CN102057412A - 具有回路供电设备的遥测技术装置及其工作电压提供方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种遥测技术装置，具有供电的接收装置(4)和由该接收装置(4)通过电流回路(3)为其供电用于输出至少一个可变的测量值的发射装置(1)，其中，测量值被反映到回路电流上，还具有由电流回路(3)供电的另一设备(2)，此外本发明还涉及为该设备提供工作电压的方法。为此提出，为装置(2)装备调节装置(11、12)，用于根据实际功率需求与回路电流自适应地工作电压匹配，调节装置在回路电流增加时与回路电流成反比将工作电压(U_w)一直降到最小工作电压值，并在回路电流继续上升时，与回路电流无关地使工作电压(U_w)保持恒定。

Description

具有回路供电设备的遥测技术装置及其工作电压提供方法

技术领域

本发明涉及一种遥测技术装置，具有供电的接收装置、由该接收装置通过电流回路为其供电用于输出至少一个可变的测量值的发射装置和电流回路中的另一设备，其中，测量值被反映到

回路电流上。此外本发明还涉及一种为这种遥测技术装置供电的方法。

背景技术

本发明的应用领域涉及工艺、汽车工业、食品加工业和这类领域的工业自动化设备。这里关心的工业设备包括能够电子控制的装置，如阀门、发动机、传感器设备，这些装置相互之间以及与至少一个上级控制装置之间通过网络进行模拟和/或者数字的通信。

HART(可寻址远程传感器高速通道：Highway Adressable Remote Transducer)是一个用于构造工业现场总线的广泛应用的标准化通信系统的例子。它使得集成了该通信系统的设备-也被称为具备HART能力的设备-能够通过公共的数据总线进行数字通信。此外HART还主要基于同样广泛应用的用于通过电流回路传输模拟传感器信号的0/4..20mA-标准。4mA和20mA之间的可变范围代表现场设备的测量值或额定值，而4mA的固定基本电流则用于为现场设备供电。

DE 197 23 645 A1介绍了一种用于在发射部位与接收部位之间传输信号的装置，其中发射部位的工作电压由开关调节器产生，该开关调节器输出恒定的输出电压并且除了损耗之外其输出功率等于其输入功率。在为发射部位供电的基本电流根据协议恒定的情况下，调整发射部位的输入电压从而使输入功率与所需的输出功率匹配。

根据其跨度反映0..16mA电流的要传输的测量值和为发射部位供电的4mA的固定基本电流，在发射部位的端子处形成取决于电流回路线路长度的电压。

HART标准化组织前不久规定了一种用于无线信号传输的新HART标准。这里所使用的无线传输以无线通信标准IEEE 802.15.4为基础并使用TDMA作为传输方法。利用这种新的无线HART标准，无线通信的HART设备现在可以简单方式集成到现有的系统中。如果无线通信的HART设备要同时集成到现有的、线路连接的系统中，那么这些HART设备还必须通过输送HART信号的电流回路为其供给必要的电力并且内部有线连接地以及无线地与其它无线通信的HART设备或者控制单元进行通信。

只要是附加的设备或者装置—例如手持终端设备或者无线通信HART设备—中接入传输测量值的电流回路，回路电流就必须保持不变并且附加设备上的电压降必须保持得很小，使得被供电的发射装置的常规功能不受影响。由于大型系统内部的线路长度达数百米，因此电流回路上的电压降大小不同。这种电压降按照欧姆定律计算，其中包括电流回路的欧姆电阻和实际回路电流。接收装置提供的工作电压分成发射部位、电流回路上的电压降和附加设置的无线通信的HART设备的电压。在限定线路长度的情况下，供电电压通常仅够唯一的附加现场设备使用。

