專利名稱：用于過(guò)程儀表的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的用于過(guò)程儀表的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有用于輸出測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)化4-20mA接口。
背景技術(shù)：
過(guò)程技術(shù)設(shè)備使用多種用于過(guò)程儀表的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來(lái)控制過(guò)程。測(cè)量變換器用于對(duì)介質(zhì)的溫度、壓力、流量、料位、密度或氣體濃度等過(guò)程變量進(jìn)行檢測(cè)。在測(cè)得過(guò)程變量的基礎(chǔ)上，可由執(zhí)行元件依據(jù)(例如)控制站所規(guī)定的策略對(duì)流程施加影響。執(zhí)行元件例如是調(diào)節(jié)閥、加熱器或泵。特別是在工藝技術(shù)設(shè)備中，壓力測(cè)量變換器是自動(dòng)化生產(chǎn)流程領(lǐng)域的重要傳感組件。為了實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)備特性并長(zhǎng)久保持高產(chǎn)品質(zhì)量，需要提供高質(zhì)量測(cè)量變換器，其即使在極端條件下也能提供穩(wěn)定而錯(cuò)誤較少的測(cè)量值。西門(mén)子目錄“ST FI 01-2008”第1章揭示一種用于過(guò)程儀表的壓力測(cè)量變換器， 該壓力測(cè)量變換器配有用于(例如)向控制系統(tǒng)輸出測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)化4-20mA接口。通過(guò) HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)字式參數(shù)化。待測(cè)壓力的測(cè)量值則以模擬電流的形式進(jìn)行傳輸。圖1為用于在已知壓力測(cè)量變換器的4_20mA接口中產(chǎn)生模擬電流信號(hào)的輸出級(jí)的基本結(jié)構(gòu)圖。兩個(gè)接線端子1和2上可連接未圖示的雙線線路，過(guò)程技術(shù)設(shè)備中的測(cè)量變換器可借助這個(gè)雙線線路例如與控制站或自動(dòng)化設(shè)備連接。在該輸出級(jí)中，回路電流I 流經(jīng)晶體管電路3、電源4和測(cè)量電阻器5所構(gòu)成的串聯(lián)連接。調(diào)節(jié)器6用控制信號(hào)7控制晶體管級(jí)3。因此，受到晶體管電路3調(diào)節(jié)的回路電流I與控制信號(hào)7的大小有關(guān)。電源4 為測(cè)量變換器提供工作所需電能。可用電能取決于回路電流I的大小及電源4上的下降電壓U_IN的大小。部分回路電流I經(jīng)電源4輸往下游的直流/直流轉(zhuǎn)換器8，該直流/直流轉(zhuǎn)換器用這部分回路電流產(chǎn)生適于驅(qū)動(dòng)測(cè)量變換器的電子開(kāi)關(guān)電路的電壓9。為清楚起見(jiàn)， 圖1未對(duì)這些開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行圖示。高精測(cè)量電阻器5用于檢測(cè)回路電流I并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)以實(shí)際值U 1ST的形式在第一反饋路徑10中被傳輸給調(diào)節(jié)器6。調(diào)節(jié)器6的作用是將檢測(cè)到的實(shí)際值U_IST調(diào)節(jié)為額定值U_S0LL，該額定值是由圖1中未示出的微控制器根據(jù)測(cè)得壓力而生成。調(diào)節(jié)器6是具有積分性能的調(diào)節(jié)器，亦即，該調(diào)節(jié)器根據(jù)額定值U_S0LL和實(shí)際值U_IST產(chǎn)生控制偏差并進(jìn)行積分。為清楚起見(jiàn)，圖1所示調(diào)節(jié)器6 的符號(hào)中僅顯示該調(diào)節(jié)器的核心元件運(yùn)算放大器。在測(cè)量精度和功能范圍方面，對(duì)測(cè)量變換器的要求越來(lái)越高。這種越來(lái)越高的要求也對(duì)4-20mA接口的輸出級(jí)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了影響。舉例而言，對(duì)輸出測(cè)量值的精度要求直接受到測(cè)量電阻器5、調(diào)節(jié)器6及晶體管電路3對(duì)回路電流I的調(diào)節(jié)精度影響。特定而言，調(diào)節(jié)器6需要配備非常精確且偏置電壓較低的運(yùn)算放大器。