具有电容耦接的固有安全隔离制造技术

提供了一种通信装置。该装置包括具有符合固有安全物理分离规范的厚度的印刷电路板。第一对电容板布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第一电容器，所述第一电容器以印刷电路板的绝缘层形成第一电容器的电介质材料。第二对电容板布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第二电容器，所述第二电容器以印刷电路板的绝缘层形成第二电容器的电介质材料。调制器与所述第一和第二电容器耦接，并被配置为接收具有输入信号频率的输入信号，并提供具有高于所述输入信号的频率的调制信号。解调器与所述第一和第二电容器耦接，并被配置为检测所述调制信号并提供具有所述输入信号频率的解调信号。

【技术实现步骤摘要】
具有电容耦接的固有安全隔离
技术介绍
在工业设置中，控制系统用于监测和控制工业和化学过程的库存等。典型地，控制系统使用分布在工业过程中的关键位置的现场设备来执行这些功能，并且通过过程控制回路耦接至控制室中的控制电路。术语“现场设备”是指在分布式控制或过程监测系统中执行功能的任何设备，包括目前已知或尚未知道的用于工业过程的测量、控制和监测的所有设备。通常，这种现场设备具有现场硬化的外壳，使得它们可以在相对恶劣的环境中的户外安装，并能够承受温度、湿度、振动和机械冲击的气候极端情况。现场设备通常以相对较低的功率运行。例如，一些现场设备目前可用于从工作在相对较低电压(12-42VDC)的已知4-20mA回路接收其所有操作功率。一些现场设备包括换能器。换能器被理解为是基于物理输入产生输出信号或基于输入信号产生物理输出的设备。通常，换能器将输入转换为具有不同形式的输出。换能器的类型包括各种分析设备、压力传感器、热敏电阻、热电偶、应变计、流量变送器、定位器、致动器、螺线管、指示灯等。通常，每个现场设备还包括用于通过过程控制回路与过程控制室进行通信的通信电路。在一些安装中，过程控制回路还用于向现场设备传送调节的电流和/或电压以为现场设备供电。过程控制回路还携带模拟或数字形式的数据。传统地，模拟现场设备已经通过双线过程控制电流回路与控制室连接，每个设备连接以通过单个双线控制回路来控制。在针对模拟模式12-45V并且针对数字模式9-50V的电压范围内，两条线之间保持电压差。一些模拟现场设备通过将流经电流回路的电流调制成与感测到的过程变量成比例的电流来将信号发送给控制室。其他模拟现场设备可以基于通过控制室设置的回路的电流大小在控制室的控制下执行动作。此外或备选地，过程控制回路可以携带用于与现场设备通信的数字信号。现场设备运行的环境常常因易燃或可燃材料的存在而变得危险。在这些区域中，组件的火花或高表面温度可能引起局部气体点燃和传播爆炸。这些地区被称为危险(级别的)地区。关于防止不必要的点火的方法，已经开发了固有安全规范作为确保在现场设备中有限的能量和温度的手段。符合固有安全要求有助于确保即使在故障条件下，电路或设备本身也不能自身点燃易失性环境。在下文中阐述固有安全要求的一个示例：1988年10月由工厂互助研究所颁布的APPROVALSTANDARDINTRINSICALLYSAFEAPARATUSANDASSOCAITEDAPPARATUSFORUSEINCLASSI，IIANDIIIDIVISION1HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS，CLASS3610。在例如加拿大标准协会(CSA)和欧洲Cenelec标准等行业标准中还阐述了附加的或备选的认证。一种可用于服从固有安全标准的技术是将组件与物理屏障分开。分离的量取决于用于形成物理屏障的具体材料以及屏障必须承受的电压。已知如果光隔离器根据固有安全标准被分离，则光隔离器用于在屏障上发送数据。光隔离器(也称为光隔离器或光耦合器)是使用电磁频谱的不同频率在两个隔离电路之间传送电信号的电气装置。电路之间的隔离防止在其中电路之一中感应或以其他方式存在的大电压或电流被传送或耦接至另一电路。典型地，光隔离器不能在电路之间传输可测量的功率，但可以在隔离电路之间传送信号。
技术实现思路
提供了一种通信装置。该装置包括具有符合固有安全物理分离规范的厚度的印刷电路板。第一对电容板布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第一电容器，所述第一电容器以印刷电路板的绝缘层形成第一电容器的电介质材料。第二对电容板布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第二电容器，所述第二电容器以印刷电路板的绝缘层形成第二电容器的电介质材料。调制器与所述第一和第二电容器耦接，并被配置为接收具有输入信号频率的输入信号，并提供具有高于所述输入信号的频率的调制信号。解调器与所述第一和第二电容器耦接，并被配置为检测所述调制信号并提供具有所述输入信号频率的解调信号。附图说明图1是根据现有技术的固有安全要求的用于促进通信的光隔离器的示意图。图2是根据本专利技术的实施例的用于使用电容耦接在物理屏障两端上传送电信号的电路部件的框图。图3是根据本专利技术的实施例的可用于调制用于耦接电容器两端的低频通信信号的一个示例性的非稳态多谐振动器的电路图。图4是示出根据本专利技术实施例的通信信号和调制器输出的时序图。图5是根据本专利技术的实施例的可用于调制用于耦接电容器两端的低频通信信号的备选非稳态多谐振动器电路的电路图。图6A是示出根据本专利技术的实施例的用作用于电容器板的电介质的绝缘电路板材料分离的铜焊盘的电路板的一部分的横截面图。图6B是示出根据本专利技术的实施例的形成用于提供双向通信的三种不同的基于电路板的耦接电容器的示意图。图7是根据本专利技术实施例的用于解调电容耦接信号以提供原始低频通信信号的解调器电路的电路图。图8是根据本专利技术实施例的穿过基于电路板的电容器传送低频通信信号的方法的流程图。具体实施方式在包括上述各种现场设备在内的许多电子产品中，光耦合器用于提供能够满足在敏感环境中操作的固有安全要求的通信。使用这些光耦合器，因为它们通常是能够满足固有安全要求的市场上的两种产品之一。变压器(一种类型的产品)也可用于提供固有安全的电隔离，但通常被认为是空间不允许且成本过高的。另一方面，光耦合器或光隔离器使用与检测光的光电晶体管电气和物理隔离的发光二极管。两个部分彼此间隔开，以便满足固有安全间距要求，并通过使用光穿过空间传送信号。图1是根据现有技术的固有安全要求的用于促进通信的光隔离器的示意图。通常，提供通信输入信号100作为光耦合器102的输入。该输入信号使得发光二极管104产生光106。光106传送或以其他方式穿过物理空间108并由光电晶体管110检测。来自光电晶体管110的信号通常与通信输入相关，尽管通常是反相的。因此，提供来自光电晶体管110的信号作为通信输出112。以这种方式，可以穿过隔离间隙108传送通信信号，以便符合固有安全要求，或以其他方式提供所需的隔离。可以理解的是，如果提供通信输入的电路存在电气问题，例如DC偏移、功率浪涌或其他问题，则这种电路状况将不会被传送给输出电路。相反，通信信号本身将穿过空间108，但是相当多的电能将不穿过空间108。虽然光耦合器提供了低成本、相对有效的信号通信，同时促进了固有安全性合规，但它们并非不存在局限性。由于老化、环境条件和封装问题，光耦合器可能会劣化到它们不再工作的地步。例如，随着光耦合器老化，封装发光二极管104和光电晶体管110的凝胶变得透明度较低。一旦凝胶变得足够地晦暗，光电晶体晶体管接收的光量可能会降低到输出信号足够劣化以致导致通信故障的地步。根据本专利技术的实施例，通过提供通过印刷电路板电容性地耦接通信信号的电路来满足电性隔离通信电路的固有安全要求。该通过印刷电路板的电容耦接是通过使用导电焊盘(在一个实施例中，由铜形成)作为电容器板在印刷电路板上的两层上创建电容器来提供的。通过使用印刷电路板中的硬绝缘作为电容器的电介质材料，同时保持铜焊盘之间所需的固有安全间距(60伏保护等级的峰值电平为0.5mm)，从而满足固有安全间距要求。形成的电容器具有相对较低的电容值。用于在现代现场设备中的隔离电路之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包括：具有符合固有安全物理分离规范的厚度的印刷电路板；第一对电容板，布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第一电容器，所述第一电容器以印刷电路板的绝缘层形成第一电容器的电介质材料；第二对电容板，布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第二电容器，所述第二电容器以印刷电路板的绝缘层形成第二电容器的电介质材料；调制器，与第一电容器和第二电容器耦接，所述调制器被配置为接收具有输入信号频率的输入信号，并提供具有高于所述输入信号的频率的调制信号；解调器，与第一电容器和第二电容器耦接，所述解调器被配置为检测所述调制信号并提供具有所述输入信号频率的解调信号。

