CN102084307B - 用于具有低压本质安全钳的现场设备的rf适配器 - Google Patents

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Abstract

一种用于与过程控制变送器(308)耦合的适配器(300)，该类型的过程控制变送器(308)用于监视工业过程中的过程变量，所述适配器(300)包括第一连接，被配置为与双线过程控制环路(302)的第一侧耦合；第二连接，被配置为与所述双线过程控制环路(302)的第二侧耦合并且与第一连接串联至所述过程控制变送器(308)；以及第三连接，被配置为与所述过程控制变送器(308)的第二连接耦合。无线通信电路至少与所述第三连接耦合，并且被配置为向所述过程控制变送器(308)提供无线通信。与所述第一、第二和第三连接中的至少一个耦合的本质安全电路(460)被配置为将电能的传输限制为小于本质安全值的值。

Description

用于具有低压本质安全钳的现场设备的RF适配器
技术领域
本发明涉及工业过程控制或监视系统。更具体地，本发明涉及在这种系统中支持射频(RF)通信的现场设备。
背景技术
在工业背景下，控制系统用于监视和控制工业和化学等过程的库存。一般地，控制系统使用分布在工业过程关键位置处并且通过过程控制环路来与控制室中的控制电路耦合的现场设备执行这些功能。术语“现场设备”指代在分布式控制或过程监视系统中执行功能的任何设备，包括在工业过程的测量、控制和监视中所使用的当前已知或尚未已知的所有设备。
一些现场设备包括传感器。传感器意味着基于物理输入生成输出信号，或基于输入信号生成物理输出。一般地，传感器将输入转换为具有不同形式的输出。传感器的类型包括各种分析设备、压力传感器、热敏电阻、热电耦、应变计、流量传送器、定位器、致动器(actuator)、螺线管、指示灯等等。
一般地，每个现场设备还包括用于在过程控制环路上与过程控制室、或其他电路进行通信的通信电路。在一些设施中，过程控制环路也用于向现场设备传输已调节的电流和/或电压，以向现场设备供电。过程控制环路还携带模拟或数字格式的数据。
传统上，通过双线过程控制电流环路将模拟现场设备与控制室相连，且每个设备通过单根双线控制环路与控制室相连。一般地，将双线之间的电压差维持在12-45伏特(针对模拟模式)和9-50伏特(针对数字模式)的电压区间中。一些模拟现场设备通过将在电流环路中流动的电流调制到与感测到的过程变量成比例的电流上，来向控制室发送信号。在控制室的控制下，其他模拟现场设备可以通过控制流经环路的电流的大小，来执行动作。除此之外或者作为备选，过程控制环路可以携带用于与现场设备进行通信的数字信号。
在一些设施中，已经开始使用无线技术与现场设备进行通信。例如，完全使用无线设施，在该无线设施中，现场设备使用电池、太阳能电池或者获得功率同时不需要任何形式的有线连接的其他技术。然而，多数现场设备与过程控制室进行硬连线，而不使用无线通信技术。此外，在很多现场设施中，必须实施“本质安全”标准，其限制了所存储的能量可以放到环境中的量。
发明内容
一种耦合到过程控制变送器的适配器，该类型的过程控制变送器用于监视工业过程中的过程变量，所述适配器包括第一连接，被配置为耦合到双线过程控制环路的第一侧；第二连接，被配置为耦合到所述双线过程控制环路的第二侧，以及与第一连接串联耦合至所述过程控制变送器；以及第三连接，被配置为耦合到所述过程控制变送器的第二连接。无线通信电路至少耦合到所述第三连接，并且其被配置为向所述过程控制变送器提供无线通信。耦合到所述第一、第二和第三连接中的至少一个的本质安全电路被配置为将电能传输限制为小于本质安全值的值。
附图说明
图1是包括被配置为用于无线通信的现场设备在内的过程控制监视系统的简化框图。
图2是过程控制器监视系统的框图，在该系统中多个现场设备向远程仪表发送信息。
图3是包括用于与远程设备(例如手持单元)通信的无线通信电路在内的现场设备的分解切面剖视图。
图4是包括用于无线通信的现场设备在内的过程控制器监视系统的图，该现场设备从过程控制环路中获取功率。
图5是图4所示的电路的更详细的示意图。
图6是在图5所示的电容器上测量的电压对时间的图。
图7是用于在过程控制器监视系统中提供无线通信的电路的电子框图。
图8A和8B是示出了通过双线过程控制环路与过程变量变送器耦合的无线通信适配器的框图。
图9是示出了无线通信适配器的电路的简化框图。
图10是示出了耦合到变送器的无线适配器的简化横截面图。
图11是示出了包括本质安全栅的过程控制环路的简化图。
图12是示出了包括本质安全电路的无线适配器的简化示意图。
图13是图12的无线适配器的更详细的示意图。
图14是示出了有源电路的本质安全电路的简化示意图。
图15是示出了使用有源本质安全电路的无线适配器的简化示意图。
图16是图15的无线适配器的更详细的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种现场设备和/或适配器，其被配置为与过程控制环路耦合，所述过程控制环路还包括用于单向或双向无线通信的无线通信模块。无线通信模块可以从远程设备或位置发送和/或接收RF信号。可以从双线过程控制环路接收的功率来直接向模块供电，或可以用从过程控制环路中接收并且存储以备后续使用的功率来供电。该模块可以是可拆卸式模块，其中，该模块仅需要耦合到那些需要无线通信的现场设备。该模块可以被配置为适配器，以对现有变送器进行翻新。提供电路用于本质安全保护。
图1是过程控制或监视系统的简化框图，在该系统中控制室或控制系统12在双线过程控制环路16上耦合到现场设备14。现场设备14包括I/O电源电路18、致动器/传感器20以及无线通信电路22。无线通信电路22被配置为使用天线26来发送和/或接收RF信号24。
当前，工业仪器经常包括可以用于对过程信息进行本地监视的本地显示器或“仪表”。该仪表在很多设施中是非常有用的，然而，这种本地显示器配置确实具有若干限制。本地显示器要求对现场设备的直接可视接入。此外，一般操作者一次仅可以查看单个仪表。包含仪表的仪器通常不在方便的位置或观看角度。已经用于处理这种配置的一个技术是使用与过程变送器连线的仪表。这允许在更方便的位置处安装仪表。在于2002年4月22日提交的序号10/128,769、题为“PROCESSTRANSMITTER WITH WIRELESS COMMUNICATION LINK”的美国专利申请中示出了并描述了另一种技术。
