ДИНАМИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПИТАНИЕМ ДЛЯ ДВУХПРОВОДНОЙ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2015 года по МПК H05B37/02 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Множество производственной контрольно-измерительной аппаратуры работает на двухпроводном контуре управления с использованием тока, значение которого варьируется от 4 до 20 мА, на основе показания датчика или заданного значения исполнительного механизма. В случае использования датчика, хост, соединенный с контрольно-измерительной аппаратурой, определяет измеренное значение путем измерения тока в контуре управления. В случае использования исполнительного механизма, центр управления подает ток на контрольно-измерительную аппаратуру, которая показывает состояние заданного исполнительного механизма.

Хост размещается в центре управления и подает приблизительно 24 В постоянного тока на двухпроводное устройство. Что касается датчика, то могут быть выполнены простые диагностические проверки путем измерения тока, значение которого выходит за пределы диапазона, например 3,5 мА или 20,5 мА. Кабель между центром управления и устройством может иметь длину до мили и больше, что приводит к незначительному перепаду напряжения в зависимости от сопротивления проводов. Электронные схемы в устройстве стабилизируют напряжение до уровня номинального значения, например 12 В, для подачи питания на датчик и микропроцессор.

Микропроцессор производит измерение датчика и определяет необходимое значение тока. Микропроцессор использует цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) для управления управляющим усилителем и управляющий транзистор для потребления тока через шунтирующий резистор, так что правильным значением является общее потребление тока электронными схемами и шунтирующим резистором. Контур обратной связи завершается с использованием высокоточного измерительного резистора, который измеряет общее потребление тока контрольно-измерительной аппаратурой, чтобы убедиться в том, что сообщается точное значение.

Традиционные методики проектирования контрольно-измерительной аппаратуры указывают на то, что должны быть реализованы только те функции, которые могут быть выполнены с использованием минимального тока (3,5 мА). Это связано с характером среды, в которой работает контрольно-измерительная аппаратура. Эти устройства являются очень маломощными, обычно устанавливаются в удаленных пунктах и при сбое могут привести к остановке целых производственных процессов. Следовательно, необходимо, чтобы контрольно-измерительная аппаратура была полнофункциональной при низком уровне номинальной мощности.

Несмотря на то, что устройство должно работать при 3,5 мА, оно сохраняет работоспособность при 20 мА. Это означает, что 16,5 мА номинального тока или более рассеивается шунтирующим резистором.

Одним из вариантов использования такого тока является обеспечение контрольно-измерительной аппаратуры светодиодной подсветкой. Прошлым способом обеспечения данной функции являлась замена шунтирующего резистора светодиодом. В то время как обеспечивается подсветка, управление яркостью подсветки не обеспечивается. При 4 мА подсветка тусклая, в то время как при 20 мА она может быть слишком яркой.

СУЩНОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одним из вариантов осуществления является контрольно-измерительная аппаратура, включающая измерительный преобразователь, двухпроводной интерфейс, микропроцессор, цифроаналоговый преобразователь, первую цепь управления и вторую цепь управления. Ток, проходящий через двухпроводной интерфейс, указывает состояние измерительного преобразователя. Микропроцессор сопрягается с измерительным преобразователем. Цифроаналоговый преобразователь принимает сигнал от микропроцессора, указывающий значение тока. Первая цепь управления соединяется с цифроаналоговым преобразователем и адаптируется для управления значением тока, проходящим через двухпроводной интерфейс, до определенного значения тока. Вторая цепь управления соединяется с цифроаналоговым преобразователем и подает ток на вторичную нагрузку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фигуре 1 изображена схема контрольно-измерительной аппаратуры, включающей второй управляющий усилитель для управления вторичной нагрузкой.

На фигуре 2 изображена схема вариации контрольно-измерительной аппаратуры, изображенной на фигуре 1, включающей второй управляющий усилитель с регулируемым усилением для управления вторичной нагрузкой.

