BRPI0318523B1 - instrumento de barramento de duas linhas e método para formar o mesmo - Google Patents

Abstract

"instrumento de barramento de duas linhas". um instrumento de barramento de duas linhas (500) adaptado para uso com um barramento de duas linhas (308) é fornecido de acordo com uma modalidade da invenção. um elemento do instrumento (304) recebe uma terceira corrente e gera um ou mais sinais de medição do sensor. um processador de sinal (512) recebe uma segunda corrente e processa o um ou mais sinais de medição do sensor para produzir um sinal de dados. um sistema de comunicação (511) recebe uma primeira corrente, recebe o sinal de dados, gera um sinal digital de comunicação incluindo o sinal de dados, e modula o sinal digital de comunicação em um barramento de duas linhas (308) . um suprimento de energia de comunicação (501) conectado através do barramento de duas linhas (308) fornece a primeira corrente ao sistema de comunicação (511). um suprimento de energia de processamento de sinal (502) conectado através do barramento de duas linhas (308) fornece a segunda corrente ao processador de sinal (512) . um suprimento de energia da corrente de excitação (503) conectado através do barramento de duas linhas (308) fornece a terceira corrente ao elemento do instrumento (304).

Description

"INSTRUMENTO DE BARRAMENTO DE DUAS LINHAS E MÉTODO PARA FORMAR O MESMO" ANTECEDENTES DA INVENÇÃO 1. Campo da Invenção A invenção diz respeito ao campo de instrumentos de barramentos de duas linhas e, em particular, a um instrumento de barramento de duas linhas de forma substancial in-trinsecamente seguro para um ambiente perigoso. 2. Colocação do problema Fluximetros são usados para medir a vazão de massa, densidade e outras características de materiais que escoam. Os materiais que escoam podem compreender líquidos, gases, líquidos e gases combinados, sólidos em suspensão em líquidos, e líquidos incluindo gases e sólidos em suspensão. Por exemplo, os fluximetros são largamente usados na produção do poço e refino de petróleo e produtos do petróleo. Um fluxímetro pode ser usado para determinar a produção do poço pela medição da vazão (isto é, pela medição do fluxo de massa através do fluxímetro) , e pode até mesmo ser usado para determinar as proporções relativas dos componentes gás e líquido de um fluxo.

Um tipo de ambiente de fluxímetro é um ambiente perigoso onde vapores ou partículas combustíveis estão presentes. Um instrumento que opera em tais condições deve ser projetado e fabricado para evitar inflamar os vapores ou partículas combustíveis. Um instrumento projetado para operar com segurança em um ambiente perigoso é tipicamente designado como "intrinsecamente seguro" (I.S.). Por exemplo, um instrumento como esse tipicamente usa tensões elétricas de baixo nivel e correntes elétricas de baixo nível que são conhecidas por ser incapazes de causar ignição em um ambiente perigoso. A Figura 1 mostra um barramento de duas linhas de acordo com a técnica anterior, tal como um barramento de duas linhas FIELDBUS™ comumente usado para instrumentação industrial. 0 termo FIELDBUS™ se refere a um padrão de barramento de instrumentação de duas linhas que é tipicamente usado para conectar múltiplos instrumentos uns com os outros, e é adicionalmente capaz de ser usado para fornecer comunicações digitais entre instrumentos. Além do mais, um dispositivo de barreira de barramento de campo pode transmitir sinais digitais de comunicação para dispositivos externos, tal como, por exemplo, para estações de monitoramento e controle. 0 dispositivo de barreira de barramento está conectado a uma fonte de energia elétrica e fornece energia elétrica sobre o barramento de duas linhas. 0 dispositivo de barreira de barramento tipicamente recebe energia elétrica não I.S. e por sua vez fornece energia elétrica, que é corrente limitada, tensão limitada e potência limitada.

Existem vários padrões FIELDBUS™. Um padrão FIELDBUS™ especifica que o dispositivo de barreira pode fornecer uma corrente máxima de cerca de 130 miliamperes (mA) e uma tensão máxima de cerca de 15 volts (V) para todos os instrumentos conectados. Na técnica anterior, instrumentos de barramento de campo típicos foram projetados para extrair cerca de 10 a 20 mA. Portanto, na abordagem da técnica ante- rior, o número de dispositivos que pode ser conectado ao barramento de duas linhas é controlado pelo consumo de corrente total dos dispositivos na tensão de barreira disponível . A Figura 2 mostra um instrumento da técnica anterior típico conectado a um barramento de duas linhas, que mostra como a energia elétrica proveniente do barramento de duas linhas é usada. 0 instrumento da técnica anterior inclui um processador de sinal e uma interface elétrica. A interface elétrica se conecta a um barramento de duas linhas, tal como um FIELDBUS™, e a uma fonte de energia. A interface elétrica inclui uma barreira elétrica de barramento que se conecta ao barramento de duas linhas. A barreira elétrica de barramento fornece isolamento elétrico a partir do barramento e fornece limitação da corrente, tensão e potência da energia elétrica proveniente do barramento de duas linhas. 0 barramento de duas linhas fornece energia elétrica em Corrente Contínua (CC) à barreira elétrica do barramento. A interface elétrica inclui adicionalmente uma barreira elétrica de sinal que se conecta ao processador de sinal. O processador de sinal é conectado a um sensor, como mostrado. A barreira elétrica de sinal fornece isolamento elétrico do processador de sinal e fornece limitação da corrente, tensão e potência da energia elétrica fornecida ao sensor, via processador de sinal. Onde o sensor é um sensor de fluxímetro, tal como um fluxímetro de Coriolis, o processador de sinal é conectado tipicamente ao sensor por meio de um cabo de nove fios. A interface elétrica inclui adicionalmente um sistema de comunicação. O sistema de comunicação recebe um sinal de dados proveniente do processador de sinal e modula o sinal de dados no barramento de duas linhas como um sinal digital de comunicação. 0 padrão FIELDBUS™ dita que os sinais digitais de comunicação ocorram em uma banda de freqüência centrada em torno de 32 quilohertz (kHz).

