现场设备的制作方法

本发明涉及一种用于确定与储罐相关的过程参数值(例如，填充物位)的现场设备。本发明还涉及包括现场设备的储罐计量系统。本发明还涉及用于现场设备的端子块。本发明还涉及用于将外部设备连接至现场设备的方法。

背景技术

适用于确定与储罐相关的过程参数值的现有现场设备(例如，罗斯蒙特(rosemount)5400雷达物位变送器或罗斯蒙特5300gwr物位变送器)包括具有接口的端子块，该接口被配置成连接至过程控制回路的两根导线，该过程控制回路用于向现场设备供应电力以及从现场设备输出信号。

然而，可能需要将外部设备连接至该类型的现场设备。例如，外部设备可以是远程显示器。当与外部设备连接时，必须要考虑符合ex(防爆)要求以及如何向外部设备供应电力。

us7262693(karschnia等人)公开了一种过程控制器监控系统，该系统包括通过接线盒、经由过程控制回路连接至控制系统的现场设备。另一现场设备耦接至过程控制回路并且包括无线通信电路。无线通信电路被配置成发送rf信号并且完全由从过程控制回路接收的电力供电。其他现场设备包括功率调节器、分流器或分路器以及超级电容器。在操作期间，通过使用从过程控制回路分接(tap)的过电压、使用功率调节器对超级电容器缓慢地充电。电容器的使用允许快速充电以及储存足够大的势能。然而，当在危险环境中使用时，为了满足本质安全标准而不可能接受大能量存储。在这种情况下，us7262693教导了将其他现场设备从危险环境移动至不需要本质安全的接线盒。此外，即使不使用无线通信电路，其他现场设备也储备电力，这可能会总是削弱提离(lift-off)/更新速率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以与外部设备连接的改进的现场设备，该现场设备可以克服或至少减轻上述缺点。

根据本发明的第一方面，该目的和其他目的由一种用于确定与储罐相关的过程参数值的现场设备来实现，该现场设备包括：壳体，其具有由可移除的盖部封闭的开口；端子块，其位于壳体中并且能够经由所述开口接近；以及位于壳体中的现场设备电子装置，其中，端子块包括：第一接口，其被配置成连接至回路的两根导线，其中，该回路用于向现场设备供应电力以及从现场设备输出信号；第一电导体和第二电导体，其用于将第一接口与现场设备电子装置连接，第二电导体具有电压降生成元件；第一电力供应导体和第二电力供应导体，第一电力供应导体在电压降生成元件上游连接至所述第二电导体，第二电力供应导体在电压降生成元件下游连接至所述第二电导体；以及第二辅助接口，其适于有线连接至外部设备并且被配置成至少用于与所述外部设备通信，其中，第二辅助接口包括与现场设备电子装置电隔离的通信连接器。

此处，“现场设备电子装置”可以被理解为确定过程参数值(例如，填充物位)所需的完整的电子装置。

“外部设备”在现场设备的外部。外部设备可以是辅助设备，这是因为它可以支持或者辅助现场设备的主要功能。

例如，“回路”可以是过程控制回路。

本发明基于以下理解：借助于电压降生成元件(例如，至少一个二极管)以及第一电力供应导体和第二电力供应导体，可以仅在需要电力时才从电导体中的仅一个分接电力，而无需持续储备装置来从现场设备内对例如外部设备供电。此外，由分接电压供电的不同单元(例如，外部设备)的功率需求可以不同，而不会影响现场设备。也就是说，现场设备不需要被设计成考虑由不同单元(例如，不同的外部设备)强加的各种功率需求。作为替代，这可以由外部设备来处理，例如，通过调整更新速率等。此外，由于通信连接器与现场设备电子装置电隔离，因此现场设备电子装置中的高电压将不会传输至通信连接器，这有利于防爆。

在第一实施方式中，第二辅助接口还被配置成借助于从回路获取的提离电压(lift-offvoltage)向外部设备供电。“提离电压”是确保外部设备的正常操作所需的最小电压，并且提离电压与由电压降生成元件引起的电压降相对应。除了该提离电压，还应考虑到在没有连接外部设备时现场设备所需的提离电压。例如，第二辅助接口还可以包括第一电力供应连接器和第二电力供应连接器，第一电力供应连接器连接至所述第一电力供应导体，并且第二电力供应连接器连接至所述第二电力供应导体。因此，在该实施方式中，第二辅助接口包括第一电力供应连接器和第二电力供应连接器以及通信连接器。例如，连接至这样的第二辅助接口的外部设备可以是远程显示器或压力传感器。也就是说，该实施方式中的端子块可以是通用的，由此不同的外部设备可以连接至该端子块。当没有外部设备连接至第二辅助接口时，可以借助于例如跳线使第二辅助接口的电力供应连接器短路。

