САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЙСЯ ДАТЧИК/ПЕРЕДАТЧИК ДЛЯ ОСНАЩЕНИЯ ПРОЦЕССА
SELF-INSTALLING SENSOR/TRANSMITTER FOR PROCESS EQUIPMENT

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка испрашивает приоритет на основании предварительной заявки США № 61/107.533, поданной 22 октября 2008 года и озаглавленной «Самоустанавливающийся датчик/передатчик для оснащения процесса», содержание которой включено сюда во всей своей полноте посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к передающим устройствам и датчикам для промышленных процессов. В частности, настоящее изобретение относится к конфигурации передатчика процесса с помощью информации, задаваемой для связанной с ним сборки датчика.
Передатчики и датчики промышленных процессов используются для восприятия (измерения) различных характеристик текучей среды, протекающей через канал передачи или содержащейся внутри резервуара, и передачи информации о характеристиках этого процесса в систему управления, контроля и/или безопасности, удаленную от места измерения процесса. Сборка датчика обычно включает в себя сам датчик, провода датчика, изоляционные материалы и установочные элементы. Сборка датчика воспринимает (измеряет) параметры процесса, включающие в себя давление, температуру, кислотность рН, или скорость потока. Передатчик процесса, электрически связанный со сборкой датчика проводами датчика, получает от сборки датчика выходной сигнал датчика. Передатчик считывает выходной сигнал датчика, полученный от сборки датчика, и преобразует его в информацию, точно представляющую параметр процесса. Наконец, передатчик посылает эту информацию в систему управления.
Точное преобразование передатчиком выходного сигнала датчика в используемую информацию зависит от имеющейся у передатчика информации о характеристиках сборки датчика, включая рабочий диапазон датчика, коэффициенты калибровки, индивидуальные для конкретного модуля датчика, а также заводской номер датчика. Хранение в передающем устройстве этой присущей датчику информации является частью процесса конфигурирования передатчика. Неправильно сконфигурированный передатчик с неверным рабочим диапазоном датчика или с неправильными коэффициентами калибровки будет посылать в систему управления неточную информацию о процессе.
Например, для обеспечения точного выходного сигнала, передатчикам температуры обычно требуется информация сборки датчика температуры о классе датчика (является ли он резистивным детектором температуры (РДТ) или термопарой), о соединении (2, 3 или 4 провода), о конкретном типе датчика (платиновый, K, J и т.д.), а также специальные данные калибровки, включающие в себя температурные коэффициенты Каллендара-Ван Дузена. Если датчик температуры заменяется, в передатчик, для сохранения точности выходного сигнала передатчика, должны быть загружены новые коэффициенты. Конфигурирование передатчика является трудоемким процессом, требующим организации специальных электрических соединений и загрузки вручную информации в передатчик. Ручной характер этого процесса конфигурации делает его трудоемким во времени, а также чреватым ошибками. Для загрузки информации в передатчик требуется большая тщательность. Случайная загрузка неправильной информации часто может быть обнаружена, так как получаемый в результате выход будет так далек от ожидаемого результата, что будет очевидно, что произошла ошибка конфигурирования. Однако если ошибка менее экстремальна, то серьезные проблемы, связанные с точностью, могут возникнуть без какого-либо оповещения пользователя.
Недавно были разработаны сборки датчика с внутренней памятью. Внутренняя память устроенной таким образом сборки датчика содержит всю информацию о присущей этой конкретной сборке датчика конфигурации. Когда такая сборка датчика подсоединена к передатчику, который имеет возможность считывать данные из памяти этой сборки датчика, конфигурационные данные автоматически загружаются в передатчик, полностью исключая ошибки конфигурации. Сборки датчика и передатчики с такой способностью часто называются "plug-and-play" устройствами («включай и работай», т.е. самоустанавливающимися устройствами).
Полезная система "plug-and-play" должна передавать информацию о конфигурации, не ухудшая точность выходного сигнала от сборки датчика. Обычно это достигается посредством обеспечения отдельной проводки для выходного сигнала от датчика и отдельной проводки для информации о конфигурации. Такое устройство называется интерфейсом смешанного типа, поскольку выходной сигнал от сборки датчика является аналоговым, а информация о конфигурации из внутренней памяти является цифровой. Для стандартизации физических соединений и информации, сохраняемой в устройствах "plug-and-play" типа был разработан промышленный стандарт IEEE 1451.4. Этот стандарт задает раздельную проводку для датчика и для информации о конфигурации, за исключением небольшого класса устройств постоянного тока с внутренними усилителями, включающими в себя акселерометры. Однако для подавляющего большинства сборок датчика, включая термопары, РДТ, датчики давления и датчики кислотности, требования раздельной проводки значительно увеличивают стоимость и сложность производства и использования "plug-and-play" сборок датчика.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте осуществления настоящего изобретения сборка датчика с чувствительным элементом посылает сигнал датчика от чувствительного элемента в связанный с ней передатчик процесса через соединительные провода датчика. Сборка датчика имеет также схему памяти для хранения информации, имеющей отношение к этой сборке датчика. Сборка датчика имеет схему интерфейса, которая обеспечивает цифровую связь для передачи сохраненной информации в направлении связанного передатчика процесса и от него. Эта цифровая связь обеспечивается через соединительные провода датчика.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя способ конфигурирования комбинации сборки датчика и передатчика процесса. Сборка датчика подсоединена к передатчику процесса через соединительные провода датчика. Через соединительные провода датчика, к сборке датчика, от передатчика процесса, подается сигнал несущей (частоты). Сигнал несущей запитывает связанную со сборкой датчика схему памяти. Этот сигнал несущей модулируется на основании данных конфигурации сборки датчика, хранимых в схеме памяти, с помощью чего формируется модулированный сигнал несущей, содержащий данные конфигурации. Передатчик процесса конфигурируется на основании этих данных конфигурации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1А показывает систему управления процессом, включающую в себя передатчик температуры.
Фиг. 1В показывает более детальный вид системы измерения температуры.
Фиг. 2 представляет собой блок-схему передатчика температуры и сборки датчика температуры, которая может осуществлять измерения датчика и связь датчика, в том числе автоматическую конфигурацию передатчика температуры.
Фиг. 3 представляет собой блок-схему сборки датчика температуры, которая может осуществлять измерения датчика и связь датчика, совместимые с измерениями, производимыми 2-, 3- или 4-проводным РДТ или термопарой, и на которой показаны, соответственно 4-проводной и 2-проводной РДТ.
Фиг. 4А и 4В представляют собой блок-схемы передатчиков температуры процесса, которые могут осуществлять измерения датчика и связь датчика.
Фиг. 5 представляет собой блок-схему передатчика температуры процесса и сборки датчика температуры, использующего схемы радиочастотной идентификации (RFID), и термопару в качестве чувствительного элемента.
Фиг. 6А, 6В и 6С представляют собой схемы сборок датчика температуры, использующих схемы радиочастотной идентификации, и 2-, 3- и 4-проводные РДТ.
Фиг. 7 представляет собой блок-схему сборки датчика температуры, совместимой только с 4-проводным РДТ.
Фиг. 8 представляет собой блок-схему сборки датчика температуры, совместимой только с термопарой.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1А и 1В представляют собой схемы, иллюстрирующие хорошо известную в соответствующей области техники систему измерения процесса или управления.
Фиг. 1А представляет собой систему 10 управления или измерения процесса, включающую в себя сборку датчика/передатчик процесса 12, систему 16 управления, линию 14 передачи и трубопровод 18 процесса. Сборка датчика/передатчики процесса могут измерять любой из набора характеристик процесса. В этом варианте осуществления сборка датчика/передатчик процесса 12 измеряет температуру. Система 16 управления может использовать информацию об измеренной температуре для различных целей, включая запись результатов измерения, выработку на основании этой информации управляющих инструкций для управления элементами, или передачу этих измерений другой системе измерения или управления. Линия 14 передачи может быть многожильным кабелем, волоконно-оптическим кабелем или беспроводной линией связи. Трубопровод 18 процесса может быть любым из набора резервуаров процесса, включая рабочий резервуар, резервуар для хранения, дистилляционную колонну или реактор. Сборка датчика/передатчик процесса 12 установлена на трубопроводе 18 процесса, и подсоединена к системе 16 управления посредством линии 14 передачи. Сборка датчика/передатчик процесса 12 измеряет температуру в трубопроводе 18 процесса, и посылает (или передает) по линии 14 передачи в систему 16 управления выходной сигнал, представляющий температуру, измеренную в трубопроводе 18 процесса. Система 10 управления или измерения процесса может измерять температуру процесса и использовать эту информацию в целях измерения процесса или управления им.