对于本发明，在现场设备中包括了RF通信模块，或除了与过程控制环路(例如环路16)的连接之外，将该RF通信模块配置为对现场设备进行翻新的适配器。无线通信模块22可以被配置为紧凑并且较低功率的，使得可以容易地将其包括在现有的现场设备配置中。该模块可以用于对在监视控制和/或数据显示中使用的信息进行无线发送。这种无线变送器可以让现场设备信息在本地区域中可用。例如，可以提供单个的本地显示器(例如显示器32)，并且使用它来显示来自现场设备14的信息。显示器32可以被配置为显示来自若干设备的信息，或者同时地、顺序地进行，或通过向显示器提供的命令进行，例如使用手动输入(例如对操作者可用的按钮)。可以将显示器32放在固定的位置处，或其可以是便携式设备，使得可以在过程控制系统中携带它，以监视和观察各种现场设备的操作。取决于RF信号24的强度以及发送和接收电路的灵敏度，可以依照需求来控制RF发送所覆盖的区域。例如，图2是过程控制系统50的简化图，在该系统中一定数量的现场设备14通过单独的过程控制环路16耦合到控制室12。每一个现场设备14发送由显示器32接收的RF信号24。在该示例中，显示器32能够显示使用天线52从现场设备14接收的四个过程变量(PV1、PV2、PV3和PV4)。如上所述，显示器32可以是固定显示器，或者可以是便携式显示器，例如手持单元。在该特定配置中，将显示器32示意为对与过程压力相关的两个过程变量以及与过程温度相关的两个过程变量进行示出。这允许现场设备14在所需范围(例如在本地区域)中的RF连接上提供信息。例如，如果显示器32在现场设备14的40米范围内，其将能够接收和显示来自该现场设备的信息。可选用户输入48可以用于例如选择显示的格式、显示的过程变量、或用于查询现场设备14。
图3是作为现场设备的一个示例的压力变送器60的简化剖视部分分解图。压力变送器60耦合到双线过程控制环路16，并且包括变送器外壳62。过程控制环路16与端子板58上携带的端子56耦合。压力传感器64提供传感器的一个示例，并且被配置为耦合到过程装置，以测量在过程液体中发生的差压(differential pressure)。向与现场设备电路68耦合的测量电路66提供来自传感器64的输出。现场设备电路68实现了图1所示的I/O电源18的方面。无线通信电路22与现场设备电路68耦合，并且在一些实施例中，无线通信电路22可以与过程控制环路16耦合。
外壳62包括可以拧入外壳62的端盖70和72。端盖72包括RF透过性窗口74，该窗口74通常被配置为与无线通信电路22上携带的天线26对齐。当附着时，端盖向变送器60中的电路提供本质安全外罩。端盖中一般使用的材料(例如金属)对于RF信号是不透明的。然而，RF透过性窗口74允许由天线26发送和接收RF信号。窗口74所使用的一个示例RF透过性材料是玻璃或类似物。然而，可以使用任何恰当的材料。窗口和外壳配置可以帮助满足本质安全要求，并且提供防火(防爆)能力。此外，外壳62中的腔体可以被配置为提供天线26生成的RF信号的所需辐射模式。例如，在一些实施中可能需要让RF发送是定向的，或者在其他实施中可能是全向的。在其他实施中，可以加长盖子62以提供用于容纳无线通信电路22的附加内部腔体。
可以依照需求来选择无线通信电路22。一个示例电路是可从Millennial Net购买的“I-Bean”变送器设备。然而，可以使用其他电路。可以使用无线通信电路22来读取和发送在过程控制环路16上携带的模拟或数字信号，而不干扰过程控制环路16或现场设备电路68的操作。用于无线发送的电路应当足够小并且低功率，以适合过程现场设备的物理和功率限制。一些现有技术的变送器被配置为接收一般在图3中无线通信电路22所示的位置处布置的可选显示器。在这种配置中，可以使用无线通信电路22来取代本地显示器。在这种配置中，通信无线电路22简单地发送与过程控制环路16直接耦合的RF信号，并且发送与环路16上携带的任何模拟和/或数字信号相对应的RF信号。
一般而言，本文讨论的过程控制环路可以包括在工业过程控制和监视系统中使用的过程控制环路。这种环路包括4-20mA电流环路，在该电流环路中，模拟电流电平在4和20mA之间改变以发送信息。可以使用相同的控制环路向现场设备供电。另一种类型的过程控制环路依照于通信协议，在该协议中在4-20mA信号上叠加数字发送，用于发送附加信息。另一个示例双线过程控制环路使用由美国仪器协会(ISA)阐述的被称作Field Bus SP50协议的协议。然而，可以使用端信令协议。一些过程控制环路被配置为与多个现场设备相连，使得现场设备可以彼此通信，或监视来自另一个现场设备的发送。一般而言，可以使用本发明的无线通信技术来发送在这种过程控制环路上发送的任何类型的信息、或者可用的或由现场设备内部生成的或接收的任何类型的信息、或者用于控制现场设备的任何类型的信息或其他类型的信息。在另一个示例中，可以由操作者将用于配置现场设备的手持单元或设备带入现场。当手持设备在现场设备附近时，操作者使用手持设备向现场设备发送或接收信息。这允许操作者收集信息或对现场设备编程，而不需要与设备或物理过程控制环路物理地耦合。
在一些实施例中，还需要来自现场设备或到现场设备的携带寻址信息的通信。寻址信息可以指示发送的源或发送的预期接收方。无线通信电路可以依照需求持续发送，或基于周期性或间歇原则进行发送。在另一个示例中，无线通信电路仅当被激活或“被轮询”时进行发送。该激活可以来自现场设备的内部源，可以通过过程控制环路接收，可以从无线源接收，或由另一个源接收或生成。在多个现场设备可以同时发送的环境中，应当选择发送协议以避免或处理可能干扰发送的任何类型的冲突。例如，可以使用不同的频率或频率跳过技术，可以使用随机或半随机发送窗口，可以实现重复发送或基于令牌的技术或依照需求的其他冲突避免技术。如果发送包括错误检测或纠正信息，该信息可用于检测发送中的错误和/或纠正发送中的任何错误。如果错误是不可纠正的，接收单元可以请求受损数据的重发送，或可以指示错误，或可以等待数据的后续发送，或依照需求采取其他步骤。
图3还示出了用于在RF连接82上与电路22通信的示例手持设备80。手持设备80包括显示器84和用户输入86。可以在手持设备80中包括其他类型的输入和输出。优选地，手持设备80是电池操作的，并且可以由操作者带入现场中，用于与现场设备60进行通信。在显示器84上显示来自现场设备60或来自其他源的信息，并且使用输入86来控制手持设备。可以由手持设备80向现场设备60发送命令或其他信息。
在一个配置中，无线通信电路要求在现场设备中可用的功率限制内的功率。例如，在现场设备中当前使用的一个显示器使用3.6伏特和0.5mA。如果使用能够操作LCD仪表的变送器，则无线通信电路可以取代LCD仪表并且使用用于驱动LCD仪表的相同电源。在另一个示例中，直接从过程控制环路向无线通信电路供电，例如使用从与过程控制环路串联的二极管压降上得到的电压。在通信电路不使用电池的实施例中，电路可以更容易地满足本质安全或其他安全认证要求，并且提供无限期的现场寿命，而不需要电池替换或维护。在无线配置仅用于发送信息的配置中，可以减少功率要求。在另一个示例中，如果需要更大的发送范围，固定设备(例如图1所示的显示器32)可以包括用于从现场设备接收或向现场设备发送数据的重发的RF转发器。RF转发器可以是环路供电的，或可以从其他源获取其功率。此外，一旦接收到RF数据，可以将RF数据重新格式化为过程控制系统中使用的现有数据发送格式，用于在其他介质上发送，例如以太网连接，在扩展范围RF通信链路上，例如蜂窝式电话，或使用另一种技术进行中继。
