具有串联的电压调节器和电流源的回路供电现场设备的制作方法

本发明涉及下述现场设备：该现场设备用于确定过程变量，并且经由双线电流回路(two-wire current loop)向远程位置提供指示该过程变量的测量信号。

背景技术：

工业中经常使用现场设备来测量各种过程变量，例如压力、温度、流量或产品物位。特别地，雷达物位计系统可以用于测量诸如过程流体、颗粒状混合物或其他材料的产品的物位。

在雷达物位计系统中，可以从布置在罐的顶部处的收发器朝该罐中的产品的表面来传播电磁发射信号，并且由于发射信号在该表面处的反射而产生的电磁反射信号返回至收发器。基于发射信号和反射信号，可以确定距产品的表面的距离，根据该距离可以推断出罐中的产品的物位。

在使用现场设备的许多设施(诸如过程工业设施)中，在现场设备与诸如主机的远程位置之间存在现有布线。现有布线经常形成双线电流回路，双线电流回路用于从主机向现场设备传送命令并且从现场设备向主机传送指示过程变量的测量信号。双线电流回路上的传送可以通过控制流经该回路的电流来进行。在4mA至20mA回路中，测量信号可以例如为回路电流本身。作为这样的模拟电流水平的替选或补充，可以通过例如使用HART协议调制回路电流来传送数字信息。

除了能够通过双线电流回路接收和发送信号之外，现场设备可能还需要能够使用从双线电流回路汲取的电力来进行操作。换言之，现场设备可以是回路供电现场设备。

在用于实现回路供电现场设备的一些现有解决方案中，用于确定过程变量的测量设备、用于向双线电流回路提供测量信号的电流控制电路、以及分路调节器可以全部并联连接。然而，由于回路电压的预期变化，导致在这样的解决方案中回路上的可用电力的相当大的部分没有用于对测量 设备进行供电。

为了提高回路供电现场设备的能量效率，US 8 477 064公开了下述内容：将电流控制电路与转换器串联地电连接，该转换器用于将来自电流回路的输入电力转换为至测量设备的输出电力；并且提供电压调节器，该电压调节器通过对转换器两端的电压进行变化来保持电流控制电路两端的电压恒定。以此方式，不管回路电压如何，实际上在回路上的所有可用电力都可以用于对测量设备进行供电。

尽管根据US 8 477 064的回路供电现场设备提供了非常节能的操作，但是可以存在改进的空间，特别是关于所调节的回路电流的稳定性的改进的空间。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述情况并且提供一种改进的现场设备，特别地提供所调节的回路电流的改进的稳定性。

根据本发明的第一方面，因此提供了一种现场设备，其用于确定过程变量并且经由双线电流回路向远程位置提供指示该过程变量的值的测量信号，该现场设备包括：测量设备，用于使用为测量设备的操作而经由双线电流回路接收到的能量来确定过程变量的值；电流控制设备，其与测量设备串联地电连接，并且能够被测量设备控制成基于过程变量的值来控制流经双线电流回路的回路电流，从而提供测量信号；以及电压调节电路，其与电流控制设备和测量设备串联地电连接，以用于通过对电压调节电路两端的电压进行变化来朝着期望电压控制电流控制设备两端的电压。

因为测量设备、可控电流源和电压调节电路串联地电连接，所以在使用时提供给现场设备的回路电压对应于串联连接的测量设备、可控电流源、电压调节电路和任何另外电路的两端的电压之和。

对于“现场设备”，应当被理解为用于确定过程变量并且将指示该过程变量的测量信号传送至远程位置的任何设备。现场设备的示例包括用于确定诸如填充物位、温度、压力、流体流量等的过程变量的设备。

如在背景技术部分中也所提到的，测量信号可以例如是恒定电流和/或叠加在恒定电流上的随时间变化的电流。这样的随时间变化的电流可以例如根据HART通信协议来调制数字信息。

测量设备可以包括电力转换器(power converter)，该电力转换器用于将来自双线电流回路的输入电力转换为用于对包括在测量设备中的测量电路进行供电的输出电力。这样的电力转换器可以被配置成将电力转换器的输入端两端的输入电压转换为电力转换器的输出端两端的输出电压。

本发明是基于以下理解：通过将电压调节器布置成与可控电流源和测量设备串联、以及将电压调节器配置成通过对电压调节器两端的电压降进行变化来朝着期望电压控制可控电流源两端的电压，能够实现在稳定的电流调节与对电流回路上可用的电力的利用之间的有利权衡。

