由外部电源供电的现场设备电子装置的制作方法

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1、由外部电源供电的现场设备电子装置的制作方法专利名称：由外部电源供电的现场设备电子装置的制作方法技术领域：本发明涉及一种用于现场设备且由外部电源供电的现场设备电子 装置，以及一种具有这种现场设备电子装置的现场设备。背景技术：在工业过程测量及自动化技术中，特别是结合化工自动化或技术 方法过程和/或工业厂房控制，为了本地产生模拟或数字地代表过程变 量的测量值信号，使用在过程附近安装的测量装置，即所谓的现场设 备。同样，现场设备可以实施为调节装置，用于改变一个或多个这种 过程变量并且有效引导过程的流动。这种要被检测或调节的过程变量 例如包括在相应容器(例如管道或罐)中引导或存储的液体、粉末、 蒸汽或气

2、态介质的质量流量、密度、粘度、料位、极限料位、压力、 温度等。本领域技术人员已知的这种现场装置的其他例子在以下文献中有详细描述WO-A 05/040735、 WO-A 04/048905、 WO-A 03/048874、 WO-A 02/45045、 WO-A 02/103327、 WO-A 02/086426、 WO-A 01/02816、 WO-A 00/48157、 WO-A 00/36379、 WO-A 00/14485、 WO-A 95/16897、 WO-A 88/02853、 WO-A 88/02476、 US-B 72 00 503、 US-B 70 04 191、 US隱B

3、69 32 098、 US-B 67 99 476、 US隱B 67 76 053、 US-B 67 69 301、 US-B 65 77 989、 US隱B 66 62 120、 US陽B 65 74 515、 US-B 65 35 161、 US-B 65 12 358、 US-B 64 87 507、 US-B 64 80 131、 US-B 64 76 522、 US-B 63 97 683、 US-B 63 52 000、 US-B 63 11 136、 US-B 62 85 094、 US-B 62 69 701、 US隱B 62 36 322、 US-A61 40 940、 US

4、-A 60 14 100、 US-A60 06 609、 US-A 59 59 372、 US-A57 96 011、 US-A 57 42 225、 US-A 56 87 100、 US-A 56 72 975、 US-A 56 04 685、 US-A 55 35 243、 US-A 54 69 748、 US-A 54 16 723、 US-A 53 63 341、 US-A53 59 881、 US-A 52 31 884、 US-A 52 07 101、 US-A 51 31 279、 US-A 50 68 592、US-A 50 65 152、 US-A 50 52 230、 US

5、-A49 26 340、 US-A48 50 213、 US-A47 68 384、 US-A 47 16 770、 US-A 46 56 353、 US-A 46 17 607、 US-A 45 94 584、 US-A 45 74 328、 US-A 45 24 610、 US隱A44 68 971、 US-A 43 17 116、 US-A 43 08 754、 US-A 38 78 725、 US-A 37 64 880、 EP-A 1 158 289、 EP-A 1 147 463、 EP-A 1 058 093、 EP-A兆4 248、 EP-A 591 926、 EP-A 525

6、 920、或EP-A 415 655、 DE-A 44 12 388 or DE-A 39 34 007。这里公开的现场设备都由外部电源供电，该外部电源提供供电 电压和由此驱动且流经现场设备电子器件的供电电流。对于现场设备用作测量装置的情况，它还包括合适的物理-电子或 化学-电子测量变换器，用于检测相关过程变量。这种传感器通常被插 入运送介质的容器的壁中或者插入引导介质的管道中，并用于产生尽 可能精确地代表原始记录的过程变量的测量信号，特别是电子测量信 号。为了处理测量信号，测量变换器与现场设备电子装置中提供的操 作及分析电路相连，该操作及分析电路特别地用于进一步处理或分析 至少一个测量信号。

7、在大量这种现场设备中，测量变换器还由至少间 歇地由操作及分析电路生成的驱动信号启动，使得传感器以适合测量 的方式至少直接地与介质交互作用，或者经由合适的探头基本直接与 介质交互作用，以引起反映待记录的参数的反作用。驱动信号可以例 如在电流水平、电压电平和/或频率方面得到控制。这种有源测量变换 器，即合适地转换介质中的电子驱动信号的测量变换器的例子特别地 是用于测量至少间歇流动的介质的流动测量变换器，其具有至少一个 由驱动信号启动且产生磁场的线圈；或者具有至少一个由驱动信号启 动的超声发射器；或者具有用于测量和/或监控容器中的料位的料位和/ 或极限料位传感器，诸如微波天线，Goubau导线，即用

8、于声波或电磁 表面波的波导，振动的浸入体，等等。为了容纳现场设备电子装置，所述类型的现场设备还包括电子装 置外壳，例如在US-A 63 97 683或WO-A 00/36379中公开的，其可以 远离现场设备就位并且仅仅通过柔性导线与现场设备相连；或者如EP-A卯3 651或EP-A 1 008 836所示，直接设置在测量变换器上或者 直接设置在独立地容纳测量变换器的测量变换器外壳上。于是，正如 EP-A 984 248、 US-A 45 94 584、 US-A 47 16 770或US-A 63 52 000所示，电子装置外壳往往还容纳测量变换器的一些机械元件，例如在操 作期间受到机械力影响

9、而形变的膜状、棒状、壳状或管状的形变或振 动元件；参见上面提到的US-A63 52 000。另外，所述类型的现场设备 通常通过连接至现场设备电子装置的数据传输系统彼此连接在一起和/ 或与相应的过程控制计算机相连。现场设备例如通过(4mA 20mA) 电流回路和/或通过数字数据总线将它们的测量值信号传递至这些位置 并且/或者以相应的方式接受操作数据和/或控制命令。这里用作数据传 输系统的特别是现场总线系统，诸如PROFIBUS-PA、 FOUNDATION FILEDBUS，以及相应的传输协议。利用过程控制计算机，传输的测量 值信号可以被进一步处理并作为相应的测量结果而在例如监视器上可 视化，并