Фиг. 1В показывает основные компоненты сборки датчика/передатчика процесса 12, включающие в себя сборку 20 датчика температуры, передатчик 22 температуры процесса и провода 24 датчика. Сборка 20 датчика температуры может использовать только одну из нескольких типов технологий измерения температуры, включающих в себя использование термопары и РДТ с 2-, 3- или 4-проводными конфигурациями. Передатчик 22 температуры процесса работает с любым из множества сборок 20 датчика температуры, если в передатчике 22 температуры процесса хранятся конфигурационные данные, связанные с конкретной сборкой 20 датчика температуры. Сборка 20 датчика температуры соединена с передатчиком 22 температуры процесса проводами 24 датчика.
Сборка 20 датчика температуры измеряет температуру, и по проводам 24 датчика передает аналоговый сигнал датчика, представляющий измеренную температуру, в передатчик 22 температуры процесса. Передатчик 22 температуры процесса преобразует аналоговый сигнал в цифровой вид и корректирует его на основании конфигурационных данных, сохраненных в передатчике 22 температуры процесса, после чего передает информацию о температуре в систему управления (не показана).
Точная загрузка конфигурационных данных в передатчик 22 температуры процесса является существенной, но, как ручной процесс, подвержена ошибкам и является трудоемкой по времени. Автоматическая загрузка конфигурационных данных из ячейки памяти, которая является частью сборки 20 датчика температуры ("plug-and-play" типа), предпочтительна, но в настоящее время может выполняться только с использованием другого набора проводов, отдельного от проводов 24 датчика. Стоимость и сложность использования дополнительного набора проводов является большим препятствием для широкого распространения такого подхода. Настоящее изобретение преодолевает эту проблему посредством обеспечения возможности функционирования системы по принципу plug-and-play с использованием только проводов 24 датчика.
Фиг. 2 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует сборку датчика/передатчик процесса 100, содержащую в себе настоящее изобретение, способную осуществлять как измерения датчика, так и связь датчика с использованием одних и тех же проводов датчика. Как показано на фиг. 2, сборка датчика/передатчик процесса 100 включает в себя сборку 120 датчика температуры, передатчик 122 температуры процесса и провода 124 датчика. Передатчик 122 температуры процесса включает в себя схему 150 интерфейса, схему 152 связи датчика, схему 154 измерения датчика, микропроцессор 158, память 160 и порт 162 связи. Сборка 120 датчика температуры включает в себя чувствительный элемент 170, схему 172 памяти и схему 174 интерфейса. На фиг. 2 показана также система 180 управления.
Сборка 120 датчика температуры соединена с передатчиком 122 температуры процесса проводами 124 датчика. Провода 124 датчика подсоединены к передатчику 122 температуры процесса в схеме 150 интерфейса. Схема 150 интерфейса соединена со схемой 152 связи датчика и со схемой 154 измерения датчика. Схема 152 связи датчика и схема 154 измерения датчика соединены с микропроцессором 158. Микропроцессор подсоединен к памяти 160 и к порту 162 связи. Порт 162 связи соединяется с системой 180 управления.
Кроме того, провода 124 датчика соединены в схеме 174 интерфейса со сборкой 120 датчика для измерения температуры. Схема 174 интерфейса соединена с чувствительным элементом 170 и со схемой 172 памяти.
Когда передатчик 122 температуры процесса включается, получает "ручной" сигнал, или когда, после некоторого периода разъединенного состояния, к передатчику 122 температуры процесса подключается сборка 120 датчика температуры, посредством проводов 124 датчика, микропроцессор 158 сигнализирует схеме 152 связи датчика получить конфигурационные данные от сборки 120 датчика температуры. Схема 152 связи датчика посылает цифровой сигнал связи в схему 150 интерфейса на получение конфигурационных данных. Схема 150 интерфейса, по проводам 124 датчика, посылает цифровой сигнал связи на схему 174 интерфейса. Схема 174 интерфейса получает конфигурационные данные от схемы 172 памяти и возвращает цифровой сигнал связи, содержащий конфигурационные данные, в провода 124 датчика. Провода 124 датчика посылают цифровой сигнал связи в схему 150 интерфейса. Схема 150 интерфейса направляет цифровой сигнал связи в схему 152 связи датчика. Схема 152 связи датчика получает из этого сигнала связи конфигурационные данные, и посылает их в микропроцессор 158. Микропроцессор 158 сохраняет эти конфигурационные данные в памяти 160.
Когда передатчик 122 температуры процесса получает конфигурационные данные сборки 120 датчика температуры, чувствительный элемент 170 измеряет температуру и передает представляющий измеренную температуру аналоговый сигнал датчика в схему 174 интерфейса. Схема 174 интерфейса передает неизмененный аналоговый сигнал датчика дальше, в схему 150 интерфейса. Схема 150 интерфейса направляет сигнал датчика в схему 154 измерения датчика, где аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал датчика. Цифровой сигнал датчика направляется в микропроцессор 158, где он корректируется, чтобы отразить точное измерение температуры на основании конфигурационных данных, которые микропроцессор 158 извлекает из памяти 160. Затем микропроцессор 158 посылает точное измерение температуры на порт 162 связи, откуда он передается в систему 180 управления.
Проиллюстрированное на фиг. 2 настоящее изобретение обеспечивает автоматическую загрузку конфигурационных данных сборки 120 датчика температуры в передатчик 122 температуры процесса. Дополнительно, автоматическая конфигурация передатчика 122 температуры процесса производится по тем же проводам, которые используются и для передачи информации датчика, т.е. по проводам 124 датчика. Нет необходимости в каких-либо дополнительных проводах, причем обеспечивается правильная функциональная возможность "plug-and-play".
Показанное на фиг. 2 изобретение, помимо приема конфигурационных данных, может также сохранять и извлекать другую относящуюся к сборке датчика информацию, поскольку канал цифровой связи - двухсторонний. Вместо запрашивания конфигурационных данных микропроцессор 158 может сигнализировать схеме 152 связи датчика сохранить в сборке 120 датчика температуры другую информацию. Схема 152 связи датчика посылает цифровой сигнал связи, чтобы сохранить другую информацию в схему 150 интерфейса. Схема 150 интерфейса посылает цифровой сигнал связи по проводам 124 датчика на схему 174 интерфейса. Схема 174 интерфейса сохраняет в схеме 172 памяти такую другую информацию. Позже эта другая сохраненная информация при необходимости может быть извлечена микропроцессором 158 с использованием вышеописанного процесса извлечения конфигурационных данных. Упомянутая другая информация может включать в себя, например, измененные коэффициенты калибровки, продолжительность работы и установочные данные.
Фиг. 3А и 3В представляют собой блок-схемы, показывающие часть сборки датчика температуры согласно настоящему изобретению, которая способна осуществлять измерения датчика и связь датчика. Показанные варианты осуществления используют передаваемый по проводам датчика модулированный сигнал несущей, чтобы считывать информацию сборки датчика температуры из схемы памяти сборки датчика или записывать в нее информацию, и являются совместимыми с датчиками типа 2-, 3- или 4-проводных РДТ или термопар. На фиг. 3А и 3В показаны конфигурации, соответственно, 4-проводного РДТ и 2-проводного РДТ.