如果回路本质上是安全的，则不需要内部隔离的二极管(分流器)安全屏障或者非隔离的二极管(分流器)安全屏障以利于第二辅助接口的另外需要的、关联的本质安全的电力输出，这是因为第二辅助接口由来自回路的电力供电。另一方面，第二辅助接口可以被设计成始终是本质安全型(ex-ia)的，而不管回路输入如何。为此，端子块还可以包括在第二电导体与第二辅助接口的电力供应连接器之间的本质安全屏障。例如，该本质安全屏障可以是端子块中的本质安全型屏障。替选地，外部设备可以包括这样的屏障，或者外部设备可以具有防爆壳体或防火壳体。

在第二实施方式中，端子块还包括传感器电子装置，传感器电子装置连接至第二辅助接口的通信连接器并且连接至所述第一电力供应导体和第二电力供应导体，其中，传感器电子装置被配置成确定辅助过程参数值。在该实施方式中，分接的电力主要用于对传感器电子装置供电，尽管传感器电子装置又可以用作用于外部设备的电流源(使用所述分接的电力)。另外，在该实施方式中，第二辅助接口处的“通信”可以是例如来自外部设备的模拟信号。如果(主要的)储罐相关的过程参数值是填充物位，则辅助过程参数值可以是温度，并且连接至第二实施方式的第二辅助接口的外部设备可以是例如电阻温度检测器(rtd)。传感器电子装置可以适用于将来自与第二辅助接口的通信连接器连接的外部设备(例如rtd或一些其他无源设备)的信号转换成数字信号。例如，传感器电子装置可以被配置成将温度信号转换成数字spi(串行外设接口)信号。该实施方式中的端子块可以被特别设计成用于特定的外部设备。

电压降生成元件可以包括至少一个二极管，其主要在一个方向上传导电流。为此，上述第一电力供应导体可以连接在二极管的阳极侧，而第二电力供应导体连接在二极管的阴极侧。二极管可以用作分流器。单个二极管的电压降可以为大约0.7v，但是外部设备或传感器电子装置使用的电压可以更高。也就是说，如果电压降足够高，则电压降可以被外部设备或传感器电子装置升高。代替单个二极管，电压降生成元件可以包括串联的若干个二极管，以提供更大的电压降。例如，串联连接的三个半导体二极管可以提供约2v的总电压降。

电压降生成元件可以是可配置的电压降生成元件。以这种方式，可以根据不同外部设备的功率需求来分接不同的电压，而无需升高电压降。例如，可配置的电压降生成元件可以包括串联连接的二极管，其中，二极管之间的每个节点可用作附加电力供应连接器(经由附加的电力供应导体)。以这种方式，可以通过将特定的外部设备连接至适当的电力供应连接器来选择期望的总电压降。替选地，可配置的电压降生成元件可以是可编程分流器，例如，如由德州仪器提供的tl431。

上述壳体可以包括容纳端子块的第一隔室和容纳现场设备电子装置的第二隔室。第一隔室可以被称作端子隔室或“脏”隔室，而第二隔室可以被称作“净”隔室。屏障可以将第一隔室与第二隔室隔开，使得仅第一隔室能够经由壳体中的上述开口接近，而容纳现场设备电子装置的第二隔室不能经由所述开口接近。

现场设备还可以包括连接于通信连接器与现场设备电子装置之间的光隔离器，以将通信连接器与现场设备电子装置电隔离。光隔离器通常是通过使用光来在两个隔离的电路之间传输电信号的部件。光隔离器可以包括端子块上的光源和第二隔室中的光检测器，其中，光源和光检测器通过光纤互相连接。以这种方式，可以很容易地提供足够高的最大隔离电压。替选地，完整的光隔离器可以设置在端子块上。在又一替选方式中，例如，可以使用端子块上的变压器来将通信连接器与现场设备电子装置电隔离。

