CN102472634B - 用于过程仪表的现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于过程仪表的现场设备，所述现场设备具有一用于连接一双线线路以及用于输出测量值的标准化4-20mA接口。所述接口包含一串联连接，所述串联连接包括一晶体管电路(20)、一电源(4)以及构件(5)，所述晶体管电路可根据一控制信号(23)对回路电流(I)进行调节，所述构件可以实际值(U_IST)形式检测所述回路电流(I)。经一第一反馈路径(27)将所述实际值(U_IST)传输给一具有积分性能的调节器(24)，所述调节器将所述实际值与一额定值(U_SOLL)进行比较并根据控制偏差产生一用于所述晶体管电路(20)的控制信号(23)。所述具有相对较低带宽的调节器(24)用于精确调节出理想的回路电流(I)。为了对经所述双线线路进入的干扰进行抑制，所述实际值(U_IST)作为补偿信号(25)经一第二反馈路径输往一求和点(22)，所述求和点用于根据所述控制信号(23)和所述补偿信号(25)产生一用于所述晶体管电路(20)的输入信号(21)。这个辅助控制电路相对较快，因而也能抑制高频EMC干扰。在此情况下，可以采用放大效果相对较强的晶体管电路(20)并在所述低带宽调节器(24)中采用运算放大器，因此所述接口能耗较低。

Description

用于过程仪表的现场设备

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于过程仪表的现场设备，所述现场设备具有用于输出测量值的标准化4-20mA接口。

背景技术

过程技术设备使用多种用于过程仪表的现场设备来控制过程。测量变换器用于对介质的温度、压力、流量、料位、密度或气体浓度等过程变量进行检测。在测得过程变量的基础上，可由执行元件依据(例如)控制站所规定的策略对流程施加影响。执行元件例如是调节阀、加热器或泵。特别是在工艺技术设备中，压力测量变换器是自动化生产流程领域的重要传感组件。为了实现最佳设备特性并长久保持高产品质量，需要提供高质量测量变换器，其即使在极端条件下也能提供稳定而错误较少的测量值。

西门子目录“ST FI 01-2008”第1章揭示一种用于过程仪表的压力测量变换器，该压力测量变换器配有用于(例如)向控制系统输出测量值的标准化4-20mA接口。通过HART协议实现数字式参数化。待测压力的测量值则以模拟电流的形式进行传输。

图1为用于在已知压力测量变换器的4-20mA接口中产生模拟电流信号的输出级的基本结构图。两个接线端子1和2上可连接未图示的双线线路，过程技术设备中的测量变换器可借助这个双线线路例如与控制站或自动化设备连接。在该输出级中，回路电流I流经晶体管电路3、电源4和测量电阻器5所构成的串联连接。调节器6用控制信号7控制晶体管级3。因此，受到晶体管电路3调节的回路电流I与控制信号7的大小有关。电源4为测量变换器提供工作所需电能。可用电能取决于回路电流I的大小及电源4上的下降电压U_IN的大小。部分回路电流I经电源4输往下游的直流/直流转换器8，该直流/直流转换器用这部分回路电流产生适于驱动测量变换器的电子开关电路的电压9。为清楚起见，图1未对这些开关电路进行图示。高精测量电阻器5用于检测回路电流I并将其转换为电压信号，该电压信号以实际值U IST的形式在第一反馈路径10中被传输给调节器6。调节器6的作用是将检测到的实际值U_IST调节为额定值U_SOLL，该额定值是由图1中未示出的微控制器根据测得压力而生成。调节器6是具有积分性能的调节器，亦即，该调节器根据额定值U_SOLL和实际值U_IST产生控制偏差并进行积分。为清楚起见，图1所示调节器6的符号中仅显示该调节器的核心元件：运算放大器。

在测量精度和功能范围方面，对测量变换器的要求越来越高。这种越来越高的要求也对4-20mA接口的输出级的设计产生了影响。举例而言，对输出测量值的精度要求直接受到测量电阻器5、调节器6及晶体管电路3对回路电流I的调节精度影响。特定而言，调节器6需要配备非常精确且偏置电压较低的运算放大器。此外，接口的输出级只能占用极少电量，以便测量变换器的其他电子电路具有足够的工作电能来实现期望功能范围。特别对于运算放大器和晶体管电路的选择而言，这就意味着只能采用耗电量极低的组件。此外，输出电路必须具有高EMC(电磁兼容性)。这是指输出级承受一定程度的干扰而不发生故障的能力。根据NAMUR建议NE21标准A的规定，不得因特定干扰而导致功能明显受损。根据NE21的规定，干扰例如指10kHz至80MHz频率范围内的高频耦合、10V振幅或者双线线路施加1kV的快速瞬态(Burst)。当前输出值为12mA时，包括4-20mA接口且精确度为0.5％的现场设备受干扰时的输出电流与额定值的偏差不得超过0.16mA。

