CN102257452A - 用于确定和/或监测物理或化学过程参数的现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在自动化技术中确定和/或监测物理或化学过程参数的现场设备，带有：至少一个微控制器(6)；作为初级电压供应且具有限定的电容的供电单元(2)；和检测电路(1)，该检测线路(1)借助检测信号尽早地用信号向微控制器(6)通知供电单元(2)的故障，使得有足够的时间采取合适的安全措施以防止数据的丢失，其中设计检测电路(1)，使得检测供电单元(2)的电压降所需的参考电压相对于供电单元(2)的供电电压具有近似恒定的偏移并且保持匹配供电电压，直到检测电路(1)在供电电压突然低于参考电压或者说突然电压降的情况下将检测信号发送到微控制器(6)。

Description

用于确定和/或监测物理或化学过程参数的现场设备

技术领域

本发明涉及一种用于在自动化技术中确定和/或监测物理或化学过程参数的现场设备，带有至少一个微控制器和作为用于微控制器的初级电压供应且带有限定的电容的供电单元。带有限定的电容的供电单元是电池、燃料电池或者蓄电池。

背景技术

用于收集和/或影响过程参数的现场设备经常用于过程自动化技术以及制造自动化技术中。为了收集过程参数用的测量仪器，它们每个至少具有一个传感器和一个测量变送器。测量仪器举例地可以是物位测量仪器、流量测量仪器、压力及温度测量仪器、pH-氧化还原电位测量仪器、电导率测量仪器等，它们收集相应的过程变量：物位、流量、压力、温度、pH-值或者电导率。为了影响过程参数而使用执行器，比如阀或者泵，通过它们能够改变管道段中液体的流量或者容器中的物位。

原理上，现场设备是指所有应用于过程附近并提供或处理过程相关信息的仪器。除了之前所述的测量仪器/传感器和执行器之外，作为现场设备一般还指的是这样的单元，它们直接连接在现场总线上并且用于与上位单元通信，比如远程I/O、网关、链接设备和无线适配器。大量这样的现场设备由Endress+Hauser集团生产和销售。

在现代工业设备中，现场设备通常通过现场总线系统，比如Profibus

Foundation Fieldbus

HART

等，与上位单元连接。一般作为上位单元的是引导系统或者控制单元，比如SPS(可存储编程的控制器)或者PLC(可编程逻辑控制器)。上位单元另一方面用作过程控制、过程虚拟、过程监测以及现场设备的调试。由现场设备特别是传感器收集的测量值，通过相连的总线系统传输到一个或者有可能的话多个上位单元。此外上位单元要求通过总线系统传递数据到现场设备；上位单元特别用作现场设备的配置和参数设置或者用于诊断用途。一般说来，现场设备通过总线系统由上位单元操作。

除了在现场设备和上位单元之间的有线连接的数据传递，还可以有无线的数据传递。为了实现无线数据传递，现场设备举例地设计为无线电现场设备。它们通常具有无线电单元和供电单元作为组合的组成部分。此外，无线电单元和供电单元能够单独地设计为现场设备或者设计为在现场设备上持久地连接的无线电模块。通过供电单元，实现了现场设备的自给自足的能量供应。

可选的，不用无线电单元(也就是当今在现场安装的基础)，而是通过联接具有无线电单元的无线适配器，将现场设备改进为无线电现场设备。

在通过微控制器控制的自供电的现场设备上，通常设计一个电路，其快速和可靠地检测供电单元的供电电压的故障。由此微控制器能够实现，在次级供电单元也故障之前，存储重要的参数。一般来说作为次级供电单元使用了储能器，其能够在供电电压故障后，在限定的时间，供应给电路部分电压。被称作“预电源故障”(“Pre-Power-Fail”)的检测的公知的电路形式是电阻分压器或者集成的电路回路形式的解决方案，它们主要测定供电电压与可通过微控制器检测的电压值的比例，并由此使得故障可测。

微控制器/CPU经常在它们的信号输入端使用施密特触发器级。如果使用了相应的信号输入端，那么较小的波动(其在一定条件下借助分压器由供电电压的缩放(Skalierung)产生)只能够不准确地得到测量。在施密特触发器的开关电平上也会出现公差。更准确的并由此更可靠的是借助比较器输入端早期检测供电电压的故障；然而该解决方法在能量消耗上是不经济的。

