JP3222886B2 - ループ過電流回路付きプロセス制御機器 - Google Patents
ループ過電流回路付きプロセス制御機器Info
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Description
する圧力伝送器、電流−圧力(I/P)変換器等の工業プ
ロセス制御機器に関するものである。
び逆電流保護回路は2線式DC電流ループとプロセス制御
機器の間で動作する。これらの保護回路はループからの
過大電流および逆極性電流によってプロセス制御機器の
性能が損われたり、低下する事態の発生を減少させる。
US−A3975719に示された圧力、温度、流量、PH、伝導率
等の伝送器、および例えば、US−A4481967に示された圧
力変換器、パルブ・アクチュエータ等があり、これらの
特許は共に本発明の所有者に譲渡されている。
よびI/Pは通常4ないし20mAのループ電流範囲で動作
し、ループ電流は1つの連続ループを流れる。ループの
付勢は通常、爆発性雰囲気を発火させることができない
低いエネルギー・レベルに制限される。そして、プロセ
ス制御機器は制御センターから離れた場所で動作するの
で、ループ電流を供給するループ・ワイヤの各々および
プロセス制御機器で生じる電圧降下は、プロセス制御機
器の遠隔操作のための最大ワイヤ長を決定する上で重要
である。
は、減少することが望ましいプロセス制御機器のリフト
オフ電圧を含む幾つかのシステム設計パラメータを注意
深く検討する必要があり、リフトオフ電圧は、プロセス
制御機器が正しく動作することを保証するため、機器側
で必要な最低電圧である。各々がプロセス制御機器のリ
フトオフ電圧を増大させることになる過電流保護回路お
よび逆電流保護回路の電圧降下を減少させることは、ル
ープ・ワイヤでの電圧降下の増大を許容し、したがって
ワイヤの許容長を増大させる。
するUS−A3975719およびUS−A4783659に示されるよう
に、逆電流を阻止するため、2線式ループと直列にダイ
オードを含む機器がある。電流が適正な方向に流れると
き、ダイオードは機器内に大きな電圧降下を発生し、こ
れにより、リフトオフ電圧は大幅に増大し、許容ワイヤ
長は短かくなる。
伝送器での過電流保護回路を示している。これらの特許
は、2線式ループと直列で、かつトランジスタのエミッ
タに接続された抵抗を示し、ツェナー・ダイオードの一
端が抵抗の遠端部に接続され、ツェナー・ダイオードの
他端がトランジスタのベースに接続されている。この組
合せはループ電流の最大値を制限することはできるが、
正常動作中に大きな電圧降下が抵抗に発生し、この電圧
降下がさらにプロセス制御機器のリフトオフ電圧を増大
させる一因となる。
がある、ループからの過大電流および逆極性電流から機
器を保護しながら、ループの電圧降下、したがって機器
のリフトオフ電圧を低下させる保護回路を提供する必要
性がある。
せず、したがって簡単、確実でかつ費用効果性のある方
法で機器の精度を向上させる保護回路を提供する必要性
がある。2線式ループの低減されたインピーダンスまた
は回路の短絡のいずれかによって損われることがほとん
どないような回路が望ましい。
または伝導率の伝送器、または電流−圧力(I/P)変換
器、バルブ・アクチュエータ等のプロセス制御機器の性
能が損われたり、低下する事態の発生を低減するため、
電圧降下および漏洩電流を低減した過電流保護回路およ
び逆電流保護回路を備える。
け取り、このループ電流の一部を装置電流としてプロセ
ス制御機器に通過させる。ループと装置の間で装置電流
を伝導する第1の電流検出手段は、装置電流の振幅を表
わす第1の出力を発生する。2線式ループを横切って接
続された電流分流手段は、装置電流が上限で流れるとき
に、ループ電流の一部を分路電流としてループ側に還流
することによって第1の出力に応答する。第2の電流検
出手段は分路電流を伝導し、分路電流振幅を表わす第2
の出力を発生する。
第1のインピーダンス手段は、所定の上限を越えない値
に装置電流が制限されるよう第1のインピーダンスを変
化させることにより、第2の出力に応答する。
装置電流を伝導し、ループ電圧に応答する。この回路
は、ループ電圧が予定の極性から反転されたとき、装置
電流が当該装置を流れないようにするための第2の可変