在根据本发明的现场设备的实施例中，可以由此减少测量设备两端的电压的变化，同时仍然允许测量设备获取全回路电流。这又提供了测量设备对可控电流源的更稳定的控制。

另外，因为电压调节器与可控电流源和测量设备串联连接，所以电压调节器可以被配置成至少部分地防止外部扰动传播至可控电流源中。

为此，电压调节器可以被配置成对电压调节器两端的电压降非常快速地进行变化，使得电压调节器在回路电压存在高频变化的情况下也能够调节可控电流源两端的电压。现场设备和/或双线电流回路可以被设置有用于阻挡甚高频干扰信号(诸如RF频率干扰)的常规的基于电容器的EMI滤波器。被这样的基于电容器的EMI滤波器所阻挡的最低频率将取决于电容。在较高的电容的情况下，可以阻挡较低频率的信号。然而，特别在可能存在爆炸性或可燃性物质的应用中，可能存在对所允许的电容的限制。例如，现场设备以及电流回路本身可能需要满足内在安全性的要求。为了在这样的应用中也提供对干扰电压信号的经改进的阻挡，电压调节器可以有利地被配置成对电压调节器两端的电压降充分快速地(以充分短的时间常数)进行变化，以阻挡至少高达由基于电容器的EMI滤波器所阻挡的上述最低频率的干扰信号，以供在要求内在安全性的应用中使用。

因此，在根据本发明的现场设备的实施例中，电压调节电路可以被布置并且配置成以下述方式对电压调节电路两端的电压变化：至少在从约10kHz至约100kHz的频率范围中的扰动信号被电压调节电路所抑制。

换言之，可以说电压调节电路被布置并且配置成用作滤波器，该滤波器防止至少在从约10kHz至约100kHz的频率范围中的电压变化通过电压调节电路进行传播。

期望的是，将电压调节电路配置成阻挡至少该频率范围(10kHz至 100kHz)将会允许设计出满足对内在安全性的要求、同时仍然充分地抑制扰动的EMI滤波器。

为了便利设计EMI滤波器，电压调节电路可以有利地被配置成抑制至少在从约10kHz至约1MHz的频率范围中的扰动信号。

在目前为止所讨论的频率范围的低端中，可以将电流控制设备设计成在出现频率高达约10kHz的扰动的情况下也正确地控制回路电流。

然而，通过将电压调节电路布置并且配置成对频率低至约0Hz的扰动信号(DC)进行阻挡，可以便利设计电流控制设备，并且存在成本节约的潜力。

因此，电压调节电路可以有利地配置成抑制至少在从约0Hz至约100kHz或者甚至更有利地1MHz的频率范围中的扰动信号。

为了提供根据本发明的实施例的现场设备的进一步改进的扰动抑制特性，可控电流源可以电连接在电压调节电路与测量设备之间。

在这些实施例中，可以通过电压调节电路来控制至可控电流源的输入电压，并且电压调节电路可以能够至少部分地防止外部扰动到达可控电流源。

根据各种实施例，电压调节电路可以被配置成通过对电压调节电路的阻抗进行变化来对电压调节电路两端的电压进行变化。例如，为了提供简单且自调节的电路，电压调节电路可以有利地包括耗尽型N沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，该耗尽型N沟道MOSFET可以用于通过对耗尽型N沟道MOSFET的漏极端与源极端之间的阻抗快速地进行变化来抑制高频扰动信号。然而，应当理解的是，本领域的普通技术人员将能够使用各种其他的本身已知的电压调节器(诸如PID调节器)来实现电压调节。

根据各种实施例，本发明的现场设备还可以包括电流调节器，该电流调节器包括用于对流经双线电流回路的回路电流进行测量的回路电流测量电路。电流调节器可以连接至可控电流源和测量设备，以用于接收来自测量设备的指示过程变量的信号，以及用于基于所测量的回路电流和来自测量设备的信号来向可控电流源提供电流控制信号。

可以例如以与可控电流源串联连接的电阻器以及用于测量该电阻器两端的电压降的电压测量电路的形式来提供回路电流测量电路。

根据各种实施例，回路供电现场设备可以有利地还包括分路调节器，该分路调节器与测量设备并联地电连接，以用于将来自双线电流回路的、至测量设备的输入电压保持在预定调节电压处或该预定调节电压以下。分路调节器可以包括反向偏置的齐纳二极管。

在实施例中，本发明的现场设备还可以包括：第一回路连接器，用于连接至相对高的回路电位；以及第二回路连接器，用于连接至相对低的回路电位。测量设备、可控电流源和电压调节电路可以串联地电连接在第一回路连接器与第二回路连接器之间。

有利地，电压调节电路可以电连接在第一回路连接器与可控电流源之间；并且测量设备可以电连接在可控电流源与第二回路连接器之间。

根据各种实施例，现场设备还可以包括可再充电蓄能设备。通过提供这样的蓄能设备，暂时过剩的能量可以被存储，并且以后在测量设备的操作所需要的电力高于能够从双线电流回路汲取的电力时进行使用。蓄能设备可以例如包括电容器、超级电容器和/或可再充电电池或者能够存储电能的任何其他设备。

