БЕСПРОВОДНЫЙ ИНТЕРФЕЙС В ПЕРЕДАТЧИКЕ Российский патент 2018 года по МПК G01D21/00 

Уровень техники

[01] Настоящее изобретение относится к передатчикам технологических переменных типа используемых для измерения технологических переменных производственных процессов. Более конкретно, изобретение касается снижения чувствительности к электрическому шуму при измерении технологической переменной в передатчике технологической переменной.

[02] Контуры управления процессами используют в различных отраслях для управления производственными процессами или выполнения операции мониторинга. Передатчик технологической переменной обычно является частью контура управления процессом и расположен на месте наблюдения для измерения и передачи технологической переменной в помещение с оборудованием для управления. Технологическая переменная может включать в себя, например, давление, расход, температуру и т.д. Некоторые контуры управления процессом включают в себя регулятор, такой как клапанный регулятор, который осуществляет регулирование в ответ на технологическую переменную, измеряемую передатчиком.

[03] Технологические передатчики часто используют в агрессивных средах с едкими веществами или в средах, содержащих взрывоопасные газы или смеси. Поэтому чтобы уменьшить возможность повреждения внутренних компонентов передатчика в среде с едким веществом и воспламенения взрывоопасных газов, вызываемого внутренними цепями, технологический передатчик обычно включает в себя электропроводный корпус передатчика, который можно герметизировать после размещения внутренних компонентов.

[04] Внутренние компоненты, расположенные внутри передатчика, такие как, например, внутренние цепи, соединяют друг с другом проводными соединениями. В промышленных установках электромагнитные поля могут создаваться близко расположенным оборудованием. При измерении технологической переменной эти поля могут вносить электрический шум в электрические цепи в передатчике. Например, может быть случай, когда шум может проникать в измерительные цепи передатчика и влиять на измерения, получаемые передатчиком. Это может быть причиной нежелательных погрешностей, передаваемых передатчиком, и неточных отсчетов показаний, проявляющихся при измерениях. В таком случае это может приводить к передаче технологическим передатчиком неправильных измерений технологических переменных, из-за чего будет невозможно надлежащим образом осуществлять мониторинг операции основного промышленного процесса.

Сущность изобретения

[05] Технологический передатчик выполнен с возможностью измерения технологической переменной производственного процесса. Технологический передатчик включает в себя датчик технологической переменной, который обнаруживает технологическую переменную и как реакция на это образуется выходной сигнал датчика технологической переменной. Цепи датчика соединены с датчиком технологической переменной. В корпусе помещены цепи датчика и выходные цепи. Цепи датчика электрически связаны с корпусом. Цепи датчика находятся в беспроводной связи с выходными цепями.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

[06] фиг.1 - вид системы управления процессом, в которой используется технологический передатчик согласно настоящему изобретению;

[07] фиг.2 - упрощенная структурная схема технологического передатчика, включающего проводные соединения; и

[08] фиг.3 - упрощенная структурная схема технологического передатчика, включающего беспроводные соединения согласно аспектам изобретения.

Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления

[09] Настоящим изобретением предоставляется передатчик технологической переменной с пониженной чувствительностью к электрическому шуму. Различные аспекты настоящего изобретения относятся к передатчику, в котором уменьшено влияние электрического шума при измерении технологической переменной и повышена надежность измерений, выполняемых с помощью измерительных цепей датчика, благодаря использованию общего соединения цепей датчиков, которое связывает измерительные цепи датчика непосредственно с корпусом передатчика. В соответствии с дальнейшими аспектами изобретением предоставляются способ и устройство для снижения электрического шума в передатчике путем адаптации внутренней по отношению к передатчику архитектуры беспроводного интерфейса. Один пример внутренней по отношению к передатчику беспроводной связи показан и описан в патенте США №6839546 под названием “Process transmitter with wireless communication link” (Hedtke), который переуступлен Rosemount, Inc. из Chanhassen, Minnesota.