Фиг. 3А показывает конфигурацию 4-проводного РДТ. Сборка 200 датчика температуры включает в себя чувствительный элемент 222 РДТ, шунтирующий конденсатор 223, выводы с 224А по 224D датчика, провода с 226А по 226D датчика, схему 228 интерфейса сборки датчика и схему 230 памяти сборки датчика. Схема 228 интерфейса сборки датчика включает в себя индуктивный развязывающий трансформатор 232, демодулятор 234, модулятор 236, выпрямитель/буфер мощности 238 и регулятор 240 мощности. Индуктивный развязывающий трансформатор 232 содержит обмотки с 232А по 232Е трансформатора. Схема 230 памяти сборки датчика включает в себя микропроцессор 242 и энергонезависимую память 244.
Как показано на фиг. 3А, чувствительный элемент 222 РДТ подсоединен к выводам с 224А по 224D датчика. Шунтирующий конденсатор 223 подсоединен к выводам 224В и 224С датчика параллельно чувствительному элементу 222 РДТ. Обмотки с 232А по 232D трансформатора подсоединены к выводам с 224А по 224D датчика и к проводам с 226А по 226D датчика. Провода с 226А по 226D датчика подсоединены к передатчику температуры процесса. Обмотка 232Е трансформатора соединена с демодулятором 234, модулятором 236 и выпрямителем/буфером мощности 238. Выпрямитель/буфер мощности 238 соединен с регулятором 240 мощности. Демодулятор 234, модулятор 236 и регулятор 240 мощности соединяются с микропроцессором 242. Микропроцессор 242 соединен с энергонезависимой памятью 244.
В обычном режиме работы, когда никакая информация сборки датчика температуры не должна записываться в схему памяти сборки датчика, и не должна из нее извлекаться, а необходимо только проведение измерений температуры, на провод 226В датчика от передатчика температуры процесса подается напряжение постоянного уровня. Этот уровень напряжения передается через трансформатор 232 по обмотке 232В трансформатора и вывод 224В датчика на чувствительный элемент 222 РДТ. На чувствительном элементе 222 РДТ уровень напряжения изменяется относительно температурно-зависимого сопротивления чувствительного элемента 222 РДТ, приводя в результате к измененному уровню напряжения. Измененный уровень напряжения передается через вывод 224С датчика и возвращается через трансформатор 232 посредством обмотки 232С трансформатора в провод 226С датчика, который проводит измененный уровень напряжения к передатчику температуры процесса. Передатчик температуры процесса использует изменение в уровне напряжения для определения температуры, измеренной чувствительным элементом 222 РДТ.
Если из схемы памяти сборки датчика надо извлечь информацию сборки датчика температуры, но не нужно производить никаких температурных измерений, в частности, когда на передатчик температуры процесса подается питание, “ручной" сигнал, или сборка 200 датчика температуры соединяется с передатчиком температуры процесса посредством проводов с 226А по 226D датчика после периода разъединенного состояния, передатчик температуры процесса посылает по проводнику 226В сигнал несущей. Этот сигнал несущей доходит до обмотки 232В трансформатора, в котором, посредством индукции в трансформаторе 232, этот сигнал несущей принимается обмоткой 232Е трансформатора. Этот сигнал несущей доходит до выпрямителя/буфера мощности 238, где переменное напряжение этого несущего сигнала выпрямляется, удваивается и используется для заряда накопительного конденсатора. Заряд и разряд накопительного конденсатора управляется регулятором 240 мощности. Когда выпрямитель/буфер мощности 238 накопит достаточно мощности, регулятор 240 мощности подает энергию на микропроцессор 242.
Микропроцессор 242 извлекает из энергонезависимой памяти 244 ранее записанную информацию, касающуюся сборки 200 датчика температуры, включающую в себя конфигурационные данные, и посылает эту цифровую информацию на модулятор 236. Модулятор 236 модулирует сигнал несущей и кодирует цифровую информацию с использованием индукции из обмотки 232Е трансформатора через трансформатор 232 в обмотку 232С трансформатора. Модулированный сигнал несущей попадает из обмотки 232С трансформатора в провод 226 датчика, который проводит модулированный сигнал несущей к передатчику температуры процесса, подавая, таким образом, на передатчик температуры процесса ранее сохраненную информацию, относящуюся к сборке 200 датчика температуры. Если сохраненная ранее, относящаяся к сборке 200 датчика температуры, информация, которую надо послать, превышает то, что может быть извлечено и послано микропроцессором 242 с мощностью, которая может аккумулироваться однократно выпрямителем/буфером мощности 238, то посылается часть такой ранее сохраненной информации, относящейся к сборке 200 датчика измерения температуры, затем мощность вновь аккумулируется выпрямителем/буфером мощности 238, и затем посылается другая часть ранее сохраненной информации, относящейся к сборке 200 датчика температуры. Этот процесс повторяется столько раз, сколько необходимо, чтобы послать ранее сохраненную информацию, относящуюся к сборке 200 датчика измерения температуры, включающую в себя конфигурационные данные.
Если необходимо одновременно записать в схему памяти сборки датчика информацию сборки датчика температуры, или извлечь ее оттуда, и выполнить измерение температуры, то передатчик температуры процесса посылает в провод 226В датчика сигнал несущей среднего уровня напряжения. Этот сигнал несущей распространяется через трансформатор 232 по обмотке 232В трансформатора и вывод 224В датчика к чувствительному элементу 222 РДТ. В чувствительном элементе 222 РДТ средний уровень напряжения несущего сигнала, относительно его температурно-зависимого сопротивления, изменяется, и измененный сигнал несущей распространяется по выводу 224С датчика, и назад через трансформатор 232 по обмотке 232С трансформатора, на провод 226С датчика, который проводит измененный сигнал несущей на передатчик температуры процесса. Передатчик температуры процесса использует изменение среднего уровня напряжения сигнала несущей для определения температуры, измеренной чувствительным элементом 222 РДТ.
Одновременно, обмотка 232Е трансформатора получает сигнал несущей от передатчика температуры процесса по трансформатору 232, посредством индукции от обмотки 232В трансформатора. При посылке инструкций в сборку 200 датчика температуры, или записи в нем информации, сигнал несущей будет модулированным сигналом несущей, содержащим закодированную с помощью модуляции цифровую информацию. Как и описанный ранее немодулированный сигнал несущей, модулированный сигнал несущей также подает на выпрямитель/буфер мощности 238 мощность для использования ее микропроцессором 240. Модулированный сигнал несущей идет к демодулятору 234, где демодулируется. Демодулятор 234 посылает демодулированную цифровую информацию, включающую конфигурационные данные, на микропроцессор 242. Микропроцессор исполняет любые инструкции, содержащиеся в полученной цифровой информации, и сохраняет полученную цифровую информацию в энергонезависимой памяти 244. Исполнение инструкций или сохранение цифровой информации может производиться поэтапно, по мере накопления мощности выпрямителем/буфером мощности 238, и ее использования микропроцессором 242.
Микропроцессор 242, будучи проинструктирован передатчиком температуры процесса, получает информацию от энергонезависимой памяти 244 и посылает эту цифровую информацию на модулятор 236. После того, как эта инструкция будет послана передатчиком температуры процесса, модуляция передатчиком температуры процесса приостанавливается и на сборку 200 датчика температуры посылается только сигнал несущей. Модулятор 236 модулирует этот сигнал несущей, чтобы закодировать цифровую информацию посредством индукции от обмотки 232Е трансформатора, через трансформатор 232 на обмотку 232С трансформатора. Модулированный сигнал несущей проходит от обмотки 232С к проводу 226С датчика, который проводит этот модулированный сигнал несущей к передатчику температуры процесса, подавая в передатчик температуры процесса записанную ранее информацию.
Показанный на фиг. 3А вариант осуществления обеспечивает считывание информации из адреса памяти внутри сборки датчика температуры и запись информации в него, одновременно сохраняя точный температурный сигнал датчика без использования проводов, отдельных от тех, которые передают сигнал датчика. Использование модулированного сигнала несущей, передаваемого по проводам датчика, обеспечивает двухстороннюю цифровую связь, а также мощность для схемы, относящейся к сборке 200 датчика температуры. Выполненные таким образом сборки датчика температуры, при объединении с передатчиком температуры процесса, имеющим совместимые характеристики, являются действительно "plug-and-play" устройствами.
