專利名稱：過程裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及過程裝置。
背景技術(shù)：
很多工業(yè)過程裝置在雙線控制回路上工作，其中，基于感應(yīng)器(sensor)讀數(shù)或期望的致動器(actuator)狀態(tài)，電流在4至20mA范圍變化。在感應(yīng)器的情況下，與過程裝置相連的主機(jī)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(tài)。主機(jī)位于控制室內(nèi)，向雙線設(shè)備提供大約直流24V。對于感應(yīng)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(shè)備之間可能存在長達(dá)數(shù)英里乃至更長的電纜，從而由于配線的電阻而導(dǎo)致小的電壓降。設(shè)備中的電子設(shè)備將電壓調(diào)節(jié)到諸如12V之類的標(biāo)稱值，以向感應(yīng)器和微處理器供電。微處理器進(jìn)行感應(yīng)器測量，并且確定必需的電流值。微處理器使用數(shù)模轉(zhuǎn)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(shè)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(huán)，該高精度感測電阻器對過程裝置的總電流消耗進(jìn)行測量以確保報告精確值。過程裝置的傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指出僅僅應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)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(huán)境的本質(zhì)造成的。這些設(shè)備是非常低功率的，經(jīng)常被安裝在遠(yuǎn)程位置，并且如果它們發(fā)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(shè)備必須在3. 5mA下工作，但是它可能在高達(dá)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(jìn)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(nèi)容本實用新型申請旨在至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中的一個或多個上述問題，例如用以實現(xiàn)對多余可用功率的獨立控制。一個實施例是一種過程裝置，包括傳感器；雙線接口，其中，流經(jīng)雙線接口的電流指示傳感器的狀態(tài)；微處理器，與傳感器相連；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，從微處理器接收指示電流值的信號；第一控制電路，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，適于將經(jīng)過雙線接口的電流控制為所述電流值；以及第二控制電路，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，適于向次級負(fù)載提供電流。第一控制電路可以包括第一控制放大器，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連；第一控制晶體管，與第一控制放大器相連；分流電阻器，與第一控制晶體管相連；以及感測電阻器，與分流電阻器和第一控制放大器相連。[0011 ] 次級負(fù)載可以包括一個或多個發(fā)光二極管。過程裝置還可以包括顯示器，并且發(fā)光二極管可以被配置為顯示器的背光燈。次級負(fù)載可以包括與微處理器相連的壓控振蕩器。次級負(fù)載可以包括傳感器。第二控制電路可以包括與微處理器相連的開關(guān)，所述開關(guān)被配置為使能或禁用對次級負(fù)載的電流供應(yīng)。第二控制電路可以包括可調(diào)增益元件，所述可調(diào)增益元件可被微處理器操作來調(diào)節(jié)提供給次級負(fù)載的電流量。過程裝置還可以包括與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連的第三控制電路，適于向第三負(fù)載提供電流。第二控制電路可以包括第二控制放大器，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連；第二控制晶體管，與第二控制放大器相連；以及第一電阻器，與第二控制晶體管和第二控制放大器相連。第二控制電路還可以包括第二電阻器，耦接在數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二控制放大器之間；以及第三電阻器，耦接在第二控制放大器和地參考之間。第二電阻器可以是微處理器控制的可調(diào)電阻器。 第三電阻器可以是微處理器控制的可調(diào)電阻器。根據(jù)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(tǒng)進(jìn)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(kuò)展本實用新型以處理多種附加的非關(guān)鍵負(fù)載。

圖I是包括用于驅(qū)動次級負(fù)載的第二控制放大器的過程裝置的圖。圖2是包括用于驅(qū)動次級負(fù)載的、具有可調(diào)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(fù)載的過程裝置的框圖。
具體實施方式
