CN104180862B - 两线制流量计变送器、流量计及流量计系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种交流供电的两线制流量计变送器、流量计及流量计系统。所述两线制流量计变送器包括：处理器；供电接收单元，接收从交流供电电缆提供的交流电力作为流量计变送器的工作电源；以及载波通信单元，根据从用于控制或监测流量计变送器的控制端传输来的通信信号，将要传送的来自流量计的传感器信号提供给控制端，其中载波通信单元经由交流供电电缆接收通信信号，并将传感器信号经由交流供电电缆提供给所述控制端。

Description

两线制流量计变送器、流量计及流量计系统

技术领域

本公开涉及流量计的两线制方案。更具体地，涉及交流供电的两线制流量计变送器以及包括该流量计变送器的流量计和流量计系统。

背景技术

在流量计变送器设计领域，以往的流量计变送器通常采用四线制设计。四线制流量计变送器的供电和信号传输各自需要两根电缆线，这会在使用流量计变送器时造成用户的电缆成本过高。为解决这一问题，提出了利用两根信号线来在向流量计变送器传送信号的同时，利用这两根信号线向流量计变送器供电的两线制流量计变送器。

然而，现有的两线制流量计变送器是以哈特（Hart）通信为基础实现的。受Hart通信协议本身的制约，在流量计变送器通信回路上的电流幅度被限制在4～20mA。此外，Hart通信采用的供电电源通常为12～42V的直流电源.这对流量计变送器的功耗造成很大限制。这种限制使得两线制流量计变送器局限于小功率运转，而且不能完全发挥传感器及流量计变送器的功能，造成了流量计变送器性能的浪费。这样的功耗的限制使得两线制流量计变送器只能应用在较小尺寸上，且对运行环境要求比较高。

发明内容

在下文中给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本公开的目的在于提供一种交流供电的两线制流量计变送器、流量计以及流量计系统。该两线制流量计变送器可以节省用户的电缆成本，而且直接由交流电网供电并摆脱了Hart通信协议对功率消耗造成的制约而以较高的功率运转，因此使得能够实现功耗较高、测量范围更大的流量计及流量计系统，可扩展两线制流量计的应用环境。

根据本公开的一个方面，提供了一种两线制流量计变送器，其包括处理器；供电接收单元，接收从交流供电电缆提供的交流电力作为流量计变送器的工作电源；以及载波通信单元，根据从用于控制或监测流量计变送器的控制端传输来的通信信号，将要传送的来自流量计的传感器信号提供给控制端，其中所述载波通信单元经由所述交流供电电缆接收所述通信信号，并将所述传感器信号经由所述交流供电电缆提供给所述控制端。

根据本公开的另一方面，提供了一种流量计，包括传感器和如前所述的任一种流量计变送器。

根据本公开的又一方面，提供了一种流量计系统，包括控制端，所述控制端包括用于向流量计提供用于控制或监测所述流量计的通信信号并从所述流量计接收传感器信号的通信单元，以及如前所述的流量计。

根据本公开的两线制流量计变送器、流量计以及流量计系统由电网提供的交流电力供电，其供电电流不受Hart通信协议限定的4mA的限制，因而根据本公开的两线制流量计变送器不但能节省用户的电缆线成本，还能够有效提高流量计变送器消耗的功率，实现高功率运转的两线制流量计变送器，从而扩展流量计变送器的应用环境。

附图说明

参照下面结合附图对本公开实施例的说明，会更加容易地理解本公开的以上和其它目的、特点和优点。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本公开中并且形成本公开的一部分，而且用来进一步举例说明本公开的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是根据本公开实施例的两线制流量计变送器的工作原理框图；

