(57)【要約】フィールド送信機２５０は、プロセス変数を測定又は制御するよう構成されるフィールド機器回路２１６を含む。第１のプロセス制御ループ端子２０２は、ループ電流Iloopを流す２線式プロセス制御ループ２０６に接続するよう構成される。第２のプロセス制御ループ端子２０４は２線式プロセス制御ループ２０６に接続するよう構成される。スイッチングレギュレータ２１２は入力部と出力部とを有する。出力部は送信機回路２１６に接続するよう構成され、送信機回路２１６に給電するよう設定される。可変電圧源２３２は、第１のプロセス制御ループ端子２０２に電気的に接続する入力部と、スイッチングレギュレータ２１２の入力部に接続する電圧出力と、制御入力部とを有する。電圧出力は制御入力の関数である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィールド機器であって、
プロセス変数を測定又は制御するよう構成されるフィールド機器回路と、
ループ電流を流す２線式プロセス制御ループに接続するよう構成される第１のプロセス制御ループ端子と、
前記２線式プロセス制御ループに接続するよう構成される第２のプロセス制御ループ端子と、
入力部と出力部とを有するスイッチングレギュレータで、前記出力部が前記フィールド機器回路に接続して当該フィールド機器回路に給電するよう設定されるスイッチングレギュレータと、
前記第１のプロセス制御ループ端子に電気的に接続する入力部と、前記スイッチングレギュレータの入力部に接続する電圧出力部と、制御入力部とを有する可変電圧源とを備え、前記電圧出力部の電圧出力が前記制御入力部の制御入力の関数であることを特徴とするフィールド機器。
【請求項２】
前記可変電圧源からの電圧出力がループ電流に対して非線形関係を有することを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記可変電圧源からの電圧出力がループ電流に対して線形関係を有することを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項４】
前記２線式プロセス制御ループへの電流を分路するよう構成されるシャントレギュレータを含むことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項５】
前記可変電圧源が電圧レギュレータを備えることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項６】
前記可変電圧源の制御入力部が前記フィールド機器回路に接続することを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項７】
前記フィールド機器が必要とする静止電流を超える電流を分路するよう構成されるシャントレギュレータを含み、当該シャントレギュレータが前記フィールド機器回路に応答して機能することを特徴とする請求項６に記載の機器。
【請求項８】
前記フィールド機器が送信機を備えることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項９】
前記ループ電流がプロセス変数に関連づけられることを特徴とする請求項８に記載の機器。
【請求項１０】
プロセスフィールド機器に給電する方法であって、
該フィールド機器の第１及び第２のプロセス制御ループ端子を、ループ電流を流す２線式プロセス制御ループに接続する段階と、
スイッチングレギュレータにて入力電圧を受け取る段階と、
前記スイッチングレギュレータによる出力でフィールド機器回路を給電する段階と、
前記スイッチングレギュレータへの前記入力電圧を制御する段階とを備えることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記スイッチングレギュレータへの前記入力電圧がループ電流に対して非線形関係を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記スイッチングレギュレータへの前記入力電圧がループ電流に対して線形関係を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記２線式プロセス制御ループへの電流を分路する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記スイッチングレギュレータへの前記入力電圧を制御する段階が、電圧レギュレータを制御する段階を備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
