CN103975225B - 用于磁感应流量测量设备的电网同步的方法和电路 - Google Patents

Abstract

一种用于具有变送器和电源适配器的磁感应流量测量设备的电源同步的电路和方法，其中，用于为变送器供电的直流信号从电源适配器经两根信号导线被传输至变送器，所述电路和方法的特征在于如下过程步骤：在电源适配器侧产生差分同步信号以便使流量测量与电源频率同步；将差分同步信号经两根信号导线传输至变送器；在变送器侧处将差分同步信号与直流信号分离；处理差分同步信号以便使流量测量与电源频率同步。

Description

用于磁感应流量测量设备的电网同步的方法和电路

技术领域

本发明涉及一种用于具有测量变送器和电源的磁感应流量测量设备的电网同步的方法和电路，其中，用于为测量变送器供电的直流信号从电源经两根信号导线被传输至测量变送器。

背景技术

具有电源电网连接(例如，50Hz230伏AC电网)的紧凑磁感应流量测量设备通常具有用于电网同步以使得从电网滤掉可能干扰的装置。例如，磁感应流量测量设备的信号处理的传递函数在例如正好50Hz的电网频率下具有零位。为此，使测量电极信号的积分时间与电网频率同步。来自电网的干扰相应被滤掉，并且测量信号质量必然提高。紧凑磁感应流量测量设备在电源中直接生成电网同步信号，电源通常来说为测量发送器的部件，测量信号和电网同步信号在测量发送器中被处理。然而，对于远程磁感应流量测量设备而言，电网同步信号必须从具有电源的测量发送器被传输至远程布置的测量变送器。在这样的情况下，该距离能够相当于数百米。一个示例将是使用两根额外的电缆用于将电网同步信号从具有电源的测量发送器传输至远程布置的测量变送器。

本发明的目的是提供一种使得能够将同步信号经电缆无抖动地传输至远程测量变送器的方法。

发明内容

该目的由独立权利要求1和6的主题来实现。本发明的进一步的发展和实施例在从属权利要求中阐明。

对于本发明的电网同步而言，磁感应流量测量设备包括测量变送器和电源。电源例如是测量发送器(特别是与测量变送器分离的测量发送器)的部分，即，测量发送器布置成远离测量变送器。该远程能够相当于数百米。为了给测量变送器供电，直流信号从电源经两根信号导线被传输至测量变送器。

在这样的情况下，磁感应流量测量设备由供电网供电。在这样的情况下，磁感应流量测量设备的电源连接到电网并且将电网信号特别是交流信号转换成直流信号。在德国，供电网为具有230伏电网电压和50Hz电网频率的交流电网。相比之下，在美国，电网频率为60Hz。电源还给测量发送器供应能量。

根据本发明，在电源处，因此例如在电源中，产生差分同步信号以使得借助于测量变送器使流量测量与电网频率同步。然后，该差分同步信号经两根信号导线被传输至测量变送器，用于为测量变送器供电的直流信号也经该两根信号导线被传输。差分同步信号被调制成直流信号。以这种方式，不需要额外的电缆用于直流信号和同步信号的分离的传输。

在测量变送器处，差分同步信号然后从直流信号被去除并且相应地特别是在测量变送器中进一步被处理，以使流量测量与电网频率同步。

一般而言差分信号并且具体而言差分同步信号由反向信号和非反向信号(例如，电压信号或电流信号)构成。反向信号一直具有与非反向信号相同的大小但是具有相反的符号。

因此，用于执行本发明的方法的本发明的电路包括：在电源处用于借助于测量变送器产生使流量测量与供电网的电网频率同步的同步信号的装置。在这样的情况下，电源特别是测量发送器的部分，该测 量发送器与测量变送器分离。此外，电路包括：适合于在电源处产生差分同步信号以使流量测量与电网频率同步的装置；和在两根信号导线上把差分同步信号传输至测量变送器的装置。而且，电路包括：在测量变送器处将差分同步信号与直流信号彼此分离的装置；和用于处理差分同步信号以使流量测量与电网频率同步的装置。

特别地，这些装置在电源处产生相互反向的脉冲信号，这些脉冲信号经其它装置施加到直流信号上并且经两根信号导线，特别是电缆，特别是双绞线(TP)(其特别是带屏蔽的)被传输，并且然后在测量变送器处，由附加装置分离。