根據(jù)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(qū)動次級負(fù)載的第二控制放大器。傳感器(transducer) 12與發(fā)送器電子設(shè)備14相連。發(fā)送器電子設(shè)備14可以包括諸如A/D轉(zhuǎn)換器16和隔離18之類的組件，來調(diào)節(jié)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(guān)的數(shù)模轉(zhuǎn)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。[0030]控制放大器24的輸出與控制晶體管26相連?？刂凭w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(huán)。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(tǒng)36也與端子34a相連，并且提供必要電路以調(diào)節(jié)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(gòu)成用于調(diào)節(jié)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(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的多種其它模擬控制電路。根據(jù)本實施例，次級負(fù)載38與DAC 22的輸出相連。在一些實施例中，包括開關(guān)40以允許微處理器20在必要時使能或禁用次級負(fù)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?？刂品糯笃?6和控制晶體管46構(gòu)成用于調(diào)節(jié)次級負(fù)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(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的多種其它模擬控制電路。在本實施例中，次級負(fù)載是一個或多個LED 50 (為簡單起見，僅畫出了一個LED)?？刂凭w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?？梢詫ED 50用作過程裝置上顯示器的背光燈，并且LED 50是次級負(fù)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(fù)載。在最大功率的場合，這增加到多達(dá)19mA。次級負(fù)載38允許對經(jīng)過LED 50的電流進(jìn)行獨立調(diào)節(jié)的控制。次級負(fù)載38從DAC22接收初級模擬控制信號，以允許對經(jīng)過LED 50的電流進(jìn)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(tài)、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(guān)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(shè)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(tǒng)進(jìn)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(kuò)展本實用新型以處理多種附加的非關(guān)鍵負(fù)載。所描述的體系結(jié)構(gòu)允許在設(shè)計時進(jìn)行決策以將回路電流的預(yù)先確定部分路由至次級負(fù)載，否則該預(yù)先確定部分將在分流電阻器28中釋放。例如，假設(shè)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(dǎo)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(chǎn)生期望的LED電流。該方法提供多種益處?？梢赃x擇性地開通和關(guān)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?？梢允褂瞄_關(guān)40的脈沖寬度調(diào)制來控制亮度。開關(guān)40也可以用于使LED 50閃爍來指示錯誤狀態(tài)。[0039]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(shè)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(tǒng)，而在較低的回路電流下禁用次級系統(tǒng)。這允許過程裝置10在可以支持附加功能時選擇性地調(diào)用它們。[0040]通過DAC控制自動地調(diào)節(jié)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(guān)鍵部分(分流電阻器28)。維持現(xiàn)有的分流電路設(shè)計避免了內(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)在安全(IS)問題，為此需要付諸大量的設(shè)計、確認(rèn)和認(rèn)證。該構(gòu)造通過保持現(xiàn)有分流電路設(shè)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(xiàn)附加照明。根據(jù)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(qū)動次級負(fù)載的可調(diào)增益。圖2中使用相似的參考標(biāo)記來指示與圖I中所示元件相似的元件。次級負(fù)載102通過開關(guān)104與DAC 22的輸出相連。開關(guān)104與可變電阻器106相連。微處理器20控制開關(guān)104和可變電阻器106。可變電阻器106與電阻器108 —起構(gòu)成在控制放大器110的輸入處的分壓器?？刂品糯笃?10與控制晶體管112相連?？刂凭w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(dāng)電流流經(jīng)LED114、控制晶體管112、電阻器116時，在電阻器116上將會出現(xiàn)電壓。到控制放大器Iio的反饋環(huán)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(jīng)過次級負(fù)載的電流。在LED為次級負(fù)載的情況下，這種調(diào)節(jié)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(biāo)記來指示與圖I和2所示元件相似的元件。次級負(fù)載202通過開關(guān)204與DAC 22的輸出相連。開關(guān)204由微處理器20控制，并且與電阻器206和208構(gòu)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?？刂凭w管212與正電壓軌相連，并且通過電阻器214接地。用于次級負(fù)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(fù)載控制電路的輸出電壓相力卩。當(dāng)使能次級負(fù)載時，振蕩器216處的電壓升高，進(jìn)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(dāng)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(wù)。