此外，接口的輸出級(jí)只能占用極少電量，以便測(cè)量變換器的其他電子電路具有足夠的工作電能來(lái)實(shí)現(xiàn)期望功能范圍。特別對(duì)于運(yùn)算放大器和晶體管電路的選擇而言，這就意味著只能采用耗電量極低的組件。此外， 輸出電路必須具有高EMC(電磁兼容性)。這是指輸出級(jí)承受一定程度的干擾而不發(fā)生故障的能力。根據(jù)NAMUR建議NE21標(biāo)準(zhǔn)A的規(guī)定，不得因特定干擾而導(dǎo)致功能明顯受損。根據(jù)NE21的規(guī)定，干擾例如指IOkHz至80MHz頻率范圍內(nèi)的高頻耦合、IOV振幅或者雙線線路施加IkV的快速瞬態(tài)(Burst)。當(dāng)前輸出值為12mA時(shí)，包括4_20mA接口且精確度為0. 5%的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備受干擾時(shí)的輸出電流與額定值的偏差不得超過(guò)0. 16mA。以上述要求為參照，已知輸出級(jí)具有以下缺點(diǎn)晶體管電路3的放大效果有限，因?yàn)閮H采用了單獨(dú)一個(gè)放大數(shù)量級(jí)為50的PNP功率晶體管。這就需要為晶體管提供較大的控制電流，且該控制電流會(huì)對(duì)地GND流動(dòng)。因此， 控制電流無(wú)法再用來(lái)獲取測(cè)量變換器工作所需電能。在此情況下，可供電子設(shè)備使用的功率下降了大約3%。為了對(duì)通過(guò)連接在端子1和2上的雙線線路而進(jìn)入輸出級(jí)的干擾進(jìn)行補(bǔ)償，調(diào)節(jié)器6在調(diào)節(jié)回路電流I時(shí)除了必要的精確度以外還須具有高速度。只有功率需量相對(duì)較高的運(yùn)算放大器才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。但與使用所謂的超低功耗型相比，這會(huì)使得可供電子設(shè)備使用的電能進(jìn)一步降低3%。由此可見(jiàn)，已知輸出級(jí)已經(jīng)消耗了 6%的可用工作電能。由于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在測(cè)量速度、功能范圍、圖形顯示、顯示照明、IEC/EN61508所規(guī)定的SIL(安全完整性等級(jí))等方面的性能要求與日俱增，因此，使輸出級(jí)不再浪費(fèi)這么多電能，而是提供給急需使用這些電能來(lái)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能的電子設(shè)備成為越來(lái)越迫切的任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種用于過(guò)程儀表的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，這種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輸出級(jí)能耗相對(duì)較低，但該現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的抗電磁干擾能力相對(duì)較高。本發(fā)明用以達(dá)成上述目的的解決方案為一種具有如權(quán)利要求1特征部分所述特征的前述類型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。從屬權(quán)利要求涉及的是本發(fā)明的有利改良方案。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)經(jīng)雙線線路進(jìn)入的干擾進(jìn)行補(bǔ)償，而不必對(duì)用于控制晶體管電路的調(diào)節(jié)器的速度提出特別要求。為了抑制經(jīng)雙線線路進(jìn)入的干擾，本發(fā)明將包括補(bǔ)償信號(hào)的第二反饋路徑直接(即不通過(guò)具有積分性能的調(diào)節(jié)器)接到用于調(diào)節(jié)回路電流的晶體管電路上，從而近乎形成起輔助作用的第二控制電路。通過(guò)這種方式，由位于內(nèi)側(cè)且較快的控制電路對(duì)EMC干擾進(jìn)行過(guò)濾，而調(diào)節(jié)器內(nèi)所用的運(yùn)算放大器就能以慢得多的速度進(jìn)行工作。這樣就可以采用耗電量低得多的運(yùn)算放大器。此外，采用第二反饋路徑來(lái)抑制耦合干擾后，如果使用放大效果明顯增強(qiáng)的晶體管電路，就能進(jìn)一步降低輸出級(jí)的耗電量。在此情況下，放大系數(shù)例如可達(dá)50000，這樣就不會(huì)有可觀的功率被晶體管電路的控制電流浪費(fèi)掉。用高通濾波器在第二反饋路徑上產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是，只有輔助控制電路中的高頻干擾和瞬態(tài)會(huì)被輸往晶體管電路的輸入端。