CN104378096A

CN104378096A - 提供输出电压和输出电流的仪器功率控制器和方法

Info

Publication number: CN104378096A
Application number: CN201410457152.4A
Authority: CN
Inventors: W.M.曼斯菲尔德
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: HK1207486A1; CN104378096B

Abstract

本申请涉及用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率的输出电压和输出电流的仪器功率控制器和方法，其中控制器包括用于接收输入功率PI的输入、用于将基本上恒定的输出功率PO提供给可变阻抗负载L的输出以及用于接收负载电压VL的通信路径。所述仪器功率控制器被配置为确定输入电压VI和输入电流II，确定负载L的有效电阻RL并且根据输入电压VI、输入电流II和有效电阻RL来设置输出电压VO和输出电流IO。所述输出电压VO基本上与输入电压VI无关。所述输出电压VO和输出电流IO发生改变以便在保持基本上恒定的电输出功率PO的同时使负载功率PL最大化。

Description

提供输出电压和输出电流的仪器功率控制器和方法

技术领域

本发明涉及一种仪器功率控制器和方法，并且更特别地涉及一种用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的仪器功率控制器和方法。

背景技术

流量计被用于测量流动材料的质量流速、密度和其它特性。流动材料可以包括液体、气体、组合的液体和气体、悬浮于液体中的固体、包含气体以及悬浮固体的液体等。流量计可以被用于测量流速（即通过测量穿过流量计的质量流），并且可以进一步被用于确定流量流（flow stream）中成分的相应比例。

在许多过程控制或者工业自动化设置中，总线回路或者仪表总线（instrumentation bus）被用来连接到各种类型的装置，诸如流量计。总线回路一般被用于将电能输送给各种附接的仪器或装置。另外，总线回路还一般被用于与传感器或装置来回通信数据。因此，总线回路被连接到主装置，其可以通过总线提供调整的电压并且可以通过总线交换通信。主装置可以将命令和/或程序设计、数据、校准和其它设置等发送给各种连接装置。主装置还可以从连接装置接收数据，包括标识数据、校准数据、测量数据、操作数据等。

主装置可以进一步包括连接到电功率源的电源（power supply）。主装置通常通过限制电流、限制电压并且限制功率的总线回路提供电功率。

在对振动流量计诸如比重计或科里奥利（Coriolis）流量计）进行正常操作期间，电流消耗和电压需求相对稳定。然而，当流量计开始被通电时，计流管（meter flow tube）的振动在频率和幅度方面逐渐增加。由于流管的构造和材料并且由于流管中流动材料增加的质量，流管不能立刻提高到目标振动幅度。由此，启动阶段将需要高于正常操作所需要的电流。因此，启动时的电流汲取高于正常操作期间的电流汲取。

总线回路可以包括例如4-20毫安（mA）总线回路。4-20mA总线是双线仪表总线标准，其通常被用于连接到单个仪器并且还能够被用于提供仪器与主装置之间的通信。可替换地，总线回路可以包括其它的总线协议或标准。

根据本质安全保护方法的需求，由主装置/电源输送的电功率出于安全目的被严格限制。例如，4-20mA总线协议可以被限制为20mA的电流并且可以进一步被限制为16-32伏（V）。总线上装置可用的电功率因此受到限制。

在一些操作环境中，流管启动可能是有问题的。启动时功率限制的一种结果是流管启动时间被大大延长，因为过电流不能被用于推进流管或多个流管的振动幅度。

发明内容

根据本发明实施例提供一种用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的仪器功率控制器。所述仪器功率控制器包括用于接收输入功率P_I的输入、用于将基本上恒定的输出功率P_O提供给可变阻抗负载L的输出、以及用于从负载L接收负载电压V_L的通信路径。所述仪器功率控制器被配置为确定输入电压V_I和输入电流I_I，确定负载L的有效电阻R_L并且根据输入电压V_I、输入电流I_I和有效电阻R_L来设置输出电压V_O和输出电流I_O。所述输出电压V_O基本上与输入电压V_I无关。所述输出电压V_O和输出电流I_O发生改变以便使传输给可变阻抗负载L的负载功率P_L最大化而同时保持基本上恒定的电输出功率P_O。

根据本发明提供一种用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的电功率控制方法。所述方法包括确定输入电压V_I和输入电流I_I，和确定可变阻抗负载L的有效电阻R_L。所述方法进一步包括根据输入电压V_I、输入电流I_I和有效电阻R_L来设置输出电压V_O和输出电流I_O。所述输出电压V_O基本上与输入电压V_I无关。所述输出电压V_O和输出电流I_O发生改变以便使传输给可变阻抗负载L的负载功率P_L最大化而同时保持基本上恒定的电输出功率P_O。