[10] На фиг.1 показана система 10 управления процессом и осуществления мониторинга, выполненная с возможностью управления производственным процессом и осуществления мониторинга. Технологическая система 10 включает в себя передатчик 12, связанный с трубопроводом 18 и помещением 14 управления через контур 16 управления процессом. В показанном варианте осуществления технологический передатчик 12 связан с трубой 18, по которой протекает технологическая текучая среда. Технологический передатчик включает в себя датчик 20 технологической переменной, цепи 22 датчика и выходные цепи 24 (показанные на фиг.2) для генерации электрического сигнала на основании измеряемой технологической переменной, относящейся к технологической текучей среде. Измеряемая технологическая переменная может включать в себя, например, температуру, давление, расход, уровень текучей среды и т.д. Помещение 14 управления включает в себя систему 26 связи (которую можно моделировать сопротивлением) и цепи 28 источника питания (которые можно моделировать источником напряжения). В одном варианте осуществления контур 16 управления процессом показан как двухпроводный контур управления процессом. В такой конфигурации одни и те же два провода используются для переноса информации, а также передачи электроэнергии к передатчику 12. Например, передатчик 12 может регулировать аналоговый уровень тока в двухпроводном контуре 16, который представляет измеряемую температуру. Однако контур 16 управления процессом может соответствовать любому формату и обычно используется для переноса данных, а также передачи электроэнергии к передатчику 12. Кроме того, в более усовершенствованных конфигурациях цифровую информацию можно передавать и/или принимать по двухпроводному контуру управления процессом. Один такой протокол представляет собой протокол связи HART®. Примеры контуров управления процессом включают в себя контуры 4-20 мА, контуры, соответствующие стандартам HART®, Profibus и Fieldbus. Настоящее изобретение не ограничено двухпроводными реализациями, и можно использовать контур управления процессом любого вида. Еще одним примером контура управления процессом является беспроводный контур управления процессом, по которому информация передается по беспроводной линии связи. Один пример способа беспроводной связи находится в соответствии с протоколом связи WirelessHART®, в соответствии со стандартом 62591 Международной электротехнической комиссии. Кроме того, можно использовать волоконно-оптические Ethernet-соединения или другие каналы связи.

[11] На фиг.2 показана среда упрощенного полевого прибора, на который может воздействовать электрический шум, привносимый близко расположенными радиопередатчиками или радиочастотным оборудованием. Как показано на фиг.2, передатчик 12 включает в себя корпус 34 передатчика, который имеет полость 36. Полость 36 герметизирована для исключения щелочного процесса в результате вхождения текучих сред в полость 36 и также для исключения процесса воспламенения горючих текучих сред вследствие выделения энергии цепями в полости 36. Цепи 22 датчика и выходные цепи 24 содержатся в полости 36. Цепи 22 датчика соединены с датчиком 20 технологической переменной, который выполнен с возможностью обнаружения технологической переменной. Примеры датчиков включают в себя датчики температуры, давления, расхода и уровня текучей среды. При работе цепи 22 датчика соединены с датчиком 20 и используются для обнаружения и измерения технологической переменной, такой как давление, температура, расход, уровень и т.д. В одном варианте осуществления передатчик 12 полностью обеспечивается электроэнергией из электроэнергии, принимаемой по контуру 16 управления процессом. Данные, связанные с измеряемой технологической переменной, передаются по контуру 16 в цифровом или аналоговом формате в помещение 14 управления или к другому оборудованию в контуре 16. В показанном варианте осуществления датчик 20 расположен в полости 36. Однако в других примерах вариантов осуществления датчик 20 может быть расположен вне полости 36.

[12] Выходные цепи 24 содержат процессор 25, сконфигурированный для передачи данных измерений в помещение 14 управления. В одном варианте осуществления по контуру 16 может подаваться вся электроэнергия, потребляемая выходными цепями 24 и цепями 22 датчика. В другом варианте осуществления подача некоторой части или всей электроэнергии, потребляемой выходными цепями 24 и цепями 22 датчика, может обеспечиваться внутренней батареей 19. Выходные цепи 24 соединены с двухпроводным контуром 16 управления процессом через соединения 42 контура. Соединения 42 контура связаны с сопротивлением 26 контура и источником 28 питания.