晶體管電路基本上由晶體管構(gòu)成，因而對(duì)此反應(yīng)很快。高通濾波器可以采用例如由歐姆電阻器和電容器構(gòu)成的串接連接。事實(shí)證明， 當(dāng)晶體管電路的放大系數(shù)是50000時(shí)，100ΚΩ及InF量級(jí)的電阻值與電容是合適的。組件的準(zhǔn)確尺寸與所用晶體管電路的特性有著很大的相關(guān)性，可以通過(guò)將特定干擾施加到輸出級(jí)上并對(duì)借助相應(yīng)調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)的干擾抑制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)來(lái)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)定這個(gè)精確尺寸。根據(jù)一種特別有利的實(shí)施方案，所述第二反饋路徑上的高通濾波器與一比例元件并聯(lián)，所述比例元件用于疊加一與所述回路電流成比例的分量。這種又稱直流反饋(DC-Feedback)的反饋路徑削弱了晶體管電路的放大效果。放大效果的削弱有利于降低調(diào)節(jié)器輸出噪聲的放大程度。因此與不設(shè)置并聯(lián)比例元件的情形相比，調(diào)節(jié)器的噪聲性能要求的重要性有所下降，在不設(shè)置比例元件的情況下晶體管電路的放大效果將會(huì)居高不下。 另一方面，設(shè)置并聯(lián)比例元件后就可以在調(diào)節(jié)器的電子電路中采用固有噪聲較高、因而售價(jià)較低的運(yùn)算放大器。根據(jù)有利實(shí)施方案，由所述較快的輔助控制電路對(duì)經(jīng)雙線線路進(jìn)入的干擾進(jìn)行抑制，這項(xiàng)任務(wù)不再由外側(cè)控制電路中的調(diào)節(jié)器承擔(dān)。如前所述，其優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)節(jié)器不用再滿足速度方面的高要求。但如果采用中等帶寬的調(diào)節(jié)器，用設(shè)置在第一反饋路徑上的低通濾波器隔離中頻(例如IOkHz至IMHz)范圍內(nèi)的EMC干擾與調(diào)節(jié)器輸入端，就比較有利。由此實(shí)現(xiàn)了完全的功能分離，亦即，較快的輔助控制電路用于抑制EMC干擾，外側(cè)控制電路的調(diào)節(jié)器則僅負(fù)責(zé)用模擬電流信號(hào)進(jìn)行精確的測(cè)量值輸出?？梢圆捎酶呔鹊摹俺凸倪\(yùn)算放大器”，例如 National Semiconductor 公司的 LMP2231 型或 Analog Devices 公司的 AD8603型。這兩種控制電路都能實(shí)現(xiàn)與其相應(yīng)功能的最佳匹配。采用帶達(dá)林頓管的晶體管電路的優(yōu)點(diǎn)是，這種晶體管電路的放大效果很強(qiáng)(50000 量級(jí))，因而只需要用很低的信號(hào)能量就能控制晶體管電路。由于設(shè)置了能抑制經(jīng)雙線線路而進(jìn)入的干擾的快速輔助控制電路，這種放大效果較強(qiáng)的晶體管電路對(duì)耦合EMC干擾敏感與否已不再重要。外側(cè)控制電路中的調(diào)節(jié)器不必再對(duì)EMC干擾作出反應(yīng)。盡管晶體管電路的放大效果較強(qiáng)，仍然可以采用低帶寬且耗電量相對(duì)較低的調(diào)節(jié)器。


圖1為包含4_20mA接口的測(cè)量變換器的已知輸出級(jí)的基本電路圖；以及圖2為本發(fā)明輸出級(jí)實(shí)施例的基本電路圖。
具體實(shí)施例方式下面借助附圖所示的已知實(shí)施方案及本發(fā)明實(shí)施例對(duì)本發(fā)明及其設(shè)計(jì)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如前所述，圖1為應(yīng)用于已知壓力測(cè)量變換器SITRAS P的4_20mA接口的輸出級(jí)的基本電路圖。圖1所示已知輸出級(jí)中的很多部件也出現(xiàn)在圖2所示實(shí)施例的輸出級(jí)中。這些部件在兩個(gè)圖中均采用相同的參考符號(hào)。圖2所示的輸出級(jí)采用的是包含達(dá)林頓管的晶體管電路20。這個(gè)達(dá)林頓電路的放大效果很強(qiáng)，使用信號(hào)能量相對(duì)較低的信號(hào)21就能對(duì)其加以控制。在本實(shí)施例中，信號(hào) 21由求和點(diǎn)22提供，調(diào)節(jié)器M所輸出的控制信號(hào)23以及補(bǔ)償信號(hào)25均輸往這個(gè)求和點(diǎn)。 測(cè)量電阻器5仍然用作對(duì)形式為實(shí)際值U_IST的回路電流I進(jìn)行檢測(cè)的構(gòu)件。