CN103542880A

CN103542880A - 低功耗的多参数两线制变送器

Info

Publication number: CN103542880A
Application number: CN201210238216.2A
Authority: CN
Inventors: 王冯晋; 张正中; 王晓凯; 陈�峰; 王长林
Original assignee: Mettler Toledo Instruments Shanghai Co Ltd
Current assignee: Mettler Toledo Instruments Shanghai Co Ltd
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: CN103542880B

Abstract

本发明涉及一种低功耗的多参数两线制变送器，包括多个信号测量及处理电路、多个电源控制电路、微控制器及电流输出模块。每一信号测量及处理电路的输入端用于连接一传感器，当每一信号测量及处理电路工作时，处理所述传感器的测量信号并输出经处理的测量信号。多个电源控制电路一一对应地连接所述多个信号测量及处理电路，根据一组控制信号动态地控制所述多个信号测量及处理电路工作或停止。微控制器可发出所述一组控制信号至所述电源控制电路，接收工作中的信号测量及处理电路所输出的所述经处理的测量信号，并输出测量值至电流输出模块。电流输出模块连接所述微控制器，将所述测量值转换为电流信号输出。

Description

低功耗的多参数两线制变送器

技术领域

本发明涉及一种回路供电变送器，尤其是涉及一种低功耗的多参数两线制变送器。

背景技术

当前，工业控制现场中4~20mA两线制回路供电变送器应用越来越广泛。两线制技术由于其不需要专用的电源电缆，也不需要单独的供电单元，可以使其安装维护成本显著下降。同时，随着工业控制技术的发展，市场已不再仅仅满足于单一参数或单一传感器测量的变送器，如仅支持单一温度、单一pH值、单一电导等等的变送器，而逐渐转向需要支持多参数或支持多种参数复合的传感器的变送器，如可在不同设置下支持带温度的pH传感器，或支持带温度的电导传感器等等。此类多参数两线制回路供电变送器具有应用场合适应能力强、客户使用灵活度高、制造物流成本低等优点。

然而与此同时，此类变送器由于必须同时满足低功耗和支持多参数的要求。其中的低功耗要求，即当4~20mA回路供电变送器发生报警时的电流可能低至3.6mA，也能正常可靠地工作。这两个要求导致变送器设计难度较高，制约了变送器的发展。

目前市场的4~20mA两线制变送器，一般仅能支持单一种类的参数或传感器进行测量。而支持多参数的变送器一般为四线制供电方式。另外，目前市场上有的产品采用模块化设计，以达到既有两线制又是多参数测量的功能，可以根据用户需要替换相应的测量模块，但此类设计需用户准备多个测量参数模块，且替换时需要专业授权人员打开机壳进行接线调试等操作，产品成本及操作复杂程度较高。

为此，需要发明一种既具备低功耗两线制供电方式又同时可以进行多参数测量功能的变送器，以提高工业现场测量产品的灵活性，同时也可降低使用及安装成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低功耗，支持多参数测量的两线制回路供电变送器。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种低功耗的多参数两线制变送器，包括多个信号测量及处理电路、多个电源控制电路、微控制器及电流输出模块。每一信号测量及处理电路的输入端用于连接一传感器，当每一信号测量及处理电路工作时，处理所述传感器的测量信号并输出经处理的测量信号。多个电源控制电路一一对应地连接所述多个信号测量及处理电路，根据一组控制信号动态地控制所述多个信号测量及处理电路工作或停止。微控制器连接所述多个信号测量及处理电路及所述多个电源控制电路，所述微控制器发出所述一组控制信号至所述电源控制电路，接收工作中的信号测量及处理电路所输出的所述经处理的测量信号，并输出测量值至电流输出模块。电流输出模块连接所述微控制器，将所述测量值转换为电流信号输出。

在本发明的一实施例中，所述传感包括模拟传感器。

在本发明的一实施例中，变送器还可包括模数转换器，连接于至少部分信号测量及处理电路和所述微控制器之间，其中所述至少部分信号测量及处理电路用于连接模拟传感器。

在本发明的一实施例中，所述模拟传感器包括用于酸碱度pH、电导率、溶解氧或温度的传感器。

在本发明的一实施例中，所述传感器包括数字传感器。

在本发明的一实施例中，所述数字传感器包括总线型数字传感器。

在本发明的一实施例中，所述微控制器输出一组所述控制信号，以控制所述多个信号测量及处理电路中的其中一个单独工作。

在本发明的一实施例中，所述微控制器输出一组所述控制信号，以控制所述多个信号测量及处理电路中的至少两个按一定的时序交替地工作。

在本发明的一实施例中，所述电源控制电路包括开关，所述控制信号为开关信号。

在本发明的一实施例中，变送器还可包括HART调制解调模块，连接该微控制器。

本发明由于对多个信号测量及处理电路的分别控制，使得这些信号测量及处理电路只有在需要工作时才被开启，因而显著降低了变送器工作所需的功耗。而且，这一控制过程是由变送器自动地完成，无须人为地接线调试，因而降低了使用及安装成本。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1为本发明的低功耗的两线制变送器电路原理框图。