Deve-se entender que, nesta configuração da técnica anterior, a energia elétrica proveniente do barramento de duas linhas é usada somente para energizar o sistema de comunicação. Portanto, uma quantidade minima de energia elétrica é proveniente do barramento de duas linhas. Por exemplo, o sistema de comunicação tipicamente extrai somente cerca de 10-20 mA do barramento de duas linhas. A fonte de energia externa na técnica anterior fornece uma energia elétrica relativamente alta que é usada para operar excitadores ou elementos ativos (tal como um excitador(s) de tubo de fluxo) e que é usada para energizar o processador de sinal. Em decorrência disso, tornar o instrumento intrinsecamente seguro é difícil e complexo. Conseqüentemente, a interface elétrica deve incluir a barreira elétrica de barramento e a barreira elétrica de sinal. Além disso, o instrumento propriamente dito é freqüentemente encerrado em um alojamento à prova de explosão. Isto é feito na técnica anterior porque a fonte de energia não é intrinsecamente segura, mesmo que o padrão de barramento de duas linhas FIELDBUS™ tenha se originado como um sistema de barramento intrinsecamente seguro.

SUMÁRIO DA SOLUÇÃO A invenção ajuda a resolver os problemas citados pelo fornecimento de um instrumento de barramento de duas linhas.

Um instrumento de barramento de duas linhas adaptado para uso com um barramento de duas linhas é fornecido de acordo com uma modalidade da invenção. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende um elemento do instrumento que recebe uma terceira corrente e que gera um ou mais sinais medição de sensor. O instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente um processador de sinal que recebe uma segunda corrente e que processa o um ou mais sinais de medição do sensor provenientes do elemento do instrumento para produzir um sinal de dados. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente um sistema de comunicação que recebe uma primeira corrente e que recebe o sinal de dados proveniente do processador de sinal, gera um sinal digital de comunicação, que inclui o sinal de dados, e modula o sinal digital de comunicação no barramento de duas linhas. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente um suprimento de energia de comunicação conectado ao sistema de comunicação. 0 suprimento de energia de comunicação e o sistema de comunicação são capazes de ser conectados através do barramento de duas linhas. 0 suprimento de energia de comunicação é configurado para fornecer a primeira corrente, uma tensão substancialmente constante, e uma primeira potência ao sistema de comunicação. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente um suprimento de energia de processamento de sinal conectado ao processador de sinal. 0 processador de sinal e o suprimento de energia de processamento de sinal são capazes de ser conectados através do barramento de duas linhas e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação e o sistema de comunicação. 0 suprimento de energia de processamento de sinal é configurado para fornecer a segunda corrente, uma tensão substancialmente constante, e uma segunda potência ao processador de sinal. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente um suprimento de energia da corrente de excitação conectado ao elemento do instrumento. 0 elemento do instrumento e o suprimento de energia da corrente de excitação são capazes de ser conectados através do barramento de duas linhas e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação e o sistema de comunicação e adicionalmente em paralelo com o suprimento de energia de processamento de sinal e o processador de sinal. 0 suprimento de energia da corrente de excitação é configurado para fornecer a terceira corrente, uma tensão substancialmente constante, e uma terceira potência ao elemento do instrumento.

Um instrumento de barramento de duas linhas adaptado para uso com um barramento de duas linhas é fornecido de acordo com uma modalidade da invenção. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende um elemento do instrumento que recebe uma terceira corrente e que gera um ou mais sinais de medição do sensor. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente um processador de sinal que recebe uma segunda corrente e que processa o um ou mais sinais de medição do sensor provenientes do elemento do instrumento para produzir um sinal de dados. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente um processador de comunicação que recebe uma primeira corrente e que recebe o sinal de dados proveniente do processador de sinal, gera um sinal digital de comunicação que inclui o sinal de dados, modula o sinal digital de comunicação no barramento de duas linhas, e transfere um primeiro comando de nivel de corrente para um suprimento de energia de comunicação. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente o suprimento de energia de comunicação que é conectado ao processador de comunicação. 0 suprimento de energia de comunicação e o processador de comunicação são capazes de ser conectados através do barramento de duas linhas. 0 suprimento de energia de comunicação é configurado para fornecer a primeira corrente, uma tensão substancialmente constante e uma primeira potência ao processador de comunicação. A primeira corrente é fornecida substancialmente de acordo com o primeiro comando de nivel de corrente. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente um dispositivo redutor de tensão conectado entre um suprimento de energia de processamento de sinal e o processador de sinal e é configurado para fornecer um nivel de tensão predeterminado ao processador de sinal. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente um regulador de tensão de derivação conectado ao suprimento de energia de processamento de sinal e ao dispositivo redutor de tensão. 0 regulador de tensão de derivação desvia o excesso de corrente não requerida pelo processador de sinal. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente o suprimento de energia de processamento de sinal que é conectado ao dispositivo redutor de tensão e ao regulador de tensão de derivação. 0 suprimento de energia de processamento de sinal, o processador de sinal, o dispositivo redutor de tensão e o regulador de tensão de derivação são capazes de ser conectados através do barramento de duas linhas e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação e o processador de comunicação. 0 suprimento de energia de processamento de sinal é configurado para fornecer a segunda corrente, uma tensão substancialmente constante e uma segunda potência ao processador de sinal. 0 instrumento de barramento de duas linhas compreende adicionalmente um suprimento de energia da corrente de excitação conectado ao elemento do instrumento. 0 elemento do instrumento e o suprimento de energia da corrente de excitação são capazes de ser conectados através do barramento de duas linhas e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação e o processador de comunicação e adicionalmente em paralelo com o suprimento de energia de processamento de sinal, o processador de sinal, o dispositivo redutor de tensão e o regulador de tensão de derivação. 0 suprimento de energia da corrente de excitação é configurado para fornecer a terceira corrente, uma tensão substancialmente constante, e uma terceira potência ao elemento do instrumento.

