專利名稱：用于過程儀表的現(xiàn)場設(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程儀表的現(xiàn)場設(shè)備，所述現(xiàn)場設(shè)備具有用于輸出測量值的標(biāo)準(zhǔn)化4-20mA接口。
背景技術(shù)：
過程技術(shù)設(shè)備使用多種用于過程儀表的現(xiàn)場設(shè)備來控制過程。測量變換器用于對介質(zhì)的溫度、壓力、流量、料位、密度或氣體濃度等過程變量進(jìn)行檢測。在測得過程變量的基礎(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，壓力測量變換器是自動化生產(chǎn)流程領(lǐng)域的重要傳感組件。為了實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)備特性并長久保持高產(chǎn)品質(zhì)量，需要提供高質(zhì)量測量變換器，其即使在極端條件下也能提供穩(wěn)定而錯誤較少的測量值。西門子目錄“ST FI 01-2008”第1章揭示一種用于過程儀表的壓力測量變換器， 該壓力測量變換器配有用于(例如)向控制系統(tǒng)輸出測量值的標(biāo)準(zhǔn)化4-20mA接口。通過 HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)字式參數(shù)化。待測壓力的測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量變換器的4_20mA接口中產(chǎn)生模擬電流信號的輸出級的基本結(jié)構(gòu)圖。兩個接線端子1和2上可連接未圖示的雙線線路，過程技術(shù)設(shè)備中的測量變換器可借助這個雙線線路例如與控制站或自動化設(shè)備連接。在該輸出級中，回路電流I 流經(jīng)晶體管電路3、電源4和測量電阻器5所構(gòu)成的串聯(lián)連接。調(diào)節(jié)器6用控制信號7控制晶體管級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7的大小有關(guān)。電源4 為測量變換器提供工作所需電能?？捎秒娔苋Q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)動測量變換器的電子開關(guān)電路的電壓9。為清楚起見， 圖1未對這些開關(guān)電路進(jìn)行圖示。高精測量電阻器5用于檢測回路電流I并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號以實(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，圖1所示調(diào)節(jié)器6 的符號中僅顯示該調(diào)節(jié)器的核心元件運(yùn)算放大器。在測量精度和功能范圍方面，對測量變換器的要求越來越高。這種越來越高的要求也對4-20mA接口的輸出級的設(shè)計產(chǎn)生了影響。舉例而言，對輸出測量值的精度要求直接受到測量電阻器5、調(diào)節(jié)器6及晶體管電路3對回路電流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，接口的輸出級只能占用極少電量，以便測量變換器的其他電子電路具有足夠的工作電能來實(shí)現(xiàn)期望功能范圍。特別對于運(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，包括4_20mA接口且精確度為0. 5%的現(xiàn)場設(shè)備受干擾時的輸出電流與額定值的偏差不得超過0. 16mA。以上述要求為參照，已知輸出級具有以下缺點(diǎn)晶體管電路3的放大效果有限，因?yàn)閮H采用了單獨(dú)一個放大數(shù)量級為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，且該控制電流會對地GND流動。因此， 控制電流無法再用來獲取測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%。為了對通過連接在端子1和2上的雙線線路而進(jìn)入輸出級的干擾進(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，已知輸出級已經(jīng)消耗了 6%的可用工作電能。由于對現(xiàn)場設(shè)備在測量速度、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)等方面的性能要求與日俱增，因此，使輸出級不再浪費(fèi)這么多電能，而是提供給急需使用這些電能來實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能的電子設(shè)備成為越來越迫切的任務(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程儀表的現(xiàn)場設(shè)備，這種現(xiàn)場設(shè)備的輸出級能耗相對較低，但該現(xiàn)場設(shè)備的抗電磁干擾能力相對較高。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)是可以對經(jīng)雙線線路進(jìn)入的干擾進(jìn)行補(bǔ)償，而不必對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)償信號的第二反饋路徑直接(即不通過具有積分性能的調(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。通過這種方式，由位于內(nèi)側(cè)且較快的控制電路對EMC干擾進(jìn)行過濾，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，100ΚΩ及InF量級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，可以通過將特定干擾施加到輸出級上并對借助相應(yīng)調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)的干擾抑制效果進(jìn)行評價來根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測定這個精確尺寸。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)用模擬電流信號進(jìn)行精確的測量值輸出。可以采用高精度的“超低功耗運(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)，因而只需要用很低的信號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較低的調(diào)節(jié)器。


