本质安全过程控制设备和本质安全冗余调节器电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种本质安全过程控制设备和本质安全冗余调节器电路。一种本质安全冗余调节器电路包括在调节轨和接地轨之间的多个电压限制调节器。多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器包括：(i)分路调节器组件，分路调节器组件被配置为将调节轨和接地轨上的电压钳位到安全钳位电压值，以及(ii)一个或多个组件，其中，选择一个或多个组件中的每一个的特性以配置安全钳位电压值。
【专利说明】本质安全过程控制设备和本质安全冗余调节器电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及本质安全设备电路并且更具体地涉及用于有害环境中的设备的本质安全电压限制分路调节器电路。
【背景技术】
[0002]一些工业过程，如在石油工业中的那些工业过程，需要设备操作在有害大气或其他危险条件中。这种设备通常由用于规定有害大气中的设备的特定条件的“本质安全”标准(如ISA-60079-11)标准管理。该条件力图限制在设备电路中存储的能量的量(例如通过限制电容器上的电压或者经过电感器的电流)或者限制积聚的能量的释放(例如通过限制组件的间隔)以使得能量的释放不会导致点火。在ISA-60079-11标准的情况中，如果满足在该标准中规定的特定条件，则设备的特定属性可以被视为是“绝对可靠的”。通常，如果设备的电路在具有高达两个“可计数的”错误的情况中仍然安全则设备的电路被视为是“本质安全的”。
[0003]通常，设备电路使用齐纳二极管作为分路电压限制器(shunt voltage limiter)以限制可能到达特定设备组件的电压。然而，虽然齐纳二极管在这种电压限制上有效，但是齐纳二极管必须在远低于齐纳电压的电压下操作以防止齐纳电压附近的电流泄漏。在功率敏感的应用中(例如由4-20mA信号供电的仪器)，这种电流泄漏是至关重要的。另一方面，如果较高电压齐纳二极管被合适地规定以防止电流泄漏，则电压限制增加，这可能导致关于本质安全的问题。
实用新型内容
[0004]可以看出，现有技术中的冗余调节器电路不允许过程控制设备操作在分路电压限制器的安全钳位电压上或附近，或者不适合作为“绝对可靠的”分路电压限制器。
[0005]针对以上问题，本实用新型提供了一种本质安全过程控制设备，包括:调节轨；接地轨；以及电气耦接到该调节轨和该接地轨的设备组件，其中，在该调节轨和该接地轨上施加的电压导致能量被存储在该设备组件中。该本质安全过程控制设备进一步包括三个或更多个电压限制调节器，每个电压限制调节器被设置为与该设备组件并联并且每个电压限制调节器包括:分路调节器组件，该分路调节器组件被配置为将该调节轨和该接地轨上的电压钳位到安全钳位电压值，以及一个或多个组件，其中，选择该一个或多个组件的特性以配置该安全钳位电压值。
[0006]在一种实现中，所述三个或更多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括:功率限制电阻器，其被配置为限制所述分路调节器组件上消耗的功率。
[0007]在一种实现中，所述三个或更多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括:晶体管组件，其被配置为放大来自所述调节轨的电流。
[0008]在一种实现中，所述三个或更多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括:功率共享电阻器，其被配置为限制所述晶体管组件上消耗的功率，以及管理电阻器，其被配置为当所述调节轨和所述接地轨上的电压低于阈值时防止所述晶体管组件放大来自所述调节轨的电流。
[0009]在一种实现中，与所述三个或更多个电压限制调节器中的一个电压限制调节器相对应的安全钳位电压值在量值上低于与所述三个或更多个电压限制调节器中的其余的电压限制调节器相对应的安全钳位电压值。
[0010]在一种实现中，与所述三个或更多个电压限制调节器中的一个电压限制调节器相对应的公差累积的最高钳位电压值低于与所述三个或更多个电压限制调节器中的其余的电压限制调节器相对应的公差累积的最低钳位电压值。