[13] Как показано на фиг.2, цепи 22 датчика включают в себя измерительные цепи 38, соединенные с датчиком и выполненные с возможностью снабжения передатчика выходными сигналами, связанными с технологической переменной. Импеданс Z включен между измерительными цепями 38 и корпусом 34. Один способ электрической изоляции измерительных цепей 38 от электрического шума, привносимого близко расположенными радиопередатчиками или радиочастотным оборудованием, заключается во встраивании такого импеданса Z, который является бесконечно большим. В этом случае, когда шум 50 напряжения с переменной частотой прикладывается между источником питания за вычетом соединения 29 вывода и корпусом 34, отсутствует путь протекания тока обратно к корпусу 34 и измерительные цепи 38 не будут подвергаться воздействию шума. Однако на практике встраивание бесконечно большого импеданса Z является трудно достижимым. Кроме того, импеданс Z может снижаться, например, паразитной емкостью. Когда в этой конфигурации присутствует шум 50 напряжения, для тока имеется обратный путь к корпусу 34 через общие выходные цепи, общие соединительные цепи 39С, общие цепи датчика, виртуальную «землю» операционного усилителя, сигнал датчика и импеданс Z. В результате наличия этого пути шум 50 напряжения, присутствующий на импедансе Z, может примешиваться к сигналу датчика. Шум 50 напряжения вносит погрешности в сигнал датчика, при этом вероятны случаи переноса измерительной цепью 38 таких погрешностей измерений.

[14] Другой способ электрической изоляции измерительной цепи 38 от электрического шума, привносимого близко расположенными радиопередатчиками или радиочастотным оборудованием, заключается в создании общего соединения 40 цепей датчика, которое соединяет измерительные цепи 38 непосредственно с корпусом 34. Как показано на фиг.3, общее соединение 40 цепей датчика может использоваться для шунтирования электрического токового шума на импедансе Z, когда шум 50 напряжения с переменной частотой прикладывается между источником питания за вычетом соединения 29 вывода в цепях 28 источника питания и корпусом 34. Вследствие этого измерения, выполняемые измерительными цепями 38, не будут подвергаться воздействию шума 50. Это позволяет измерительным цепям 38 получать надлежащие измерения без всякой нежелательной помехи со стороны импеданса Z. Затем с измерительных цепей 38 измерения передаются к цепям 25 обработки и управления, с которых, в свою очередь, отсчеты показаний поступают в помещение 14 управления по контуру 16 управления процессом.

[15] Если проводные соединения 39 (такие как, например, электропитания 39А, связи 39В и общей цепи 39С) использовать для соединения цепей 22 датчика с выходными цепями 24, а общее соединение 40 цепей датчиков соединить с корпусом 34, то такая конфигурация может быть чувствительной к проблемам, возникающим при установке, вследствие чего функциональные возможности полевого прибора ограничиваются. Например, когда полевой прибор устанавливают на заводе, распространенной практикой является электрическое соединение корпуса 34 полевого прибора с контуром через источник питания за вычетом соединения 29 вывода. Однако использование проводных электрических путей для образования соединений между цепями 22 датчика и выходными цепями 24 может быть причиной замыкания соединений в выходных цепях 24 на любую точку в контуре 16 (таких как, например, соединение к резистору R_{измерения}). Это, в свою очередь, будет приводить к неправильному функционированию полевого прибора или к полной неработоспособности.

[16] В одной конфигурации для достижения электрической изоляции между выходными цепями 24 и цепями 22 датчика используется гальваническая развязка (непоказанная). В этой конфигурации каждая сигнальная линия между цепями 22 датчика и выходными цепями 24 развязана гальванически. Гальваническую развязку можно получать при использовании разделительных трансформаторов, оптронов, конденсаторов и т.д. Вследствие необходимости гальванической развязки каждой сигнальной линии с большим количеством связных сигналов реализация этого способа может быть дорогостоящей. Кроме того, поскольку в этом способе проводные соединения используют для развязывания каждой сигнальной линии, надежность полевого прибора снижается.