プロセス変数に基づいて前記ループ電流を制御する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフィールド機器に関する。特に、本発明は２線式プロセス制御ループにより給電されるフィールド機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセス機器は産業プロセス制御システムにおいて産業プロセスを監視及び／又は制御するのに用いられる。制御機器はプロセスを制御するのに用いられるプロセス機器である。制御機器の例には、ポンプ、バルブ、アクチュエータ、ソレノイド、モーター、ミキサ、混合器（ミキサー）、攪拌機、破砕機、粉砕機、ローラー、圧延機、混練機、濾過器、ブレンダー、サイクロン（集塵機）、遠心分離器、塔（タワー）、乾燥機、運搬機、分離器、エレベータ、ホイスト、加熱器、冷却器及びその他の機器が含まれる。送信機はプロセス機器であり、例えば温度、圧力、流量、その他といったプロセス変数を監視するなどすることにより、プロセスの動作を検知（又は監視）するのに用いられる。監視されるプロセス変数は送信されて、当該変数をプロセス内の他の機器例えば中央制御室などにより利用できるようになる。
【０００３】
２線式プロセスフィールド機器はプロセス機器であり、リモート配置されるか、又はそうでない場合は、２線式プロセス制御ループへの接続を介して全電力を受信することを必要とされるかするプロセス機器である。２線式プロセス制御ループとは２本の導線を利用する配線系で、監視又は制御下にあるプロセスに関する情報を伝達するのに用いられる配線系のことを指す。例えば、１つの標準的な形式の２線式プロセス制御ループでは４−２０ｍＡ電流レベルを利用してプロセス変数を表現する。こうした構成においては、圧力のような検知したプロセス変数を表している電流レベルを、送信機が例えば１０ｍＡといった値に制御することができる。
【０００４】
プロセス機器に接続するのに必要となる配線の量を減らすために、多くのプロセス機器では、２線式プロセス制御ループから完全に給電されるようになっている。こうして、プロセス機器で利用可能な電力合計量は制限を受ける。例えば４−２０ｍＡ電力ループでは、（例えば３．６ｍＡといったように）電流レベルを設定できる最低レベルと、（例えば２４ボルト未満の何らかの値といったように）本質安全を要求される配置における機器内で許容可能な電圧降下の最大値と、により利用可能な合計電力は制限される。この例では機器に給電するのに０．０９ワット未満しか利用できない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多くの場合、２線式プロセス制御ループからの利用可能な電力の量によって、プロセス機器の機能は制限を受ける。例えば、追加的機能にはマイクロプロセッサによる追加的計算能力が必要となる。この追加計算による電力のため、電力をより多く必要とするようになり、ループから利用可能な電力量を超過してしまうこともある。プロセスフィールド機器内の回路で利用可能な電力の量を増やすため、フィールド機器では、非常に効率のよい電源を利用することで、２線式プロセスから受信した電力を、内部回路での利用のために調整された電圧レベルに変換するのが典型的である。電源の一種であるスイッチングレギュレータは、フィールド機器の構成部品に対して調整された電源電圧を供給する効率がよいことから、プロセス機器でずっと利用されてきた。スイッチングレギュレータの利用は例えば、米国特許番号第5,535,243号で1996年7月9日に「フィールド備え付け送信機用の電源（POWER SUPPLY FOR FIELD MOUNTED TRANSMITTER）」の名称で発行された特許や、米国特許番号第5,973,942号で1996年10月26日に「直流電源フィールド機器用スタートアップ回路（START UP CIRCUIT FOR DC POWERED FIELD INSTRUMENT）」の名称で発行された特許に記載されている。しかしながら、スイッチングレギュレータはプロセス制御ループにノイズを発生させるかもしれず、当該ノイズによりループ上の情報伝達が変更されたり又は悪影響を受けたりする可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