本发明的进一步的优点在于，通过本发明的电路，没有附加抖动施加在同步信号上。

在本发明的方法的第一进一步的发展中，差分同步信号的产生经历下列方法步骤：产生矩形电压信号并且利用脉冲而非矩形电压信号的边沿(edge)来产生差分电压信号作为差分同步信号。差分同步信号因此由反向脉冲电压信号和非反向脉冲电压信号构成。脉冲电压信号的脉冲在矩形电压信号的边沿处同时产生并且因此与矩形电压信号(或电网信号)同相。

如果电网频率波动，则同步信号也以相等程度来改变。例如，差分同步信号的脉冲(或矩形电压信号的边沿)在正弦电网信号的每个过零点处产生。然而，还可想到其它类型的同步。

在本发明的进一步的发展中，本发明的电路包括：用以产生与电网频率同步的矩形电压信号的装置；和利用脉冲而非矩形电压信号的边沿来产生差分同步信号作为差分电压信号的装置。矩形边沿例如在电网信号的过零的情况下产生。然而，在电网信号的正过零的情况下，即在电网信号为负并且变为正的瞬间，仅能够产生上升沿，并且到下 降沿的时间是预定的，特别是恒定的。根据一个实施例的示例，脉冲暂停比率相当于1:1，并且频率等于电网频率。然而，命名的脉冲暂停比率是频率等同，对本发明不是必要的。因此，在50Hz电网信号的情况下，每个半波能够触发边沿，使得同步信号的频率将为100Hz。在每种情况下，电网信号、差分同步信号、以及(在给定的情况下)矩形电压信号彼此同步。或本发明的电路包括：用以利用与矩形电压信号的边沿同时的脉冲来产生差分同步信号作为差分电压信号的合适的装置。

矩形电压信号由从现有技术获知的光耦合器电路产生。例如，矩形电压信号是例如0至3伏或0至5伏的TTL信号。

在本发明另外的进一步发展中，本发明的电路包括EIA-485-发送器，常常也称为RS485发送器或差分驱动器级，并且在每种情况下，EIA-485-发送器和相应的信号导线之间的电容器作为用于利用脉冲而非矩形电压信号的边沿来产生差分同步信号作为差分脉冲电压信号的装置。如已经提及的，差分脉冲电压信号的脉冲与矩形电压信号的上升沿同时或与下降沿同时或与上升沿和下降沿同时产生。

为此，EIA-485发送器，首先将矩形电压信号转换为输入信号并且经第一输出端输出该反向矩形电压信号。另外，矩形电压信号作为非反向输入信号经第二输出端被输出。任意其它同等作用部件，特别是具有同等功能的电子部件，能够同等地产生该技术效果并且将被视为等同物。

然后差分矩形电压信号被引导至两个电容器。在每种情况下，电容器布置在EIA-485-发送器的一个输出端和两根信号导线中的一根之间。在矩形电压信号的上升沿的情况下，两个电容器中的每一个产生正电压脉冲，并且在矩形电压信号的下降沿的情况下，两个电容器中的每一个产生负电压脉冲，并且这些电压脉冲叠加在直流信号上。由 于矩形电压信号的差分性质，因此，产生两个脉冲电压信号，其中一个相对于另一个是反向的。因此，在电容器上存在差分脉冲电压信号。

在本发明的实施例的形式中，两个电容器在每种情况下具有100nF至100μF特别是在每种情况下具有100nF至1μF的电容。

在经两根信号导线传输之后，根据本发明使差分同步信号和直流信号彼此分离。然后，这些信号被彼此分离地进一步处理。

对于分离(separating)，电路包括在信号导线的每端处的至少一个线圈，在每种情况下，在电源输出之后且在输入到测量变送器之前，其中，附加电路部件布置在电源处与测量变送器处之间。磁感应流量测量设备包括电源(例如，作为测量发送器的部分)、两根信号导线和测量变送器，其中，电源经两根信号导线与测量变送器连接，以把直流信号从电源传输至测量变送器从而为测量变送器供电。

在这样的情况下，线圈在每种情况下具有100μH至100mH特别是1mH至10mH的电感。

在本发明的进一步发展中，为了处理使流量测量与电网频率同步的差分同步信号，执行下列方法步骤，下列方法步骤然后在给定情况下利用边沿而非差分电压信号的脉冲来产生矩形电压信号：

利用低通滤波器滤波差分同步信号，该低通滤波器被设置成使得具有在预定的第一阈值以上的频率的脉冲从同步信号被滤出，该预定的第一阈值本身特别是取决于预期的电网频率。

同时，还能够利用高通滤波器来滤波差分同步信号，该高通滤波器被设置成使得具有在预定的第二阈值以下的频率的脉冲从同步信号被滤出，该预定的第二阈值例如本身取决于预期的电网频率。低通滤波器和高通滤波器一起形成带通滤波器。在这样的情况下，第一阈值 高于第二阈值。在50Hz的预期的电网频率的情况下，由第一阈值和第二阈值形成的带位于例如从40Hz至60Hz或甚至仅从48Hz至52Hz。当然，随后形成的矩形电压信号也能够首先被滤波以使得同步，如下面所述。低通滤波器，高通滤波器和带通滤波器能够例如以软件实现。