Um método de se formar um instrumento de barramento de duas linhas é fornecido de acordo com uma modalidade da invenção. O método compreende o fornecimento de um ins- trumento do elemento que recebe uma terceira corrente e que gera um ou mais sinais de medição do sensor. 0 método compreende adicionalmente o fornecimento de um processador de sinal que recebe uma segunda corrente e que processa o um ou mais sinais de medição do sensor provenientes do instrumento do elemento para produzir um sinal de dados. 0 método compreende adicionalmente o fornecimento de um sistema de comunicação que recebe uma primeira corrente e que recebe o sinal de dados proveniente do processador de sinal, gera um sinal digital de comunicação que inclui o sinal de dados, e modula o sinal digital de comunicação no barramento de duas linhas. 0 método compreende adicionalmente o fornecimento de um suprimento de energia de comunicação conectado ao sistema de comunicação. O suprimento de energia de comunicação e o sistema de comunicação são capazes de ser conectados através do barramento de duas linhas. 0 suprimento de energia de comunicação é configurado para fornecer a primeira corrente, uma tensão substancialmente constante, e uma primeira potência ao sistema de comunicação. 0 método compreende adicionalmente o fornecimento de um suprimento de energia de processamento de sinal conectado ao processador de sinal. 0 processador de sinal e o suprimento de energia de processamento de sinal são capazes de ser conectados através do barramento de duas linhas e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação e o sistema de comunicação. 0 suprimento de energia de processamento de sinal é configurado para fornecer a segunda corrente, uma tensão substancialmente constante, e uma segunda potência ao processador de sinal. 0 método compreende adicionalmente o fornecimento de um suprimento de energia da corrente de excitação conectado ao elemento do instrumento. 0 elemento do instrumento e o suprimento de energia da corrente de excitação são capazes de ser conectados através do barramento de duas linhas e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação e o sistema de comunicação e adicionalmente em paralelo com o suprimento de energia de processamento de sinal e o processador de sinal. 0 suprimento de energia da corrente de excitação é configurado para fornecer a terceira corrente, uma tensão substancialmente constante, e uma terceira potência ao elemento do instrumento.

Em um aspecto da invenção, o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de fluxíme-tro.

Em um outro aspecto da invenção, o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de flu-xímetro, e o elemento do instrumento compreende pelo menos um excitador do tubo de fluxo e um ou mais sensores de medição .

Ainda em um outro aspecto da invenção, o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de fluxímetro de Coriolis.

Ainda em um outro aspecto da invenção, o instrumento de barramento de duas linhas é adaptado para se conectar a um barramento de duas linhas concordante com o padrão FIELDBUS™.

Ainda em um outro aspecto da invenção, uma mudança em uma terceira corrente que escoa através de um elemento do instrumento é limitada nas freqüências que não interagem com as freqüências de comunicação de um barramento de duas linhas concordante com o padrão FIELDBUS™.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS 0 mesmo número de referência representa o mesmo elemento em todos os desenhos. A Figura 1 mostra um barramento de duas linhas de acordo com a técnica anterior, tal como um barramento de duas linhas FIELDBUS™ comumente usado para instrumentação industrial ; A Figura 2 mostra um instrumento da técnica anterior típico conectado a um barramento de duas linhas, mostrando como a energia elétrica proveniente do barramento de duas linhas é usada; A Figura 3 é um diagrama de blocos de um instrumento de acordo com uma modalidade da invenção; A Figura 4 mostra um ambiente operacional que inclui três instrumentos; A Figura 5 é um diagrama de um instrumento de acordo com uma modalidade da invenção; A Figura 6 é um diagrama de um instrumento de acordo com uma outra modalidade da invenção; A Figura 7 mostra detalhes de um regulador de tensão de derivação de acordo com uma modalidade da invenção; e A Figura 8 mostra detalhes de um circuito de controle de corrente de acordo com uma modalidade da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

As Figuras 3-8 e a descrição seguinte representam exemplos específicos da invenção para ensinar aos entendidos na técnica como fazer e usar o melhor modo da invenção. Com o propósito de ensinar os princípios inventivos, alguns aspectos convencionais da invenção foram simplificados ou omitidos. Os entendidos na técnica compreenderão as variações a partir desses exemplos que se incluem no escopo da invenção. Os entendidos na técnica compreenderão que os recursos descritos a seguir podem ser combinados de várias maneiras, para formar múltiplas variações da invenção. Em decorrência disso, a invenção não é limitada aos exemplos específicos descritos a seguir, mas somente pelas reivindicações e seus equivalentes.

Instrumento - Figura 3 A Figura 3 é um diagrama de blocos de um instrumento 300 de acordo com uma modalidade da invenção. O instrumento 300 inclui um elemento do instrumento 304 e uma interface elétrica 302. A interface elétrica 302 está conectada ao elemento do instrumento 304 e está conectada a um bar-ramento de duas linhas 308.