图4是示出了本发明的另一个方面的过程控制器或监视系统100的简化图。在系统100中，现场设备14通过过程控制环路16以及通过接线盒102与控制系统12相连。在图4的实施例中，现场设备104与过程控制环路16耦合，并且现场设备104包括无线通信电路122。无线通信电路122被配置为发送RF信号106，并且完全由从过程控制环路16接收的功率来供电。
过程设备104包括功率稳压器110、分路或旁路112、以及超级电容器114。在操作期间，通过使用从过程控制环路16分流出的额外电压，使用功率稳压器110对超级电容器114进行缓慢的充电(涓流充电)。旁路112允许环路16正常操作，并且旁路112与环路16串联。通信电路122包括用于接收在过程控制环路16上携带的模拟和/或数字信息的电路。电路122可以响应于接收到的信息来发送RF信号106。如果作为接收器操作，电路122能够将数据调制到环路16上携带的电流上。这可以是模拟或数字信息。该配置允许在无线通信网络上中继数据。可以依照于任何类型的拓扑结构来配置网络，包括点对点、星型和网格拓扑。可以将过程设备104位于环路上的任何位置处，包括被配置为如图4所示的单独的设备。在一些设施中，现场设备104应当是现场变硬的，并且被配置为用于本质安全操作。还可以将设备104位于另一个现场设备14中，作为接线盒102的一部分，或甚至位于覆盖控制系统12的控制室中。现场设备104可以与多于一个RF电路122和或多于一个过程控制环路16相连，同时地或者通过使用多路复用器或其他技术。
超级电容器的使用允许设备工作，而不需要内置电池或其他技术。电容器的使用允许快速充电以及充分大的能量电势的存储。当在有害环境中使用时，为了满足本质安全标准，大能量存储可能是不可接受的。然而，可以将过程设备104移动到远离有害环境处，例如接线盒102，在那里不要求本质安全。
图5是现场设备104的简化示意图，其更详细地示出了超级电容器114。在该示例中，超级电容器114包括两个10法拉电容器，他们被配置为每一个电容器携带2.5伏特电势。这产生了具有5伏特压降的5法拉等价电容器。假定无线通信电路122能够以4和5伏特之间的电压进行操作，则来自每一个5法拉电容器的可用能量是：1/2*C(Vi 2-VF 2)，其为1/2*5*(52-42)＝22.5J。
图6是在超级电容器114上测量的电压对时间的图。在该示例中，发送周期td为1秒的脉冲信号的600mW无线变送器将要求0.6J/S*1s＝0.6J的能量。因此，存在充足的能量可用于这种通信电路122的操作。
用于向过程控制环路供电的典型电源提供24伏特DC。然而，在4-20mA系统中，变送器可以仅要求12伏特以进行操作。在过程控制环路中的配线损耗可以引起2至4伏特的压降。假定仅5伏特可用于对超级电容器114充电，并且假定过程控制环路以低电流电平(即4mA)进行操作，则依然存在20mW可用于向超级电容器114充电。由于在发送循环中仅消耗了0.6J，可用的20mW将在时间tc＝0.6J/0.02W＝30s后将超级电容器充电至满容量。因此，这种配置将能够每30秒发送具有1秒时间长度的信号。假定通信信号的带宽是200Kb/s，并且分组大小200b，则将脉冲时间减少至一毫秒，并且作为结果的发送时间是0.03秒。在这种配置中，由于诊断数据不具有时间关键性，因此可以容易地发送该诊断数据。然而，如果足够快的充电时间可用，则还可以无线地发送控制和过程变量信号。
尽管描述了超级电容器，可以使用任何能量存储设备，包括电池、或其他的。用于对存储设备充电的能量可以是电或磁，并且可以从任何源得到或收集到。
图7是过程控制器监视系统150的简化图，该系统150包括通过双线过程控制环路156与现场设备154耦合的控制室152。过程控制环路156在本质安全栅(barrier)158上延伸。将控制室152建模为包括电源160和负载电阻162。
现场设备154可以是任何配置的，并且不受限于图7所示的特定示意。可以在现场设备的端子块中实施电路170。例如，可以将电路170配置为附加模块，使得双线过程控制环路156可以与现有的变送器电路相连。
在图7所示的配置中，通信电路170使得向新的或现有的过程控制环路或现场设备添加无线通信能力成为可能。电路被配置为由过程控制环路供电，并且可以将其安装到环路中的任何位置，从控制室、环路本身上的任何位置、在本质安全(IS)栅或接线盒158、作为独立的现场设备、或包括在另一个现场设备中。该电路可以被配置为用于任何类型的通信。然而，在一个简单配置中，电路170被配置为测量在过程控制环路156中携带的电流，并且向无线接收器发送与测量的电流相关的输出。
现在参见图7所示的电路170的一个特定实施例，传感电阻180和电源二极管182与过程控制环路156串联。传感电阻180可以是例如10欧姆，并且用于感测过程控制环路156中携带的电流电平I。测试二极管184也与环路156串联，并且提供测试点186。这可以用于校准或特征化与电路170耦合的现场设备。提供本质安全保护电路190，其包括如图所示在二极管182上连接的二极管192和在传感电阻180的相反端处连接的绝缘电阻194。二极管182是电源196的一部分，电源196包括电容器198、输入滤波器200、稳压器202、电容器204和辅助滤波器206。辅助滤波器206包括电容器208和电阻210。电源电路196生成相对于电路接地的电源电压VDD，用于由测量环路电流和无线发送结果信号的电路来使用。尽管示出了特定的电源实现，依照需求可以使用任何恰当的电源配置或实施例。
在该实施例中，输入电路218包括传感电阻180，并且输入电路218被配置为测量流经环路156的电流I。输入电路218还包括向OP amp 222提供差分连接的滤波器220。OP amp向模数转换器226提供放大的输入信号，将模数转换器226示为微处理器224的一部分。提供时钟电路228，并且其用于向例如微处理器224提供时钟信号。可选的发送和接收电路230与微处理器224、环路156、时钟电路228和RF发送/接收电路232相连。可选的电路230被配置为从微处理器224接收数字片选信号(CS1)。RF电路232被配置为从微处理器224接收分离的数字片选信号(CS2)。电路230和RF电路232都被配置为在SCI总线上与微处理器224通信，取决于激活哪个片选。微处理器224还被配置为向运算放大器222提供关闭信号。微处理器224包括用于存储编程指令、临时和永久变量以及其他信息的存储器236，并且可以同时包括易失性和非易失性存储器。该存储器可以包括例如EEPROM，并且可以包含唯一标识电路170的寻址信息。RF电路232耦合到天线240，天线240可以依照需求被配置为内置天线、外置天线、或其结合。电路170被配置为在双线过程控制环路156上耦合，使得环路156可以端接于另一个现场设备，例如过程变送器或过程控制器。
可以在单个印刷电路板上实现图7所示的电路170，使得将RF天线240与该板集成。该配置允许容易地在现有现场设备上实现电路170，并且不要求使用外置天线。这减少了安装复杂度。