フィールド送信機は、プロセス変数を測定又は制御するよう構成されるフィールド機器回路を含む。第１のプロセス制御ループ端子は、２線式プロセス制御ループに接続するよう構成され、該２線式プロセス制御ループはループ電流を流す。第２のプロセス制御ループ端子は、該２線式プロセス制御ループに接続するよう構成される。スイッチングレギュレータは入力部と出力部とを有する。該出力部は、送信機回路に接続するよう構成され、該送信機回路に電力を提供するよう設定される。可変電圧源は、第１のプロセス制御ループ端子に電気的に接続する入力部と、スイッチングレギュレータの入力部に接続する電圧出力部と、制御入力部と、を有し、電圧出力は制御入力の関数である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】２線式プロセス制御ループに接続するプロセス機器を含む、プロセス制御／監視システムを示す簡略図である。
【図２】機器に電力を供給する電源を含む、フィールド機器内の回路の簡略ブロック図である。
【図３】オーム単位の負荷と電圧との関係のグラフで、典型的な送信機における負荷限界を示すグラフである。
【図４】本願発明に係る、可変リフトオフ電圧を有するフィールド機器に対する、最大負荷抵抗と電源電圧との関係のグラフである。
【図５】スイッチングレギュレータを含む、従来技術のフィールド機器のブロック図である。
【図６】スイッチングレギュレータとリニアレギュレータとを含む、フィールド機器のブロック図である。
【図７】本願発明に係る、可変入力電圧を有するスイッチングレギュレータを含むフィールド機器のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は産業プロセス制御／監視システム１００の簡略図であり、当該システム１００内には、２線式プロセスフィールド機器の１つの形態であるプロセス送信機１０２が産業プロセスへ接続、特にプロセス配管１０４へ接続している。送信機１０２はまた２線式プロセス制御ループ１１０に接続し、当該ループ１１０は制御室１１２に接続する。プロセス制御ループ１１０は、図示するように電流Ｉを運び、ＨＡＲＴ（登録商標）通信規格やフィールドバス又はプロフィバス規格などといったような産業標準を含む、任意の技術に準拠して稼働することができる。プロセス送信機１０２として説明しているが、本願発明は、効率的な電力変換が望ましい任意の種類のプロセス機器において実施することができる。制御室１１２は、オペレータ又は他のサービススタッフが利用するためにリモート配置されてもよいし、又は、任意の終端、プロセス制御ループ１１０に沿って配置若しくはその他の配置をされてもよい。
【０００９】
図２は、図１に示す送信機１０２の簡略ブロック図である。送信機１０２は、プロセスに接続するための変換器１２０を含む。例えば、変換器１２０は、プロセス変数を測定するための圧力センサ、温度センサ又はその他のセンサといったようなセンサであってよい。プロセスを制御することのできるフィールド機器において、変換器は、例えばバルブや発熱体を備えていてもよい。フィールド機器回路１２２は変換器１２０に接続し、例えばプロセス変数測定の較正又は補償をしたり、プロセス変数を計算したり、診断又はフィールド機器で実行されうる他の任意の機能を実行したりするのに用いられる。一般的に、フィールド機器回路１２２に追加機能があると、回路１２２の電力要求が増加することとなる。電源及び入出力回路１２４は、図示するようにフィールド機器回路１２２に接続し、２線式プロセス制御ループ１１０に接続する。回路１２４は、２線式プロセス制御ループ１１０上での通信に用いられ、例えば図１に示す制御室１１２へ向けて、測定又は計算したプロセス変数をループ１１０により送信するのに用いられる。回路１２４はまた、送信機１０２内の回路が要求する全電力をまかなうための電力出力を提供する。
【００１０】
背景技術の項で議論したように、プロセス制御ループから受信する電力によって完全に電力供給されるプロセスフィールド機器は、当該機器の電力要求を満たすため、高効率の電圧レギュレータを必要とすることがある。この事情によって結果として、フィールド機器に電力供給するため、スイッチングレギュレータが用いられることになることがある。スイッチングレギュレータの短所の１つとして、システムにノイズを乗せないようにして作動するためには、比較的大きなキャパシタを必要とする、という点がある。このことは、大きな容量値を用いることのできない環境において、特に問題となる。例えば、本質安全要件を満たすためには、フィールド機器の蓄積できるエネルギー量は制限される。このことにより、２線式通信ループから引き出す電力が少なく、また同時に本質安全要件を満たすのに必要な小さい容量値を保ちながら、２線式通信リンクにノイズが乗るのを制限する要求を満たすのは困難となる。