以上述要求为参照，已知输出级具有以下缺点：

晶体管电路3的放大效果有限，因为仅采用了单独一个放大数量级为50的PNP功率晶体管。这就需要为晶体管提供较大的控制电流，且该控制电流会对地GND流动。因此，控制电流无法再用来获取测量变换器工作所需电能。在此情况下，可供电子设备使用的功率下降了大约3％。

为了对通过连接在端子1和2上的双线线路而进入输出级的干扰进行补偿，调节器6在调节回路电流I时除了必要的精确度以外还须具有高速度。只有功率需量相对较高的运算放大器才能实现这一点。但与使用所谓的超低功耗型相比，这会使得可供电子设备使用的电能进一步降低3％。

由此可见，已知输出级已经消耗了6％的可用工作电能。由于对现场设备在测量速度、功能范围、图形显示、显示照明、IEC/EN61508所规定的SIL(安全完整性等级)等方面的性能要求与日俱增，因此，使输出级不再浪费这么多电能，而是提供给急需使用这些电能来实现多项功能的电子设备成为越来越迫切的任务。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于过程仪表的现场设备，这种现场设备的输出级能耗相对较低，但该现场设备的抗电磁干扰能力相对较高。

本发明用以达成上述目的的解决方案为一种具有如权利要求1特征部分所述特征的前述类型现场设备。从属权利要求涉及的是本发明的有利改良方案。

本发明的优点是可以对经双线线路进入的干扰进行补偿，而不必对用于控制晶体管电路的调节器的速度提出特别要求。为了抑制经双线线路进入的干扰，本发明将包括补偿信号的第二反馈路径直接(即不通过具有积分性能的调节器)接到用于调节回路电流的晶体管电路上，从而近乎形成起辅助作用的第二控制电路。通过这种方式，由位于内侧且较快的控制电路对EMC干扰进行过滤，而调节器内所用的运算放大器就能以慢得多的速度进行工作。这样就可以采用耗电量低得多的运算放大器。此外，采用第二反馈路径来抑制耦合干扰后，如果使用放大效果明显增强的晶体管电路，就能进一步降低输出级的耗电量。在此情况下，放大系数例如可达50000，这样就不会有可观的功率被晶体管电路的控制电流浪费掉。

用高通滤波器在第二反馈路径上产生补偿信号的优点是，只有辅助控制电路中的高频干扰和瞬态会被输往晶体管电路的输入端。晶体管电路基本上由晶体管构成，因而对此反应很快。高通滤波器可以采用例如由欧姆电阻器和电容器构成的串接连接。事实证明，当晶体管电路的放大系数是50000时，100KΩ及1nF量级的电阻值与电容是合适的。组件的准确尺寸与所用晶体管电路的特性有着很大的相关性，可以通过将特定干扰施加到输出级上并对借助相应调节而实现的干扰抑制效果进行评价来根据经验测定这个精确尺寸。

根据一种特别有利的实施方案，所述第二反馈路径上的高通滤波器与一比例元件并联，所述比例元件用于叠加一与所述回路电流成比例的分量。这种又称直流反馈(DC-Feedback)的反馈路径削弱了晶体管电路的放大效果。放大效果的削弱有利于降低调节器输出噪声的放大程度。因此与不设置并联比例元件的情形相比，调节器的噪声性能要求的重要性有所下降，在不设置比例元件的情况下晶体管电路的放大效果将会居高不下。另一方面，设置并联比例元件后就可以在调节器的电子电路中采用固有噪声较高、因而售价较低的运算放大器。

根据有利实施方案，由所述较快的辅助控制电路对经双线线路进入的干扰进行抑制，这项任务不再由外侧控制电路中的调节器承担。如前所述，其优点在于调节器不用再满足速度方面的高要求。但如果采用中等带宽的调节器，用设置在第一反馈路径上的低通滤波器隔离中频(例如10kHz至1MHz)范围内的EMC干扰与调节器输入端，就比较有利。由此实现了完全的功能分离，亦即，较快的辅助控制电路用于抑制EMC干扰，外侧控制电路的调节器则仅负责用模拟电流信号进行精确的测量值输出。可以采用高精度的“超低功耗运算放大器”，例如National Semiconductor公司的LMP2231型或Analog Devices公司的AD8603型。这两种控制电路都能实现与其相应功能的最佳匹配。

采用带达林顿管的晶体管电路的优点是，这种晶体管电路的放大效果很强(50000量级)，因而只需要用很低的信号能量就能控制晶体管电路。由于设置了能抑制经双线线路而进入的干扰的快速辅助控制电路，这种放大效果较强的晶体管电路对耦合EMC干扰敏感与否已不再重要。外侧控制电路中的调节器不必再对EMC干扰作出反应。尽管晶体管电路的放大效果较强，仍然可以采用低带宽且耗电量相对较低的调节器。

