回路供電現場設備的制作方法

專利名稱：回路供電現場設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于確定過程變量并經由雙線電流回路向遠程地點提供表示所述過程變量的測量信號的回路供電現場設備。本發明還涉及一種將來自雙線電流回路的功率提供給回路供電現場設備的回路接口電路和方法。
背景技術：
現場設備(諸如雷達物位計)適用于測量產品的高度，所述產品諸如過程流體、 顆粒料及其他材料。這樣的雷達物位計的示例可以包括微波單元，用于向表面傳送微波并且接收從表面反射的微波；處理電路，其被設置成與微波單元通信并基于傳送的微波和接收到的微波之間的關系來確定高度；接口，用于在所述雷達物位計的外部連接處理電路； 以及功率管理電路，其為微波單元和處理電路提供運行功率。
為了確保接收到的回波具有符合要求的信號電平，發射的微波必須具有足夠的功率電平。處理接收信號也需要足夠大的功率，并且在某些情況下在處理期間會增加處理器的時鐘頻率以便于能夠高速計算。綜合地，這導致了在測量周期的某些部分期間的功率的增加需求。對于調頻連續波(FMCW)系統，功率需求尤其高。然而，因為在上文所討論的現場設備以及其他的現場設備中，能量通常為稀缺性資源，所以在實際中實現功率供給是相對困難的。
特別地，有限的可用功率在使用雙線電流回路來進行通信及供電的系統中是個問題。用于測量罐內的高度的雷達物位計以及其他類型的現場設備通常可以借助于雙線接口與遠程地點(諸如控制室)通信，在該雙線接口中，只有兩條線既用于為傳感器提供有限的功率又用于傳達現場設備所確定的表示過程變量的測量信號。接口可以是具有或不具有疊加數字通信的4-20mA工業回路，或是其他的雙線現場總線，例如基金會現場總線(FF)或過程現場總線(Profibus)。
回路供電現場設備因此需要既能夠向雙線電流總線提供測量信號，又能夠從雙線電流總線汲取用于現場設備的運行的功率。
根據一個公知的配置，可控電流源和調節變換器沿雙線控制回路串聯。在這樣的配置中，使用可控電流源將測量信號提供到雙線電流總線，該可控電流源可以可控地控制雙線電流回路上的直流電流和/或調制所述電流以提供數字數據，且調節變換器將調節后的輸入電壓轉換成用于向現場設備供電的輸出電壓。
對于各種現場設備，特別是各種新近的雷達物位計，上述配置不能夠在所有運行情況/條件下向現場設備提供足夠的功率。發明內容
本發明的目的是解決上述問題，并為回路供電現場設備提供更加有效的供電。
根據本發明的第一方面，因此提供了一種用于確定過程變量并經由雙線電流回路向遠程地點提供表示過程變量的測量信號的回路供電現場設備。回路供電現場設備包括CN 102545586 A用于確定過程變量的測量設備；用于將測量信號提供到雙線電流回路并將來自雙線電流回路的功率提供到測量設備的回路接口電路，其中回路接口電路包括電流控制電路，該電流控制電路連接到雙線電流回路及測量設備，電流控制電路可由測量設備控制以將測量信號提供到雙線電流回路；第一轉換器，該第一轉換器具有與電流控制電路串聯從而連接到雙線電流回路的輸入、以及用于向測量設備提供功率的輸出；電壓調節電路，該電壓調節電路用于通過控制第一轉換器的輸入的輸入電壓將電流控制電路的電壓調向期望電壓。為此， 電壓調節電路可以連接到第一轉換器，并且被配置以調節第一轉換器的輸入端的輸入電壓，從而將電流控制電路的電壓調向期望電壓。
第一轉換器將來自雙線電流回路的輸入功率轉換成用于向測量設備供電的輸出功率。為此，第一轉換器可以被配置以將輸入端的輸入電壓轉換成輸出端的輸出電壓。
電壓調節電路被設置成感測表示電流控制電路的電壓的性質。從這個意義講，電壓調節電路可以說是被連接到電流控制電路。
特別地，電壓調節電路被配置成調節第一轉換器的輸入的輸入電壓從而在回路電壓變化時將電流控制電路的電壓調向期望電壓。回路電壓通常由遠程主機確定，并且可以取決于特定配置而變化，例如取決于連接到雙線電流回路的現場設備的數量、回路線有多長等而變化等，和/或取決于連接到雙線電流回路的現場設備的功耗而變化。
“現場設備”應當理解為確定過程變量并且向遠程地點傳送表示過程變量的測量信號的任何設備。現場設備的示例包括用于確定過程變量諸如裝料高度、溫度、壓力、流體流動等的設備。