【００１１】
典型的な４−２０ｍＡフィールド機器は、固定値のリフトオフ電圧を有し、電力を浪費する。本願において「リフトオフ（電圧）値」とは、機器の正常動作を保証するため、機器端子において必要となる最小の直流電圧のことである。例えば、高いループ電流レベル（例えば２０ｍＡ）では、シャントレギュレータは出力トランジスタにおいて電力を浪費している。この常態的に浪費される電力を有効に獲得しようと、様々な技術が提案されてきた。
【００１２】
一方、負荷抵抗を含む典型的なループでは、低いループ電流値レベル（例えば４ｍＡ）において、送信機の端子電圧が、当該送信機に対する特定のリフトオフ電圧よりも高くなることがよくある。これはつまり、送信機の電子回路に給電するのに用いるレギュレータにおいて、電力が浪費されている、ということを意味する。本願発明は、この常態的に浪費されている電力を利用することを目的とする。より詳しくは、本願発明では、低いループ電流におけるリフトオフ電圧が高くされ、余った電力が、送信機の電子回路で利用できるようにする。さらに、高いループ電流では、特定のリフトオフ電圧が低くされて、この結果として静止電流が４ｍＡを超えて大きくなるが、所望のループ電流値よりは低くなるよう維持される。従って、機器を稼働させるのに必要な端子電圧は、ループ電流に依存する。低いループ電流（４ｍＡ）では高い端子電圧が必要とされ、高いループ電流（２０ｍＡ）では低い端子電圧が必要とされる。
【００１３】
本願発明によれば、ループ電源や負荷抵抗から得られる電力であって、プロセス変数送信機又は他のフィールド機器で用いる電力の、効率的な利用が可能となる。フィールド機器の典型的な製品データシートには、オペレータが、特定用途に対して電源と負荷抵抗とを選択するにあたって手引きとなる、負荷限界グラフが含まれる。図３は、典型的な送信機に対する、負荷抵抗−電源電圧グラフである。このグラフは、所与のループ電源供給に対して、負荷の最大抵抗値を示している。ここで負荷とは、負荷抵抗と、ループ配線や本質安全バリアといったような他の抵抗と、を含む全てのループ抵抗である。図３のグラフでは、リフトオフ電圧は１０．５ボルトである。この電圧が、送信機が動作するために送信機端子において要求される、最小の電圧である。
【００１４】
図４は、本願発明に係るフィールド機器の、負荷抵抗と電源電圧とのグラフである。図４では、（図３より引き写した）点線は、標準的なフィールド機器に対する、標準的なフィールド使用でのグラフを示しており、実線は、本願発明の一実施例に係るフィールド機器に対する、最大負荷抵抗と電源電圧との関係を示している。この構成により、電力量が増大する結果となる。この構成により、フィールド機器において１５ボルトのリフトオフ電圧を利用できるようになるが、約１０．５ボルトの「有効」リフトオフ電圧が存在する。１５．８ボルト以上のループ電源電圧では、図４に示す本願発明のフィールド機器に対する負荷限界は、標準的なフィールド機器と同じである。（デジタルのHART(登録商標)通信では最低２５０オームの負荷抵抗が必要となり、その結果、１５．８ボルトより電圧の高い電源が採用されることが典型的であることに注意して下さい。）産業標準のループ電源電圧は、典型的には２４ボルトから４０ボルトの間である。従って、典型的な構成においては、ユーザが新規のフィールド機器構成によって影響を受けることはないと考えられ、標準的な手法に従って単純に、フィールド機器を設置して稼働させればよい。本願発明は、任意の適切な技術を用いて実施することができる。一例では、スイッチングレギュレータに可変入力電圧を提供する、可変型プリレギュレータ構造が利用される。この構成によって、回路を隔離してスイッチングレギュレータからの高電圧のループ電圧から遮断し、スイッチングレギュレータからのノイズがプロセス制御ループに侵入するのを防ぐ。
【００１５】