[17] В соответствии с одним аспектом изобретения беспроводная линия 44 связи, показанная на фиг.3, используется для образования линии связи между выходными цепями 24 и цепями 22 датчика. Беспроводная линия 44 связи может быть линией любого типа, для которой не требуется физическое соединение. Примеры включают в себя радиочастотную (РЧ) линию, индуктивную линию, емкостную линию, инфракрасную (ИК) линию, линию радиочастотной идентификации (РЧИД) и другие технологии беспроводной ближней связи с малой мощностью, такие как связь в ближней инфракрасной области спектра (БИКС), Zig Bee® и технология беспроводного обмена данными с низким энергопотреблением Bluetooth® (BLE). Беспроводная линия 44 связи образована между антенной 46, которая соединена с цепями 22 датчика, и антенной 48, которая соединена с выходными цепями 24. Беспроводная связь образована цепями 45 и 49 беспроводной связи, которые можно конфигурировать для передачи и/или приема информации. В беспроводной линии 44 связи можно использовать радиочастотные (РЧ) модули 45 (такие как блок Tx передатчика) и 49 (такие как блок Rx приемника), выполненные с возможностью передачи и/или приема сигналов.

[18] В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения элементы 46 и 48 показаны как антенны, но могут содержать преобразователь любого вида и могут включать в себя, например, пластины конденсатора или индуктивные элементы. Более конкретно, если линия 44 связи представляет собой радиочастотную линию, преобразователи 46 и 48 могут содержать антенны, выполненные с возможностью передачи и/или приема радиочастотных сигналов. Частоту и кодировку радиочастотных сигналов можно выбирать по желанию. Кроме того, форму и конфигурацию антенн также можно делать в соответствии с заданными техническими характеристиками. В одном варианте осуществления, если линия 44 представляет собой индуктивную линию, элементы 46 и 48 могут содержать катушки индуктивности, которые помещены достаточно близко друг к другу для обеспечения передачи сигналов между ними. В дальнейшем варианте осуществления, если линия 44 является индуктивной, индуктивную связь через резонансный трансформатор можно использовать для беспроводной передачи электроэнергии от выходных цепей 24 к цепям 22 датчика, чтобы иметь возможность подзаряжать или исключать батарею 19. В дополнение к этому беспроводный приемник электроэнергии можно использовать для модулирования цифрового сигнала, направляемого обратно к беспроводному передатчику 45 электроэнергии, так что, если требуется несимметричная связь, передачу электроэнергии и связь можно осуществлять совместно по одной беспроводной линии. Кроме того, если линия 44 представляет собой емкостную линию, преобразователи 46 и 48 могут содержать емкостные пластины.

[19] Если конфигурация беспроводной линии 44 связи представляет собой конфигурацию инфракрасной (ИК) линии, связь может быть основана на протоколах, предложенных Ассоциацией передачи данных в инфракрасном диапазоне (IRDA). В одном варианте осуществления открытое окно в корпусе 34 передатчика можно использовать для пропускания инфракрасных сигналов.

[20] В дальнейшем варианте осуществления беспроводная линия 44 связи может быть сконфигурирована для использования совместно с технологией радиочастотной идентификации (РЧИД). Элементы 45 и 49 могут включать в себя метку с антенной, настроенной на модуль запросчика. Метка радиочастотной идентификации может только считываться или считываться/записываться памятью для хранения данных. В еще одном дальнейшем варианте осуществления может использоваться пассивная конфигурация метки радиочастотной идентификации. В пассивной конфигурации радиочастотной идентификации модуль запросчика образует такое электромагнитное поле, что пассивная метка радиочастотной идентификации может функционировать на прием энергии из электромагнитного поля. Если пассивная метка радиочастотной идентификации расположена в цепях 22 датчика и модуль запросчика расположен в выходных цепях 24, метку радиочастотной идентификации можно обновлять локально при использовании измерений датчика и запросчика, выполненного с возможностью периодического считывания информации обратно с метки радиочастотной идентификации.

