《双线过程装置的动态功率控制.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双线过程装置的动态功率控制.pdf（12页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102568388 A (43)申请公布日 2012.07.11 CN 102568388 A *CN102568388A* (21)申请号 201110287798.9 (22)申请日 2011.09.26 12/925,201 2010.10.15 US G09G 3/34(2006.01) (71)申请人 罗斯蒙德公司 地址 美国明尼苏达州 (72)发明人 道格拉斯韦恩阿恩岑 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 王波波 (54) 发明名称 双线过程装置的动态功率控制 (57) 摘要 本发明公开一种双线过程装置的动态功率控 制。
2、。 过程装置包括传感器、 双线接口、 微处理器、 数 模转换器、 第一控制电路和第二控制电路。流经 双线接口的电流指示传感器的状态。微处理器与 传感器相连。数模转换器从微处理器接收指示电 流值的信号。第一控制电路与数模转换器相连， 并且适于将流经双线接口的电流控制为所述电流 值。 第二控制电路与数模转换器相连， 并且将电流 提供给次级负载。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 5 页 1/2 页 2 1. 一种过程装置， 包括 ： 传感。
3、器 ； 双线接口， 其中， 流经双线接口的电流指示传感器的状态 ； 微处理器， 与传感器相连 ； 数模转换器， 从微处理器接收指示电流值的信号 ； 第一控制电路， 与数模转换器相连， 适于将经过双线接口的电流控制为所述电流值 ； 以 及 第二控制电路， 与数模转换器相连， 适于向次级负载提供电流。 2. 如权利要求 1 的过程装置， 其中， 第一控制电路包括 ： 第一控制放大器， 与数模转换器相连 ； 第一控制晶体管， 与第一控制放大器相连 ； 分流电阻器， 与第一控制晶体管相连 ； 以及 感测电阻器， 与分流电阻器和第一控制放大器相连。 3. 如权利要求 1 的过程装置， 其中， 次级负载包。
4、括一个或多个发光二极管。 4. 如权利要求 3 的过程装置， 其中， 过程装置还包括显示器， 并且发光二极管被配置为 显示器的背光灯。 5. 如权利要求 1 的过程装置， 其中， 次级负载包括与微处理器相连的压控振荡器。 6. 如权利要求 1 的过程装置， 其中， 次级负载包括传感器。 7. 如权利要求 1 的过程装置， 其中， 第二控制电路包括与微处理器相连的开关， 所述开 关被配置为使能或禁用对次级负载的电流供应。 8. 如权利要求 1 的过程装置， 其中， 第二控制电路包括可调增益元件， 所述可调增益元 件可被微处理器操作来调节提供给次级负载的电流量。 9. 如权利要求 1 的过程装置，。
5、 还包括与数模转换器相连的第三控制电路， 适于向第三 负载提供电流。 10. 如权利要求 1 的过程装置， 其中， 第二控制电路包括 ： 第二控制放大器， 与数模转换器相连 ； 第二控制晶体管， 与第二控制放大器相连 ； 以及 第一电阻器， 与第二控制晶体管和第二控制放大器相连。 11. 如权利要求 10 的过程装置， 其中， 第二控制电路还包括 ： 第二电阻器， 耦接在数模转换器和第二控制放大器之间 ； 以及 第三电阻器， 耦接在第二控制放大器和地参考之间。 12. 如权利要求 11 的过程装置， 其中， 第二电阻器是微处理器控制的可调电阻器。 13. 如权利要求 12 的过程装置， 其中，。
6、 第三电阻器是微处理器控制的可调电阻器。 14. 一种控制过程装置功率消耗的方法， 包括 ： 确定过程装置的期望总功率消耗 ； 计算与期望总功率消耗相关的控制信号的值 ； 将控制信号提供给初级功率控制电路 ； 将控制信号提供给次级功率控制电路 ； 使用次级功率控制电路将次级负载的功率消耗调节到期望总功率消耗的一部分 ； 以及 权 利 要 求 书 CN 102568388 A 2 2/2 页 3 使用初级功率控制电路调节分流电阻器中的功率耗散， 以使过程装置的总功率消耗等 于期望总功率消耗。 15. 如权利要求 14 的方法， 其中， 确定期望总功率消耗包括 ： 使用附于过程装置的感应器测量过程。
