專利名稱：用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率的輸出電壓和輸出電流的儀器功率 ...的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種儀器功率控制器和方法，并且更特別地涉及一種用于自適應地提 供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。的輸出電壓v。和輸出電流I。的儀器功率控制器和
方法。
背景技術：
流量計被用于測量流動材料的質量流速、密度和其它特性。流動材料可以包括液 體、氣體、組合的液體和氣體、懸浮于液體中的固體、包含氣體以及懸浮固體的液體等。流量 計可以被用于測量流速(即通過測量穿過流量計的質量流)，并且可以進一步被用于確定 流量流(flowstream)中成分的相應比例。 在許多過程控制或者工業(yè)自動化設置中，總線回路或者儀表總線
(instrumentation bus)被用來連接到各種類型的裝置，諸如流量計?？偩€回路一般被用于
將電能輸送給各種附接的儀器或裝置。另外，總線回路還一般被用于與傳感器或裝置來回
通信數(shù)據(jù)。因此，總線回路被連接到主裝置，其可以通過總線提供調整的電壓并且可以通過
總線交換通信。主裝置可以將命令和/或程序設計、數(shù)據(jù)、校準和其它設置等發(fā)送給各種連
接裝置。主裝置還可以從連接裝置接收數(shù)據(jù)，包括標識數(shù)據(jù)、校準數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù) 等。 主裝置可以進一步包括連接到電功率源的電源(power su卯ly)。主裝置通常通過 限制電流、限制電壓并且限制功率的總線回路提供電功率。 在對振動流量計諸如比重計或科里奧利(Coriolis)流量計)進行正常操作期間， 電流消耗和電壓需求相對穩(wěn)定。然而，當流量計開始被通電時，計流管(meter flow tube) 的振動在頻率和幅度方面逐漸增加。由于流管的構造和材料并且由于流管中流動材料增加 的質量，流管不能立刻提高到目標振動幅度。由此，啟動階段將需要高于正常操作所需要的 電流。因此，啟動時的電流汲取高于正常操作期間的電流汲取。 總線回路可以包括例如4-20毫安(mA)總線回路。4_20mA總線是雙線儀表總線標 準，其通常被用于連接到單個儀器并且還能夠被用于提供儀器與主裝置之間的通信?？商?換地，總線回路可以包括其它的總線協(xié)議或標準。 根據(jù)本質安全保護方法的需求，由主裝置/電源輸送的電功率出于安全目的被嚴 格限制。例如，4-20mA總線協(xié)議可以被限制為20mA的電流并且可以進一步被限制為16-32 伏(V)?？偩€上裝置可用的電功率因此受到限制。 在一些操作環(huán)境中，流管啟動可能是有問題的。啟動時功率限制的一種結果是流 管啟動時間被大大延長，因為過電流不能被用于推進流管或多個流管的振動幅度。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明實施例提供一種用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功
5率P。的輸出電壓V。和輸出電流I。的儀器功率控制器。所述儀器功率控制器包括用于接收 輸入功率&的輸入、用于將基本上恒定的輸出功率P。提供給可變阻抗負載L的輸出、以及 用于從負載L接收負載電壓、的通信路徑。所述儀器功率控制器被配置為確定輸入電壓 V工和輸入電流Ip確定負載L的有效電阻&并且根據(jù)輸入電壓V工、輸入電流I工和有效電阻 R^來設置輸出電壓V。和輸出電流I。。所述輸出電壓V。基本上與輸入電壓V工無關。所述輸 出電壓V。和輸出電流I。發(fā)生改變以便使傳輸給可變阻抗負載L的負載功率最大化而同 時保持基本上恒定的電輸出功率P。。 根據(jù)本發(fā)明提供一種用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。的 輸出電壓V。和輸出電流I。的電功率控制方法。所述方法包括確定輸入電壓V工和輸入電流 Ip和確定可變阻抗負載L的有效電阻&。所述方法進一步包括根據(jù)輸入電壓V工、輸入電流 I工和有效電阻&來設置輸出電壓V。和輸出電流I。。所述輸出電壓V?；旧吓c輸入電壓V工 無關。所述輸出電壓V。和輸出電流I。發(fā)生改變以便使傳輸給可變阻抗負載L的負載功率
最大化而同時保持基本上恒定的電輸出功率P。。