10、且/或者被转换为对于其他实施为执行机构的现场设备(例如， 电磁阀、电动马达等)的控制信号。另外，大量上述类型的现场设备，特别是测量现场设备在电路上 被设计为满足对于内在爆炸安全的需要。相应的，现场设备被以较低 的电能操作，从而由于不会达到燃烧条件，在电子上不会释放火花或 电弧。固有安全爆炸保护例如是根据欧洲标准EN 50 014和EN 50 020 给出的，电子装置被构造为满足其中定义的燃烧保护类别Intrinsic Safety (Ex-i)。根据这个燃烧保护类别，在现场设备中发生的电流、 电压和电功率总是不允许超过指定的电流、电压和电功率极限值。这 三个极限值被这样选择，使得在故障的情况中

11、或者在短路的情况中， 释放的最大能量不足以产生可燃烧的火花。通常，在内在安全现场设 备的情况中，电功率不允许超过1 W (瓦特)。电压可以例如由Z-二 极管保持低于指定的极限值，电流例如由电阻保持低于极限值，功率 由限压和限流元件的合适组合而保持低于指定的极限值。现代现场设备是常说的二线制现场设备，即，其中现场设备电子装置通过仅仅一对电线与外部电源电连接并且现场设备电子装置还通 过这一对电线将当前测量值传递至外部电源中的和/或与外部电源电连 接的分析单元。在这种情况中，现场设备电子装置通常包括电流控 制器，用于设置和/或调制(特别是提供时钟，诸如选通、触发或激发) 供电电流；内部操作及分析电路

12、，用于控制现场设备；以及内部供电 电路，其处于由供电电压获得的现场设备电子装置内部输入电压，为 内部操作及分析电路供电并且具有至少一个有效电压控制器，例如调 节器，该有效电压控制器由供电电流的可变电流分量流过并且在现场 设备电子装置中提供内部有效电压，该内部有效电压被调节或控制为 基本恒定于可预定的电压电平。这种二线制现场设备，特别是二线制 测量设备或二线制执行机构的例子可以在以下文献中看到WO-A 05/040735、 WO-A 04/048905、 WO-A 03/048874、 WO-A 02/45045、 WO-A 02/103327、 WO-A 00/48157、 WO-A 00/2

13、6739、 US-B 72 00 503、 US-B 67 99 476、 US-B 65 77 989、 US-B 66 62 120、 US-B 65 74 515、 US-B 65 35 161、 US-B 65 12 358、 US-B 64 80 131、 US-B 63 11 136、 US陽B 62 85 094、US-B 62 69 701、US匿A 61 40 940、US-A 60 14 100、US-A 59 59 372、 US-A57 42 225、 US陽A 56 72 975、 US-A 55 35 243、 US-A 54 16 723、 US-A 52 07

14、101、 US-A 50 68 592、 US-A 50 65 152、 US-A 49 26 340、 US-A46 56 353、 US-A 43 17 116、 US-A 37 64 880、 EP-A 1 147 463、 EP-A 1 058 093、 EP-A 591 926、 EP-A 525 920、 EP-A 415,655、 DE-A 44 12 388或DE-A 39 34 007。在某些情况中，例如US-A 37 64 880或WO-A 04/048905中所描述的，在现场设备电子装置内部还提供流电隔离，其 例如在内部操作及分析电路和电流控制器之间，以防止在其中安装现

15、场设备的厂房与外部电源之间不再能确保避免的可能的电势差不受控 地下降。由于历史原因，这种二线制现场设备大部分都被设计为，在构造 为电流回路的单对电线中当前流动的供电电流的当前电流强度被设置 为处于4 mA20 mA的值，其同时还代表了由当前现场设备产生的测 量值或者当前发送至现场设备的调节值。于是，这种二线制现场设备的特殊问题在于，至少名义上可被现场设备电子装置消耗的电功率(下 面简称为可用功率)在操作期间可能在较宽的范围以基本不可预 测的方式波动。为了适应这一点，现代二线制现场设备，特别是具有420 mA电流回路的现代二线制测量设备通常被设计为其可利用在 分析及操作电路中提供的微计算机实现的

16、设备功能而改变，并且由此， 通常不消耗大量功率的操作及分析电路能够适应当前可用的功率。例如在US-B 67 99 476、US-B 65 12 358或US-A 54 16 723中公开的，现场设备电子装置对于可用功率的适应可以通过以下方式实现 将当前在现场设备中消耗的功率与当前可用功率匹配，并且实际上， 操作及分析电路的各个功能单元以合适的可变时钟率操作，或者依赖 于当前可用功率的水平而操作，甚至切断一段时间(备用或睡眠模式)。 正如US-B 67 99 476、 US-A 60 14 100或WO-A 02/103327所公开的， 在现场设备实施为具有有源测量变换器的二线制测量设备的情况，通 过将在测量变换器中当前消耗的电功率与当前可用功率匹配(例如通 过将缓冲的驱动信号与相应的可匹配的用于同步驱动信号的选通率同 步)和/或通过减少驱动信号的最大电流强度和或最大电压电平，在现 场设备中当前消耗的电功率还与当前可用功率匹配。然而，在现场设备实施为二线制测量设备的情况中，设备功能的 改变往往造成在操作期间操作及