根据本发明提供一种用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的电功率控制方法。所述方法包括确定输入电压V_I和输入电流I_I，和确定可变阻抗负载L的有效电阻R_L。所述方法进一步包括确定所述有效电阻R_L是否在预先确定的正常操作范围内。所述方法进一步包括，如果所述有效电阻R_L不在预先确定的正常操作范围内，则根据输入电压V_I、输入电流I_I和有效电阻R_L来设置输出电压V_O和输出电流I_O。所述输出电压V_O基本上与输入电压V_I无关。所述输出电压V_O和输出电流I_O发生改变以便使传输给可变阻抗负载L的负载功率P_L最大化而同时保持基本上恒定的电输出功率P_O。

在所述仪器功率控制器的一个方面，所述输入电压V_I包括基本上固定的输入电压V_I。

在所述仪器功率控制器的另一方面，所述有效电阻R_L包括R_L=C₁V_L。

在所述仪器功率控制器的又一方面，所述输出电压V_O包括。

在所述仪器功率控制器的又一方面，所述输入电压V_I和输入电流I_I遵守总线回路标准。

在所述仪器功率控制器的又一方面，所述输入电压V_I和输入电流I_I遵守本质安全（IS）标准。

在所述仪器功率控制器的又一方面，所述负载L包括振动流量计，并且所述负载电压V_L与振动流量计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

在所述仪器功率控制器的又一方面，所述负载L包括科里奥利流量计，并且所述负载电压V_L与科里奥利流量计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

在所述仪器功率控制器的又一方面，所述负载L包括振动比重计，并且所述负载电压V_L与振动比重计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

在所述仪器功率控制器的又一方面，所述仪器功率控制器被进一步配置为确定所述有效电阻R_L是否在预先确定的正常操作范围内，并且如果所述有效电阻R_L不在预先确定的正常操作范围内，则根据输入电压V_I、输入电流I_I和有效电阻R_L来设置输出电压V_O和输出电流I_O。

在所述仪器功率控制器的又一方面，所述仪器功率控制器进一步包括被配置为设置输出电压V_O的电压供应器和被配置为设置输出电流I_O的电流供应器。

在所述仪器功率控制器的又一方面，所述仪器功率控制器进一步包括被配置为设置输出电压V_O的驱动电压转换器；被配置为提供输出电流I_O的驱动电流源；以及被耦合到驱动电压转换器、负载L和回路电流控制的控制，其中所述控制被配置为控制驱动电压转换器和驱动电流源以在设定输出电压V_O和输出电流I_O二者的时候生成基本上恒定的输出功率P_O。

在所述方法的一个方面，所述输入电压V_I包括基本上固定的输入电压V_I。

在所述方法的另一方面，所述有效电阻R_L包括R_L=C₁V_L。

在所述方法的又一方面，所述输出电压V_O包括。

在所述方法的又一方面，所述输入电压V_I和输入电流I_I遵守总线回路标准。

在所述方法的又一方面，所述输入电压V_I和输入电流I_I遵守本质安全（IS）标准。

在所述方法的又一方面，所述负载L包括振动流量计，并且所述负载电压V_L与振动流量计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

在所述方法的又一方面，所述负载L包括科里奥利流量计，并且所述负载电压V_L与科里奥利流量计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

在所述方法的又一方面，所述负载L包括振动比重计，并且所述负载电压V_L与振动比重计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

在所述方法的又一方面，所述方法进一步包括确定所述有效电阻R_L是否在预先确定的正常操作范围内，并且如果所述有效电阻R_L不在预先确定的正常操作范围内，则根据输入电压V_I、输入电流I_I和有效电阻R_L来设置输出电压V_O和输出电流I_O。

附图说明

图1示出包括流量计组件和计电子部件（meter electronics）的流量计。

图2示出根据本发明实施例的总线系统。

图3示出根据本发明实施例的仪器功率控制器。

图4是驱动器线圈的电压绝对值V_emf、负载电压V_L（其中V_L包括V_emf加上由于负载/驱动器的电阻RL的电压）和输出电流I_O的图表。

图5是根据本发明实施例用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的方法的流程图。

图6是根据本发明实施例用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的方法的流程图。

图7示出根据本发明实施例的仪器功率控制器。

具体实施方式

图1-7和下述描述描写了特定示例以教导本领域技术人员如何制作和使用本发明的最佳模式。出于教导本发明原理的目的，简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员将能够理解根据这些示例的落入本发明范围内的变形方式。本领域技术人员将能够理解，可以以各种方式对下述特征进行组合以形成本发明的多种变形方式。因此，本发明不限于下述特定示例，而只由权利要求及其等同物来限定。