根據(jù)本發(fā)明提供一種用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。的 輸出電壓V。和輸出電流I。的電功率控制方法。所述方法包括確定輸入電壓V工和輸入電流 Ip和確定可變阻抗負載L的有效電阻&。所述方法進一步包括確定所述有效電阻&是否 在預先確定的正常操作范圍內。所述方法進一步包括，如果所述有效電阻&不在預先確定 的正常操作范圍內，則根據(jù)輸入電壓V工、輸入電流I工和有效電阻&來設置輸出電壓V。和輸 出電流I。。所述輸出電壓V。基本上與輸入電壓V工無關。所述輸出電壓V。和輸出電流I。發(fā) 生改變以便使傳輸給可變阻抗負載L的負載功率最大化而同時保持基本上恒定的電輸 出功率P。。 在所述儀器功率控制器的一個方面，所述輸入電壓V工包括基本上固定的輸入電壓
V 在所述儀器功率控制器的另一方面，所述有效電阻&包括I^ = CJ^。
在所述儀器功率控制器的又一方面，所述輸出電壓V。包括V。-C2^/V山Rl 。
在所述儀器功率控制器的又一方面，所述輸入電壓V工和輸入電流I工遵守總線回路 標準。 在所述儀器功率控制器的又一方面，所述輸入電壓V工和輸入電流I工遵守本質安全 (IS)標準。 在所述儀器功率控制器的又一方面，所述負載L包括振動流量計，并且所述負載 電壓、與振動流量計的一個或多個流管道的振動幅度有關。 在所述儀器功率控制器的又一方面，所述負載L包括科里奧利流量計，并且所述 負載電壓、與科里奧利流量計的一個或多個流管道的振動幅度有關。 在所述儀器功率控制器的又一方面，所述負載L包括振動比重計，并且所述負載 電壓、與振動比重計的一個或多個流管道的振動幅度有關。 在所述儀器功率控制器的又一方面，所述儀器功率控制器被進一步配置為確定所 述有效電阻&是否在預先確定的正常操作范圍內，并且如果所述有效電阻&不在預先確定 的正常操作范圍內，則根據(jù)輸入電壓V工、輸入電流I工和有效電阻&來設置輸出電壓V。和輸 出電流I。。
在所述儀器功率控制器的又一方面，所述儀器功率控制器進一步包括被配置為設
置輸出電壓V。的電壓供應器和被配置為設置輸出電流I。的電流供應器。 在所述儀器功率控制器的又一方面，所述儀器功率控制器進一步包括被配置為設
置輸出電壓V。的驅動電壓轉換器；被配置為提供輸出電流I。的驅動電流源；以及被耦合到
驅動電壓轉換器、負載L和回路電流控制的控制，其中所述控制被配置為控制驅動電壓轉
換器和驅動電流源以在設定輸出電壓V。和輸出電流I。 二者的時候生成基本上恒定的輸出
功率P。。 在所述方法的一個方面，所述輸入電壓V工包括基本上固定的輸入電壓V工。 在所述方法的另一方面，所述有效電阻&包括R^ = CJ^。在所述方法的又一方面，
所述輸出電壓V。包括V^C^V山Rl 。 在所述方法的又一方面，所述輸入電壓V工和輸入電流I工遵守總線回路標準。
在所述方法的又一方面，所述輸入電壓V工和輸入電流I工遵守本質安全(IS)標準。
在所述方法的又一方面，所述負載L包括振動流量計，并且所述負載電壓、與振動流量計的一個或多個流管道的振動幅度有關。 在所述方法的又一方面，所述負載L包括科里奧利流量計，并且所述負載電壓、與科里奧利流量計的一個或多個流管道的振動幅度有關。 在所述方法的又一方面，所述負載L包括振動比重計，并且所述負載電壓、與振動比重計的一個或多個流管道的振動幅度有關。 在所述方法的又一方面，所述方法進一步包括確定所述有效電阻&是否在預先確定的正常操作范圍內，并且如果所述有效電阻&不在預先確定的正常操作范圍內，則根據(jù)輸入電壓V工、輸入電流I工和有效電阻&來設置輸出電壓V。和輸出電流I。。


圖1示出包括流量計組件和計電子部件(meter electronics)的流量計。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的總線系統(tǒng)。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明實施例的儀器功率控制器。 圖4是驅動器線圈的電壓絕對值V f 、負載電壓、(其中、包括V f加上由于負載/驅動器的電阻RL的電壓)和輸出電流I。的圖表。 圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。的輸出電壓V。和輸出電流I。的方法的流程圖。 圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。
的輸出電壓V。和輸出電流I。的方法的流程圖。 圖7示出根據(jù)本發(fā)明實施例的儀器功率控制器。
具體實施例方式
圖l-7和下述描述描寫了特定示例以教導本領域技術人員如何制作和使用本發(fā)明的最佳模式。出于教導本發(fā)明原理的目的，簡化或省略了一些常規(guī)方面。本領域技術人員將能夠理解根據(jù)這些示例的落入本發(fā)明范圍內的變形方式。本領域技術人員將能夠理解，可以以各種方式對下述特征進行組合以形成本發(fā)明的多種變形方式。因此，本發(fā)明不限于下述特定示例，而只由權利要求及其等同物來限定。 圖1示出包括流量計組件10和計電子部件20的流量計5。計電子部件20經由引線100被連接到計組件10，并且被配置為通過通信路徑26提供密度、質量流速、體積流速、總質量流量、溫度和其它信息中的一個或多個的測量。