CN102597704B - 过程仪表设备的现场设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于过程仪表的现场设备、尤其是量值变换器(1)，所述现场设备具有模拟输出端(30)，在其上能连接用于传输模拟输出信号(7)的双芯导线(10，11)。计算单元(5)通过装置(12a，12b，12c，12d)与模拟输出电路隔离直流。为了监视模拟输出信号(7)的产生，一方面设置有用于脉宽调制的、在用于隔离直流的元件(12b)之后采集的数字信号(13)的回读信道(12c，15)，并且另一方面设置有用于监视模拟输出信号(7)是否保持与比较信号(17)的预定最大偏差的装置(18，19)，该比较信号与模拟输出信号(7)一样通过低通滤波器由脉宽调制的数字信号(13)产生。新型的监视装置的优点在于，尤其是在瞬时信号情况下，能够更快地探测出错误情况并且由此在更短的时间内采取适合对该错误情况作出反应的方法。

Description

过程仪表设备的现场设备
技术领域
本发明涉及了一种根据权利要求1的前序部分、用于过程仪表的现场设备、尤其是量值变换器，其具有模拟输出端，在该模拟输出端上能连接用于传输模拟输出信号的双芯导线。
背景技术
在自动化技术中，通常使用用于过程仪表的现场设备，其例如用于检测和/或影响过程变量，并且通过自动化网络彼此相连，用于交换数据。检测作为过程变量的物理或化学参数的现场设备通常被称为为量值变换器，这是因为该量值变换器将相应的参数转换成测量值并且例如，将其输出给上级的控制站或将其作为实际值输出给调节器用于进一步处理。这种量值变换器的实例有用于液位、质量流、压力、温度、pH值、传导性等的量值变换器。
EP 1 192 614 B1公知了一种量值变换器，该量值变换器将物理或化学的测量参数转换成与测量值相应的，能在双芯导线中传输的模拟输出信号。为此设置有：适用于物理或化学测量参数的传感器、串联的模拟/数字转换器、后接的计算单元以及被计算单元控制的、能连接在双芯导线上的输出电路。该传感器将测量参数转换成传感器信号，该传感器信号在模拟/数字转换器中被数字化并且在计算单元中被处理成额定值，利用该额定值通过输出电路中的调节装置对双芯导线上的模拟输出信号进行调整。作为电流预设值的数字额定值在输出电路中首先利用在数字/模拟转换器转换成模拟电流额定值，并且通过随后的调节电路转换成模拟回路电流。在使用用于电流/电压转换的测量元件的情况下获得回路电流的实际值。可以使用也被称为分路(Shunts)的低欧姆电阻器作为简单的测量元件。因此产生的、和回路电流的额定值成比例的电压信号被输送给比较装置，该比较装置用于形成模拟电流额定值和回路电流的实际值的控制偏差。根据该控制偏差，实现为具有集成运算放大器的模拟控制器的控制器，为了调节该控制偏差，确定了用于调节元件的调节信号，该调节元件通过用于调制回路电流的晶体管电路构成。同时借助模拟/数字转换器将所测得的回路电流的模拟实际值数字化并且将其作为数字实际值输送给计算单元。计算单元因此能够求出数字实际值和数字额定值之间的偏差，并且通过对额定值进行相应的补偿对偏差做出反应。若出现不允许的大偏差，则将该偏差告知现场设备的使用者。这可以通过用于传送或显示信息的数据接口和/或显示装置来实现，该信息与求出的偏差相关并且因此与测量误差相关。该数据接口是输出电路的组成部分并且能够根据HART-协议经过双芯导线来实现数据通信。
利用数据传输率为1200bits/sec的相位固定的频率调制来实现根据HART协议的数据通信。将该振幅应小于600μA的频率调制的电信号以公知的方式叠加在4至20mA的接口的模拟输出信号上。
DE 10 2007 059 847 A1公知了一种具有模拟输出端的现场设备，其中可以探测出回路电流的调节器或调节元件的错误功能。对此借助比较器在保持预定的值范围的情况下监视调节信号。当超过值范围时，显示信号标记所示出的错误情况并且能够采取适用的方法来处理错误。这可以例如，通过双芯导线向设置在上游的控制站输出错误报告或通知维护需求和/或接收现场设备的安全情况。在模拟信号中通过电流电平示出安全状态，该电平大于22.6mA或小于3.5mA。
在根据正确的功能监视模拟输出电路时，在使模拟信号变平滑时所必须使用的低通滤波器通常会出现问题。尤其是当使用用于数字/模拟转换的、具有串联的低通滤波器的有利的脉冲宽度调制器时，应将模拟输出信号限制在小于25Hz的带宽下的低通滤波器是模拟输出电路的主要部分。另外，在根据正确调整的值监视模拟输出电流时，当为此使用了低通滤波器时，问题则在于去除用于传输数据的叠加的频率调制的信号。低通滤波器总是导致信号延迟，从而使得在输出端处所测量的、用于监视的电流值相对于数字值明显延迟，该数字值被用于在模拟输出电路的数字/模拟转换器处产生模拟输出信号。此外，低通滤波器通常没有固定的群延时时间，从而使得在过渡区域中错误地提供了瞬时信号。由此无法以简单的方式在监视装置中利用相应的在数字/模拟转换器上给出的数字值的延迟来补偿模拟输出电路中的信号延迟。克服上述问题的可能性在于，关闭具有来自监视过程的瞬时信号变化曲线的时间窗。但监视要以输出电流的在最小时间间隔上固定的额定值为前提条件。但由于无法确定在预定的时间间隔中是否能够满足该条件，所以由此无法保证最大的、在其中探测到模拟输出电路的错误状态的持续时间。