7、变量 ； 以及 基于所测量的过程变量， 确定期望总功率消耗。 16. 如权利要求 14 的方法， 其中， 次级负载是增加的提供给微处理器的功率。 17. 如权利要求 14 的方法， 其中， 次级负载是一个或多个发光二极管。 18. 如权利要求 14 的方法， 其中， 次级负载是增加的提供给传感器的功率。 19. 如权利要求 14 的方法， 其中， 微处理器选择性地使能和禁用对次级负载的功率供 应。 20. 一种过程装置， 包括 ： 用于至少部分地基于过程装置测量的过程变量， 确定过程装置的期望总功率消耗的装 置 ； 用于将次级负载消耗的功率调节到期望总功率消耗的一部分的装置 ； 以及 用于调节。
8、分流电阻器中的功率耗散， 以使过程装置的总功率消耗等于期望总功率消耗 的装置。 21. 如权利要求20 的过程装置， 其中， 用于确定期望总功率消耗的装置包括微处理器。 22. 如权利要求 20 的过程装置， 其中， 用于调节次级负载消耗的功率的装置包括与数 模转换器相连的次级功率控制电路。 23. 如权利要求 20 的过程装置， 其中， 用于调节分流电阻器中的功率耗散的装置包括 与数模转换器相连的初级功率控制电路。 权 利 要 求 书 CN 102568388 A 3 1/4 页 4 双线过程装置的动态功率控制 技术领域 0001 本发明涉及双线过程装置的动态功率控制。 背景技术 0002 。
9、很多工业过程装置在双线控制回路上工作， 其中， 基于感应器 (sensor) 读数或期 望的致动器 (actuator) 状态， 电流在 4 至 20mA 范围变化。在感应器的情况下， 与过程装置 相连的主机通过测量控制回路电流确定测量值。在致动器的情况下， 控制室向过程装置提 供电流， 该电流指示了期望的致动器状态。 0003 主机位于控制室内， 向双线设备提供大约直流 24V。对于感应器， 可以通过测量诸 如 3.5mA 或 20.5mA 之类的越界电流来完成简单的诊断。在控制室和设备之间可能存在长 达数英里乃至更长的电缆， 从而由于配线的电阻而导致小的电压降。设备中的电子设备将 电压调节。
10、到诸如 12V 之类的标称值， 以向感应器和微处理器供电。 0004 微处理器进行感应器测量， 并且确定必需的电流值。微处理器使用数模转换器 (DAC) 控制控制放大器和控制晶体管来消耗流过分流电阻器的电流， 以使电子设备和分流 电阻器的总电流消耗是合适的值。使用高精度感测电阻器来形成反馈环， 该高精度感测电 阻器对过程装置的总电流消耗进行测量以确保报告精确值。 0005 过程装置的传统设计技术指出仅仅应当实现可使用最小电流 (3.5mA) 完成的功 能。这是由于过程装置工作所处环境的本质造成的。这些设备是非常低功率的， 经常被安 装在远程位置， 并且如果它们发生故障的话， 将使整个工作停止。。
11、因此， 过程装置在可用功 率的下限处可完全工作是必要的。 0006 虽然设备必须在 3.5mA 下工作， 但是它可能在高达 20mA 下工作。这意味着在分流 电阻器中将浪费 16.5mA 或更多的可用功率。 0007 这种电流的一种用途是为过程控制装置提供 LED 背光。过去提供这种特征的方法 是用 LED 替代分流电阻器。虽然这种方法确实提供了背光， 但是没有对背光灯的亮度进行 控制。在 4mA 下， 背光是暗淡的， 而在 20mA 下， 背光可以极度明亮。 发明内容 0008 一个实施例是一种过程装置， 包括传感器、 双线接口、 微处理器、 数模转换器、 第一 控制电路和第二控制电路。流经。
12、双线接口的电流指示传感器的状态。微处理器与传感器通 过接口相连。数模转换器从微处理器接收指示电流值的信号。第一控制电路与数模转换器 耦合， 适于将流经双线接口的电流控制为所述电流值。 第二控制电路与数模转换器相连， 并 且将电流提供给次级负载。 附图说明 0009 图 1 是包括用于驱动次级负载的第二控制放大器的过程装置的图。 0010 图 2 是包括用于驱动次级负载的、 具有可调增益的第二控制放大器的图 1 中过程 说 明 书 CN 102568388 A 4 2/4 页 5 装置变体的图。 0011 图3是包括用于增加微处理器时钟速度的第二控制放大器的图1中过程装置变体 的图。 0012 。