Pelo fato de que o instrumento 300 pode ser, em uma modalidade, um dispositivo conectado somente a um dispositivo condicionador de barramento (ver Figura 4 e a discussão que a acompanha) , a interface elétrica 302 pode extrair aproximadamente toda corrente elétrica e potência elétrica disponíveis, provenientes do barramento de duas linhas 308. Por exemplo, o instrumento 300 pode extrair até cerca de 130 miliamperes (mA) de um FIELDBUS™ totalmente I.S. Em algumas aplicações, dependendo da localização de aprovação e das características do ambiente perigoso, esta corrente elétrica de 130 mA é a quantidade de corrente máxima que um dispositivo condicionador de barramento FIELDBUS™ pode fornecer devido às limitações I.S. Portanto, o instrumento 300 pode ser um dispositivo de forma substancial intrinsecamente seguro, se desejado, sem a necessidade de dispositivos de barreira elétrica e a necessidade de um suprimento de energia adicional, externo. Além do mais, o instrumento 300, em virtude de ser de forma substancial intrinsecamente seguro, não requer um alojamento à prova de explosão volumoso e caro. Alternativamente, o instrumento 300 pode ser usado em ambientes não perigosos ou de pouco perigo. 0 barramento de duas linhas 308 pode fornecer toda energia elétrica ao instrumento 300 e pode fornecer comunicações digitais entre o instrumento 300 e outros dispositivos . Uma impedância do instrumento de barramento de duas linhas 300 em uma modalidade é substancialmente constante enquanto o barramento de duas linhas estiver transmitindo comunicações. 0 barramento de duas linhas 308 pode fornecer energia elétrica que é corrente, tensão, e potência limitada. 0 barramento de duas linhas 308 pode fornecer corrente elétrica e tensão, intrinsecamente seguras (I.S.). O barramento de duas linhas 308, em algumas modalidades, pode fornecer até cerca de 130 mA de corrente elétrica ao instrumento 300 e pode tipicamente fornecer até cerca de 15 volts (V). Entretanto, dependendo da capacidade de ignição do ambiente, maiores níveis de tensão e corrente podem ser usados (e outros padrões de localizações perigosas podem ser seguidos) . 0 elemento do instrumento 304 pode consumir energia elétrica e produzir um ou mais sinais, tais como sinais de medição do sensor, gue estão relacionados aos fenômenos físicos. O elemento do instrumento 304 pode compreender guaisquer tipos de sensores, transdutores, excitadores, etc., e combinações entre eles. Em uma modalidade, o elemento do instrumento 304 compreende um excitador do tubo de fluxo que vibra um tubo de fluxo e compreende adicionalmente um ou mais sensores de medição que detecta a vibração do tubo de fluxo. 0 um ou mais sensores de medição podem modular a corrente elétrica e/ou a relação de fase da corrente elétrica que escoa através do elemento do instrumento 304 para produzir os sinais de medição do sensor. O elemento do instrumento 304 pode compreender um tubo de fluxo Coriolis, um fluxímetro de turbina, um fluxímetro magnético, etc. A interface elétrica 302 faz interface do elemento do instrumento 304 e do barramento de duas linhas 308. A interface elétrica 302 fornece energia elétrica ao elemento do instrumento 304 (e a qualquer conjunto de circuitos de processamento associado), de uma maneira consistente com as características do barramento de duas linhas 308. A interface elétrica 302 também transmite comunicações digitais sobre o barramento de duas linhas 308. Portanto, a interface elétrica 302 fornece energia elétrica a um sistema de comunicação, fornece energia elétrica a um elemento excitador, e fornece energia elétrica a um processador de sinal e sensor(s) asso- ciado . A interface elétrica 302 pode ter capacidade I.S. e pode ser conectada a um barramento de duas linhas I.S. Entretanto, a interface elétrica 302 não tem que executar a total limitação da corrente, tensão e potência, onde o barramento de duas linhas I.S. 308 é completamente I.S. Isto pode vantajosamente eliminar a necessidade de dispositivos de barreira elétrica no instrumento 300. Isto pode também vantajosamente eliminar a necessidade de um alojamento à prova de explosão volumoso e caro para o instrumento 300. Além disso, isto pode eliminar a necessidade de uma fonte de energia separada, externa, com o custo, fiação e requisitos de barreira que a acompanham. O instrumento 300 pode opcionalmente incluir um alojamento à prova de explosão como um nivel extra de segurança. O instrumento 300 pode adicionalmente utilizar de forma opcional outros métodos de proteção conhecidos na técnica .

Ambiente operacional - Figura 4 A Figura 4 mostra um ambiente operacional 400 que inclui três instrumentos 300A, 300B e 300C. Cada instrumento 300A, 300B e 300C está conectado a um condicionador de barramento correspondente 400A, 400B e 400C por um barramento de duas linhas 308A, 308B e 308C (dispositivos terminadores de barramento não estão mostrados com propósitos de clareza) . Os barramentos de duas linhas 308A-308C podem ser bar-ramentos I.S. ou não I.S. As barreiras de barramentos 400A, 400B e 400C estão conectadas a uma fonte de energia 404, que não tem que ser um dispositivo de suprimento de energia I.S. As barreiras de barramentos 400A, 400B e 400C fornecem o isolamento elétrico e limitação de corrente, tensão e potência a cada um dos barramentos de duas linhas 308A, 308B e 308C. Os instrumentos 300A, 300B e 300C podem extrair a quantidade completa de energia elétrica fornecida através dos dispositivos condicionadores de barramentos 400A, 400B e 400C. Isto é o contrário da abordagem da técnica anterior que está mostrada na Figura 1. Alternativamente, múltiplos instrumentos 300 podem ser conectados a um único condicionador de barramento 400 (ver linhas tracejadas).

Instrumento - Figura 5 A Figura 5 é um diagrama de um instrumento 500 de acordo com uma modalidade da invenção. Números de referências em comum com Figuras anteriores indicam componentes comuns. O instrumento 500 inclui um sistema de comunicação 511, um processador de sinal 512 e o elemento do instrumento 304. O instrumento 500 inclui adicionalmente um suprimento de energia de comunicação 501, um suprimento de energia de sensor 502 e um suprimento de energia da corrente de excitação 503. O instrumento 500 é projetado para uso com o barramento de duas linhas 308. O instrumento 500 pode, por exemplo, compreender componentes eletrônicos do fluxímetro. O instrumento 500, nas várias modalidades aqui mostradas e discutidas, pode compreender um transmissor de fluxímetro que gera e transmite sinais de medição de fluxímetro. Mais particularmente, o instrumento 500 pode compreender um transmissor de fluxíme- tro de Coriolis que gera e transmite sinais de fluximetro que são medidos por um aparelho de tubo de fluxo Coriolis. 0 barramento de duas linhas 308 em uma modalidade compreende um barramento de duas linhas concordante com o padrão FOUNDATION FIELDBUS™. O mecanismo de sinalização da camada física da FOUNDATION FIELDBUS™ requer impedância característica constante sobre uma banda de freqüência definida. Desta maneira, os dispositivos no barramento transmitem dados pela variação da corrente que eles extraem em uma freqüência de sinalização particular. Os dispositivos no barramento recebem os dados pela observação da tensão desenvolvida através da impedância característica em decorrência da mudança de corrente.

