JPH10501355A - 蓄積エネルギの放電を防止した電気回路を有する送信機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ループ電流を運ぶ制御ループ（１６）に結合された送信機（１０）は、ループ１６を越えて伝送される処理変化量を検知する。送信機中の回路は、制御ループ（１６）に有効容量Ｃeffを提供する。送信機（１０）は、回路（１４）と、容量Ｃeffに蓄積されたエネルギの放電が制御ループ（１６）内で起こるのを防止する制御ループ（１８）との間に結合された分離回路網を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 蓄積エネルギの放電を防止した電気回路を有する送信機 発明の背景 本発明は、処理制御ループに使用する送信機に関する。本発明は、特に、送信 機回路を制御ループから分離することに関する。 処理制御システムは、処理の動作を監視するために、製造プラントに使用され ている。送信機はフィールドの中に置かれ、処理の変化、例えば圧力、温度、あ るいは流れなどの変化を監視する。送信機は制御ループに結合されており、処理 の動作を監視する制御器に制御ループ全体の情報を送信する。制御ループは送信 機を作動させるための電力を提供する電流を運ぶ２線ループである。制御室へ検 知された処理の変化を伝送するために、通信は、１以上の送信機が一つの制御ル ープに結合できるディジタル通信スタンダードであるフィールドバススタンダー ドを通して行われる。このスタンダードはＩＳＡ５０．０２−１９９２、セクシ ョン１１に記述されている。ＨＡＲＴ（登録商標）はディジタル通信が４−２０ ｍＡの処理変化信号を許す他のスタンダードである。 送信機中の回路は、制御ループに有効容量Ｃeffを提供している。電荷はこの 容量の中に蓄積されることができ、この容量は送信機が前記ループへの接続部を 経てエネルギを蓄積できるようにする。このエネルギはそのループを通って放電 させることができる。フィー ルドバスプロトコルでは、結合されたＣeffが特に大きくなるように、多数の送 信機が同じループに取付けられている。Ｃeffのサイズを小さくし、送信機のポ テンシャルエネルギの蓄積能力の総量を減ずる試みがなされている。さらに、Ｃ effは送信機間で変化する。このため、送信機の互換は制限されている。 送信機の容量を制御ループから分離するのが望ましい。これは、ループの中で エネルギが放電するのを防止し、内部のＣeffを無視して、送信機間での互換可 能性をより増大する。 発明の要約 ２線送信機は、ループ電流を運ぷ制御ループに結合されている。送信機は、処 理可変量を検出し、該ループにその電気的信号を提供する。送信機中の回路は、 もし制御ループに直接接続されるなら、有効容量Ｃeffを提供する。送信機は、 前記回路と、前記有効容量Ｃeffに蓄積されたエネルギの放電が、前記制御ルー プ内で起こるのを禁止する制御ループとに結合された容量分離回路網を含んでい る。一実施例では、前記分離回路網はループ電流の流れの方向に直列に接続され た少なくとも３個のダイオードを含んでいる。 図面の簡単な説明 図１は制御ループに結合された本発明の送信機の概略のブロック図である。 図２は本発明による容量分離回路網の一実施例を示す。 図３は本発明による容量分離回路網の一実施例を示す。 図４は本発明による容量分離回路網の一実施例を示す。 図５は本発明による容量分離回路網の一実施例を示す。 図６は図１の送信機の断面図である。 分かりやすくするために、図中の同じ参照符号は同一または同等の機能を有し ている。 実施例の詳細な説明 図１は本発明の送信機１０の概略のブロック図である。送信機１０はセンサ１ ２と制御ループ１６に結合されたセンサ回路１４を含んでいる。回路１４は、測 定回路１８と容量分離回路２０を含んでいる。測定回路１８は、処理回路２２と インタフェース回路２４を含んでいる。 送信機１０は送信機１０を通ることによって電圧降下を引起こす制御ループ１ ６から受信される電流Ｉによって電源を供給される。電圧降下は典型的には９ボ ルトと３５ボルトの間である。一実施例では、制御ループ１６はフィールドバス プロトコルのもとで動作し、ディジタル情報を伝送する。センサ１２は処理のパ ラメータに関係する処理変数、例えば温度、圧力あるいは流れを検知する。処理 回路２２は処理変数を処理する。