可选的发送/接收电路230可以用于监视在过程控制环路上携带的数字信号，例如过程变量。基于感测到的数字信号，电路230可以控制RF发送/接收电路232的操作，用于发送与感测到的过程变量相关的信息或其他信息。如果依照于完整协议以及恰当的RF协议栈来实现电路，则电路可以实现网关级功能，该功能将允许主机以双向方式通过RF网关设备与支持的现场设备在过程控制环路156上通信。这允许与现场设备的无线通信，用于监视、配置、诊断或交换其他信息或数据。
经常地，在过程控制或监视设施中，要求操作者物理地接入现场设备或过程控制环路，以与现场设备交换信息。这允许操作者修理装置，并且在装置上进行预防性的维护。本文阐述的无线通信配置允许操作者对处于难以接入的位置处的现场设备进行查询。此外，即使在现场设备可容易接入的配置中，无线通信电路不要求操作者移除装置(例如变送器或集线盒)上的盖子例如，以将用于到过程控制环路的物理连接的环路配线暴露在外。在可能存在爆炸性气体或蒸汽的有害位置中，这可以是特别有利的。可以由无线通信电路来感测数字或模拟过程比变量，并且将其发送至如上所述的无线仪表或手持设备中。
在操作期间，电路170与过程控制环路156串联，其中，电路170使用流过环路的4-20mA电流向自身供电。对于使用公共电接地的现场设备，可以将电路170插入环路连接的高电压侧。该配置允许对现场设备中其他总线电路的接入，例如CAN接口。该配置包括在测试期间用于测量环路电流的测试连接186。传感电阻180优选地被配置为提供与在端子181处测量的为零的等价电容，该端子181依照于本质安全标准与环路156相连。电路170被配置为用于在3和4伏特之间的标称操作，并且齐纳二极管182以及传感电阻180设置该操作电压。在4-20mA电流环路上可用的额外电压足以操作电路170。此外，可以使用功率管理技术将从环路抽取的电流限制为大约3mA。这允许与过程控制环路相连的任何现场设备发送3.6mA的警告电平信号，而不通过抽取多于可用电流电平来损坏电路。
齐纳二极管182作为与环路156串联的分路元件，以在输入滤波器阶段上获得预先调节的电压。通过齐纳二极管182将电路170所不使用的环路电流的任何部分加以分路。输入滤波器200可以包括容性、感性以及阻性的元件，并且用于将环路与电路170生成的任何噪声或负载波动相隔离。这还抑制了扩展频带中的噪声，以遵循标准。
电压稳压器202可以是任何恰当的电压稳压器，例如但不限于线性或开关式稳压器，并且用于向电路提供电压VDD。滤波器206用于存储能量，并且还将电路负载与稳压器202去耦合。在电路负载改变期间，允许辅助滤波器206的输出电压下降几百毫伏特。这允许电路172抽出的峰值电流与4-20mA电流环路进行平均。
在该实施例中，在空闲操作的时间段中，可以让包括A/D转换器的微处理器224以及RF电路232和输入电路218进入睡眠模式或低功率模式，以减少功耗。例如，以选择的间隔，例如每10秒，微处理器中的内置定时器可以使得A/D转换器测量环路电流成为可能。允许将测量电路安放在A/D转换发生之前。在完成A/D转换之后，将环路测量电路和A/D转换器都关闭以保留功率。微处理器将测量值传递给RF电路232用于发送。当完成发送时，微处理器和RF电路返回低功率模式，直到下一个循环。微处理器甚至可以将其自身进入临时睡眠以节约功率。使用这些功率管理技术，微处理器能够通过降低稳压器阶段的负载需求，来管理电路的整体电流要求。
使用与4-20mA电流环路156串联的10欧姆感测电阻180来达成环路电流测量，以测量模拟电流电平。对在传感电阻180上得到的电压进行滤波，以移除由于数字通信和任何环路噪声所产生的波动。运算放大器阶段222提供其他的信号调节，并且将信号传递给微处理器224的A/D转换器226。
RF电路232可以是依照需求的任何恰当电路或配置。在一个简单形式中，RF电路232简单地向无线接收器发送测量变量。天线240可以用于广播RF信号，并且可以将其与电路170集成，例如以围绕电路板外边缘进行路由的线路的形式集成。在一些实施例中，RF电路232可以包括无线接收器，使得电路232可以被配置为收发器。如果需要，相同的天线240可以同时用于发送和接收。典型的低供电收发器可以具有大约200英尺的通信范围，然而使用不同的功率要求、电路灵敏度、天线配置等等可以达成其他范围。如果将电路170安装在金属外罩中(例如变送器的现场外壳组件)，应当使用外壳的RF透过性透过性部分来允许通过天线240发送和接收信号。例如如上所述，可以使用玻璃窗口。其它示例材料包括能充分发送RF信号的任何材料，包括塑料、或其他材料。
添加可选电路230允许电路170选择性地收听在电流环路156上携带的4-20mA信号上的消息。可以向无线接收器发送信息，例如测量的过程变量、诊断信息或其他信息。此外，如果电路230被配置为将数字信号调制到过程控制环路上，可以使用它来远程命令或查询与环路156耦合的现场设备。例如，电路230可以被配置为作为4-20mA电流环路上的辅助主。这与被配置为全收发器的RF电路232一起，使得从无线主单元(例如图3所示的手持设备80)对现场设备的双向通信和配置成为可能。
微处理器224还可以优选地用于实现诊断功能。微处理器224被配置为监视过程控制环路156的电压和电流特征，可以使用诊断技术来识别电流和电压中的不正确或有问题的变化，并且可以无线地或使用电路230提供的发送能力，或通过将在环路156上携带的电流电平设置为告警值或其他预定值，将这些变化发送至远程位置。
电路170优选地被配置为允许在有害位置中的操作，并且被配置为满足恰当的批准和规范，例如本质安全标准。例如在电路170的输入上使用了本质安全保护190以及本质安全额定电阻180。使用恰当的组件和电路布局，添加与齐纳二极管182并联的冗余齐纳二极管192提供了冗余级别，并且限制了可以进入本质安全保护系统的电路中的电压量。类似地，可以使用传感电阻180来限制可以进入电路170的最大电流，并且拒绝任何从电路通过其外部端子对存储能量的放电。这提供了实质上为零的等价电容。环路测量电路还受到在传感电阻180和滤波器220的两端之间相连的两个本质安全的额定高值电阻194的保护。通过使用陶制材料或类似物，还可以保护其他电路组件避免外部能量源，该陶制材料或类似物还避免了有害气体和蒸汽到达电路170中的任何内部存储元件和节点。对于其他无害的位置，可以不要求本质安全组件。
在工业过程车间中存在数量正在增长的应用，他们使用在过程变送器中的无线通信的优点。这些变送器可以监视过程温度、压力、电平、或流程。向这些设备提供无线通信的原因包括安装成百乃至上千英尺配线的成本节约，或减轻“连接”的任务以及与过程变送器进行通信。对于有线通信系统，不管是过程控制系统还是便携式手持通信器的任何主机必须物理地与和过程变送器相连的配线相连，以与过程变送器通信。相反地，对于无线通信系统，主机可以从通信范围的过程车间中的任何位置无线地与所需过程变送器“相连”。此外，在有线系统中，用户必须移除设备的覆盖，以获得对用于连接手持通信器以执行过程变送器的诊断或委托的端子的接入。移除盖子可以要求用户采取若干安全预防措施来确保不破坏过程变送器或设备的安全特征。此外，如果在过程车间中的潜在有害区域中使用变送器，则从过程变送器上移除盖子可能要求特殊的工作步骤，或甚至过程或部分车间关闭。为了本地的或从远端进行通信，具有无线通信能力的过程变送器不要求移除盖子以及相关步骤。