Uma ramificação deste mecanismo é aquela em que corrente CC pode ser extraída do barramento sem afetar a comunicação, porque ela não muda a impedância característica da CA. Uma outra ramificação deste mecanismo é aquela em que o instrumento 500 não deve permitir mudanças em corrente que possam ser rápidas o bastante para ser interpretadas no protocolo FIELDBUS™ como um sinal de comunicação. Quando o instrumento 500 compreende um fluximetro, mudanças rápidas na corrente do sensor podem não ser imediatamente possíveis por causa desta restrição. Uma situação onde isto pode acontecer é, por exemplo, quando bolhas de ar são aprisionadas em um material líquido que escoa através do fluximetro.

Um dispositivo condicionador de barramento 400 (ver Figura 4) pode fornecer, se requerido, um nível intrin-secamente seguro de corrente elétrica, tensão e potência so- bre o barramento de duas linhas 308. Um dispositivo condicionador de barramento 400 em uma modalidade pode compreender um dispositivo de barreira de Conceito de Barramento de Campo Intrinsecamente Seguro (FISCO) FIELDBUS™. O instrumento 500 de acordo com a invenção pode ser projetado para extrair substancialmente a máxima corrente disponível do dispositivo condicionador de barramento 400. Isto é feito durante a re-gulagem da corrente de dispositivo total It a fim de manter a impedância característica reguerida para comunicação e durante o fornecimento da tensão regulada de CC para suportar o conjunto de circuitos (ver também a Figura 6 e a discussão gue a acompanha). Alternativamente, o instrumento 500 pode extrair menos do gue a corrente disponível máxima e, portanto, múltiplos instrumentos 500 podem ser conectados a um único dispositivo condicionador de barramento 400. 0 suprimento de energia de comunicação 501, o suprimento de energia de processamento de sinal 502, e o suprimento de energia da corrente de excitação 503 podem compreender dispositivos de regulagem de corrente. Tais suprimentos de energia de regulagem de corrente são utilizados em série com os outros elementos através do barramento de duas linhas 308 a fim de tirar vantagem da alta impedância de saída gue é característica de uma fonte de corrente. Isto impede gue impedâncias internas do instrumento 500 (tal como carregamento de sensor, extração de corrente DSP, ou outros componentes reativos internos) causem impacto na impedância característica externa vista no barramento de duas linhas 308. Portanto, os três suprimentos de energia/fontes de cor- rente independentes controlam a primeira corrente li (transmissão de comunicações), a terceira corrente I3 (de excitação do sensor), e a segunda corrente I2 (processamento de sinal) requeridas para energizar o processador de sinal 512 (ou o processador de sinal 512 e conjunto de circuitos associados, conforme Figura 6). 0 elemento do instrumento 304 recebe energia elétrica do suprimento de energia da corrente de excitação 503 e modula a corrente de excitação de alguma maneira. O elemento do instrumento 304 em uma modalidade compreende um ou mais sensores de medição de tubo de fluxo, tais como, por exemplo, sensores de medição de tubo de fluxo Coriolis. Cada sensor de medição modula uma corrente elétrica com base no movimento do tubo de fluxo, em que a diferença de fase entre os sinais de medição do sensor é representativa da vazão de massa de um material que escoa. O processador de sinal 512 recebe energia elétrica do suprimento de energia de processamento de sinal 502. Além do mais, o processador de sinal 512 transmite um sinal do nivel da corrente de excitação para o suprimento de energia da corrente de excitação 503 sobre um barramento ou linha 523. O sinal do nivel da corrente de excitação controla a corrente de excitação que escoa através de um elemento ativo do elemento do instrumento 304 tal como, por exemplo, um ex-citador do tubo de fluxo. O processador de sinal 512 também recebe sinais de medição do sensor sobre o barramento ou linha 523, modulados pelo elemento do instrumento 304. O processador de sinal 512 pode executar calibrações e manipula- ções dos sinais de medição do sensor a fim de gerar um sinal de dados representativo da vazão de massa e/ou densidade do material.

Pelo barramento ou linha 523, o processador de sinal 512 pode regular a terceira corrente I3, tal como regulando e/ou limitando a corrente de excitação durante ocorrências de grandes mudanças na vazão de massa. Além do mais, o suprimento de energia da corrente de excitação 503 pode limitar a taxa de mudança na terceira corrente I3 através do elemento do instrumento 304 a fim de evitar interferência com as comunicações digitais sobre o barramento de duas linhas 308. O suprimento de energia da corrente de excitação 503 pode limitar as mudanças de corrente para ocorrer a taxas (isto é, freqüências) que não interagirão com as taxas de comunicações de banda 32 kHz típicas. 0 sistema de comunicação 511 recebe energia elétrica do suprimento de energia de comunicação 501. O sistema de comunicação 511 pode incluir um caminho de realimentação 521 que permite ao sistema de comunicação 511 contro-lar/modular a primeira corrente li fornecida pelo suprimento de energia de comunicação 501. O sistema de comunicação 511 recebe um sinal de dados proveniente do processador de sinal 512 sobre um barramento ou linha 522 e gera um sinal digital de comunicação que é transmitido sobre o barramento de duas linhas 308. 0 sistema de comunicação 511 gera sinais digitais de comunicação de saída pela modulação do fluxo de corrente no barramento de duas linhas 308, em uma banda de freqüência centrada em torno de 32 kHz. Por exemplo, a primeira corrente li pode compreender dois níveis distintos de corrente Iia e Iib que refletem uma representação um digital ou uma representação zero digital. Portanto, a segunda corrente I2, pode ser controlada pelo suprimento de energia de processamento de sinal 502 de maneira tal que a segunda corrente I2 seja substancialmente CC.

