将光学信号204跨越隔离件180发送到光学接收电路200。第二光连接器通过光学传输电路198形成,所述光学传输电路198将光学信号206跨越隔离件180发送到光学接收电路202。然而，单个的传输/接收电路对可以用于单向通信，例如从测量电路154到输出电路158。另外，多对传输和接收电路可以用于单向或双向通信。光连接器的使用允许在两个电路154、158之间没有电连接时在两个电路154、158之间传输数据。在一般的磁通计构造中，测量电路和线圈驱动电路由外部电源驱动。在一些现有技术构造中，为满足内在的安全要求，输出电路158要求分离的隔离电源和/或其他的隔离技术。然而，在一个例子构造中，输出电路158由通过回路160接收的功率驱动。
[0016]图3和4分别是图2中示出的光学传输电路196和光学接收电路200的简化示意图。如下所述，传输和接收电路使用在常“关闭”或低功率状态下操作因而当必要时使用功率的结构实现。更具体地，电路被配置成使得传输和接收电路196、200仅仅在它们之间传输较低逻辑电平时(例如逻辑“O”)消耗实质(substantial)功率。当没有光学信号204存在时，高逻辑电平，即逻辑“1”，在电路196和200之间传输。因此，当传输数字高值时，传输电路196被关闭。进一步地，接收电路200配置成当光学信号204不被接收时在低功率状态下操作。注意在这种构造中，信号中相等的上升和衰变时间应该被考虑，以防止信号的相位差。
[0017]在图3示出的实施例中，红外二极管220通过电阻224由门电路222驱动。在空闲状态期间，当门电路222是逻辑高时，二极管220不传导电流。在通信期间，二极管220由必要的电流(curring)驱动,在这种情况下在每个“O”位(bit)期间约3mA。因此,例如，如果最高的占空比是5%，平均电流约为150μΑ。门电路222从测量电路154接收数码流信号，并且响应地驱动光源(二极管)220。当通电时，二极管220将光学信号204传输到接收电路200。
[0018]在图4示出的实施例中，信号204由光学传感器(二极管)240接收。如图4所示，二极管240连接到电源和晶体管242的基极。晶体管242通过电阻244连接到电源。进一步，晶体管242的集电极通过肖特基二极管246连接到二极管240。晶体管242的集电极通过电容器252交流电(AC)连接到差动比较器250的同相(non-1nverting)输入。比较器250的同相输入还通过电阻器254和256连接到电接地。比较器250的反相输入通过电阻器270连接到电源，并且通过电阻器272连接到电接地。正反馈通过电阻器280提供。
[0019]在操作期间，二极管240通常在空闲状态中，并且不接收信号204，并且因此不传导电流。在该空闲状态期间(逻辑“I”或高)，由电路200抽取的电流和由比较器250抽取的电流通过电阻器270、272、电阻器280、256。在该具体例子中，对于约160 μ A的总电流，所述电流分别约10 μ Α、20 μ A和130 μ A。
[0020]当“0”位被接收时，接收电路200抽取作为二极管220、240之间的电流传输比(CTR)的函数的电流。例如，如果3mA的驱动电流应用到图3中的二极管220，并且在晶体管242的增益之后，电流传输比为60%，则通过电阻器244的电流约1.8mA。如果上面提到的占空比为5%，侧平均电流约90 μ A。因此，接收电路200抽取的平均电流约250 μ Α。
[0021]根据该实施例，接收电路200包括4个主要的部分。二极管240提供光学传感器。放大器部分由晶体管242提供。交流地耦合部分由电容器252执行。滞后和比较器部分由比较器250和电阻器256、280执行。该部分作为有滞后的比较器起作用，并且锁存接收的数据位。
[0022]在接收电路200中，肖特基势垒二极管246操作以防止如果接收信号204太大晶体管242进入饱和。晶体管242的这种饱和可能倾斜位图案并且引起接收信号中的误差。来自晶体管242的放大电流流过产生电压的电阻器244，通过电容器252交流地耦合到比较器250。电容器252的电容应该被选择以利用衰变时间来平衡连接信号的振幅。电阻256的较低的值辅助减小衰变时间，然而，这还可以装载交流地耦合信号。跨越电阻256产生的交流地耦合信号必须超过比较器250的反相输入上的电压。比较器250的反相输入的偏置电压可以如所希望设置以达到该阈值。通过电容器252的信号的信号强度应该基于比较器250的偏移电压和希望的噪声抑制被选择。例如，如果比较器250的偏移电压是10mV，并且希望20mV的噪声抑制容限，反相输入偏置应该是约30mV。提供到比较器250的滞后反馈是约60mV。所述滞后反馈选择为反相输入值的两倍，使得在上升和下降信号二者中达到相等的阈值。当比较器250的输出低时，同相输入将在O伏特。当比较器250的输出高时，同相输入将在60mV。当负跃迁达到地电平以下时，电阻254限制由比较器250接收的电流。
