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Abstract

一种用于对近场的驱动装置(2)供给工作电压的电子设备，该电子设备通过在现场设备(1)与同样连接其上的电压供给单元(4)之间的电流回路对总线(3)供电，其中近场的驱动装置(2)包括用于自适应地使工作电压与当前的功率需求相匹配的调节装置，该调节装置利用该回路的尚可自由获得的能量。

Description

用于现场设备的工作电压供给的电子设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于对近场驱动装置供给工作电压的电子设备，这些驱动装置通过在现场设备与同样连接在其上的电压供给单元之间的电流回路来供电。
背景技术
本发明的应用领域广泛涉及过程技术的工业自动化设备、汽车工业、食品工业等等。在此感兴趣的工业设备包括可电子控制的设备，如阀、马达、传感器设备，这些设备通过网络彼此通信，并且与至少一个上级的控制装置以模拟方式和/或以数字方式通信。
HART(高速可寻址远程传感器)是一个用于构建工业现场总线的标准化地广泛应用的通信系统的例子。其能够通过共同的数据总线实现集成于此的称作HART现场设备的设备进行数字通信。在此，HART特别建立在用于传输模拟传感器信号的同样广泛应用的0/4..20mA标准之上。在4mA到20mA之间的可变的范围表示现场设备的测量值或者期望值，而4mA的固定基本电流用于供电。
最近，HART标准化组织确定了新的HART标准，该标准致力于无线信号传输。在此所使用的无线电传输基于作为传输方法的无线通信标准IEEE802.15.4和所使用的TDMA。利用这些新的无线HART标准，现在可以以简单的方式将无线通信的HART现场总线集成到现有系统中。如果无线通信的HART现场设备一同集成到系统中，则这些现场设备也必须通过HART总线来供给所需的电功率，并且在内部有线地和无线地与其他无线通信的HART现场设备或者控制单元通信。
由DE 10 2006 009 979A1得知了一种用于HART现场设备的工作电压供给的这类电子设备。该电子设备包括用于将有线通信转换成无线通信的无线电模块。为了使能耗最小化并且由此为了延长集成的能量存储器的使用寿命，设有能量管理单元，通过该能量管理单元在可预先给定的工作时间可以为HART现场设备供给所需的工作能量。
该技术解决方案的缺点是，由于通过电流回路的工作电压供给与HART现场设备的功耗有关，例如与传感器所产生的测量值有关，所以不同强度的电流流经0/4..20mA线路。由于在大型系统内有超过100m的大线路长度，所以总线线路的电压降差别较大。该电压降根据欧姆定律来计算，其中总线线路的欧姆电阻与当前的回路电流相乘。电压供给单元提供的工作电压被分压到HART现场设备上、总线线路中的电压降上以及附加设置的以无线方式通信的HART现场设备的电压上。通常，供电电压仅仅是刚好足够用于在有限的线路长度情况下的几个附加的现场设备。
仅在预先给定的工作时间为HART现场设备输送工作能量的措施意味着显著的额外技术开销。这样，例如在维护间隔内检查能量存储器的使用寿命。其他通过能量管理单元在可预定的不进行通信的闲置时间内关断无线通信的HART现场设备的驱动能量的建议导致整个系统的可用性相应受限。此外，并不能预测具有低的功率吸收的工作时间对能量存储器的充电是否足够。与信号装置的功率吸收无关的连续工作因此是不可能的。
此外，要在影响回路电流的高功耗(依据电流消耗典型为＞40..200mW)的信号生成器与低功耗(典型为＜10mW)的纯无源适配器之间进行区分，其中后者作为近场的驱动装置由电流回路供电。此外，由此得出，已安装的由馈电设备、线路和信号生成器构成的电流回路总是具有足够大的储备，使得事后还会磨损适配器。储备由于线路上的电压降在高电流的情况下为最小。
发明内容
因此，本发明的任务是提出一种用于为适配器供给工作电压的电子设备，该电子设备在高回路电流的情况下具有尽可能小的电压降。
该任务基于根据权利要求1的前序部分所述的电子设备与其特征部分相结合来解决。回引的从属权利要求表明了本发明的有利改进方案。
本发明包含如下技术教导：回路馈电的驱动装置包括用于自适应地使工作电压与当前功率需求相匹配的电子调节装置，该调节装置利用尚可自由获得的回路能量。