在本发明的电路的进一步的发展中，低通滤波器使用电容器和电阻器形成，所述电容器和电阻器并联连接以形成低通部件。

然后，根据本发明的进一步的发展，用于使流量测量与电网频率同步的差分同步信号被处理以利用边沿而非差分电压信号的脉冲来产生矩形电压信号。如此产生的矩形电压信号的边沿类似于脉冲电压信号的产生，与脉冲电压信号的脉冲同相，因为所述边沿与脉冲电压信号的脉冲同时产生。

为了产生矩形电压信号，例如，使用差分放大器，例如具有差分输入端的，特别是具有在运算放大器的每个输入端和信号导线中的一根之间至少一个电容器的运算放大器或RS485收发器。

另外，可以使用单稳态触发器作为数字门，其特别是与运算放大器的输出端连接。

此外，本发明的电路能够具有计算单元，该计算单元适于借助于软件以仅在期望时间点渐现同步信号并且其他情况下输出预定的信号，例如，特别是0伏的恒定电压。然而，同步信号，例如，矩形电压信号，或差分同步信号也因此实际上再次被进行带通滤波。周期或窗口之间的持续时间(在此期间，同步信号被掩蔽)是预定且定时的，特别是基于预期的电网频率和目前的同步信号，并且由此正好可调节为周期或窗口的长度，在周期或窗口的长度期间，同步信号已经渐现并且由此输出以进一步处理。

在本发明的实施例的进一步的示例中，双绞线被提供用于直流信号和同步信号的传输。在这种情况下，两根信号导线彼此绞合。在这样的情况下，双绞线特别是包括导电屏蔽。

本发明的每个电路适合于执行本发明的方法。

附图说明

本发明允许若干形式的实施例。现在将基于附图更详细地解释其中的一些实施例，在附图中，图形中相同的元件以相同的参考文字提供。其中：

图1示出用于电网同步的本发明的电路。

图2示出相对于时间绘制的多个信号曲线、或波形。

具体实施方式

图1示出用于电网同步的本发明的电路1。电源2将电网信号(在此例如具有230伏电网电压和50Hz电网频率的交流信号)转换成在此具有30伏的直流信号。直流信号经两根信号导线4和5被传输至测量变送器3。两根信号导线4和5连接到电源2的和测量变送器3的输出端30VDC和GND。电源到供电网的连接同样未示出，且电源2为磁感应流量测量设备的测量发送器的部分。

除直流信号以外，电源2还产生同步信号以借助于测量变送器使流量测量与电网频率同步。同步信号位于电源2的输出端SYNC上并且在那里被输出。根据现有技术，同步信号作为与电网信号同步的矩形电压信号而被产生。特别地，它具有与电网信号相同的频率，其中，它具有例如与电网信号的从负到正的过零同时的上升沿。如果电网信号抖动，则矩形电压信号同样抖动。

现在，测量变送器3包括输入端SYNC，该输入端SYNC能够处理这样的矩形电压信号以使流量测量与电网信号同步。然而，这样的 矩形电压信号的传输是不利的。

因此，在此处图示的本发明的电路1包括：用以将矩形电压信号转换成作为同步信号的差分脉冲电压信号的装置。在此处，该装置包括EIA-485发送器TX1和两个电容器C1和C2和两个电阻器R1和R2，其中，在每种情况下，电容器C1和C2和，并且在每种情况下，电阻R1和R2串联连接并且布置在EIA-485发送器TX1的输出端和信号导线4和5中的一个之间并且与这些元件导电地、特别是流电地连接。

位于EIA-485发送器TX1的输入端上的矩形电压信号通过其非反向和反向而被输出。在图2中描绘信号曲线或波形。随后，现在差分矩形电压信号通过串联连接的电容器C1和C2及电阻器R1和R2被转换成差分脉冲电压信号，并且被调制到两根信号导线4和5上。电容器C1和C2用于电容性耦合，而电阻R1和R2用于幅度限制或者说用于同步信号的衰减，使得确保不超过经信号导线4传输的信号的最大幅度。