存在具有“有线”通信能力的大量已安装的过程变送器。在一些实例中，可能需要向这些设备添加无线通信能力，同时没有购买和安装具有内建无线通信的新的过程变送器的花销。优选地，设备与将现有支持的过程变送器与无线网络进行对接。该设备可以作为通信翻译器，经由与现有过程变送器进行通信，并且在无线网络上与无线主机或其他远程监视或诊断系统通信。此外，优选地不要求用于该通信模块的另一个电源。该模块应当与已经提供给过程变送器的相同功率来操作，同时不对可用于过程变送器的功率产生负面影响。该通信设备可以通过太阳能来操作，但是在很多设施中这是不实际的。其还可以通过电池来操作。然而，当在过程车间(processplant)中使用时，电池具有特殊的安全缺陷，添加了其的花销，并且还要求周期性的替换，使得其不是想要的。
由于过程变送器可以分散在过程车间中，如果他们可以在无线网格网络上通信则对于用户来说是方便的。网格网络是在其中每一个无线设备可以作为其他无线设备的路由器来工作的网络。这确保了网络中的每一个设备具有返回主机的最可靠的通信路径。当对网络进行初始建立时，以及无论何时新设备加入网络时，建立这些通信路径。在很多实例中，可能需要与双线过程控制环路耦合的过程控制变送器也能在无线网络上通信信息。还可能需要设备作为“网格网络”中的路由器来工作。此外，在很多实例中，设备优选地使用来自过程控制环路的功率来操作，而不是要求分离的电源。
图8A和8B示出了依照于一个示例实施例的无线适配器300的两个示例配线配置。图中示出了耦合到过程控制环路302的无线适配器300，其由DC电源304供电。将环路示意为包括负载电阻306，并且还耦合到过程变量变送器308。在图8A和8B中，无线适配器300包括与过程控制环路302串联的两个环路连接(Loop+和Loop-)。环路连接之一耦合到电源304，同时另一个环路连接耦合到过程变送器308的环路连接。无线适配器300包括耦合到过程变送器308的另一个环路连接的第三连接(标记为)。在图8A所示的配置中，适配器300的Loop-连接耦合到变送器308的正连接，同时适配器300的连接耦合到变送器308的负连接(标记为“Test+或-Power”)的连接。图8B中的布置的略有不同之处在于：适配器300的Loop+连接耦合到变送器308的负连接，同时适配器300的Loop-连接耦合到电源304，并且连接耦合到变送器308的正连接。还将适配器300示意为具有天线310。在图8A和8B的配置中，适配器300被配置为三端子设备，所有环路电流I流经该设备。分离的连接用于在双线过程控制环路302上提供数字通信。尽管将附图标记为适配器不受限于依照通信协议进行操作，并且可以使用任何恰当的协议，包括Fieldbus协议。
使用从过程控制环路302上接收的功率向适配器300供电。环路302还用于向变送器308供电。在一个配置中，适配器300将其电压调节至小值，例如1.0伏特，使得其将具有对过程控制环路302的最小影响。适配器300使用来自环路302的可用电流。例如，如果变送器308将环路电流设置为5mA的值，适配器300将在该5mA上操作。如果适配器上的压降是1伏特，则适配器将使用总共5mW。在典型的过程变量变送器的情况中，环路电流基于测量的过程变量在4mA和20mA之间变化。因此，适配器300可用的最小功率将是大约4mW并且最大可用值将是大约20mW。适配器300必须利用该功率来执行所有需要的功能，包括在环路302上进行通信以及无线通信。在通信期间，典型的无线射频可以需要最高3伏特供电以及15mA和50mA之间的电流(细节取决于与无线网络相关的很多参数)。由于该电流不是在所有时间都发生，因此适配器有可能存储功率，直到需要支持无线通信。如上所述，可以使用超级电容器来存储功率。他们相对廉价并且具有相对长的寿命。超级电容器可以提供高至1安培的短时间电流，并且因此可以用于向无线通信电路供电。
图9是示出了各种电路块的适配器300的简化框图。图中示出了超级电容器320，并且设备300被配置为用于通信以及无线通信。
如图9所示，适配器300包括微控制器340，微控制器340还包括存储器和用于通信的调制解调器。存储器用于存储编程指令、配置数据、变量等等。模拟电路342被配置为通过DC阻塞电容器346耦合到过程变量变送器308。提供无线模块344以使得适配器300能够使用RF通信技术进行通信。提供稳压器348，其被配置为DC至DC转换器。将电流分路电路350与稳压器348并联，并且电流分路电路350包括由OP amp 354控制的旁路晶体管352。OP amp 354基于基准电压(Vref)和施加到稳压器348上的电压之间的差值来操作。稳压器348向低压差(LDO)稳压器360提供2.3伏特输出。低压差(LDO)稳压器360向微处理器340、HART模拟电路342、重置电路382以及ADC 380提供调节过的2伏特电源输出。
通过旁路晶体管352的电流用于向超级电容器320充电。使用电压钳370来设置超级电容器320上的电压。例如，可以将电压钳设置为2.2伏特。另一个DC至DC转换器372被配置为升压型转换器升压型转换器，并且其向低压差(LDO)稳压器374提供3伏特的已调节的电压输出。将低压差(LDO)稳压器374的输出设置为2.8伏特，并且用于向无线模块344提供已调节的功率。
微处理器340与模数转换器380相连，模数转换器380用于监视超级电容器320的电压。微处理器340还与重置电路382相连。微处理器340通过电平偏移电路384向无线模块344提供数据。
优选地，电路能够支持最大数量的无线通信活动，同时降低环路302中的最小数量的电压。因此，适配器300优选地被配置为以非常有效率的方式来使用来自环路302的功率。在一个特定配置中，可以通过使用低功率微控制器340(例如Texas Instruments MSP430F1481)并且通过使用低功率模拟电路组件来达成该点。可以由低供电电压向这些组件供电，以最小化总电路功耗。此外，当不需要特定功能时(例如通信功能)，如有必要微控制器340可以被配置为进入“睡眠”模式。在图9所示的配置中，不使用分离的调制解调器。取而代之地，使用微控制器340来提供调制解调器功能。
同样优选地，向无线模块344提供大量的功率。这允许更频繁的通信以及增加的可靠性。可以使用附加功率以公布来自变送器308的信息，允许例如在网格网络中将适配器300作为其他过程变送器的路由器来使用，并且允许使用更高的发送功率。这可以导致更可靠的网格网络，因为从另一个无线设备通过适配器300到主机的路径比直接从设备到主机的路径要更可靠。