在示例性实现方式中，该现场设备是适用于确定包含在储罐中的产品的填充物位的雷达物位计，其中，雷达物位计还包括传播设备，并且其中，现场设备电子装置包括：收发器，其连接至传播设备并且适用于生成、发射和接收电磁信号(微波)，其中，传播设备被布置成朝向储罐内的所述产品传播发射的电磁信号，并且使由发射的电磁信号在包含在储罐中的产品的表面处的反射所产生的表面回波信号返回至所述收发器；以及处理电路，其连接至收发器并且被配置成基于所述表面回波信号来确定所述填充物位。传播设备可以包括辐射天线或传输线探头。

根据本发明的第二方面，提供了一种储罐计量系统，其包括：现场设备，其适用于确定与储罐相关的过程参数值；电源；过程控制回路，其包括连接至电源的两根导线；以及外部设备，其中，现场设备包括：壳体，其具有由可移除的盖部封闭的开口；端子块，其位于壳体中并且能够经由所述开口接近；以及位于壳体中的现场设备电子装置，端子块包括：第一接口，其与至少两根导线连接，以向现场设备供应电力以及从现场设备输出信号；第一电导体和第二电导体，其用于将第一接口与现场设备电子装置连接，第二电导体具有电压降生成元件；第一电力供应导体和第二电力供应导体，第一电力供应导体在电压降生成元件上游连接至所述第二电导体，第二电力供应导体在电压降生成元件下游连接至所述第二电导体；以及与外部设备连接的第二辅助接口，其中，第二辅助接口被配置成至少用于与所述外部设备通信，并且其中，第二辅助接口包括与所述现场设备电子装置电隔离的通信连接器。该方面可以展示出与本发明的第一方面相同或相似的特征和技术效果，并且反之亦然。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于现场设备的端子块，该现场设备适用于确定与储罐相关的过程参数值，其中，端子块包括：第一接口，其被配置成连接至回路的两根导线，该回路用于向现场设备供应电力以及从现场设备输出信号；第一电导体和第二电导体，其用于将第一接口连接至现场设备的现场设备电子装置，第二电导体具有电压降生成元件；第一电力供应导体和第二电力供应导体，第一电力供应导体在电压降生成元件上游连接至所述第二电导体，第二电力供应导体在电压降生成元件下游连接至所述第二电导体；第二辅助接口，其适用于有线连接至外部设备并且被配置成至少用于与所述外部设备通信，其中，第二辅助接口包括通信连接器；以及适用于将通信连接器与现场设备电子装置电隔离的装置。该方面可以展示出与本发明的第一方面和/或第二方面相同或相似的特征和技术效果，并且反之亦然。例如，所述装置可以包括上述光隔离器、光源，但是该装置可替选地包括例如电容器。例如，端子块可以是现有现场设备的改装端子块。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于将外部设备连接至现场设备的方法，该现场设备适用于确定与储罐相关的过程参数值，并且该现场设备包括：壳体，其具有由可移除的盖部封闭的开口；以及位于壳体中的现场设备电子装置，该方法包括：在壳体中设置端子块，其中，端子块包括：第一接口，其被配置成连接至回路的两根导线，该回路用于向现场设备供应电力以及从现场设备输出信号；第一电导体和第二电导体，其用于将第一接口与现场设备电子装置连接，第二电导体具有电压降生成元件；第一电力供应导体和第二电力供应导体，第一电力供应导体在电压降生成元件上游连接至所述第二电导体，第二电力供应导体在电压降生成元件下游连接至所述第二电导体；以及第二辅助接口，其适用于有线连接至外部设备并且被配置成至少用于与所述外部设备通信，其中，第二辅助接口包括与现场设备电子装置电隔离的通信连接器；以及将外部设备连接至端子块的第二辅助接口。该方面可以展示出与本发明的第一方面至第三方面中的任一方面相同或相似的特征和技术效果，并且反之亦然。