本發明基于如下實現可以在確保電流控制電路總是存在足夠的電壓以用于從現場設備向遠程地點提供測量信號的情況下，通過允許轉換器的輸入端的電壓響應于回路電壓的變化而變化，實現從雙線電流回路到現場設備的簡單而有效的供電。
因此，雙線電流回路上的總可用功率的一大部分可以用于為現場設備供電而不用考慮回路電壓。這與背景部分所描述的配置形成對比，在背景部分所描述的配置中，調節變換器設置成與電流控制電路串聯，并且該調節變換器將調節后的輸入電壓轉換成用于向現場設備供電的輸出電壓。
在這種現有技術配置中，調節變換器的輸入電壓保持恒定，這意味著調節后的輸入電壓不得不基于最小回路電壓來確定大小，以確保來自現場設備的測量信號可以被提供到雙線電流回路。結果，當回路電壓高于最小雙線回路電壓時，雙線回路上的可用額外功率不可以用于向現場設備供電。
期望電壓可以是高于使得電流控制電路能夠提供測量信號所需的最小電壓的電壓。該最小電壓將取決于各種因素，例如測量信號及電流控制電路的類型。例如，與提供交流信號相比，提供直流信號所需要的最小電壓要低一些。
此外，期望電壓可以是已知為針對用于特定現場設備的所有相關運行條件為足夠高的預定電壓，或者可以是動態確定的期望電壓。在后種情形中，期望電壓可以例如為流經雙線電流回路的回路電流的函數。
有利地，第一轉換器可以是所謂的開關轉換器。在開關轉換器中，功率被轉換為處于期望的輸出電壓水平的輸出。
此外，電流控制電路可以被可控為以第一時間常數調節流經雙線電流回路的回路電流，并且電壓調節電路可以被配置成以第二時間常數調節第一轉換器的輸入的輸入電壓。有利地，第二時間常數基本上大于第一時間常數，例如至少大10倍。有利地，第二時間常數與第一時間常數之比可以更大，例如至少50倍或更大。相應地，電流控制電路的調節可以基本上快于轉換器的輸入端的輸入電壓的調節。因此，電流控制電路的電壓被允許即刻變化以使得可以快速準確地控制回路電流以經由雙線控制回路向遠程地點提供測量信號。這對于現場設備在雙線回路上的數字通信是特別有利地。這樣的數字通信標準的示例包括可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議(HART)、基金會現場總線、過程現場總線坐寸o
根據各種不同的實施例，回路供電現場設備還可以包括連接到第一轉換器的能量存儲設備。通過提供這樣的能量存儲設備，可以將暫時過剩的能量存儲起來，并在之后當現場設備工作所需的能量高于可以從雙線電流回路汲取的能量的時候，使用這些過剩能量。 能量存儲設備可以例如包括電容器、超級電容器和/或電池或任何其他能夠存儲電能的設備。
此外，回路供電現場設備可以包括輸入端連接到第一轉換器的輸出端的第二轉換器。通過提供這樣的第二轉換器，可以控制第一轉換器的輸出電壓的任何變化，從而使得如果/當這是期望的，可以向測量設備提供調節后的電壓。這對于包括存儲第一轉換器提供的能量的存儲設備的回路供電現場設備的實施例來說可以是特別有益的。
回路供電現場設備還可以包括用于限制第一轉換器的輸出電壓的并聯調節器。并聯調節器可以連接在電壓調節器的輸出端之間以限制提供到測量設備的電壓。
有利地，回路供電現場設備可以是雷達物位計，雷達物位計包括微波單元，用于產生微波并將微波傳播向罐中所含的產品；以及處理電路，用于確定罐中所含的產品的裝料高度，并控制包括在回路接口電路內的電流控制電路以向雙線電流回路提供表示裝料高度的測量信號。
根據一個實施例，微波單元可以適于發射脈沖信號，處理電路可以適于基于脈沖信號發射與反射信號接收之間的時間來確定容器的裝料高度。這種類型的測量被稱為脈沖測量。
根據第二實施例，微波單元可以適于發射一定頻率范圍的波，處理電路可以適于基于混合的發射信號與反射信號來確定容器的裝料高度。這種類型的測量被稱為FMCW(調頻連續波)。微波單元還可以適于發射具有多個不同頻率的脈沖波，這被稱為MFPW(多頻率脈沖波)。
根據本發明的第二方面，提供一種經由雙線電流回路向遠程地點提供表示由測量設備所確定的過程變量的測量信號的回路接口電路，該回路接口電路包括電流控制電路， 用于向雙線電流回路提供測量信號；第一轉換器，該第一轉換器具有被設置成與電流控制電路串聯的、用于從雙線電流回路接收功率的輸入以及用于向測量設備提供功率的輸出； 以及電壓調節電路，用于通過控制第一轉換器的輸入的輸入電壓將所述電流控制電路的電壓調向期望電壓。