在电池驱动的仪器中或者在仪器带有限定的电容时，供电电压的缩放(Abskalierung)具有特别的缺点：随着下降的电池电压，检测输入端的电压更小。因此在确定检测阈值的时候必须由最小电池电压得出。这又造成在“好”-信号电平和“不好”-(故障)信号电平之间只有很小的差异。其结果是，这种类型的检测对于在信号线路上的耦合的抗干扰性很差。

通过电阻分压器或通过示出上可得到的集成电路进行的预电源故障(Pre-Power-Fail)的检测需要相对较多的能量，其中能量特别是在电池运行的仪器中是昂贵的。越是使用低欧姆的分压器，(损失的)电流越高；越是使用高欧姆的分压器，电路对于耦合的抗干扰性越差。

发明内容

本发明的任务在于，能量节省地、可靠地并且抗干扰地检测初级供电电压的故障。

该任务通过以下方式进行解决，提供一种检测电路，其尽早地借助检测信号用信号向微控制器通知供电单元的故障，使得有足够的时间采取合适的安全措施以防止数据的丢失，其中用于检测电路的供电电压的电压降的检测信号通过电路部分可调整到至少近似恒定的值，并且其中构造检测电路使得产生检测信号所需的参考电压具有相对于供电电压近似不变的偏移，并且参考电压在可预设的时间段上匹配与由供电单元提供的供电电压，并且在低于该预设的参考电压的情况下，向微控制器发送检测信号。

依据本发明，参考电压是可调的并且与由带有限定电容的供电单元提供的供电电压保持固定的偏移。供电电压例如是电池电压。在电池电压因老化而常常很缓慢下降的情况，参考电压也会相应减小。因此检测电路的与参考电压相对应的开关阈随电池电压变化。因此检测电路的响应特性很大程度上不依赖于电池或者供电单元的状态。“好”和“不好”(故障)信号电平之间的差说明了供电电压相对于参考电压的差异，它是可调的并且在正常运行时是不变的。依据本发明的解决方法的巨大优势在于，相对于公知的解决方法能量消耗小。

尽管依据本发明的检测电路到目前为止是结合现场设备描述的，其一般能够结合任意的由带有限定电容的供电单元进行供电的仪器使用。

依据本发明的现场设备的有利的设计，建议了一种电压转化器，其连接在提供初级供电电压的供电单元和微控制器之间，其中电压转化器将初级供电电压转化为匹配微控制器的次级供电电压。

此外还建议在支路中在供电单元或者供电转化器之后连接第一储能器，其在供电单元故障的时候提供足够的能量给微控制器，以便微控制器能够采取合适的安全解决措施用于防止数据的丢失。被存储的能量的大小例如使得微控制器能够存储还没有存储的数据。

此外根据现场设备的另一个方案，与供电单元或电压转化器串联在截止方向上的二极管，其在能量供应单元故障的情况下，截止电流由第一储能器流向电压转化器或者供电单元。

有利地，电路部分一方面产生至少近似不变的电压降，并且另一方面阻止朝向供电单元的电流。电路部分是至少一个二极管或者多个串联连接的二极管。可选的作为电路部分的是由正向方向上的二极管和在截止方向上的齐纳二极管组成的串联电路。

根据有利的设计方案，在支路上在电路部分之后连接第二储能器，其在一般情况下充电到一个预先确定的电势(B)，其中电势(B)相对于在电路部分的输入端存在的电势(A)减少电路部分的电压降。

为了确保在正常运行情况下足够快速地进行开关阈(＝参考电压)对于供电电压的适配，建议与第二储能器并联连接一个电阻。

此外，结合依据本发明的现场设备，与电路部分串联地设置一个开关元件，其被控制为使得在能量供应单元故障时自动地向微控制器发送信号，该信号向微控制器通知供电单元故障。

有利地，开关元件是带有栅极、漏极和源级的p型晶体管，其在正常情况中是截止的，也就是在栅极处于电势A和在源级处于电势B并且电势A大于电势B时，其也可以是p型场效应晶体管。同样也能够使用合适的p型双极性晶体管。

在使用场效应晶体管的情况下，这样连接该场效应晶体管，使得一旦由于供电单元的故障导致在栅极上的电势A小于源级上的电势B，场效应晶体管导通并通过检测信号向微控制器显示供电单元的故障。

作为有利的设计，当此外在相对于大地的截止方向上在晶体管的漏极上连接齐纳二极管的时候，齐纳二极管将发送到微控制器的信号减小到在微控制器规格范围内的极限值。因此避免微控制器的损坏。