图1示出包括流量计组件10和计电子部件20的流量计5。计电子部件20经由引线100被连接到计组件10，并且被配置为通过通信路径26提供密度、质量流速、体积流速、总质量流量、温度和其它信息中的一个或多个的测量。对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以被用在任意类型的科里奥利流量计中而不管驱动器、传感器（pick-off sensor）、流管道的数量或者振动的操作模式。另外，应该认识到，流量计5可以替换地包括振动比重计。

流量计组件10包括一对凸缘101和101’、歧管102和102’、驱动器104、传感器105-105’以及流管道103A和103B。将驱动器104和传感器105和105’连接到流管道103A和103B。

凸缘101和101’被固定到歧管102和102’。歧管102和102’可以被固定到间隔物（spacer）106的相对段。间隔物106保持歧管102和102’之间的间距，以便防止流管道103A和103B中的非期望振动。当流量计组件10被插入到承载所测量的流动材料的管道系统（未示出）中时，流动材料穿过凸缘101进入流量计组件10，通过全部流动材料被引导进入流管道103A和103B的入口歧管102，流过流管道103A和103B，并且回到出口歧管102’中，在该歧管102’处，流动材料穿过凸缘101’离开计组件10。

流管道103A和103B被选择并且被适当地安装到入口歧管102和安装到出口歧管102’，以便具有基本上相同的质量分布、惯性矩以及分别关于弯曲轴W-W和W’-W’的弹性模数。流管道103A和103B从歧管102 和102’以大体上平行的方式向外延伸。

流管道103A和103B由驱动器104以关于相应弯曲轴W和W’的相对方向并且以被称为流量计5的第一异相（out of phase）弯曲模式来驱动。驱动器104可包括许多公知布置之一，诸如安装到流管道103A的磁体和安装到流管道103B的反作用线圈。交流电通过所述反作用线圈以使得这两个管道振荡。合适的驱动信号被计电子部件20经由引线110应用于驱动器104。

计电子部件20分别接收引线111和111’上的传感器信号。计电子部件20在引线110上产生驱动信号，这引起驱动器104对流管道103A和103B进行振荡。计电子部件20对来自传感器105和105’的左侧和右侧的速度信号进行处理，以便计算质量流速。通信路径26提供允许计电子部件20与操作者（operator）或者与其它电子系统进行连接的输入和输出方式。图1的说明只被提供为操作科里奥利流量计的示例，并且不旨在限制本发明的教导。

图2示出根据本发明实施例的总线系统200。总线系统200包括连接到总线回路112的回路电源110。流量计环境100可以进一步包括耦合到总线回路112的仪器功率控制器120。在一些实施例中，仪器功率控制器120自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O。输出功率P_O可以被提供到可变阻抗负载L，诸如振动流量计5或者其它的总线仪器5。

回路电源110可以具有固定或受限的电压输出以及固定或受限的电流输出。在IS电源中，所提供的电功率（尤其包括所提供的电流）受到限制以便在危险环境中使用时防止燃烧或爆炸。在一些实施例中，回路电源110包括本质安全（IS）电源。因此，回路电源110可以遵守专门的安全标准。

连接到总线回路112的各种装置可以将数据发送给回路电源110并且以其它方式与回路电源110通信。例如在回路电源110位于IS隔离装置（barrier）后面的情况下，回路电源110可以将数据和通信中继给其它装置，包括监控和/或记录设备、用于与其它装置通信的发射器、操作者显示器等。

总线回路112可以接收一个或多个总线仪器5并且可以将电功率提供给一个或多个总线仪器5。总线回路112可以传输回路电源110与一个或多个总线仪器5之间的通信。总线回路112可以包括多装置总线（诸如基金会现场总线）以及单个装置回路（诸如4-20mA总线）。

仪器功率控制器120包括输入121和输出122。仪器功率控制器120在输入121处经由总线回路112接收来自回路电源110的电功率。仪器功率控制器120将电功率提供给在输出122处的一个或多个连接的总线仪器5并且另外可以传输连接的总线仪器5与回路电源110之间的通信。仪器功率控制器120将基本上恒定的电功率提供给一个或多个连接的总线仪器5。

在所示出的实施例中，连接的总线仪器5包括耦合到仪器功率控制器120的振动流量计。总线仪器5可以包括如上所述的计组件10和计电子部件20。然而，应该理解，可以将其它总线仪器5连接到仪器功率控制器120。

