CN101438333B - 采用双导体技术的测量装置 - Google Patents

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Abstract

尽管所述ASIC部件具有较高的电流消耗，但在双导体技术电路中，使用定量的ASIC部件是可行的，例如，允许使用无触点旋转角度传感器。

Description

采用双导体技术的测量装置
技术领域
本发明涉及一种采用双导体技术的测量装置的限流电路、一种利用所述电路的测量装置，以及一种采用双导体技术输出限流测量信号的方法。
背景技术
在温度和压力测量技术领域中，通常使用模拟测量设备。
当过程控制中包括所述模拟测量设备时，必须提供能够再现模拟显示的电信号。意思是指必须将测量变量的模拟显示转换为电信号。
在过程工业领域，如化学工业领域中，根据现有标准需要测量装置的双导体电流信号。这是根据化学工业领域(NAMUR)中对设备要求的限定和标准协议所定义的用于测量和控制的方法。NAMUR是一项用于过程测量和控制工程的应用协议。电动单元例如过程测量和控制系统(PLS)或程控交换机(SPS)和存储在上面的程序通过过程测量和控制工程来理解。
更准确的讲，NAMUR确定了提供给所述电动单元的两导体电流信号的电流范围是4-20mA。
为了将测量装置的模拟显示转换为电信号，需要进行一定的限制，然而，由于检测显示的电路必须至少在输出端检测以上范围的电流，例如，根据某些检测规定，只允许使用小于4mA的电流。供电电源受限于普通供电电压。
在现有技术中，可以采用不会消耗较多电流的线性放大器来满足这些要求，但至今为止，由于专用集成电路(称之为ASIC)的高电流损耗而不可能被使用。
发明内容
因此，本发明的目的是要消除现有技术中的前述缺陷。
更准确地讲，尽管所述ASIC部件具有高电流消耗，根据本发明的一些实施例，根据NAMUR，在双导体技术电路中使用一定量的ASIC部件是可以的，例如，其允许使用无触点旋转角度传感器。
根据本发明的第一方面，解决方案是提供一种测量装置电路，其包括：具有数字存储器的逻辑电路，所述数字存储器用于输入和输出测量信号；可控电流宿(current sink)，用于控制具有一定限流范围的电流回路，其中所述可控电流宿用于将逻辑电路所提供的信息转换为所述电流回路上的输出电流；专用集成电路，用于检测特定测量运动，所述专用电路与逻辑电路连接，所述逻辑电路用于输出与所述运动的测量值相对应的测量信号；和能量存储装置，其与所述可控电流宿连接用于能量输入，且其与所述专用集成电路连接用于能量输出；其中，所述逻辑电路控制所述能量存储装置的连接状态，以便所述能量存储装置每次与所述专用电路连接时，在后者的能量供给中会有一定量的能量损失。
这方面的优选实施例是一种测量装置电路，包括：用于输入测量信号的微处理器；电压/电流转换器电路，其用于控制具有限流范围的电流回路，其中所述电压/电流转换器电路用于将所述微处理器提供的输入电压转换为电流回路上的输出电流；专用集成电路，用于检测旋转角度，其与微处理器连接以输出与旋转角度的测量值相对应的测量信号；和电容器，其或者与电压/电流转换器电路连接，以使供电电压对其充电，或者与专用集成电路连接用来提供电量；其中，所述微处理器控制所述电容器的连接状态，以使每当所述电容载有足够提供给后者能量供应的电荷时，则所述电容与所述专用集成电路连接。
所述电路可被特定地调节，当电容器放电时，流向检测旋转角度的专用电路的电流可以超出所述限流范围。
对于化学工业领域中提供双导体电流信号，根据NAMUR的要求，优选地，所述限流范围对应4-20mA。
而且，优选地，所述微处理器可被调节，以便其保持供给所述电压/电流转换器电路的输入电压，直到所述专用电路将新的测量信号供给所述微处理器。
此外，所述微处理器可被调节，它或者通过测量电容器的电荷和/或电容器电压，或者通过改变时间间隔内的连接状态来控制电容器的连接状态，根据电路的设计，该时间间隔足以对电容器进行充电，所充电量足以用于所述专用电路的能量供给。
为最大限度地能量利用，可以将所述能量存储装置始终与供电电源相连接。