[21] По беспроводной линии 44 связи могут переноситься данные с любой заданной скоростью передачи данных. При повышенных скоростях передачи данных обычно имеется большая потребность в электроэнергии. Конкретный формат данных и протоколы, используемые для беспроводной линии 44 связи, могут соответствовать стандартизованным или фирменным форматам. Информация может быть в аналоговом или цифровом формате. Интерфейс 44 может быть однонаправленным, переносящим данные в одном из двух направлений между электроникой 22 и 24, или может быть двунаправленным, переносящим данные в обоих направлениях между электроникой 22 и 24. Кроме того, в вариантах осуществления, в которых цепи 22 имеют достаточно низкое энергопотребление, цепи 22 могут снабжаться электроэнергией по беспроводной линии 44 связи, вследствие чего не требуется физическое соединение цепей с контуром 16. Двунаправленные передачи могут происходить одновременно или последовательно. Кроме того, линию 44 можно использовать для снабжения электроэнергией цепей 22. Например, электроэнергию из контура 16 можно использовать для электропитания цепей 22.

[22] В дальнейшем варианте осуществления корпус 34 передатчика может быть выполнен из подходящего металлического материала для защиты цепей 22 и 24 передатчика от внешних помех беспроводной связи.

[23] Хотя настоящее изобретение было описано с обращением к предпочтительным вариантам осуществления, специалисты в данной области техники должны осознавать, что изменения могут быть сделаны по форме и в деталях без отступления от сущности и объема изобретения. Хотя показан только один датчик, можно использовать любое количество датчиков. Беспроводная связь может быть однонаправленной или двунаправленной.

Предложенная группа изобретений относится к средствам для измерения технологических переменных производственных процессов. Технологический передатчик (12) содержит двухпроводной контур управления процессом и выполнен с возможностью измерения технологической переменной производственного процесса. Технологический передатчик (12) включает в себя датчик (20) технологической переменной, который обнаруживает технологическую переменную и в ответ на это образует выходной сигнал датчика технологической переменной. Цепи (22) датчика соединены с датчиком (20) технологической переменной. В корпусе (34) помещены цепи датчика и выходные цепи (24). Цепи (22) датчика электрически связаны с корпусом (34). Цепи (22) датчика по беспроводной линии связаны с выходными цепями (24). Также реализован соответствующий способ получения выходного сигнала с такого передатчика. Данная группа изобретений позволяет уменьшить влияние шума переменного тока от двухпроводного контура, влияющего на измерения с помощью цепи датчика. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Технологический передатчик со сниженной чувствительностью к электрическому шуму, выполненный с возможностью измерения технологической переменной производственного процесса и имеющий соединенный с ним двухпроводный контур управления процессом, содержащий:

датчик технологической переменной, выполненный с возможностью обнаружения технологической переменной и в ответ на это образования выходного сигнала датчика технологической переменной;

цепи датчика, соединенные с датчиком технологической переменной;

выходные цепи, выполненные с возможностью осуществления связи с цепями датчика;

корпус, который имеет герметизированную полость, выполненную с возможностью помещения в ней как цепей датчика, так и выходных цепей;

общее соединение цепей датчика, которое связывает цепи датчика с корпусом, вследствие чего снижается шум от двухпроводного контура управления процессом, в обнаруживаемой технологической переменной; и

беспроводную линию связи между цепями датчика и выходными цепями,

в котором беспроводная линия связи беспроводным способом переносит сигнал данных, связанный с выходным сигналом датчика технологической переменной, от цепей датчика к выходным цепям.

2. Технологический передатчик по п.1, в котором цепи датчика снабжаются электроэнергией от внутренней батареи.

3. Технологический передатчик по п.1, в котором беспроводная линия связи переносит электроэнергию от выходных цепей к цепям датчика.