第一轉換器將來自雙線回路的輸入功率轉換成向測量設備供電的輸出功率。為此，第一轉換器可以被配置以將輸入端的輸入電壓轉換成輸出端的輸出電壓。
電壓調節電路被設置以感測表示電流控制電路的電壓的性質。從這個意義講，電壓調節電路可以說是被連接到電流控制電路。
本發明的第二方面的實施例以及通過所述第二方面所獲得的效果大部分類似于以上本發明的第一方面中所描述的。
根據本發明的第三方面，提供一種使用回路接口電路以將來自雙線電流回路的功率提供給回路供電現場設備的方法，所述回路接口電路包括電流控制電路，用于經由雙線控制回路向遠程地點提供來自回路供電現場設備的測量信號；以及第一轉換器，具有與電流控制電路串聯的輸入、以及用于向回路供電現場設備提供功率的輸出。該方法包括以下步驟控制電流控制電路以調節流經雙線電流回路的回路電流，由此提供測量信號；以及通過控制第一轉換器的輸入的輸入電壓將電流控制電路的電壓調向期望電壓。
有利地，電流控制電路可以被控制為以第一時間常數調節回路電流，并且可以以基本上大于第一時間常數的第二時間常數調節第一轉換器的輸入端的輸入電壓。
本發明的第三方面的實施例以及通過該第三方面所獲得的效果大部分類似于以上對本發明的第一及第二方面的描述。


參照示出了本發明當前的優選實施例的附圖，現在將更加詳細地描述本發明的這些方面以及其他方面，在附圖中
圖I以安裝在示例性的罐中的雷達物位計的形式，示意性示出了回路供電現場設備;
圖2是示意性示出了根據本發明的回路供電現場設備的示例性實施例的框圖3a_c是示意性示出了圖2中的回路供電現場設備的不同配置的框圖；以及
圖4是示意性示出了根據本發明的實施例將功率從雙線電流回路提供到回路供電現場設備的方法的流程圖。
具體實施方式
在當前的詳細描述中，參照非接觸式雷達物位計系統來討論根據本發明的回路供電現場設備的示例性實施例。應當注意，這并不意味著限制本發明的范圍，而是同樣地可使用其他的回路供電現場設備，例如導波雷達系統、溫度傳感器、壓力傳感器等等。此外，雙線電流回路可以根據各種不同的通信標準來配置運行，所述通信標準例如為4-20mA、HART、基金會現場總線、過程現場總線等。
圖I以安裝在示例性罐2中的雷達物位計I的形式示意性示出了回路供電現場設備。雷達物位計I經由雙線回路4連接到主機3，該雙線回路4還用于為雷達物位計I提供功率。罐2包含產品6，并且當運行時，雷達物位計I通過確定射向產品的表面7 (在產品的表面7上，微波信號朝著雷達物位計I反射回去)的微波信號的行程時間來確定罐2中的產品6的裝料高度L。根據微波信號的行程時間及傳播速率，可以確定到產品6的表面7 的距離。利用罐2的尺寸的知識，該距離可以被轉換成裝料高度L。
在確定了作為過程變量的示例的裝料高度L之后，雷達物位計經由雙線電流回路 4向遠程主機3提供表示裝料高度L的測量信號以下將參照圖2更加詳細地描述向雙線電流回路4提供測量信號&以及將來自雙線電流回路路4的功率提供給回路供電現場設備I。
圖2是示意性示出了根據本發明的回路供電現場設備的示例性實施例的框圖，所述回路供電現場設備例如為圖I中的雷達物位計I。
圖2中的回路供電現場設備10包括用于確定諸如上述裝料高度L的過程變量的測量設備11 ;回路接口電路12，用于向雙線電流回路4提供表示過程變量的測量信號&以及用于將來自雙線電流回路4的功率提供給測量設備11。
回路接口電路12包括可控電流源14形式的電流控制電路、第一轉換器15和電壓調節電路16。
在回路供電現場設備10的運行期間，可控電流源14由測量設備11控制以向雙線電流回路4提供測量信號測量信號&可以是回路電流U直流電流電平)的形式和/或疊加在回路電流k上的交流信號的形式。后種情形的示例可以是根據HART協議在 4-20mA電流回路上的通信。
在圖2中示意性示出的示例性情形中，假定以4mA到20mA之間的一定回路電流込的形式提供測量信號&，如圖2所示。
第一轉換器15具有輸入端18a、18b和輸出端19a、19b,其中輸入端18a、18b與可控電流源14串聯從而連接到雙線電流回路4，輸出端連接到測量設備11以將來自雙線電流回路4的功率提供給測量設備11。