仪器功率控制器120包括通信路径126。仪器功率控制器120通过总线回路112与回路电源110交换通信。另外，通信路径126交换总线仪器5与仪器功率控制器120之间的通信。因此，仪器功率控制器120可以中继回路电源110与总线仪器5之间的通信。另外，仪器功率控制器120可以对通信进行翻译/转换。例如，如果计电子部件20生成数字通信信号，则仪器功率控制器120可以将该数字测量信号转换为适于回路电流I_L的模拟电流电平。

根据一些协议，通过总线回路112的通信要求改变流过总线回路112的回路电流I_L。根据至少一个仪表总线协议，当总线仪器5正在操作并因此构建模拟测量信号时，回路电流I_L在4毫安（mA）与20mA之间发生改变。计电子部件20将通过发送给仪器功率控制器120的信号并且根据测量到的通过计组件10的流动材料的质量流速来控制回路电流I_L。根据相关的仪表总线协议，当没有流通过计组件10时，或者在总线仪器5不在操作模式的情况下，回路电流I_L可以被维持在小于4mA。

然而，服从IS的总线协议限制可以被输送给总线仪器5（诸如流量计5）的总功率。总线仪器5不能接收多于可通过总线回路112获得的功率（P）。电功率（P）被定义为电压（V）乘以电流（I），或者：

P＝V*I （1）

振动流量计（诸如科里奥利流量计和振动比重计)通过将电流应用于安装到一个管上的驱动器线圈来振荡，由此创建驱动相对管上的磁体的磁场。线圈与磁体之间的力（F）与磁体的磁场强度（B）、线圈中的电流（i）以及线圈的长度（L）成比例，如在如下等式中所表达的那样：

F＝BiL （2）

随着管的幅度增加,在线圈中生成电压（例如EMF）。该电压与流管振动的幅度成比例。为了保持特定的驱动幅度，驱动电压必须至少与同该幅度相关联的线圈EMF电压一样大。然而，实际上驱动电压必须大于线圈EMF以克服由于线圈的串联电阻所引起的电压降。

由计组件10所消耗的平均功率是线圈驱动电流乘以线圈驱动EMF的乘积。科里奥利流量计通常被设计为产生2V到5V范围内的驱动器线圈EMF电压并且在目标振动幅度处消耗1到10mA的驱动电流。相反，用于流量计的典型发射器被设计为在高达100mA的情况下向驱动器104供应10V。过驱动电压允许最大传感器EMF电压加上开销（overhead）以适应串联电阻。当不利的过程流动条件消耗额外的驱动功率时，诸如在出现夹带空气期间，过驱动电流为系统提供额外的能量。过驱动电流还用于在启动时克服计组件10的惯性，允许比较迅速地、可能例如在1到2秒内达到目标幅度。

在IS总线环境中可获得的受限电压和电流对振动流量计提出了若干问题。由回路供电的总线装置中的固有功率限制约束最大驱动电流，这减小了在不利的流动条件下保持目标振动幅度的能力。因此，可能不能够在不利的流动条件下满意地保持流管的振动。例如，在流动材料中存在夹带空气的情况下，流管将自然地以较高频率振动。夹带空气可以包括例如气泡、层状流或者节涌流（slug flow）。在发生节涌流期间，振动频率可能需要迅速地波动。

IS总线环境中的另一显著问题是在启动期间向计组件10提供电功率。计组件10从静止到基本上共振频率的振动花费时间和电流来完成。用于流管道或多个流管道的振动的启动时间在电流能力降低期间有所增加。在启动时，受到约束的驱动电流不可避免地延长需要达到目标幅度的时间，根据流管大小和其它因素，该时间在标准拓扑中可以长达4分钟。因此，在电流由于IS考虑而受到限制的情况下，用于流量计组件的启动时间可以大为增加。对于大多数流量计客户来说，不期望或者甚至不能接受大为延长的计启动时间。

在流量计启动期间，输出电压V_O可以被保持为只稍微超过来自负载（即总线仪器5）的响应电压电平。因此，输出电流I_O可以在流量计启动开始时为最大值，因为较低的输出电压V_O使得仪器功率控制器120能够产生较高的输出电流I_O。随着计组件10的振动幅度增加，输出电压V_O可以有所增加而输出电流I_O可以有所降低。

在现有技术中，这些缺点已导致应用于驱动器的功率比可获得的功率小得多。典型的现有技术方法是仅仅限制输出到总线仪器5的输出电流I_O而不限制输出电压V_O。然而，输出电压V_O可能比必要的输出电压高得多，在计组件10低于目标振动幅度的情况下尤其如此。因此，所应用的功率比可获得的功率低得多，在高电流需求的期间尤其如此。

