具有迴路供電設備的遙測技術裝置及其工作電壓提供方法

2023-06-20 20:09:26 2

專利名稱：具有迴路供電設備的遙測技術裝置及其工作電壓提供方法
技術領域：
本發明涉及一種遙測技術裝置，具有供電的接收裝置、由該接收裝置通過電流回 路為其供電用於輸出至少一個可變的測量值的發射裝置和電流迴路中的另一設備，其中， 測量值被反映到(aufpragen)迴路電流上。此外本發明還涉及一種為這種遙測技術裝置供 電的方法。
背景技術：
本發明的應用領域涉及工藝、汽車工業、食品加工業和這類領域的工業自動化設 備。這裡關心的工業設備包括能夠電子控制的裝置，如閥門、發動機、傳感器設備，這些裝置 相互之間以及與至少一個上級控制裝置之間通過網絡進行模擬和/或者數字的通信。HART (可尋址遠程傳感器高速通道Highway Adressable Remote Transducer)是 一個用於構造工業現場總線的廣泛應用的標準化通信系統的例子。它使得集成了該通信系 統的設備-也被稱為具備HART能力的設備-能夠通過公共的數據總線進行數字通信。此外 HART還主要基於同樣廣泛應用的用於通過電流迴路傳輸模擬傳感器信號的0/4. . 20mA-標 準。4mA和20mA之間的可變範圍代表現場設備的測量值或額定值，而4mA的固定基本電流 則用於為現場設備供電。DE 197 23 645 Al介紹了一種用於在發射部位與接收部位之間傳輸信號的裝置， 其中發射部位的工作電壓由開關調節器產生，該開關調節器輸出恆定的輸出電壓並且除了 損耗之外其輸出功率等於其輸入功率。在為發射部位供電的基本電流根據協議恆定的情況 下，調整發射部位的輸入電壓從而使輸入功率與所需的輸出功率匹配。根據其跨度反映0. . 16mA電流的要傳輸的測量值和為發射部位供電的4mA的固定 基本電流，在發射部位的端子處形成取決於電流迴路線路長度的電壓。HART標準化組織前不久規定了一種用於無線信號傳輸的新HART標準。這裡所使 用的無線傳輸以無線通信標準IEEE 802. 15. 4為基礎並使用TDMA作為傳輸方法。利用這 種新的無線HART標準，無線通信的HART設備現在可以簡單方式集成到現有的系統中。如 果無線通信的HART設備要同時集成到現有的、線路連接的系統中，那麼這些HART設備還必 須通過輸送HART信號的電流迴路為其供給必要的電力並且內部有線連接地以及無線地與 其它無線通信的HART設備或者控制單元進行通信。只要是附加的設備或者裝置一例如手持終端設備或者無線通信HART設備一中接 入傳輸測量值的電流迴路，迴路電流就必須保持不變並且附加設備上的電壓降必須保持得 很小，使得被供電的發射裝置的常規功能不受影響。由於大型系統內部的線路長度達數百 米，因此電流迴路上的電壓降大小不同。這種電壓降按照歐姆定律計算，其中包括電流迴路 的歐姆電阻和實際迴路電流。接收裝置提供的工作電壓分成發射部位、電流迴路上的電壓 降和附加設置的無線通信的HART設備的電壓。在限定線路長度的情況下，供電電壓通常僅 夠唯一的附加現場設備使用。DE 10 2006 009 979A1提出一種用於與現場設備無線通信的裝置，該裝置包括用於將有線連接的通信轉換到無線通信的通信單元。在缺少供電的電流迴路的情況下，所公 開的裝置由本地蓄能器供電。此外這種本地蓄能器用於為所連接的現場設備提供工作電 壓。為降低能耗並由此延長所集成的蓄能器的使用壽命而設置能量管理單元，通過該能量 管理單元能夠在預先規定的工作時間為所連接的現場設備提供所需的工作能量。僅在預先規定的工作時間向HART設備輸送工作能量，然後該HART設備通過蓄能 器將工作能量進行儲備的措施，意味著明顯增加技術開支。這樣例如在維護間隔中需要檢 查蓄能器的使用壽命。另一建議，即通過能量管理單元在不打算進行通信的可預先規定的 休眠時間內斷開無線通信HART設備的工作能量，導致整個系統的可支配性受到相應的限 制。此外不能預見低功率消耗的工作時間是否足夠用於為蓄能器充電。因此與信號發射器 的功率消耗無關的連續運行是不可能的。這種技術方案方面的缺點在於本地蓄能器必需的周期性維護和由此產生的裝置 的不可支配性以及與此相關的人工開支，這些都是這種裝置的運營商所不能接受的。