根据本发明的第二方面，还提供了一种测量装置，其包括本发明的第一方面所涉及的用于检测旋转角度的电路，所述测量装置用于检测测量变量并且将其显示在旋转显示器上；所述电路被配置来控制旋转显示器的旋转角度的检测，和输出与测量变量相对应的信号。
在本申请中，所述测量变量可以是如温度、压力或从中获得的变量，如密度或气体密度、流速或充量。
而且，测量变量可以一种旋转或线性运动或可以转换为所述运动的变量。
专用电路包含磁性旋转角度传感器，其被配置为无触点且被居中置于所述具有磁体的指针的指针轴上。
来自能量存储装置的电流也可以用于操控无线电模块，所述无线电模块可以将有关测量值的信息无线传输至接收器。
此外，根据本发明的第三方面，提供了一种应用在双导体技术中的输出限流信号的方法。所述方法包括以下步骤：填充能量存储装置使其达到临界填充；通过具有数字存储器的微处理器检测能量存储装置内所达到的临界填充；将能量存储装置的临界填充供给用来检测特定测量运动的专用电路，所述临界填充相当于专用电路的能量供给的能量损失；通过所述专用电路检测特定测量运动；输出与所检测的特定测量运动相对应的测量信号；将所述测量信号输出至逻辑电路；将与测量信号对应的输入变量供给所述可控电流宿；和将所述输入变量转换为电流回路上的在限流范围内的输出电流。
这一方法的优选配置包括以下步骤：给电容器充电达到临界电荷；通过微处理器检测电容器所达到的临界电荷；电容器的临界电荷放电至专用电路以检测旋转角度，其中供电电压的临界电荷对应于用于检测旋转角度的专用电路；通过所述专用电路检测旋转角度；输出与所检测的旋转角度相对应的测量信号；将所述测量信号输出至微处理器；向电压/电流转换器电路提供与测量信号对应的输入电压；并且将所述输入电压转换为电流回路上的在限流范围内的输出电流。
特别地，当电容器放电时，流向用于检测旋转角度的专用电路的电流可以超出所述限流范围。
对于化学工业领域中提供双导体电流信号，根据NAMUR的要求，优选地，所述限流范围对应4-20mA。
而且，优选地，所述微处理器保持供给所述电压/电流转换器电路的输入电压，直到所述专用电路将新的测量信号供给所述微处理器。
此外，所述微处理器或者可以通过测量电容器的电荷和/或电容器电压，或者可以通过测量充电的时间间隔来检测电容电量，根据电路的设计，该时间间隔足以对电容器进行充电，所充电量足以用于所述专用电路的能量供给。
另外，可以通过简单的或较高阶的RC和/或LC元件形式的软件和硬件对所述输出信号进行滤波或平滑处理。
所述优选实施例的以上修改可以相应地作为本发明的一般技术方案。
至于其它，需要注意的是，以上所使用的术语“电流宿”涉及所指定的元件的总体平衡。因此，并不排除随时间受限的能量输出。
附图说明
下面，将通过实施例并结合附图对本发明进行详细描述，其中：
图1所示为根据本发明的测量装置电路的第一实施例的等效电路图；
图2A-2D所示为测量装置的剖面图，所述测量装置优先选用根据本发明的电路，图2A所示为管簧(tube spring)测量装置沿图2B中A-A线所做的截面侧视图，图2B所示为管簧测量装置的截面正视图，图2C所示为管簧测量装置的截面后视图，和图2D所示为图2C中“X”所标出部分的放大图，和
图3所示为根据本发明的测量装置电路的另一实施例的等效电路图。
优选实施例
通过附图对本发明中优选实施例的以下描述，目的是为了说明本发明的可行的实施方式，并不意味将本发明限定至这些实施例。
图1所示为根据本发明的测量装置电路的第一实施例的等效电路图。
标号11表示电压/电流转换器电路，其可以采用例如可商业获得的“模拟微电子器件”AM462部件来实现。标号12表示微处理器，其可以是微控制器(μ控制器)形式的EEPROM(“电可擦除只读存储器”)。“dig-I/O”表示EEPROM内的单个信号调节，因此，在0-3.3V时，在测量装置的旋转显示器上能够描述出0-270°。标号13表示容量为C的电容器，其或者可以通过微处理器12经由电阻R(所述电阻R用于最大化电容电流)与所述AM462的参考电压端连接，或者可以通过微处理器12经由DC-DC转换器15与用于检测旋转角度的专用电路14连接。