图2是根据实施例的流量计变送器中的载波通信单元的构成的框图；

图3是根据实施例的流量计变送器的载波通信单元中的载波耦合部的示例示图；

图4是根据实施例的流量计变送器的载波通信单元中的放大部的示例示图；

图5是根据实施例的流量计变送器的载波通信单元中的功率控制部的示例示图；

图6是根据实施例的流量计变送器的载波通信单元中的滤波器的示例示图；以及

图7是根据本公开的流量计系统的工作原理框图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

流量计变送器的实施方式

如图1所示，根据本公开的实施方式的两线制流量计变送器包括处理器和供电接收单元，供电接收单元接收从交流供电电缆提供的交流电力作为两线制流量计变送器的工作电源，该两线制流量计变送器还包括载波通信单元，其根据从用于控制或监测流量计变送器的控制端传输来的通信信号把要传送的来自流量计的传感器信号提供给控制端，其中载波通信单元经由交流供电电缆接收通信信号，并将传感器信号经由交流供电电缆提供给控制端。此外，流量计变送器的处理器用于按照通信信号的要求对流量计的传感器执行控制。在本实施方式中，通信信号被加载到交流电力中，载波通信单元通过其调制解调部对所述传感器信号进行调制，并从交流电力中解调出通信信号。具体地说，由流量计变送器控制端提供的用于控制流量计变送器工作的通信信号被调制在用于供电的交流电力中，并且流量计变送器从交流电缆接收加载了经调制的通信信号的交流电力。其中，载波通信单元的调制解调部从接收的电力中解调出调制过的通信信号，对其进行解调并提供给处理器，通过处理器对传感器进行相应的控制。下文中将对此作详细说明。另外，供电接收单元将接收的交流电力作为工作电源提供给用于检测信号的传感器。可以根据使用的传感器的类型及其对供电的具体要求来选择合适的变压器或变流器作为供电接收单元。

另外，在本实施方式中采用的交流电力可以是来自通用电网的220V50Hz交流电、220V60Hz交流电、110V50Hz交流电和110V60Hz交流电中的任意一种。此外，对于电压在100V-120V之间或者在220V-240V之间而频率介于50Hz到60Hz之间的交流电力，根据本实施方式的两线制流量计变送器也同样适用。需要注意的是，所采用的交流电力不局限于上述的规范电网，只要使用的相应部件满足具体的应用要求，则交流电力也可以取自其它工业用或民用电网。

在本实施方式中，替代现有的基于Hart通信利用12～42V直流电源对两线制流量计变送器供电的方式，直接利用从电网提供的交流电力向两线制流量计变送器供电，消除了现有两线制流量计变送器中在供电电压上的限制。而且，由于不采用基于Hart通信协议的传输方式，因此对流量计变送器通信回路中的电流幅度也不存在限制（Hart通信协议本身将通信回路上的电流幅度限制在4～20mA）。由此根据本实施方式能够显著提高两线制流量计变送器的功耗，使两线制流量计变送器能够传送的传感器信号的量程展宽，因而能够扩展其应用范围。例如，可以将这样的流量计变送器应用于需要探测大量程信号的尺寸较大的流量计。

图2示出了根据本实施例的流量计变送器的载波通信单元的组成部分的框图。载波通信单元主要包括调制解调部、载波耦合部、放大部、功率控制部以及滤波器。其中，载波耦合部与交流电缆连接以接收来自交流电缆的通信信号或者把要发送的信号经由交流电缆提供给控制端。另外，调制解调部与用于控制传感器的处理器连接，将来自控制端的通信信号解调后提供给处理器，由处理器根据通信信号的要求对传感器执行相应的控制。此外，调制解调部还从处理器接收由传感器检测的传感器信号，对传感器信号进行调制处理并通过载波耦合部加载在交流电缆上提供给控制端。

调制解调部可以采用专门的载波通信芯片实现。在根据本实施方式的流量计变送器的载波通信单元中，采用内置集成电路I²C协议、通用异步收发传输UART协议和串行外围设备接口SPI协议中的一种来传输传感器信号和通信信号。然而传输信号所遵循的通信协议不局限于I²C协议、UART协议或SPI协议，可以根据实际需要采用任意满足应用要求的通信协议。具体地，当从载波耦合部接收到来自控制端的通信信号时，调制解调部首先对通信信号进行解调，之后将解调得到的通信信号按照相应的通信协议（如I²C协议、UART协议或SPI协议）提供给处理器，并由处理器按照通信信号的要求对传感器执行控制。另一方面，当接收到来自传感器的传感器信号时，处理器也按照相应的协议把传感器信号提供给调制解调部，在调制解调部对传感器信号进行调制后由载波耦合部将信号加载在交流电缆上提供给流量计变送器的控制端。

