数字仪器的制作方法

专利名称：数字仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字仪器，并且特别涉及向数字仪器的功率传送以及与数字仪器的通讯。
许多房屋、构筑物和设施等具有这样的区域和地带，即在该区域中需要监视和控制的过程。这些区域作为带爆炸或易燃气体或液体的可能会造成污染的后果被认为是危险的。诸如火花、电弧和温度之类的潜在危险因素需要在危险区域内被维持在安全水平。可使用位于危险区域内的仪器进行检测和控制，通过电缆将信息传播给其它仪器和/或控制器。比如在石油生产的平台上，可能包含爆炸或易燃气体的区域内的温度可由与远程控制器连接的局部仪器测量，该远程控制器到达危险的高读数时会发出警报。
有一些关于在危险区域使用诸如仪器之类的电气设备的规定。比如，在可能包含易燃气体的区域，设备必须用合适的爆炸或燃烧防护罩或包装来保护，或者设备必须被制成固有安全的。为了固有安全性，向或通过位于危险区域提供的电源必须被限制在无论怎样都不会产生危险的水平。换言之，设备中的能量水平必须是这样的，即在电路短路的情况下，不可能点燃任何存在于区域中的易燃气体。固有安全性具有这样的优点，即包括仪器在内的电气设备可不必除去激励或中断比如电气分离器的电源而可从危险区域内移出。
任何区域内对固有安全性要求的电源限制是由易占据该区域的危险材料的性质决定的。比如，气体根据它们的起燃特性被分类。需要最少能量起燃的气体类别需要所供的电源的限制最大。为了固有安全性对气体分类的详细说明由标准EN50014的附件A给定。
最近有这样一种趋向仪器系统的趋势，即一些仪器共享同一传输线、反馈或干线，或吊在同一传输线、反馈或干线上。也使用该线在控制器和仪器之间来回地传送通讯信号。通常，仪器是DC供电的，而通讯信号是数字编码的AC波形。通常地，AC通讯信号被叠加在DC电源电压上。这样的系统有多种不同的类型，包括那些在英国知名的在指定HART、基本Fieldbus和Profibus下的系统。
在

图1中描绘了典型的固有安全的Fieldbus(现场总线)系统的排列。该排列有传输线6，功率通过该线基于固有安全传送至危险区域5中两个或更多的仪器3。主要由稳压二极管组成的可靠电压钳位器52和可靠的限流电阻器器5 1通过线6将传送的功率限制在固有安全的水平。每个仪器3通过支线或接头4与传输线6连接。
在现场总线和类似基于固有安全操作的系统中出现的问题是，对可共享同一传输线的仪器的数量上的限制。现场总线仪器通常需要0.01到0.03之间的安培和9到32之间的伏特来起作用。仪器也需要并可保证1.2瓦特的最大功率。在仪器功率需要的总量到达最大可提供功率之前，对于固有安全的传输线，不是很多的设备都能够共享该线。举个例子，在9伏特最小值需要0.02安培的现场总线仪器和匹配功率1.2瓦特的仪器，为了固有安全性，在需要最大值为22伏和0.224安培的区域中操作，对于短现场总线传输线长度，仪器的实际最大数目近似为四。在比如炼油厂的地方是公知的长度为1Km的传输线将具有相当大的电阻，且电压损失会与通过线传送的电流成正比。结果，仪器的实际最大数目可被降到三个或更少。另外，在决定固有安全顺应性中未考虑传输线的电阻。DC电源电压需要被提到最大以允许沿线的电压降，这迫使限流电阻器有相对较高的值以达到与吊在线上的仪器的匹配功率。从而，对高电阻的需要又限制了电流。
EP0666631披露了一种数字仪器系统，其中限压或限流的装置的配置在空间上与电源分开，而电源和限制装置之间的连接是非固有安全的。
本发明的目的是提供一种改进的数字仪器系统。
本发明提供了一种数字仪器系统，它包含电源装置、至少一个位于危险区的仪器、用于将功率从供给处通过危险区传送至每个仪器的传输线装置、用于通过传输线装置限定供给功率的功率限定装置以及位于危险区内用于限制从传输线向至少一个仪器传递的功率的功率限制装置。
通过在传输线装置下游设置功率限制装置，也就是说，远离供电装置设置功率限制装置，线装置中的功率可保持为高，从而使共享线装置的仪器的线长度和/或数量为最大。功率限制装置可将向至少一个仪器输送的功率限制在危险区的固有安全水平。同样，功率限制装置可将向至少一个仪器输送的功率限制在固有安全水平之下。在对仪器的电阻负载短路的情况中，固有安全水平的功率仍然足够将仪器的温度升高到危险水平，而进一步限制功率可防止这种可能性。