根据本发明的仪器功率控制器120为连接的总线仪器5提供基本上恒定的输出功率P_O。仪器功率控制器120改变供应电压和供应电流二者。在一些实施例中，仪器功率控制器120通过减少输出电压V_O来增加输出电流I_O。因此，仪器功率控制器120使供应给连接的总线仪器5的电输出功率P_O最优化。例如，仪器功率控制器120可以将输出电压V_O保持为只稍微高于振动响应幅度。较低的输出电压V_O使得仪器功率控制器120能够提供较高的输出电流I_O。由此，虽然保持基本上恒定的输出功率P_O，但是仪器功率控制器120可以减少流量计启动时间并且可以增加流量计适应变化的流动条件（包括多相流动条件）的能力。

在一些实施例中，输出电压V_O和输出电流I_O可以在固定的离散等级之间改变。可替换地，输出电压V_O和输出电流I_O可以连续地改变。

仪器功率控制器120被描写为独立构件。然而，应该理解，仪器功率控制器120可以替换地包括连接的总线仪器5的构件或部分，诸如计电子部件20的集成部分。

图3示出根据本发明实施例的仪器功率控制器120。在一些实施例中，仪器功率控制器120自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O。输出功率P_O可以被提供给可变阻抗负载L，诸如振动流量计5或其它的总线仪器5。

在所示出的实施例中，仪器功率控制器120包括电压控制器310和电流控制器320。电压控制器310可以改变输出电压V_O。电流控制器320可以改变输出电流I_O。通信线路126（未示出）可以被耦合到电压控制器310和电流控制器320之一或两者。通信线路126可以将响应电压电平通信给电压控制器310和电流控制器320。另外，通信线路126可以将其它信息通信给电压控制器310和电流控制器320。

电压控制器310和电流控制器320两者被连接到通信线路126。由此，电压控制器310和电流控制器320可以按需求改变输出电压V_O和输出电流I_O。可替换地，该实施例的仪器功率控制器120可以包括控制电压控制器310和电流控制器320的处理装置或控制（未示出）以改变输出电压V_O和输出电流I_O。

电压控制器310可以按需要输出改变过的输出电压V_O。输出电压V_O可以小于或大于输入电压V_I。由此，在一些实施例中，电压控制器310包括可以使输出电压V_O增加到大于输入电压V_I的DC－DC转换器。该DC－DC转换器还被不同地称为电压或充电泵、降压转换器等。

电流控制器320可以按需要调节并输出改变过的输出电流I_O。在一些实施例中电流控制器320可以包括可变电阻R_V。电流控制器320将生成电压降V_电流。负载L可以包括任何形式的可变阻抗装置。例如，负载L可以包括流量计5，其包括振动流量计5。例如，负载L可以包括科里奥利流量计5或振动比重计5。负载L将生成负载电压V_L。输出电压V_O包括电流控制电压V_电流加上负载电压V_L。类似地，输出功率P_O包括负载功率P_L加上电流控制功率P_CC。

图4是驱动器线圈的电压绝对值V_emf、负载电压V_L（其中V_L包括V_emf加上由于负载/驱动器的电阻R_L而产生的电压）以及输出电流I_O的图表。在负载L包括振动流量计5的情况下，负载电压V_L可以被作为传感（pickoff）电压V_PO获取。该图表示出了在流量计组件10的振动启动期间作为负载的振动流量计的变化性质。

在负载L包括振动流量计5的情况下，负载L的阻抗在流量计5被启动时将会是最小的（即，在流量计组件10不振动或者以比较小的幅度振动）。相反地，随着流量计组件10接近或者达到目标振动幅度，阻抗增加，并且由此保持振动所需的电流将降低。因此，在流量计5启动时或者当不利的流动条件发生时将需要较大的电流电平。例如，在夹带空气或者节涌流处于高水平的情况下，流量计组件10的振动将被严重减弱并且振动幅度可能急剧下降。因此，在正常操作期间，可能存在如下时间段：即电流需求大为增加并且输出电流可能需要被相应地增加以便继续或保持适当的振动水平。

相反地，在流量计组件10中启动振动或者继续适当的振动水平所需的电压比较低。随着流量计组件10接近目标振动幅度并且随着驱动器线圈需求更大的电压电平，输出电压需求将增加以便改变方向、但仍保持驱动频率。

图5是根据本发明实施例用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的方法的流程图500。在步骤501，确定输入电压V_I和输入电流I_I。输入电压V_I和输入电流I_I可以例如从总线回路112获取。输入电压V_I和输入电流I_I构成可使用的输入功率P_I。

在一些实施例中，总线回路112包括本质安全（IS）总线回路。由此，可从总线回路112获得的输入功率P_I通常受到限制，并且输出电流I_O不一定按需要增加，至少不能在输出电压V_O没有降低的情况下增加。