電壓調節電路16監測電流源14的電壓Ves，并且當回路電壓八變化時控制第一轉換器的輸入電壓Vin以使電流源14的電壓Ncs基本上恒定保持在預定值，比如2V。本領域技術人員可以通過各種方式實現上述情況。例如，第一轉換器15可以是所謂的“降壓/升壓”型的開關轉換器。這樣的轉換器例如可以以所謂的單端初級電感(SEPIC)轉換器的形式來實現，這對于電氣工程師是公知的。可以通過例如使用脈寬調制來控制轉換器中的開關晶體管來控制SEPIC轉換器的輸入電壓。
然而，實際上任何開關轉換器都可以用于根據本發明的各種實施例的現場設備。 例如，可以使用正激式轉換器和反激式轉換器。
在轉換器15的輸出側，可以提供附加電路21，其取決于期望功能可以具有不同的配置。這樣的附加電路21的一些示例將參照圖3a_c的示意性框圖在下文作進一步的描述。
當要將新的測量信號&提供到雙線電流回路4時，可控電流源14被測量設備11 控制以向雙線電流回路提供新的回路電流込。為了修改回路電流Iy可控電流源的電壓L 應當暫時允許被改變。然而，電壓調節電路力圖將可控電流源14的電壓保持為常數。為了允許測量信號快速準確的變化，并在同時保持可控電流源的電壓基本上隨時間恒定不變， 可控電流源14的控制可以優選地快于(具有較小的時間常數)第一轉換器15的輸入端 18a、18b之間的電壓Vin的控制。
根據圖3a中示意性示出的第一示例性配置，附加電路21可以包括能量存儲設備， 例如圖3a中所示的電容器25。應當注意，電容器25只是能量存儲設備的簡單示例，還應當注意，附加電路可以包括另外的部件，例如一個或若干個電阻器等。
還參照圖2，當測量設備11需要比目前由第一轉換器15所提供的功率更多的功率時，電容器25將會放電，從而提供所需的額外功率。當電流回路中的可用電流較低時，這將是特別重要的。
根據圖北中示意性示出的第二示例性配置，附加電路21可以包括并聯調節器，例如圖北中所示的齊納二極管觀。通過提供這樣的并聯調節器，到測量設備11(圖2中)的輸入電壓可以被限制為低于一定的最大電壓。最終，根據圖3c中示意性示出的第三示例性配置，附加電路21可以包括能量存儲設備25、并聯調節器觀和第二轉換器30。利用圖3c中的配置，可以存儲能量，同時可以向測量設備11(圖幻提供具有低紋波的調節后的電壓。或者，第二轉換器30可以被包括在測量設備11中。現在描述了根據本發明的回路供電現場設備11的示例性實施例，最后將參照圖4 中的流程圖以及圖2中的框圖進行描述根據本發明的方法的實施例。在第一步驟101中，可控電流源14由測量設備11控制，以調節回路電流込從而向遠程主機提供測量信號&。在可以與第一步驟101同時發生、但卻適合具有其他(較長)時間常數的第二步驟102中，轉換器15的輸入端18a、18b之間的輸入電壓Vin被控制，以針對變化的回路電壓 Vl使可控電流源14的電壓V。s基本上保持恒定不變。本領域的普通技術人員認識到，本發明不限制于上述的優選實施例。相反，可以在所附權利要求的范圍之內進行各種修改和變型。在權利要求中，術語“包括”不排除其他的元件或步驟，并且未指明單數或復數的術語名詞不排除復數。某些措施描述在相互不同的從屬權利要求中的這一事實并不表示不可以有利地利用這些措施的組合。
權利要求
1.一種用于確定過程變量并且經由雙線電流回路向遠程地點提供表示所述過程變量的測量信號的回路供電現場設備，所述回路供電現場設備包括測量設備，用于確定所述過程變量；以及回路接口電路，用于將所述測量信號提供到所述雙線電流回路以及用于將來自所述雙線電流回路的功率提供到所述測量設備；其中所述回路接口電路包括電流控制電路，所述電流控制電路連接到所述雙線電流回路和所述測量設備，所述電流控制電路能被所述測量設備控制為向所述雙線電流回路提供所述測量信號；第一轉換器，該第一轉換器具有與所述電流控制電路串聯從而連接到所述雙線電流回路的輸入、以及用于向所述測量設備提供功率的輸出；以及電壓調節電路，用于通過控制所述第一轉換器的所述輸入的輸入電壓將所述電流控制電路的電壓調向期望電壓。
2.根據權利要求I所述的回路供電現場設備，其中，所述期望電壓高于使得所述電流控制電路能夠提供所述測量信號所需的最小電壓。
