專利名稱：過程裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及過程裝置。
背景技術：
很多工業過程裝置在雙線控制回路上工作，其中，基于感應器(sensor)讀數或期望的致動器(actuator)狀態，電流在4至20mA范圍變化。在感應器的情況下，與過程裝置相連的主機通過測量控制回路電流確定測量值。在致動器的情況下，控制室向過程裝置提供電流，該電流指示了期望的致動器狀態。主機位于控制室內，向雙線設備提供大約直流24V。對于感應器，可以通過測量諸如3. 5mA或20. 5mA之類的越界電流來完成簡單的診斷。在控制室和設備之間可能存在長達數英里乃至更長的電纜，從而由于配線的電阻而導致小的電壓降。設備中的電子設備將 電壓調節到諸如12V之類的標稱值，以向感應器和微處理器供電。微處理器進行感應器測量，并且確定必需的電流值。微處理器使用數模轉換器(DAC)控制控制放大器和控制晶體管來消耗流過分流電阻器的電流，以使電子設備和分流電阻器的總電流消耗是合適的值。使用高精度感測電阻器來形成反饋環，該高精度感測電阻器對過程裝置的總電流消耗進行測量以確保報告精確值。過程裝置的傳統設計技術指出僅僅應當實現可使用最小電流(3. 5mA)完成的功能。這是由于過程裝置工作所處環境的本質造成的。這些設備是非常低功率的，經常被安裝在遠程位置，并且如果它們發生故障的話，將使整個工作停止。因此，過程裝置在可用功率的下限處可完全工作是必要的。雖然設備必須在3. 5mA下工作，但是它可能在高達20mA下工作。這意味著在分流電阻器中將浪費16. 5mA或更多的可用功率。這種電流的一種用途是為過程控制裝置提供LED背光。過去提供這種特征的方法是用LED替代分流電阻器。雖然這種方法確實提供了背光，但是沒有對背光燈的亮度進行控制。在4mA下，背光是暗淡的，而在20mA下，背光可以極度明亮。
實用新型內容本實用新型申請旨在至少部分地解決現有技術中的一個或多個上述問題，例如用以實現對多余可用功率的獨立控制。一個實施例是一種過程裝置，包括用于至少部分地基于過程裝置測量的過程變量，確定過程裝置的期望總功率消耗的裝置；用于將次級負載消耗的功率調節到期望總功率消耗的一部分的裝置；以及用于調節分流電阻器中的功率耗散，以使過程裝置的總功率消耗等于期望總功率消耗的裝置。用于確定期望總功率消耗的裝置可以包括微處理器。用于調節次級負載消耗的功率的裝置可以包括與數模轉換器相連的次級功率控制電路。[0012]用于調節分流電阻器中的功率耗散的裝置可以包括與數模轉換器相連的初級功率控制電路。根據本實用新型的實施例，對多余可用功率的獨立控制向雙線過程裝置提供了附加的益處。本實用新型允許對次級子系統進行選擇性的控制，以按需將可用功率用于增加的功能和處理器速度，并且可以擴展本實用新型以處理多種附加的非關鍵負載。
圖I是包括用于驅動次級負載的第二控制放大器的過程裝置的圖。圖2是包括用于驅動次級負載的、具有可調增益的第二控制放大器的圖I中過程裝置變體的圖。圖3是包括用于增加微處理器時鐘速度的第二控制放大器的圖I中過程裝置變體的圖。 圖4是包括用于增加提供給傳感器的功率的第二控制放大器的圖I中過程裝置變體的圖。圖5是包括多個次級負載的過程裝置的框圖。
具體實施方式
根據一個實施例，圖I是過程裝置10的圖，該過程裝置10包括用于驅動次級負載的第二控制放大器。傳感器(transducer) 12與發送器電子設備14相連。發送器電子設備14可以包括諸如A/D轉換器16和隔離18之類的組件，來調節傳感器12的輸出以被微處理器20讀取。微處理器20基于傳感器12測量的過程變量，確定必需的總回路電流，并且將信號提供給與合適的總回路電流相關的數模轉換器(DAC) 22。對于4-20mA的回路電流，典型的DAC輸出值是1-3V。DAC 22的輸出通過反饋電路23與控制放大器24相連。反饋電路23包括電阻器23a_23c以及電容器23d_23e。電阻器23a和23b與DAC22相連。電阻器23a也與電阻器23c和電容器23d相連。電容器23d的另一端與電阻器23b相連。電阻器23c與控制放大器24的非反相輸入相連。電容器23e連接在控制放大器24的反相輸入和輸出之間。控制放大器24的輸出與控制晶體管26相連。控制晶體管26與分流電阻器28相連。分流電阻器28與感測電阻器32共享地接點30。感測電阻器32往回連接至電阻器23b和電容器23d，以形成用于控制回路電流(IJ的反饋環。端子34a和34b分別與控制晶體管26和感測電阻器32相連。功率子系統36也與端子34a相連，并且提供必要電路以調節和提供過程裝置10使用的電源軌(rail)(例如，10-15V、4V、3V等等)。