因此，无需增加电缆用于同步信号的传输。因为矩形电压信号作为输出信号与电网信号同步地产生，因此，差分脉冲电压信号也与这样的电网信号同步。在给定的情况下，EIA-485发送器TX1由电源2供应通常为3.3伏的能量。

现在，在测量变送器处，差分同步信号然后与直流信号分离。就这点而言，本发明的电路1在测量变送器处包括运算放大器或具有差分输入端的EIA-485接收器RX1，并且在每种情况下，与在差分运算放大器的或EIA-485-接收器RX1的输入端与信号导线4、5之间的电阻器R3、R4串联连接的电容器C3、C4作为用于利用边沿而非差分电压信号的脉冲来产生矩形电压信号的装置。电容器C3和C4电容性耦接差分同步信号。以有利的方式，RX1也是RS485标准芯片并且因此 被供应来自测量变送器2的3.3伏。为了阻挡经电缆从接收器RX1传输的供应的DC电压，需要电容器C3和C4。

而且，在此处示出的电路1包括在每根信号导线4和5与在每种情况下差分EIA-485接收器RX1的输入端之间的低通部件。在每种情况下，低通部件由并联连接到电阻器R3和R4的电容器C5和C6以简单的方式形成。低通部件在非期望的干扰信号能够到达EIA-485接收器RX1之前滤出非期望的干扰信号。

在这样的情况下，电容器C1、C2、C3和C4的电容为至多100μF，特别地至多1μF。电阻R1、R2、R3和R4为至少10欧姆，特别地至少700欧姆。另外，在给定情况下，具有在电源和测量变送器之间的两根信号导线的电缆具有例如20pF/m至200pF/m和1mOhm/m至10Ohm/m的电容和电阻。由于电缆电阻以及RS485-模块的内电阻以及泄漏电流，电容器被放电。它们用于自由地传输潜在的能量。

以并联形式连接的电容器和电阻器R3/C5和R4/C6形成用于低通滤波的低通滤波器。在这样的情况下，电容器C5和C6的电容为至多100μF，特别是至多5μF，并且电阻器R3、R4为至少10欧姆，特别是至少700欧姆。

这里，补充的单稳态触发器IC1，一种单稳多谐振荡器，也作为数字门连接在测量变送器2的输入端SYNC和EIA-485接收器RX1的输出端之间。单稳态触发器IC1防止例如由干扰引起的多个脉冲导致假触发。

位于测量变送器的输入端SYNC上的同步信号的利用例如利用软件发生。这适用于仅以预定的时间间隔接收信号的窗口方法，以使电路是干扰下安全的。如果干扰脉冲在该窗口之外发生，则被忽略。

电感器L1和L2为电流补偿扼流圈。它们用于分离直流信号和差分脉冲电压信号。在这样的情况下，线圈L1防止差分脉冲电压信号被测量发送器的电源短路。线圈L2防止差分脉冲电压信号进入到测量变送器3的电源中。

为了进一步减小干扰敏感性，信号导线4和5合并在电缆中特别是在双绞线中。在这样的情况下，导体由屏蔽6屏蔽以抵抗来自外部的干扰。实际上，电缆由两个TP对构成。第一对是用于供应电压30VDC/GND，并且第二对是用于从测量变送器到测量发送器的总线连接。第二对对于本发明不是必要的并且因此不作进一步的考虑。

来自外部的干扰一方面由屏蔽耗尽，并且另一方面，由低通滤波器R3/C5和R4/C6衰减。所谓的共模干扰由双绞线显著地衰减。差分EIA-485接收器RX1不受共模干扰的影响，因为它接收差分信号。

理论上，该电路能够被用于测量变送器和测量发送器之间的半双工信息的交换。同时，本发明的电路使得无抖动同步信号能够被传输，无需另一根信号线，因为无论如何，利用供电电缆，其中，供应电压的电平(此处为30伏)对同步信号没有影响，并且反过来，同步信号的编码对供应信号的传输没有影响。同步信号例如不必是无平均值的(mean value free)。重要的是，这在远程磁感应流量测量设备使得测量发送器和测量变送器分离数米(例如，至多300m)的情况下是有利的。

仅为解释的清晰性，这里，本发明的电路不是电源(或测量变送器)的一部分。因此，本发明电路的电路部件在电源处能够被集成到电源中，或集成到测量发送器中，和/或在测量变送器处的那些电路部件能够被集成到测量变送器中，使得在电源的输出端上，直流信号连同已调制的差分同步信号已经存在，并且相应地，该信号在测量变送器的输入端上被分接，在该输入端上，它然后内部地被解调并且进一 步被处理。