На фигуре 3 изображена схема вариации контрольно-измерительной аппаратуры, изображенной на фигуре 1, включающей второй управляющий усилитель для увеличения тактовой частоты микропроцессора.

На фигуре 4 изображена схема вариации контрольно-измерительной аппаратуры, изображенной на фигуре 1, включающей второй управляющий усилитель для увеличения мощности, подаваемой на измерительный преобразователь.

На фигуре 5 изображена блок-схема контрольно-измерительной аппаратуры, включающей множество вторичных нагрузок.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым вариантом осуществления на фиг. 1 изображена схема контрольно-измерительной аппаратуры 10, включающей второй управляющий усилитель для управления вторичной нагрузкой. Измерительный преобразователь 12 соединяется с электронными схемами 14 передатчика. Электронные схемы 14 передатчика могут включать компоненты, например аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16 и изоляцию 18, для определения значения на выходе измерительного преобразователя 12, считываемого микропроцессором 20. Микропроцессор 20 определяет общий необходимый контурный ток на основе регулируемой переменной, которая измеряется измерительным преобразователем 12, и предоставляет сигнал на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 22, который находится в определенной связи с соответствующим общим контурным током. При 4-20 мА контурного тока обычные выходные значения цифроаналогового преобразователя равняются 1-3 В. Выход цифроаналогового преобразователя 22 соединяется с управляющим усилителем 24 через цепь 23 обратной связи.

Цепь 23 обратной связи включает резисторы 23а-23с и конденсаторы 23d-23e. Резисторы 23а и 23b соединяются с цифроаналоговым преобразователем 22. Резистор 23а также соединяется с резистором 23с и конденсатором 23d. Противоположный вывод конденсатора 23d соединяется с резистором 23b. Резистор 23с соединяется с неинвертирующим входом управляющего усилителя 24. Конденсатор 23е подключается между инвертирующим входом и выходом управляющего усилителя 24.

Выход управляющего усилителя 24 соединяется с управляющим транзистором 26. Управляющий транзистор 26 соединяется с шунтирующим резистором 28. Шунтирующий резистор 28 делит заземляющий контакт 30 с измерительным резистором 32. Измерительный резистор 32 обратно соединяется с резистором 23b и конденсатором 23d для образования контура обратной связи для управления контурным током (I_L). Терминалы 34а и 34b соединяются с управляющим транзистором 26 и измерительным резистором 32 соответственно. Подсистема 36 питания также соединяется с терминалом 34а и предоставляет необходимую цепь для регулирования и предоставления шин подачи питания, используемых контрольно-измерительной аппаратурой 10 (например, 10-15 В, 4 В, 3 В и т.д.).

Цепь 23 обратной связи, управляющий усилитель 24 и управляющий транзистор 26 вместе формируют первичную цепь управления питанием для регулировки питания, рассеиваемого шунтирующим резистором 28. В качестве альтернативы первичная цепь управления питанием может являться совокупностью других аналоговых цепей управления, известных специалистам в данной области техники.

В соответствии с данным вариантом вторичная нагрузка 38 соединяется с выходом цифроаналогового преобразователя 22. Переключатель 40 включается в некоторые варианты для предоставления микропроцессору 20 возможности включать или выключать вторичную нагрузку 38 при необходимости. Цифроаналоговый преобразователь 22 соединяется с делителем напряжения, включающим резисторы 42 и 44. Делитель напряжения соединяется с управляющим усилителем 46, который соединяется с управляющим транзистором 48. Управляющий усилитель 46 и управляющий транзистор 48 формируют вторичную цепь управления питанием для регулировки питания, потребляемого вторичной нагрузкой. В качестве альтернативного варианта данная вторичная цепь управления питанием может являться совокупностью других аналоговых цепей управления, известных специалистам в данной области техники.