對于本領域技術人員顯而易見的是，本發(fā)明可以被用在任意類型的科里奧利流量計中而不管驅動器、傳感器(pick-offsensor)、流管道的數(shù)量或者振動的操作模式。另外，應該認識到，流量計5可以替換地包括振動比重計。 流量計組件IO包括一對凸緣101和101'、歧管102和102'、驅動器104、傳感器105-105'以及流管道103A和103B。將驅動器104和傳感器105和105'連接到流管道103A和103B。 凸緣101和101'被固定到歧管102和102'。歧管102和102'可以被固定到間隔物(spacer) 106的相對段。間隔物106保持歧管102和102'之間的間距，以便防止流管道103A和103B中的非期望振動。當流量計組件10被插入到承載所測量的流動材料的管道系統(tǒng)(未示出)中時，流動材料穿過凸緣101進入流量計組件10，通過全部流動材料被引導進入流管道103A和103B的入口歧管102，流過流管道103A和103B，并且回到出口歧管102'中，在該歧管102'處，流動材料穿過凸緣101'離開計組件10。 流管道103A和103B被選擇并且被適當?shù)匕惭b到入口歧管102和安裝到出口歧管102'，以便具有基本上相同的質量分布、慣性矩以及分別關于彎曲軸W-W和W'-W'的彈性模數(shù)。流管道103A和103B從歧管102和102'以大體上平行的方式向外延伸。
流管道103A和103B由驅動器104以關于相應彎曲軸W和W'的相對方向并且以被稱為流量計5的第一異相(out of phase)彎曲模式來驅動。驅動器104可包括許多公知布置之一，諸如安裝到流管道103A的磁體和安裝到流管道103B的反作用線圈。交流電通過所述反作用線圈以使得這兩個管道振蕩。合適的驅動信號被計電子部件20經由引線IIO應用于驅動器104。 計電子部件20分別接收引線111和111'上的傳感器信號。計電子部件20在引線110上產生驅動信號，這引起驅動器104對流管道103A和103B進行振蕩。計電子部件20對來自傳感器105和105'的左側和右側的速度信號進行處理，以便計算質量流速。通信路徑26提供允許計電子部件20與操作者(operator)或者與其它電子系統(tǒng)進行連接的輸入和輸出方式。圖1的說明只被提供為操作科里奧利流量計的示例，并且不旨在限制本發(fā)明的教導。 圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的總線系統(tǒng)200。總線系統(tǒng)200包括連接到總線回路112的回路電源110。流量計環(huán)境100可以進一步包括耦合到總線回路112的儀器功率控制器120。在一些實施例中，儀器功率控制器120自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。的輸出電壓V。和輸出電流I。。輸出功率P?？梢员惶峁┑娇勺冏杩关撦dL，諸如振動流量計5或者其它的總線儀器5。 回路電源110可以具有固定或受限的電壓輸出以及固定或受限的電流輸出。在IS電源中，所提供的電功率(尤其包括所提供的電流)受到限制以便在危險環(huán)境中使用時防止燃燒或爆炸。在一些實施例中，回路電源110包括本質安全(IS)電源。因此，回路電源IIO可以遵守專門的安全標準。
連接到總線回路112的各種裝置可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給回路電源110并且以其它方式與回路電源110通信。例如在回路電源110位于IS隔離裝置(barrier)后面的情況下，回路電源110可以將數(shù)據(jù)和通信中繼給其它裝置，包括監(jiān)控和/或記錄設備、用于與其它裝置通信的發(fā)射器、操作者顯示器等。 總線回路112可以接收一個或多個總線儀器5并且可以將電功率提供給一個或多個總線儀器5?？偩€回路112可以傳輸回路電源110與一個或多個總線儀器5之間的通信?？偩€回路112可以包括多裝置總線(諸如基金會現(xiàn)場總線)以及單個裝置回路(諸如4-20mA總線)。 儀器功率控制器120包括輸入121和輸出122。儀器功率控制器120在輸入121處經由總線回路112接收來自回路電源110的電功率。儀器功率控制器120將電功率提供給在輸出122處的一個或多個連接的總線儀器5并且另外可以傳輸連接的總線儀器5與回路電源110之間的通信。儀器功率控制器120將基本上恒定的電功率提供給一個或多個連接的總線儀器5。 在所示出的實施例中，連接的總線儀器5包括耦合到儀器功率控制器120的振動流量計?？偩€儀器5可以包括如上所述的計組件10和計電子部件20。然而，應該理解，可以將其它總線儀器5連接到儀器功率控制器120。 儀器功率控制器120包括通信路徑126。儀器功率控制器120通過總線回路112與回路電源110交換通信。另外，通信路徑126交換總線儀器5與儀器功率控制器120之間的通信。因此，儀器功率控制器120可以中繼回路電源110與總線儀器5之間的通信。另外，儀器功率控制器120可以對通信進行翻譯/轉換。