所述专用电路14可以采用例如可商业获得的“austriamicrosystems”公司的AS5040部件来实现。这一部件为无触点操作磁性旋转角度传感器，它能将具有10位宽度的绝对位置值(旋转角度)的输出编码为脉宽调制信号。这可以由“PWM大约为0.5-2.5V”表示出来(PWM意思是脉宽调制)。“DO串行数据输出”表示具有10位宽度的的绝对位置值(旋转角度)的串行数据输出(DO意思是数据输出)。根据图1所示的第一实施例，这一输出被输送至微处理器12以供其检测。所述微处理器12检测这一信号，并且在与电压/电流转换器电路11的输入端相连接的输出端保持该信号，直到所述专用电路14向其提供一个新的测量值(新的测量信号)。除了所述电压/电流转换器电路11(部件AM462)的前述输入端外，根据第一实施例，所述微处理器12还与所述电压/电流转换器电路11的电流/电压参考端相连接。
电压/电流转换器电路11的用于操控电流回路(根据第一实施例需将所述电流回路限制在NAMUR所要求的4-20mA的范围内)的电路如下。将系统放大的输出端和电流输出级的输入端短接，并且通过电阻R1将它们连接至所述电压/电流转换器电路11的负输入端。所述负输入端通过另一电阻R2接地。所述接地连接同时构成由所述电流回路构成的双导体系统的第一终端。所述双导体系统的第二终端与所述电压/电流转换器电路11的电流/电压转换级的正极传感电阻端连接。另外，所述第二终端通过电阻Ro与所述电压/电流转换器电路11的电流/电压转换级的负极传感电阻端连接，并且所述第二终端与所述电压/电流转换器电路11的电源端连接。所述第二终端还与晶体管的集电极连接，所述晶体管的基极与所述电压/电流转换器电路11的电流输出端连接，其发射极通过电阻R5与所述双导体系统的第一终端连接。
通过本发明的第一实施例所述的以上结构，由所述微处理器12控制的电压/电流转换器电路11(AM462)将会持续操控电流回路将其电流范围限制在4-20mA。所述微处理器具有足够低的内在功耗。因此，可以实现在虚线16所标示的范围内的持续运行。
另外，由所述微处理器12来实现时钟控制的能量缓冲，其中，所述专用电路14(即旋转角度传感器AS5040)只运行很短时间，然后就将其再次切断，因为其内的能量转换相当高。所述微处理器12通过所述专用电路14检测每一步运行的输出信号，并且将该信号保持在与所述电压/电流转换器电路11连接的输出端，直到所述专用电路14产生一个新的测量值(新的测量信号)。因此，尽管所述专用电路14(旋转角度传感器AS5040)具有高能量转换，但是仍然可以将电流回路的电流范围总是保持在4-20mA。
根据本发明的第一实施例，以上实施方式可实现每秒更新3-4个测量值。因此，可获得完全足够的测量值更新使其可以应用于最大精确度等级的设备中，例如，在机械式压力计或机械式温度计中用作传感器(pick-off)。另外，提供与机械式测量设备有关的双导体技术，可实现其在过程工业中的应用。
图2A-2D所示为本发明的第二实施例中的机械式测量装置，在本实例中可以采用第一实施例的前述电路。
图2A所示为沿图2B中线A-A所做的截面侧视图，在图2B中示出了管簧测量装置的典型测量装置的截面后视图。图2B中的标号24表示管簧。在图2C中所示的剖面后视图中的“X”的在图2D中详细示出，示出了位于典型测量装置上的用于指针显示器的管簧的直接传感器25。如图2A所示，根据本实施例，指针23位于向后延伸的轴上并支撑一块磁体。所述专用电路14作为磁性旋转角度传感器22被直接放置在磁体上。所述磁性旋转角度传感器22与第一实施例中所述电路的其它元件，被一起放置在载板21上，所述载板21被居中安装在所述指针轴上，如图2A-2D所示。
因此，第二实施例提供了一种具有最大精确等级的测量装置，包括在双导体技术中具有360°的绝对角度的无触点磁性旋转传感器，其可以应用在过程工业中。
图3示出了第三种实施例，在本实例中，能量存储装置，此处为电容器CL通过处理器控制来进行充电，如通过18F1320型处理器微芯片。为此目的，为避免在充电起始时刻出现不合需要的电流峰值，所述空电容器在开始时经电阻RL进行充电。在后续时间内，所述电容器CL连续经电阻RL2进行充电。