以下に、本願発明の動作をより詳細に説明する。上述したように、プロセス機器は正常な動作のために、「リフトオフ電圧」と通常は呼ばれる充分な電圧を、端子間に必要とする。「リフトオフ電圧」の典型的な例としては、１２ボルトといったような定電圧が挙げられる。端子間に少なくとも１２ボルトある限り、機器は正常動作することができる。プロセス制御ループを駆動するのに用いる電源には、全ての稼働条件下における機器端子間の所望の電圧降下をまかなえるよう、充分に大きい電圧を選択せねばならない。さらに、プロセス制御ループには負荷抵抗が含まれ、当該負荷抵抗によってまたループ内に電圧降下が発生する。負荷抵抗は最低でも２５０オームあることが典型的であり、電流測定とデジタルのHART(登録商標)通信とを支えるために必要となる。その他の電圧降下には、配線と任意の本質安全バリアとを通じた電圧降下が含まれる。こうして、１２ボルトのリフトオフ電圧を有する機器の動作を支えるのに必要な典型的な電源は、２４ボルトの出力を有することとなる。
【００１６】
プロセス機器のリフトオフ電圧を下げるのが望ましいことがよくある。これが望ましいのは、ループに給電するのに用いる電源への制約が減るためである。しかしながら、リフトオフ電圧の低い機器は一般的に、内部回路で利用できる電力が小さくなる。
【００１７】
プロセス機器で利用可能な電圧が最小となるのは、ループ電流が最大となるときである。この最大ループ電流によって、負荷抵抗とループの他の抵抗源とに最大の電圧降下が発生し、機器端子間に最小電圧が発生する。例えば、２４ボルトの電源と５００オームの負荷抵抗とを有するプロセス制御ループでは、ループで４ｍＡの電流が流れていれば、負荷抵抗では２ボルトの電圧降下となる。（この例では、配線や本質安全バリア起因の、他の直列抵抗の値は無視していることに注意せよ。）この結果、機器端子間で２２ボルトの電圧降下となり、０．０８８ワットの電力が利用可能となる。その一方でまた、ループが電流２０ｍＡで稼働していれば、負荷抵抗では１０ボルトの電圧降下があり、機器端子では１４ボルトしか利用できない。同様に、２０ｍＡにおいて機器の電力消費は、２０ｍＡ×１４ボルト＝０．２８ワット、で与えられる。機器の回路が０．０１５ワットしか利用しないとすれば、残りの電力はシャントレギュレータで浪費され、熱に変換されるだけである。このことは、４ｍＡから２０ｍＡの全ての電流レベルにおいて起こる。
【００１８】
その一方で、本願発明においては、ループ電流が４ｍＡよりも大きい場合、この浪費電力がリフトオフ電圧を下げるのに利用される。これにより、機器が用いる静止電流（quiescent current）を増加させることができる。より詳細には、浪費された電力の一部を回復するため、機器のリフトオフ電圧が可変となるようにする。これにより、以下の例で説明する数々の利点が得られる。
【００１９】
例１：
例１では電源と負荷抵抗とに要求される制約が減ることを説明する。この例の構成においては、１２ボルトのリフトオフ電圧を必要とする典型的な送信機が、５００オームの負荷抵抗と共に利用される。最小の電源電圧(power supply)は：
Vps(最小)＝１２Ｖ＋２０ｍＡ×５００Ω＝２２Ｖ        …（式１）
しかしながら、本願発明に係る、可変リフトオフ電圧を有するフィールド機器による実施が行われるならば、より低電圧の電源を利用することができる。例えば、リフトオフ電圧は次で与えられる：
Vliftoff＝１３．５Ｖ−Iloop×０．３７５        …（式２）
（これは単に本願における一例の関係であって、このような構成に限定されるわけではない。）式２に従い、ループが４ｍＡで稼働しているとすると、リフトオフ電圧は１２ボルトとなり、必要となる最小の電源電圧は、１２ボルト＋４ｍＡ×５００オーム＝１４ボルト、となる。同様に、ループ電流１２ｍＡでは、リフトオフ電圧は９ボルトとなり、必要となる最小の電源電圧は、９ボルト＋１２ｍＡ×５００オーム＝１５ボルト、となる。ループにおける最大のループ電流値である２０ｍＡにおいては、リフトオフ電圧は６ボルトであり、その結果、必要となる最小の電源電圧は、６ボルト＋２０ｍＡ×５００オーム＝１６ボルト、となる。こうして、このシナリオにおけるループは、典型的なプロセス機器に要求される２２ボルトの電源とは大いに異なり、１６ボルトの電源を用いて給電することができる。同様の分析により、２４ボルトの電源を利用する場合には、１２ボルトのリフトオフ電圧の典型的な機器は、６００オーム以下の最大負荷抵抗を用いて稼働することができる、ということを説明できる。しかしながら、本願発明の可変リフトオフ電圧の機器を利用することで、２４ボルトの電源を９００オーム以下の負荷抵抗と共に利用することができる。
【００２０】
こうして、（式１）の典型的な機器においては、機器の電力は、（最小ループ電流）×（リフトオフ電圧）＝３．６ｍＡ×１２Ｖ＝４３．２ｍＷ、に制限される。
【００２１】
（式２）の本願発明に係る機器では、機器の電力は、全てのループ電流を考慮の上で制限される：