發明內容
本發明的任務因此在於，為具有供電的接收裝置和由該接收裝置通過電流迴路為 其供電的發射裝置的通用的遙測技術裝置擴展一個附加設備，該附加設備可以技術上簡單 的方式集成到同一電路迴路中而不對整個系統的可支配性產生限制。該任務具體由權利要求1的特徵部分解決。此外該任務涉及的方法根據權利要求 10的特徵部分解決。本發明有益的實施方式在從屬權利要求中予以說明。本發明從一種遙測技術裝置出發，該裝置具有供電的接收裝置和由接收裝置通過 電流迴路供電用於輸出至少一個可變的測量值的發射裝置，該測量值被反映到迴路電流 上。本發明進一步由此出發，即由供電的接收裝置、線路和供電的發射裝置組成的已 經安裝的電流迴路始終具有足夠大的儲備量，從而之後還可以接入低功率消耗的適配器。 由於線路上的電壓降儲備量在高電流時最小。此外，與高功率消耗的(根據電流消耗典型 地> 40. . 20mff)影響迴路電流的有源發射裝置相反，無源適配器需要低供電功率(典型地 < IOmW)，使得該供電功率由已安裝的電流迴路的儲備量覆蓋。依據本發明，電流迴路包括由電流迴路供電的另一設備，其被構造用於通過電流 迴路進行雙向通信。該另一設備為其來自電流迴路的供電裝備調節裝置，用於根據實際功 率需求與實際的迴路電流進行自適應地工作電壓匹配。該調節裝置在迴路電流增加時與回 路電流成反比將另一設備的工作電壓一直降到最小工作電壓值。在迴路電流繼續上升時， 工作電壓與迴路電流無關地恆定地保持為最小工作電壓值。在迴路電流低時，由於在其跨度的下限處模擬傳輸的測量值，電流迴路的歐姆電 阻上的電壓降小。因此為該另一設備供電的儲備量大。在迴路電流高時，由於在其跨度的 上限處模擬傳輸的測量值，電流迴路歐姆電阻上電壓降相應得高。這樣雖然儲備量最小，但 由於迴路電流高，低功率消耗的無源適配器所需的功率可以無幹擾地從電流迴路中獲取。根據本發明的方案的優點特別是在於，這種方案可以用於現有的電流迴路並且同 時由該電流迴路提供其運行所需的功率。特別是無線通信的現場設備一般情況下更高的功 率消耗也可以由此操作。因為電壓大小受限，所以將電壓降保持在儘可能低的程度上是有益的。本發明通過設備的工作電壓與電流迴路上流動的實際迴路電流的動態自適應達到各 自最低的電壓降。根據本發明的用於自適應工作電壓匹配的調節裝置優選安裝在具有恆定功率消 耗的現場設備內。在這些現場設備中，測量值或者信號不波動並形成由歐姆定律導出的恆 定工作電壓條件。此外考慮到與電壓有關的現場設備的效率，也可以存在非線性關係。但也可以設想，實現與波動的功率要求的自適應工作電壓匹配。這些功率要求例 如在通信頻率波動的情況下會在電流迴路上產生。根據工業過程的速度設置這些通信頻 率。對於快速過程而言，現場設備之間的通信比在緩慢過程的情況下更為頻繁，其結果是更 高的功率消耗。依據本發明的方案的調節裝置可以根據波動的條件進行調整。根據本發明的用於自適應工作電壓匹配的調節裝置優選包括用於測量電流迴路 內實際迴路電流的電流傳感器單元。此外0/4. . 20mA電流迴路上的電流大小是實際測量值 的測度。電流隨時間的變化可以包含其他信息，例如數字總線信號，該信號被濾出並發送到 連接在下遊(nachgeschaltet)的分析單元作進一步處理。