Em uma aplicação de fluxímetro, a terceira corrente I3 pode variar em resposta a um fluxo de material em um tubo de fluxo do fluxímetro. Conseqüentemente, a mudança na corrente total It pode refletir somente as mudanças na primeira corrente li, isto é, a mudança na corrente total It reflete exatamente o sinal digital de comunicação. Em uma modalidade, isto é feito desviando o excesso de corrente através da ramificação de suprimento de energia de processamento de sinal do instrumento 500, que será discutido em conjunto com a Figura 6. Além do mais, o sistema de comunicação 511 pode receber sinais digitais sobre o barramento de duas linhas 308, tais como comandos, calibrações, etc., e pode retransmiti-los ao processador de sinal 512.

Instrumento - Figura 6 A Figura 6 é um diagrama de um instrumento 600 de acordo com uma outra modalidade da invenção. Os números de referências em comum com Figuras anteriores indicam componentes comuns. O instrumento 600 nesta modalidade inclui o suprimento de energia de comunicação 501, o suprimento de energia de processamento de sinal 502, o suprimento de energia da corrente de excitação 503, e o elemento do instrumen- to 304. Nesta modalidade, o processador de sinal 512 pode compreender um processador de sinal digital (DSP) e pode compreender adicionalmente um dispositivo redutor de tensão 604, e um regulador de tensão de derivação 605. Além do mais, nesta modalidade o sistema de comunicação 511 compreende um processador de comunicação 616. O processador de sinal 512 recebe o sinal do nivel da corrente de excitação e os sinais de medição do sensor provenientes do suprimento de energia da corrente de excitação 503. O processador de sinal 512 processa os sinais de medição do sensor para obter uma vazão de massa de um material que escoa através de um tubo de fluxo associada com o instrumento 600. Além do mais, o processador de sinal 512 pode fornecer um sinal de realimentação ao suprimento de energia da corrente de excitação 503 que pode regular a corrente de excitação, conforme previamente discutido. 0 regulador de tensão de derivação 605 é adicionado em série com o suprimento de energia de processamento de sinal 502, a fim de impedir saturação do suprimento de energia de processamento de sinal 502, quando a corrente extraída do processador de sinal 512 for menor do que o ponto de referência da fonte de corrente digital. O regulador de tensão de derivação desvia o excesso de corrente não requerido pelo processador de sinal 512, a fim de manter uma tensão substancialmente constante para o dispositivo redutor de tensão 604. 0 dispositivo redutor de tensão 604 converte a tensão fornecida ao processador de sinal 512 para um nível de tensão inferior. Portanto, a tensão disponível proveniente do barramento de duas linhas 308 não afeta a tensão fornecida ao processador de sinal 512. O dispositivo redutor de tensão 604 pode compreender, por exemplo, uma microplaqueta ou circuito regulador de tensão CC. O processador de comunicação 616 recebe um sinal de dados proveniente do processador de sinal 512. O processador de comunicação 616 pode medir a primeira corrente li (isto é, comunicação) e modula a corrente extraída no barramento de duas linhas 308 a fim de comunicar o sinal de dados sobre o barramento de duas linhas 308 como um sinal de comunicação de corrente contínua (CC) digital, conforme previamente discutido.

Regulador de Tensão de derivação - Figura 7 A Figura 7 mostra detalhes do regulador de tensão de derivação 605 de acordo com uma modalidade da invenção. Na modalidade mostrada, o regulador de tensão de derivação 605 inclui um amplificador Ai, um transistor Qi, resistores Ri e R2 e uma fonte de tensão Vrefi. 0 transistor Qi pode compreender qualquer transistor adequado, tal como um transistor de potência. Um tipo adequado de transistor é um Transistor de Efeito de Campo de Semicondutores de Óxido de Metal (MOSFET), que é capaz de conduzir altos níveis de corrente. O transistor Qi na modalidade mostrada compreende um MOSFET tipo melhorado de n canais, tal como um transistor MOSFET IRF220, disponível da International Rectifier, El Segundo, Califórnia. O amplificador Ai pode compreender qualquer ampli- ficador adequado, tal como um amplificador operacional. A entrada positiva do amplificador Ai é polarizada por uma rede divisora de tensão que compreende os resistores Ri e Rg. Em uma modalidade, Ri tem um valor de cerca de 50k ohms, e R2 tem um valor de cerca de 5k ohms, que fornece uma entrada de tensão na entrada positiva de cerca de 5/55 da tensão do barramento. Outros valores podem ser usados. A referência de tensão Vrefi fornece uma tensão substancialmente constante à entrada do amplificador neqativa do amplificador Ai. Em uma modalidade, a referência de tensão Vrefi fornece cerca de 2,5 volts para a entrada do amplificador neqativa. A referência de tensão Vrefi pode compreender um regulador de tensão ou outro dispositivo que forneça uma tensão substancialmente constante. Alternativamente, a referência de tensão Vrefi pode compreender uma fonte de energia separada, tal como uma batería.

Em operação, o regulador de tensão de derivação 605 polariza o transistor Qi a fim de regular a corrente através dos resistores Ri e R2 e, portanto, mantém uma tensão substancialmente constante Vconstante através da carga 700 . A carga 700 pode compreender uma carga resistiva/capacitiva.