13、图4是包括用于增加提供给传感器的功率的第二控制放大器的图1中过程装置变 体的图。 0013 图 5 是包括多个次级负载的过程装置的框图。 具体实施方式 0014 根据一个实施例， 图 1 是过程装置 10 的图， 该过程装置 10 包括用于驱动次级负载 的第二控制放大器。传感器 (transducer)12 与发送器电子设备 14 相连。发送器电子设备 14可以包括诸如A/D转换器16和隔离18之类的组件， 来调节传感器12的输出以被微处理 器 20 读取。微处理器 20 基于传感器 12 测量的过程变量， 确定必需的总回路电流， 并且将 信号提供给与合适的总回路电流相关的数模转换器 (DAC。
14、)22。对于 4-20mA 的回路电流， 典 型的 DAC 输出值是 1-3V。DAC 22 的输出通过反馈电路 23 与控制放大器 24 相连。 0015 反馈电路 23 包括电阻器 23a-23c 以及电容器 23d-23e。电阻器 23a 和 23b 与 DAC 22 相连。电阻器 23a 也与电阻器 23c 和电容器 23d 相连。电容器 23d 的另一端与电阻器 23b 相连。电阻器 23c 与控制放大器 24 的非反相输入相连。电容器 23e 连接在控制放大器 24 的反相输入和输出之间。 0016 控制放大器 24 的输出与控制晶体管 26 相连。控制晶体管 26 与分流电阻器 。
15、28 相 连。分流电阻器 28 与感测电阻器 32 共享地接点 30。感测电阻器 32 往回连接至电阻器 23b 和电容器 23d， 以形成用于控制回路电流 (IL) 的反馈环。端子 34a 和 34b 分别与控制晶体 管 26 和感测电阻器 32 相连。功率子系统 36 也与端子 34a 相连， 并且提供必要电路以调节 和提供过程装置 10 使用的电源轨 (rail)( 例如， 10-15V、 4V、 3V 等等 )。 0017 反馈电路23、 控制放大器24和控制晶体管26一起构成用于调节分流电阻器28中 功率耗散的初级功率控制电路。备选地， 该初级功率控制电路可以是本领域普通技术人员 理。
16、解的多种其它模拟控制电路。 0018 根据本实施例， 次级负载38与DAC 22的输出相连。 在一些实施例中， 包括开关40 以允许微处理器 20 在必要时使能或禁用次级负载 38。DAC 22 与包括电阻器 42 和 44 的分 压器相连。分压器与控制放大器 46 相连， 控制放大器 46 与控制晶体管 48 相连。控制放大 器 46 和控制晶体管 46 构成用于调节次级负载功率消耗的次级功率控制电路。备选地， 该 次级功率控制电路可以是本领域普通技术人员理解的多种其它模拟控制电路。 0019 在本实施例中， 次级负载是一个或多个 LED 50( 为简单起见， 仅画出了一个 LED)。 控制。
17、晶体管 48 通过 LED 50 与正电压轨 ( 在一些实施例中是 4V) 相连， 并且通过电阻器 52 接地。可以将 LED 50 用作过程装置上显示器的背光灯， 并且 LED 50 是次级负载的一个示 例。 0020 在最小功率的场合， 过程装置 10 需要 1.5-2.7mA 的基电流需求以操作传感器 12 和微处理器 20。这意味着 ： 少至 0.8-2mA 的额外电流必须通过分流电阻器 24 释放或者用 于诸如 LED 50 之类的次级负载。在最大功率的场合， 这增加到多达 19mA。 0021 次级负载 38 允许对经过 LED 50 的电流进行独立调节的控制。次级负载 38 从 。
18、DAC 说 明 书 CN 102568388 A 5 3/4 页 6 22 接收初级模拟控制信号， 以允许对经过 LED 50 的电流进行独立控制。这允许 LED 50 以 受控的亮度来工作， 以使闪烁最少。也可以基于所测量的状态、 故障状况、 可用功率或来自 过程装置上用户接口的命令， 选择性地开通或关断 LED 50。 0022 对多余可用功率的独立控制向双线过程装置提供了附加的益处。过去， 双线过程 装置设计的基本原理是 ： 如果某一功能可以在最小功率(3.5mA减去1.5mA-2.7mA的最小所 需基本电流 ) 完成， 那么事实上根本不会完成该功能。本发明允许对次级子系统进行选择 性的。