设置调制解调部的原因在于，由于从处理器接收的数字信号，即基带信号通常包含直流分量和频率较低的低频分量而不适于信道传输，因此在传输前需要将其转换（即调制）为较高频段的信号。在利用交流电缆进行传输的两线制流量计变送器领域的具体应用当中，要传输的信号通常被调制为几十k至几百k的高频信号。此外，可以采用多种方式实现信号的调制。常用的调制方式有频移键控方式、相移键控方式、直流序列扩频通信方式以及正交频分复用方式等。同样，当接收到从交流电缆传输来的经调制的通信信号时，也由调制解调部按照相应的调制方式对信号进行解调以便于由处理器执行处理。可以根据具体的专用载波通信芯片类型为调制解调部选择适当的调制和解调方式。

另外需要说明的是，用以实现调制解调部的专用载波通信芯片有多种。可以根据具体的应用要求选择适当的芯片。例如可以采用诸如青岛东软公司的PLCI36-III-E型载波芯片或者福星晓程公司生产的PL3106型载波芯片。此外可能的选择还包括NationalSemiconductor公司型号为LM1893的载波芯片、ST公司的型号为ST7538的载波芯片、Intellon公司的型号为SSCP300的载波芯片和Echelon公司的PLT22型载波芯片等。

在下文中结合附图3～6对载波通信单元的组成作进一步的具体说明。图3示出根据本实施方式的载波通信单元的载波耦合部的一个具体示例。载波耦合部用于将经调制的传感器信号加载到交流供电电缆上，以及从交流供电电缆接收来自控制端的经调制的通信信号。在图3中，以交流供电线缆提供220V，50Hz的交流电力为例进行说明。在变压器T3的左侧，利用电容C30滤除50Hz交流信号并通过压敏电阻R31抑制诸如浪涌和尖峰之类的瞬时电压冲击。隔离变压器T3使电力线和载波通信单元安全隔离。在变压器T3右侧设置有过压保护二极管D3，用于防止产生过高电压对后续电路造成损坏。此外，在变压器T3右端包括由电容C31、电感L31构成的选频支路，以及由电阻R32、电容C32和电感L32构成的滤波支路。选频支路用作经调制的传感器信号的输入端，从输入其中的信号中选出调制后的传感器信号频率，从而将调制的传感器信号从变压器T3经由交流供电线缆传输至控制端。另一方面滤波支路接收从交流供电线缆传输来的经过调制的通信信号，对其进行限幅并滤除所接收信号中的毛刺、尖峰和噪声等。

图4示出根据本实施方式的载波通信单元的放大部的一个具体示例。由于经调制后的传感器信号的幅度可能偏小而不足以补偿远距离传输情况下的信号衰减，因此设置放大部以对由调制解调部调制的传感器信号进行放大，从而使经调制的传感器信号能够被远距离传输。在本实施方式中，在将调制的信号提供至载波耦合部之前，采用图4所示的放大电路对调制信号进行放大。该放大电路由N沟道晶体管T41和P沟道晶体管T42构成。如图4所示，当输入调制信号为高电平时通过在N沟道晶体管T41栅极施加高电压使晶体管导通，产生从载波耦合部向接地侧的电压降从而形成放大的低电平输出。当输入调制信号为低电平时，调制信号经隔直电容C4耦接至P沟道晶体管T42的栅极，产生从Vsource向载波耦合部一侧的电压降以形成放大的高电平输出。该放大电路还在Vsource一侧设置有稳压二极管D4以防止晶体管T42的源极发生过压现象。另外，在放大部的输出侧还设置有保护电阻R41和R42。当两个晶体管T41和T42在切换过程中同时打开时，会产生瞬时的尖峰电流，电阻R41和R42的作用在于削弱这种尖峰电流以提高电路的可靠性。

需要指出的是，尽管上述的放大部中采用互补的场效应晶体管作为功放器件构成放大电路，然而功放器件的类型并不局限于互补场效应晶体管，还可以根据实际需要采用其它类型的器件，例如采用双极结型晶体管或集成的运算放大器来构成放大部。