发明内容
本发明的目的在于实现一种带有模拟输出端的用于过程仪表的现场设备，在该现场设备上可连接有用于传输模拟输出线号的双芯导线。在该现场设备中能够对带有更好的精确性和/或对信号变化曲线要求更小的模拟输出信号的产生电路进行监视。
为了实现该目的，开头所述类型的新型现场设备具有权利要求1的特征部分中所给出的特征。从属权利要求中说明了本发明有利的改进方案。
本发明具有以下优点，即，可以持续激活模拟输出电路的监视并且实际上不需要监视在其中中断的时间窗。因此可以在没有明显延迟的情况下探测出模拟输出电路的误差功能。由此可以在出现误差功能的情况下相对较快地将现场设备引入安全状态中。
以有利的方式，能对于各种类型的信号变化曲线，例如对于台阶状的、阶梯状的或斜坡状的过程，同样也对于模拟输出信号的固定变化曲线，应用该监视。
由于只有数字信号通过用于隔离直流的装置进行传输，以有利的方式取消在模拟输出电路中用于模拟隔离直流的消耗。关于模拟输出电路的制造成本有利的是，由于借助脉宽调制以及随后的低通滤波来进行转换，因此可以放弃成本高昂的数字/模拟转换器。由于在模拟输出电路的模拟部分中实现了滤波器，因此对此也不再需要复杂的软件，该软件需要占用计算单元所用的大部分计算功率。
以尤其有利的方式，改进本发明的现场设备能够对产生模拟输出信号的电路完全监视。借助用于脉宽调制的数字信号的回读信道，由此同样也可以识别用于隔离直流的装置中的错误，倘若单独通过监视模拟输出信号是否保持(Einhalten)与比较信号的预定最大偏差将无法识别该错误。
在尤其有利的改进方案中，设置了用于产生显示信号的比较器，并且该显示信号被输送到计算单元上，用于进一步处理识别出的错误情况。这具有的优点是，当识别出错误状态时，计算单元可以毫不迟疑地采取适合的措施用于处理错误。在通过脉宽调制的数字信号的回读信道识别错误时也采取了该相同的措施。此外，当在产生的显示信号时由此中断了回读信道，可以以有利的方式省去计算单元用于显示信号的额外输入端以及在用于隔离直流的装置中的额外信道。
在另一个有利的改进方案中，在其中根据HART协议将频率调制的信号叠加在模拟输出信号上的现场设备中，用于监视模拟输出信号产生的装置添加了减法器，该减法器将叠加的频率调制的信号从输出信号中去除，并且将该减法器在模拟输出信号的路径中前接于一装置，其中该装置用于监视模拟输出信号是否保持预定的最大偏差。通过该改进方案，该监视装置可以同样地应用在具有或没有HART通信功能的4至20mA的接口中，并且可以这样预定最大偏差，即该最大偏差小于叠加的频率调制的信号的振幅。
附图说明
下面借助在其中示出了本发明的实施例的视图来详细阐述本发明以及设计和优点。
具体实施方式
附图示出了量值变换器1的原理结构，该量值变换器适用于检测化学或物理参数2的自动化技术设备中。参数被传送给传感器3，该传感器将参数转换成电信号。如此产生的模拟测量信号利用模拟/数字转换器4数字化，该转换器位于计算单元5的模拟输入端处，在该计算单元中参照线性和温度特性对测量信号进行校正。与测量值相应的，通过计算单元5计算出的模拟输出信号7的数字预设值借助于数字/模拟转换器转换成模拟输出信号7。数字/模拟转换器由脉冲宽度调制器8和串联的低通滤波器9构成。当计算单元5本身能够产生并输出与数字预设值相应的脉宽调制的数字信号时，脉宽调制器8可以被构造成与计算机单元5分开的元件或集成地设计在计算单元5中。通过低通滤波器9将模拟输出信号7的带宽限制在25Hz以下的频域中。
所示在双芯导线10，11中的用于产生回路电流I的电路配有将模拟输出端30与具有传感器3的电路部分31隔离直流的装置，该装置由四个元件12a，12b，12c和12d构成。这些元件中的每个均用于隔离直流地传输数字信号。在脉宽调制器8和低通滤波器9之间接入了元件12b。为了监视脉宽调制器8和元件12b而设置了回读信道，通过该回读信道，第二脉宽调制的、在元件12b之后被采集的数字信号13通过用于隔离直流的装置的元件12c作为回读信号14传输到计算单元5上。该回读信号14是数字值，该数字值相应于第二脉宽调制的数字信号13借助于解调器15获得。