這個(gè)實(shí)際值 U.IST在設(shè)有第一反饋元件沈的第一反饋路徑27中被輸往調(diào)節(jié)器M，從而產(chǎn)生控制信號(hào) 23。調(diào)節(jié)器M具有積分性能且最大帶寬例如為10kHz。將第一反饋路徑27反饋的實(shí)際值與微處理器所規(guī)定的額定值U_S0LL進(jìn)行比較并產(chǎn)生控制偏差，由調(diào)節(jié)器M將其歸零。反饋元件26借助低通濾波器將中高頻范圍內(nèi)的頻率分量與調(diào)節(jié)器M隔離，因?yàn)樵撜{(diào)節(jié)器只負(fù)責(zé)在低頻范圍內(nèi)對(duì)與待輸出測(cè)量值相對(duì)應(yīng)的模擬電流信號(hào)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。這個(gè)低通濾波器可以簡(jiǎn)單地實(shí)施為100ΚΩ量級(jí)的電阻器觀和InF量級(jí)的電容器四。電路優(yōu)化的一個(gè)附加條件是必須將HART通信考慮在內(nèi)。HART信號(hào)作為疊加調(diào)頻信號(hào)隨額定值U_S0LL —起被發(fā)送到調(diào)節(jié)器M上并由晶體管電路20輸出到電流回路中。調(diào)節(jié)器M與晶體管電路20的頻率響應(yīng)必須經(jīng)相應(yīng)調(diào)整，才能使HART信號(hào)符合HART通信基金會(huì)的HCF_SPEC-M規(guī)范。借助補(bǔ)償信號(hào)25對(duì)表現(xiàn)為實(shí)際值^^!1的高頻信號(hào)疊加的EMC干擾進(jìn)行抑制。為了產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)25，需在第二反饋路徑中接入第二反饋元件30，該第二反饋元件包含高通濾波器和與之并聯(lián)的比例元件。該高通濾波器通過(guò)電阻器31和與該電阻器串聯(lián)的電容器 32而實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)元件的值同樣處于100ΚΩ及InF量級(jí)。與高通濾波器31、32并聯(lián)的數(shù)量級(jí)同樣為100ΚΩ的電阻器33用作比例元件。第一反饋元件沈和第二反饋元件30中所使用的組件的準(zhǔn)確值與晶體管電路20和調(diào)節(jié)器M的特性有著很大的相關(guān)性。因此，最好是針對(duì)具體所用類型憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化這些值。一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式是將特定的EMC干擾施加到端子1和2上并對(duì)所取得的抑制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。如果調(diào)節(jié)器M是帶電流輸出端的調(diào)節(jié)器， 就可以毫不費(fèi)力地將求和點(diǎn)22實(shí)施為電流節(jié)點(diǎn)。接下來(lái)在節(jié)點(diǎn)中將經(jīng)第二反饋路徑輸往求和點(diǎn)22的補(bǔ)償信號(hào)25與控制信號(hào)23 (這兩個(gè)信號(hào)均表示為電流信號(hào))進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加以產(chǎn)生控制信號(hào)21。所述測(cè)量變換器的基準(zhǔn)電位優(yōu)選布置在電源4與測(cè)量電阻器5之間的串聯(lián)連接中。在此情況下，不需要采取其他的電路措施，測(cè)量電阻器5上就能形成負(fù)的下降電壓，并且兩個(gè)反饋路徑上的信號(hào)極性相反。從本實(shí)施例中可以明顯看出，較快的輔助控制電路負(fù)責(zé)抑制EMC干擾，相對(duì)較慢的外側(cè)控制電路則負(fù)責(zé)對(duì)回路電流I進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。通過(guò)這種功能劃分可以針對(duì)兩個(gè)控制電路所擔(dān)負(fù)的不同任務(wù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。此外，圖2所示輸出級(jí)的電能需求相對(duì)較低，這就能為測(cè)量變換器提供更多工作電能以實(shí)現(xiàn)多種功能。通過(guò)第二反饋元件30中的比例元件可以削弱放大效果，從而降低晶體管電路20對(duì)調(diào)節(jié)器對(duì)的噪聲的敏感度。通過(guò)上述反饋措施和放大效果削弱措施還能改善輸出級(jí)的特性曲線的線性度，并降低輸出級(jí)的溫度相關(guān)性。
權(quán)利要求