附图说明

图1为包含4-20mA接口的测量变换器的已知输出级的基本电路图；以及

图2为本发明输出级实施例的基本电路图。

具体实施方式

下面借助附图所示的已知实施方案及本发明实施例对本发明及其设计方案和优点进行详细说明。

如前所述，图1为应用于已知压力测量变换器SITRAS P的4-20mA接口的输出级的基本电路图。

图1所示已知输出级中的很多部件也出现在图2所示实施例的输出级中。这些部件在两个图中均采用相同的参考符号。

图2所示的输出级采用的是包含达林顿管的晶体管电路20。这个达林顿电路的放大效果很强，使用信号能量相对较低的信号21就能对其加以控制。在本实施例中，信号21由求和点22提供，调节器24所输出的控制信号23以及补偿信号25均输往这个求和点。测量电阻器5仍然用作对形式为实际值U_IST的回路电流I进行检测的构件。这个实际值U_IST在设有第一反馈元件26的第一反馈路径27中被输往调节器24，从而产生控制信号23。调节器24具有积分性能且最大带宽例如为10kHz。将第一反馈路径27反馈的实际值与微处理器所规定的额定值U_SOLL进行比较并产生控制偏差，由调节器24将其归零。反馈元件26借助低通滤波器将中高频范围内的频率分量与调节器24隔离，因为该调节器只负责在低频范围内对与待输出测量值相对应的模拟电流信号进行精确调节。这个低通滤波器可以简单地实施为100KΩ量级的电阻器28和1nF量级的电容器29。

电路优化的一个附加条件是必须将HART通信考虑在内。HART信号作为叠加调频信号随额定值U_SOLL一起被发送到调节器24上并由晶体管电路20输出到电流回路中。调节器24与晶体管电路20的频率响应必须经相应调整，才能使HART信号符合HART通信基金会的HCF_SPEC-54规范。

借助补偿信号25对表现为实际值U_IST的高频信号叠加的EMC干扰进行抑制。为了产生补偿信号25，需在第二反馈路径中接入第二反馈元件30，该第二反馈元件包含高通滤波器和与之并联的比例元件。该高通滤波器通过电阻器31和与该电阻器串联的电容器32而实现，这两个元件的值同样处于100KΩ及1nF量级。与高通滤波器31、32并联的数量级同样为100KΩ的电阻器33用作比例元件。第一反馈元件26和第二反馈元件30中所使用的组件的准确值与晶体管电路20和调节器24的特性有着很大的相关性。因此，最好是针对具体所用类型凭经验来优化这些值。一种简单的实现方式是将特定的EMC干扰施加到端子1和2上并对所取得的抑制效果进行评价。如果调节器24是带电流输出端的调节器，就可以毫不费力地将求和点22实施为电流节点。接下来在节点中将经第二反馈路径输往求和点22的补偿信号25与控制信号23(这两个信号均表示为电流信号)进行简单叠加以产生控制信号21。

所述测量变换器的基准电位优选布置在电源4与测量电阻器5之间的串联连接中。在此情况下，不需要采取其他的电路措施，测量电阻器5上就能形成负的下降电压，并且两个反馈路径上的信号极性相反。

从本实施例中可以明显看出，较快的辅助控制电路负责抑制EMC干扰，相对较慢的外侧控制电路则负责对回路电流I进行精确调节。通过这种功能划分可以针对两个控制电路所担负的不同任务对其进行优化。此外，图2所示输出级的电能需求相对较低，这就能为测量变换器提供更多工作电能以实现多种功能。通过第二反馈元件30中的比例元件可以削弱放大效果，从而降低晶体管电路20对调节器24的噪声的敏感度。通过上述反馈措施和放大效果削弱措施还能改善输出级的特性曲线的线性度，并降低输出级的温度相关性。

Claims (5)

1.一种用于过程仪表的现场设备，所述现场设备具有一用于连接一双线线路的标准化4-20mA接口，其中，所述接口包含一串联连接，所述串联连接包括：

一晶体管电路（20），所述晶体管电路可根据一控制信号（23）对所述4-20mA接口的回路电流（I）进行调节，

一电源（4），所述电源可借助所述回路电流（I）和一电压降（U_IN）产生提供给所述现场设备的工作电能，以及

一测量电阻器（5），用作对形式为实际值（U_IST）的所述回路电流（I）进行检测的构件，

其中，所述实际值（U_IST）经一第一反馈路径（27）输往一调节器（24）以产生所述控制信号（23），此外还将一与待传输测量值相对应的额定值（U_SOLL）传输给所述调节器，以便与所述实际值（U_IST）进行比较，

其特征在于，

所述实际值（U_IST）作为补偿信号（25）经一第二反馈路径输往一求和点（22），所述第二反馈路径用于抑制经所述双线线路进入的干扰，所述求和点用于根据所述控制信号（23）和所述补偿信号（25）产生一用于所述晶体管电路（20）的输入信号（21）。

2.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于，

所述第二反馈路径上设有一用于产生所述补偿信号（25）的高通滤波器（31，32）。

3.根据权利要求2所述的现场设备，其特征在于，

所述高通滤波器（31，32）与一比例元件（33）并联，所述比例元件用于叠加一与所述回路电流（I）成比例的分量。

4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的现场设备，其特征在于，

所述第一反馈路径（27）上设有一低通滤波器（28，29）。

5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的现场设备，其特征在于，

所述用于调节所述回路电流（I）的晶体管电路（20）中包含一达林顿电路。