较佳地，功率限制装置包含限流装置，它可较佳地包含电阻装置。限流装置可另外地或可替换地包含熔丝装置和/或开关装置。至少每个仪器可具有专门的限流装置。
功率限制装置可附加地或可替换地包含限压装置，用于钳制向仪器或每个仪器输送的电压。限压装置可包含基于电压钳位或任何其它类似或等效的电压钳位形式的稳压二极管。
对于设置了仪器的危险区或地带评估的基础电压是进入区域或地带的固有安全点的电压。包括限压装置的功率限制装置使通过功率限制装置输送的进入区域或地带的固有安全点的电压低于由供电装置输出的电压。在该点上具有较低的电压使所用的低电流限阻装置将功率需求与仪器匹配，而电流不会被过度限制。
功率限制装置可将功率向多个仪器输送，每个仪器可位于危险区内与区域内其它地带具有相同或不同固有安全需求的地带。仪器可为星状或多端结构。来自功率限制装置的功率可不仅被输送至每个仪器，还可被输送至位于同一个或另一个危险区中的功率限制装置，并从而将功率输送给其它仪器。
较佳地，功率电平限定装置在供电装置和功率限制装置之间区域的地带内将通过传输线提供的功率限制到固有安全的水平。至少一个仪器可位于与供电装置和功率限制装置之间的固有安全要求不同，通常更为严格的地带中。换言之，功率限制较佳地通过两级处理完成，充分利用每个地带的最大允许功率并同时保持每个地带中的固有安全性。
功率限定装置较佳地包含钳流装置，它较佳地包含电阻装置。钳流装置可替换地或附加地包含熔丝装置和/或开关装置。熔丝和/或开关装置可以是热启动的。功率电平限定装置可以替换地或附加地包含钳压装置，它可包含基于电压钳位或任何其它类似或等效的电压钳位形式的稳压二极管。熔丝和/或开关装置可响应于钳压装置的温度而被热启动。
此外较佳的是，当功率限制装置和功率限定装置都包含电阻装置时，电阻装置的值可分别匹配从而使供电装置和至少一个仪器之间的功率传送为最大。
另外较佳的是，系统包含用于调节从传输线到功率限制装置的输入电压的调压装置。调压装置可为串联或并联的结构。在并联结构中，调压装置可具有对于数字或AC信号和/或对于高频电压分量来说的高阻抗以及对于DC电压来说的低电阻。换言之，调压装置可起到低通电压分流调节器的作用，只将DC电压和AC电压限制在预定的阈值，允许在阈值附近的AC交流通讯信号通过而不受影响。包含并联结构的电感和稳压二极管的调压装置起到低通电压分流调节器的作用。在串联结构中，调压装置可包含场效应晶体管。
调压装置用来将供电装置的DC电平限制在由包括限压装置的功率限制装置强加的固有安全钳压水平之下，从而防止限压装置受到不利的影响，钳制或削去AC通讯信号。
系统还可包含附加的在供电装置和功率限制装置之间的限流装置。附加的限流装置可包含电阻装置和/或熔丝装置。
系统还可包含转换器。
供电装置可位于安全区域内。供电装置可包含数字输入/输出段，通过耦合器，比如变压器与传输线相连。耦合器可具有两个或三个电流绝缘的电路并可支持一根或更多传输线。数字输入/输出段可由固有安全隔离保护，在这种情况下，可不需要与传输线的耦合器的电流绝缘。功率可通过从一个或更多电源的耦合器向一根或更多传输线供给，该电源可以是公用电源。电源可受固有安全绝缘的保护，在这种情况下可不需要电源的电流绝缘。另外，耦合器可具有其自己的电源，在板上或不在板上，从而直接向耦合器供电。可与单个段连接超过一个的耦合器，段的连接可通过总线从而形成耦合器与总线的菊花链、桥状或多端的连接。
本发明现在将参考下图结合例子来描述，其中图1是现有技术的固有安全的现场总线数字仪器系统的示意图；图2是数字仪器系统的示意图；图3是另一种数字仪器系统的示意图；图4是在图2和图3所示系统中应用的调压和功率限制装置的示意图5是对图4所示功率限制装置的电压影响的图表；图6是对图4所示调压装置的电压影响的图表；图7是图4所示调压装置输出的一种结构的示意图；图8是图4所示功率限制装置输出的一种可替换结构的示意图；图9是根据本发明的数字仪器系统的示意图；图10是根据本发明的另一种数字仪器系统的示意图；图11-14是其它数字仪器系统的示意图；图15是根据本发明的与数字仪器系统输出的仪器连接的结构示意图；图16是根据本发明的还有一种数字仪器系统的示意图；图17是根据本发明用于连接数字仪器系统的转换器的示意图；图18是根据本发明用于数字仪器系统的供电装置的示意图；以及图19是根据本发明用于数字仪器系统的供电装置的示意图。