В данном варианте вторичной нагрузкой является один или несколько светодиодов 50 (в целях упрощения показывается только один светодиод). Управляющий транзистор 48 соединяется с шиной положительного напряжения (4 В в некоторых вариантах) через светодиоды 50 и с заземляющим контактом через резистор 52. Светодиоды 50 могут быть использованы в качестве подсветки дисплея контрольно-измерительной аппаратуры и являются одним из примеров вторичной нагрузки.

В случае минимальной мощности контрольно-измерительной аппаратуре 10 необходимо потребление 1,5-2,7 мА базового тока для работы измерительного преобразователя 12 и микропроцессора 20. Это означает, что всего лишь 0,8-2 мА добавочного тока должно быть рассеяно в шунтирующем резисторе 24 или затрачено на вторичную нагрузку, например на питание светодиодов 50. В случае максимальной мощности данное значение увеличивается вплоть до 19 мА.

Вторичная нагрузка 38 позволяет управлять током, проходящим через светодиоды 50, для независимой регулировки. Вторичная нагрузка 38 принимает первичный аналоговый сигнал управления от цифроаналогового преобразователя 22 для обеспечения независимого управления током, проходящим через светодиоды 50. Это позволяет управлять яркостью светодиодов 50 для уменьшения мерцания. Светодиоды 50 также могут включаться и выключаться выборочно, основываясь на измеренных состояниях, номинальной мощности или командах, поступающих от пользовательского интерфейса контрольно-измерительной аппаратуры.

Независимое управление избыточной номинальной мощностью предоставляет дополнительные преимущества использования двухпроводной контрольно-измерительной аппаратуры. Раньше принципы проектирования двухпроводной контрольно-измерительной аппаратуры были таковыми, что, если действие может быть выполнено при минимальной мощности (3,5 мА без учета минимального необходимого тока базы в 1,5-2,7 мА), тогда оно не может быть выполнено вовсе. Данное изобретение позволяет выборочное управление вторичной подсистемой для использования номинальной мощности для увеличенной функциональности и тактовой частоты процессора при необходимости и может быть расширено для обработки нескольких дополнительных некритичных нагрузок.

Описанная архитектура предоставляет решение на стадии проектирования для направления предопределенной части контурного тока, который в противном случае был бы рассеян шунтирующим резистором 28, на вторичную нагрузку. Например, потребление светодиодом тока в 1-6 мА является благоприятным при контурном токе в 4-20 мА. Для резистора 52, обеспечивающего диапазон входных напряжений в 5-30 мВ для управляющего усилителя 46, подбирается сопротивление в 5 Ом. При 4-20 мА контурного тока выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 22 составляет 1-3 В. Для резисторов 42 и 44 значения сопротивления могут составлять 95 кОм и 5 кОм соответственно для обеспечения необходимого тока, подаваемого на светодиод.

Данный метод предоставляет множество преимуществ. Светодиоды 50 могут быть выборочно включены или выключены. В некоторых вариантах светодиоды 50 могут быть включены только при определенных значениях контурных токов. Яркостью можно управлять посредством широтно-импульсной модуляции переключателя 40. Переключатель 40 может быть также использован для кратковременного свечения светодиодов 50 для обозначения состояния сбоя.

Поскольку контрольно-измерительная аппаратура имеет диапазон тока в 4-20 мА, то регулируемая переменная часто будет иметь значение, равное среднему значению диапазона. Прошлые конструкции были сфокусированы на обеспечении функциональности, которая могла быть реализована только при минимальных контурных токах. В данном случае вторичная система может быть выборочно включена при обычных более высоких рабочих токах и выключена при более низких контурных токах. Это позволяет контрольно-измерительной аппаратуре 10 выборочно задействовать дополнительную функциональность, если поддержка данных задач является возможной.