DE 10 2006 009 979A1提出一种用于与现场设备无线通信的装置，该装置包括用于将有线连接的通信转换到无线通信的通信单元。在缺少供电的电流回路的情况下，所公开的装置由本地蓄能器供电。此外这种本地蓄能器用于为所连接的现场设备提供工作电压。为降低能耗并由此延长所集成的蓄能器的使用寿命而设置能量管理单元，通过该能量管理单元能够在预先规定的工作时间为所连接的现场设备提供所需的工作能量。

仅在预先规定的工作时间向HART设备输送工作能量，然后该HART设备通过蓄能器将工作能量进行储备的措施，意味着明显增加技术开支。这样例如在维护间隔中需要检查蓄能器的使用寿命。另一建议，即通过能量管理单元在不打算进行通信的可预先规定的休眠时间内断开无线通信HART设备的工作能量，导致整个系统的可支配性受到相应的限制。此外不能预见低功率消耗的工作时间是否足够用于为蓄能器充电。因此与信号发射器的功率消耗无关的连续运行是不可能的。

这种技术方案方面的缺点在于本地蓄能器必需的周期性维护和由此产生的装置的不可支配性以及与此相关的人工开支，这些都是这种装置的运营商所不能接受的。

发明内容

本发明的任务因此在于，为具有供电的接收装置和由该接收装置通过电流回路为其供电的发射装置的通用的遥测技术装置扩展一个附加设备，该附加设备可以技术上简单的方式集成到同一电路回路中而不对整个系统的可支配性产生限制。

该任务具体由权利要求1的特征部分解决。此外该任务涉及的方法根据权利要求10的特征部分解决。本发明有益的实施方式在从属权利要求中予以说明。

本发明从一种遥测技术装置出发，该装置具有供电的接收装置和由接收装置通过电流回路供电用于输出至少一个可变的测量值的发射装置，该测量值被反映到回路电流上。

本发明进一步由此出发，即由供电的接收装置、线路和供电的发射装置组成的已经安装的电流回路始终具有足够大的储备量，从而之后还可以接入低功率消耗的适配器。由于线路上的电压降储备量在高电流时最小。此外，与高功率消耗的(根据电流消耗典型地＞40..20mW)影响回路电流的有源发射装置相反，无源适配器需要低供电功率(典型地＜10mW)，使得该供电功率由已安装的电流回路的储备量覆盖。

依据本发明，电流回路包括由电流回路供电的另一设备，其被构造用于通过电流回路进行双向通信。该另一设备为其来自电流回路的供电装备调节装置，用于根据实际功率需求与实际的回路电流进行自适应地工作电压匹配。该调节装置在回路电流增加时与回路电流成反比将另一设备的工作电压一直降到最小工作电压值。在回路电流继续上升时，工作电压与回路电流无关地恒定地保持为最小工作电压值。

在回路电流低时，由于在其跨度的下限处模拟传输的测量值，电流回路的欧姆电阻上的电压降小。因此为该另一设备供电的储备量大。在回路电流高时，由于在其跨度的上限处模拟传输的测量值，电流回路欧姆电阻上电压降相应得高。这样虽然储备量最小，但由于回路电流高，低功率消耗的无源适配器所需的功率可以无干扰地从电流回路中获取。

根据本发明的方案的优点特别是在于，这种方案可以用于现有的电流回路并且同时由该电流回路提供其运行所需的功率。特别是无线通信的现场设备一般情况下更高的功率消耗也可以由此操作。因为电压大小受限，所以将电压降保持在尽可能低的程度上是有益的。本发明通过设备的工作电压与电流回路上流动的实际回路电流的动态自适应达到各自最低的电压降。

根据本发明的用于自适应工作电压匹配的调节装置优选安装在具有恒定功率消耗的现场设备内。在这些现场设备中，测量值或者信号不波动并形成由欧姆定律导出的恒定工作电压条件。此外考虑到与电压有关的现场设备的效率，也可以存在非线性关系。