[0011]在一种实现中，所述三个或更多个电压限制调节器符合一组实体参数。
[0012]在一种实现中，所述功率限制电阻器、所述功率共享电阻器和所述管理电阻器的电阻值基于该组实体参数。
[0013]在一种实现中，所述一个或多个组件包括电阻器，并且所述一个或多个组件的所述特性包括该电阻器的电阻。
[0014]在一种实现中，所述一个或多个组件包括多个电阻器，并且所述一个或多个组件的所述特性包括多个电阻，每个电阻与所述多个电阻器中一个相应的电阻器相对应。
[0015]本实用新型还提供了一种本质安全冗余调节器电路，包括在调节轨和接地轨之间的多个电压限制调节器。该多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器包括:分路调节器组件，该分路调节器组件被配置为将该调节轨和该接地轨上的电压钳位到安全钳位电压值，以及一个或多个组件，其中，选择该一个或多个组件的特性以配置该安全钳位电压值。
[0016]在一种实现中，所述多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括:功率限制电阻器，其被配置为限制所述分路调节器组件上消耗的功率。
[0017]在一种实现中，所述多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括:晶体管组件，其被配置为放大来自所述调节轨的电流。
[0018]在一种实现中，所述多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括:功率共享电阻器，其被配置为限制所述晶体管组件上消耗的功率，以及管理电阻器，其被配置为当所述调节轨和所述接地轨上的电压低于阈值时防止所述晶体管组件放大来自所述调节轨的电流。
[0019]在一种实现中，与所述多个电压限制调节器中的一个电压限制调节器相对应的安全钳位电压值在量值上低于与所述多个电压限制调节器中的其余的电压限制调节器相对应的安全钳位电压值。
[0020]在一种实现中，与所述多个电压限制调节器中的一个电压限制调节器相对应的公差累积的最高钳位电压值低于与所述多个电压限制调节器中的其余的电压限制调节器相对应的公差累积的最低钳位电压值。
[0021]在一种实现中，根据一组实体参数配置所述多个电压限制调节器。
[0022]在一种实现中，所述功率限制电阻器、所述功率共享电阻器和所述管理电阻器的电阻值基于该组实体参数。
[0023]在一种实现中，所述多个电压限制调节器包括至少三个电压限制调节器。
[0024]在一种实现中，所述一个或多个组件包括电阻器，并且所述一个或多个组件的所述特性包括该电阻器的电阻。
[0025]根据本实用新型的冗余调节器电路允许过程控制设备操作在分路电压限制器的安全钳位电压上或附近，而同时有资格作为“绝对可靠的”分路电压限制器。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是示出了包括用于实现冗余调节器电路的本质安全过程控制设备的示例性系统的方框图。
[0027]图2是示出了包括实现与冗余调节器电路并联的多个设备组件的本质安全过程控制设备的另一个示例性系统的方框图。
[0028]图3是示出了包括用于实现与冗余调节器电路并联的能量存储和非能量存储组件的本质安全过程控制设备的另一个示例性系统的方框图。
[0029]图4示出了可以实现为图1-3中所示的其中一个冗余调节器电路的一部分的示例性电路。
[0030]图5示出了可以实现为图1-3中所示的其中一个冗余调节器电路的一部分的另一个示例性电路。
[0031]图6示出了可以实现为图1-3中所示的冗余调节器电路的示例性冗余调节器电路。
【具体实施方式】
[0032]本实用新型涉及例如用于本质安全过程控制设备如开关、螺线管或发射器的冗余调节器电路，并且更具体地涉及经由冗余调节器电路调节本质安全过程控制设备组件上的电压。更具体地，根据本实用新型的冗余调节器电路允许过程控制设备操作在分路电压限制器的安全钳位电压上或附近，而同时有资格作为“绝对可靠的”分路电压限制器。