在图9的实施例中，由超级电容器320向无线模块344供电。因此，为了增加提供给无线模块344的功率，优选地增加超级电容器320存储的功率。在图9的配置中，这是通过将超级电容器320作为稳压器348的分路元件来达成的，其中稳压器348与OP amp 354和分路晶体管352一起调节与环路302耦合的端子上的压降。在图9中，将与过程控制环路302耦合的环路端子上的电压调节为一伏特。通过使用OP amp 354和分路晶体管352来调整进入超级电容器的电流，从而达成该点。在该配置中，稳压器348与环路302串联操作，并且稳压器348在OP amp 354形成的反馈环路中。在不那么有效率的配置中，可以实现分离的一伏特分路稳压器和超级电容器充电电路。然而，这要求附加的组件和附加的功率来进行操作。相反地，在图9所示的配置中，将适配器300的电路不使用的任何环路电流定向到分路电容器320中，以增加效率。这导致最大数量的功率可用于无线模块344。电压钳370确定了向电容器320充电的电压。一旦超级电容器320达到了由电压钳370设置的电压，过剩电流流经钳370，而不是流入电容器320。
DC至DC转换器348被配置为用1伏特输入电压进行操作的低功率“升压”开关稳压器。稳压器348将1伏特输入电压增加至充分高的电压，以向剩余电路供电。在图9的示例中，这是2.3伏特。转换器可以是开关电容类型的转换器、基于电感的升压型转换器(boostconverter)、基于变压器的转换器或其他恰当的配置。LDO稳压器360将来自稳压器348的2.3伏特输出调节为2.0伏特，并且移除来自稳压器348的任何开关噪音。来自LDO稳压器360的输出用于向微处理器340、模拟电路342、存储器、重置电路382和模数转换器380供电。
模拟电路块342可以包括例如载波检测电路、接收电路和发送电路。优选地，这些电路被配置为具有低功率要求，同时维持可接受的通信完整性。微处理器340中的存储器可以用于存储编程代码和临时变量。可以使用微处理器340内部的定时器来提供“软件”调制解调器功能。微处理器340的存储器可以包括内置闪存、RAM以及EEPROM或其他非易失性存储器。微控制器340可以被配置为使用模数转换器380来监视超级电容器320上的电压，模数转换器380向微控制器340提供代表了电容器电压的数字输出。依照需求，微控制器340可以用于确定电容器是否具有支持无线发送的充足电压。重置电路382可以用于确保当电压不够时，微控制器340不进行操作。例如，重置电路382可以被配置为：当来自LDO稳压器360的供电电压达到充足的电压电平时，重置或打开微控制器340。该电路还可以用于如果功率“失灵”发生时，重置微控制器340。
无线模块344以LDO稳压器374提供的2.8伏特稳定电压进行操作。如上所述，如果将超级电容器320充电至2.2伏特，DC至DC转换器稳压器372将电压升至3伏特。在使用期间，电容器上的电压将减少，并且需要升压型转换器。使用LDO稳压器374来向无线模块344提供稳定的2.8伏特。优选地，稳压器372被配置为在最小电压大约1伏特，最大电压大约2.2伏特上操作。在一些配置中，微控制器340被配置为如果电容器320上的电压小于1伏特，则关闭无线模块344的电路。
微控制器340可以被配置为通过在无线模块344和微控制器340之间的数字通信线路上通信，来使用无线模块344无线地发送信息。由于微控制器以两伏特电源操作，同时无线以2.8电源操作，必须使用电平偏移电路384来电平偏移两个组件之间的数字通信线路。例如，可以使用非常低的功率电平变换器电路，例如Texas InstrumentsSN74LVC2T45DCU，来执行该操作。
在一个配置中，微控制器340可以被配置为调整与环路302耦合的环路端子上的压降。例如，来自微控制器340的可选控制线路341可以与分路电路350的OP amp 354的反相输入耦合。在这种配置中，可以通过增加恰当条件下的环路压降，来使得附加功率可用于无线。类似地，如果需要减少对适配器300的电路的过程控制环路的影响，则可以减少压降。然而，这将向适配器300的无线模块和其他电路提供更少的功率，并且可能使得性能退化。
图10是示出了与无线适配器300耦合的过程控制变送器400的一个实施例的横截面图。变送器400包括如上所述的传感器64和测量电路66。测量电路66耦合到现场设备电路68。变送器400通过连接块406和无线适配器300耦合到双线过程控制环路302。此外，无线适配器300耦合到变送器400的外壳。在图10所示的示例中，该耦合是通过NPT导管连接409的。类似的导管连接409还用于耦合到用于其中携带双线过程控制环路302的导管411。无线适配器300的底板通过配线408耦合到变送器400的电接地连接410。变送器400包括耦合到来自无线适配器300的连接412的双线过程控制环路连接块402。如图10所示，可以将无线适配器300与导管连接409通过螺纹连接。外壳420携带天线426，以支持无限适配器300的电路。此外，可以将RF透过性端盖424与外壳420可密封地耦合，并且允许RF信号通过其发送。注意到在图10所示的布置中，向RF适配器300提供了五个电连接。这些包括如图8A或8B所示的四个环路连接，以及电接地连接。
如上所述，在一些设施中，现场设备(例如无线适配器)的本质安全是重要的，即能够在可燃或爆炸性空气的环境中进行操作。例如，设备中的电路可以被配置为限制设备能够存储的和/或设备能够在任何给定时刻放电的能量值。如上所述，无线适配器与现场设备(例如过程变送器或控制阀门)串联，并且使用从流经双线过程控制环路的电流中抽取功率。该压降可以低至1.0伏特。然而，在一些实例中，由于流经双线过程控制环路的电流可以低至3.5mA，因此可用的瞬时功率可以低至3.5mW。然而，在一些配置中，无线适配器可能要求更多的功率。例如，设备可以要求60mW的功率(3伏特和20mA)，以发送无线消息。类似地，接收无线发送所需的功率也可以超过来自过程控制环路上可用的瞬时功率。因此，当来自双线过程控制环路的瞬时功率不足时，无线适配器需要能够内部存储功率以供使用。一般地，无线通信(发送和接收)所需的时间相对短，同时来自过程控制环路可用的功率是基于持续可用的。可以在电容器中存储该能量以供后续使用。可以使用标准电容器，在一些配置中，可以使用具有大于0.22F的容量的超级电容器。然而，如果需要以本质安全的方式来操作现场设备时，被配置为存储能量的现场设备必须包含避免这种能量过度放电的电路。尽管具有超级电容器，必须限制从设备发出的能量数量，即使使用标准电容器，本质安全要求依然要求对设备发出的能量数量加以限制。必须将给定电容器上的电压保持低于下述条件的电平：如果电容器经历瞬时短路，可能导致电容器产生火花的电平。因此，限制可应用于设备上的最大电压允许使用更大的电容值，同时依然满足本质安全限制。
图11是类似于图8A的示出了与双线过程控制环路302耦合的无线适配器300的简化图。在图11中，示出了耦合到双线过程控制环路302的本质安全栅450。本质安全栅450限制了从电源304向与环路耦合的任何现场设备提供的电压和电流。此外，在这种配置中，现场设备(例如过程变送器308)可以被配置为限制可以在其电路中存储的能量数量。然而，由于电容器或超级电容器能够存储功率，必须提供附加电路以确保不能从设备中放电在适配器300中存储的任何功率。换言之，为了让与过程控制环路耦合的设备维持本质安全，设备必须被配置为使得其可以限制添加回环路的任何功率。如果设备通过使用例如电容器来存储能量，这可能是特别有问题的。