Circuito de Limitação de Corrente - Figura 8 A Figura 8 mostra detalhes de um circuito de controle de corrente 800 de acordo com uma modalidade da invenção. O circuito de controle de corrente 800 pode ser usado em qualquer dos suprimentos de energia de comunicação 501, suprimento de energia de processamento de sinal 502 e suprimento de energia da corrente de excitação 503. O circuito de controle de corrente 800 pode ser usado em combinação com o regulador de tensão de derivação 605, em que a carga 808 e a carga 700 compreendem uma carga comum. O circuito de controle de corrente 800 inclui um transistor Q2, um amplificador A2, um resistor R3, e uma fonte de tensão Vref2. O circuito de controle de corrente 800 limita a corrente que escoa através da carga 808 e, portanto, fornece uma extração de corrente substancialmente constante Iconstante através da carga 800. A carga 808 pode compreender uma carga resistiva/capacitiva. O transistor Q2 pode compreender qualquer transistor adequado, tal como um transistor de potência, incluindo um transistor MOSFET. O transistor Q2 na modalidade mostrada compreende um MOSFET tipo melhorado de p canais, tal como um transistor MOSFET IRF9130, disponível da International Rec-tifier, El Segundo, Califórnia. 0 amplificador A2 pode compreender qualquer amplificador adequado, tal como um amplificador operacional. A entrada positiva do amplificador A2, é polarizada pela tensão gerada pela corrente fixada Iconstante que escoa através do resistor de polarização R3. Em uma modalidade, R3 tem um valor de cerca de 10 ohms. Quando Iconstante for cerca de 130 mi-liamperes, a tensão na entrada do amplificador positiva será cerca de 1,3 volt. Entretanto, outros valores podem ser usados . A referência de tensão Vref2 fornece uma tensão substancialmente constante para a entrada do amplificador negativa do amplificador A2. Em uma modalidade, a referência de tensão Vref2 fornece cerca de um volt para a entrada do amplificador negativa. A referência de tensão Vref2 pode compreender um regulador de tensão ou outro dispositivo que forneça uma tensão substancialmente constante. Alternativamente, a referência de tensão Vref2 pode compreender uma fonte de energia separada, tal como uma bateria.

Em operação, o amplificador A2, é polarizado por uma tensão substancialmente constante e polariza o transistor Q2 para manter uma corrente de saída substancialmente fixa Iconstante· Se Iconstante subir ou abaixar, a tensão através do resistor de polarização R3 muda, ajustando a saída do amplificador A2 e, portanto, compensando a polarização do transistor Q2.

Um instrumento de acordo com a invenção pode ser construído de acordo com qualquer uma das modalidades a fim de fornecer várias vantagens. 0 instrumento pode ser, se desejado, construído de forma substancial intrinsecamente seguro. 0 instrumento pode ser construído de modo a excluir componentes ou partes não I.S. A capacidade de se usar um dispositivo condicionador de barramento em um único instrumento habilita o instrumento a ser construído sem a necessidade de dispositivos/circuitos de barreira elétrica no instrumento. Em uma modalidade, o uso de um dispositivo condicionador de barramento para cada instrumento habilita o instrumento a ser construído sem a necessidade de um alojamento especializado para o instrumento, tal como um alojamento à prova de explosão.

REIVINDICAÇÕES

Claims (19)

1. Instrumento de barramento de duas linhas adaptado para uso com um barramento de duas linhas (308), compreendendo um elemento do instrumento (304) que recebe uma terceira corrente e que gera um ou mais sinais de medição do sensor, um processador de sinal (512) que recebe uma segunda corrente e que processa um ou mais sinais de medição do sensor provenientes do elemento do instrumento (304) para produzir um sinal de dados, e um sistema de comunicação (511) que recebe uma primeira corrente e que recebe o sinal de dados proveniente do processador de sinal (512), gera um sinal digital de comunicação que inclui o sinal de dados, e modula o sinal digital de comunicação no barramento de duas linhas (308); em que o instrumento de barramento de duas linhas (500) é CARACTERIZADO adicionalmente por compreender: um suprimento de energia de comunicação (501) conectado ao sistema de comunicação (511) e em que o suprimento de energia de comunicação (501) e o sistema de comunicação (511) são configurados para serem conectados através do barramento de duas linhas (308), com o suprimento de energia de comunicação (501) sendo configurado para fornecer a primeira corrente, uma tensão constante e uma primeira potência ao sistema de comunicação (511); um suprimento de energia de processamento de sinal (502) conectado ao processador de sinal (512) e em que o processador de sinal (512) e o suprimento de energia de processamento de sinal (502) são configurados para serem conectados através do barramento de duas linhas (308) e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação (501) e o sistema de comunicação (511), com o suprimento de energia de processamento de sinal (502) sendo configurado para fornecer a segunda corrente, uma tensão constante e uma segunda potência ao processador de sinal (512); um suprimento de energia da corrente de excitação (503) conectado ao elemento do instrumento (304) e em que o elemento do instrumento (304) e o suprimento de energia da corrente de excitação (503) são configurados para serem conectados através do barramento de duas linhas (308) e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação (501) e o sistema de comunicação (511), e adicionalmente em paralelo com o suprimento de energia de processamento de sinal (502) e o processador de sinal (512), com o suprimento de energia da corrente de excitação (503) sendo configurado para fornecer a terceira corrente, uma tensão constante e uma terceira potência ao elemento do instrumento (304).

2. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de fluximetro.

3. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de fluximetro e o elemento do instrumento compreende pelo menos um excitador do tubo de fluxo e um ou mais sensores de medição.

4. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de fluximetro de Coriolis.

5. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas é Intrinsecamente Seguro (I.S.) .

6. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que uma impedância do instrumento de barramento de duas linhas é constante enquanto o instrumento de barramento de duas linhas estiver transmitindo sinais.

7. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que uma taxa de mudança na terceira corrente que escoa através do elemento do instrumento é limitada para evitar interferência com as freqüências de comunicação do barramento de duas linhas.