在步骤502，确定可变阻抗负载L的有效电阻R_L。C₁项包括转换因子，而负载电压V_L在一些实施例中包括振动流量计的传感器的传感电压。在一些实施例中，有效电阻R_L包括：

R_L=C₁V_L （3）

有效电阻R_L可以随时间改变。如前面所述，例如在负载L包括振动流量计的情况下，阻抗可以根据流量计组件的振动而改变。该振动可以在启动期间改变并且还可以在不利的或不正常的流动条件期间改变，该不利的或不正常的流动条件诸如是液体流中的气体（包括以气泡、层状流、节涌流等形式）或者其它多相流、流动材料密度方面的变化等。因此，确定的有效电阻R_L可以包括基本上瞬时的阻抗或者可以包括至少部分平均的阻抗。

在步骤503，设置输出电压V_O和输出电流I_O。假设效率为100%，即在仪器功率控制器120中没有损失，则输出功率P_O将等于输入功率P_I，其中功率P=V*I。因此，可以根据下面的公式来确定输出电压V_O：

（4）

应该理解，输出功率P_O并不真的等于输入功率P_I，因为一些电功率将被仪器功率控制器消耗。

在一些实施例中，输出电压V_O包括：

（5）

在这里，C₂项包括非理想的功率损失因子或者效率乘数（multiplier）（即，V_O<V_I）。因此，等式4和5使得能够根据负载L的操作条件来设置输出电压V_O。等式4和5进一步使得输出功率能够被保持在基本上恒定的水平，即使有效电阻R_L随时间改变。由此，输出电压V_O可以在增加输出电流I_O时有所减少，反之亦然。例如，如果有效电阻R_L在振动流量计的操作期间下降，则输出电压V_O可以相应地减少，从而输出电流I_O可以增加。相反地，如果有效电阻R_L增加，则输出电流I_O可以相应地减少，从而输出电压V_O可以增加。

然后，该方法返回到步骤501并且重复地控制输出电压V_O和输出电流I_O。

图6是根据本发明实施例用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的方法的流程图600。在步骤601，如前面所述，确定输入电压V_I和输入电流I_I。

在步骤602，如前面所述，确定有效电阻R_L。

在步骤603，如果有效电阻R_L在预先确定的正常操作范围内，则该方法返回到其自身，否则该方法进行到步骤604。该预先确定的正常操作范围对应于流量计组件10的最优或期望振动以及最优或期望振动幅度。该预先确定的正常操作范围可以根据流量计模型并根据流动材料来改变。如果有效电阻R_L在该预先确定的正常操作范围内，则负载L可以被认为是令人满意地操作，并且在控制回路的该重复中不再采取进一步的行动。否则，如果有效电阻R_L不在预先确定的正常操作范围内，则必须设置（即改变）输出电压V_O。该比较通常在启动期间或者在某种方式的异常流动期间会失败，所述异常流动诸如是流动材料中夹带气体。

在步骤604，如前所述，如果有效电阻R_L不在预先确定的正常操作范围内，则设置输出电压V_O和输出电流I_O。

图7示出根据本发明实施例的仪器功率控制器120。在该实施例中，仪器功率控制器120包括回路电流控制710、驱动电压转换器715、控制器720以及驱动电流控制725。回路电流控制710可以包括可选构件（见虚线）并且可能包括在对输入电流I_I进行调制以便通过输入121来通信数据的实施例中。驱动电压转换器715通过线路755耦合到控制器720并且通过线路751耦合到回路电流控制710。回路电流控制710通过线路757耦合到控制器720，通过线路754耦合到驱动电流控制725，并且通过线路751耦合到驱动电压转换器715。驱动电流控制725通过线路756耦合到控制器720。线路751和754进一步构成输入121。

该实施例中的仪器功率控制器120被连接到流量计传感器730。流量计传感器730可以包括计组件10。另外，流量计传感器730可以包括计电子部件20。流量计传感器730通过线路752耦合到驱动电压转换器715，通过线路753耦合到驱动电流控制725，并且通过通信路径126耦合到控制器720。线路752和753进一步构成输出122。流量计传感器730通过线路752和753接收电功率。一个或多个测量信号（可选地其它传感器特性）被经由通信路径126提供给控制器720。例如，质量流速和/或密度可以通过通信路径126被提供给控制器720。