Как показано на фиг. 3, все провода с 226А по 226D датчика подсоединены к обмоткам с 232А по 232D трансформатора, но фактически необходимыми для индуктивного соединения с трансформатором 232 для считывания и записи информации являются только провода 226В и 226С. Однако индуктивное подсоединение к трансформатору всех четырех проводов обеспечивает максимальную гибкость при производстве и использовании настоящего изобретения. При выполнении электрических соединений передатчика температуры процесса провода 226А и 226В являются взаимозаменяемыми, так же, как и провода 226С и 226D. В идеальном случае провода с 226А по 226D датчика, обмотки с 232А по 232D трансформатора и выводы с 224А по 224D датчика, все, должны быть выполнены из одного и того же материала во избежание образования термопарных переходов между разнородными металлами. Однако для обмоток с 232А по 232D трансформатора разумно использовать медный провод, поскольку тесная близость всех переходов приводит к образованию почти изотермических условий, в результате чего какие бы то ни было напряжения, возникающие на этих переходах, будут взаимно скомпенсированы.
Хотя фиг. 3А иллюстрирует схему с использованием конфигурации 4-проводного РДТ, и специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть использованы также и 2- и 3-проводные РДТ, а также датчики типа термопары, а соответствующие выводы датчика, обмотки трансформаторов и провода датчиков могут быть исключены. РДТ требуют установки между выводами 224В и 224С датчика высокочастотного шунтирующего конденсатора 223, который используется для пропускания сигнала несущей, когда, как это показано на фиг. 3А, выводы 224В и 224С датчика находятся по разным сторонам чувствительного элемента 222 РДТ. Шунтирующий конденсатор 223 проводит сигнал несущей в обход чувствительного элемента 222 РДТ и предотвращает такое ослабление сигнала несущей чувствительным элементом 222 РДТ, при котором связь с передатчиком температуры процесса становится невозможной. Альтернативно, для 3- и 4-проводной конфигураций РДТ сигнал несущей может проводиться по проводам датчика, находящимся на одной и той же стороне чувствительного элемента 222 РДТ, например, по проводам 226А и 226В. В таком случае шунтирующий конденсатор 223 может быть опущен, поскольку сигнал несущей не проходит через элемент 222 РДТ.
Фиг. 3В показывает уникальную схему с использованием 2-проводного РДТ. В этой конфигурации, в отличие от показанной на фиг. 3А, есть только два провода 226В и 226С, и нет возможности для прохождения сигнала несущей в обход элемента 222 РДТ. В варианте осуществления по фиг. 3В, с использованием 2-проводного РДТ, требуется шунтирующий конденсатор 223 для предотвращения недопустимого ослабления сигнала несущей.
Варианты осуществления по фиг. 3А и 3В иллюстрируют изобретение, когда используется трансформатор для индуктивного соединения модулированного сигнала несущей с электроникой сборки датчика температуры. Кроме того, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что для такого индуктивного соединения могут быть использованы и другие устройства, включающие в себя антенны. Еще одним способом, пригодным для передачи модулированного сигнала несущей в сборку датчика температуры, является емкостная связь. Наконец, энергия для микропроцессора 242 может быть обеспечена другими средствами, включающими в себя батарейки с длительным сроком службы, термоионные и фотоэлектрические источники питания.
Фиг. 4А и 4В представляют собой блок-схемы, которые иллюстрируют два варианта другого варианта осуществления части изобретения, относящейся к передатчику температуры процесса, который может обеспечивать как связь датчика, так и измерения датчика, по одним и тем же проводам датчика. Показанные варианты осуществления используют модулированный сигнал несущей, передаваемый по проводам датчика, для считывания информации сборки датчика температуры из схемы памяти сборки датчика (т.е. для осуществления связи датчика), одновременно получая по тем же проводам датчика точный сигнал датчика температуры (т.е. осуществляя измерения датчика).
Фиг. 4А иллюстрирует передатчик 300 температуры процесса, включающий в себя схему 302 интерфейса, схему 304 связи датчика, схему 306 измерения датчика, микропроцессор 308, память 310 и порт 312 связи. Схема 304 связи датчика включает в себя мощность (т.е. может использоваться, как источник питания) и тактовый генератор 314, модулятор 316, демодулятор 318 и регулятор 320 напряжения. Схема 302 интерфейса включает в себя распределитель 324 сигнала. Схема 306 измерения датчика включает в себя фильтр 326 датчика и аналогово-цифровой преобразователь 328. Кроме того, фиг. 4А показывает провода 330 датчика и систему управления 332.
Идущие от сборки датчика температуры провода 330 датчика соединяются с передатчиком 300 температуры процесса в схеме 302 интерфейса. Внутри схемы 302 интерфейса провода 330 датчика электрически соединены с распределителем 324 сигнала. Распределитель 324 сигнала соединен с модулятором 316, демодулятором 318 и фильтром 326 датчика. Модулятор 316 подсоединен к мощности и тактовому генератору 314, а также к микропроцессору 308. Демодулятор 318 подсоединен к регулятору 320 напряжения и к микропроцессору 308. Регулятор 320 напряжения соединен с мощностью и тактовым генератором 314, а также с аналогово-цифровым преобразователем 306. Аналогово-цифровой преобразователь 306 подсоединен к фильтру 326 датчика и к микропроцессору 308. Микропроцессор 308 подсоединен к памяти 310 и к порту 312 связи. Порт 312 связи подсоединен к системе 332 управления.
Работа передатчика 300 температуры процесса начинается, когда поданное питание и тактовый генератор 314 формируют сигнал несущей переменного напряжения с определенным уровнем. Этот сигнал посылается в модулятор 316, где этот сигнал несущей модулируется, чтобы кодировать в цифровом виде инструкции или информацию в зависимости от выходного сигнала из микропроцессора 308. Модулированный сигнал несущей проходит через распределитель 324 сигнала и по проводам 330 датчика к сборке датчика температуры. Если не нужно посылать никаких инструкций или никакой информации, то этот сигнал несущей с некоторым уровнем напряжения проходит к сборке датчика температуры в немодулированном виде.
Передатчик 300 температуры процесса, кроме того, из схемы 302 интерфейса сборки датчика температуры по проводам 330 датчика, получает обратный сигнал несущей. Если этот сигнал несущей с уровнем напряжения был послан от передатчика 300 температуры процесса в немодулированном виде, то сборка датчика температуры может иметь закодированную в цифровом виде информацию, включающую в себя конфигурационные данные, посредством модуляции обратного сигнала несущей, как указано выше при описании фиг. 2. Кроме того, уровень напряжения обратного сигнала несущей может изменяться, как указано выше при описании фиг. 2, создавая тем самым аналоговый сигнал датчика, соответствующий температурной информации. Обратный сигнал несущей, полученный в схеме 302 интерфейса, разделяется в распределителе 324 сигнала и проходит к демодулятору 318 и к фильтру 326 датчика.
Если обратный сигнал несущей содержит закодированную в цифровом виде информацию, включающую в себя конфигурационные данные от сборки датчика температуры, то демодулятор 318 демодулирует этот модулированный обратный сигнал несущей. Демодулятор 318 посылает демодулированную цифровую информацию в микропроцессор 308. Микропроцессор 308 может записать полученную цифровую информацию, которая может включать в себя конфигурационные данные, в память 310, или может послать ее на порт 312 связи, откуда она передается в систему 332 управления.
Фильтр 326 датчика отфильтровывает высокочастотные флуктуации напряжения, связанные с обратным сигналом несущей, или иные высокочастотные помехи, и подает аналоговый сигнал датчика в аналогово-цифровой преобразователь 306. АЦП 306 преобразует аналоговый сигнал датчика в цифровой сигнал датчика и посылает его на микропроцессор 308. Микропроцессор 306 извлекает из памяти 310 конфигурационные данные и корректирует цифровой сигнал датчика на основании конфигурационных данных, чтобы он отражал точное измерение температуры. Затем микропроцессор 308 посылает точное температурное измерение на порт 312 связи, откуда он передается в систему 332 управления.