[0033]参考图1，根据本实用新型的一个版本构造的示例性系统100包括由电源104供电的本质安全(is)过程控制设备102。IS过程控制设备102可以包括开关、发射器、热偶、螺线管阀等等。此外，IS过程控制设备102可以是制造工厂、油或气提取结构、炼油厂、HVAC (加热、通风和空调)系统等等的一部分，其中，IS过程控制设备102暴露于有害环境，如具有有害气体、化学物质、水蒸气、粉尘、纤维等等的环境。
[0034]电源104提供功率给各种组件，包括提供功率给一些电路或组件，如用于为其他电路或组件提供操作电压的操作电压输出电路106。例如，电源104可以提供功率给操作电压输出电路106,操作电压输出电路106可以输出正电压和负电压,该正电压和负电压又被施加给冗余调节器电路108和设备组件110的轨。正电压和负电压在图1中分别被标记为+V和-V，但是要理解正电压可以施加给冗余调节器电路108和设备组件110的轨中的一个，并且另一个轨可以接地。
[0035]电源104可以例如包括耦接到总电源的供电源，总电源经由交流(AC)适配器耦接到is过程控制设备102，或者电源104可以包括耦接到电池电源(在该情况中其可以设置在IS过程控制设备102内部)的供电源。在一些情况中，电源104可以电气耦接到操作电压输出电路106，如供电源或调节器电路，其可以将电源信号(例如24V)转换为特定电压(例如±3.3V，±10V)，其中，该特定电压可以施加于冗余调节器电路108和设备组件110的轨上。
[0036]在一种实现中，在给定某些相关联的实体参数的情况下，IS过程控制设备102可以是本质安全的。利用这种类型的实体资格，如果IS过程控制设备102所连接的其他设备满足对应的一组实体参数，则IS过程控制设备102是本质安全的。那么工厂可以包括附接到IS过程控制设备102的多个其他设备，并且仍然维持本质安全，如果这些多个其他设备(例如在所有考虑的组合和缺省情况下都)符合与IS过程控制设备102对应的该组实体参数的话。
[0037]通过实例的方式，与IS过程控制设备102相对应的实体参数可以包括最大允许电压、最大允许电流、内部电容、内部电感、最大不受保护电容/电感、互连电线的电感/电容或最大功率。在一个情况中，实体参数例如可以包括30V的最大允许电压、130mA的最大允许电流值和IW的最大允许功率值。
[0038]设备组件110可以包括能量存储设备组件110，如电容器或电感器或具有内部电容或电感的任意设备。在一些实现中，可以通过与设备组件110并联的冗余调节器电路108调节在设备组件110上施加的电压。以此方式，在设备组件110中存储的能量或者与能量释放相关的潜在能量得到限制，并且IS过程控制设备102可以是本质安全的(例如在ISA-60079-11标准之下)。冗余调节器电路108可以例如包括一个或多个分路调节器组件112，如低压三端子可调整电压参考，以及被配置为使得该冗余调节器电路成为“绝对可靠的”分路电压限制器的一个或多个电阻器114。参考图4、图5和图6讨论冗余调节器电路108的进一步的细节。
[0039]虽然示例性系统100包括一个IS过程控制设备102、一个冗余调节器电路108、一个操作电压输出电路106和一个设备组件110、但是电源104可以向任意数量的具有任意数量的冗余调节器电路、设备组件和操作电压输出电路的IS过程控制设备提供功率。例如，图2示出了包括实现有多个设备组件202和203的IS过程控制设备201的示例性系统200。
[0040]在一个实现中，与系统100类似，系统200包括电源204、操作电压输出电路206和冗余调节器电路208，其中，冗余调节器电路208包括一个或多个分路调节器组件210和一个或多个电阻器212。然而，与系统100不同，系统200包括与冗余调节器电路208可操作地并联的两个设备组件202和203。设备组件202和203可以例如包括两个电容器或两个电感器。
[0041]通常，IS过程控制设备可以包括任意合适数量的与冗余调节器电路并联的能量存储组件。然而，要理解，IS过程控制设备还可以包括多个冗余调节器。例如，IS过程控制设备可以包括两个冗余调节器电路，其中每个冗余调节器电路可操作地连接到两个设备组件中相应的一个设备组件。此外，多个冗余调节器电路可以可操作地连接到多个操作电压输出电路，以允许IS过程控制设备提供不同的电压给设备组件。