例如，如果計電子部件20生成數(shù)字通信信號，則儀器功率控制器120可以將該數(shù)字測量信號轉換為適于回路電流L的模擬電流電平。 根據(jù)一些協(xié)議，通過總線回路112的通信要求改變流過總線回路112的回路電流L。根據(jù)至少一個儀表總線協(xié)議，當總線儀器5正在操作并因此構建模擬測量信號時，回路電流L在4毫安(mA)與20mA之間發(fā)生改變。計電子部件20將通過發(fā)送給儀器功率控制器120的信號并且根據(jù)測量到的通過計組件10的流動材料的質量流速來控制回路電流^。根據(jù)相關的儀表總線協(xié)議，當沒有流通過計組件10時，或者在總線儀器5不在操作模式的情況下，回路電流^可以被維持在小于4mA。 然而，服從IS的總線協(xié)議限制可以被輸送給總線儀器5(諸如流量計5)的總功率?？偩€儀器5不能接收多于可通過總線回路112獲得的功率(P)。電功率(P)被定義為電壓(V)乘以電流(I)，或者 P = V*I (1) 振動流量計(諸如科里奧利流量計和振動比重計)通過將電流應用于安裝到一個管上的驅動器線圈來振蕩，由此創(chuàng)建驅動相對管上的磁體的磁場。線圈與磁體之間的力(F)與磁體的磁場強度(B)、線圈中的電流(i)以及線圈的長度(L)成比例，如在如下等式中所表達的那樣 F = BiL (2) 隨著管的幅度增加，在線圈中生成電壓(例如EMF)。該電壓與流管振動的幅度成比例。為了保持特定的驅動幅度，驅動電壓必須至少與同該幅度相關聯(lián)的線圈EMF電壓一樣大。然而，實際上驅動電壓必須大于線圈EMF以克服由于線圈的串聯(lián)電阻所引起的電壓降。 由計組件10所消耗的平均功率是線圈驅動電流乘以線圈驅動EMF的乘積?？评飱W利流量計通常被設計為產生2V到5V范圍內的驅動器線圈EMF電壓并且在目標振動幅度處消耗1到10mA的驅動電流。相反，用于流量計的典型發(fā)射器被設計為在高達100mA的情況下向驅動器104供應10V。過驅動電壓允許最大傳感器EMF電壓加上開銷(overhead)以適應串聯(lián)電阻。當不利的過程流動條件消耗額外的驅動功率時，諸如在出現(xiàn)夾帶空氣期間，過驅動電流為系統(tǒng)提供額外的能量。過驅動電流還用于在啟動時克服計組件10的慣性，允許比較迅速地、可能例如在1到2秒內達到目標幅度。 在IS總線環(huán)境中可獲得的受限電壓和電流對振動流量計提出了若干問題。由回路供電的總線裝置中的固有功率限制約束最大驅動電流，這減小了在不利的流動條件下保持目標振動幅度的能力。因此，可能不能夠在不利的流動條件下滿意地保持流管的振動。例如，在流動材料中存在夾帶空氣的情況下，流管將自然地以較高頻率振動。夾帶空氣可以包括例如氣泡、層狀流或者節(jié)涌流(slug flow)。在發(fā)生節(jié)涌流期間，振動頻率可能需要迅速地波動。 IS總線環(huán)境中的另一顯著問題是在啟動期間向計組件10提供電功率。計組件10從靜止到基本上共振頻率的振動花費時間和電流來完成。用于流管道或多個流管道的振動的啟動時間在電流能力降低期間有所增加。在啟動時，受到約束的驅動電流不可避免地延長需要達到目標幅度的時間，根據(jù)流管大小和其它因素，該時間在標準拓撲中可以長達4分鐘。因此，在電流由于IS考慮而受到限制的情況下，用于流量計組件的啟動時間可以大為增加。對于大多數(shù)流量計客戶來說，不期望或者甚至不能接受大為延長的計啟動時間。
在流量計啟動期間，輸出電壓V。可以被保持為只稍微超過來自負載(即總線儀器5)的響應電壓電平。因此，輸出電流I?？梢栽诹髁坑媶娱_始時為最大值，因為較低的輸出電壓V。使得儀器功率控制器120能夠產生較高的輸出電流I。。隨著計組件10的振動幅度增加，輸出電壓V。可以有所增加而輸出電流I。可以有所降低。 在現(xiàn)有技術中，這些缺點已導致應用于驅動器的功率比可獲得的功率小得多。典型的現(xiàn)有技術方法是僅僅限制輸出到總線儀器5的輸出電流I。而不限制輸出電壓V。。然而，輸出電壓V?？赡鼙缺匾妮敵鲭妷焊叩枚?，在計組件10低于目標振動幅度的情況下尤其如此。因此，所應用的功率比可獲得的功率低得多，在高電流需求的期間尤其如此。
根據(jù)本發(fā)明的儀器功率控制器120為連接的總線儀器5提供基本上恒定的輸出功率P。。儀器功率控制器120改變供應電壓和供應電流二者。在一些實施例中，儀器功率控制器120通過減少輸出電壓V。來增加輸出電流I。。因此，儀器功率控制器120使供應給連接的總線儀器5的電輸出功率P。最優(yōu)化。例如，儀器功率控制器120可以將輸出電壓V。保持為只稍微高于振動響應幅度。較低的輸出電壓V。使得儀器功率控制器120能夠提供較高的輸出電流I。。由此，雖然保持基本上恒定的輸出功率P。，但是儀器功率控制器120可以減少流量計啟動時間并且可以增加流量計適應變化的流動條件(包括多相流動條件)的能力。 在一些實施例中，輸出電壓V。和輸出電流I?？梢栽诠潭ǖ碾x散等級之間改變。可替換地，輸出電壓V。和輸出電流I。可以連續(xù)地改變。