例えば、処理回路２２はセンサ中のエラーを補 正し、処理変数に関する他の計算を行う。処理回路２２はインタフェース回路２ ４に結合されており、制御ループ１６を越えて処理変数を伝送するようにインタ フェース回路２４を制御する。一実施例では、インタフェース回路２４は、ルー プ１６を経て伝送 されて来る、処理回路２２の動作を制御するディジタル命令を受信する。さらに 、インタフェース回路２４は送信機１０中の処理回路２２および他の回路に電力 を供給する電源出力端子を含んでいる。 ループ電流Ｉはインタフェース回路２４を通って流れる。回路１４は抵抗、容 量、およびインダクタンスをもつ要素を含んでいる。これらの要素は、ループ１ ６に有効容量Ｃeffを付与する。図１は測定回路１８を経て得られた有効容量Ｃe ffを示している。Ｃeffは本発明によって容量分離回路２０に与えられる。 動作を説明すると、インタフェース回路２４はセンサ１２から出力されたディ ジタル情報をデータ送信要求に応答してループ１６を通って伝送する。これによ って、センサ１２によって検知されたパラメータまたは他のデータはループ１６ を通って伝送される。従来のシステムにおいては、容量Ｃeffに蓄積されたエネ ルギはループ１６を通って放電されることがあった。本発明では、容量分離回路 ２０はこの放電を防止するために容量Ｃeffをループ１６から分離する。しかし 、容量分離回路２０は測定回路１８の動作を仲介（インタフェース）せずに、ル ープ電流Ｉが流れて、ディジタル情報が交換されることを許可する。 図２〜５は容量分離回路２０の種々の構成を示している。図２〜５において、 測定回路１８の有効容量と抵抗は、それぞれ、容量Ｃeff、抵抗Ｒeffで表されて いる。図２において、容量分離回路２０はダイオード３０、３２および３４を含 んでいる。ダイオード ３０〜３４は電流の流れＩの方向に接続されており、ループ１６と直列に置かれ ている。ダイオード３０〜３４は電流Ｉの流れとは逆にループ１６を通って電流 が流れるのを阻止することによって、ループ１６を通って容量Ｃeffに蓄積され たエネルギが放電するのを防止する。３個のダイオード３０〜３４の使用は３段 階の冗長構成を提供している。すなわち、ダイオード３０〜３４のどの二つが破 壊されても、残りのダイオードがエネルギの放電を防止する。 図３は容量分離回路２０の他の実施例を示している。図３において、容量分離 回路２０は電流Ｉが送信機１０に入る時、電流の流れ方向にループ１６と直列に 接続されたダイオード４０、４２および４４を含んでいる。回路２０はまた電流 Ｉが送信機１０から出る時の電流の流れと直列に接続されたダイオード４６、４ ８および５０を含んでいる。図３において、容量分離回路２０はまた電流ループ を電気的接地に容量的に接続するＲＦフィルタコンデンサ５２と５４を含んでい る。典型的には、コンデンサ５２と５４は送信機１０の中央の壁５６に設けられ 、約２０００ｐＦの大きさを有している。動作においては、コンデンサ５２と５ ４は測定回路１８の動作に干渉する高周波ＲＦ信号に対して、大地への電気的シ ョートを提供する。容量分離回路２０は二組の分離ダイオードを含んでいる。こ れは、容量Ｃeff中のエネルギが、ループ１６の１本の線が接地されている場合 に、電気的接地とコンデンサ５２またはコンデンサ５４の通路を通ってループ１ ６に放電するのを防止する。図２の場 合と同様に、３個のダイオードの２つのセット（４０、４２と４４、または４６ 、４８と５０）を用いることによって、３段階の冗長構成が提供されている。放 電は、もしコンデンサ５２と５４のどちらか一つが破壊し、図３には示されてい ないが、送信機のシャーシーである地面への電気通路が提供されるなら、起きる 。 図４は望ましい分離を実現するために３個のダイオード６０、６２および６４ のみを含む容量分離回路２０の他の実施例を示している。ダイオード６０、６２ および６４は、ループ電流の入力通路に沿ったループ電流の流れＩの方向に直列 に接続されている。中央の壁５６はＲＦフィルタコンデンサ５２と５４を支持し ている。抵抗器６６と６８は、それぞれループ電流Ｉの入力通路と出力通路に付 加されている。典型的には、抵抗器６６の抵抗値は抵抗器６８の抵抗値と同一で あり、５．５Ωの値である。抵抗器６６と６８は、コンデンサ５２と５４に蓄積 されているポテンシャルエネルギがループ１６中に素早く放電されないように、 十分に大きな値に選ばれている。