在要求测量值时，向所述旋转角度传感器(如，Melexis的2SA10型)提供电流，即，经控制线CLK和晶体管T1(如，Infineon公司的BSS67O型)驱动。然后，将例如约1mA的基础供给电流通过高值电阻RV馈送至旋转角度传感器，并且所需要的其余运行电流由电容器CL提供。
然后，所述旋转角度传感器将测量值通过线D I/O传输至处理器PC，所述PC暂时存储这一测量值，直到提供一个新的测量值。
然后，所述测量值通过具有多个RC元件的PWM滤波器被传送至所述电压/电流转换器U/I(如：Texas Instruments公司的XTR115型)，例如，其中，后者会将所述测量值调节为回路中可获得的4-20mA的标准型输送至控制中心。
根据本发明的第四种实施例，电流回路通过HART(可寻址远程编码器高速通道)协议建立通信。HART协议在智能控制测量工程领域是目前领先的通信技术，并且，还提供过程变量远程查询、过程数据循环存取、参数设置和诊断。同时，所述HART协议可实现双路数字通信和4-20mA电流范围的模拟发信。
根据前述描述，因此，HART协议和本发明中的电路和/或本发明中的测量装置的结合可实现将最大精确等级的测量装置与智能工艺测量工程的领先通信技术相结合。因此，在过程工业中使用本发明的第三实施例更加具有优势。
因此，本发明的描述包括在双导体技术中使用的输出限流信号的方法。所述方法包括以下步骤：给电容器充电达到临界电荷；通过微处理器检测电容器所达到的临界电荷；电容器的临界电荷放电至专用电路以检测旋转角度，其中供电电压的临界电荷对应于用于检测旋转角度的专用电路；通过所述专用电路检测旋转角度；输出与所检测的旋转角度相对应的测量信号；将所述测量信号输出至微处理器；向电压/电流转换器电路提供与测量信号对应的输入电压；并且将所述输入电压转换为电流回路上的在限流范围内的输出电流。
虽然已经通过附图对本发明的优选实施例进行描述，但本领域的技术人员在不脱离由所附权利要求所限定的发明的范围的情况下，可以对本发明作出多种设置和修改。然而，这些设置和修改也必然包含在本发明所保护的范围内。

Claims (22)

1.一种测量装置电路，包括：
具有数字存储器的逻辑电路，所述数字存储器用于输入和输出测量信号；
可控电流宿，用于控制具有限流范围的电流回路，其中所述可控电流宿用于将所述逻辑电路所提供的信息转换为所述电流回路上的输出电流；
专用集成电路，用于检测特定测量运动，所述专用集成电路与所述逻辑电路连接，所述逻辑电路用于输出与所述运动的测量值相对应的测量信号；和
能量存储单元，其与所述可控电流宿连接用于能量输入，且其与所述专用集成电路连接用于能量输出；
其中，所述逻辑电路控制所述能量存储单元的连接状态，使得每次当所述专用电路的能量供给中的能量损失达到一定量时，则所述能量存储单元与所述专用电路连接。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述具有数字存储器的逻辑电路为微处理器，所述可控电流宿为电压/电流转换器电路，所述所提供的信息为输入电压，所述特定测量运动为角度旋转，从而所述运动测量值为旋转角度测量值，和所述能量存储单元为电容器或蓄电池或线圈或它们的组合，因此，所述能量输入为采用电源电压充电，所述能量输出为电荷输出，因此，所述能量损失是所述电容器或蓄电池的相应的充分充电电荷。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述电路被设置，使得当所述电容器放电时，流向所述用于检测旋转角度的专用电路的电流可以超出所述限流范围。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述限流范围为4-20mA。
5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述电流回路与通过HART协议进行通信的装置相连接。
6.根据权利要求2所述的电路，其中，所述微处理器被配置来保持提供给所述电压/电流转换器电路的所述输入电压，直到所述专用电路将新的测量信号供给所述微处理器。