3.根據權利要求I或2所述的回路供電現場設備，其中，所述期望電壓為預定電壓。
4.根據權利要求I或2中任一項所述的回路供電現場設備，其中，所述第一轉換器為開關轉換器。
5.根據權利要求I或2中任一項所述的回路供電現場設備，其中，所述電流控制電路能被控為以第一時間常數調節流經所述雙線電流回路的回路電流，并且所述電壓調節電路被配置成以基本上大于所述第一時間常數的第二時間常數調節所述第一轉換器的所述輸入的所述輸入電壓。
6.根據權利要求5所述的回路供電現場設備，其中，所述第二時間常數至少比所述第一時間常數大10倍。
7.根據權利要求I或2中任一項所述的回路供電現場設備，還包括連接到所述第一轉換器的能量存儲設備。
8.根據權利要求I或2中任一項所述的回路供電現場設備，包括第二轉換器，所述第二轉換器具有連接到所述第一轉換器的所述輸出端的輸入端。
9.根據權利要求I或2中任一項所述的回路供電現場設備，還包括用于限制所述第一轉換器的所述輸出電壓的并聯調節器。
10.根據權利要求I或2中任一項所述的回路供電現場設備，其中，所述現場設備為雷達物位計，所述雷達物位計包括微波單元，用于產生微波并向罐中所含的產品傳播所述微波；以及處理電路，用于確定罐中所含的產品的裝料高度，并且用于控制包括在所述回路接口電路內的所述電流控制電路向所述雙線電流回路提供表示裝料高度的所述測量信號。
11.一種用于經由雙線電流回路向遠程地點提供表示由測量設備所確定的過程變量的測量信號的回路接口電路，所述回路接口電路包括電流控制電路，用于向所述雙線電流回路提供所述測量信號；第一轉換器，所述第一轉換器具有被設置成與電流控制電路串聯并用于接收來自所述雙線電流回路的功率的輸入、以及用于向所述測量設備提供功率的輸出端；以及電壓調節電路，用于通過控制所述第一轉換器的所述輸入的輸入電壓將所述電流控制電路的電壓調向期望電壓。
12.一種使用回路接口電路將來自雙線電流回路的功率提供給回路現場設備的方法， 所述回路接口電路包括電流控制電路，用于經由所述雙線控制回路向遠程地點提供來自所述回路供電現場設備的測量信號；以及第一轉換器，該第一轉換器具有與所述電流控制電路串聯的輸入端、以及用于向所述回路供電現場設備提供功率的輸出端；所述方法包括以下步驟控制所述電流控制電路以調節流經所述雙線電流回路的回路電流，由此提供所述測量信號；以及通過控制所述第一轉換器的所述輸入的輸入電壓將所述電流控制電路的電壓調向期望電壓。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述期望電壓高于使得所述電流控制電路能夠提供所述測量信號所需的最小電壓。
14.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述電流控制電路被控制為以第一時間常數調節所述回路電流，并且以基本上大于所述第一時間常數的第二時間常數調節所述第一轉換器的所述輸入的所述輸入電壓。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述第二時間常數至少比所述第一時間常數大10倍。
全文摘要
本發明涉及一種用于確定過程變量并且經由雙線電流回路向遠程地點提供表示過程變量的測量信號的回路供電現場設備，回路供電現場設備包括用于確定過程變量的測量設備；用于將測量信號提供到雙線電流回路并將來自雙線電流回路的功率提供到測量設備的回路接口電路。該回路接口電路包括電流控制電路，該電流控制電路連接到雙線電流回路及測量設備，并且電流控制電路可由測量設備控制以向雙線電流回路提供測量信號；第一轉換器，具有與電流控制電路串聯從而連接到雙線電流回路的輸入、以及用于向測量設備提供功率的輸出；以及電壓調節電路，用于通過控制第一轉換器的輸入的輸入電壓將電流控制電路的電壓調向期望電壓。
文檔編號H02M3/156GK102545586SQ20111028984
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月20日 優先權日2010年12月22日
發明者瓦爾特·尼爾森 申請人:羅斯蒙特儲罐雷達股份公司