[0042]图3示出了 IS过程控制设备302包括能量存储设备组件304和非能量存储设备组件306的另一个示例性系统300。IS过程控制设备302也由电源308供电并且包括操作电压输出电路310。然而，在该示例性实现中，冗余调节器电路(例如其包括一个或多个分路调节器组件314和一个或多个电阻器316)限制施加于能量存储设备组件304和非能量存储设备组件306的电压。能量存储设备组件可以包括电容器或电感器，并且非能量存储设备组件306可以包括各种电阻器。总体而言，IS过程控制设备可以包括任意数量的与冗余调节器电路并联的能量存储设备组件和非能量存储设备组件以及其组合。
[0043]现在参考图4，可以是冗余调节器电路的一部分的示例性电路400包括分路调节器组件402和一个或多个电阻器403。在一些实现中，示例性电路400的多个复制电路可以并联以创建“绝对可靠的”电压限制分路调节器。例如，可以并联电路400的三个复制电路，使得即使当电路400的两个复制电路故障时，所产生的“冗余”组合也限制到并联的设备组件的电压。参考图6进一步讨论示例性冗余调节器电路。
[0044]在一个实现中，示例性电路400的分路调节器组件402连接在调节轨404和接地轨406之间并且将施加于调节轨404和接地轨406上的电压钳位到安全钳位电压值。分路调节器组件402可以例如是被配置为可调整电压参考的集成电路(1C)。此外，在一个实现中，一个或多个组件(如电阻器403)可以设置安全钳位电压值。与电阻器403组合的分路调节器组件402可以将调节轨404和接地轨406上的电压钳位到6.317V的量值。以此方式，即使当施加的电压大于6.317V时，电路400也可以限制施加于设备组件(如与电路400并联的电容器)的电压。虽然电阻器403在图4中被示出为电阻可被选择以配置安全钳位电压的组件，但是要理解，可以利用任何合适的组件或组件组合来设置安全钳位电压(例如通过选择组件的属性)。在一些实施方式中，可以例如选择单个电阻器的电阻来配置安全钳位电压。
[0045]如将认识到的，冗余调节器电路的组件(如分路调节器组件402和电阻器403)中的每一个可以具有对应的公差值。电阻器403可以例如具有在特定公差(如百分之五或百分之一的公差)之内的相关的电阻值(例如单位为欧姆)。另外，冗余调节器电路的片段如冗余电压限制调节器片段中的每一个可以具有基于相应的片段中的组件的公差累积。因此，多个电压限制调节器片段中的每一个的安全钳位电压可以具有对应的高值(在公差累积顶部)、低值(在公差累积底部)和标称或平均值(在公差累积中间)。
[0046]在一些实现中，分路调节器组件402和电阻器403可以在物理上位于电路板上，以满足本质安全标准的绝对可靠的连接要求。例如，虚线408可以表示分路调节器组件402关于电阻器403的“可计数的”间隔。该可计数的间隔可以确保对于电路400的本质安全所需要的双故障公差来说，必须将空间的故障计数为电路400的分析中的故障。
[0047]虽然图4示出了可以作为冗余调节器电路中的冗余组件来包括的示例性电路400，但是与特定IS过程控制设备相关联的实体参数可能使得需要进一步的功率共享、功率限制或放大组件。如果例如实体参数指定高于分路调节器组件402的额定功率的最大功率，则在电路400中可以包括功率共享电阻器以防止分路调节器组件402超过对应的额定功率。
[0048]图5示出了可以作为冗余调节器电路的一部分的示例性电路500，其包括功率共享/限制和放大组件。在一个实现中，电路500包括能够将调节轨504和接地轨506上的电压钳位到安全钳位电压值的分路调节器组件502，其中，该安全钳位电压值由一个或多个电阻器508的电阻设置。此外，由功率限制电阻器510限制分路调节器组件502上消耗的功率。例如，IS过程控制设备的最大功率实体参数可以超过分路调节器组件502的额定功率，并且可以选择功率限制电阻器510的电阻以将在分路调节器组件502上消耗的功率限制为远低于分路调节器组件502的额定功率的值。