图2为根据本发明一实施例的低功耗的两线制变送器电路框图。

图3为根据本发明另一实施例的低功耗的两线制变送器电路框图。

具体实施方式

本发明的实施例描述一种低功耗、支持多参数测量的两线制回路供电变送器。

作为举例而非限制，这类两线制回路供电变送器的电流范围是4~20mA。

图1为本发明一实施例的低功耗的两线制变送器电路原理框图。参照图1所示，变送器101包括微控制器102、模数（A/D）转换器104、电流输出模块106、多个信号测量及处理电路111-11n（n为自然数）、以及电源控制电路120。多个信号测量及处理电路111-11n的输入端连接外部的各个传感器，以分别输入参数1，2，3，...，n。在此，参数1，2，3可以是来自模拟传感器，而参数n可以是来自数字传感器。电源控制电路120包括多个电源控制电路121，122，123，...，12n。各个电源控制电路121，122，123，...，12n对应地连接各个信号测量及处理电路111-11n，以供应这些信号测量及处理电路的电源。在此实施例中，用以对模拟量的信号测量及处理电路111，112，113，...供电的电源控制电路121，122，123与用以对数字量的信号测量及处理电路11n供电的电源控制电路12n是相互独立。并且，各电源控制电路121，122，123，...，12n均连接到微控制器102，根据微控制器102的指令进行动作。

为了满足低功耗的需求，电源控制电路120的规模应尽量小。在一实施例中，电源控制电路120可以实施为开关。

多个信号测量及处理电路111-11n的输出提供给微控制器102。在此，模拟量的信号测量及处理电路111，112，113，...的输出端连接到模数转换器104，经模数转换器104间接连接到微控制器102。对数字量的信号测量及处理电路11n直接连接到微控制器102。各信号测量及处理电路对测量信号进行放大、滤波等处理，输出经处理的测量信号。

微控制器102是变送器电路的核心，其上存储了控制变送器所需的程序，当微控制器102上运行这些程序时，执行变送器的测量、计算、输出等操作。例如，微控制器102可发出一组控制信号至电源控制电路120，指示电源控制电路120控制对应的信号测量及处理电路工作或停止。在此，微控制器102可发出一组控制信号令单个信号测量及处理电路，也可以令多个信号测量及处理电路工作。当某一个或多个信号测量及处理电路工作时，微控制器102可接收工作中的信号测量及处理电路所输出的经处理的测量信号。这些测量信号均已是数字形式。如果需要，微控制器102可进行一些计算，例如测量值的单位换算，得到最终的测量值。

当电源控制电路120实施为开关时，上述的一组控制信号可以是开关信号。

微控制器102并连接到电流输出模块106。微控制器102会输出测量值至电流输出模块106。电流输出模块106连接到外部的上层控制系统107。电流输出模块106会将测量值转换为4-20mA的电流形式，输出至上层控制系统107。

参考图1，当该变送器101被设置为某1种模拟传感器或数字传感器输入时，通过微控制器102的程序自动打开与信号测量及处理电路的电源控制电路121，122，123，...，12n，同时切断其他无关参数的信号测量及处理电路所对应的电源控制电路。当测量的量为模拟量时，工作中的测量及处理电路会将经处理的测量信号传输至模数转换器104，所得A/D值被传输至微控制器102。当测量的量为数字量时，工作中的信号测量及处理电路会将经处理的测量信号传输至微控制器102。微控制器102随后输出至电流输出模块106进行电流调节，该4~20mA电流信号被输出至上层控制系统107。变送器101应能保证环路电流即使低至3.6mA，也能保持正常可靠地工作。

另一方面，当该变送器101被设置为某1种模拟传感器或数字传感器输入，且当该传感器的输入电信号多于1路时，微控制器102按一定时序交替打开对应于信号测量及处理电路的电源控制电路。当测量的量为模拟量时，工作中的信号测量及处理电路会将结果传输按一定时序交替传输至模数转换器104，所得A/D值被传输至微控制器102。当测量的量为数字量时，工作中的信号测量及处理电路会将结果传输至微控制器102。微控制器102会选择其中一个参数的测量值输出至电流输出模块106进行电流调节。该4~20mA电流信号被输出至上层控制系统107。变送器101应能保证环路电流即使低至3.6mA，也能保持正常可靠地工作。

得益于对多个信号测量及处理电路的分别控制，使得这些信号测量及处理电路只有在需要工作时才被开启，因而显著降低了变送器101工作所需的功耗。这有助变送器101实现前文所述的环路电流即使低至3.6mA，也能保持正常可靠地工作的目标。而且，这一控制过程是由变送器101自动地完成，无须人为地接线调试，因而降低了使用及安装成本。

在本发明的实施例中，模拟传感器可包括用于测量酸碱度pH、电导率、溶解氧、温度等参数的传感器。在本发明的实施例中，数字传感器可包括总线型数字传感器等。

在本发明的一实施例中，变送器101可具有一些通常带有的功能，例如HART调制解调模块，它连接在微控制器102和上层控制系统107之间，在4-20mA的电流上附加一个电流调制信息以用于数据通信。除了图1中所示的一路4-20mA电流外，变送器101还可具有第二路4~20mA电流输出。此外，变送器101还可具有额外的人机操作介面，例如液晶显示模块、按键等。