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(biāo)記來指示與圖1-3所示元件相似的元件。次級負(fù)載302通過開關(guān)304與DAC 22的輸出相連。開關(guān)304受微處理器20控制，并與電阻器306和308構(gòu)成的分壓器相連。該分壓器與控制放大器310相連?？刂品糯笃?10與控制電阻器312相連?？刂齐娮杵?12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(nèi)選擇性地提供附加功率或激勵諸如加熱器之類的子系統(tǒng)。這樣做的目的包括維護(hù)傳感器12或在傳感器12上完成高級診斷。這種體系結(jié)構(gòu)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(jù)另一實施例，圖5是包括多個次級負(fù)載子系統(tǒng)的過程裝置400的框圖。傳感器410與發(fā)送器電子設(shè)備412相連。發(fā)送器電子設(shè)備412與微處理器414相連，微處理器414進(jìn)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(fù)載422a_422c均與DAC 416和微處理器414相連。這樣，任意數(shù)量的次級負(fù)載可以與過程設(shè)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(fù)載的實施例僅是說明性的?？梢允褂萌我鈹?shù)量的可能次級負(fù)載。此外，可以在單個過程裝置中包括任意數(shù)量的次級負(fù)載。對諸如用于背光的LED之類的次級子系統(tǒng)的獨立控制，或升高處理器功率用于附加任務(wù)，允許過程裝置提供附加功能。盡管已經(jīng)參考示例性實施例描述了本實用新型，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本實用新型范圍的情況下，可以進(jìn)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(zhì)范圍的情況下，可以進(jìn)行各種修改來使具體情況或材料適應(yīng)本實用新型的教導(dǎo)。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(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求1.一種過程裝置，其特征在于包括 傳感器； 雙線接ロ，其中，流經(jīng)雙線接ロ的電流指示傳感器的狀態(tài)； 微處理器，與傳感器相連； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，從微處理器接收指示電流值的信號； 第一控制電路，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，適于將經(jīng)過雙線接ロ的電流控制為所述電流值；以及 第二控制電路，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，適于向次級負(fù)載提供電流。
2.如權(quán)利要求I的過程裝置，其特征在于，第一控制電路包括 第一控制放大器，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連； 第一控制晶體管，與第一控制放大器相連； 分流電阻器，與第一控制晶體管相連；以及 感測電阻器，與分流電阻器和第一控制放大器相連。
3.如權(quán)利要求I的過程裝置，其特征在于，次級負(fù)載包括ー個或多個發(fā)光二極管。
4.如權(quán)利要求3的過程裝置，其特征在于，過程裝置還包括顯示器，并且發(fā)光二極管被配置為顯示器的背光燈。
5.如權(quán)利要求I的過程裝置，其特征在于，次級負(fù)載包括與微處理器相連的壓控振蕩器。
6.如權(quán)利要求I的過程裝置，其特征在于，次級負(fù)載包括傳感器。
7.如權(quán)利要求I的過程裝置，其特征在于，第二控制電路包括與微處理器相連的開關(guān)，所述開關(guān)被配置為使能或禁用對次級負(fù)載的電流供應(yīng)。
8.如權(quán)利要求I的過程裝置，其特征在于，第二控制電路包括可調(diào)增益元件，所述可調(diào)増益元件可被微處理器操作來調(diào)節(jié)提供給次級負(fù)載的電流量。
9.如權(quán)利要求I的過程裝置，其特征在于還包括與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連的第三控制電路，適于向第三負(fù)載提供電流。
10.如權(quán)利要求I的過程裝置，其特征在于，第二控制電路包括 第二控制放大器，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連； 第二控制晶體管，與第二控制放大器相連；以及 第一電阻器，與第二控制晶體管和第二控制放大器相連。
11.如權(quán)利要求10的過程裝置，其特征在于，第二控制電路還包括 第二電阻器，耦接在數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二控制放大器之間；以及 第三電阻器，耦接在第二控制放大器和地參考之間。
12.如權(quán)利要求11的過程裝置，其特征在于，第二電阻器是微處理器控制的可調(diào)電阻器。
13.如權(quán)利要求12的過程裝置，其特征在于，第三電阻器是微處理器控制的可調(diào)電阻器。
專利摘要過程裝置包括傳感器、雙線接口、微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第一控制電路和第二控制電路。流經(jīng)雙線接口的電流指示傳感器的狀態(tài)。微處理器與傳感器相連。數(shù)模轉(zhuǎn)換器從微處理器接收指示電流值的信號。第一控制電路與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，并且適于將流經(jīng)雙線接口的電流控制為所述電流值。第二控制電路與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，并且將電流提供給次級負(fù)載。
文檔編號G09G3/34GK202373271SQ201120362629
公開日2012年8月8日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者道格拉斯·韋恩·阿恩岑 申請人:羅斯蒙德公司