优选地与低通滤波器9构造一致的第二低通滤波器16用于监视低通滤波器9的校正功能。该第二低通滤波器16输送比较信号17，借助形成差值的元件18以及比较器19将该比较信号与所测量到的、与模拟输出信号7相应的模拟输出信号7’相比较。当所测量到的模拟输出信号7’与比较信号17的偏差超过可预定的最大值时，产生显示信号20，该显示信号显示了错误状态。为了在用于隔离直流的装置中不需要额外的信道来将显示信号20输送给计算单元5，该信号与第二脉宽调制的数字信号13相结合并且被输送到元件12c上。如果存在用于显示错误的显示信号20的电平，那么经过元件12c封锁第二脉宽调制的数字信号13的传输。在其失效时，计算单元5识别出错误状态的存在。可以通过适当地控制量值变换器1的、出于简明原因未在图中示出的显示单元将如此识别出的错误告知给操作人员，或通过双芯导线10，11告知给自动化技术设备的布置在上游的控制站。通过所述方式，在量值变换器1的输出电路中能够对模拟输出信号7的产生进行完全监视。为了报告量值变换器1处于安全状态，计算单元5产生显示信号21，其通过用于隔离直流的装置的元件12d来输送，并且这样控制用于产生回路电流I的电流调节器22，即回路电流I被调整成大于22.6mA或小于3.5mA的值。
图中所示的量值变换器的4至20mA的接口能额外地根据HART-协议执行数据传输。为了传送数据，计算单元5给出数字信号23，该数字信号通过用于隔离直流的装置的元件12a传输到频率调制器24上。在将模拟输出信号7提供给电流调节器22之前，借助加法器25将该输出信号和频率调制器24的频率调制的输出信号26叠加。回路电流I因此由与模拟输出信号7相应的模拟部分以及与频率调制的信号26相应的交流部分构成。借助测量电阻27检测被调节的回路电流I的参数，该测量电阻也可以用于检测电流调节器22的调节电路中的实际值。代表上述参数的输出信号28被输送到减法器29上，通过该减法器从信号28中去除交流部分，该交流部分与频率调制的信号26相应。减法器29因此提供所测量的模拟输出信号7’作为输出信号，该模拟输出信号去除了根据HART协议所产生的交流部分。通过检测电流调节器22后面的回路电流I，该装置还以有利的方式监视了校正功能。该电流调节器22可以额外地补充已被开头所述的DE 10 2007 059 847 A1公开的监视装置。在所述文件中也描述了电流调节器22的具体结构，出于简明的原因本申请未对该具体结构进行描述。在使用减法器29的基础上，在具有或没有根据HART协议传输数据功能的4至20mA的接口中，同样可以应用本申请中所描述的对模拟输出信号的产生的监视。
在示出的实施例中，量值变换器被描述成现场设备。当然本发明也可以应用在具有模拟输出端的其他类型的现场设备中，例如在类似调节阀的调节元件中、或在具有模拟输出组件的可编程控制装置中，该模拟输出组件例如适用于通过双芯导线连接调节元件。

Claims (4)

1.一种用于过程仪表的现场设备，
具有模拟输出端，在所述模拟输出端上能连接用于传输模拟输出信号(7)的双芯导线(10，11)，并且
具有计算单元，
其特征在于，
设置有第一装置，所述第一装置用于产生与所述模拟输出信号(7)相应的、第一脉宽调制的数字信号，
所述第一脉宽调制的数字信号被输送到用于隔离直流的第二装置上，
用于隔离直流的所述第二装置给出了与所述第一脉宽调制的数字信号相应的第二脉宽调制的数字信号(13)，
设置有第一低通滤波器(9)，用于从所述第二脉宽调制的数字信号(13)中产生模拟输出信号(7)，
设置有第三装置，所述第三装置用于监视所述模拟输出信号(7)的产生，
-具有回读信道，通过所述回读信道将所述第二脉宽调制的数字信号(13)经过用于隔离直流的所述第三装置送回所述计算单元上作为回读信号(14)，用于对所述第二脉宽调制的数字信号进行检测，
-具有第二低通滤波器，所述第二低通滤波器用于从所述第二脉宽调制的数字信号(13)中产生用于所述模拟输出信号(7)的比较信号(17)，和
-具有第四装置，所述第四装置用于监视所述模拟输出信号(7)是否保持与所述比较信号(17)的预定最大偏差并且用于当超过所述偏差时产生显示信号(20)。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于，所述现场设备是量值变换器(1)。
3.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于，设置用于产生所述显示信号(20)的比较器，并且所述显示信号(20)被输送到所述计算单元上，用于进一步处理识别出的错误状态。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的现场设备，其特征在于，设置有第五装置(25)，所述第五装置用于通过将频率调制的信号(26)根据HART协议叠加在所述模拟输出信号(7)上来形成输出信号(28)，并且
用于监视所述模拟输出信号(7)的产生的所述第三装置具有用于将所述叠加的频率调制的信号(26)从所述输出信号(28)中去除的减法器。
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