但也可以设想，实现与波动的功率要求的自适应工作电压匹配。这些功率要求例如在通信频率波动的情况下会在电流回路上产生。根据工业过程的速度设置这些通信频率。对于快速过程而言，现场设备之间的通信比在缓慢过程的情况下更为频繁，其结果是更高的功率消耗。依据本发明的方案的调节装置可以根据波动的条件进行调整。

根据本发明的用于自适应工作电压匹配的调节装置优选包括用于测量电流回路内实际回路电流的电流传感器单元。此外0/4..20mA电流回路上的电流大小是实际测量值的测度。电流随时间的变化可以包含其他信息，例如数字总线信号，该信号被滤出并发送到连接在下游(nachgeschaltet)的分析单元作进一步处理。

此外提出，该电流传感器单元在根据本发明的调节装置的范围内下游连接有滤波单元，用于分离低频率范围内用于工作电压匹配的有效信号与高频率范围内的通信信号。通信不会由于这种选择性的滤波而变差，因为在对通信重要的频率范围内不进行电压适配。如果通信的鲁棒性很强，以致于由电压适配而引起的干扰能够接受，则可以取消这种滤波单元。

电流传感器单元或者-如果存在的话-下游连接的滤波单元根据另一个改进本发明的措施下游连接电压预给定单元(Spannungsvorgabeeinheit)，该电压预给定单元根据确定的电压-电流工作特性曲线由实际回路电流确定工作电压U_w的数值。因此优选地基于之前前经过滤波的相当于滤波电流的信号，按照预先规定的工作特性曲线标准确定电压。这种工作特性曲线由边缘条件生成，如最大功率消耗和最小工作电压，被与此相应地确定并存储于电压预给定单元内。这种工作特性曲线可能基于其它参数进行适配，如环境温度、电子元件的元件公差、用于提高系统运行安全性的安全容限以及实际功率消耗。

最后调节装置可以包括电压预给定单元下游连接的电压调节单元，作为用于调整另一设备工作电压U_w的执行机构。

电压预给定单元按照预先规定的差值标准调整正负范围之间的电压降。

附图说明

下面结合附图以及对本发明优选实施例的描述对改进本发明的其它措施作进一步说明。其中：

图1示出遥测技术装置的示意图；

图2示出采用图1电流回路工作电压供给的另一设备的方框图；以及

图3示出用于自适应工作电压匹配的调节装置电压-电流工作特性曲线的示意图。

具体实施方式

图1示出遥测技术装置，具有供电的接收装置4和由该接收装置4通过电流回路3供电用于输出至少一个可变的测量值的发射装置1。发射装置1内测定的测量值被反映到回路电流上。只有发射装置1能够影响回路电流。此外，发射装置1被构造用于通过电流回路3同时进行双向通信。这种通信优选通过公知的HART协议实现。

为了图示说明电流回路3内的电气关系，在图1中将线路电阻5作为集中的元件示出，该电阻作为替代地表示形成电流回路3的连接线路的欧姆电阻。

供电的接收装置4在其端子处输出预先规定的恒定供电电压U_S。流过电流回路3的回路电流在全部网络中相同。回路电流的电流强度通过发射装置1确定并由供给发射装置1的恒定基本电流和反映测量值的可变电流组成。在工业领域使用的0/4...20-mA的电流回路中，基本电流为4mA并且测量值的跨度由0..16mA的可变电流反映。

对于常规功能，发射装置1要求在其端子上的工作电压U_D不得低于最低值。

回路电流在线路电阻5上产生电压降U_L，其在给定的线路长度情况下随着回路电流的增加而增加并在20mA的最大回路电流时达到其最高值。由发射装置1工作电压U_D的最低值和接收装置4端子处的预先规定的恒定供电电压U_S，得出最大允许的线路电阻5作为电流回路3空间延伸的限定参数。