Регулятор 320 напряжения получает энергию от мощности и тактового генератора 314 и регулирует ее для подачи питания как на аналогово-цифровой преобразователь 306, так и на демодулятор 318.
Показанный на фиг. 4А вариант осуществления обеспечивает считывание информации из адреса памяти внутри сборки датчика температуры и запись информации в него при одновременном сохранении точного сигнала датчика температуры без использования проводов, отдельных от тех, которые передают сигнал датчика. Использование модулированного сигнала несущей, передаваемого по проводам датчика, обеспечивает двухстороннюю цифровую связь и точный аналоговый сигнал датчика. Кроме того, связь датчика и измерения датчика могут производиться в любое время. Это является ключевым преимуществом для тех процессов, в которых не допускается даже малейший сбой в измерениях температуры.
В показанном на фиг. 4А варианте осуществления связь датчика и измерения датчика могут производиться в одно и то же время. Однако в некоторых случаях, включая схемы с контурами токов низкой мощности или схемы с беспроводными передатчиками, мощности может быть достаточно либо только для измерения датчика, либо только для связи датчика. В варианте осуществления, показанном на фиг. 4В, каждый из видов работы - измерения датчика и связь датчика, осуществляется только во время раздельных режимов работы - в режиме измерений или в режиме связи, соответственно.
Фиг. 4В иллюстрирует передатчик 400 температуры процесса, включающий в себя схему 402 интерфейса, схему 404 связи датчика, схему 406 измерения датчика, микропроцессор 408, память 410 и порт 412 связи. Схема 404 связи датчика включает в себя мощность и тактовый генератор 414, модулятор 416, демодулятор 418 и регулятор 420 напряжения. Схема 402 интерфейса включает в себя переключатель 424 сигнала. Схема 406 измерения датчика включает в себя фильтр 426 датчика и аналогово-цифровой преобразователь 428. Кроме того, фиг. 4В показывает провода 430 датчика и систему управления 432.
Идущие от сборки датчика температуры провода 430 датчика соединяются с передатчиком 400 температуры процесса в схеме 402 интерфейса. Внутри схемы 402 интерфейса провода 430 датчика электрически соединены с переключателем 424 сигнала, который соединен с модулятором 416 и демодулятором 418. Переключатель 424 сигнала, в зависимости от своего положения, соединяется также с фильтром 426 датчика. Модулятор 416 подсоединен к мощности и тактовому генератору 414, а также к микропроцессору 408. Демодулятор 418 подсоединен к регулятору 420 напряжения и к микропроцессору 408. Регулятор 420 напряжения соединен с мощностью и с тактовым генератором 414, а также с аналогово-цифровым преобразователем 406. Аналогово-цифровой преобразователь 406 подсоединен к фильтру 426 датчика и к микропроцессору 408. Микропроцессор 408 подсоединен к переключателю 424 сигнала, к памяти 410 и к порту 412 связи. Порт 412 связи подсоединен к системе управления 432.
Передатчик 400 температуры процесса начинает работу в режиме связи выключением схемы 406 измерения датчика. Микропроцессор 408 дает команду регулятору 420 напряжения на отключение питания аналогово-цифрового преобразователя 428. Кроме того, микропроцессор 408 дает команду переключателю 424 сигнала на отключение проводов 430 датчика от фильтра 426 датчика и подсоединение проводов 430 датчика к схеме 404 связи датчика. Изменение положения переключателя 424 сигнала отключает все входы от фильтра 426 датчика и, следовательно, от аналогово-цифрового преобразователя 428. Это прекращает потребление питания схемой 406 измерения датчика. Созданный питанием и тактовым генератором 414 сигнал несущей переменного напряжения посылается на модулятор 416, где этот сигнал несущей модулируется, чтобы кодировать в цифровом виде инструкции или информацию в зависимости от выходного сигнала из микропроцессора 408. Модулированный сигнал несущей проходит через переключатель 424 сигнала и далее по проводам 430 датчика к сборке датчика температуры. Если не нужно посылать никаких инструкций или никакой информации, то этот сигнал несущей проходит к сборке датчика температуры в немодулированном виде.
Кроме того, в режиме связи передатчик 400 температуры процесса получает по проводам 330 датчика обратный сигнал несущей из схемы 402 интерфейса сборки датчика температуры. Если этот сигнал несущей был послан от передатчика 400 температуры процесса в немодулированном виде, то сборка датчика температуры будет иметь закодированную в цифровом виде информацию, включающую в себя конфигурационные данные, посредством модуляции обратного сигнала несущей, как указано выше при описании фиг. 2. Обратный сигнал несущей, полученный в схеме 402 интерфейса, направляется переключателем 424 к демодулятору 418. Демодулятор 418 демодулирует этот модулированный обратный сигнал несущей. Демодулятор 418 посылает демодулированную цифровую информацию в микропроцессор 408. Микропроцессор 408 может записать полученную цифровую информацию, которая может включать в себя конфигурационные данные, в память 410, или может послать ее в порт 412 связи, откуда она передается в систему 432 управления.
Передатчик 400 температуры процесса начинает режим измерений включением схемы 406 измерения датчика и выключением схемы 404 связи датчика. Микропроцессор 408 дает команду регулятору 420 напряжения на включение питания аналогово-цифрового преобразователя 428 и на отключение питания от демодулятора 418. Кроме того, микропроцессор 408 дает команду переключателю 424 сигнала на разъединение проводов 430 датчика со схемой 404 связи датчика и подсоединение проводов 430 датчика к фильтру 426 датчика и, следовательно, к аналогово-цифровому преобразователю 428. Регулятор 420 напряжения получает питание от блока питания и тактового генератора 414 и регулирует его для подачи питания на аналогово-цифровой преобразователь 406.
Передатчик 400 температуры процесса, во время режима измерения, получает аналоговый сигнал датчика по проводам 430 датчика из схемы 402 интерфейса. Этот аналоговый сигнал датчика содержит информацию о температурных измерениях. Полученный в схеме 402 интерфейса обратный аналоговый сигнал датчика направляется через переключатель 424 сигнала на фильтр 426 датчика.
Фильтр 426 датчика отфильтровывает высокочастотные флуктуации напряжения, связанные с аналоговым сигналом датчика, и подает аналоговый сигнал датчика на аналогово-цифровой преобразователь 406. АЦП 406 преобразует аналоговый сигнал датчика в цифровой сигнал датчика и посылает его на микропроцессор 408. Микропроцессор 406 извлекает из памяти 410 конфигурационные данные, и корректирует цифровой сигнал датчика на основании конфигурационных данных, чтобы он отражал точное измерение температуры. Затем микропроцессор 408 посылает точное измерение температуры на порт 412 связи, откуда он передается в систему 432 управления.
Показанный на фиг. 4В вариант осуществления обеспечивает считывание информации из адреса памяти внутри сборки датчика температуры и запись информации в него, при одновременном сохранении точного температурного сигнала датчика без использования проводов, отдельных от тех, которые передают сигнал датчика. Использование модулированного сигнала несущей, передаваемого по проводам датчика, обеспечивает двухстороннюю цифровую связь. Кроме того, в варианте осуществления по фиг. 4В каждая операция из связи датчика и измерения датчика производится только в раздельном режиме работы, соответственно, в режиме связи или в режиме измерения. Этот признак наделяет преимуществами "plug-and-play" установки, включающие в себя схемы с контурами токов низкой мощности или схемы с беспроводными передатчиками, мощности в которых может быть достаточно либо только для операции измерения датчика, либо только для связи датчика.
Фиг. 5 представляет собой блок-схему передатчика температуры процесса и сборки датчика температуры, использующей схемы техники радиочастотной идентификации (RFID). В этом варианте осуществления для осуществления индуктивной связи модулированного сигнала несущей с электроникой сборки датчика температуры, а также с электроникой передатчика температуры процесса, используются антенны. Эта конфигурация обеспечивает считывание цифровой информации из адреса памяти на микросхеме RFID внутри сборки датчика температуры, и запись цифровой информации в него, при одновременном сохранении точного аналогового температурного сигнала датчика без использования проводов, отдельных от тех, которые передают сигнал датчика. Цифровая информация, считанная или сохраненная, может представлять собой конфигурационные данные. Передача модулированного сигнала несущей по проводам датчика позволяет RFID-сигналу распространяться гораздо дальше, чем это возможно с использованием обычной техники беспроводной радиочастотной идентификации. Этот вариант осуществления обеспечивает как двухстороннюю цифровую связь, так и точный аналоговый сигнал датчика.