インピーダンスを有する第2のインピーダンス手段を有
する。ループ電圧が適正な極性を備え、ループ電流が予
定の正常範囲内にあるときは、この回路は実質的に装置
電流をループ側に分流しない。
および逆電流保護回路を有する2線式プロセス制御機器
の第1の実施例のブロック・ダイアグラムである。
路を有するプロセス制御機器の第2の実施例の概略図で
ある。
の実施例のブロック・ダイヤグラムが示されている。機
器10は電源44および独立したプロセス制御装置42と直列
に接続され、DCループ電流を搬送する2線式ループ11を
形成する。障害状態では、そのような機器のループ電流
または電圧は所定の正常範囲、例えば、4−20mAループ
の場合は0−60mA(60mAは上限)を超える可能性があ
り、それにより圧力伝送器等のプロセス制御装置24の性
能が損われるか、低下するであろう。
の性能が損われたり、低下する事態の発生を低減するた
め、機器10は、ループ11からの電流を装置24に統合する
保護回路17を備える。保護回路17はDCループ電流(I1+
I2)を受け取り、ループ電流のうちの正常電流または装
置電流I1のみを装置24に通過させる。
これによって装置24の性能低下を防止または減少させ
る。ループ電流の残余、すなわち分路電流または過電流
I2は、装置電流I1の大きさを制御するように、ループ11
側へ分岐して戻される。したがって、正常電流I1の大き
さが正常範囲の上限に到達するまでは、分路電流I2はほ
ぼゼロである。
は、図1に示すプロセス変数“PV"を検出する。プロセ
ス制御装置24はプロセス変数PVの大きさの関数として可
変正常電流I1の振幅を制御し、またプロセス制御装置42
は、ループ電流(I1+I2)の大きさ、すなわち振幅を検
出し、ループ電流の振幅をプロセス変数PVと相関させる
ことにより、記録装置等の電流検出機器として働く。
器または電流−位置変換器等の出力装置でよい。この実
施例では、コントローラ等の独立したプロセス電流制御
装置42がループ電流(I1+I2)の振幅を制御し、プロセ
ス制御装置24はその出力であるプロセス変数PVを可変正
常電流I1の振幅の関数として制御する。
対するUS−A4665938に示されるような、ループ11を介し
て送られる時間変動信号を発生および受信するための回
路を含むことができる。
DC線路にディジタル・データを重畳することにより情報
を処理する、圧力伝送器等のマルチドロップ(multidro
p)・プロセス機器を使用するプロセス制御システムで
の使用に適する。
供給し、機器10はループ電流を機器10の端子40からルー
プ11に返す。機器10では、過電流保護回路16および逆電
流保護回路20がプロセス制御装置24をループ11からの過
大電流から隔離する。ループ電流(I1+I2)は端子12か
ら過電流保護回路16のノードAに流れる。後述するよう
に、ノードAでは、全ての過電流I2が第2電流検出手段
13に向かって流れ、一方の正常電流I1は逆電流保護回路
20のノードBに向かって流れる。
子22に向かって流れる。正常電流I1はさらにプロセス制
御装置24を通り、その端子26から出て導体31上を流れ
る。正常電流I1は、導体31から逆電流保護回路20を通っ
て導体33に向かって流れ、さらに過電流保護回路16を通
ってそのノードCに向かって流れる。ノードCで、電流
分流手段38からの過電流I2が正常電流I1と加算されて、
全ループ電流(I1+I2)がノードCから端子40を介して
流れ、ループ11に戻る。
の端子22と26の間に電圧V2を誘起する。電圧V2はループ
電流(I1+I2)の極性を表わす。ループ11に接続された
電圧検出手段18は電圧V2を検出し、電圧V2を表わす出力
3を発生する。ループ電圧V2が適正な極性であるとき
は、電圧検出手段18は実質的に装置電流I1をループ11側
に分流しない。
18が検出したときは、第2可変インピーダンス30のイン
ピーダンスが出力3に応答して低減され、正常電流I1は
プロセス制御装置24および第2可変インピーダンス30を
介して過電流保護回路16に向かって自由に流れる。
されたもの、または大きさが不十分であると検出したと
きは、可変インピーダンス30のインピーダンスは出力3
に応答して増大され、その結果、プロセス制御装置24お
よび可変インピーダンス手段30を流れる正常電流I1が減