儀器功率控制器120被描寫為獨立構件。然而，應該理解，儀器功率控制器120可 以替換地包括連接的總線儀器5的構件或部分，諸如計電子部件20的集成部分。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明實施例的儀器功率控制器120。在一些實施例中，儀器功率 控制器120自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。的輸出電壓V。和輸出電流 I。。輸出功率P。可以被提供給可變阻抗負載L，諸如振動流量計5或其它的總線儀器5。
在所示出的實施例中，儀器功率控制器120包括電壓控制器310和電流控制器 320。電壓控制器310可以改變輸出電壓V。。電流控制器320可以改變輸出電流I。。通信 線路126(未示出)可以被耦合到電壓控制器310和電流控制器320之一或兩者。通信線 路126可以將響應電壓電平通信給電壓控制器310和電流控制器320。另外，通信線路126 可以將其它信息通信給電壓控制器310和電流控制器320。 電壓控制器310和電流控制器320兩者被連接到通信線路126。由此，電壓控制 器310和電流控制器320可以按需求改變輸出電壓V。和輸出電流I。?？商鎿Q地，該實施例 的儀器功率控制器120可以包括控制電壓控制器310和電流控制器320的處理裝置或控制 (未示出)以改變輸出電壓V。和輸出電流I。。 電壓控制器310可以按需要輸出改變過的輸出電壓V。。輸出電壓V?？梢孕∮诨?大于輸入電壓V工。由此，在一些實施例中，電壓控制器310包括可以使輸出電壓V。增加到 大于輸入電壓V工的DC-DC轉換器。該DC-DC轉換器還被不同地稱為電壓或充電泵、降壓轉 換器等。 電流控制器320可以按需要調節(jié)并輸出改變過的輸出電流I。。在一些實施例中電 流控制器320可以包括可變電阻Rv。電流控制器320將生成電壓降Vg流。負載L可以包括 任何形式的可變阻抗裝置。例如，負載L可以包括流量計5，其包括振動流量計5。例如，負 載L可以包括科里奧利流量計5或振動比重計5。負載L將生成負載電壓、。輸出電壓V。 包括電流控制電壓Vg^加上負載電壓、。類似地，輸出功率P。包括負載功率加上電流控 制功率P『 圖4是驅動器線圈的電壓絕對值V f 、負載電壓、(其中、包括V f加上由于負載 /驅動器的電阻&而產生的電壓)以及輸出電流I。的圖表。在負載L包括振動流量計5的 情況下，負載電壓、可以被作為傳感(pickoff)電壓Vp。獲取。該圖表示出了在流量計組 件10的振動啟動期間作為負載的振動流量計的變化性質。 在負載L包括振動流量計5的情況下，負載L的阻抗在流量計5被啟動時將會是 最小的(即，在流量計組件10不振動或者以比較小的幅度振動)。相反地，隨著流量計組件 10接近或者達到目標振動幅度，阻抗增加，并且由此保持振動所需的電流將降低。因此，在 流量計5啟動時或者當不利的流動條件發(fā)生時將需要較大的電流電平。例如，在夾帶空氣 或者節(jié)涌流處于高水平的情況下，流量計組件10的振動將被嚴重減弱并且振動幅度可能 急劇下降。因此，在正常操作期間，可能存在如下時間段即電流需求大為增加并且輸出電 流可能需要被相應地增加以便繼續(xù)或保持適當?shù)恼駝铀健?相反地，在流量計組件10中啟動振動或者繼續(xù)適當?shù)恼駝铀剿璧碾妷罕容^ 低。隨著流量計組件10接近目標振動幅度并且隨著驅動器線圈需求更大的電壓電平，輸出 電壓需求將增加以便改變方向、但仍保持驅動頻率。 圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。
11的輸出電壓V。和輸出電流I。的方法的流程圖500。在步驟501，確定輸入電壓V工和輸入電 流I工。輸入電壓V工和輸入電流I工可以例如從總線回路112獲取。輸入電壓V工和輸入電流 I工構成可使用的輸入功率P工。 在一些實施例中，總線回路112包括本質安全(IS)總線回路。由此，可從總線回 路112獲得的輸入功率P工通常受到限制，并且輸出電流I。不一定按需要增加，至少不能在 輸出電壓V。沒有降低的情況下增加。 在步驟502，確定可變阻抗負載L的有效電阻&。 Q項包括轉換因子，而負載電壓 、在一些實施例中包括振動流量計的傳感器的傳感電壓。在一些實施例中，有效電阻R^包 括 RL = CJl (3) 有效電阻&可以隨時間改變。如前面所述，例如在負載L包括振動流量計的情況 下，阻抗可以根據(jù)流量計組件的振動而改變。該振動可以在啟動期間改變并且還可以在不 利的或不正常的流動條件期間改變，該不利的或不正常的流動條件諸如是液體流中的氣體 (包括以氣泡、層狀流、節(jié)涌流等形式)或者其它多相流、流動材料密度方面的變化等。因 此，確定的有效電阻&可以包括基本上瞬時的阻抗或者可以包括至少部分平均的阻抗。
在步驟503，設置輸出電壓V。和輸出電流I。。假設效率為100%，即在儀器功率控 制器120中沒有損失，則輸出功率P。將等于輸入功率P工，其中功率P = V*I。因此，可以根 據(jù)下面的公式來確定輸出電壓V。