通过采用放大电路，能够有效提高经调制信号的幅度以使其满足远距离传输的要求，因而不会产生由于远距离传输导致信号过度衰减而造成误差的情况。

图4的放大部中采用的电压源Vsource理想地为恒压源。然而，当输入的调制信号的幅度较大时，可能因从晶体管T42的源极侧流向漏极侧的电流过大而使得Vsource的输出电压被拉低，导致整个电路无法正常工作。为此，在根据本实施方式的载波通信单元中还设置有如图5所示的功率控制部，其用于对由所述放大部放大的信号的功率大小进行控制。即该功率控制部防止Vsource被拉低至过低的电压而不能正常工作。图5示出的功率控制部采用如下方式稳定电源Vsource的功率：当流过Vsource的电流增大时，流过晶体管Q5基极的电流增加，电阻R52的分压增大，Q5发射极两侧的电压降（直流电源与晶体管Q5的基极间的压降）变小，从而抑制流过Vsource的电流增大并防止Vsource电压被进一步拉低。另外，还可以通过调整电阻R52的阻值来控制输出电流，因此起到既限压又限流的作用。此外，图5的功率控制部中设置的大容量电解电容C52也具有防止供电电压Vsource由于负载的变化而产生变化的作用。另外，与电解电容C52并联的电容C51用于滤除高频和脉冲干扰。

需要指出的是，本公开所能应用的功率控制电路并不局限于图5所示的情形。只要能够实现具体应用所需的功能，则可以采用任意类型的稳压/稳流电路作为功率控制部。

通过采用功率控制电路，能够有效地稳定晶体管T42的源电压从而避免该源电压被过度拉低造成整个电路无法正常工作。例如，在采用青岛东软公司的PLCI36-III-E型载波芯片构成载波通信单元的情况下，图5所示的功率控制电路能够防止15V电压源Vsource不被下拉至低于6.5V从而维持整个系统的正常工作。该功率控制电路的另一优点还在于能够很好地确保系统在较低源电压的情况下的正常运转。

另外需要指出的是，根据本公开的实施方式的两线制流量计变送器不采用以往基于Hart通信协议的信号通讯方式，而是借助载波通信单元对待传输信号进行调制放大并经由交流供电线缆传输经调制的信号，并经由载波通信单元从交流电缆线接收经调制的信号，因此对于根据本公开的两线制流量计变送器而言对通信回路的功耗没有特别限制，从而能够方便地利用放大部以及功率控制部等部件调整传输信号的功率，因此非常有利于实现大尺寸的、应用范围更加广泛的流量计变送器产品。

图6示出根据本实施方式的载波通信单元的滤波器的示例示图。滤波器用于对载波耦合部接收的信号进行滤波。在图6中，由电容C61、C62、电感L61和二极管D61和D62构成的滤波器的输入端连接至载波耦合部的滤波支路（包括电阻R32、电容C32和电感L32），其输出侧经由电容C61耦接至调制解调部。具体地，载波耦合部接收的经调制的通信信号在经由滤波支路限幅、滤波之后，其输出由C61和L61构成选频电路提取出与调制频率相对应的频率分量，并将提取出的调制分量供给至调制解调部进行解调。另外，在该滤波电路中，由二极管D61和D62构成过压保护电路以防止在选频电路后端的电路上产生过高电压导致电路损坏。

另外需要提及的是，在将上述选频电路提取的频率分量提供给调制解调部之前，可以利用预解调部件预先对该频率分量进行更为细致的滤波解调处理，以使得待解调的频率分量的诸如幅度、频谱和带宽等参量完全符合调制解调部的输入要求，从而可以更加精确地实现通信信号的解调。对提取的频率分量进行预解调的部件可以是例如，低功耗窄带FM中频模拟解调集成电路。

流量计系统

图7示出了根据本公开的两线制流量计系统的工作原理框图。该系统的流量计包括传感器和如前所述的两线制流量计变送器。该流量计系统还包括用于控制流量计的控制端，所述控制端包括用于向流量计提供用于控制或监测所述流量计的通信信号并从所述流量计接收传感器信号的通信单元。如图7所示，当从控制端发出对流量计执行控制或监测的指令时，控制端的通信单元对用于进行控制或监测的通信信号进行调制，将其加载到交流交流电力上，通过交流电缆线提供给流量计。流量计的流量计变送器一方面将交流电力提供给流量计的传感器，另一方面借助载波通信单元，按照如在本实施方式中详细说明的那样，从交流电力中提取出经调制的通信信号，对其进行解调并提供给流量计变送器的处理器。流量计变送器的处理器根据通信信号的指令对传感器进行相应控制或监测，并由传感器获取流速、温度等检测量。