Фиг. 5 показывает сборку датчика температуры/передатчик температуры процесса 500, включающую в себя сборку 502 датчика температуры, передатчик 504 температуры процесса и провода 506А и 506В датчика. Сборка 502 датчика температуры включает в себя термопару - чувствительный элемент 508, микросхему 510 RFID, микросхему антенны 512 RFID. Передатчик 504 температуры процесса включает в себя антенну 514 передатчика, блокирующий конденсатор 516, фильтр 518 датчика, аналогово-цифровой преобразователь 520, микросхему 524 считывающего устройства RFID, антенну 526 считывающего устройства RFID, микропроцессор 528 и буфер 530 мощности.
Как показано на фиг. 5, сборка 502 датчика температуры подсоединена к передатчику 504 температуры процесса посредством проводов 506А и 506В датчика. Внутри сборки 502 датчика температуры чувствительный элемент 508 соединен с проводами 506А и 506В датчика. Участки проводов 506А и 506В датчика внутри сборки 502 датчика температуры свернуты в спираль рядом с микросхемой антенны 512 RFID, которая соединена с микросхемой 510 RFID.
Внутри передатчика 504 температуры процесса провода 506А и 506В датчика подсоединены к фильтру 518 датчика, а какой-то один из проводов 506А или 506В датчика (на чертеже показан как провод 506А датчика) соединен с антенной 514 передатчика, в то время как другой из проводов 506А или 506В датчика (показан как провод 506В датчика) соединен с блокирующим конденсатором 516, который также соединен с антенной 514 передатчика. Антенна 514 передатчика представляет собой антенну, близкую к антенне 526 считывающего устройства RFID, которая подсоединена к микросхеме 524 считывающего устройства RFID. Микросхема 524 считывающего устройства RFID соединена с микропроцессором 528, а также с буфером 530 мощности. Микропроцессор 528 соединен с аналогово-цифровым преобразователем 520.
Когда на передатчик 504 температуры процесса подается питание, "ручной" сигнал или после некоторого периода разъединенного состояния к передатчику 504 температуры процесса, посредством проводов 506А и 506В датчика, подключается сборка 502 датчика температуры; микропроцессор 528 посылает на микросхему 524 считывающего устройства RFID сигнал на запрос конфигурационных данных от сборки 502 датчика температуры. Микросхема 524 считывающего устройства RFID формирует модулированный сигнал несущей, содержащий кодированный запрос, и проводит этот модулированный сигнал несущей на антенну 526 считывающего устройства RFID. Антенна 526 считывающего устройства RFID передает этот модулированный сигнал несущей на антенну 514 передатчика, посредством индукции через небольшое расстояние, отделяющее антенну 526 считывающего устройства RFID от антенны 514 передатчика. Модулированный сигнал несущей по проводам 506А и 506В датчика распространяется от антенны 514 передатчика к сборке 502 датчика температуры. По достижении сборки 502 датчика температуры модулированный сигнал несущей передается из участков проводов 506А и 506В датчика, свернутых в спираль рядом с антенной 512 микросхемы RFID, в антенну 512 микросхемы RFID посредством индукции через небольшое расстояние, отделяющее свернутые в спираль участки проводов 506А и 506В датчика от антенны 512 микросхемы RFID. Модулированный сигнал несущей проходит от антенны 512 микросхемы RFID к микросхеме 510 RFID. Помимо содержания кодированного запроса конфигурационных данных модулированный сигнал несущей обеспечивает также мощность для питания микросхемы 510 RFID, так чтобы микросхема 510 RFID могла обработать этот кодированный запрос, вторично модулировать сигнал несущей, чтобы кодировать конфигурационные данные и передать вторично модулированный сигнал несущей на свернутые в спираль участки проводов 506А и 506В датчика, посредством индукции из антенны 512 микросхемы RFID. Вторично модулированный сигнал несущей распространяется от сборки 502 датчика температуры на передатчик 504 температуры процесса, и по проводам 506А и 506В датчика - к температурной антенне 514. Температурная антенна 514 передает вторично модулированный сигнал несущей, от температурной антенны 514 через антенну 526 считывающего устройства RFID, на микросхему 524 считывающего устройства RFID. Микросхема 524 считывающего устройства RFID демодулирует вторично модулированный сигнал несущей и посылает конфигурационные данные на микропроцессор 528, который записывает эти конфигурационные данные в локальную память.
Как только передатчик 504 температуры процесса получает для сборки 502 датчика температуры конфигурационные данные, чувствительный элемент 508 измеряет температуру, формируя аналоговый сигнал датчика. Как показано на фиг. 5, чувствительный элемент 508 является элементом типа термопары, таким образом, аналоговым сигналом датчика является изменение уровня напряжения на чувствительном элементе 508. Аналоговый сигнал датчика распространяется по проводам 506А и 506В датчика от сборки 502 датчика температуры к передатчику 504 температуры процесса, без изменения его свернутыми в спираль участками проводов 506А и 506В датчика. В передатчике 504 температуры процесса аналоговый сигнал датчика проходит через фильтр 518 датчика, который отфильтровывает высокочастотные помехи, включая любые модулированные несущие сигналы, распространяющиеся по проводам 506А и 506В датчика, и далее - к АЦП 520. Кроме того, блокирующий конденсатор 516 исключает закорачивание аналогового сигнала датчика температурной антенной 514. Аналогово-цифровой преобразователь 520 преобразует аналоговый сигнал датчика в цифровой сигнал датчика и посылает его на микропроцессор 528. Микропроцессор 528 извлекает из локальной памяти конфигурационные данные и корректирует цифровой сигнал датчика, используя конфигурационные данные, чтобы он отражал точное измерение температуры.
Показанный на фиг. 5 вариант осуществления настоящего изобретения, помимо извлечения конфигурационных данных, может также обеспечивать запись и извлечение относящейся к сборке датчика температуры и иной цифровой информации, поскольку эта цифровая связь является двухсторонней.
В некоторых применениях, включающих в себя схемы с контурами токов низкой мощности или схемы с беспроводными передатчиками, интегральная микросхема 526 считывающего устройства RFID требует больше мощности, чем доступно на непрерывной основе. Буфер 530 мощности контролирует имеющуюся энергию и накапливает мощность, превышающую ту, которая необходима для других операций передатчика 504 температуры процесса. После того, как накапливается достаточное количество мощности, буфер 530 мощности сообщает об этом состоянии микропроцессору 528. Когда микропроцессор 528 инициирует цифровую связь со сборкой 502 датчика температуры, интегральная микросхема 526считывающего устройства RFID использует накопленную энергию от буфера 530 мощности.
Индуктивно связанные между собой антенны 514 и 526 в передатчике 504 температуры процесса, как показано на фиг. 5, могут включать в себя простые свернутые в катушку провода, разделенные между собой воздушным промежутком, или компоненты воздушного трансформатора. Такая конструкция предпочтительна, когда необходимо гальванически развязать микропроцессор 528 от проводов 506А и 506В датчика. Альтернативно, микросхема 524 считывающего устройства RFID может быть соединена непосредственно с проводами 506А и 506В датчика при сохранении блокирующего конденсатора 516, если гальваническая развязка не требуется, или если эта гальваническая развязка обеспечивается другим средством.
Подобным образом, хотя на фиг. 5 в сборке 502 датчика температуры показано индуктивное соединение между микросхемой антенны 512 RFID и участками проводов 506А и 506В датчика, свернутыми в спираль рядом с антенной 512 микросхемы RFID, эта функция в сборке 502 датчика температуры также может выполняться компонентами воздушного трансформатора. Однако выполнение проводов 506А и 506В датчика непрерывными от чувствительного элемента 508 до передатчика 504 температуры процесса без прохождения через различные электрические компоненты исключает возможности искажения аналогового сигнала датчика.