少される。
ス30を有する逆電流保護回路20は、ループ電圧V2の関数
である出力3に応答し、ループ電圧V2が適正な極性であ
るときは、ノードBにおいて、実質的に装置電流I1をル
ープ11側に分流しない。
1のレベルを制御する。電流分流手段38の可変インピー
ダンスは出力1のレベルに応答する。正常電流I1が所定
の上限レベルで流れるときは、電流分流手段38のインピ
ーダンスが低減されるレベルに出力1が達するので、電
流分流手段38および、これと直列接続された第2電流検
出手段13に分路電流I2が流れる。第2電流検出手段13を
流れる分路電流I2の振幅は出力2のレベルを制御する。
ーダンス32のインピーダンスを制御する。可変インピー
ダンス32のインピーダンスは、ループ11からプロセス制
御装置24および可変インピーダンス32を通って直列に流
れる正常電流I1の振幅を、正常電流I1が予定の正常範囲
を越えないように制御する。
護回路16は、プロセス制御装置24の性能を損うか、低下
させるかする恐れのある予定上限値をループ電流(I1+
I2)が越えたときでも、装置電流I1が上記予定の上限を
越えないようにする。さらに、この回路は、低減された
電圧降下を2線式ループに誘起する。しかも、この回路
はもう1つの装置42のインピーダンスに対しては比較的
不感である。
続されて、DCループ電流を搬送する2線式ループ43を形
成する2線式プロセス制御機器46の第2の実施例の概略
図を示す。機器46は過電流保護回路52、逆電流保護回路
54およびプロセス制御装置24から構成され、2つの回路
は2線式ループ43とプロセス制御装置24の間に配置され
ている。
置電流I1のみを、逆電流保護回路54を介してプロセス制
御装置24に向けて通過させる。ループ電流の残余、すな
わち分路電流または過電流I2は過電流保護回路52によ
り、ループ43に向けて分流される。後述のように、過電
流I2はノードDとEの間のインピーダンスを制御する出
力を発生し、ノードDとEの間を流れる正常電流I1のレ
ベルを正常範囲に維持する。過電流I2は、装置電流I1が
予定の上限に達するまでほぼゼロである。
流保護回路52の端子12に供給する。ループ電流(I1+
I2)は端子12からノードAに向かって流れる。ノードA
で、分路電流I2は抵抗器50に向かって流れ、一方の正常
電流I1は逆電流保護回路54のノードBに向かって流れ
る。ノードBで、正常電流I1はプロセス制御装置24の端
子22に伝達される。
に向かって流れ、さらにノードDに向かって流れる。正
常電流I1はノードDからノードEを介して過電流保護回
路52のノードCに向かって流れる。ノードCで、トラン
ジスタ68からの分路電流I2が通常電流I1と加算されるの
で、全ループ電流(I1+I2)がノードCから流れ出て、
プロセス制御機器42の端子40を介してループ43に戻る。
の間に電圧V2を誘起する。電圧V2はループ電流(I1+
I2)の極性を表わす。端子22と26の間に接続されたエン
ハンスメント形電界効果トランジスタ(FET)56は、ゲ
ート80とソース82の間の抵抗器94を介して電圧V2を極性
を検出する。FET56をバイポーラ・トランジスタに置き
換えた場合のベースからエミッタへの漏洩とは違って、
装置電流がゲート80からソース82を経てループ43に実質
的に分流されることはない。漏洩電流はプロセス制御機
器の精度を低下させるので望まし4くない。
圧V2によってFET56のエンハンスメントが行なわれ、FET
56がターンオンされる。その時、ソース82とドレイン84
の間のインピーダンスは実質上ゼロに低減されるので、
正常電流I1はプロセス制御装置24およびFET56のソース8
2からドレーン84に自由に流れる。ソース82からドレー
ン84へのインピーダンスは他のループ・インピーダンス
と比べて実質的にゼロであるので、FET56が装置電流I1
を通すとき逆電流保護回路54によってループ43に誘起さ
れる電圧降下はほぼゼロである。
に、ループ電流(I1+I2)が正しい極性から反転された
ときは、FET56は空乏モードで動作してターンオフされ
るので、ソース82とドレイン84との間のインピーダンス
は増大され、したがって、プロセス制御装置24を流れる
正常電流I1が大幅に減少する。