根据本发明的方案的优点尤其在于，其可以设置在现有的总线上，并且在此可以一如既往地由其除了已存在的现场设备之外提供必要的功率。尤其是，通常较高的功率吸收也可以由近场的驱动装置的无线通信来操作。在此，电压是有限的量，使得电压降尽可能小地降低。因此，本发明构建了动态地使设备的工作电压与当前在总线上流动的回路电流相匹配。
根据本发明的用于自适应地实现工作电压匹配的调节装置优选在具有恒定功耗的近场驱动装置中实现。由于与电压有关的现场设备的效率，可能也可以存在非线性的关系。
然而也可能的是，实现自适应地使工作电压与波动的工作电压相匹配。工作电压的波动例如可能由于磨损引起的馈电线电阻的改变而产生。另一方面，其例如在通信频率在总线上波动时而产生。根据工业流程的速度设置这种通信频率。对于快速流程，在现场设备之间进行比缓慢的流程更为频繁的通信，这导致无线通信的功耗更高。根据本发明的解决方案的调节装置可以调节到这种波动的条件上。
根据本发明的另一特征，近场的驱动装置包括其他用于确定电流回路的电参数的测量装置。在此，尤其是对于信号生成器至少所需的电压降被确定，并且借助调节装置可靠地防止低于该电压降。通过这样的方式始终为适配器提供尽可能大的能量，而在此不必中断通信和/或模拟信号传输。在信号生成器上的实际电压降在此通过适配器以适当的方式来测量。
优选地，根据本发明的用于自适应地实现工作电压匹配的调节装置包括用于测量总线上的当前回路电流的电流传感器单元。在0/4...20mA的信号线路上的电流大小在此为当前测量值的量度。电流的时间变化可以包含其他信息，例如数字总线信号，该信号被滤出以提供给连接在之后的分析单元用于进一步处理。借助测量装置所检测到的当前测量值被用于确定尚可自由获得的能量。
此外还建议在客户方能够预先给定其他参数/边界值用以计算还可自由获得的能量。
此外还建议在根据本发明的调节装置的范围内的电流传感器单元之后连接有滤波器单元，用于将在低频范围内的用于工作电压匹配的有效信号与在高率范围内的通信信号分离。通过该可选的滤波不会使通信变差，因为在和通信相关的频率范围内未进行电压适配。如果通信可靠到使得由于电压适配引起的干扰可接受时，可能可以省去这种滤波器单元。
根据另一改进本发明的措施，在电流传感器单元或者(如果有的话)连接在其后的滤波器单元之后连接有电压预给定单元，该电压预给定单元基于当前的回路电流确定工作电压UB的值。由此，优选基于对应于经过滤波的电流的事先被滤波的信号根据预先给定的工作曲线的指示确定电压。工作曲线由边界条件、如最大功率消耗和最小工作电压而得到，被相应地确定并且存储在电压预给定单元中。基于其他量，如环境温度、电子部件的部件容差、用于提高系统的工作安全性的安全附加措施以及当前功耗，必要时可以进行工作曲线的适配。
最后，调节装置可以包括连接在电压预给定单元之后的电压调节单元作为用于调节现场设备的工作电压UB的调整级。
电压预给定单元根据预先给定的差的指示调节位于正的和负的范围之间的电压降。
有利地，由此在缺少储备的电网中现场设备的功能与可选的近场驱动装置的存在无关地保持不受干扰。对此，借助近场驱动装置提供的可选的服务仅仅暂时受到限制。
此外，有利的是，在近场驱动装置不干扰现场设备的情况下能够事后在功能上对现有网络予以扩展。
附图说明
以下参照附图连同对本发明的优选实施例的说明一起更为详细地示出了其他对本发明改进的措施。其中：
图1示出了具有现场设备和近场的驱动装置的总线系统的示意图，
图2示出了根据图1的用于近场的驱动装置的工作电压供给的电子设备的方框图。
具体实施方式
根据图1，现场设备1和近场的驱动装置2示例性地通过总线3根据电流回路的类型连接到电压供给单元4。只有现场设备1能够影响该回路的电流。现场设备1和近场的驱动装置2在此构造为通过该电流回路与该总线进行通信。电流回路被实现为0/4..20mA的电流回路，在该电流回路中预留4mA的电流强度用于对现场设备1馈电，并将0.16mA的电流强度用于模拟信号传输。
为了表示线路电阻，将等效电阻5添加到电流回路中。而在这个实施例中现场设备1是工艺技术设备的流量测量设备，近场的驱动装置2代表适配器，该适配器的数据以无线方式通过集成的无线电单元6被双向传输。