驱动电压转换器715可以接收输入电压V_I并且可以生成与该输入电压V_I无关的输出电压V_O。输出电压V_O可以小于、等于或者大于输入电压V_I。驱动电压转换器715可以创建大于输入电压V_I的输出电压V_O，其中输入电压V_I由总线回路112或其它功率输入提供。驱动电压转换器715可以例如包括DC-DC转换器。驱动电压转换器715可以将DC输入电压V_I转换成AC波形，可以逐步提高该AC波形的电压，然后可以将该AC波形转换回DC电压。以这种方式，输出电压V_O可以被生成为大于输入电压V_I。

在操作中，驱动电压转换器715可以为流量计传感器730提供预先确定的输出电压V_O。另外，驱动电压转换器715可以在预定义的电压范围内（诸如IS特定的电压范围）改变输出电压V_O。可以改变输出电压V_O以便使输出电流I_O最大化，同时保持基本上恒定的输出功率P_O，如前面所述。

回路电流控制710可以调节被提供给流量计传感器730的输入电流I_I的量。由此，回路电流控制710可以将至少部分输入电流I_I转换成输出电流I_O。输出电流I_O可以小于或等于输入电流I_I。在一些实施例中，输出电流I_O甚至可以大于输入电流I_I。然而在其它实施例中，与输出电压V_O不同，输出电流I_O不能超过输入电流I_I。

控制器720经由通信路径126从流量计传感器730接收反馈信息。该反馈信息可以包括负载电压V_L，如前面所述。另外，控制器720可以接收其它信息，包括响应频率、相位滞后或者传感器信号之间的时延等。负载电压V_L与流量计传感器730中的振动响应的幅度有关。在一些实施例中，负载电压V_L可以包括传感电压（pickoff voltage）。控制器720被耦合到驱动电压转换715和回路电流控制710，并且被配置为改变输出电压V_O和输出电流I_O。

控制器720可以被配置为控制驱动电压转换器715和回路电流控制710，以便为流量计传感器730生成基本上恒定的输出功率P_O，而同时与从流量计传感器730所接收的负载电压V_L有关地改变输出电压V_O和输出电流I_O二者。可替换地，如果负载电压V_L低于预先给定的操作阈值（即，如果有效阻抗R_L不在预先确定的正常操作范围内），则控制器720可以被配置为控制驱动电压转换器715和回路电流控制710，以便增加输出电流I_O并相应地降低输出电压V_O，以便保持基本上恒定的输出功率P_O。

Claims

1. 一种用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的仪器功率控制器（120），所述仪器功率控制器（120）包括用于接收输入功率P_I的输入（121）、用于将基本上恒定的输出功率P_O提供给可变阻抗负载L的输出（122）以及用于从负载L接收负载电压V_L的通信路径（126），其中所述仪器功率控制器（120）的特征在于：

所述仪器功率控制器（120）被配置为：确定输入电压V_I和输入电流I_I；确定负载L的有效电阻R_L，其中所述有效电阻R_L包括R_L = C₁V_L，其中C₁包括转换因子并且其中负载电压V_L是可变阻抗负载L两端的电压并且包括V_emf和由于所述可变阻抗负载L的电阻的电压；并且根据输入电压V_I、输入电流I_I和有效电阻R_L来设置输出电压V_O和输出电流I_O，其中所述输出电压V_O包括，其中C₂包括非理想的功率损失因子或者效率乘数，其中输出电压V_O基本上与输入电压V_I无关，并且其中输出电压V_O和输出电流I_O发生改变以便使传输给可变阻抗负载L的负载功率P_L最大化而同时保持基本上恒定的电输出功率P_O。

2. 根据权利要求1所述的控制器（120），其中所述输入电压V_I包括基本上固定的输入电压V_I。

3. 根据权利要求1所述的控制器（120），其中所述输入电压V_I和输入电流I_I遵守总线回路标准。

4. 根据权利要求1所述的控制器（120），其中所述输入电压V_I和输入电流I_I遵守本质安全（IS）标准。

5. 根据权利要求1所述的控制器（120），其中所述负载L包括振动流量计（5），并且其中所述负载电压V_L与所述振动流量计（5）的一个或多个流管道（103）的振动幅度有关。

6. 根据权利要求1所述的控制器（120），其中所述负载L包括科里奥利流量计（5），并且其中所述负载电压V_L与所述科里奥利流量计（5）的一个或多个流管道（103）的振动幅度有关。

7. 根据权利要求1所述的控制器（120），其中所述负载L包括振动比重计（5），并且其中所述负载电压V_L与所述振动比重计（5）的一个或多个流管道（103）的振动幅度有关。

8. 根据权利要求1所述的控制器（120），其中所述仪器功率控制器（120）被进一步配置为确定所述有效电阻R_L是否在预先确定的正常操作范围内，并且如果所述有效电阻R_L不在预先确定的正常操作范围内，则根据输入电压V_I、输入电流I_I和有效电阻R_L来设置输出电压V_O和输出电流I_O。