此外，将另一设备2集成到电流回路3中，其被构造用于通过电流回路3进行双向通信并且工作电压U_w在其端子上下降。

在本发明的第一实施方式中，该另一设备2被构造为用于查看发射装置1的测量值和/或状态数据的可拆除的显示装置。有益地，这样难于接触的发射装置1的数据也可以现场显示。

在本发明的第二实施方式中，另一设备2被构造为用于对发射装置1参数化的可拆除的操作装置。有益地，这样对难于接触的发射装置1也可以现场参数化。在特殊的构成中，另一设备2被构造为组合的显示和操作装置。

在本发明一种特别有益的实施方式中，另一设备2被构造用于与上级装置进行无线通信。此外可以规定，对发射装置1的测量值和/或状态数据和/或发射装置1的参数化数据进行交换。为此为另一设备2装备集成的无线电单元6。

在所描述的所有实施方式中，另一设备2由电流回路3供电。

例如发射装置1是工艺流程设备中物理参数的测量设备，而另一设备2则表示适配器，其将物理参数的测量值通过集成的功能单元6无线地传送到上级装置。

为实现发射装置1和另一设备2的功能所需的电能通过电流回路3传输。此外，另一设备2具有用于根据实际功率需求与回路电流自适应工作电压匹配的调节装置，该调节装置在电流回路3上的回路电流高时将另一设备2的工作电压U_w成比例地一直降到规定的最小工作电压值U_min，并在回路电流继续上升时使工作电压U_w与回路电流无关地保持恒定。

图2示出了另一设备2的方框图，其在作用链中首先包括用于测量电流回路3上实际回路电流的电流传感器单元7。该电流传感器单元下游连接滤波单元8。滤波单元8用于将低频率范围内用于分离工作电压匹配的有效信号与高频率范围内的通信信号。通信信号通过另一滤波单元9输送到控制单元10进行进一步的信号处理。滤波单元8又下游连接电压预给定单元11，该电压预给定单元根据已经定义的电流电压工作特性曲线由实际回路电流确定工作电压U_w的数值，下面对该电流电压工作特性曲线作进一步说明。

电压预给定单元11再下游连接用于调整另一设备2的工作电压U_w的电压调节单元12。此外在调节装置的范围内，设置直流变流器13以及集成在电流回路3中的调制单元14，该调制单元输入端由控制单元10提供有效数据并将其调制到电流回路3的回路电流上。

图3所示的电压-电流工作特性曲线储存在-这里未示出的-接收装置11内。电压-电流工作特性曲线用于由电流回路3上实际流动的回路电流确定匹配的工作电压U_w。在这种情况下，曲线变化也考虑其他作为校正系数的工作参数，如环境温度和这类参数。电压-电流工作特性曲线此外还确定最小工作电压值U_min，该最小工作电压值在这里为1伏特。

假设功率恒定，利用电压-电流工作特性曲线基于所测得的回路电流和所使用的元件的要求以及规范的要求，调节所连接的另一设备2的工作电压U_w，使得其在任何时间点均尽可能的小。如果该另一设备2进行无线通信，那么工作电压U_w由直流变流器的最小输入电压、用于产生有效信号的电子件的功率需求的最小输入电压、效率的最小输入电压以及调制信号的振幅组成。所存储的功能根据所述的条件，可以使工作电压U_w自动下降以实现最小输入电压。

在另一种实施方式中，另一设备2使用自己的测量单元，利用其可以检测其它测量参数。除了回路电流外，其它测量参数还特别是包括发射装置1上的各自的电压降以及与发射装置1本身无关的过程参数，如由发射装置1记录的流量、温度或者压力。

在本发明特殊的设计中，发射装置1被构造为流量测量装置并且另一设备2是连接到信号传输和供给线路内的压力测量模块。通过将附加的测量参数压力从另一设备2传送到发射装置1，该设备可以计算和输出质量流量。

作为替代，另一设备2也可以由体积流量和压力确定质量流量并将其与发射装置1或者接收装置4通信。此外可以规定，测量值和/或从测量值导出的过程值可以存入内部存储器内，以便将其用于以后的分析或者查询。