图2示出相对于时间的各信号。在电源的SYNC输出端上的信号在此处为具有1:1的脉冲暂停比率和在20ms的两个上升沿之间的间隔的矩形电压信号。这是来自顶部的第二波形并且具有上升沿，这些上升沿与来自顶部的第一波形的50Hz正弦电网信号的正过零同时。除了零，任意其它预选的阈值能够不被超过或被超过，以产生边沿。

第三和第四波形示出在电容器C1和C2处作为时间的函数的电压。脉冲与矩形电压信号的边沿同时，并且因此与电网信号的过零同步。在EIA-485发送器的输出端处未呈现波形，因为一个输出端上的波形对应于矩形电压信号的波形，并且另一个输出端上的波形仅仅对应于其反相。

附图标记列表

1电路

2电源

3测量变送器

4第一信号导线

5第二信号导线

6屏蔽

Claims (15)

1.一种用于磁感应流量测量设备的电网同步的方法，该磁感应流量测量设备具有测量变送器和电源，其中，用于为所述测量变送器供电的直流信号从所述电源经两根信号导线被传输至所述测量变送器，

所述方法的特征在于如下步骤：

在所述电源处产生差分同步信号以使流量测量与电网频率同步；

把所述差分同步信号经所述两根信号导线传输至所述测量变送器；

在所述测量变送器处把所述差分同步信号与所述直流信号分离；以及

处理所述差分同步信号以使所述流量测量与所述电网频率同步。

2.如权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述差分同步信号如下述产生：

产生矩形电压信号；以及

利用与所述矩形电压信号的边沿同时的脉冲来产生差分电压信号作为所述差分同步信号。

3.如权利要求2所述的方法，

其特征在于，

所述矩形电压信号以等于所述电网频率的频率产生。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，

其特征在于，

为了处理所述差分同步信号以使所述流量测量与所述电网频率同步，执行如下方法步骤：

利用低通滤波器滤波所述差分同步信号，所述低通滤波器被设置成使得从所述同步信号滤出那些具有高于预定阈值的频率的脉冲。

5.如权利要求2所述的方法，

其特征在于，

为了处理所述差分同步信号以使所述流量测量与所述电网频率同步，执行如下方法步骤：

利用与所述差分电压信号的脉冲同时的边沿来产生矩形电压信号。

6.一种用于磁感应流量测量设备的电网同步的电路，所述磁感应流量测量设备具有测量变送器、电源和用于把直流信号从所述电源传输至所述测量变送器以给所述测量变送器供电的两根信号导线，

其特征在于，

所述电路包括：用于在所述电源处产生差分同步信号以使流量测量与电网频率同步的装置，用于把所述差分同步信号在所述两根信号导线上传输至所述测量变送器的装置，用于在所述测量变送器处把所述差分同步信号与所述直流信号彼此分离的装置，和用于处理所述差分同步信号以使所述流量测量与所述电网频率同步的装置。

7.如权利要求6所述的电路，

其特征在于，

该电路包括用于产生差分电压信号作为具有等距且电网同步的脉冲的所述差分同步信号的装置。

8.如权利要求6或7中的任一项所述的电路，

其特征在于，

该电路包括用于产生等距且电网同步的矩形电压信号并且利用与所述矩形电压信号的边沿同时的脉冲来产生所述差分同步信号作为差分电压信号的装置。

9.如权利要求8所述的电路，

其特征在于，

用于利用脉冲而非所述矩形电压信号的边沿来产生所述差分电压信号的装置包括：EIA-485发送器；和在所述EIA-485发送器的输出端的每一个与所述信号导线中相应一根之间的电容器。

10.如权利要求9所述的电路，

其特征在于，

两个电容器具有100nF至100μF的电容。

11.如权利要求6所述的电路，

其特征在于，

为了处理所述差分同步信号以使所述流量测量与所述电网频率同步，在所述测量变送器处，该电路包括用于利用边沿而非差分电压信号的脉冲来产生矩形电压信号的装置。

12.如权利要求11所述的电路，

其特征在于，

为了产生所述矩形电压信号，该电路包括EIA-485接收器和在所述EIA-485接收器的输入端的每一个与所述信号导线中相应一根之间的电容器。

13.如权利要求11或12中的任一项所述的电路，

其特征在于，

为了产生所述矩形电压信号，该电路包括单稳态触发器。

14.如权利要求6所述的电路，

其特征在于，

该电路包括在所述信号导线的每端上用于把所述差分同步信号与所述直流信号分离的线圈。

15.如权利要求6所述的电路，

其特征在于，

双绞线被提供用于所述直流信号和所述同步信号的传输。