●  ３．６ｍＡではリフトオフ電圧は１２．１５Ｖであり、利用可能な電力は（３．６ｍＡ）×（１２．１５）＝４３．７ｍＷ（式２で選んだパラメータからそれほど進展していない）
●  ４ｍＡではリフトオフ電圧は１２Ｖであり、利用可能な電力は（４ｍＡ）×（１２）＝４８ｍＷ
●  ２０ｍＡではリフトオフ電圧は６Ｖであり、利用可能な電力は（２０ｍＡ）×（６）＝１２０ｍＷ
これは、制限となる場合は最小ループ電流においてであり、このとき４３．７ｍＷが回路に給電するのに利用可能である、ということを示している。
【００２２】
いずれの機器も回路に対してほぼ同量の電力、すなわち４３ｍＷ、を供給していることに注意してください。
【００２３】
例２：
この例では、小さいループ電流においてリフトオフ電圧を従来のレベルよりも上げ、大きいループ電流においてリフトオフ電圧を下げることにより、電力の量を増大させる。この例では、フィールド機器は、ループ電流４ｍＡにて１６ボルトのリフトオフ電圧を、ループ電流２０ｍにて１２ボルトのリフトオフ電圧を、有するものと仮定する。これにより式３が導出される：
Vliftoff＝１７−Iloop×０．２５        …（式３）
ループ電流４ｍＡと機器端子間電圧１６ボルトとにおいて、機器が利用可能な電力は４ｍＡ×１６Ｖ＝６４ｍＷである。負荷抵抗が２５０オームであると仮定すると、典型的なフィールド機器には電源電圧として、１２＋０．０２×２５０＝１７Ｖ、が必要となる。可変リフトオフ電圧の機器では電源電圧として、１６＋０．００４×２５０＝１７Ｖ、すなわち典型的な機器におけるのと同じ電圧、が必要となる。こうして、この負荷抵抗と１７Ｖの電源電圧とを用いて、典型的な機器では４８ｍＷしか利用できないのに対して、新規の機器では給電に６４ｍＷが利用できる。同様の利点は２５０オームよりも大きな負荷抵抗においても実現されるが、２５０オームよりも小さな負荷抵抗では実現されない。これは図４に示した機器と類似している（しかし同一ではない）。対照的に、リフトオフ電圧１２ボルトの従来機器では、４ｍＡ×１２Ｖ＝４８ｍＷ、だけしか利用可能な電力がない。
【００２４】
図５は、可変リフトオフ電圧を提供するスイッチングレギュレータを用いる、従来技術のフィールド機器の簡略ブロック図である。図５では、フィールド機器２００は第１及び第２の端子２０２及び２０４を含み、これら端子は２線式プロセス制御ループ２０６に接続している。２線式プロセス制御ループ２０６は、ループ抵抗２０８と電源２１０とを含み、ループ電流ILを運ぶ。フィールド機器２００は、スイッチングレギュレータ２１２、シャントレギュレータ２１４及び機器回路２１６を含む。この例では、簡略化のためにスイッチングレギュレータ２１２は効率１００％であるものとする。スイッチングレギュレータ２１２はループから効率的に電力を取り入れ、機器回路２１６を駆動する。回路の例には、マイクロプロセッサ、アナログデジタル変換器、通信回路及びセンサ回路、などが含まれる。シャントレギュレータ２１４は、フィールド機器２００に給電するのに用いられていない電流を、ループ２０６に戻るように分路する。こうして、分路電流Ishuntは、ループ電流ILから機器に給電する静止電流IQを引いたものに等しくなる。
【００２５】
静止電流の全ては、スイッチングレギュレータ２１２を通過する。しかしながら、これは機器に必要とされる電力を供給するのみであるので、以下に示す通り、入力電圧が大きくなるにつれて、ループから取り入れる電流は小さくなる：
IQ×VIN＝ICIRCUIT×VCIRCUIT≒１５ｍＷ        …（式４）
ここで、VINはレギュレータに対する入力電圧であり、VCIRCUITは回路２１６に提供される電圧であり、ICIRCUITは電子回路２１６を流れる電流である。これから次の式が得られる：
IQ=PCIRCUIT／VIN        …（式５）
【００２６】
図５の回路では、入力電圧の増大と共に減少する静止電流が与えられる。これによって可変リフトオフ電圧が与えられ、当該リフトオフ電圧によって機器は、（ISETが４ｍＡとなる）高い入力電圧において低い静止電流で稼働し、（ISET＝２０ｍＡとなる）低い入力電圧において高い静止電流で稼働することが可能となる。しかしながら、この構成に関する１つの問題点は、例えば４０ボルトより大きくなるなど、端子電圧が比較的大きくなりうる、という点である。典型的なスイッチングレギュレータは、このような高い電圧では稼働できず、このことによって回路設計が複雑となる。その他の問題としては、スイッチングレギュレータがプロセス制御ループ２０６に直接接続されており、不均一な電流消費によって過大な電圧ノイズをループ内に発生させてしまう、という点がある。このノイズによって、デジタル通信が阻害されたり、ループ電流測定にエラーを引き起こしたりすることがある。