反饋電路23、控制放大器24和控制晶體管26 —起構成用于調節分流電阻器28中功率耗散的初級功率控制電路。備選地，該初級功率控制電路可以是本領域普通技術人員理解的多種其它模擬控制電路。根據本實施例，次級負載38與DAC 22的輸出相連。在一些實施例中，包括開關40以允許微處理器20在必要時使能或禁用次級負載38。DAC 22與包括電阻器42和44的分壓器相連。分壓器與控制放大器46相連，控制放大器46與控制晶體管48相連。控制放大器46和控制晶體管46構成用于調節次級負載功率消耗的次級功率控制電路。備選地，該次級功率控制電路可以是本領域普通技術人員理解的多種其它模擬控制電路。在本實施例中，次級負載是一個或多個LED 50 (為簡單起見，僅畫出了一個LED)。控制晶體管48通過LED 50與正電壓軌(在一些實施例中是4V)相連，并且通過電阻器52接地。可以將LED 50用作過程裝置上顯示器的背光燈，并且LED 50是次級負載的一個示例。在最小功率的場合，過程裝置10需要I. 5-2. 7mA的基電流需求以操作傳感器12和微處理器20。這意味著少至O. 8-2mA的額外電流必須通過分流電阻器24釋放或者用于諸如LED 50之類的次級負載。在最大功率的場合，這增加到多達19mA。次級負載38允許對經過LED 50的電流進行獨立調節的控制。次級負載38從DAC22接收初級模擬控制信號，以允許對經過LED 50的電流進行獨立控制。這允許LED 50以受控的亮度來工作，以使閃爍最少。也可以基于所測量的狀態、故障狀況、可用功率或來自過程裝置上用戶接口的命令，選擇性地開通或關斷LED 50。對多余可用功率的獨立控制向雙線過程裝置提供了附加的益處。過去，雙線過程裝置設計的基本原理是如果某一功能可以在最小功率(3. 5mA減去I. 5mA-2. 7mA的最小所需基本電流)完成，那么事實上根本不會完成該功能。本實用新型允許對次級子系統進行選擇性的控制，以按需將可用功率用于增加的功能和處理器速度，并且可以擴展本實用新型以處理多種附加的非關鍵負載。所描述的體系結構允許在設計時進行決策以將回路電流的預先確定部分路由至次級負載，否則該預先確定部分將在分流電阻器28中釋放。例如，假設對于4-20mA的回路電流，需要l-6mA的LED電流。選擇5歐姆電阻用于電阻器52，導致控制放大器46的輸入電壓范圍為5-30mV。用于4-20mA回路電流的DAC 22輸出是1-3V。電阻器42和44的值可以分別是95k歐姆和5k歐姆，以產生期望的LED電流。該方法提供多種益處。可以選擇性地開通和關閉LED 50。在一些實施例中，可以僅在特定回路電流下使能LED 50。可以使用開關40的脈沖寬度調制來控制亮度。開關40也可以用于使LED 50閃爍來指示錯誤狀態。雖然過程裝置可以具有4_20mA的范圍，但是通常過程變量處于其范圍的中間。先前的設計著重于提供僅可以在最小回路電流下完成的功能。此處，可以選擇性地在典型的較高工作電流下使能次級系統，而在較低的回路電流下禁用次級系統。這允許過程裝置10在可以支持附加功能時選擇性地調用它們。通過DAC控制自動地調節LED電流，使得這對于過程裝置10中的微處理器20和其余電路而言是透明的。這消除了通過分流電阻器28消耗功率而可能引起的閃爍。故障模式是良性的，因為LED電路與主過程裝置電流控制回路相分離。這避免了改變過程裝置10電路的關鍵部分(分流電阻器28)。維持現有的分流電路設計避免了內在安全(IS)問題。LED的典型用途是作為附于過程裝置10的顯示器上的背光燈。這種體系結構允許添加LED作為可選顯示器模塊，而不用改變電路的其余部分。典型地，在分流電阻器28中耗散過量的功率。修改分流軌跡和電阻器元件來容納附屬模塊，會引起內在安全(IS)問題，為此需要付諸大量的設計、確認和認證。該構造通過保持現有分流電路設計避免了該問題，并且不需要將分流軌跡路由到顯示器模塊以實現附加照明。[0033]根據另一實施例，圖2是過程裝置100的圖，過程裝置100是(圖I中的)過程裝置10的變體，包括用于驅動次級負載的可調增益。圖2中使用相似的參考標記來指示與圖I中所示元件相似的元件。次級負載102通過開關104與DAC 22的輸出相連。開關104與可變電阻器106相連。微處理器20控制開關104和可變電阻器106。可變電阻器106與電阻器108 —起構成在控制放大器110的輸入處的分壓器。控制放大器110與控制晶體管112相連。控制晶體管112通過LED 114與正電壓軌相連，并且通過電阻器116與地接點相連。當電流流經LED114、控制晶體管112、電阻器116時，在電阻器116上將會出現電壓。到控制放大器Iio的反饋環將確保電阻器116上的電壓匹配電阻器108上的電壓。