Ток, подающийся на светодиод, автоматически регулируется управлением цифроаналогового преобразователя, что делает его транспарантным для микропроцессора 20 и остальной цепи в контрольно-измерительной аппаратуре 10. Это устраняет мерцание, которое может быть вызвано рассеиванием мощности в шунтирующем резисторе 28. Режимы работы при отказе являются полезными, поскольку светодиодная цепь отделена от главного контура управления током контрольно-измерительной аппаратуры. Это позволяет избежать изменения критического узла цепи контрольно-измерительной аппаратуры 10 (шунтирующего резистора 28). Проблемы отказобезопасности (IS) избегаются путем сохранения существующих конструкций шунтирующих цепей.

Светодиод обычно используется в качестве подсветки дисплея, установленного на контрольно-измерительной аппаратуре 10. Данная архитектура предусматривает добавление светодиода в качестве опционального модуля дисплея без изменения остальной части цепи. Избыточная мощность обычно рассеивается в шунтирующем резисторе 28. Модификация шунтирующих контуров и проводящего элемента резистора для согласования со вспомогательным модулем вызывает проблемы отказобезопасности (IS), требующие значительной конструкторской работы, тестирования и сертификации. Такая проблема в данной конструкции устраняется путем сохранения существующих конструкций шунтирующих цепей, и для обеспечения вспомогательного освещения данная конструкция не требует трассировки шунтирующих контуров внутрь модуля дисплея.

В соответствии с другим вариантом на фиг. 2 изображена схема контрольно-измерительной аппаратуры 100, которая является вариацией контрольно-измерительной аппаратуры 10 (изображенной на фиг. 1), которая включает регулируемое усиление для управления вторичной нагрузкой. Подобные номера позиций используются на фиг. 2 для обозначения подобных элементов, изображенных на фиг. 1. Вторичная нагрузка 102 соединяется с выходом цифроаналогового преобразователя 22 через переключатель 104. Переключатель 104 соединяется с переменным резистором 106. Микропроцессор 20 управляет как переключателем 104, так и переменным резистором 106. Вместе с резистором 108 переменный резистор 106 формирует делитель напряжение на входе управляющего усилителя 110. Управляющий усилитель 110 соединяется с управляющим транзистором 112. Управляющий транзистор 112 соединяется с шиной положительного напряжения через светодиоды 114 и с заземляющим контактом через резистор 116.

Поскольку ток проходит через светодиод 114, управляющий транзистор 112 и резистор 116, то на резисторе 116 будет присутствовать напряжение. Контур обратной связи управляющего усилителя 110 обеспечивает соответствие напряжений на резисторе 116 и резисторе 108. При изменении значения переменного резистора 106 изменится работа делителя напряжения и перепад напряжения на резисторе 108 на любом заданном выходе цифроаналогового преобразователя 22. В таком случае микропроцессор 20 может управлять током посредством вторичной нагрузки. В случае использования светодиода в качестве вторичной нагрузки, данная регулировка может быть использована для уменьшения силы света.

На фиг. 3 изображена схема контрольно-измерительной аппаратуры 200, которая является вариацией контрольно-измерительной аппаратуры 10 (изображенной на фиг. 1), которая включает вторичный управляющий усилитель для увеличения тактовой частоты микропроцессора. Подобные номера позиций используются на фиг. 3 для обозначения подобных элементов, изображенных на фиг. 1 и 2. Вторичная нагрузка 202 соединяется с выходом цифроаналогового преобразователя 22 через переключатель 204. Переключатель 204 управляется микропроцессором 20 и соединяется с делителем напряжения, созданным резисторами 206 и 208. Управляющий усилитель 210 соединяется с делителем напряжения на входе и с управляющим транзистором 212 на выходе. Управляющий транзистор 212 соединяется с шиной положительного напряжения и с заземляющим контактом через резистор 214. Цепь обратной связи вторичной нагрузки работает таким же образом, как было описано в отношении вариантов, изображенных на фиг. 1 и 2.