在暂时性电力损失的情况下，可再充电蓄能设备也可以是有用的。

现场设备可以另外地设置有用于无线传送测量信号的无线发射器，并且现场设备可以被配置成在暂时性电力损失的情况下自动切换至无线传送。例如，在实施例中，包括在测量设备中的处理电路可以被编程为：经由双线电流回路来感测电力损失，并且在经由双线电流回路感测到电力损失时切换至无线传送。

根据本发明实施例的现场设备可以有利地是用于确定罐中的产品的填充物位的雷达物位计，该雷达物位计包括：收发器，用于生成、发射和接收电磁信号；传播设备，其连接至收发器，以用于将来自收发器的电磁发射信号朝产品的表面进行传播，并且用于将由于该发射信号在表面处的反射而产生的电磁反射信号返回至收发器；以及处理电路，用于基于发射信号和反射信号来确定填充物位，并用于控制电流控制设备来提供指示填充物位的测量信号。

该处理电路可被配置成控制收发器来执行多个测量周期，每个测量周期包括：活动时间段，在该活动时间段中，收发器生成、发射并且接收电磁信号；以及非活动时间段，在该非活动时间段中，收发器不生成、不发射并且不接收电磁信号。

处理电路可以被配置成：针对多个测量周期中的每个测量周期，基于所确定的填充物位来确定活动时间段的持续时间与非活动时间段的持续时间之间的比率。

针对与相对小的回路电流相对应的填充物位的比率可以被确定为低于针对与相对大的回路电流相对应的填充物位的比率。

因为现场设备(诸如上述雷达物位计)控制可控电流源来向双线电流回路提供测量信号，所以在原理上现场设备在任何给定的时间都将会知道多少电流将可用于测量设备。因此，现场设备可以包括处理电路，该处理电路用于根据与所确定的过程变量相对应的回路电流来控制测量设备的操作。

例如当所确定的过程变量对应于相对大的回路电流时，测量设备可以被控制成例如通过减少连续测量之间的时间来暂时增加其电流消耗。类似地，当所确定的过程变量对应于相对小的回路电流时，测量设备可以通过例如增加连续测量之间的时间来减少其电流消耗。

根据本发明的第二方面，提供了一种使用现场设备经由双线电流回路来提供测量信号的方法，该现场设备包括：测量设备，用于使用为测量设备的操作而经由双线电流回路接收到的能量，来确定过程变量的值；电流控制设备，其与测量设备串联地电连接，并且能够被测量设备控制成控制流经双线电流回路的回路电流；以及电压调节电路，其与可控的电流控制设备、以及测量设备串联地电连接，其中，该方法包括以下步骤：通过电压调节电路来朝着期望电压控制电流控制设备两端的电压；以及通过测量设备来将电流控制设备控制成基于过程变量的值控制回路电流，从而经由双线电流回路提供测量信号。

根据本发明各种的实施例，控制电流控制设备两端的电压的步骤可以有利地包括以下步骤：通过电压调节电路来感测电流控制电路两端的电压；以及基于所感测的电压来对电压调节电路的阻抗进行变化。

本发明的第二方面的另外效果和改变在很大程度上类似于以上参照本发明的第一方面所描述的效果和改变。

总之，本发明从而涉及一种现场设备，其用于确定过程变量，并且经由双线电流回路向远程位置提供指示该过程变量的测量信号。该现场设备包括：测量设备，用于确定过程变量；电流控制设备，其与测量设备串联地电连接，并且能够被测量设备控制成向双线电流回路提供测量信号；以 及电压调节电路，其与电流控制设备和测量设备串联地电连接，以用于通过对电压调节电路两端的电压进行变化来朝着期望电压控制电流控制设备两端的电压。

附图说明

现在将参照示出本发明的示例实施例的附图来更详细地描述本发明的这些和其他方面，在附图中：

图1以安装在示例性罐中的雷达物位计的形式示意性地示出现场设备；

图2是以雷达物位计的形式示意性地示出根据本发明的现场设备的示例性实施例的框图；以及

图3示意性地示出包括耗尽型N沟道MOSFET的示例性电压调节电路。

具体实施方式

在本详细描述中，参照非接触式雷达物位计系统来讨论根据本发明的现场设备的示例性实施例。应当注意的是，这决不限制本发明的范围，本发明同样适用于其他现场设备，诸如导波雷达物位计系统、温度传感器、压力传感器等。另外，双线电流回路可以被配置成根据诸如4mA至20mA、HART、基金会现场总线(Foundation Fieldbus)、过程现场总线(Profibus)等的各种通信标准来运行。