在一实施例中，变送器101和上层控制系统107可具有隔离电源设计。

图2为根据本发明一实施例的低功耗的两线制变送器电路框图。参照图2，本实施例的变送器201包括微控制器202、A/D转换器204、电流输出模块206、信号测量及处理电路211，212，213，214，215，以及电源控制电路220。在本实施例中，参数1是pH值，参数2是电导率，参数3是溶解氧，参数4是温度。

例如当某一带有温度测量功能的pH传感器被连接至变送器201，且变送器被设置为相应的测量模式，微控制器102随即按时序打开对应于信号测量及处理电路211、214的电源控制电路221、224，与此同时，微控制器102通过电源控制电路221、222、223等切断其他所有信号测量及处理电路的电源，例如信号测量及处理电路212、213、215等的电源。

假设一个测量周期内须得到酸碱度pH的mV、膜电阻信号测量值和温度电阻测量值，则在一个测量周期，例如1.2s内始终打开信号测量及处理电路211的电源控制电路221，而仅在每个周期内的固定时间段，例如后0.3s内打开信号测量及处理电路214的电源控制电路224，从而实现最大限度降低功耗的目的。然后，由相应信号测量及处理电路将pH mV、膜电阻信号以及温度电阻信号进行滤波，放大及采样，周期性地传输至A/D转换器204，其所得的结果再传输至微控制器202进行计算，并通过电流输出模块206向上层控制系统207发出4~20mA环路电流。变送器201应能保证环路电流即使低至3.6mA，也能保持正常可靠地工作。

图3为根据本发明另一实施例的低功耗的两线制变送器电路框图。参照图3，本实施例的变送器301包括微控制器302、A/D转换器304、电流输出模块306、信号测量及处理电路311，312，313，315，以及电源控制电路320。在本实施例中，参数n是来自总线型数字传感器。信号测量及处理电路315是数字传感器处理电路。

例如当某一总线型数字传感器被连接至变送器301，且变送器301被设置为相应的单一数字测量模式，微控制器302随即按时序控制打开与信号测量及处理电路315对应的电源控制电路325，与此同时，微控制器通过电源控制电路321，322，323切断其他所有参数的测量及信号处理电路，例如311，312，313等的电源。从而实现最大限度降低功耗之目的。然后，由相应参数处理电路将数字信号传输至微控制器302进行计算，并通过电流输出模块306向上层控制系统307发出4~20mA环路电流。变送器301应能保证环路电流即使低至3.6mA，也能保持正常可靠地工作。

以上的实施例说明仅为本发明的较佳实施例说明，本领域技术人员可依据本发明的上述实施例说明而作出其它种种等效的替换及修改。然而这些依据本发明实施例所作的种种等效替换及修改，属于本发明的发明精神及由权利要求所界定的专利范围内。

Claims

1.一种低功耗的多参数两线制变送器，包括：

多个信号测量及处理电路，每一信号测量及处理电路的输入端用于连接一传感器，当每一信号测量及处理电路工作时，处理所述传感器的测量信号并输出经处理的测量信号；

多个电源控制电路，一一对应地连接所述多个信号测量及处理电路，根据一组控制信号动态地控制所述多个信号测量及处理电路工作或停止；

微控制器，连接所述多个信号测量及处理电路及所述多个电源控制电路，所述微控制器发出所述一组控制信号至所述电源控制电路，接收工作中的信号测量及处理电路所输出的所述经处理的测量信号，并输出测量值至电流输出模块；以及

电流输出模块，连接所述微控制器，将所述测量值转换为电流信号输出。

2.如权利要求1所述的低功耗的多参数两线制变送器，其特征在于，所述传感包括模拟传感器。

3.如权利要求2所述的低功耗的多参数两线制变送器，其特征在于，还包括：

模数转换器，连接于至少部分信号测量及处理电路和所述微控制器之间，其中所述至少部分信号测量及处理电路用于连接模拟传感器。

4.如权利要求2所述的低功耗的多参数两线制变送器，其特征在于，所述模拟传感器包括用于酸碱度pH、电导率、溶解氧或温度的传感器。

5.如权利要求1所述的低功耗的多参数两线制变送器，其特征在于，所述传感器包括数字传感器。

6.如权利要求5所述的低功耗的多参数两线制变送器，其特征在于，所述数字传感器包括总线型数字传感器。

7.如权利要求1所述的低功耗的多参数两线制变送器，其特征在于，所述微控制器输出一组所述控制信号，以控制所述多个信号测量及处理电路中的其中一个单独工作。

8.如权利要求1所述的低功耗的多参数两线制变送器，其特征在于，所述微控制器输出一组所述控制信号，以控制所述多个信号测量及处理电路中的至少两个按一定的时序交替地工作。

9.如权利要求1所述的低功耗的多参数两线制变送器，其特征在于，所述电源控制电路包括开关，所述控制信号为开关信号。

10.如权利要求1所述的低功耗的多参数两线制变送器，其特征在于，还包括HART调制解调模块，连接该微控制器。