Генератор 216, управляемый напряжением, задает тактовую частоту микропроцессора 20. Его вход напряжения является сумматором 218, который складывает напряжение положительной шины с выходным напряжением цепи управления вторичной нагрузки. Если вторичная нагрузка активна, то напряжение на генераторе 216 увеличивается, что, в свою очередь, увеличивает тактовую частоту. Это позволяет микропроцессору 20 выборочно увеличивать свою производительность, основываясь на значении контурного тока. Если доступно большее количество мощности, тогда микропроцессор 20 может принять дополнительные задачи посредством повышения своих обрабатывающих способностей.

На фиг. 4 изображена схема контрольно-измерительной аппаратуры 300, которая является вариацией контрольно-измерительной аппаратуры 10 (изображенной на фиг. 1), которая может обеспечить измерительный преобразователь дополнительной мощностью. Подобные номера позиций используются на фиг. 4 для обозначения подобных элементов, изображенных на фиг. 1-3. Вторичная нагрузка 302 соединяется с выходом цифроаналогового преобразователя 22 через переключатель 304. Переключатель 304 управляется микропроцессором 20 и соединяется с делителем напряжения, созданным резисторами 306 и 308. Данный делитель напряжения соединяется с управляющим усилителем 310. Управляющий усилитель 310 соединяется с управляющим резистором 312. Управляющий резистор 312 соединяется с шиной положительного напряжения и с заземляющим контактом через резистор 314. Работа данной управляющей цепи является идентичной работе, описанной в отношении фиг. 1-3.

Резистор 314 также соединяется с измерительным преобразователем 12 посредством изоляции 316. Это позволяет микропроцессору 20 выборочно подавать дополнительную мощность или активировать подсистемы, например нагреватели внутри измерительного преобразователя 12. Данные действия выполняются для ремонта измерительного преобразователя 12 или для проведения полной расширенной диагностики. Данная архитектура позволяет увеличивать подаваемое питание на измерительный преобразователь 12, основываясь на контурном токе, или подавать питание с соблюдением некоторых условий, например порогового контурного тока.

В соответствии с другим вариантом на фиг. 5 изображена блок-схема контрольно-измерительной аппаратуры 400, включающей множество подсистем вторичной нагрузки. Измерительный преобразователь 410 соединяется с электронными схемами 412 передатчика. Электронные схемы 412 передатчика соединяются с микропроцессором 414, который, в свою очередь, соединяется с цифроаналоговым преобразователем 416. Цифроаналоговый преобразователь 416 соединяется с первичной цепью 418 управления питанием. Первичная цепь 418 управления питанием соединяется с терминалами 420а-420b. Каждая из вторичных нагрузок 422а-422 с соединяется с цифроаналоговым преобразователем 416 и микропроцессором 414. В данном случае любое количество вторичных нагрузок может быть соединено с контрольно-измерительным устройством 400 и выборочно индивидуально или коллективно задействовано микропроцессором 414 во время работы.

Описанные варианты вторичной нагрузки являются только иллюстративными. Может быть использовано любое количество возможных вторичных нагрузок. Также любое количество вторичных нагрузок может быть включено в отдельную контрольно-измерительную аппаратуру. Независимое управление вторичными подсистемами, например светодиодами, для подсветки или увеличения производительности, в случае дополнительных задач, обеспечивает дополнительную функциональность контрольно-измерительной аппаратуры.

Поскольку настоящее изобретение было описано со ссылкой на примерный вариант (варианты), то специалисту в данной области техники будет понятно, что могут быть произведены различные изменения и вследствие этого эквиваленты могут быть заменены элементами без отступления от объема настоящего изобретения. Кроме того, множество модификаций может быть выполнено для того, чтобы конкретная ситуация или материал соответствовал идеи настоящего изобретения без отступления от существенного объема настоящего изобретения. Следовательно, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным вариантом (вариантами) изобретения и может включать все варианты, подпадающие под объем прилагаемой формулы изобретения.