【技术特征摘要】
2017.03.01 US 15/446,4591.一种装置，包括：具有符合固有安全物理分离规范的厚度的印刷电路板；第一对电容板，布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第一电容器，所述第一电容器以印刷电路板的绝缘层形成第一电容器的电介质材料；第二对电容板，布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第二电容器，所述第二电容器以印刷电路板的绝缘层形成第二电容器的电介质材料；调制器，与第一电容器和第二电容器耦接，所述调制器被配置为接收具有输入信号频率的输入信号，并提供具有高于所述输入信号的频率的调制信号；解调器，与第一电容器和第二电容器耦接，所述解调器被配置为检测所述调制信号并提供具有所述输入信号频率的解调信号。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述调制器被配置为提供具有所述输入信号的至少10倍的频率的所述调制信号。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一对电容板各自具有约0.20英寸x0.20英寸的尺寸。4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一对电容板各自具有0.04平方英寸的面积。5.根据权利要求1所述的装置，其中所述印刷电路板具有至少0.2mm的厚度。6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述印刷电路板的厚度为0.5mm。7.根据权利要求6所述的装置，其中第一电容器具有约2.0pF的电容。8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述印刷电路板由FR-4印刷电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·劳伦斯·斯通，约翰·阿兰·科尔伯，
申请(专利权)人：罗斯蒙特公司，
类型：发明
国别省市：美国,US