参考图2，来自位于安全的非危险区(是指线5左边的非限制危险区)中的非固有安全的钳压供电装置36的DC功率通过传输线6传送，穿过危险区5到达位于危险区5中的三个仪器3。来自供应36的输出对于危险区5是在非固有安全水平，必须为传输线6提供诸如爆炸防护罩之类的适当保护。功率从传输线6分别通过支线和相关的输出37向每个仪器3输送。叠加在电源电压DC电平上的是在控制器(未显示)和仪器3之间来回携带信息的AC通讯信号。在每根支线中，有以限流电阻27形式的功率限制装置也位于危险区5之中。所有的三个电阻27和线6与支线之间的连接，因为功率的非固有安全水平，而被罩在适当保护的外壳中。输出37，作为由它们的相关电阻27强加的限流的结果，每个对于危险区5都是固有安全的。因此，至仪器的功率并没有限制在固有安全水平直到线6中的离开供电装置36的下游之前，由此传输线6上的功率水平可保持为高，从而可使传输线6的长度和共享传输线6的仪器数目为最大。传输线6在其它与仪器相连的支线(未显示)的支线位置外继续保持为高。
参考图3，来自非固有安全的非钳压供电装置38的功率通过传输线6传送穿过危险区5到达位于危险区5的三个仪器3。由于来自供电装置38的输出对危险区5是非固有安全水平，所以必须为传输线6提供适当的保护。功率通过支线和相关的输出37从传输线6向每个仪器3输送。叠加在电源电压DC电平上的是在控制器(未显示)和仪器3之间来回携带信息的AC通讯信号。功率通过也位于危险区5中的功率限制装置17输送。功率限制装置17包括限流电阻27和钳制每个输出37上输送的电压的限压电路。另外，向功率限制装置17提供的功率通过同样位于危险区5中的调压装置10来供给。功率限制装置17和调压装置10，因为功率的非固有安全水平，而都被罩在相同的适当保护的外壳99中。功率限制装置17将每个输出37上的功率输出限制在危险区5的固有安全水平。调压装置10保证了，向功率限制装置17提供的电源电压的DC电平被限制或拉下至一定的水平，在该水平下功率限制装置17不会受不利影响、不会钳制或削去叠加在DC电压电平上的AC通讯信号。传输线6在在其它与仪器相连的支线(未显示)的支线位置外继续保持为高。
由于对危险区5所要求的固有安全水平的顺应性的决定是基于功率限制装置17的钳制电压，该电压可大大低于由供电装置38输出的电压，功率限制装置17中的电阻27可低于需要匹配仪器3的功率需求的电阻，所以电流不会被过度地限制。
图4所示的是一个合适的等效电路的例子，该电路用于完成在以上参考图3描述的设置中使用的功率限制和调压功能。功率限制装置17包括稳压二极管钳压器23和至少一个限流电阻27。钳压器23将限制可能通过穿过功率限制装置17的任何方向的AC和DC电压。像这样的不仅用于向任何仪器3供电的DC电压，还可以用于在DC电压上叠加的AC通讯电压的装置，将受限制。图5图示地描绘了具有绝对电压阈值的功率限制装置17的性能，当向钳压器23提供的DC电压电平从正常工作电平12升高至接近、到达绝对极限19或在绝对极限19以上，叠加在DC电压16上的AC通讯信号20会受到影响，更确切地说是被削波。为了防止这个问题，使用图4所示的包括电感25和稳压二极管24的调压装置，以限制或拉下向功率限制装置17提供的电压。图6图示地描绘了调压装置是怎样限制电源电压的，与在9上所示的输入电压无关，从而提供充足的净空高度以防止AC通讯信号有时超过绝对极限19。同时，AC通讯信号20保持不受调压装置10的影响。
图3和图4所示的在调压装置10之前的任意一个或更多电阻可为集成电阻和/或传输线电阻，和/或在供电装置中它们也可完成限流和/或功率限制功能。