[0049]示例性电路500还可以包括晶体管组件512和对应的功率共享电阻器514以限制在晶体管组件512上消耗的功率。在一些情况中，晶体管组件512可以通过放大从调节轨504汲取的电流来辅助电压的钳位。例如，取决于与IS过程控制设备(例如在其中安装了电路500)相关联的实体参数，晶体管组件512可以或可以不从调节轨504汲取过多电流并且防止在设备组件(如电感器)中的能量积累。示例性电路500还包括可操作地连接到晶体管组件512的管理电阻器516。管理电阻器516可以基于施加于调节轨504和接地轨506上的电压和由分路调节器组件502汲取的电流，选择性地防止晶体管组件512的激活。以此方式，当施加的电压高于阈值时，晶体管组件512可以放大电流，而管理电阻器516确保当不需要电流分路时晶体管组件512被关断，从而防止电流泄漏。
[0050]与示例性电路400类似，电路500的组件可以在物理上间隔开，使得电路500符合可计数的间隔标准。图5中用一个或多个虚线518表示设备组件的这种间隔。
[0051]在一些实现中，多个电压限制分路调节器电路(如电路400或电路500)可以并联，从而形成“绝对可靠的”电压限制组件。这种电路符合在两个或更多个电路故障(例如ISA-60079-11标准的“可计数”故障)的情况下需要安全的本质安全标准。图6示出了与电路500类似的包括三个电压限制分路调节器(电压限制调节器602、604和606)的“三重冗余”调节器电路600。
[0052]三重冗余调节器电路600可以被视为是绝对可靠的，因为当电压限制调节器602、604和606中的两个故障时三个电压限制调节器602、604和606中的另一个可以继续安全地钳位调节轨608和接地轨608上的电压。在一个情况中，电压限制调节器602和604可能故障(例如由于组件故障或损坏)，而电压限制调节器606仍然完好无损并且可运行。
[0053]由于如果电压限制调节器602、604和606的每一个被设置到相同的钳位电压则每个电压限制调节器可能竞争以钳位调节轨608和接地轨610上的电压，所以电路600可能具有振荡的可能性。因此，在一些实现中，电压限制分路调节器602、604和606中的一个的安全钳位电压可以被设置为低于电压限制分路调节器602、604和606中的其他两个的安全钳位电压。例如，可以将与电压限制分路调节器602相对应的公差累积的最高安全钳位电压值设置为低于与电压限制分路调节器604和606相对应的公差累积的最低安全钳位电压值。以此方式，在正常操作期间电压限制分路调节器602、604和606中只有一个将钳位调节轨608和接地轨608上的电压。
[0054]除了图6中示出的组件之外，冗余调节器电路可以包括各种其他非冗余组件以允许电路符合本质安全标准。例如，电路600可以包括非冗余功率整流器620以防止输入信号的反极性情况中的能量存储。
【权利要求】
1.一种本质安全过程控制设备，其特征在于，包括: 调节轨； 接地轨； 设备组件，其电气耦接到所述调节轨和所述接地轨，其中，在所述调节轨和所述接地轨上施加的电压使得能量被存储在所述设备组件中；以及 三个或更多个电压限制调节器，每个电压限制调节器被设置为与所述设备组件并联并且每个电压限制调节器包括: 分路调节器组件，所述分路调节器组件被配置为将在所述调节轨和所述接地轨上的电压钳位到安全钳位电压值，以及 一个或多个组件，其中，所述一个或多个组件的特性被选择以配置所述安全钳位电压值。
2.如权利要求1所述的本质安全过程控制设备，其特征在于，所述三个或更多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括: 功率限制电阻器，其被配置为限制所述分路调节器组件上消耗的功率。
3.如权利要求1所述的本质安全过程控制设备，其特征在于，所述三个或更多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括: 晶体管组件，其被配置为放大来自所述调节轨的电流。
4.如权利要求3所述的本质安全过程控制设备，其特征在于，所述三个或更多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括: 功率共享电阻器，其被配置为限制所述晶体管组件上消耗的功率，以及 管理电阻器，其被配置为当所述调节轨和所述接地轨上的电压低于阈值时防止所述晶体管组件放大来自所述调节轨的电流。