Хотя фиг. 5 иллюстрирует изобретение, использующее схемы радиочастотной идентификации RFID и чувствительный элемент типа термопары, могут быть также использованы и 2-, 3- и 4-проводные резистивные детекторы температуры. Фиг. 6А, 6В и 6С представляют собой схемы сборки датчика температуры, использующие схемы RFID с 2-, 3- и 4-проводными РДТ. Все компоненты и операции, общие с фиг. 5, остаются такими же, как описанные при рассмотрении фиг. 5.
Фиг. 6А показывает вариант осуществления сборки 502 датчика температуры, использующего 2-проводный чувствительный элемент 532 РДТ. Этот вариант осуществления содержит дополнительный элемент - высокочастотный конденсатор 534, установленный параллельно 2-проводному чувствительному элементу 532 РДТ.
Фиг. 6В показывает вариант осуществления сборки 502 датчика температуры, использующей 3-проводный чувствительный элемент 536 РДТ. Дополнительный провод 506С датчика соединен с одним концом чувствительного элемента 536 РДТ, а провода 506А или 506В датчика соединены с его другим концом. Как и на фиг. 5, провода 506А или 506В датчика, помимо того, что посылают аналоговый сигнал датчика, передают модулированный сигнал несущей. Провод 506C датчика посылает только аналоговый сигнал датчика.
Фиг. 6С показывает вариант осуществления сборки 502 датчика температуры, использующей 4-проводный чувствительный элемент 538 РДТ. Дополнительные провода 506С и 506D датчика подсоединены к одному концу чувствительного элемента 538 РДТ, а провода 506А и 506В датчика подсоединены к другому концу. Как и на фиг. 5, провода 506А или 506В датчика, помимо того, что посылают аналоговый сигнал датчика, передают модулированный сигнал несущей. Провода 506C и 506D датчика посылают только аналоговый сигнал датчика.
Использование антенн для индуктивной передачи модулированного сигнала несущей в электронику сборки датчика температуры и в электронику передатчика температуры процесса, как показано на фиг. 5, а также на фиг. 6А-6С, обеспечивает считывание цифровой информации из адреса памяти на микросхеме RFID внутри сборки датчика температуры и запись цифровой информации в него, при одновременном сохранении точного аналогового температурного сигнала датчика без использования проводов, отдельных от тех, которые передают сигнал датчика. Этот вариант осуществления настоящего изобретения использует преимущество низкой стоимости и общей доступности RFID-технологии. Однако при передаче модулированного сигнала несущей по проводам датчика RFID-сигнал распространяется гораздо дальше, чем это возможно с использованием обычной техники беспроводной радиочастотной идентификации. Этот вариант осуществления обеспечивает как двухстороннюю цифровую связь, так и точный аналоговый сигнал датчика, используя только провода датчика для обеспечения функциональности "plug-and-play".
Фиг. 7 представляет собой блок-схему, показывающую вариант осуществления настоящего изобретения, совместимый только с 4-проводными РДТ. Эта схема также обеспечивает считывание цифровой информации из адреса памяти внутри сборки датчика температуры, и запись цифровой информации в него, при одновременном сохранении точного аналогового температурного сигнала датчика без использования проводов, отдельных от тех, которые передают сигнал датчика. Считанной или записанной цифровой информацией могут быть конфигурационные данные. Этот вариант осуществления настоящего обеспечивает как двухстороннюю цифровую связь, так и точный аналоговый сигнал датчика. Однако в этом варианте осуществления каждый из видов работы, измерения датчика или связь датчика, работает только во время раздельных режимов работы - в режиме измерения или в режиме связи, соответственно.
Фиг. 7 показывает сборку датчика температуры/передатчик процесса 600, включающую в себя сборку 612 датчика температуры, передатчик 614 температуры процесса и провода с 616А по 616D датчика. Сборка 612 датчика температуры дополнительно включает в себя чувствительный элемент 618, схему 620 памяти, диод 622 провода датчика и диод 624 схемы памяти. Чувствительный элемент 618 является 4-проводным РДТ.
Как показано на фиг. 7, передатчик 614 температуры процесса подсоединен к сборке 612 датчика температуры посредством проводов с 616А по 616D датчика. Схема 620 памяти подключена к проводу 616А датчика между передатчиком 614 и диодом 622 провода датчика. Кроме того, схема 620 памяти соединена с диодом 624 схемы памяти, который соединен с проводом 616D датчика. Провода 616А и 616В датчика подсоединены к одному из двух концов чувствительного элемента 618. Провода 616С и 616D датчика подсоединены к другому из двух концов чувствительного элемента 618.
При осуществлении измерения датчика передатчик 614 температуры процесса пропускает постоянный ток через провод 616А датчика по чувствительному элементу 618 датчика и обратно через провод 616D датчика. Величина падения напряжения на сопротивлении чувствительного элемента 618 датчика зависит от измеренной температуры. Провода 616В и 616С датчика измеряют падение напряжения на чувствительном элементе 618 датчика и подают этот полученный в результате измерения аналоговый сигнал датчика назад, в передатчик 614 температуры процесса. При этих условиях прохождение тока через диод 622 провода датчика является беспрепятственным. Диод 624 схемы памяти препятствует протеканию какого-либо тока по схеме 620 памяти, останавливая прохождение тока от более высокого уровня напряжения в проводе 616А датчика к более низкому уровню напряжения в проводе 616D датчика. Все четыре провода от 616А до 616D датчика могут выполнять свои обычные функции в схеме измерения с 4-проводным РДТ.
При осуществлении связи датчика передатчик 614 температуры процесса изменяет полярность текущего тока на обратную. Диод 622 провода датчика препятствует протеканию какого-либо тока по чувствительному элементу 618 датчика, в то время как диод 624 схемы памяти разрешает протекание тока в схему 620 памяти. Передатчик 614 температуры процесса может сообщаться со схемой 620 памяти по проводам 616А и 616D датчика, не испытывая никакого влияния со стороны чувствительного элемента 618 датчика.
Диод 624 схемы памяти должен иметь очень низкий ток утечки, поскольку любой ток утечки через диод 624 схемы памяти при осуществлении связи датчика будет приводить к погрешности температурных измерений. Диод 624 схемы памяти может быть диодом с очень низким током утечки или n-канальным полевым транзистором с управляющим p-n-переходом (N-JFET), сконфигурированным как диод, то есть у которого исток и сток соединены между собой. Сконфигурированный таким образом N-JFET также является диодом постоянного тока, в котором сила тока при изменении напряжения относительно постоянна.
Хотя вариант осуществления по фиг. 7 пригоден только для 4-проводных РДТ, такая конфигурация обеспечивает считывание цифровой информации из адреса памяти внутри сборки датчика температуры и запись цифровой информации в него при одновременном сохранении точного аналогового температурного сигнала датчика, без использования проводов, помимо тех, которые обычно используются в 4-проводном РДТ. Этот вариант осуществления обеспечивает как двухстороннюю цифровую связь, так и точный аналоговый сигнал датчика во время раздельных режимов работы - в режиме измерений и в режиме связи, соответственно.
Фиг. 8 представляет собой блок-схему, показывающую еще один вариант осуществления настоящего изобретения; этот вариант осуществления пригоден только для использования с термопарами. Эта конфигурация также обеспечивает считывание цифровой информации из адреса памяти внутри сборки датчика температуры и запись цифровой информации в него, при одновременном сохранении точного аналогового температурного сигнала датчика без использования проводов, отдельных от тех, которые передают сигнал датчика. Считанной или записанной цифровой информацией могут быть конфигурационные данные. Этот вариант осуществления настоящего обеспечивает как двухстороннюю цифровую связь, так и точный аналоговый сигнал датчика. Как и вариант осуществления по фиг. 7, каждый тип работы, измерения датчика и связь датчика, выполняется только во время раздельных режимов работы - в режиме измерений и в режиме связи, соответственно.