图7展示了上述参考图4-6的功率限制装置，具有称之为星状结构的输出37。每个输出37的固有安全级取决于钳压器23所允许的最大电压和相关电阻27的值。因此选择电阻27的值以限制合适区域的功率，输出将分别进入该区域并匹配功率要求。每个电阻27可由一个或更多电阻组成，可由一根或更多熔丝代替或补充。
图8描绘了图7所示的功率限制装置的可替换结构，具有称之为多端结构的输出37。输出37将功率直接输送至仪器3或其它的功率限制装置。电阻27可沿着它们各自与传输线6的连接完整地被罩在合适的外壳35中或单独地罩在合适的外壳34中。在外壳35一边，传输线6继续与其它分支(未显示)连接。同样，每个电阻27可由一个或更多电阻组成，可由一个或更多熔丝代替或补充。
在图9中描绘了本发明的一个实施例。来自供电装置40的功率由功率限定装置限定至具有危险区5的地带5’的固有安全水平。功率限定装置包含稳压二极管电压钳位器41和钳流电阻42。固有安全的功率通过地带5’传送至位于危险区5的地带5”的三个仪器3，其中危险区5具有比地带5’更加严格的固有安全要求。功率通过支线和相关的输出37从传输线6分别向每个仪器3输送。叠加在电源电压DC电平上的是在控制器(未显示)和仪器3之间来回携带信息的AC通讯信号。在每根支线中，还有同样位于危险区5’的以限流电阻27为形式的功率限制装置。所有的三个电阻27和线6之间的连接以及支线以满足地带5’的固有安全要求被罩住，该地带在供电装置40和外壳77之间。需要功率限制装置27以满足地带5”更严格的固有安全要求，其中仪器3位于该地带中。从而，电阻27通过进一步限制线6上传送的功率使输出37对于区域5”固有安全。换言之，功率下降到地带5”的要求。在根据地带5’和5”安全要求的两级处理中，功率通过该地带传送并充分利用每个地带5’和5”的最大允许功率。另外，匹配功率限定电阻42和功率限制电阻27的值从而保证从供电装置40到仪器3的最大功率传送。
图10描绘了本发明的又一个实施例，对以上参考图9所描述的实施例作了变化，其中，来自固有安全的供电装置40的功率通过一固有安全水平的地带5’传送至固有安全的外壳77，在该外壳中通过调压装置10调节电压以及通过功率限制装置17钳制电压和电流都以参考图5-7所提到的方式，从而使在输出37上通过更严格安全要求的地带5”的输送具有固有安全，其中仪器3位于该地带。
图11-14描绘了上述设置上的进一步变化(相同部分给定的标号相同)，其中每个输出37，并非与仪器3连接，而是与以上同样描述过的又一类功率限制装置连接。
图15示出了在上述任何设置中将一个、两个或更多设备3与每个输出37连接的可能性。
图16描绘了在上述设置上的进一步变化，其中来自功率限制装置17的传输线6的输出以非固有安全为基础传送功率通过另一个危险区96到达另一个限流装置，该限流装置用于限制向具有与区域96不同固有安全水平级别的危险区100中的其它仪器(未显示)输送的功率。
图17示意地描绘了可在根据本发明的系统中使用的转换器200，比如，在转换需要在线6上供电的情况下，也就是说，从第一地带的非固有安全水平到固有安全水平，并接着使用根据本发明的功率限制装置，将功率限制在第二地带的固有安全水平，该水平是比第一地带更严格的固有安全水平。转换器200的每个输入可具有超过一个的输出。
在上述每个设置中，将明白的是，位于安全区的供电装置包括数字通讯信号输入/输出装置，可采用图18所示形式的例子。单个的数字输入/输出段(未显示)用总线100通过耦合器102与多重传输线6连接，每根传输线6都具有以上参考本发明任何实施例描述的功率限制装置，包含可靠的变压器的耦合器102具有两个固有安全的电流绝缘的电路。功率通过耦合器102从一个或更多被共享或公用的供电装置104传送至传输线6，其中供电装置每个同样都包含可靠的位于安全区内的变压器，每个安全区都具有固有安全的电流绝缘。
图19所描绘的是用于传输线6上输送功率的固有安全的供电装置40，它达到了区域5的固有安全水平。所供电源由包含电压钳位器401和限流电阻402的功率安全水平限定装置限定。线6或返回线中‘上游’或‘下游’处的热开关或熔丝403与电压钳位器401热耦合。在电压401变得非常热的情况下，开关或熔丝403被启动从而切断至电压钳位器401的电流。电压钳位器401可包含高瓦特容量的稳压二极管，它通常与相应高容量的散热片相连接，因而很占用空间。具有了热保护便打消了对这种散热片的需要并从而减少了空间需求。开关或熔丝403也可与电阻402热耦合，而可在开关或熔丝403的上游或下游提供附加的熔丝404。