附图说明

将参照附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明当前优选的实施方式。

图1是包括根据本发明的实施方式的现场设备的储罐计量系统的示意侧视图。

图2a是图1的现场设备的分解透视图。

图2b是图1的现场设备的俯视图。

图2c示意性地示出了图1的包括根据本发明的第一实施方式的端子块的现场设备。

图3示意性地示出了图2c中的端子块的变型。

图4示意性地示出了根据本发明的第二实施方式的端子块。

具体实施方式

在本说明书中，主要在用于确定储罐填充物位的雷达物位计的背景下论述本发明，但是其他实现方式也是可行的。

图1示出了储罐计量系统100。该储罐计量系统100包括现场设备10、电源102以及过程控制回路104。

现场设备10通常适于确定与储罐106相关的过程参数值。图1中的现场设备10是特别适用于确定包含在储罐106中的产品108的填充物位的雷达物位计。现场设备10可以安装在储罐106的顶部。现场设备10还包括此处为传输线探头12的形式的传播设备。替选地，传播设备可以是辐射天线(未示出)。

现场设备10经由过程控制回路104连接至电源102。过程控制回路104包括两根导线108a、108b(参见图2b至图2c)。例如，过程控制回路104可以是4-20ma回路、根据hart标准的回路或根据现场总线(fieldbus)标准的回路。例如，电源102可以形成控制室的一部分。过程控制回路104通常用于向现场设备10供应电力以及从现场设备10输出信号。也可以通过回路104向现场设备10发送数据。

另外，参照图2a至图2c，现场设备10包括壳体14。壳体14可以是防火或防爆的。壳体14可以包括第一“脏”隔室16a和第二“净”隔室16b。第一隔室16a也可以称作端子隔室。第一隔室16a和第二隔室16b可以被物理屏障18隔开。壳体包括与第一隔室16a连接的开口20，通过该开口可以接近第一隔室16a但无法接近第二隔室16b。开口20可以由可移除的盖部(或盖子)22封闭。壳体12还可以包括两个电缆入口24a、24b。过程控制回路104的导线108a、108b穿过电缆入口24a进入第一隔室16a中。

现场设备10还包括端子块26。端子块26位于壳体14的第一隔室16a中。例如，操作者可以经由开口20接近端子块26。

现场设备10还包括现场设备电子装置28。现场设备电子装置28通常是确定填充物位所需的完整电子装置。现场设备电子装置28位于壳体的第二隔室16b中。在本雷达物位计实现方式中，现场设备电子装置28可以包括连接至探头12并且适用于生成、发射和接收电磁信号(即微波)的收发器30。探头12进而被布置成朝向储罐106内的产品108传播发射的电磁信号，并且使由发射的电磁信号在产品108的表面110处的反射而产生的表面回波信号返回至所述收发器30。现场设备电子装置28还包括连接至收发器30的处理电路32，其中，该处理电路32被配置成基于表面回波信号来确定填充物位。

如在传统的现场设备中，端子块26包括连接至过程控制回路104的导线108a、108b的接口34。为此，接口34可以包括两个电连接器36a、36b(例如，螺栓型端子)。此处，接口34被表示为第一接口34。

为了电连接至现场设备电子装置28，端子块26的第一电导体38a连接至电连接器中的一个电连接器36a，并且端子块26的第二电导体38b连接至另一电连接器36b。在图2c中，连接器36a和电导体38a连接至电源102的正极，而连接器36b和电导体38b连接至电源102的负极。

根据本发明，端子块26还包括第二辅助接口40。第二辅助接口40适用于有线连接至外部设备42(例如，远程显示器或压力传感器)。设备42在现场设备10的外部。设备42可以是辅助设备，这是因为它可以支持或者辅助现场设备10的主要功能，在这种情况下，支持或辅助填充物位确定。外部设备42可以经由穿过电缆入口24b的电缆连接至第二辅助接口40。在第一实施方式中，第二辅助接口40被配置成与外部设备42通信并且向外部设备42供应电力。为此，第二辅助接口40包括通信连接器44以及第一电力供应连接器46a和第二电力供应连接器46b。连接器44和连接器46a、46b可以是电连接器(例如，螺栓型端子)。第二辅助接口40可以是专用的或标准化的。

通信连接器44与现场设备电子装置28通信但是与现场设备电子装置28电隔离。为此，现场设备10还可以包括光隔离器48。光隔离器48连接在通信连接器44与现场设备电子装置28之间。光隔离器48包括第一隔室16a中的端子块26上的光源50a和第二隔室16b中的光检测器50b。光源50a和光检测器50b通过光纤50c互相连接。

