在过程控制设备中的保护电路以及过程控制设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开指向过程控制设备电路，更具体地指向输入保护电路，该保护电路用于通过模拟电流环路进行控制或者通知(signaled)的设备。
【背景技术】
[0002]模拟电流环路比如4-20mA电流环路或者过去的10_50mA电流环路，通常用于将信号(例如，测量所得的传感器值、控制值等)发送给过程控制设备(比如致动器阀、马达转速控制器、面板仪器等)。在典型的场景中，传感器或者控制器分别提供代表指示值(比如测量值(例如，温度、压强等))或者设定值的输出电压，而传送器将该输出电压转换为封闭的电流环路中的成比例的4-20mA电流。随后，过程控制设备接收该4-20mA电流信号并通过内部电阻处理该信号，该信号可通过过程控制设备的模拟输入容易地进行测量。
[0003]一些从电流环路接收信号的过程控制设备依靠于来自电流环路自身的电源，但是其他设备从独立的运行电源(operating source)接收功率。在过去，过程控制设备比如位于远程石油结构或者气体结构中的现场仪器，依赖于气动电源。在这些情况下，仪器只要有用于发送信号目的的小电流源(4-20mA)就可以运行，同时该仪器的其他部件被气动地供电。
[0004]然而近年来，大量的现场仪器或过程控制设备依赖于与4_20mA电流环路独立的运行电源。例如，即使一些阀致动器通过4-20mA电流环路接收控制信号，这些致动器也依赖于电压输入(比如+1V和-10V)运行。照此，可能出现4-20mA电流被施加给该仪器而某些部件却没有由对应的运行电压源供电的情况，比如在电源故障期间。这种情况常常导致敏感电子部件(例如，集成电路)的损坏。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型提出了一种用于过程控制设备(比如阀致动器)的保护电路，从而防止对设备部件的损坏。
[0006]本实用新型一方面公开了一种用于保护过程控制设备的部件的保护电路，包括可操作地接收与指示值成比例的电流的电流环路输入端，以及被配置为耦接至电压源并从该电压源接收初级电压信号的运行电压输入端，该运行电压输入端此外可操作地为该部件供电，以使过程控制设备根据指示值运行以控制过程。该保护电路进一步包括多个保护电路部件，该多个保护电路部件被配置为，当初级电压信号低于第一阈值时，从电流环路输入端向该部件提供次级电压信号，并且当初级电压信号高于第一阈值时，从运行电压输入端向该部件提供初级电压信号。
[0007]优选的，所述保护电路进一步包括分压器，被配置为按预定因子划分所述电流环路输入端的弓I线脚两端的电压。
[0008]优选的，所述多个保护电路部件进一步被配置为:钳制所述过程控制设备的输出端，以使当所述运行电压输入端低于所述第一阈值时，所述输出端不能达到正电压；并且防止所述输出端达到大于第二阈值的负电压。
[0009]优选的，所述第二阈值是二极管两端的电压降。
[0010]优选的，所述电流环路输入端接收4-20mA电流环路信号，并且被配置为向所述过程控制设备提供与所述指示值成比例的电流值。
[0011]优选的，所述指示值代表传感器输出。
[0012]优选的，所述指示值是来自控制器的设定值。
[0013]优选的，所述部件包括集成电路。
[0014]优选的，所述部件包括多个部件。
[0015]优选的，所述多个保护电路部件包括被配置为将来自所述电流环路输入端的电源分发给所述多个部件的总线。
[0016]本实用新型另一方面公开了一种过程控制设备包括集成电路部件，耦接至该集成电路部件的电压输入端的运行电压源，以及具有电流环路输入端的保护电路。该保护电路被配置为，当初级电压信号低于第一阈值时，从电流环路输入端向该部件提供次级电压信号，并且当初级电压信号高于第一阈值时，从运行电压源向该部件提供初级电压信号。
[0017]优选的，所述过程控制设备包括:分压器，被配置为按预定因子划分所述电流环路输入端的引线脚两端的电压，以使所得电压能够应用于所述集成电路部件，而不损坏所述集成电路部件。
[0018]优选的，所述电流环路输入端接收4_20mA电流环路信号，并且被配置为向所述过程控制设备提供与指示值成比例的电流值。
[0019]优选的，所述指示值代表传感器输出。
[0020]优选的，所述指示值是来自控制器的设定值。
[0021]通过采用本实用新型的技术方案，当缺乏运行电压源时，模拟电流环路可以为过程控制设备供电，以使当来自模拟电流环路的信号应用于未被供电的过程控制设备时，该过程控制设备的部件不被损坏。
【附图说明】
[0022]图1示出了一个示例系统，该系统中保护电路允许电流环路为过程控制设备的部件供电；
[0023]图2是具有保护电路的一个示例设备电路的电路图，该保护电路可在如图1所示的过程控制设备中实施；
[0024]图3是具有保护电路的另一个示例设备电路的电路图，该保护电路可在如图1所示的过程控制设备中实施；
[0025]图4是具有保护电路的又一个示例设备电路的电路图，该保护电路可在如图1所示的过程控制设备中实施；
[0026]图5是描述了和图4的示例设备电路中实施的滤波器相关联的特性的曲线图。
【具体实施方式】