附图说明

本发明根据接下来的附图进一步描述。其中：

图1示出了依据本发明的检测电路的有利的设计方案，

图2示出了电路部分的第一实施方式，和

图3示出了电路部分的第二实施方式。

具体实施方式

图1示出了电池驱动的现场设备所需的部件2、3、4、5以及微控制器6和检测电路1。检测电路1当然还能够配置无线电适配器、所谓的本地无线适配器。现场设备7是在本专利申请的“背景技术”中详细描述的仪器。

现场设备7由初级供电单元2供电，初级供电电压优选是电池。电池供电给电压转化器3，电压转化器3又向微控制器6提供电压。

电容5用作储能器并且在初级供电单元2故障的情况下作为缓冲器，负责使微控制器6还有足够的能量可用，以采取合适的措施保存还没有存储的数据。二极管4防止通常是电容器的第一储能器5通过电压转化器3放电。然而，不是所有的电压转化器3都需要二极管4的中间连接，从而必要时也可以取消二极管4。

检测电路1在图示的情况下由电阻1.1、电路部分1.2、带有在旁路中并联连接的电阻1.4的第二储能器1.3、开关元件1.5和齐纳二极管1.6组成。在这个电路中电阻1.1、电阻1.4和齐纳二极管1.6是可选的。这样，例如在有爆炸危险的区域中使用现场设备7的时候，电阻1.1用于限制可使用的能量，使得可以充分完成所需的防爆条件。与第二储能器1.3并联连接的电阻1.4被设计为，使得第二储能器1.3的自放电能够加速，并且使得参考电压能够较快地匹配供电电压的下降，只要这不意味着故障。此外，齐纳二极管1.6将在供电单元2故障时发送给微控制器6的检测信号的电平限制到在微控制器6的规格范围内的极限值。如果检测信号的电平已经处于规格范围内，则可以取消齐纳二极管1.6。

检测电路1的主要的部件因此是电路部分1.2、第二储能器1.3和开关元件1.5。电路部分1.2在同时截至朝向供电单元2的电流的情况下，产生恒定的电压降。通过比如二极管的数量或者类型，期望的电压降是可调的。如在图2和图3中所示，电路部分1.2可以由一个在正向方向上连接的二极管8(比如一个Si二极管)和一个其后连接的齐纳二极管9组成，其中齐纳二极管9在截止方向上运行(图2)。电路部分1.2还可以由一个二极管10.1或者多个二极管(Si二极管)10.1、10.2、10.3组成，它们在正向方向上运行(图3)。近似恒定的电压降基本上是二极管10.1、10.2、10.3比如Si二极管的正向电压的总和(图3)，或者是齐纳二极管9的齐纳电压加上二极管8(Si二极管)的正向电压的和。使用哪种形式取决于所需的电压降。由二极管8和齐纳二极管9构成的的形式(图2)对于较大的电压降更为有效。

通过用于限制输入电流的可选的电阻1.1和电路部分1.2，电容1.3充电至电势B。在充电过程之后，电势B比在电阻1.1上的电势A小的是电路部分1.2的电压降。电势A现在与供电单元2的供电电压相符，因为(几乎)不再有电流流动。特别地，电路的大小能够设计成使得只有电容1.3的漏电流流出作为能量损失。由此检测电路的能量消耗近似为零。

如果供电单元2(如，电池)的供电电压例如由于老化而缓慢地减少，那么电势A和B也会减少。电势B这里由于电容1.3的自放电而自动地减小电路部分1.2的在任何时间都保持恒定的电压差。如同已经描述的，自放电能够在需要的时候通过插入电阻1.4而提高。这样实现了检测电路1的反应速度的优化。

在图示的情况下，开关元件1.5是p型场效应晶体管(PFET)1.5，在它的栅极G具有电势A和在它的源级S具有电势B。PFET 1.5在电势A大于电势B的条件下锁闭。结果导致在与微控制器6的检测输入端6.2连接的漏极D上没有电压。

如果初级供电单元2突然故障，电势A因为还连接着用电器(比如转化器3)而相对快地降到零。电路部分1.2通过它的现在截止的一个或多个二极管防止电势B也降到零。由于电容1.3或者电容1.3和并联连接的电阻1.4的自放电，电势B只是很慢地减少。因此电势A在供电单元2故障时比电势B小很多。其结果是开关元件1.5即PFET导通。