在一个可替代的实施方式中，近场的驱动装置2可以构建为显示设备，该显示设备适用于可视地表示出借助现场设备1所确定的测量值。
在另一实施方式中，近场的驱动装置2可以实现为诊断设备，该诊断设备监控现场设备1的工作性能。
对满足现场设备1和近场的驱动设备2的功能所需的电能通过总线3来传输。在此，在现场设备1和近场的驱动装置2以及电压供给单元4上出现电压降。此外，总线3的线路长度(通过等效电路5表示)减小了工作电压。
由此，由电压供给单元4提供的工作电压被分配给上述用电设备。按照用于以模拟方式传输信号的现场设备1的通常波动的功率需求，在总线3上流过不同强度的回路电流。
为了自适应地使工作电压与当前功率需求相匹配，在这个实施例中以无线方式通信的近场的驱动装置2可以包括调节装置，该调节装置在总线3上有高回路电流的情况下将近场的驱动装置2的工作电压UW按比例降低。
根据图2，调节装置包括电流传感器单元7，用于测量总线3上当前的回路电流。该电流传感器单元连接在滤波器单元8之后。滤波器单元8用于将低频范围内的用于工作电压匹配的有效信号与高频范围内的通信信号分离。通信信号通过另一滤波器单元9输送给控制单元10用于进一步的信号处理。在滤波器单元8之后连接有电压调节单元12，用于调节近场的驱动装置2的工作电压UW，该电压调节单元给予当前的回路电流确定工作电压UW的值。
在调节装置的范围内还设置有直流电流转换器13以及集成在总线3中的调制单元14，该调制单元在输入侧由控制单元10供给有用数据并将其调制到总线3上。
在另一实施方式中，近场的驱动装置2具有自己的测量单元，借助该测量单元可以检测其他测量量。除了回路电流之外，尤其是还检测在现场设备1上以及与现场设备1本身无关的、由现场设备1记录的过程量，如流量、温度或者压力。
随着回路电流增大，回路的可自由获得的能量下降。在20mA的最大回路电流的情况下，回路的可自由获得的能量在可用的储备范围内为最小。
在恒定的功率前提条件下，基于所测得的回路电流和对所使用的部件的要求以及规范，调节所连接的近场驱动装置2的工作电压UW，使得其在任何时刻都尽可能小。如果现场设备以无线方式通信，则工作电压由交流电转换器的最小输入电压、针对用于产生有效信号的电子器件的功率需求、效率以及调制信号的幅值共同构成。根据上述条件，所保存的功能能够实现工作电压UW自动降低，以实现最小的输入电压。
在功率前提条件剧烈波动的情况下，可能希望利用还可供使用的最大电压降。在此，工作电压被调节为使得不低于对于现场设备1至少所需的工作电压。在回路中有高储备的情况下，可以提供较高的能量。然而可供使用的储备与回路电流和线路电阻有关。
特别有利的是，在恒定的和波动的功率前提条件的情况下的方法的组合，因为在此情况下在同时使各自需求最小化时可以利用还可供使用的能量的最大值。
对于所有实施方式，可以将近场的驱动装置2安装在现场设备1的内部。作为替代，也可以使近场的驱动装置2在空间上独立于现场设备1连接到电流回路中。
附图标记列表
1现场设备
2近场的驱动装置
3总线
4电压供给单元
5等效电阻
7电流传感器单元
8滤波器单元
9滤波器单元
10控制单元
12电压调节单元
13交流电流转换器
14调制器单元

Claims (4)

1.一种用于对近场的驱动装置(2)供给工作电压的电子设备，该电子设备通过在现场设备(1)与同样连接在其上的电压供给单元(4)之间的电流回路对总线(3)供电，其特征在于，近场的驱动装置(2)包括用于自适应地使工作电压与当前的功率需求相匹配的调节装置，该调节装置利用该回路的尚可自由获得的能量。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于，近场的驱动装置(2)包括其他测量装置，用于确定总线(3)上的电流回路的电参数。
3.根据权利要求1或2所述的电子设备，其特征在于，借助测量装置检测到的当前测量值被用来确定尚可自由获得的能量。
4.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于，能够在客户方预先给定其他参数/边界值，用于计算尚可自由获得的能量。
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