9. 根据权利要求1所述的控制器（120），其中所述仪器功率控制器（120）进一步包括：

被配置为设置输出电压V_O的电压供应器（510）；以及

被配置为设置输出电流I_O的电流供应器（520）。

10. 根据权利要求1所述的控制器（120），其中所述仪器功率控制器（120）进一步包括：

被配置为设置输出电压V_O的驱动电压转换器（615）；

被配置为提供输出电流I_O的驱动电流源（625）；以及

被耦合到所述驱动电压转换器（615）、负载L和回路电流控制（610）的控制（620），其中所述控制（620）被配置为控制所述驱动电压转换器（615）和驱动电流源（625）以在设定输出电压V_O和输出电流I_O二者时生成基本上恒定的输出功率P_O。

11. 一种用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的电功率控制方法，所述方法包括确定输入电压V_I和输入电流I_I，其中所述方法的特征在于：

确定可变阻抗负载L的有效电阻R_L，其中所述有效电阻R_L包括R_L = C₁V_L，其中C₁包括转换因子并且其中负载电压V_L是可变阻抗负载L两端的电压并且包括V_emf和由于所述可变阻抗负载L的电阻的电压；以及

根据输入电压V_I、输入电流I_I和有效电阻R_L来设置输出电压V_O和输出电流I_O，其中所述输出电压V_O包括，其中C₂包括非理想的功率损失因子或者效率乘数，其中所述输出电压V_O基本上与输入电压V_I无关，并且其中所述输出电压V_O和输出电流I_O发生改变以便使传输给可变阻抗负载L的负载功率P_L最大化而同时保持基本上恒定的电输出功率P_O。

12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述输入电压V_I包括基本上固定的输入电压V_I。

13. 根据权利要求11所述的方法，其中所述输入电压V_I和输入电流I_I遵守总线回路标准。

14. 根据权利要求11所述的方法，其中所述输入电压V_I和输入电流I_I遵守本质安全（IS）标准。

15. 根据权利要求11所述的方法，其中所述负载L包括振动流量计，并且其中所述负载电压V_L与所述振动流量计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

16. 根据权利要求11所述的方法，其中所述负载L包括科里奥利流量计，并且其中所述负载电压V_L与所述科里奥利流量计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

17. 根据权利要求11所述的方法，其中所述负载L包括振动比重计，并且其中所述负载电压V_L与所述振动比重计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

18. 根据权利要求11所述的方法，进一步包括：

确定所述有效电阻R_L是否在预先确定的正常操作范围内；以及

如果所述有效电阻R_L不在预先确定的正常操作范围内，则根据输入电压V_I、输入电流I_I和有效电阻R_L来设置输出电压V_O和输出电流I_O。

19. 一种用于自适应地提供共同保持基本上恒定的电输出功率P_O的输出电压V_O和输出电流I_O的电功率控制方法，所述方法包括确定输入电压V_I和输入电流I_I，其中所述方法的特征在于：

确定可变阻抗负载L的有效电阻R_L，其中所述有效电阻R_L包括R_L = C₁V_L，其中C₁包括转换因子并且其中负载电压V_L是可变阻抗负载L两端的电压并且包括V_emf和由于所述可变阻抗负载L的电阻的电压；

如果所述有效电阻R_L不在预先确定的正常操作范围内，则根据输入电压V_I、输入电流I_I和有效电阻R_L来设置输出电压V_O和输出电流I_O，其中所述输出电压V_O包括，其中C₂包括非理想的功率损失因子或者效率乘数，其中输出电压V_O基本上与输入电压V_I无关，并且其中输出电压V_O和输出电流I_O发生改变以便在保持基本上恒定的电输出功率P_O的同时使传输给可变阻抗负载L的负载功率P_L最大化。

20. 根据权利要求19所述的方法，其中所述输入电压V_I包括基本上固定的输入电压V_I。

21. 根据权利要求19所述的方法，其中所述输入电压V_I和输入电流I_I遵守总线回路标准。

22. 根据权利要求19所述的方法，其中所述输入电压V_I和输入电流I_I遵守本质安全（IS）标准。

23. 根据权利要求19所述的方法，其中所述负载L包括振动流量计，并且其中所述负载电压V_L与所述振动流量计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

24. 根据权利要求19所述的方法，其中所述负载L包括科里奥利流量计，并且其中所述负载电压V_L与所述科里奥利流量计的一个或多个流管道的振动幅度有关。

25. 根据权利要求19所述的方法，其中所述负载L包括振动比重计，并且其中所述负载电压V_L与所述振动比重计的一个或多个流管道的振动幅度有关。