[0023]如在上面讨论中的详尽解释，电路配置成通过保持在常关闭状态并且仅在必要时使用有效功率来减少功率消耗。当在光隔离件之间传输数据时，例如，逻辑电平“0”，该电路仅消耗有效(significant)功率,但是当传输逻辑电平“ I”时,不使用实质(substantial)功率。在位从传输电路196传输到接收电路200之后，接收电路200使用晶体管242放大接收信号，并且使用电容器252将接收信号交流地耦合到比较器250。比较器250操作为具有滞后的零跨越(zerocrossing)检测器。在该构造中，比较器250锁存数据位。当电路仅放大一个逻辑电平时，所述逻辑电平然后交流地耦合进入随后阶段，动态的功率消耗实质地限制到放大阶段。如上所述，为了保持对称的上升和下降时间，应该使用线性放大。如果要求对称的传播延迟，增益放大阶段不饱和是重要的。进一步，使用的功率相反地涉及传输数据的频率。较高的频率使用较少的功率。每个数据包的位的数量也直接地影响功率消耗。每个被传输的数据包的增加的数据位要求增加的功率消耗。
[0024]以上结构允许每个阶段被分别地优化。优选地，增益被优化以克服光学元件的低电流传输比。进一步，增益阶段可以被优化以调整用于电流传输比和温度中的变化以及隔离作用。交流地耦合阶段可以被调整用于希望的操作频率，并且还最小化功率耗散。零跨越检测器和滞后比较器可以被设置有最小阈值，以接受信号并且拒绝噪声。优选地，比较器被选择以最小化功率消耗。
[0025]虽然本发明已经参照优选的实施例进行描述，在本领域技术人员将认识到可以在没有违背本发明的精神和范围的情况下在形式和细节中进行改变。虽然元件30和32特别地参考为电极，但是这些元件可以包括配置成感应或控制过程变量的任何类型的过程变量换能器。因此，图2中的电路154可以是控制或测量电路。于此使用的术语“光学的”包括在可见区域和包括红外和紫外的其他区域的电磁辐射。如上所述，术语“回路”和“过程控制回路”包括有线和无线通信技术二者。因此，来自图2中的输出电路158的输出160可以是无线输出。
【权利要求】
1.一种工业过程控制现场设备，包括: 过程变量换能器，所述过程变量换能器配置成用于感应或控制过程变量； 现场设备电路，所述现场设备电路配置成用于连接到过程变量换能器，并且在工业过程控制回路上通信，包括光隔离件的现场设备电路包括: 传输电路，所述传输电路在电流隔离件的第一侧面，配置成用于跨越隔离件传输光学信号，光学信号被脉冲开启和关闭；和 接收电路，所述接收电路在电流隔离件的第二侧面，配置成用于接收光学信号，并且基于光学信号响应地提供辅助侧面输出，接收电路包括光学传感器，当所述接收电路接收光学信号中的脉冲时，所述光学传感器进入“开启”状态，并且否则在“关闭”状态，其中当光学传感器在“关闭”状态时，接收电路进入低功率状态。
2.根据权利要求1所述的工业过程控制现场设备，其中传输电路通常在低功率状态，并且当传输脉冲时，进入高功率状态。
3.根据权利要求1所述的工业过程控制现场设备，其中接收电路包括放大器，配置成用于放大来自光学传感器的输出。
4.根据权利要求1所述的工业过程控制现场设备，其中接收电路包括比较器，基于来自光学传感器的输出提供输出。
5.根据权利要求4所述的工业过程控制现场设备，其中来自光学传感器的输出交流地耦合到比较器。
6.根据权利要求5所述的工业过程控制现场设备，包括电容器以将来自光学传感器的输出交流地耦合到比较器。
7.根据权利要求4所述的工业过程控制现场设备，其中比较器滞后操作，并且配置成锁存输出位。
8.根据权利要求4所述的工业过程控制现场设备，其中来自光学传感器的输出通过低通滤波器耦合到比较器。
9.根据权利要求1所述的工业过程控制现场设备，包括二极管以耦合到放大器，所述二极管配置成用于防止放大器进入饱和。
10.根据权利要求1所述的工业过程控制现场设备，包括磁性线圈，配置成用于施加磁场到过程流体流，并且其中，过程变量换能器包括感应电极，所述感应电极配置成用于感应与流速有关的过程流体流产生的电动势。
11.一种在工业过程控制现场设备中传输数据的方法，包括: 使用过程变量换能器感应或控制过程变量； 在工业过程控制回路上通信，所述通信与感应或控制过程变量有关； 通过脉冲光学信号开启和关闭，使用光学信号从电流隔离件的第一侧面传输数据；并且 使用在电流隔离件的第二侧面上的接收电路来接收光学信号，并且当所述接收电路接收光学信号中的脉冲时，通过促使光学传感器进入“开启”状态，基于光学信号响应地提供接收电路输出，并且否则保持在“关闭”状态，其中当光学传感器在“关闭”状态时，接收电路进入低功率状态。
12.根据权利要求11所述的方法，其中使用传输电路传输数据，所述传输电路通常在低功率状态，并且当传输脉冲时，所述传输电路进入高功率状态。
13.根据权利要求11所述的方法，包括放大来自光学传感器的输出。
14.根据权利要求11所述的方法，包括使用比较器比较来自放大器的输出。
15.根据权利要求14所述的方法，包括将来自光学传感器的输出交流地耦合到比较器。
16.根据权利要求15所述的方法，包括使用电容器以将来自光学传感器的输出交流地耦合到比较器。
17.根据权利要求14所述的方法，其中比较器滞后操作，并且配置成用于锁存输出位。
18.根据权利要求14所述的方法，包括将来自光学传感器的输出通过低通滤波器耦合到比较器。
19.根据权利要求11所述的方法，包括防止光学传感器进入饱和。
20.根据权利要求11所述的方法，包括施加磁场到过程流体流，并且其中，过程变量换能器包括配置成用于感应与流速有关的过程流体流中的电动势的电子元件。
【文档编号】G01F1/58GK104515558SQ201410313082
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】科尔克·阿兰·亨特, 乔丹·丹尼斯·卢赫特, 贾里德·詹姆斯·德雷尔, 布鲁斯·大卫·罗夫纳, 提姆·斯科特·莱姆克 申请人:罗斯蒙特公司