[0027]本公开指向用于过程控制设备(比如阀致动器)的保护电路，并且特别地，指向通过该保护电路防止对设备部件的损坏。特别地，根据本公开的保护电路允许在缺乏运行电压源(例如，在电源故障期间)时，模拟电流环路(例如，4-20mA)为过程控制设备供电，以使当来自模拟电流环路的信号应用于未被供电的过程控制设备时，该过程控制设备的部件不被损坏。
[0028]现在参考图1，依照本公开的一个版本构建的示例系统100包括具有保护电路104的过程控制设备102。举例说明，过程控制设备102可包括电控制阀、致动器、马达、比例-积分-微分(proport1nal-1ntegral-derivative，PID)控制器、级联控制器等，并且过程控制设备102可以是制造厂、石油开采结构或者气体开采结构、精炼厂、HVAC(制热、通风和空气调节)系统等的一部分。
[0029]例如，过程控制器102通过电流环路106接收控制信号，电流环路106比如是由环路电源供应器108供电的4-20mA电流环路。在实施中，信号输出设备110比如传感器(例如，温度计、压强传感器、速度计等)或者控制器，分别输出与指示值(比如测量值(例如，温度、压强、速度等))成比例的电压或者设定值。信号输出设备110输出该电压至传送器112，并且继而，传送器112将来自信号输出设备110的电压转换为和/或者放大成电流环路106中的成比例的电流信号。在实施中，当测量了该电流环路信号(比如，通过内部电阻两端电压的测量)，过程控制设备102可触发设备功能、执行适当的控制逻辑等。环路电源供应器108向该电路供电。
[0030]传送器112、环路电源供应器108和/或信号输出设备110在图1中虽然被示为独立的部件，但在某些情况下其可以是过程控制设备或者仪器设备的内部部件。例如，过程控制器的信号输出设备110可包括实施控制逻辑的计算机可读指令，当该指令被处理器执行时，该控制逻辑向传送器112输出数字控制信号或者设定值。在这种情况下，信号输出设备110和/或者传送器112可包括模数转换器(未示出)，以将数字控制信号转换为电压。
[0031]例如，传送器112可以用电流环路中的4mA信号以指示来自信号输出设备110的为零的测量值或者为零的校准值，并且用电流环路中的20mA信号以指示来自信号输出设备110的最大测量值或者满量程测量值(full-scale measurement)。另外，在实施例中，传送器112自身可由环路电源供应器108供电，并且因此可被配置为在电流低于4mA时运行，电流低于4mA可代表信号输出设备110的为零的测量值。
[0032]在实施例中，环路电源供应器108可以是直流(DC)电源供应器，从而电流的大小与信号输出设备110的输出成比例。在一些实施例中，电源供应器108可以设置为在一电平时运行，该电平大于电流环路106的导线中的电压降加上过程控制设备102两端的电压降和运行传送器112所需的电压之和。
[0033]虽然过程控制设备102通过电流环路106被通知或者控制，但过程控制设备102由电源114供电。电源114向多个部件116供电，包括为其他的电路或者部件提供运行电压的一些电路或者部件(例如，运行电压输出电路115)。例如，电源114可向调节器供电，该调节器可输出正电压和负电压，该正电压和负电压继而被应用于集成电路设备的轨(rail)。在实施中，该正电压和负电压在图1中分别表示为+V和-V，因为该电压在设备和设备之间可以不同(例如，IC与IC之间，和/或者过程控制设备与过程控制设备之间)。例如，当过程控制设备102内的马达从电源114接收电源以运行时，其可通过电流环路106中的信号来进行触发或者控制。例如，电源114可包括耦接至主电源的电源供应器，其中该主电源通过交流电(AC)适配器输入至过程控制设备102，或者运行电压源114可包括耦接至电池电源的电源供应器(在这种情况下其可以布置在过程控制设备102的内部)。电源114在一些情况下可电耦接至运行电压输出电路115(比如电源供应器电路或者调节器电路)，该运行电压输出电路115可以将主电源或者其他电压信号(例如，120V)转换为特定电压(例如，±3.3V，±10V)，其中该特定电压可以施加在部件(比如IC)的对应引脚或者输入端的两端。在一些实施例中，电源114与环路电源供应器108分离，以使电源114和环路电源供应器108其中的一个电源故障时，不意味着另一个也电源故障。
[0034]在一些场景中，当过程控制设备102不由电源114供电时，或者至少，当通常从运行电压输出电路115接收初级电压信号的部件未接收该初级电压信号时，过程控制设备102可通过电流环路106接收信号。例如，电源114可能遭受工厂供电故障，或者电源114可能是电源耗尽的内部电池电源。或者，运行电压输出电路115中的一个或者多个部件(比如调节器)可能遇到故障。在这种情况下，保护电路104通过暂时地从电流环路106向一个或者多个部件116提供被配置为接收初级电压信号的引脚或者输入端的两端的次级电压信号，来防止对该一个或者多个部件116 (比如集成电路(IC)或者测量放大器)的损坏。以这种方式，即使当缺乏来自运行电压输出电路115的电压信号(例如，当来自运行电压输出电路115的电压信号低于阈值)时，部件116也能够从电流环路106接受输入而不被损坏。例如，当IC通过接收(例如，从电流环路106接收)它的其他引脚上的控制信号