此外提出，該電流傳感器單元在根據本發明的調節裝置的範圍內下遊連接有濾波 單元，用於分離低頻率範圍內用於工作電壓匹配的有效信號與高頻率範圍內的通信信號。 通信不會由於這種選擇性的濾波而變差，因為在對通信重要的頻率範圍內不進行電壓適 配。如果通信的魯棒性很強，以致於由電壓適配而引起的幹擾能夠接受，則可以取消這種濾 波單元。電流傳感器單元或者-如果存在的話-下遊連接的濾波單元根據另一個改進本 發明的措施下遊連接電壓預給定單元(Spanrumgsvorgabeeinheit)，該電壓預給定單元根 據確定的電壓-電流工作特性曲線由實際迴路電流確定工作電壓Uw的數值。因此優選地 基於之前前經過濾波的相當於濾波電流的信號，按照預先規定的工作特性曲線標準確定電 壓。這種工作特性曲線由邊緣條件生成，如最大功率消耗和最小工作電壓，被與此相應地確 定並存儲於電壓預給定單元內。這種工作特性曲線可能基於其它參數進行適配，如環境溫 度、電子元件的元件公差、用於提高系統運行安全性的安全容限以及實際功率消耗。最後調節裝置可以包括電壓預給定單元下遊連接的電壓調節單元，作為用於調整 另一設備工作電壓Uw的執行機構。電壓預給定單元按照預先規定的差值標準調整正負範圍之間的電壓降。


下面結合附圖以及對本發明優選實施例的描述對改進本發明的其它措施作進一 步說明。其中圖1示出遙測技術裝置的示意圖；圖2示出採用圖1電流迴路工作電壓供給的另一設備的方框圖；以及圖3示出用於自適應工作電壓匹配的調節裝置電壓-電流工作特性曲線的示意 圖。
具體實施例方式圖1示出遙測技術裝置，具有供電的接收裝置4和由該接收裝置4通過電流迴路3供電用於輸出至少一個可變的測量值的發射裝置1。發射裝置1內測定的測量值被反映 到迴路電流上。只有發射裝置1能夠影響迴路電流。此外，發射裝置1被構造用於通過電 流迴路3同時進行雙向通信。這種通信優選通過公知的HART協議實現。為了圖示說明電流迴路3內的電氣關係，在圖1中將線路電阻5作為集中的元件 示出，該電阻作為替代地表示形成電流迴路3的連接線路的歐姆電阻。供電的接收裝置4在其端子處輸出預先規定的恆定供電電壓Us。流過電流迴路3 的迴路電流在全部網絡中相同。迴路電流的電流強度通過發射裝置1確定並由供給發射裝 置1的恆定基本電流和反映測量值的可變電流組成。在工業領域使用的0/4. . . 20-mA的電 流迴路中，基本電流為4mA並且測量值的跨度由0. . 16mA的可變電流反映。對於常規功能，發射裝置1要求在其端子上的工作電壓Ud不得低於最低值。迴路電流在線路電阻5上產生電壓降隊，其在給定的線路長度情況下隨著迴路電 流的增加而增加並在20mA的最大迴路電流時達到其最高值。由發射裝置1工作電壓Ud的 最低值和接收裝置4端子處的預先規定的恆定供電電壓仏，得出最大允許的線路電阻5作 為電流迴路3空間延伸的限定參數。此外，將另一設備2集成到電流迴路3中，其被構造用於通過電流迴路3進行雙向 通信並且工作電壓Uw在其端子上下降。在本發明的第一實施方式中，該另一設備2被構造為用於查看發射裝置1的測量 值和/或狀態數據的可拆除的顯示裝置。有益地，這樣難於接觸的發射裝置1的數據也可 以現場顯示。在本發明的第二實施方式中，另一設備2被構造為用於對發射裝置1參數化的可 拆除的操作裝置。有益地，這樣對難於接觸的發射裝置1也可以現場參數化。在特殊的構 成中，另一設備2被構造為組合的顯示和操作裝置。在本發明一種特別有益的實施方式中，另一設備2被構造用於與上級裝置進行無 線通信。此外可以規定，對發射裝置1的測量值和/或狀態數據和/或發射裝置1的參數 化數據進行交換。為此為另一設備2裝備集成的無線電單元6。在所描述的所有實施方式中，另一設備2由電流迴路3供電。