Контрольно-измерительная аппаратура включает измерительный преобразователь (12), двухпроводной интерфейс (34a, 34b), микропроцессор (20), цифроаналоговый преобразователь (22), первую цепь управления (23a, 23b, 23c, 23d, 23e, 24, 26, 28, 30, 32) и вторую цепь управления (38). Ток (I_L), проходящий через двухпроводной интерфейс, указывает состояние измерительного преобразователя (12). Микропроцессор (20) сопрягается с измерительным преобразователем (12). Цифроаналоговый преобразователь (22) принимает сигнал от микропроцессора (20), указывающего значение тока. Первая цепь управления (23a, 23b, 23c, 23d, 23e, 24, 26, 28, 30, 32) соединяется с цифроаналоговым преобразователем (22) и адаптируется для управления значением тока (I_L), проходящим через двухпроводной интерфейс (34a, 34b). Вторая цепь управления (38) соединяется с цифроаналоговым преобразователем (22) и подает ток на вторичную нагрузку (50). Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Контрольно-измерительная аппаратура, содержащая:
измерительный преобразователь;
двухпроводной интерфейс, где ток, проходящий через двухпроводной интерфейс, указывает состояние измерительного преобразователя;
микропроцессор, сопряженный с измерительным преобразователем;
цифроаналоговый преобразователь, который принимает сигнал от микропроцессора, указывающий значение тока;
первую цепь управления, соединенную с цифроаналоговым преобразователем и адаптированную для управления током, проходящим через двухпроводной интерфейс, до определенного значения тока; и
вторую цепь управления, соединенную с цифроаналоговым преобразователем и адаптированную для подачи тока на вторичную нагрузку, причем вторая цепь управления позволяет вторичной нагрузке управлять использованием части тока для обеспечения увеличения функциональности.

2. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 1, отличающаяся тем, что первая цепь управления содержит:
первый управляющий усилитель, соединенный с цифроаналоговым преобразователем;
первый управляющий транзистор, соединенный с первым управляющим усилителем;
шунтирующий резистор, соединенный с первым управляющим транзистором; и
измерительный резистор, соединенный с шунтирующим резистором и первым управляющим усилителем.

3. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 1, отличающаяся тем, что вторичная нагрузка содержит один или несколько светодиодов.

4. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 3, отличающаяся тем, что контрольно-измерительная аппаратура дополнительно содержит дисплей и светодиоды сконфигурированы в качестве подсветки дисплея.

5. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 1, отличающаяся тем, что вторичная нагрузка содержит управляемый напряжением генератор, соединенный с микропроцессором.

6. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 1, отличающаяся тем. что вторичная нагрузка содержит измерительный преобразователь.

7. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 1, отличающаяся тем, что вторая цепь управления содержит переключатель, соединенный с микропроцессором, настроенным на включение или выключение подачи тока на вторичную нагрузку.

8. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 1, отличающаяся тем, что вторая цепь управления включает элемент регулируемого усиления, работающий от микроконтроллера, для регулировки количества тока, подаваемого на вторичную нагрузку.

9. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит третью цепь управления, соединенную с цифроаналоговым преобразователем, адаптированным для подачи тока на третью нагрузку.

10. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 1, отличающаяся тем, что вторая цепь управления содержит:
второй управляющий усилитель, соединенный с цифроаналоговым преобразователем;
второй управляющий транзистор, соединенный со вторым управляющим усилителем;
первый резистор, соединенный со вторым управляющим транзистором и вторым управляющим усилителем.

11. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 10, отличающаяся тем, что вторая цепь управления дополнительно содержит:
второй резистор, подключенный между цифроаналоговым преобразователем и вторым управляющим усилителем; и
третий резистор, подключенный между вторым управляющим усилителем и общим выводом.

12. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 11, отличающаяся тем, что второй резистор представляет собой подстроечный резистор, управляемый микропроцессором.

13. Контрольно-измерительная аппаратура по п. 12, отличающаяся тем, что третий резистор представляет собой подстроечный резистор, управляемый микропроцессором.