在微控制器6的检测输入端6.2具有第一储能器1.3的电压，该电压必要时通过齐纳二极管1.6限制。该限制使微控制器6的输入电压限于微控制器6的最大允许输入电压。与参考电压电平相对应的接通的电压电平的大小使得微控制器6安全地识别正脉冲或者正边缘并且能够对该预电源故障(“Pre-Power-Fail”)作出反应。该反应能够例如是触发中断，该中断启动了安全例程，用于将重要的数据和参数写入到非易失性的存储器里。

附图标记

1      检测电路

1.1    电阻

1.2    电路部分

1.3    第二储能器/电容/电容器

1.4    电阻

1.5    开关元件

2      初级供电单元/电池

3      电压转化器

4      二极管

5      第一储能器/电容/电容器

6      微控制器

7      现场设备

8      二极管

9      齐纳二极管

10.1   二极管

10.2   二极管

10.3   二极管

Claims (14)

1.用于在自动化技术中确定和/或监测物理或化学过程参数的现场设备，带有至少一个微控制器(6)，带有作为初级电压供应且具有限定的电容的供电单元(2)，并且带有检测电路(1)，该检测线路(1)借助检测信号尽早地用信号向微控制器(6)通知供电单元(2)的故障，使得有足够的时间采取合适的安全措施以防止数据的丢失，其中构造检测电路(1)，使得检测供电单元(2)的电压降所需的参考电压与供电单元(2)的供电电压具有近似恒定的偏移并且保持匹配供电电压，直到检测电路(1)在供电电压突然低于参考电压或者说突然电压降的情况下将检测信号发送到微控制器(6)。

2.按照权利要求1所述的现场设备，在所述微控制器(6)和提供初级供电电压的所述供电单元(2)之间接通电压转化器(3)，其中电压转化器(3)将初级供电电压转换成与微控制器(6)匹配的次级供电电压。

3.按照权利要求1或2所述的现场设备，在所述供电单元(2)或者所述电压转化器(3)之后在支路中连接第一储能器(5)，该第一储能器在供电单元(2)故障时提供足够的能量给微控制器(6)，从而微控制器(6)能够采取合适的安全措施以防止数据的丢失。

4.按照权利要求3所述的现场设备，其中与所述供电单元(2)或者与所述电压转化器(3)串联设置在截止方向上的二极管(4)，在供电单元(2)故障的情况下，所述二极管截止从第一储能器(5)朝向电压转化器(3)或者朝向供电单元(2)的电流。

5.按照权利要求1所述的现场设备，其中所述电路部分(1)一方面产生至少近似恒定的电压降，另一方面阻止朝向所述供电单元(2)的电流。

6.按照权利要求1或5所述的现场设备，其中所述电路部分(1)是至少一个二极管或者多个串联连接的二极管。

7.按照权利要求1或5所述的现场设备，其中所述电路部分是由正向方向的二极管和截止方向的齐纳二极管组成的串联电路。

8.按照权利要求1、6或7所述的现场设备，其中在电路部分之后在支路中连接第二储能器，该第二储能器在正常情况下充电至预先确定的电势(B)，其中所述电势(B)相对于在电路部分的输入端存在的电势(A)减少了电路部分的电压降。

9.按照权利要求8所述的现场设备，其中与第二储能器(1.3)并联连接一个电阻(1.4)，该电阻的大小被设计为使得在供电单元(2)故障的情况下，第二储能器(1.3)的自放电得到加速。

10.按照前述权利要求中任一项或者多项所述的现场设备，其中与所述电路部分(1)串联设置一个开关元件(1.5)，该开关元件在供电单元(2)故障时自动地向微控制器(6)发送信号，该信号向微控制器(6)通知供电单元(2)的故障。

11.按照权利要求10所述的现场设备，其中开关元件(1.5)是带有栅极(G)、漏极(D)和源级(S)的晶体管，在正常情况下，也就是在栅极(G)处于电势(A)和源级(S)处于电势(B)并且电势(A)大于电势(B)时，该晶体管截止。

12.按照权利要求10或11所述的现场设备，其中一旦由于供电单元(2)的故障，在栅极(G)的电势(A)小于在源级(S)的电势(B)，所述开关元件(1.5)或晶体管就导通并且通过检测信号将供电单元(2)的故障显示给微控制器(6)。

13.按照权利要求1、11或者12中任一项所述的现场设备，其中晶体管(1.5)是场效应晶体管或者双极性晶体管。

14.按照前述权利要求中任一项或者多项所述现场设备，其中与晶体管(1.5)的漏极(D)串联连接接地的齐纳二极管(1.6)，齐纳二极管(1.6)将发送至微控制器(6)的检测信号减少到在微控制器(6)的规格范围内的极限值。

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