19、控制， 以按需将可用功率用于增加的功能和处理器速度， 并且可以扩展本发明以处理 多种附加的非关键负载。 0023 所描述的体系结构允许在设计时进行决策以将回路电流的预先确定部分路由至 次级负载， 否则该预先确定部分将在分流电阻器 28 中释放。例如， 假设对于 4-20mA 的回路 电流， 需要 1-6mA 的 LED 电流。选择 5 欧姆电阻用于电阻器 52， 导致控制放大器 46 的输入 电压范围为 5-30mV。用于 4-20mA 回路电流的 DAC 22 输出是 1-3V。电阻器 42 和 44 的值 可以分别是 95k 欧姆和 5k 欧姆， 以产生期望的 LED 电流。 0024 该。
20、方法提供多种益处。可以选择性地开通和关闭 LED 50。在一些实施例中， 可以 仅在特定回路电流下使能 LED 50。可以使用开关 40 的脉冲宽度调制来控制亮度。开关 40 也可以用于使 LED 50 闪烁来指示错误状态。 0025 虽然过程装置可以具有 4-20mA 的范围， 但是通常过程变量处于其范围的中间。先 前的设计着重于提供仅可以在最小回路电流下完成的功能。此处， 可以选择性地在典型的 较高工作电流下使能次级系统， 而在较低的回路电流下禁用次级系统。这允许过程装置 10 在可以支持附加功能时选择性地调用它们。 0026 通过 DAC 控制自动地调节 LED 电流， 使得这对于过程装。
21、置 10 中的微处理器 20 和 其余电路而言是透明的。这消除了通过分流电阻器 28 消耗功率而可能引起的闪烁。故障 模式是良性的， 因为 LED 电路与主过程装置电流控制回路相分离。这避免了改变过程装置 10 电路的关键部分 ( 分流电阻器 28)。维持现有的分流电路设计避免了内在安全 (IS) 问 题。 0027 LED 的典型用途是作为附于过程装置 10 的显示器上的背光灯。这种体系结构允 许添加 LED 作为可选显示器模块， 而不用改变电路的其余部分。典型地， 在分流电阻器 28 中耗散过量的功率。修改分流轨迹和电阻器元件来容纳附属模块， 会引起内在安全 (IS) 问 题， 为此需要付。
22、诸大量的设计、 确认和认证。 该构造通过保持现有分流电路设计避免了该问 题， 并且不需要将分流轨迹路由到显示器模块以实现附加照明。 0028 根据另一实施例， 图 2 是过程装置 100 的图， 过程装置 100 是 ( 图 1 中的 ) 过程装 置 10 的变体， 包括用于驱动次级负载的可调增益。图 2 中使用相似的参考标记来指示与图 1 中所示元件相似的元件。次级负载 102 通过开关 104 与 DAC 22 的输出相连。开关 104 与 可变电阻器 106 相连。微处理器 20 控制开关 104 和可变电阻器 106。可变电阻器 106 与 电阻器 108 一起构成在控制放大器 110。
23、 的输入处的分压器。控制放大器 110 与控制晶体管 112 相连。控制晶体管 112 通过 LED 114 与正电压轨相连， 并且通过电阻器 116 与地接点相 连。 0029 当电流流经 LED114、 控制晶体管 112、 电阻器 116 时， 在电阻器 116 上将会出现电 压。到控制放大器 110 的反馈环将确保电阻器 116 上的电压匹配电阻器 108 上的电压。通 说 明 书 CN 102568388 A 6 4/4 页 7 过改变可变电阻器 106 的值， 在 DAC 22 的任意给定输出下分压器的操作以及电阻器 108 上 的电压降将改变。这样， 微处理器 20 可以控制经过。
24、次级负载的电流。在 LED 为次级负载的 情况下， 这种调节可以用于减低亮度。 0030 图 3 是过程装置 200 的图， 过程装置 200 是 ( 图 1 中的 ) 过程装置 10 的变体， 包 括用于增加微处理器时钟速度的第二控制放大器。图 3 中使用相似的参考标记来指示与图 1 和 2 所示元件相似的元件。次级负载 202 通过开关 204 与 DAC 22 的输出相连。开关 204 由微处理器 20 控制， 并且与电阻器 206 和 208 构成的分压器相连。控制放大器 210 在输入 处与分压器相连， 在输出处与控制晶体管 212 相连。控制晶体管 212 与正电压轨相连， 并且 。