此外可以规定，另一设备2产生一个或多个参数，用于校正、换算、调节和/或诊断一个或者多个发射装置1。按照这种方式，可以设想由从电流回路3供电的另一设备2和多个发射装置1组成用于综合测量多个参数或者专用调节功能的子系统。

附图标记列表

1    发射装置

2    设备

3    电流回路

4    接收装置

5    线路电阻

6    无线电单元

7    电流传感器单元

8、9 滤波单元

10   控制单元

11   电压预给定单元

12   电压调节单元

13   直流变流器

14   调制单元

Claims (10)

1.一种遥测技术装置，具有进行供电的接收装置(4)和由该接收装置(4)通过电流回路(3)供电的用于输出至少一个可变的测量值的发射装置(1)，其中，

-所述测量值被反映到回路电流上，

-发射装置(1)被构造为通过所述电流回路(3)同时进行双向通信，

-所述电流回路(3)包括从所述电流回路(3)供电的另一设备(2)，所述另一设备被构造为通过所述电流回路(3)进行双向通信，并且为了从所述电流回路(3)进行供电，所述另一设备装备有调节装置(11、12)，用于根据实际功率需求与所述回路电流进行自适应的工作电压匹配，并且

-所述调节装置(11、12)在回路电流增大时与所述回路电流成反比地将所述另一设备(2)的工作电压(U_w)一直降到最小工作电压值(U_min)，并在回路电流继续上升时，与回路电流无关地使所述工作电压(U_w)保持恒定。

2.按权利要求1所述的遥测技术装置，其特征在于，用于自适应工作电压匹配的所述调节装置(11、12)实现在具有恒定功率消耗的设备(2)内。

3.按权利要求1所述的遥测技术装置，其特征在于，所述调节装置实现在至少一个进行无线通信的设备(2)内。

4.按权利要求3所述的遥感勘测装置，其特征在于，为了适应无线数据通信时波动的通信频率，所述调节装置根据无线数据通信所需的功率进行工作电压匹配。

5.按权利要求1所述的遥测技术装置，其特征在于，所述调节装置包括用于测量所述电流回路(3)内实际回路电流的电流传感器单元(7)。

6.按权利要求5所述的遥测技术装置，其特征在于，所述调节装置包括连接在电流传感器单元(7)下游的滤波单元(8)，用于将低频率范围内用于工作电压匹配的有效信号与高频率范围内的通信信号分离。

7.按权利要求6所述的遥测技术装置，其特征在于，所述调节装置(11、12)包括连接在滤波单元(8)下游的电压预给定单元(11)，该电压预给定单元根据预先规定的电压-电流工作特性曲线由实际回路电流确定所述工作电压(U_w)的数值。

8.按权利要求7所述的遥测技术装置，其特征在于，电压预给定单元(11)的电压-电流工作特性曲线在与所述另一设备(2)的实际功率需求进行自适应的工作电压匹配中修正地考虑从包含环境温度、元件公差、安全容限、实际功率消耗的组中选取的其它工作参数。

9.按权利要求8所述的遥测技术装置，其特征在于，所述调节装置(11、12)包括连接在电压预给定单元(11)下游的电压调节单元(12)，用于调整所述另一设备(2)的工作电压(U_w)。

10.一种用于为遥测技术装置内的设备提供工作电压的方法，所述遥测技术装置具有进行供电的接收装置(4)和由该接收装置(4)通过电流回路(3)供电的用于输出至少一个可变的测量值的发射装置(1)，所述测量值被反映到回路电流上，其中，

-从所述电流回路(3)同时为至少一个其他设备(2)供电，以及

-所述其他设备(2)的工作电压(U_w)通过调节装置(11、12)被自适应地与实际回路电流匹配，使得所述工作电压(U_w)在回路电流增大时与回路电流成反比一直降到最小工作电压值(U_min)，并在回路电流继续上升时，与回路电流无关地使所述工作电压(U_w)恒定地保持为所述最小工作电压值(U_min)。

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