在本发明的一个方面中，提供电路来限制无线适配器300能够放电回过程控制环路302或其他地方的功率数量。
图12是示出了无线适配器300的简化框图，无线适配器300包括本质安全电路460的一个示例配置。在图12的示例中，提供齐纳二极管462和464，他们可以包括例如具有6.2伏特偏压、在loop+和loop-连接上耦合的齐纳二极管。5欧姆电阻466与双线过程控制环路302串联。二极管470和472在现场设备308的loop+连接和连接上耦合。类似地，二极管474和476在现场设备308的loop-连接和连接上耦合。电阻480和482，以及电容器484和486与现场设备308的连接串联。在一个实施例中，电阻480具有49.9欧姆值，电阻482具有248欧姆值，电容器484具有2.2μF值并且电容器486具有2.2μF值。
为了确保无线适配器满足本质安全要求，本质安全电路460被配置为限制适配器300中的电路能够应用于双线过程控制环路302上的电压和电流。该限制必须同时发生在正常操作条件下以及在故障期间。此外，电路应当是冗余的，并且即使一些电路组件发生故障，该电路应当可以继续操作。在一个特定配置中，优选地将电压限制为小于1.5伏特，并且将电流限制为小于100mA。
齐纳二极管可以用作本质安全电路460的电压限制器，并且可以被配置为仅在故障条件期间传导电流。换言之，选择齐纳二极管的电压略高于电路的操作电压。这样，齐纳二极管不浪费在正常电路操作期间的功率。因此，为了将进入或流出无线适配器300的电压限制为小于1.5伏特，无线适配器电子器件的操作电压必须小于1.5伏特。
在操作中，齐纳二极管462和464进行操作以限制可以在loop+和loop-端子之间施加的电压。类似地，二极管470和472进行操作以通过loop+和端子来限制可以引入电路的电压。二极管474和476限制可以通过端子中的loop-引入的电压。如果在这些端子上施加的电压超过二极管的阈值，则二极管将导电，从而限制电压值。然而，在正常操作条件下，二极管不导电，并且因此将不对电路的操作产生任何效果。以串联方式添加给电容器的电阻减少了可以从电容器中瞬间移除的电荷数量，因此减少了电容器可能引起火花的机会。对于特定电压电平，如果存在与电容器串联的附加电阻，则在电路中可以使用附加电容器。电阻越大，电容器则可以越大。与端子相连的电阻还限制了可以从端子提供的电流数量。
图13是类似于图9的更详细的框图。一些单元保留了他们的编号。在图13中，将模拟电路342示为两个分离的组件，接收电路342A和发送电路342B。接收电路342A通过电阻490耦合到连接，电阻490可以包括例如10K欧姆电阻。此外，可变电压电路492提供了差分放大器354的输入，并且差分放大器354的输入还通过电阻493耦合到Loop+端子。可变电压电路492通过电阻494耦合到Loop-连接，电阻494可以包括例如12.1K欧姆。
在上述电路中，使用二极管(例如齐纳二极管)来提供本质安全电路。然而，一般将齐纳二极管额定在3.3伏特或更高，其超出了本质安全所需的限制。可以用于将电压限制在小于3.3伏特的一个这种技术是使用有源分路稳压器，而不是齐纳二极管。可以将这些稳压器设置为通过使用电路中的电阻将电压限制为1.24伏特或更高的电压，而不要求任何外部电阻。然而，使用有源分路稳压器的一个缺陷是一般将他们仅额定为处理相对小的功率电平，例如0.20至0.25瓦特。因此，必须通过使用熔断器或类似物来限制他们消耗的功率。
图14是示出了无线适配器300的简化示意图，并且在300A处一般地示出了无线适配器电路，其包括在loop+和loop-端子上相连的三个有源分路稳压器500A、500B和500C。熔断器502与环路连接串联。分路稳压器可以包括例如来自Texas Instruments的TLVH431。依照于本质安全原则，由于分路稳压器是有源电路，必须提供三个分路稳压器用于冗余。布置稳压器，使得他们既限制可以应用于双线过程控制环路302上的电压，也可以限制应用于电路300A上的电压。
然而，在通过同时限制无线适配器300可以加诸于控制环路上的电压和电流来提供本质安全中的一个附加复杂化因素是适配器300电路包括第三连接。这是在本文阐述的描述中被识别为连接的通信连接。本质安全要求要求对于适配器300的三个端子的任何组合，适配器300能够限制在任何时刻输出的电压和电流。因此，还可以如图15所示的，将有源分路稳压器与连接一起使用。如图15所示，要求有源分路稳压器的两个附加集合。分路稳压器510A、510B和510C在loop+端子和端子之间相连。类似地，有源分路稳压器512A、512B和512C在loop-端子和端子之间相连。如上所述提供电容器514和电阻516。
可以用于限制电容器可以加诸于过程控制环路上的电流的另一个方法是在从电容器到环路端子的任何路径处插入电阻。然而，这要求在升压DC至DC转换器384和电容器之间的电阻将电流限制到100mA，其将导致非常大的功率损耗。如果三个压降肖特基二极管在电容器中的DC至DC转换器之间串联放置，则损耗较少的功率。图16示出了这种电路的示例。在该配置中，可以通过使用充分大的电阻518和520来限制到端子的连接。使用三个肖特基二极管522A、522B和522C来将DC至DC转换器384与无线适配器300的电路耦合。示例肖特基二极管是来自Rohm of Plano，Texas的RV161M。从电容器320到端子的其他电势通路包括高电阻元件，例如通过放大器354的连接。
在上述讨论中，电容器320包括具有例如10,000μF的容量的“常规”电容器。然而，在一些配置中，需要存储附加能量。在这种配置中，可以使用“超级电容器”，其可以具有0.1法拉或更多的容量。如果使用超级电容器用于电容器320，则可以使用备选配置来提供本质安全。这是由于必须限制来自电路的最大放电。一般而言，将电压和电流值限制的越低，则电路能够提供回过程控制环路的能量就越少。例如，需要将电压限制到1.5伏特或更少，并且将电流限制到100mA或更少。
上述配置提供了一种使得与过程变量变送器的无线通信成为可能的适配器。该电路可以被配置为从已经对于过程变量变送器可用的功率中进行操作。通过放置作为在环路分路稳压器中的分路元件的能量存储单元，可以获得增加的效率。可以提供作为分路稳压器控制的反馈电路的一部分的“升压”稳压器。该配置增加了效率，同时减少了所需组件的数量。