权利要求
1.一种数字仪器系统，包含供电装置；至少一个位于危险区的仪器；传输线装置，用于将功率从电源穿过危险区传送到至少一个仪器；功率限定装置，用于限定通过传输线装置提供的功率；以及位于危险区中的功率限制装置，用于限制从传输线向至少一个仪器输送的功率。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于，功率限制装置包含限流装置。
3.根据权利要求2的系统，其特征在于，限流装置包含电阻装置。
4.根据权利要求3的系统，其特征在于，限流装置附加地或可替换地包含熔丝装置和/或开关装置。
5.根据权利要求1的系统，其特征在于，至少一个仪器具有专用的限流装置。
6.根据权利要求2的系统，其特征在于，功率限制装置附加地或可替换地包含限压装置。
7.根据权利要求6的系统，其特征在于，限压装置包含基于电压钳位或任何其它电压钳位的稳压二极管。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求的系统，其特征在于，功率限制装置将功率向多个仪器输送，每个仪器位于与区域中任何一个与其它地带具有相同或不同固有安全要求的危险区中的地带内。
9.根据权利要求8的系统，其特征在于，所述的多个仪器是以星状结构或多端结构配置的。
10.根据任何前述权利要求的系统，其特征在于，来自功率限制装置的功率向其它位于同一或另一危险区中的功率限制装置输送，从而向至少另一个仪器输送功率。
11.根据任何前述权利要求的系统，其特征在于，功率电平限定装置将沿着传输线供应的功率在供电装置和功率限制装置之间区域中地带内限定在固有安全水平。
12.根据权利要求11的系统，其特征在于，仪器或至少一个仪器位于与供电装置和功率限制装置之间地带的固有安全要求不同的地带中。
13.根据任何前述权利要求的系统，其特征在于，功率限定装置包含钳流装置。
14.根据权利要求13的系统，其特征在于，钳流装置包含电阻装置。
15.根据权利要求14的系统，其特征在于，钳流装置可替换或附加地包含熔丝装置和/或开关装置。
16.根据权利要求15的系统，其特征在于，熔丝和/或开关装置是热启动的。
17.根据权利要求14的系统，其特征在于，功率限定装置可替换或附加地包含钳压装置。
18.根据权利要求17的系统，其特征在于，钳压装置包含基于电压钳位或任何其它电压钳位的稳压二极管。
19.根据权利要求1的系统，其特征在于，功率限制装置包含电阻装置，功率限定装置包含电阻装置，而功率限制电阻装置和功率限定电阻装置的值是匹配的，从而将供电装置和仪器或至少一个仪器之间的功率传送最大化。
20.根据任何前述权利要求的系统，其特征在于，包含调压装置，用于调节从传输线到功率限制装置的电压输出。
21.根据权利要求20的系统，其特征在于，调压装置可以是串联或并联的结构。
22.根据权利要求21的系统，其特征在于，以并联为结构的调压装置具有对于数字或AC信号和/或对于高频电压分量的高阻抗以及对于DC电压的低电阻。
23.根据权利要求22的系统，其特征在于，调压装置包含电感和稳压二极管。
24.根据权利要求20到22的任何权利要求的系统，其特征在于，调压装置是串联结构，包含场效应晶体管。
25.根据任何前述权利要求的系统，其特征在于，包含在供电装置和功率限制装置之间的附加限流装置。
26.根据权利要求25的系统，其特征在于，附加的限流装置包含电阻装置和/或熔丝装置和/或开关装置。
全文摘要
一种数字仪器系统具有供电装置(36)，它可向至少一个位于危险地带(5)的仪器(3)供电。同样位于危险地带(5)的是功率限制装置(27)，用于限制向每个仪器(3)提供的功率。
文档编号H02H9/02GK1426620SQ0180873
公开日2003年6月25日 申请日期2001年4月26日 优先权日2000年4月25日
发明者R·B·基奇纳, S·M·拉姆奇, K·R·R·鲍登 申请人:豪克电缆套有限公司