5.如权利要求1所述的本质安全过程控制设备，其特征在于，与所述三个或更多个电压限制调节器中的一个电压限制调节器相对应的安全钳位电压值在量值上低于与所述三个或更多个电压限制调节器中的其余的电压限制调节器相对应的安全钳位电压值。
6.如权利要求5所述的本质安全过程控制设备，其特征在于，与所述三个或更多个电压限制调节器中的一个电压限制调节器相对应的公差累积的最高钳位电压值低于与所述三个或更多个电压限制调节器中的其余的电压限制调节器相对应的公差累积的最低钳位电压值。
7.如权利要求1所述的本质安全过程控制设备，其特征在于，所述三个或更多个电压限制调节器符合一组实体参数。
8.如权利要求7所述的本质安全过程控制设备，其特征在于，所述功率限制电阻器、所述功率共享电阻器和所述管理电阻器的电阻值基于该组实体参数。
9.如权利要求1所述的本质安全过程控制设备，其特征在于，所述一个或多个组件包括电阻器，并且所述一个或多个组件的所述特性包括该电阻器的电阻。
10.如权利要求1所述的本质安全过程控制设备，其特征在于，所述一个或多个组件包括多个电阻器，并且所述一个或多个组件的所述特性包括多个电阻，每个电阻与所述多个电阻器中一个相应的电阻器相对应。
11.一种本质安全冗余调节器电路，其特征在于，包括: 在调节轨和接地轨之间的多个电压限制调节器，其中所述多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器包括: 分路调节器组件，所述分路调节器组件被配置为将所述调节轨和所述接地轨上的电压钳位到安全钳位电压值，以及 一个或多个组件，其中，所述一个或多个组件的特性被选择以配置所述安全钳位电压值。
12.如权利要求1所述的本质安全冗余调节器电路，其特征在于，所述多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括: 功率限制电阻器，其被配置为限制所述分路调节器组件上消耗的功率。
13.如权利要求11所述的本质安全冗余调节器电路，其特征在于，所述多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括: 晶体管组件，其被配置为放大来自所述调节轨的电流。
14.如权利要求13所述的本质安全冗余调节器电路，其特征在于，所述多个电压限制调节器中的每个电压限制调节器进一步包括: 功率共享电阻器，其被配置为限制所述晶体管组件上消耗的功率，以及 管理电阻器，其被配置为当所述调节轨和所述接地轨上的电压低于阈值时防止所述晶体管组件放大来自所述调节轨的电流。
15.如权利要求11所述的本质安全冗余调节器电路，其特征在于，与所述多个电压限制调节器中的一个电压限制调节器相对应的安全钳位电压值在量值上低于与所述多个电压限制调节器中的其余的电压限制调节器相对应的安全钳位电压值。
16.如权利要求15所述的本质安全冗余调节器电路，其特征在于，与所述多个电压限制调节器中的一个电压限制调节器相对应的公差累积的最高钳位电压值低于与所述多个电压限制调节器中的其余的电压限制调节器相对应的公差累积的最低钳位电压值。
17.如权利要求11所述的本质安全冗余调节器电路，其特征在于，根据一组实体参数配置所述多个电压限制调节器。
18.如权利要求17所述的本质安全冗余调节器电路，其特征在于，所述功率限制电阻器、所述功率共享电阻器和所述管理电阻器的电阻值基于该组实体参数。
19.如权利要求11所述的本质安全冗余调节器电路，其特征在于，所述多个电压限制调节器包括至少三个电压限制调节器。
20.如权利要求11所述的本质安全冗余调节器电路，其特征在于，所述一个或多个组件包括电阻器，并且所述一个或多个组件的所述特性包括该电阻器的电阻。
【文档编号】H02H9/04GK204205583SQ201420556259
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2013年10月3日
【发明者】M·J·肯普, D·S·尼古拉斯, S·G·塞伯格 申请人:费希尔控制国际公司