例如發射裝置1是工藝流程設備中物理參數的測量設備，而另一設備2則表示適 配器，其將物理參數的測量值通過集成的功能單元6無線地傳送到上級裝置。為實現發射裝置1和另一設備2的功能所需的電能通過電流迴路3傳輸。此外， 另一設備2具有用於根據實際功率需求與迴路電流自適應工作電壓匹配的調節裝置，該調 節裝置在電流迴路3上的迴路電流高時將另一設備2的工作電壓Uw成比例地一直降到規 定的最小工作電壓值Umin，並在迴路電流繼續上升時使工作電壓Uw與迴路電流無關地保持 恆定。圖2示出了另一設備2的方框圖，其在作用鏈中首先包括用於測量電流迴路3上 實際迴路電流的電流傳感器單元7。該電流傳感器單元下遊連接濾波單元8。濾波單元8 用於將低頻率範圍內用於分離工作電壓匹配的有效信號與高頻率範圍內的通信信號。通信 信號通過另一濾波單元9輸送到控制單元10進行進一步的信號處理。濾波單元8又下遊 連接電壓預給定單元11，該電壓預給定單元根據已經定義的電流電壓工作特性曲線由實際 迴路電流確定工作電壓Uw的數值，下面對該電流電壓工作特性曲線作進一步說明。
電壓預給定單元11再下遊連接用於調整另一設備2的工作電壓Uw的電壓調節單 元12。此外在調節裝置的範圍內，設置直流變流器13以及集成在電流迴路3中的調製單 元14，該調製單元輸入端由控制單元10提供有效數據並將其調製到電流迴路3的迴路電流 上。圖3所示的電壓-電流工作特性曲線儲存在-這裡未示出的-接收裝置11內。電 壓-電流工作特性曲線用於由電流迴路3上實際流動的迴路電流確定匹配的工作電壓Uw。 在這種情況下，曲線變化也考慮其他作為校正係數的工作參數，如環境溫度和這類參數。電 壓-電流工作特性曲線此外還確定最小工作電壓值Umin，該最小工作電壓值在這裡為1伏 特。假設功率恆定，利用電壓-電流工作特性曲線基於所測得的迴路電流和所使用的 元件的要求以及規範的要求，調節所連接的另一設備2的工作電壓Uw，使得其在任何時間點 均儘可能的小。如果該另一設備2進行無線通信，那麼工作電壓Uw由直流變流器的最小輸 入電壓、用於產生有效信號的電子件的功率需求的最小輸入電壓、效率的最小輸入電壓以 及調製信號的振幅組成。所存儲的功能根據所述的條件，可以使工作電壓Uw自動下降以實 現最小輸入電壓。在另一種實施方式中，另一設備2使用自己的測量單元，利用其可以檢測其它測 量參數。除了迴路電流外，其它測量參數還特別是包括發射裝置1上的各自的電壓降以及 與發射裝置1本身無關的過程參數，如由發射裝置1記錄的流量、溫度或者壓力。在本發明特殊的設計中，發射裝置1被構造為流量測量裝置並且另一設備2是連 接到信號傳輸和供給線路內的壓力測量模塊。通過將附加的測量參數壓力從另一設備2傳 送到發射裝置1，該設備可以計算和輸出質量流量。作為替代，另一設備2也可以由體積流量和壓力確定質量流量並將其與發射裝置 1或者接收裝置4通信。此外可以規定，測量值和/或從測量值導出的過程值可以存入內部 存儲器內，以便將其用於以後的分析或者查詢。此外可以規定，另一設備2產生一個或多個參數，用於校正、換算、調節和/或診斷 一個或者多個發射裝置1。按照這種方式，可以設想由從電流迴路3供電的另一設備2和多 個發射裝置1組成用於綜合測量多個參數或者專用調節功能的子系統。附圖標記列表1發射裝置2設備3電流迴路4接收裝置5線路電阻6無線電單元7電流傳感器單元8、9濾波單元10控制單元11電壓預給定單元12電壓調節單元
13 直流變流器14 調製單元
權利要求