し、ループ43と過電流保護回路52の間に配置され、ルー
プ電流(I1+I2)を導通させることができる。過電流保
護回路52が省略されたときは、逆電流保護回路54をルー
プ43とプロセス制御装置24の間に配置でき、その場合
は、ループ電流と同じである装置電流I1を導通させる。
れる正常電流I1は、正常電流I1の振幅を表わす電圧V4を
誘起する。正常電流I1が正常動作範囲の上限に達する
と、ベース68とエミッタ66の間の電圧V4が電流分流手段
であるバイポーラ・トランジスタ62にオン・バイアスを
供給する。バイポーラ・トランジスタ62はFET等でもよ
い。
流I2はノードAから電流検出抵抗器50、トランジスタ62
のコレクタからエミッタを介し、さらに抵抗器90を介し
てノードCに向かって流れる。分路電流I2は、その振幅
を表わす電圧V5を抵抗器50に誘起する。抵抗器50はトラ
ンジスタ等のような、電流に対応する電圧を発生する他
の電流検出手段を含むこともできる。
メント形FET70が空乏モードで動作してターンオフされ
るように、ゲート74とソース76の間に電圧V6=V1−V5−
V4を発生させる。
ース76へのインピーダンスが十分に増大され、ほぼ全て
の正常電流I1が、FET70のドレーン72からソース76を経
由する代りに、それと並列な電流制限手段としての抵抗
器58を介して、ノードDからノードEに流れる。抵抗器
58または同等の高インピーダンス電流制限手段は、装置
電流I1の大部分を通すときに大量の電力を消費するため
の大きな電力定格を有する。
れる電圧V2、V7、およびV4の和が端子電圧V1に等しくな
るような抵抗値を有し、したがって、正常電流I1を上限
に制限する。FET70はバイポーラ・トランジスタで置き
換えることができるが、バイポーラ・トランジスタのベ
ースとエミッタの間の漏洩電流は機器46の精度を悪くす
る。
は、誘起電圧V4はトランジスタ62をオン・バイアスする
には不十分であり、実質的な分路電流I2が抵抗器50を流
れず、電圧V5はほぼゼロであり、FET70はエンハンスさ
れ、ターンオンされる。エンハンスされたFET70では、
ドレーン72からソース76へのインピーダンスがほぼゼロ
に低減され、ほぼ全ての正常電流I1は抵抗器58の代わり
にFET70のドレーン72からソース76を経由してノードD
からEに流れ、電圧V7はほぼゼロに低減される。
流I1を正常範囲に制限するための低減された電圧降下を
誘起する可変インピーダンスとして働き、分路電流I2を
表わす電圧V5に応答する。
起される唯一の実質的電圧降下はV4であり、これは通常
の順バイアス・ダイオードの電圧降下よりもかなり低
い。他の全ての構成要素は最小の電力定格しか必要とし
ないので、費用および寸法要件が緩和され、信頼性が向
上する。さらに、過電流保護回路52は電源44のインピー
ダンスとは無関係に動作し、正常電流I1が上限値で流れ
る間、どの構成要素にも大きな負荷を加えることはな
い。上限よりも小さい正常電流I1の振幅は、従来の保護
回路と比べてかなり低減されたリフトオフ電圧V1=V2+
V4+V7を発生する。開示した発明のような、低減された
リフトオフ電圧を有するプロセス制御機器は工業プロセ
ス制御産業にとって非常に有用である。
と40の間のスパークを発生する可能性が低減される。次
に、低いリフトオフ電圧を有する機器は、電源44により
発生されるような安全な電源レベルで動作させつつ、遠
隔プロセス制御機器を配置することができる距離を増大
させる。開示した発明のようなプロセス制御機器の保護
回路は、通常動作中に実質的には装置電流をループ側に
分流せず、プロセス制御機器の精度を向上させる。
抵抗器92は、抵抗器90および94と共に、過電流保護回路
52および逆電流保護回路54のための本質的な安全保護を
もたらす。開示した上記回路は、爆発性雰囲気に着火す
ることができるスパークを生じるのに十分なエネルギで
放電可能なコンデンサまたはインダクタ等、十分なエネ
ルギ蓄積の能力を有する構成要素を含まない。
Claims (12)
- 【請求項1】装置電流を受け取るプロセス変数制御装置
と、2線式ループからループ電流を受け取り、ループ電
流の一部を、予定の上限を越えない装置電流として当該
装置に流通させる電流保護回路とから成るプロセス制御