25、通过电阻器 214 接地。用于次级负载的反馈电路的操作与针对图 1 和 2 实施例所描述的反 馈电路操作相同。 0031 压控振荡器 216 为微处理器 20 提供时钟。压控振荡器 216 的电压输入是加法器 218， 该加法器 218 将正电轨的电压与次级负载控制电路的输出电压相加。当使能次级负载 时， 振荡器 216 处的电压升高， 进而时钟速度升高。这允许微处理器 20 基于回路电流选择 性地升高其处理能力。当更多功率可用时， 微处理器 20 能够通过升高其处理能力来运行附 加的任务。 0032 图4是过程装置300的图， 过程装置300是(图1中的)过程装置10的变体， 其可 以向传感。
26、器提供附加的功率。图 4 中使用相似的参考标记来指示与图 1-3 所示元件相似的 元件。次级负载 302 通过开关 304 与 DAC 22 的输出相连。开关 304 受微处理器 20 控制， 并与电阻器 306 和 308 构成的分压器相连。该分压器与控制放大器 310 相连。控制放大器 310 与控制电阻器 312 相连。控制电阻器 312 与正电压轨相连， 并且通过电阻器 314 接地。 该控制电路的操作等同于参考图 1-3 描述的操作。 0033 电阻器 314 也通过隔离 316 与传感器 12 相连。这允许微处理器 20 在传感器 12 内选择性地提供附加功率或激励诸如加热器之类的。
27、子系统。 这样做的目的包括维护传感器 12 或在传感器 12 上完成高级诊断。这种体系结构允许 ： 基于回路电流增加提供给传感器 12 的功率， 或者在诸如阈值回路电流之类的特定条件下提供功率。 0034 根据另一实施例， 图 5 是包括多个次级负载子系统的过程装置 400 的框图。传感 器 410 与发送器电子设备 412 相连。发送器电子设备 412 与微处理器 414 相连， 微处理器 414 进而与 DAC 416 相连。DAC 416 与初级功率控制电路 418 相连。初级功率控制电路 418 与端子 420a-420b 相连。次级负载 422a-422c 均与 DAC 416 和微。
28、处理器 414 相连。这样， 任意数量的次级负载可以与过程设备 400 相连， 并且在工作期间可以由微处理器 414 选择 性地单独或共同使能。 0035 所描述的次级负载的实施例仅是说明性的。可以使用任意数量的可能次级负载。 此外， 可以在单个过程装置中包括任意数量的次级负载。对诸如用于背光的 LED 之类的次 级子系统的独立控制， 或升高处理器功率用于附加任务， 允许过程装置提供附加功能。 0036 尽管已经参考示例性实施例描述了本发明， 但本领域普通技术人员应当理解， 在 不脱离本发明范围的情况下， 可以进行各种改变， 并且等同物可以替代本发明的元件。此 外， 在不背离本发明实质范围的情。
29、况下， 可以进行各种修改来使具体情况或材料适应本发 明的教导。 因此， 本发明并不局限于所公开的具体实施例， 而是包括落入所附权利要求范围 内的所有实施例。 说 明 书 CN 102568388 A 7 1/5 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102568388 A 8 2/5 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 102568388 A 9 3/5 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 102568388 A 10 4/5 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 102568388 A 11 5/5 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 102568388 A 12 。