v。,ia ( 4 ) 應該理解，輸出功率P。并不真的等于輸入功率Pp因為一些電功率將被儀器功率
控制器消耗。
在一些實施例中，輸出電壓V。包括
v0=c2V^P7 ( 5 ) 在這里，C2項包括非理想的功率損失因子或者效率乘數(shù)(multiplier)(即，V。 〈V》。因此，等式4和5使得能夠根據(jù)負載L的操作條件來設置輸出電壓V。。等式4和5 進一步使得輸出功率能夠被保持在基本上恒定的水平，即使有效電阻RJ道時間改變。由此， 輸出電壓V?？梢栽谠黾虞敵鲭娏鱅。時有所減少，反之亦然。例如，如果有效電阻&在振動 流量計的操作期間下降，則輸出電壓V?？梢韵鄳販p少，從而輸出電流1?？梢栽黾印Ｏ喾?地，如果有效電阻&增加，則輸出電流I。可以相應地減少，從而輸出電壓V。可以增加。
然后，該方法返回到步驟501并且重復地控制輸出電壓V。和輸出電流I。。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。 的輸出電壓V。和輸出電流I。的方法的流程圖600。在步驟601，如前面所述，確定輸入電壓 V工和輸入電流I工。 在步驟602，如前面所述，確定有效電阻&。 在步驟603，如果有效電阻&在預先確定的正常操作范圍內，則該方法返回到其自 身，否則該方法進行到步驟604。該預先確定的正常操作范圍對應于流量計組件10的最優(yōu) 或期望振動以及最優(yōu)或期望振動幅度。該預先確定的正常操作范圍可以根據(jù)流量計模型并
12根據(jù)流動材料來改變。如果有效電阻&在該預先確定的正常操作范圍內，則負載L可以被 認為是令人滿意地操作，并且在控制回路的該重復中不再采取進一步的行動。否則，如果有 效電阻&不在預先確定的正常操作范圍內，則必須設置(即改變)輸出電壓V。。該比較通 常在啟動期間或者在某種方式的異常流動期間會失敗，所述異常流動諸如是流動材料中夾 帶氣體。 在步驟604，如前所述，如果有效電阻&不在預先確定的正常操作范圍內，則設置 輸出電壓V。和輸出電流I。。 圖7示出根據(jù)本發(fā)明實施例的儀器功率控制器120。在該實施例中，儀器功率控 制器120包括回路電流控制710、驅動電壓轉換器715、控制器720以及驅動電流控制725。 回路電流控制710可以包括可選構件(見虛線)并且可能包括在對輸入電流I工進行調制 以便通過輸入121來通信數(shù)據(jù)的實施例中。驅動電壓轉換器715通過線路755耦合到控制 器720并且通過線路751耦合到回路電流控制710?；芈冯娏骺刂?10通過線路757耦合 到控制器720，通過線路754耦合到驅動電流控制725，并且通過線路751耦合到驅動電壓 轉換器715。驅動電流控制725通過線路756耦合到控制器720。線路751和754進一步 構成輸入121。 該實施例中的儀器功率控制器120被連接到流量計傳感器730。流量計傳感器730 可以包括計組件IO。另外，流量計傳感器730可以包括計電子部件20。流量計傳感器730 通過線路752耦合到驅動電壓轉換器715，通過線路753耦合到驅動電流控制725，并且通 過通信路徑126耦合到控制器720。線路752和753進一步構成輸出122。流量計傳感器 730通過線路752和753接收電功率。 一個或多個測量信號(可選地其它傳感器特性)被 經由通信路徑126提供給控制器720。例如，質量流速和/或密度可以通過通信路徑126被 提供給控制器720。 驅動電壓轉換器715可以接收輸入電壓V工并且可以生成與該輸入電壓V工無關的 輸出電壓V。。輸出電壓V?？梢孕∮?、等于或者大于輸入電壓V工。驅動電壓轉換器715可以 創(chuàng)建大于輸入電壓V工的輸出電壓V。，其中輸入電壓V工由總線回路112或其它功率輸入提 供。驅動電壓轉換器715可以例如包括DC-DC轉換器。驅動電壓轉換器715可以將DC輸 入電壓V工轉換成AC波形，可以逐步提高該AC波形的電壓，然后可以將該AC波形轉換回DC 電壓。以這種方式，輸出電壓V?？梢员簧蔀榇笥谳斎腚妷篤工。 在操作中，驅動電壓轉換器715可以為流量計傳感器730提供預先確定的輸出電 壓V。。另外，驅動電壓轉換器715可以在預定義的電壓范圍內(諸如IS特定的電壓范圍) 改變輸出電壓V。?？梢愿淖冚敵鲭妷篤。以便使輸出電流I。最大化，同時保持基本上恒定的 輸出功率P。，如前面所述。 回路電流控制710可以調節(jié)被提供給流量計傳感器730的輸入電流I工的量。由 此，回路電流控制710可以將至少部分輸入電流I工轉換成輸出電流I。。輸出電流I?？梢孕?于或等于輸入電流I工。在一些實施例中，輸出電流I。甚至可以大于輸入電流I工。然而在其 它實施例中，與輸出電壓V。不同，輸出電流I。不能超過輸入電流I工。 控制器720經由通信路徑126從流量計傳感器730接收反饋信息。該反饋信息可 以包括負載電壓、，如前面所述。另外，控制器720可以接收其它信息，包括響應頻率、相位 滯后或者傳感器信號之間的時延等。