7.根据权利要求2所述的电路，其中，所述微处理器被配置，以通过测量所述电容器的电荷和/或所述电容器的电压来控制所述电容器的连接状态。
8.根据权利要求2所述的电路，其中，所述微处理器被配置，以通过以时间间隔改变所述连接状态来控制所述电容器的连接状态，根据电路的设计，所述时间间隔足以对电容器进行充电，所充电量足以满足所述专用电路的能量供给。
9.根据权利要求8所述的电路，其中，为最大限度地利用能量，将所述能量存储单元始终与所述电源电压相连接。
10.一种测量装置包括：
如权利要求1-9中任一项权利要求所述的电路；
其中所述测量装置被配置，以检测测量变量并且将其显示在旋转显示器上；
所述电路被配置来对所述旋转显示器的旋转角度进行检测，并输出对应于所述测量变量的信号。
11.根据权利要求10所述的测量装置，其中，所述测量变量可以是温度、压力或从中获得的变量，所述从中获得的变量是密度或气体密度、流速或充量。
12.根据权利要求10所述的测量装置，其中，所述测量变量为一种旋转运动或线性运动或是能转换为所述运动的变量。
13.根据权利要求10或11所述的测量装置，其中，所述专用电路具有磁性旋转角度传感器，并且被无触点设置并且居中位于具有磁体的指针的指针轴上。
14.根据权利要求10或11所述的测量装置，其中，来自所述能量存储单元的电流也用于操控无线电模块，所述无线电模块可以将有关所述测量值的信息无线传输至接收器。
15.一种输出限流信号的方法，包括以下步骤：
填充能量存储单元使其达到临界填充；
通过具有数字存储器的逻辑电路检测所述能量存储单元内所达到的临界填充；
将所述能量存储单元的临界填充输出至用来检测特定测量运动的专用电路，所述临界填充相当于所述专用电路的能量供给的能量损失；
通过所述专用电路检测特定测量运动；
输出与所检测的特定测量运动相对应的测量信号；
将所述测量信号输出至所述逻辑电路；
将与所述测量信号对应的输入变量供给可控电流宿；和
将所述输入变量转换为电流回路上的在限流范围内的输出电流。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述具有数字存储器的逻辑电路为微处理器，所述可控电流宿为电压/电流器转换电路，所述特定测量运动为角度旋转，所述能量存储单元为电容器或蓄电池，因此所述填充即为充电，所述临界填充即为临界电荷，所述输出为放电，以及所述能量损失相当于所述电容器或蓄电池的合适的充足电荷量，所述电荷量用于旋转角度检测的电压电源，和所述输入变量为输入电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，当所述电容器放电时，流向所述检测旋转角度的专用电路的电流可以超出所述限流范围。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述限流范围为4-20mA。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电流回路通过HART协议实现通信。20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述微处理器保持供给所述电压/电流器转换电路的所述输入电压，直到所述专用电路将新的测量信号供给所述微处理器。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，所述微处理器通过测量所述电容器的电荷或所述电容器的电压来检测所述临界电荷。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述微处理器通过测量充电所耗时间来检测所述临界电荷，根据电路的设计，在所述时间足以对电容器进行充电，所充电量足以用于所述专用电路的能量供给。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，可以通过简单的或较高阶的RC和/或LC元件形式的软件和硬件对所述输出信号进行滤波或平滑处理。
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