【００２７】
こうした問題点に対する１つの解決策の例を、図６に示す。図６では、図５と類似の構成要素は付与番号を共通としている。図６に示す構成において、フィールド機器２３０は、リニアレギュレータ２３２を含むハイブリッド電源回路を含む。リニアレギュレータは、例えば１０ボルトといったような、固定された予め設定した調整電圧VPREを、スイッチングレギュレータ２１２に提供するのに用いられる。この構成によって、（例えば１０ボルトのような）低い入力電圧のみを受け入れればよく、（４０−５０Ｖのような）大きい入力電圧を扱う必要のないスイッチングレギュレータ２１２を利用することができるようになる。こうしたレギュレータは、必要となるのはより少ない構成要素であり、複雑さも低減される。さらに、この構成によれば、ループ端子２０２と２０４とが、スイッチングレギュレータ２１２によるノイズから隔離される。しかしながら、この構成においては、静止電流IQは固定され、端子電圧とは独立となる。
【００２８】
図７に、可変リフトオフ電圧を提供する、本願発明の一例の実施形態に係るフィールド機器２５０を示す。図７の構成要素で、その他の図５及び６に示されているのと類似の構成要素は、簡略化のために番号付与を共通としている。図７に示す構成において、スイッチングレギュレータ２１２に提供される電圧（VPRE）は可変であり、値を変更することができる。より詳細には、リニアレギュレータ２３２は、機器回路２１６からの制御信号を受信する、制御入力部を有する。この例では、機器回路より提供される制御信号ISETの関数として、VPREは変化する。ISETは、シャントレギュレータによりILOOPをISHUNTの関数として制御するのに利用される。
【００２９】
例えば、ISETがループ電流を４ｍＡに設定したときに、VPREを１０ボルトとなるよう設定することができる。ISETがループ電流を２０ｍＡに設定すると、VPREを５ボルトに減らすようにすることができる。これらの条件下において、機器回路２１６が電力１５ｍWを必要とすれば、ループ電流４ｍAにおける静止電流は１．５ｍＡ（１５ｍＷ／１０ボルト）となる。同様に、ISETがループ電流を２０ｍＡに設定したときは、静止電流は３ｍＡ（１５ｍＷ／５ボルト）となる。しかしながら、機器回路２１６が１５ｍＷではなくて３０ｍＷを必要とするときは、静止電流は倍となって、ループ電流４ｍＡにおいて３ｍＡとなり、ループ電流２０ｍＡにおいて６ｍＡとなる。
【００３０】
図７に示す機器は、ループ電流４ｍＡにおいてリフトオフ電圧１２ボルトを有し、ループ電流２０ｍＡにおいてリフトオフ電圧７ボルトを有することとなる。こうして、機器２５０は、２４ボルトのシステム電源と、最大８５０オームまでの負荷抵抗２０８と、によって動作することができる。機器で利用できる追加の電力は、将来において利用するために蓄積しておいてもよいし、追加の計算や診断などといったような、集中的な作業に給電するための電力を提供するのに利用してもよい。１つの構成においては、追加の無線通信回路が提供され、これらの技術によって給電される。
【００３１】
本明細書にて示した構成により、ループ電源と負荷抵抗とに対する制約が減少される。さらに、当該構成はフィールド機器の回路に対する追加電力を提供する。
【００３２】
本願発明は好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更を加えうることが理解されるであろう。
【００３３】
スイッチングレギュレータに提供される電圧とループ電流との間の関係は、線形および非線形の関係を含む、任意の所望の関係であってよい。機器回路は、リニアレギュレータに対する（ISETを介した）レギュレータ出力コントローラとして図示されている。しかしながら、個別のレギュレータ出力コントローラを用いてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
２００…フィールド機器、２１６…フィールド機器回路、２１２…スイッチングレギュレータ、２３２…可変電圧源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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