4. Технологический передатчик по п.1, в котором корпус содержит металл для экранирования технологического передатчика от внешних помех.

5. Технологический передатчик по п.1, в котором двухпроводный контур управления процессом выполнен с возможностью подачи электроэнергии к технологическому передатчику.

6. Технологический передатчик по п.3, в котором электроэнергия беспроводным способом передается от выходных цепей к цепям датчика.

7. Технологический передатчик по п.6, включающий резонансный трансформатор для беспроводной передачи электроэнергии.

8. Технологический передатчик по п.1, в котором беспроводная линия связи образует беспроводный цифровой канал связи.

9. Технологический передатчик по п.1, в котором беспроводная линия связи содержит инфракрасную (ИК) беспроводную линию.

10. Технологический передатчик по п.9, в котором инфракрасная (ИК) беспроводная линия работает в соответствии с протоколом Ассоциации передачи данных в инфракрасном диапазоне (IRDA).

11. Технологический передатчик по п.1, в котором беспроводная линия связи содержит радиочастотную линию.

12. Технологический передатчик по п.11, в котором радиочастотная линия содержит линию радиочастотной идентификации (РЧИД).

13. Технологический передатчик по п.1, включающий блок передатчика и блок приемника, выполненные с возможностью передачи и приема сигналов, принимаемых с использованием по меньшей мере двух преобразователей.

14. Технологический передатчик по п.1, в котором беспроводная связь является двунаправленной.

15. Способ получения выходного сигнала с технологического передатчика со сниженной чувствительностью к электрическому шуму, выполненного с возможностью измерения технологической переменной производственного процесса и имеющего соединенный с ним двухпроводный контур управления процессом, содержащий этапы, на которых:

соединяют цепи датчика с датчиком технологической переменной, выполненным с возможностью обнаружения технологической переменной, и в ответ на это образования выходного сигнала датчика технологической переменной;

образуют выходные цепи передатчика, выполненные с возможностью связи с цепями датчика;

помещают как цепи датчика, так и выходные цепи передатчика в герметизированную полость, предусмотренную в корпусе

связывают цепи датчика с корпусом, используя общее соединение цепей датчика, выполненное с возможностью снижения шума от двухпроводного контура управления процессом, в обнаруживаемой технологической переменной; и

беспроводным способом передают сигнал, связанный с выходным сигналом датчика технологической переменной, от цепей датчика к выходным цепям передатчика.

16. Способ по п.15, также содержащий снабжение электроэнергией цепей датчиков от внутренней батареи.

17. Способ по п.15, также содержащий снабжение электроэнергией технологического передатчика по двухпроводному контуру управления процессом.

18. Способ по п.15, также содержащий беспроводную передачу электроэнергии от выходных цепей к цепям датчика.

19. Способ по п.15, в котором передача электроэнергии происходит через индуктивную связь.

20. Способ по п.15, включающий передачу и прием сигналов с использованием по меньшей мере двух преобразователей.

21. Технологический передатчик со сниженной чувствительностью к электрическому шуму, выполненный с возможностью измерения технологической переменной производственного процесса и имеющий соединенный с ним двухпроводный контур управления процессом, содержащий:

датчик технологической переменной, выполненный с возможностью обнаружения технологической переменной и в ответ на это образования выходного сигнала датчика технологической переменной;

цепи датчика, соединенные с датчиком технологической переменной;

выходные цепи, выполненные с возможностью осуществления беспроводной связи с цепями датчика, при этом цепи датчика выполнены с возможностью связи с выходными цепями;

корпус, который имеет герметизированную полость, выполненную с возможностью помещения в ней как цепей датчика, так и выходных цепей;

общее соединение цепей датчика, которое связывает цепи датчика с корпусом, вследствие чего снижается шум от двухпроводного контура управления процессом, в обнаруживаемой технологической переменной; и

беспроводную линию связи между цепями датчика и выходными цепями,

в котором беспроводная линия связи беспроводным способом переносит сигнал данных, связанный с выходным сигналом датчика технологической переменной, от цепей датчика к выходным цепям.