1.一種遙測技術裝置，具有進行供電的接收裝置(4)和由該接收裝置(4)通過電流回 路(3)供電的用於輸出至少一個可變的測量值的發射裝置(1)，其中，-所述測量值被反映到迴路電流上，-發射裝置(1)被構造為通過所述電流迴路(3)同時進行雙向通信，_所述電流迴路(3)包括從所述電流迴路(3)供電的另一設備(2)，所述另一設備被構 造為通過所述電流迴路(3)進行雙向通信，並且為了從所述電流迴路(3)進行供電，所述另 一設備裝備有調節裝置(11、12)，用於根據實際功率需求與所述迴路電流進行自適應的工 作電壓匹配，並且_所述調節裝置(11、12)在迴路電流增大時與所述迴路電流成反比地將所述另一設備 (2)的工作電壓(Uw) —直降到最小工作電壓值(Umin),並在迴路電流繼續上升時，與迴路電 流無關地使所述工作電壓(Uw)保持恆定。
2.按權利要求1所述的遙測技術裝置，其特徵在於，用於自適應工作電壓匹配的所述 調節裝置(11、12)實現在具有恆定功率消耗的設備(2)內。
3.按權利要求1所述的遙測技術裝置，其特徵在於，所述調節裝置實現在至少一個進 行無線通信的設備(2)內。
4.按權利要求3所述的遙感勘測裝置，其特徵在於，為了適應無線數據通信時波動的 通信頻率，所述調節裝置根據無線數據通信所需的功率進行工作電壓匹配。
5.按權利要求1所述的遙測技術裝置，其特徵在於，所述調節裝置包括用於測量所述 電流迴路(3)內實際迴路電流的電流傳感器單元(7)。
6.按權利要求5所述的遙測技術裝置，其特徵在於，所述調節裝置包括連接在電流傳 感器單元(7)下遊的濾波單元(8)，用於將低頻率範圍內用於工作電壓匹配的有效信號與 高頻率範圍內的通信信號分離。
7.按權利要求6所述的遙測技術裝置，其特徵在於，所述調節裝置(11、12)包括連接在 濾波單元(8)下遊的電壓預給定單元(11)，該電壓預給定單元根據預先規定的電壓-電流 工作特性曲線由實際迴路電流確定所述工作電壓(Uw)的數值。
8.按權利要求7所述的遙測技術裝置，其特徵在於，電壓預給定單元(11)的電壓-電 流工作特性曲線在與所述另一設備(2)的實際功率需求進行自適應的工作電壓匹配中修 正地考慮從包含環境溫度、元件公差、安全容限、實際功率消耗的組中選取的其它工作參 數。
9.按權利要求8所述的遙測技術裝置，其特徵在於，所述調節裝置(11、12)包括連接 在電壓預給定單元(11)下遊的電壓調節單元(12)，用於調整所述另一設備(2)的工作電壓 (Uw)。
10.一種用於為遙測技術裝置內的設備提供工作電壓的方法，所述遙測技術裝置具有 進行供電的接收裝置(4)和由該接收裝置(4)通過電流迴路(3)供電的用於輸出至少一個 可變的測量值的發射裝置(1)，所述測量值被反映到迴路電流上，其中，-從所述電流迴路⑶同時為至少一個其他設備⑵供電，以及_所述其他設備⑵的工作電壓(Uw)通過調節裝置(11、12)被自適應地與實際迴路電 流匹配，使得所述工作電壓(Uw)在迴路電流增大時與迴路電流成反比一直降到最小工作電 壓值(Umin),並在迴路電流繼續上升時，與迴路電流無關地使所述工作電壓(Uw)恆定地保持為所述最小工作電壓值(Umin)。
全文摘要
本發明涉及一種遙測技術裝置，具有供電的接收裝置(4)和由該接收裝置(4)通過電流迴路(3)為其供電用於輸出至少一個可變的測量值的發射裝置(1)，其中，測量值被反映到迴路電流上，還具有由電流迴路(3)供電的另一設備(2)，此外本發明還涉及為該設備提供工作電壓的方法。為此提出，為裝置(2)裝備調節裝置(11、12)，用於根據實際功率需求與迴路電流自適應地工作電壓匹配，調節裝置在迴路電流增加時與迴路電流成反比將工作電壓(Uw)一直降到最小工作電壓值，並在迴路電流繼續上升時，與迴路電流無關地使工作電壓(Uw)保持恆定。
文檔編號G05B19/418GK102057412SQ200980122070
公開日2011年5月11日 申請日期2009年6月12日 優先權日2008年6月12日
發明者D·施拉格, Y·馬雷特 申請人:Abb技術股份公司