負載電壓、與流量計傳感器730中的振動響應的幅度有關。在一些實施例中，負載電壓VL可以包括傳感電壓(pickoff voltage)。控制器720 被耦合到驅動電壓轉換715和回路電流控制710，并且被配置為改變輸出電壓V。和輸出電 流I0。 控制器720可以被配置為控制驅動電壓轉換器715和回路電流控制710，以便為流 量計傳感器730生成基本上恒定的輸出功率P。，而同時與從流量計傳感器730所接收的負 載電壓、有關地改變輸出電壓V。和輸出電流I。 二者。可替換地，如果負載電壓、低于預 先給定的操作閾值(即，如果有效阻抗&不在預先確定的正常操作范圍內)，則控制器720 可以被配置為控制驅動電壓轉換器715和回路電流控制710，以便增加輸出電流I。并相應 地降低輸出電壓V。，以便保持基本上恒定的輸出功率P。。
權利要求
一種用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率PO的輸出電壓VO和輸出電流IO的儀器功率控制器(120)，所述儀器功率控制器(120)包括用于接收輸入功率PI的輸入(121)、用于將基本上恒定的輸出功率PO提供給可變阻抗負載L的輸出(122)以及用于從負載L接收負載電壓VL的通信路徑(126)，其中所述儀器功率控制器(120)的特征在于所述儀器功率控制器(120)被配置為確定輸入電壓VI和輸入電流II，確定負載L的有效電阻RL并且根據(jù)輸入電壓VI、輸入電流II和有效電阻RL來設置輸出電壓VO和輸出電流IO，其中輸出電壓VO基本上與輸入電壓VI無關，并且其中輸出電壓VO和輸出電流IO發(fā)生改變以便使傳輸給可變阻抗負載L的負載功率PL最大化而同時保持基本上恒定的電輸出功率PO。
2. 根據(jù)權利要求1所述的控制器(120)，其中所述輸入電壓^包括基本上固定的輸入 電壓V工。
3. 根據(jù)權利要求1所述的控制器(120)，其中所述有效電阻&包括I^ = CJ^。
4. 根據(jù)權利要求1所述的控制器(120)，其中所述輸出電壓V。包括V^CjV山R,。
5. 根據(jù)權利要求1所述的控制器(120)，其中所述輸入電壓V工和輸入電流I工遵守總線 回路標準。
6. 根據(jù)權利要求1所述的控制器(120)，其中所述輸入電壓V工和輸入電流I工遵守本質 安全(IS)標準。
7. 根據(jù)權利要求1所述的控制器(120)，其中所述負載L包括振動流量計(5)，并且其 中所述負載電壓、與所述振動流量計(5)的一個或多個流管道(103)的振動幅度有關。
8. 根據(jù)權利要求1所述的控制器(120)，其中所述負載L包括科里奧利流量計(5)，并 且其中所述負載電壓、與所述科里奧利流量計(5)的一個或多個流管道(103)的振動幅 度有關。
9. 根據(jù)權利要求1所述的控制器(120)，其中所述負載L包括振動比重計(5)，并且其 中所述負載電壓、與所述振動比重計(5)的一個或多個流管道(103)的振動幅度有關。
10. 根據(jù)權利要求1所述的控制器(120)，其中所述儀器功率控制器(120)被進一步配 置為確定所述有效電阻&是否在預先確定的正常操作范圍內，并且如果所述有效電阻&不 在預先確定的正常操作范圍內，則根據(jù)輸入電壓V工、輸入電流I工和有效電阻&來設置輸出 電壓V。和輸出電流I。。
11. 根據(jù)權利要求l所述的控制器(120)，其中所述儀器功率控制器(120)進一步包括被配置為設置輸出電壓V。的電壓供應器(510);以及 被配置為設置輸出電流I。的電流供應器(520)。
12. 根據(jù)權利要求l所述的控制器(120)，其中所述儀器功率控制器(120)進一步包括被配置為設置輸出電壓V。的驅動電壓轉換器(615); 被配置為提供輸出電流I。的驅動電流源(625);以及被耦合到所述驅動電壓轉換器(615)、負載L和回路電流控制(610)的控制(620)，其中所述控制(620)被配置為控制所述驅動電壓轉換器(615)和驅動電流源(625)以在設定 輸出電壓V。和輸出電流I。 二者時生成基本上恒定的輸出功率P。。
13. —種用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。的輸出電壓V。和輸 出電流I。的電功率控制方法，所述方法包括確定輸入電壓V工和輸入電流Ip其中所述方法 的特征在于確定可變阻抗負載L的有效電阻& ;以及根據(jù)輸入電壓V工、輸入電流I工和有效電阻&來設置輸出電壓V。和輸出電流I。，其中所 述輸出電壓V。基本上與輸入電壓V工無關，并且其中所述輸出電壓V。和輸出電流I。發(fā)生改 變以便使傳輸給可變阻抗負載L的負載功率最大化而同時保持基本上恒定的電輸出功 率P。。
14. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述輸入電壓V工包括基本上固定的輸入電壓V
15. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述有效電阻&包括& = CJ^
16. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述輸出電壓V。包括Vo二C^VARl 。
17. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述輸入電壓V工和輸入電流I工遵守總線回路 標準。
18. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述輸入電壓V工和輸入電流I工遵守本質安全 (IS)標準。
19. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述負載L包括振動流量計，并且其中所述負載 電壓、與所述振動流量計的一個或多個流管道的振動幅度有關。
20. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述負載L包括科里奧利流量計，并且其中所述 負載電壓、與所述科里奧利流量計的一個或多個流管道的振動幅度有關。
21. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述負載L包括振動比重計，并且其中所述負載 電壓、與所述振動比重計的一個或多個流管道的振動幅度有關。
22. 根據(jù)權利要求13所述的方法，進一步包括 確定所述有效電阻&是否在預先確定的正常操作范圍內；以及如果所述有效電阻&不在預先確定的正常操作范圍內，則根據(jù)輸入電壓Vp輸入電流 I工和有效電阻&來設置輸出電壓V。和輸出電流I。。
23. —種用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率P。的輸出電壓V。和輸 出電流I。的電功率控制方法，所述方法包括確定輸入電壓V工和輸入電流Ip其中所述方法 的特征在于確定可變阻抗負載L的有效電阻&;確定所述有效電阻&是否在預先確定的正常操作范圍內；以及如果所述有效電阻&不在預先確定的正常操作范圍內，則根據(jù)輸入電壓Vp輸入電流 I工和有效電阻&來設置輸出電壓V。和輸出電流I。，其中輸出電壓V?；旧吓c輸入電壓V工 無關，并且其中輸出電壓V。和輸出電流I。發(fā)生改變以便在保持基本上恒定的電輸出功率P。 的同時使傳輸給可變阻抗負載L的負載功率最大化。
24. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述輸入電壓V工包括基本上固定的輸入電壓
25. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述有效電阻&包括& = CJ^。
26. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述輸出電壓V。包括V。-C2似Rl 。
27. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述輸入電壓、和輸入電流I工遵守總線回路標準。
28. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述輸入電壓V工和輸入電流I工遵守本質安全(IS)標準。
29. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述負載L包括振動流量計，并且其中所述負載電壓、與所述振動流量計的一個或多個流管道的振動幅度有關。
30. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述負載L包括科里奧利流量計，并且其中所述負載電壓、與所述科里奧利流量計的一個或多個流管道的振動幅度有關。
31. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述負載L包括振動比重計，并且其中所述負載電壓、與所述振動比重計的一個或多個流管道的振動幅度有關。
全文摘要
提供一種用于自適應地提供共同保持基本上恒定的電輸出功率PO的輸出電壓VO和輸出電流IO的儀器功率控制器(120)。所述控制器(120)包括用于接收輸入功率PI的輸入(121)、用于將基本上恒定的輸出功率PO提供給可變阻抗負載L的輸出(122)以及用于接收負載電壓VL的通信路徑(126)。所述儀器功率控制器(120)被配置為確定輸入電壓VI和輸入電流II，確定負載L的有效電阻RL并且根據(jù)輸入電壓VI、輸入電流II和有效電阻RL來設置輸出電壓VO和輸出電流IO。所述輸出電壓VO基本上與輸入電壓VI無關。所述輸出電壓VO和輸出電流IO發(fā)生改變以便在保持基本上恒定的電輸出功率PO的同時使負載功率PL最大化。
文檔編號G05F1/575GK101730870SQ200780053543
公開日2010年6月9日 申請日期2007年6月28日 優(yōu)先權日2007年6月28日
發(fā)明者W·M·曼斯菲爾德 申請人:微動公司