機器において、前記保護回路が、 ループと装置の間で装置電流を流通させ、装置電流を表
わす第1の出力を発生するための第1の電流検出手段
と、 前記装置電流が予め設定された上限値以上であること
を、前記第1の出力が示すとき、前記第1の出力に応答
し、分路電流を表わす第2の出力を発生する第2の電流
検出手段を介して、ループ電流の一部を分路電流として
ループ側に分流させるための、ループを横切って接続さ
れた電流分流手段と、 装置電流を規定する可変インピーダンスを有し、第2の
出力に応答して、装置電流が予定の正常範囲を超えない
ようにそのインピーダンス値を変化して、装置電流を制
限するためのインピーダンス手段とを具備したプロセス
制御機器。 - 【請求項2】前記可変インピーダンスの大きさが、第2
の出力の関数として制御される請求項1の機器。 - 【請求項3】前記インピーダンス手段のインピーダンス
値は、ループ電流が装置電流の上限を越えないとき、ほ
ぼ全てのループ電流が前記プロセス変数制御装置を通っ
て流れることを可能にするような値に制御される請求項
1または2の機器。 - 【請求項4】第1および第2の電流検出手段がそれぞれ
別個の抵抗器を含む上記請求項1〜3のいずれかの機
器。 - 【請求項5】電流分流手段がトランジスタを含む上記請
求項1〜4のいずれかの機器。 - 【請求項6】インピーダンス手段が電界効果トランジス
タを含む上記請求項1〜5のいずれかの機器。 - 【請求項7】2線式ループから装置電流を受け取るプロ
セス変数制御装置と、ループと装置の間で装置電流を伝
導する逆電流保護回路とから成るプロセス制御機器にお
いて、前記逆電流保護回路は、 ループを横切って接続され、検知されたループ電圧を表
わす出力を発生する電圧検出手段と、 装置電流を流通させると共に、ループ電圧が予定の極性
から反転されたときは、上記出力に応答してそのインピ
ーダンスが増大され、装置電流が装置を流れるのを阻止
するためのインピーダンス手段とを有し、 前記逆電流保護回路は、ループ電圧が予定の極性である
ときは、上記出力に応答してそのインピーダンスが低減
され、実質的に装置電流をループ側に分流させないこと
を特徴とするプロセス制御機器。 - 【請求項8】装置電流を受け取るプロセス変数制御装置
と、2線式ループからループ電流を受け取り、ループ電
流の一部を装置電流として当該装置に流通させる電流保
護回路とから成るプロセス制御機器において、 装置電流を流通させ、装置電流を表わすセンサ出力を発
生するための電流検出手段と、 ループを横切って接続され、センサ出力が装置電流の上
限値到達を示すとき、センサ出力に応答してそのインピ
ーダンスが減少させられ、予定の上限を越えるループ電
流をループ側に分流させる電流分流手段と、 装置電流を流通させる第1の可変インピーダンスを有
し、ループ電圧が予定の極性から反転されたとき、装置
電流が当該装置を通って流れるのを阻止する逆電流保護
回路とを具備し、 上記第1の可変インピーダンスによって制御される電流
範囲および装置電流の上限値に、装置電流を制限するこ
とを特徴とするプロセス制御機器。 - 【請求項9】電流分流手段は、装置電流を上限を越えな
い値に制限するように、電流検出手段のセンサ出力が装
置電流の上限レベル到達を示すときに、その値が低減さ
れる第2の可変インピーダンスをさらに含む請求項8の
機器。 - 【請求項10】第1の可変インピーダンスはループ電圧
に応答し、ループ電圧が予定の極性から反転されたとき
は、そのインピーダンスが増大され、ほぼ全ての装置電
流がプロセス変数制御装置を通って流れるのを阻止する
請求項8または9の機器。 - 【請求項11】電流分流手段は、ループ電流が装置電流
の上限を超えないときはそのインピーダンスが増大さ
れ、これによってほぼ全てのループ電流がプロセス変数
制御装置を通って流れることを可能にし、第1および第
2の可変インピーダンスはそれぞれ別個の電界効果トラ
ンジスタを含み、電流検出手段は抵抗を含む請求項8、
9または10のいずれかの機器。 - 【請求項12】装置電流は4ないし20ミリアンペアの範
囲内にあり、装置電流とループ電流は、分路電流がほぼ
ゼロの場合にほぼ等しくなる請求項8、9、10または11
項のいずれかの回路。
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