さらに、抵抗器６６と６８、およびコンデンサ ５２と５４は、破壊するのを低減するように十分に大きくするべきである。図３ の回路に比較して、図４の回路は３個のダイオードの電圧降下のみを含み、これ らによって、３段階の冗長構成を形成している。 図５は回路２０の他の実施例を示している。図５は中央の壁５６がコンデンサ ５２と５４を支持する容量分離回路２０を示している。回路２０はまたダイオー ド７２、７４、７６および７８を持つ全波 整流回路７０を含んでいる。ブリッジ７０の出力はダイオード８０に接続されて いる。図５の回路２０は図４の回路２０と同様の動作をする。しかしながら、ブ リッジ７０は送信機１０と制御ループ１６の間の接続が、送信機１０の動作に影 響を与えることなしに逆転されることを許している。さらに、ブリッジ７０とダ イオード８０は、送信機１０を通る電流Ｉの通路が常に少なくとも３個のダイオ ードを通って流れ、それによって測定回路１８を分離し、３段階の冗長構成を提 供している。図５に示された方向に流れる電流Ｉの例を用いると、ループ電流Ｉ はブリッジ７０のダイオード７２、ダイオード８０、測定回路１８、およびブリ ッジ７０のダイオード７６を通る。前実施例と同様に、もし電流通路中の２個の ダイオードが破損するなら、残りの３個のダイオードは回路１８中に蓄積された エネルギの望ましくない放電がループ１６を通ってなされるのを防止する。 図６は回路２２と２４と中央壁５６の相対的位置を示す送信機１０の断面図で ある。図６は中央壁５６によって第１室１０１ａと第２室１０１ｂとに分割され た送信機本体１００を示している。第１室１０１ａは端部キャップ１０２によっ て封じされており、第２室１０１ｂは端部キャップ１０４によって封じされてい る。第１室１０１ａは処理およびインタフェース回路２２／２４を支持している 。ＲＦフィルタコンデンサ５２と５４は中央壁５６の中に置かれ、ブリッジ整流 器７０を支持している回路ボードに結合されている。 回路ボード１１０は第２室１０１ｂに支持されており、電流ループ１６に結合さ れ、コンジット（線渠）１０８を通ってハウジング１００に入る端子を含んでい る。回路ボード１１０は抵抗器６６と６８を含んでいる。送信機のハウジング１ ００はセンサ１２（図６には示されていない）を支持しているセンサハウジング １０６に取付けられている。図６に示されているように、コンデンサ５２と５４ は電流Ｉが第１室１０１ａ中の回路に入ることを許可するが、高周波のＲＦ干渉 は除去する。ブリッジ７０とダイオード８０は、上記したように、回路２２／２ ４に蓄積されたエネルギが電流ループ１６に返って放電するのを防止する。図６ に示されているような特殊な送信機１０は差圧を測定するためのものである。 前記ダイオードは低い順方向電圧降下をもつもの、例えばショットキー障壁（ バリア）ダイオードを選択するべきである。見掛け上の送信機電流を低減するた めに、低い逆漏れ電流を提供するブリッジ整流器７０のためのダイオードを選択 するのが望ましい。好ましい実施例では、ブリッジ整流器７０のダイオードとダ イオード８０はショットキー障壁ダイオードである。ダイオード８０はその動作 範囲に渡ってリニアリティ（線形）を提供するように選択されるべきである。ダ イオード８０は電流Ｉの通路のブリッジのただ１個の“脚（leg）”の中にのみ 接続されているから、非線形が信号の劣化を引き起こす。一実施例では、ダイオ ード８０は、電圧降下が２線送信機（４−２０ｍＡ）の低電流レベルで小さくな るように、大き な電流容量（例えば、３０アンペア）を有している。しかし、順方向電圧降下と 漏れ電流の間にトレードオフがある。 本発明は、好ましい実施例に関して説明されたけれども、当業者は本発明の精 神を逸脱することなしに容易に変更することができる。例えば、本発明は、２線 電流ループに結合される中央制御器、現場に置かれた制御器、（持運びできる装 置のような）コンフィギュレーション（configuration）装置、あるいはモデム 等に用いることができる。さらに、分離要素として、ダイオード以外にＦＥＴの ような素子を使用することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ループ電流を運ぶ２線制御ループに結合するための送信機において、 処理の変化量を検出するセンサと、 前記処理の変化量に関する送信機出力を提供するセンサに結合され、ループ電 流により電源を与えられ、有効容量Ｃeffを提供する測定回路と、 インタフェース回路と制御ループとの間に結合され、ループ電流が同時に少な くとも３個のダイオードを通って流れ、Ｃeffに蓄積されたエネルギが制御ルー プを通って放電するのを禁止するように接続された少なくとも３個のダイオード を含む容量分離回路網とを具備したことを特徴とする送信機。 ２．請求項１記載の送信機において、 前記分離回路網は、制御ループに接続された入力端子と測定回路に接続されて いる第５のダイオードに結合された出力端子とを持つ全波ブリッジ整流回路に接 続された４個のダイオードを具備していることを特徴とする送信機。 ３．請求項１記載の送信機において、 前記分離回路網は、前記制御ループに結合されたＲＦフィルタ要素を具備して いることを特徴とする送信機。 ４．請求項３記載の送信機において、 前記ＲＦフィルタ要素は、前記測定回路および３個のダイオード を経て接続されていることを特徴とする送信機。 ５．請求項３記載の送信機において、 前記分離回路網は、前記ＲＦフィルタ要素と前記制御ループとの間に接続され た抵抗要素を含むことを特徴とする送信機。 ６．請求項３記載の送信機において、 前記ＲＦフィルタ要素は、前記測定回路を制御ループから分離する送信機の中 央壁に配置されていることを特徴とする送信機。 ７．処理制御システムに使用される送信機において、 処理の変化量を検出するセンサと、 ハウジング中の第１の室中にあり、該ループを通って流れるループ電流によっ て電源を供給される測定回路を２線制御ループとセンサに結合する壁によって分 割された第１および第２の室を有し、該ループを越えて処理変化量を伝送する送 信機ハウジングであって、前記測定回路はエネルギを蓄積するためのエネルギ蓄 積手段を備え、 前記測定回路から制御ループにエネルギが放電するのを阻止する少なくとも３ 個の整流素子を含む、前記測定回路を制御ループの間に結合されたハウジングの 第１の室中にあるエネルギ分離回路であって、該３個の整流素子の内の一つが他 の２個のいずれかの破損の間にエネルギの放電を阻止することを特徴とする送信 機。 ８．請求項７記載の送信機において、 整流要素がダイオードからなることを特徴とする送信機。 ９．請求項７記載の送信機において、 前記分離回路網は、制御ループに接続された入力端子と前記測定回路に接続さ れている第５の整流要素に結合された出力端子とを持つ全波ブリッジ整流回路に 接続された４個の整流要素からなることを特徴とする送信機。 １０．請求項７記載の送信機において、 前記分離回路網は、ＲＦフィルタ要素を含んでいることを特徴とする送信機。 １１．請求項１０記載の送信機において、 前記ＲＦフィルタ要素は、制御ループと３個の整流要素に結合されていること を特徴とする送信機。 １２．請求項１０記載の送信機において、 分離回路はさらにＲＦフィルタ要素と制御ループとの間に接続された抵抗要素 を含んでいることを特徴とする送信機。 １３．請求項１０記載の送信機において、 前記ＲＦフィルタ要素は、送信機の壁の中に置かれていることを特徴とする送 信機。 １４．ループ電流を運ぶ２線制御ループに結合するための制御ループ装置であっ て、 ２線制御ループに結合するための接続部と、 ２線制御ループを越えて情報を通信し、有効容量Ｃeffを提供するための通信 回路網と、 通信回路網と前記２線制御ループへの接続部との間に結合された 容量分離回路網であって、該容量分離回路網は、ループ電流が３個のダイオード を通って同時に流れ、Ｃeffに蓄積されたエネルギの放電を禁止するように、少 なくとも３個のダイオードからなることを特徴とする制御ループ装置。 １５．請求項１４記載の制御ループ装置において、 前記分離回路網は、制御ループに接続された入力端子と、前記通信回路網に接 続されている第４のダイオードに結合された出力端子とを持つ全波ブリッジ整流 回路に接続された４個の整流要素からなることを特徴とする制御ループ装置。 １６．請求項１４記載の制御ループ装置において、 前記分離回路網は、前記制御ループに結合されたＲＦフィルタ要素を含むこと を特徴とする制御ループ装置。 １７．請求項１６記載の制御ループ装置において、 前記ＲＦフィルタ要素は、通信回路網と３個のダイオードを経て接続されてい ることを特徴とする制御ループ装置。 １８．請求項１６記載の制御ループ装置において、 前記分離回路網は、前記ＲＦフィルタ要素と制御ループとの間に接続された抵 抗要素を含むことを特徴とする制御ループ装置。