通過改變可變電阻器106的值，在DAC 22的任意給定輸出下分壓器的操作以及電阻器108上的電壓降將改變。這樣，微處理器20可以控制經過次級負載的電流。在LED為次級負載的情況下，這種調節可以用于減低亮度。圖3是過程裝置200的圖，過程裝置200是(圖I中的)過程裝置10的變體，包括用于增加微處理器時鐘速度的第二控制放大器。圖3中使用相似的參考標記來指示與圖·I和2所示元件相似的元件。次級負載202通過開關204與DAC 22的輸出相連。開關204由微處理器20控制，并且與電阻器206和208構成的分壓器相連。控制放大器210在輸入處與分壓器相連，在輸出處與控制晶體管212相連。控制晶體管212與正電壓軌相連，并且通過電阻器214接地。用于次級負載的反饋電路的操作與針對圖I和2實施例所描述的反饋電路操作相同。壓控振蕩器216為微處理器20提供時鐘。壓控振蕩器216的電壓輸入是加法器218，該加法器218將正電軌的電壓與次級負載控制電路的輸出電壓相力卩。當使能次級負載時，振蕩器216處的電壓升高，進而時鐘速度升高。這允許微處理器20基于回路電流選擇性地升高其處理能力。當更多功率可用時，微處理器20能夠通過升高其處理能力來運行附加的任務。圖4是過程裝置300的圖，過程裝置300是(圖I中的)過程裝置10的變體，其可以向傳感器提供附加的功率。圖4中使用相似的參考標記來指示與圖1-3所示元件相似的元件。次級負載302通過開關304與DAC 22的輸出相連。開關304受微處理器20控制，并與電阻器306和308構成的分壓器相連。該分壓器與控制放大器310相連。控制放大器310與控制電阻器312相連。控制電阻器312與正電壓軌相連，并且通過電阻器314接地。該控制電路的操作等同于參考圖1-3描述的操作。電阻器314也通過隔離316與傳感器12相連。這允許微處理器20在傳感器12內選擇性地提供附加功率或激勵諸如加熱器之類的子系統。這樣做的目的包括維護傳感器12或在傳感器12上完成高級診斷。這種體系結構允許基于回路電流增加提供給傳感器12的功率，或者在諸如閾值回路電流之類的特定條件下提供功率。根據另一實施例，圖5是包括多個次級負載子系統的過程裝置400的框圖。傳感器410與發送器電子設備412相連。發送器電子設備412與微處理器414相連，微處理器414進而與DAC 416相連。DAC 416與初級功率控制電路418相連。初級功率控制電路418與端子420a-420b相連。次級負載422a_422c均與DAC 416和微處理器414相連。這樣，任意數量的次級負載可以與過程設備400相連，并且在工作期間可以由微處理器414選擇性地單獨或共同使能。所描述的次級負載的實施例僅是說明性的。可以使用任意數量的可能次級負載。此外，可以在單個過程裝置中包括任意數量的次級負載。對諸如用于背光的LED之類的次級子系統的獨立控制，或升高處理器功率用于附加任務，允許過程裝置提供附加功能。盡管已經參考示例性實施例描述了本實用新型，但本領域普通技術人員應當理解，在不脫離本實用新型范圍的情況下，可以進行各種改變，并且等同物可以替代本實用新型的元件。此外，在不背離本實用新型實質范圍的情況下，可以進行各種修改來使具體情況或材料適應本實用新型的教導。因此，本實用新型并不局限于所公開的具體實施例，而是包 括落入所附權利要求范圍內的所有實施例。
權利要求1.一種過程裝置，其特征在于包括 用于至少部分地基于過程裝置測量的過程變量，確定過程裝置的期望總功率消耗的裝置； 用于將次級負載消耗的功率調節到期望總功率消耗的一部分的裝置；以及用于調節分流電阻器中的功率耗散，以使過程裝置的總功率消耗等于期望總功率消耗的裝置。
2.如權利要求I的過程裝置，其特征在于，用于確定期望總功率消耗的裝置包括微處理器。
3.如權利要求I的過程裝置，其特征在于，用于調節次級負載消耗的功率的裝置包括與數模轉換器相連的次級功率控制電路。
4.如權利要求I的過程裝置，其特征在于，用于調節分流電阻器中的功率耗散的裝置包括與數模轉換器相連的初級功率控制電路。
專利摘要過程裝置包括用于至少部分地基于過程裝置測量的過程變量，確定過程裝置的期望總功率消耗的裝置；用于將次級負載消耗的功率調節到期望總功率消耗的一部分的裝置；以及用于調節分流電阻器中的功率耗散，以使過程裝置的總功率消耗等于期望總功率消耗的裝置。本實用新型允許對次級子系統進行選擇性的控制，以按需將可用功率用于增加的功能和處理器速度，并且可以擴展本實用新型以處理多種附加的非關鍵負載。
文檔編號G05F1/66GK202677244SQ201220178108
公開日2013年1月16日 申請日期2011年9月26日 優先權日2010年10月15日
發明者道格拉斯·韋恩·阿恩岑 申請人:羅斯蒙德公司