图1示意性地示出了安装在示例性罐2中的雷达物位计1的形式的现场设备。雷达物位计1经由双线电流回路4连接至远程主机/主控(master)3，该双线电流回路4还用于向雷达物位计1提供电力。罐2包含产品6，并且在操作时，雷达物位计1基于朝产品6的表面7传播的电磁发射信号以及由于该发射信号在表面7处的反射而产生的电磁反射信号来确定罐2中产品6的填充物位L。

在已经确定作为过程变量的示例的填充物位L之后，雷达物位计经由双线电流回路4向远程主机/主控3提供指示填充物位L的测量信号S_L。下面将参照图2来更详细地描述向双线电流回路4提供测量信号S_L、以及从双线电流回路4向现场设备1提供电力。

图2是示意性地示出根据本发明的现场设备(诸如图1中的雷达物位计1)的示例性实施例的框图。

图2中的现场设备10包括：这里为雷达物位计1的形式的测量设备，用于确定上述填充物位L；以及回路接口电路12，用于向双线电流回路4提供指示过程变量的测量信号S_L(回路电流I_L)，并且用于将来自双线电流回路4的电力提供至测量设备1。

回路接口电路12包括：第一回路连接器14，用于连接至相对高的回路电位V_L+；以及第二回路连接器15，用于连接至相对低的回路电位V_L-。如可以在图2中看出的，回路接口电路12还包括电压调节器17、可控电流源18、电流调节器19、分路调节器20和测量电阻器21。

从第一回路连接器14开始，电压调节器17、可控电流源18、测量设备1以及测量电阻器21串联连接，并且当现场设备10在第一回路连接器14和第二回路连接器15处连接至双线电流回路4时形成该电流回路的一部分。

如图2中所指示的，电流调节器19被布置成测量测量电阻器21两端的电压从而确定回路电流I_L，并且进一步被连接至测量设备1以用于接收指示下述期望回路电流的信号：该期望回路电流表示由测量设备1所确定的过程变量(例如填充物位L)，并且电流调节器19进一步被连接至可控电流源18以用于控制电流源18来提供期望回路电流I_L。

例如可通过齐纳二极管提供的分路调节器20与测量设备1并联连接，以进一步减少至测量设备1的输入电压的变化。这将允许更加稳定地调节回路电流I_L。

雷达物位计1包括DC/DC转换器24、表示为微处理器(μP)的处理电路25、以及微波单元26。微波单元26连接至传播设备，该传播设备这里表示为示意性天线28，用于发射和接收微波信号。

DC/DC转换器24连接至回路接口电路12，以用于接收来自双线电流回路4的电力。如图2中所指示的，DC/DC转换器24向处理电路25和微波单元26提供电力。处理电路25控制微波单元26的操作，并且基于朝表面7发射的微波信号和从表面7反射的微波信号来确定罐2中的产品6的填充物位L(参照图1)。此外，处理电路25确定与填充物位相对应的期望回路电流，并且如图2中所指示的那样向电流调节器19提供指示该期望回路电流的信号。

为了保持可控电流源18处于合适的工作点，电压调节器17朝着期望电压Vcs来控制可控电流源18两端的电压。为了保持至测量设备1的输入电压稳定，电压调节器17被配置成通过对电压调节器17两端的电压降进行变化而控制可控电流源18两端的电压Vcs，其中例如通过对电压调节器17的阻抗进行变化来对电压调节器17两端的电压降进行变化。此外，电压调节器17可以被配置成对电压调节器17两端的电压降充分快速地进行变化，以防止扰动从电流回路4穿过电压调节器17并进入到现场设备10中。

现在将参照图3来描述包括在现场设备10中的电压调节器17的示例性实施例。

图3示意性地示出适合于根据本发明的实施例的现场设备的简单电压调节器18的示例。参照图3，布置了耗尽型N沟道MOSFET 30，其漏极“D”连接至第一回路连接器14，其源极“S”连接至可控电流源18的高电位侧，并且其栅极“G”连接至可控电流源18的低电位侧。如从图3中清楚看出的，可控电流源18两端的电压Vcs等于耗尽型N沟道MOSFET 30的-V_GS(栅极与源极之间的电压)。例如如果V_CS应当增大，则V_GS变得更负，这将导致N沟道MOSFET 30的增大的漏极-源极阻抗。增大的漏极-源极阻抗导致耗尽型N沟道MOSFET 30两端的更大的电压降，这又导致可控电流源18两端的减小的电压Vcs。除了简单且自调节之外，耗尽型N沟道MOSFET 30还非常快速，这使得该部件高度适合于用作根据本发明实施例的现场设备10的电压调节器17。

本领域的技术人员认识到本发明决不限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和改变。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他的元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。仅仅在彼此不同的从属权利要求中叙述某些措施这一事实并不表示不能有利地利用这些措施的组合。