圖1為包含4_20mA接口的測量變換器的已知輸出級的基本電路圖；以及圖2為本發(fā)明輸出級實(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)施例對本發(fā)明及其設(shè)計方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明。如前所述，圖1為應(yīng)用于已知壓力測量變換器SITRAS P的4_20mA接口的輸出級的基本電路圖。圖1所示已知輸出級中的很多部件也出現(xiàn)在圖2所示實(shí)施例的輸出級中。這些部件在兩個圖中均采用相同的參考符號。圖2所示的輸出級采用的是包含達(dá)林頓管的晶體管電路20。這個達(dá)林頓電路的放大效果很強(qiáng)，使用信號能量相對較低的信號21就能對其加以控制。在本實(shí)施例中，信號 21由求和點(diǎn)22提供，調(diào)節(jié)器M所輸出的控制信號23以及補(bǔ)償信號25均輸往這個求和點(diǎn)。 測量電阻器5仍然用作對形式為實(shí)際值U_IST的回路電流I進(jìn)行檢測的構(gòu)件。這個實(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 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)對與待輸出測量值相對應(yīng)的模擬電流信號進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。這個低通濾波器可以簡單地實(shí)施為100ΚΩ量級的電阻器觀和InF量級的電容器四。電路優(yōu)化的一個附加條件是必須將HART通信考慮在內(nèi)。HART信號作為疊加調(diào)頻信號隨額定值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信號符合HART通信基金會的HCF_SPEC-M規(guī)范。借助補(bǔ)償信號25對表現(xiàn)為實(shí)際值^^!1的高頻信號疊加的EMC干擾進(jìn)行抑制。為了產(chǎn)生補(bǔ)償信號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)，這兩個元件的值同樣處于100ΚΩ及InF量級。與高通濾波器31、32并聯(lián)的數(shù)量級同樣為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，最好是針對具體所用類型憑經(jīng)驗(yàn)來優(yōu)化這些值。一種簡單的實(shí)現(xiàn)方式是將特定的EMC干擾施加到端子1和2上并對所取得的抑制效果進(jìn)行評價。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25與控制信號23 (這兩個信號均表示為電流信號)進(jìn)行簡單疊加以產(chǎn)生控制信號21。所述測量變換器的基準(zhǔn)電位優(yōu)選布置在電源4與測量電阻器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，測量電阻器5上就能形成負(fù)的下降電壓，并且兩個反饋路徑上的信號極性相反。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，相對較慢的外側(cè)控制電路則負(fù)責(zé)對回路電流I進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。通過這種功能劃分可以針對兩個控制電路所擔(dān)負(fù)的不同任務(wù)對其進(jìn)行優(yōu)化。此外，圖2所示輸出級的電能需求相對較低，這就能為測量變換器提供更多工作電能以實(shí)現(xiàn)多種功能。通過第二反饋元件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對調(diào)節(jié)器對的噪聲的敏感度。通過上述反饋措施和放大效果削弱措施還能改善輸出級的特性曲線的線性度，并降低輸出級的溫度相關(guān)性。
權(quán)利要求
1.一種用于過程儀表的現(xiàn)場設(shè)備，所述現(xiàn)場設(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)一控制信號對所述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)場設(shè)備的工作電能，以及可以實(shí)際值(U_IST)形式檢測所述回路電流(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(23)，此外還將一與待傳輸測量值相對應(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03) 和所述補(bǔ)償信號0 產(chǎn)生一用于所述晶體管電路00)的輸入信號01)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(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)明涉及一種用于過程儀表的現(xiàn)場設(shè)備，所述現(xiàn)場設(shè)備具有一用于連接一雙線線路以及用于輸出測量值的標(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(23)對回路電流(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(23)。所述具有相對較低帶寬的調(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(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(23)和所述補(bǔ)償信號(25)產(chǎn)生一用于所述晶體管電路(20)的輸入信號(21)。這個輔助控制電路相對較快，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G01D3/02GK102472634SQ201080030474
公開日2012年5月23日 申請日期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 申請人:西門子公司