8. Instrumento de barramento de duas linhas adaptado para uso com um barramento de duas linhas (308), compreendendo um elemento do instrumento (304) que recebe uma terceira corrente e que gera um ou mais sinais de medição do sensor, um processador de sinal (512) que recebe uma segunda corrente e que processa um ou mais sinais de medição do sensor provenientes do elemento do instrumento (304) para produzir um sinal de dados, e um processador de comunicação (616) que recebe uma primeira corrente e que recebe o sinal de dados proveniente do processador de sinal (512), gera um sinal digital de comunicação que inclui o sinal de dados, modula o sinal digital de comunicação no barramento de duas linhas (308), e transfere um primeiro comando de nivel de corrente para um suprimento de energia de comunicação (501); em que o instrumento de barramento de duas linhas (600) é CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de: o suprimento de energia de comunicação (501) conectado ao processador de comunicação (616) e em que o suprimento de energia de comunicação (501) e o processador de comunicação (616) são configurados para serem conectados através do barramento de duas linhas (308), com o suprimento de energia de comunicação (501) sendo configurado para fornecer a primeira corrente, uma tensão constante e uma primeira potência ao processador de comunicação (616), em que a primeira corrente é fornecida de acordo com o primeiro comando de nivel de corrente; um dispositivo redutor de tensão (604) conectado entre um suprimento de energia de processamento de sinal (502) e o processador de sinal (512) e configurado para fornecer um nivel de tensão predeterminado ao processador de sinal (512); um regulador de tensão de derivação (605) conectado ao suprimento de energia de processamento de sinal (502) e ao dispositivo redutor de tensão (604), em que o regulador de tensão de derivação (605) desvia o excesso de corrente não requerida pelo processador de sinal (512); o suprimento de energia de processamento de sinal (502) conectado ao dispositivo redutor de tensão (604) e ao regulador de tensão de derivação (605), e em que o suprimento de energia de processamento de sinal (502), o processador de sinal (512), o dispositivo redutor de tensão (604) e o regulador de tensão de derivação (605) são configurados para serem conectados através do barramento de duas linhas (308) e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação (501) e o processador de comunicação (616), com o suprimento de energia de processamento de sinal (502) sendo configurado para fornecer a segunda corrente, uma tensão constante e uma segunda potência ao processador de sinal (512); um suprimento de energia da corrente de excitação (503) conectado ao elemento do instrumento (304), e em que o elemento do instrumento (304) e o suprimento de energia da corrente de excitação (503) são configurados para serem conectados através do barramento de duas linhas (308) e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação (501) e o processador de comunicação (616), e adicionalmente em paralelo com o suprimento de energia de processamento de sinal (502) , o processador de sinal (512), o dispositivo redutor de tensão (604) e o regulador de tensão de derivação (605), com o suprimento de energia da corrente de excitação (503) sendo configurado para fornecer a terceira corrente, uma tensão constante e uma terceira potência ao elemento do instrumento (304).

9. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de fluxímetro.

10. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de fluxímetro e o elemento do instrumento compreende pelo menos um excitador do tubo de fluxo e um ou mais sensores de medição.

11. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de fluxímetro de Coriolis.

12. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas é Intrinsecamente Seguro (I.S.).

13. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que uma impedância do instrumento de barramento de duas linhas é constante enquanto o instrumento de barramento de duas linhas estiver transmitindo sinais.

14. Instrumento de barramento de duas linhas, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que uma taxa de mudança na terceira corrente que escoa através do elemento do instrumento é limitada para evitar interferência com as freqüências de comunicação do barramento de duas linhas.

15. Método para formar um instrumento de barramento de duas linhas, compreendendo um elemento do instrumento que recebe uma terceira corrente e que gera um ou mais sinais de medição do sensor, que fornece um processador de sinal que recebe uma segunda corrente e que processa um ou mais sinais de medição do sensor provenientes do elemento do instrumento para produzir um sinal de dados, e que fornece um sistema de comunicação que recebe uma primeira corrente e que recebe o sinal de dados proveniente do processador de sinal, gera um sinal digital de comunicação que inclui o sinal de dados, e modula o sinal digital de comunicação no barramento de duas linhas; em que o método é CARACTERIZADO adicionalmente por compreender as etapas de: fornecer um suprimento de energia de comunicação conectado ao sistema de comunicação, e em que o suprimento de energia de comunicação e o sistema de comunicação são configurados para serem conectados através do barramento de duas linhas, com o suprimento de energia de comunicação sendo configurado para fornecer a primeira corrente, uma tensão constante e uma primeira potência ao sistema de comunicação; fornecer um suprimento de energia de processamento de sinal conectado ao processador de sinal, e em que o processador de sinal e o suprimento de energia de processamento de sinal são configurados para serem conectados através do barramento de duas linhas e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação e o sistema de comunicação, com o suprimento de energia de processamento de sinal sendo configurado para fornecer a segunda corrente, uma tensão constante e uma segunda potência ao processador de sinal; fornecer um suprimento de energia da corrente de excitação conectado ao elemento do instrumento, e em que o elemento do instrumento e o suprimento de energia da corrente de excitação são configurados para serem conectados através do barramento de duas linhas e em paralelo com o suprimento de energia de comunicação e o sistema de comunicação, e adicionalmente em paralelo com o suprimento de energia de processamento de sinal e o processador de sinal, com o suprimento de energia da corrente de excitação sendo configurado para fornecer a terceira corrente, uma tensão constante e uma terceira potência ao elemento do instrumento.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de fluximetro e o elemento do instrumento compreende pelo menos um excitador do tubo de fluxo e um ou mais sensores de medição.

17. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas compreende um transmissor de fluximetro de Coriolis.

18. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que uma impedância do instrumento de barramento de duas linhas é constante enquanto o instrumento de barramento de duas linhas estiver transmitindo sinais .

19. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que o instrumento de barramento de duas linhas é Intrinsecamente Seguro (I.S.).