第一电力供应连接器46a和第二电力供应连接器46b经由第一电力供应导体52a和第二电力供应导体52b连接至上述第二电导体38b。特别地，第一电力供应导体52a在第二电导体38b的电压降生成元件54上游连接至第二电导体38b，并且第二电力供应导体52b在电压降生成元件54下游连接至第二电导体38b。电压降生成元件54设置在端子块26上或端子块26中。

在图2c所示的实施方式中，具有电压降生成元件54的第二电导体38b连接至“返回”导线108b，该“返回”导线108b又连接至电源102的负极。替选地，导线108b和第二电导体38b可以连接至电源102的正极，这意味着可以从输入侧分接电压。

例如，电压降生成元件54可以是二极管。第一电力供应导体52a连接在二极管的阳极侧处，而第二电力供应导体52b连接在二极管的阴极侧处。二极管的电压降可以是大约0.7v。为了增加电压降，可以将若干个二极管串联连接在第一电力供应导体52a与第二电力供应导体52b之间。

如图2c所示，可以在第二电导体38b与电力供应连接器46a、46b之间可选地设置本质安全型屏障58，从而第二辅助接口40可以是本质安全型的，而与过程控制回路104的输入无关。

在操作中，如本领域惯用的，从电源102经由回路104将电流i供应给现场设备10，并且也经由回路104从现场设备10传送确定的填充物位。此外，当外部设备42连接至第二辅助接口40并且电流在第二电导体38b中流动时，电压降生成元件54提供小的电压降，从而产生对外部设备42供电的提离电压。电压降等于电压降生成元件54的二极管的正向电压，例如0.7v。假定电流为4ma，则功率0.7v×4ma＝2.8mw可足够向例如显示器(外部设备42)供电。

由外部设备42生成的任何数据都经由通信连接器44和光隔离器48传送至现场设备电子装置28。在外部设备42是压力传感器的情况下，从压力传感器提供的压力数据可以例如由现场设备电子装置28用来更精确地确定填充物位。例如，在外部设备42是显示器或蓝牙芯片的情况下，也可以经由通信连接器44向外部设备42传送数据。

当没有外部设备42连接至第二辅助接口40时，可以例如借助于跳线(未示出)使电力供应连接器46a、46b短路。替选地，可以添加用于禁用第二辅助接口40的端子。

图3示意性地示出了根据图2c中的端子块的变型的端子块26。除了电压降生成元件是可配置的电压降生成元件54'之外，图3中的端子块26与图2c中的端子块相似。可配置的电压降生成元件54'包括串联连接的多个二极管60。二极管60之间的每个节点可经由附加(中间)电力供应导体52x适用于第二辅助接口40上的附加电力供应连接器46x。以这种方式，可以通过将特定的外部设备42连接至适当的电力供应连接器46来选择期望的总电压降。如果每个二极管60都具有0.7v的电压降，并且外部设备42如图3所示地连接，则总电压降为1.4v。

图4示意性地示出了根据本发明的第二实施方式的端子块26。图4中的端子块与图2c中的端子块相似，但是不包括电力供应连接器46a、46b。作为替代，图4中的端子块26包括连接至第一电力供应导体52a和第二电力供应导体52b的传感器电子装置56。传感器电子装置56还连接至第二辅助接口40的通信连接器44。此处，通信连接器44可以例如是四线rtd接口，其可以接收模拟信号的形式的通信，并且外部设备42可以是电阻温度检测器(rtd)。传感器电子装置56被配置成确定辅助过程参数值。例如，传感器电子装置56可以将来自rtd的温度信号转换成数字spi(串行外设接口)信号。传感器电子装置56还经由例如前述的光隔离器48(图4中未示出)连接至现场设备电子装置28，使得通信连接器44实际上与现场设备电子装置28电隔离。

在操作中，当外部设备42连接至图4的端子块26的第二辅助接口40并且电流在第二电导体38b中流动时，电压降生成元件54提供小的电压降，从而产生对传感器电子装置56供电的提离电压。由外部设备42生成的信号经由通信连接器44传送至现场设备电子装置28。在外部设备42是rtd的情况下，例如，现场设备电子装置28可以使用来自该外部设备的被转换成数字spi信号的温度信号来更精确地确定填充物位。当没有外部设备42连接至图4中的第二辅助接口40时，可以例如通过使用两个附加连接件(未示出)来使第一电力供应导体52a和第二电力供应导体52b短路，以“关断”电压降。

本领域技术人员认识到的是，本发明决不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变型是可行的。