1.一種用于過(guò)程儀表的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有一用于連接一雙線線路的標(biāo)準(zhǔn)化 4-20mA接口，其中，所述接口包含一串聯(lián)連接，所述串聯(lián)連接包括一晶體管電路(20)，所述晶體管電路可根據(jù)一控制信號(hào)對(duì)所述4-20mA接口的回路電流⑴進(jìn)行調(diào)節(jié)，一電源G)，所述電源可借助所述回路電流(I)和一電壓降(U_IN)產(chǎn)生提供給所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作電能，以及可以實(shí)際值(U_IST)形式檢測(cè)所述回路電流(I)的構(gòu)件(5)，其中，所述實(shí)際值(U_IST)經(jīng)一第一反饋路徑(XT)輸往一調(diào)節(jié)器03)以產(chǎn)生所述控制信號(hào)(23)，此外還將一與待傳輸測(cè)量值相對(duì)應(yīng)的額定值(U_S0LL)傳輸給所述調(diào)節(jié)器，以便與所述實(shí)際值(U_IST)進(jìn)行比較，其特征在于，所述實(shí)際值(U_IST)作為補(bǔ)償信號(hào)05)經(jīng)一第二反饋路徑輸往一求和點(diǎn)(22)，所述第二反饋路徑用于抑制經(jīng)所述雙線線路進(jìn)入的干擾，所述求和點(diǎn)用于根據(jù)所述控制信號(hào)03) 和所述補(bǔ)償信號(hào)0 產(chǎn)生一用于所述晶體管電路00)的輸入信號(hào)01)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于，所述第二反饋路徑上設(shè)有一用于產(chǎn)生所述補(bǔ)償信號(hào)0 的高通濾波器(31，32)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于，所述高通濾波器(31,3 與一比例元件(3 并聯(lián)，所述比例元件用于疊加一與所述回路電流⑴成比例的分量。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于，所述第一反饋路徑(XT)上設(shè)有一低通濾波器08二9)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于，所述用于調(diào)節(jié)所述回路電流(I)的晶體管電路00)中包含一達(dá)林頓電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于過(guò)程儀表的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有一用于連接一雙線線路以及用于輸出測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)化4-20mA接口。所述接口包含一串聯(lián)連接，所述串聯(lián)連接包括一晶體管電路(20)、一電源(4)以及構(gòu)件(5)，所述晶體管電路可根據(jù)一控制信號(hào)(23)對(duì)回路電流(I)進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述構(gòu)件可以實(shí)際值(U_IST)形式檢測(cè)所述回路電流(I)。經(jīng)一第一反饋路徑(27)將所述實(shí)際值(U_IST)傳輸給一具有積分性能的調(diào)節(jié)器(24)，所述調(diào)節(jié)器將所述實(shí)際值與一額定值(U_SOLL)進(jìn)行比較并根據(jù)控制偏差產(chǎn)生一用于所述晶體管電路(20)的控制信號(hào)(23)。所述具有相對(duì)較低帶寬的調(diào)節(jié)器(24)用于精確調(diào)節(jié)出理想的回路電流(I)。為了對(duì)經(jīng)所述雙線線路進(jìn)入的干擾進(jìn)行抑制，所述實(shí)際值(U_IST)作為補(bǔ)償信號(hào)(25)經(jīng)一第二反饋路徑輸往一求和點(diǎn)(22)，所述求和點(diǎn)用于根據(jù)所述控制信號(hào)(23)和所述補(bǔ)償信號(hào)(25)產(chǎn)生一用于所述晶體管電路(20)的輸入信號(hào)(21)。這個(gè)輔助控制電路相對(duì)較快，因而也能抑制高頻EMC干擾。在此情況下，可以采用放大效果相對(duì)較強(qiáng)的晶體管電路(20)并在所述低帶寬調(diào)節(jié)器(24)中采用運(yùn)算放大器，因此所述接口能耗較低。
文檔編號(hào)G01D3/02GK102472634SQ201080030474
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者埃里克·舍米斯凱, 拉爾夫·瓦爾特, 米夏埃爾·格佩特, 西蒙·羅爾巴赫, 賴因哈德·巴赫曼 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司