Фиг. 8 показывает сборку датчика температуры/передатчик процесса 700, включающую в себя сборку 712 датчика температуры, передатчик 714 температуры процесса и провода с 716А и 716В датчика. Сборка 712 датчика температуры дополнительно включает в себя чувствительный элемент 718, схему 720 памяти, резисторы 722А и 722В, ускоряющие конденсаторы 724А и 724В, n-канальный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (JFET) 726, р-канальный JFET 728, р-канальный полевой МОП-транзистор 730 и n-канальный полевой МОП-транзистор 732. Оба полевых МОП-транзистора являются устройствами расширенного диапазона. Чувствительный элемент 718 является чувствительным элементом типа термопары.
Как показано на фиг. 8, передатчик 714 температуры процесса подсоединен к сборке 712 датчика температуры посредством проводов 716А и 716В датчика. Внутри сборки 712 датчика температуры схема 720 памяти соединена с проводами 716А и 716В датчика посредством полевых МОП-транзисторов 730 и 732, соответственно. Затворы полевых МОП-транзисторов 730 и 732 соединены, соответственно, с проводами 716А и 716В датчика. Чувствительный элемент 718 соединен с проводами 716А и 716В датчика посредством JFET 726 и 728, соответственно. Затвор JFET 726 соединен с проводом 716В датчика резистором 722А и ускорительным конденсатором 724А. Затвор JFET 728 соединен с проводом 716А датчика резистором 722В и ускорительным конденсатором 724В.
При осуществлении измерения датчика чувствительный элемент 718 формирует уровень напряжения, который изменяется в соответствии с измеряемой температурой. Этот уровень напряжения измеряется передатчиком 714 температуры процесса посредством проводимости проводов 716А и 716В датчика. JFET 726 и 728 никак не влияют на эту проводимость, поскольку приложенные к затворам JFET 726 и 728 уровни напряжения недостаточны для их запирания. Подобным же образом, схема 620 памяти не соединена с проводами 716А и 716В датчика, поскольку уровни напряжения, приложенные к затворам полевых МОП-транзисторов 730 и 732 недостаточны для их отпирания.
При осуществлении связи датчика, передатчик 614 температуры процесса прикладывает к проводнику 716А датчика положительное напряжение смещения, а к проводнику 716В датчика отрицательное напряжение смещения. Положительное напряжение смещения провода 716А датчика проходит через резистор 722В и ускоряющий конденсатор 724В и запирает р-канальный JFET 728. Аналогично, отрицательное напряжение смещения провода 716В датчика проходит через резистор 722А и ускоряющий конденсатор 724А и запирает n-канальный JFET 726. Использование ускоряющих конденсаторов 724А и 724В обеспечивает очень быстрое переключение транзисторов, электрически изолируя чувствительный элемент 718 и предотвращая замыкание им напряжения смещения. В то же время положительное напряжение смещения провода 716А датчика поступает на затвор n-канального полевого МОП-транзистора 732, отпирая его, а отрицательное напряжение смещения провода 716 датчика поступает на затвор р-канального полевого МОП-транзистора 730, отпирая его. При включении обоих МОП-транзисторов 730 и 732, схема 720 памяти, посредством проводов 716А и 716В датчика, соединяется с передатчиком 714 температуры процесса. Передатчик 714 температуры процесса может осуществлять связь со схемой 720 памяти по проводам 716А и 716В датчика без какого-либо влияния со стороны чувствительного элемента 718.
Показанный на фиг. 8 вариант осуществления работает с чувствительным элементом типа термопары, поскольку величина тока чрезвычайно мала, фактически не вызывая никакого падения напряжения на JFET. При использовании РДТ, более сильный ток привел бы к тому, что с достаточно большим последовательным сопротивлением, возникла бы недопустимая погрешность измерения сопротивления.
Хотя вариант осуществления по фиг. 8 пригоден только для термопар, эта конфигурация обеспечивает считывание цифровой информации из адреса памяти внутри сборки датчика температуры и запись цифровой информации в него, при одновременном сохранении точного аналогового температурного сигнала датчика без использования проводов, помимо тех, которые обычно используются в термопаре. Этот вариант осуществления обеспечивает как двухстороннюю цифровую связь, так и точный аналоговый сигнал датчика во время раздельных режимов работы - в режиме связи и в сенсорном режиме, соответственно.
В вышеописанных вариантах осуществления схема памяти (которая может включать в себя микропроцессор и отдельную энергонезависимую память) и иные электрические цепи, связанные со сборкой датчика температуры, могут быть размещены внутри единого корпуса сборки датчика, содержащего также и температурный чувствительный элемент. Альтернативно, память и электрические схемы могут находиться в корпусе, отдельном от корпуса температурного чувствительного элемента, при этом корпус с памятью и с электрическими схемами может быть установлен где-нибудь вдоль длины проводов датчика, идущих от корпуса чувствительного элемента к передатчику температуры процесса, при этом корпус с памятью и с электрическими схемами, корпус температурно-чувствительного элемента и провода датчика, вместе, также составляют сборку датчика температуры. Кроме того, хотя вышеописанные варианты осуществления включают в себя одну сборку датчика температуры, подсоединенную к передатчику температуры процесса, но следует понимать, что настоящее изобретение охватывает и множество сборок датчика температуры, подсоединенных, посредством схемы мультиплексирования, к одному передатчику температуры процесса.
Хотя вышеописанные варианты осуществления используют в качестве измеряемого переменного параметра процесса температуру, данное изобретение применимо к измерению других переменных в процессах, включающих в себя давление, кислотность и скорость потока.
Настоящее изобретение обеспечивает автоматическую загрузку конфигурационных данных сборки датчика в передатчик процесса, без использования дополнительного монтажа, обеспечивая для производственной контрольно-измерительной аппаратуры функциональные возможности "plug-and-play". Кроме того, данное изобретение позволяет записывать и извлекать другие типы относящейся к сборке датчика информации, помимо приема конфигурационных данных, поскольку цифровой канал связи является двухсторонним. Другие типы информации включают в себя измененные коэффициенты калибровки, продолжительность работы и установочные данные.
Наибольшая выгода от настоящего изобретения реализуется в том случае, когда сборки датчика связаны с передатчиками процесса, причем, и оба из них выполнены в соответствии с настоящим изобретением. Однако другое преимущество настоящего изобретения предопределяется его уникальным признаком, согласно которому необходимы только обычные провода датчика, а именно: сборки датчика, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, также могут работать как обычные сборки датчика, будучи подсоединенными к передатчикам процесса, которые не содержат в себе настоящего изобретения. И обратно, передатчики процесса, которые выполнены в соответствии с настоящим изобретением, могут принимать в качестве входных сигналов сигналы сборок датчика, которые не содержат в себе настоящего изобретения. В таких случаях цифровая связь по проводам чувствительного элемента отсутствует, и, следовательно, никакой автоматической конфигурации передатчика не производится, но комбинация сборка датчика/передатчик процесса будет функционировать как обычная пара сборка датчика/передатчики процесса, формируя аналоговый сигнал датчика и выдавая результаты измерений после выполнения конфигурации вручную. Это полезное преимущество, в том случае, когда компонент, содержащий (или не содержащий) в себе настоящее изобретение, выходит из строя, и должен быть заменен, но под рукой есть только компонент, не содержащий (или содержащий) в себе настоящее изобретение. Такая взаимозаменяемость является полезной для исключения простоев в процессе, связанных с ожиданием приема точной копии заменяемого компонента.
Хотя данное изобретение было описано со ссылками на иллюстративный вариант(ы) осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что в него могут быть внесены многочисленные изменения, а его элементы могут быть заменены эквивалентными, без отклонения от объема изобретения. В заключение, для использования идей настоящего изобретения в конкретной ситуации или с конкретным материалом, в него могут быть внесены многочисленные изменения без отклонения от его сущности и объема. Поэтому предполагается, что данное изобретение не сводится к конкретному раскрытому варианту (вариантам) осуществления, а включает в себя все варианты осуществления, соответствующие его объему, определенному в пунктах приложенной формулы изобретения.