如本文所使用的术语“现场设备”可以是过程控制器监视系统中使用的任何设备，并且不一定要求放在“现场”。该设备可以位于过程控制系统中的任何地方，包括控制室或控制电路中。用于连接过程控制环路的端子指代任何电连接，并且可以不包括物理的或离散的端子。可以依照要求使用任何恰当的射频通信电路，以及任何恰当的通信协议、频率或通信技术。依照要求配置电源电路，并且其不受限于本文阐述的配置。在一些实施例中，现场设备包括可以在任何RF发送中包括的、使得可以识别该设备的地址。类似地，这种地址可以用于确定接收到的信号是否意在该特定设备。然而，在其他实施例中，不使用地址，并且仅将不具有任何寻址信息的数据从无线通信电路中发送。在这种配置中，如果需要数据的接收，任何接收到的数据可以不包括寻址信息。在一些实施例中，这可能是可以接受的。在其他实施例中，可以使用其他寻址技术或识别技术，例如向特定设备分配特定频率或通信协议，向特定设备分配特定时隙或周期，或其他技术。可以使用任何恰当的通信协议和/或联网技术，包括基于令牌的技术，在该技术中在设备之间传递令牌，从而允许特定设备的发送或接收。
尽管已经通过首选实施例来描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节作出改变。如本文所使用的，射频(RF)可以包括任何频率的电磁发送，并且不受限于特定的频率组、频率范围或任何其他限制。可以依照要求使用任何通信协议，包括IEEE 802.11b、802.15.4、或其他协议，包括专有通信协议以及标准化的协议，例如无线通信协议。在上述讨论中，无线适配器提供用于耦合双线过程控制环路的数字信号通信连接，并且在一些实施例中，依照于通信协议进行通信。在图8A和8B中将该连接示出为与过程变量变送器的并连，并且其不携带实质的环路电流。将功率连接示出为与过程控制环路串联。如本文所使用的，旁路电路包括图4和5所示的旁路配置、图7和9所示的分路配置、或其他电路。适配器可以被配置为安装在过程控制变送器的外部，例如通过螺纹连接到变送器外壳中的NPT装置。在上述讨论中，当使用不是超级电容器的电容器时，例如使用10,000μF级别的电容器来存储能量时，本发明的本质安全电路进行操作以限制进入适配器的电路的最大可用能量。这是由于依照于本质安全标准，必须将给定电容器上的电压保持低于满足下述条件的电平：如果发生瞬时短路，则可能导致电容器产生火花的电平。因此，在上述讨论中，通过限制适配器中电路可以接收的最大电路电压，可以增加电容器的大小。然而，对于极大电容值来说，即“超级电容器”，必须将电容器作为能量存储设备来处理。在这种配置中，本发明的本质安全电路进行操作以限制可以从适配器电路中出来的最大能量数量。在上述讨论中，将可以由适配器产生的最大电流和电压限制为1.24伏特和100mA。因此，取决于使用的电容器的大小，本发明的本质安全电路以两种不同的方式来进行操作。

Claims (26)

1.一种用于耦合到过程控制变送器的适配器，该类型的过程控制变送器用于监视工业过程中的过程变量，所述适配器包括：
第一适配器连接，被配置为耦合到双线过程控制环路的第一线；
第二适配器连接，被配置为耦合到所述过程控制变送器的第一变送器连接；
第三适配器连接，被配置为耦合到所述过程控制变送器的第二变送器连接和所述双线过程控制环路的第二线，其中，所述第三适配器连接被用于在所述双线过程控制环路上通信；
无线通信电路，被配置为向所述过程控制变送器提供无线通信；以及
本质安全电路，耦合到所述第一、第二和第三适配器连接之间，被配置为将能量传输限制为小于本质安全值的值，
其中，所述第一适配器连接和所述第二适配器连接被用于对所述无线通信电路供电；
其中，所述双线过程控制环路被用于向所述过程控制变送器供电和向所述无线通信电路供电，以及所述双线过程控制环路还被配置为携带从所述第三适配器连接通信的信息。
2.根据权利要求1所述的适配器，其中，所述本质安全电路包括二极管。
3.根据权利要求2所述的适配器，其中，所述二极管包括齐纳二极管。
4.根据权利要求2所述的适配器，其中，所述二极管连接在所述第一和第二适配器连接之间。
5.根据权利要求2所述的适配器，其中，所述二极管连接在所述第二和第三适配器连接之间。
6.根据权利要求2所述的适配器，其中，所述二极管连接在所述第一和第三适配器连接之间。
7.根据权利要求1所述的适配器，包括电容器，所述电容器被配置为：存储在对所述无线通信电路进行操作中所使用的能量。
8.根据权利要求7所述的适配器，其中，所述电容器包括超级电容器。
9.根据权利要求1所述的适配器，其中，所述本质安全电路包括有源电路。
10.根据权利要求9所述的适配器，其中，所述有源电路被配置为提供组件的三重冗余。
11.根据权利要求9所述的适配器，其中，所述有源电路包括有源分路。
12.根据权利要求1所述的适配器，包括：与所述第一、第二和第三适配器连接中至少一个串联耦合的熔断器。
13.根据权利要求7所述的适配器，其中，所述本质安全电路在所述电容与所述第一、第二和第三适配器连接中的至少一个之间串联耦合。
14.根据权利要求13所述的适配器，其中，所述本质安全电路包括二极管。
15.根据权利要求13所述的适配器，其中，所述本质安全电路包括电阻。
16.根据权利要求1所述的适配器，其中，所述本质电路被配置为：将在所述适配器中存储的电能的存储限制为小于所述本质安全值的值。
17.根据权利要求1所述的适配器，其中，用从所述双线过程控制环路接收的电功率向所述无线通信电路供电。
18.根据权利要求1所述的适配器，包括被配置为与所述过程控制变送器通信的通信电路。
19.一种将无线适配器耦合到过程控制变送器的方法，该类型的过程控制变送器用于监视工业过程中的过程变量，所述方法包括：
将第一适配器连接耦合到双线过程控制环路的第一线；
将第二适配器连接耦合到所述过程控制变送器的第一变送器连接；
将第三适配器连接耦合到所述过程控制变送器的第二变送器连接和所述双线过程控制环路的第二线；
通过所述第一适配器连接和所述第二适配器连接，用从所述双线过程控制环路接收的功率向无线通信电路供电；
使用所述第三适配器连接在所述双线过程控制环路上通信信息；以及
使用耦合在所述第一、第二和第三适配器连接之间的本质安全电路将能量传输限制为小于本质安全值的值，
其中，所述双线过程控制环路被用于向所述过程控制变送器供电和向所述无线通信电路供电，以及所述双线过程控制环路还被配置为携带从所述第三适配器连接通信的信息。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，限制能量传输包括限制进入所述适配器的电路中的能量。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，限制能量传输包括限制从所述适配器的电路中出来的能量。
22.根据权利要求19所述的方法，包括在电容器中存储能量。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述电容器包括超级电容器。
24.根据权利要求19所述的方法，其中，所述限制步骤使用有源电路。
25.根据权利要求20所述的方法，包括：将所述适配器中的电能存储限制为小于所述本质安全值的值。
26.根据权利要求19所述的方法，包括：使用所述第三适配器连接与所述过程控制变送器通信。
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