另外，当要将检测到的传感器信号传送给控制端时，由流量计变送器的处理器将传感器信号提供给流量计变送器的载波通信单元。由流量计变送器的载波通信单元对传感器信号进行调制并放大，并借助载波耦合部件将经调制的传感器信号加载到交流供电线缆上提供给控制端的通信单元。通信单元通过交流供电电缆接收经调制的传感器信号，并对其进行解调以获取所述传感器信号。

如上所述，在根据本公开的流量计系统中，直接利用来自电网的交流电力向流量计变送器供电，并且通信信号和传感器信号的传输无需按现有的流量计那样遵循Hart通信协议，而是利用载波通信单元，借助交流电缆线实现通信信号的解调接收和传感器信号的调制加载输出。本公开的流量计系统的通信回路上的电流幅度没有特别限制，并且由于直接利用来自电网的交流电力作为工作电源，因而特别适合实现能够以高功率运转的大尺寸、大量程的流量计系统。

虽然已经结合附图详细说明了本发明的实施方式及其优点，但是应当理解，上面所描述的实施方式只是用于说明本发明，而并不构成对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说，可以对上述实施方式作出各种修改和变更而不背离本发明的实质和范围。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求及其等效含义来限定，在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。

Claims (12)

1.一种两线制流量计变送器，包括：

处理器；

供电接收单元，接收从电网的交流供电电缆提供的交流电力作为流量计变送器的工作电源；以及

载波通信单元，根据从用于控制或监测所述流量计变送器的控制端传输来的通信信号，将要传送的来自流量计的传感器信号提供给所述控制端，其中，所述载波通信单元经由所述交流供电电缆接收所述通信信号，并将所述传感器信号经由所述交流供电电缆提供给所述控制端；

其中，所述载波通信单元包括载波耦合部，所述载波通信单元经由所述载波耦合部和所述交流供电电缆连接，所述载波耦合部包括变压器和压敏电阻，并且所述压敏电阻和所述变压器的初级线圈并联连接。

2.根据权利要求1所述的流量计变送器，其中，所述通信信号被调制在所述交流电力中，所述载波通信单元包括调制解调部，所述调制解调部用于对所述传感器信号进行调制，并从所述交流电力中解调出所述通信信号。

3.根据权利要求2所述的流量计变送器，其中，所述载波通信单元包括放大部，所述放大部对调制后的所述传感器信号进行放大。

4.根据权利要求2所述的流量计变送器，其中，所述载波耦合部将经调制的所述传感器信号加载到所述交流供电电缆上，以及从所述交流供电电缆接收来自所述控制端的经调制的所述通信信号。

5.根据权利要求3所述的流量计变送器，其中，所述载波通信单元还包括功率控制部，用于对由所述放大部放大的信号的功率大小进行控制。

6.根据权利要求4所述的流量计变送器，其中，所述载波通信单元还包括滤波器，用于对所述载波耦合部接收的信号进行滤波。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的流量计变送器，其中，所述交流电力为电压在100V到120V之间或在220V到240V之间而频率介于50Hz到60Hz之间的交流电中的任意一种。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的流量计变送器，其中，所述载波通信单元采用内置集成电路I²C协议、通用异步收发传输UART协议和串行外围设备接口SPI协议中的一种来传输所述传感器信号和所述通信信号。

9.一种流量计，包括传感器和根据权利要求1至8中任意一项所述的流量计变送器。

10.一种流量计系统，其特征在于包括：

控制端，其包括用于向流量计提供用于控制或监测所述流量计的通信信号并从所述流量计接收传感器信号的通信单元；以及

至少一个如权利要求9所述的流量计。

11.根据权利要求10所述的流量计系统，其中，所述通信单元对所述通信信号进行调制，将经调制的所述通信信号加载到交流供电电缆上提供给所述流量计。

12.根据权利要求11所述的流量计系统，其中，所述通信单元通过所述交流供电电缆接收经调制的传感器信号，并对其进行解调以获取所述传感器信号。