CN105322778A - 具有开关转换器电路的现场设备 - Google Patents

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Abstract

具有开关转换器电路的现场设备。描述和示出了一种具有开关转换器电路(2)和用于确定至少一个测量参量的测量电路(3)的现场设备(1)，其中，在输入侧向开关转换器电路(2)馈送电功率，并且开关转换器电路(2)在输出侧与测量电路(3)连接，并且开关转换器电路(2)向测量电路(3)供应电功率，通过开关转换器电路来减小可变的干扰信号杂散的问题，其方式是：由负载控制电路(6)如此操控负载电路(5)，使得开关转换器电路(2)的输出侧的电负载不低于最小电负载。

Description

具有开关转换器电路的现场设备
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个开关转换器电路和至少一个用于确定至少一个测量参量的测量电路的现场设备，其中，在输入侧向开关转换器电路馈送电功率，并且开关转换器电路在输出侧与测量电路连接，并且开关转换器电路向测量电路供应电功率。
背景技术
上文提到的类型的现场设备早已在过程自动化中所公知，并且由于这些现场设备的确定一个或者多个测量参量的能力而使用它们来监视过程和在过程中引导的介质。例如设立这类的现场设备用于求得经过管或通道的可流动的介质的流量，其方式是：例如应用如下的测量设备，所述测量设备根据科里奥利(Coriolis)法或涡流法在使用超声波信号的情况下工作，或所述测量设备以量热的方式求得流量。为了确定介质的料位，可以设计其它的按类属的现场设备，其中，介质例如可以是液体或者散料。在此，在现有技术中公知的是，根据雷达法或特别是TDR法评估电磁信号的传播时间。也可以应用多普勒效应或使用测锤。此外，存在许多用于以电容、电感的方式或通过能机械振荡的元件识别达到料位的现场设备。其它配备有测量电路的现场设备用于检测过程中的感兴趣介质的pH值、温度、粘度或导电性。详细地，下面阐述的发明更确切地能应用到所有具有开关转换器电路和测量电路的现场设备中，而不取决于利用现场设备的测量电路检测或确定的测量参量。
在现场设备中设置的开关转换器电路基本上用于测量电路的能量供应，其中，使用开关转换器电路用于在输出侧提供定义的电压(大多是直流电压)，测量电路需要该电压用于按规定地运行。测量电路往往不仅用于检测粗测量参量，而且也用于信号准备、信号滤波、信号匹配和信号转化。
经常也被称为开关调节器的开关转换器以至少一个时钟式接线的能量存储器的原理为基础。因此，例如可能的是，通过时钟式地中断电流路径利用线圈作为能量存储器和随后对如此产生的电压尖峰进行平滑也将输入侧的直流电压转换成高的。公知完全不同的开关转换器类型：降压转换器、之前所述的升压转换器和反向转换器，这些开关转换器在输出侧不仅可以提供比在开关转换器的输入侧所提供的电压更高的电压，而且可以在输出侧提供更低的(反向的)电压。
在现代的现场设备中，开关转换器电路大部分不再分立地构建，而是尤其使用为了实施开关转换器电路而设置的半导体构件，这些半导体构件根据使用目的配备有外部的接线。外部的接线大多包括始终是必需的电能存储器(大多呈线圈的形式)和其它的电路部件，例如反馈网络和滤波电路。根据输入电压和电流、开关转换器电路的输出侧的负载以及相应所期望的输出电压和电流，这些开关部件通常根据半导体组件的制造商的说明来确定尺寸，以便使开关转换器电路总地在对于应用情况来说最有利的工作点中运行。
由于时钟式的运行方式，开关转换器电路发出干扰信号，这些干扰信号例如以不期望的方式影响在输出侧连接的测量电路。特别有问题的是，出现不同类型且在时间上变化的干扰，因为在电路技术上仅能很差地对这些干扰作出反应。
发明内容
本发明的任务在于，说明一种具有开关转换器电路的现场设备，在该现场设备中，通过开关转换器电路减小了可变化的干扰信号杂散的问题。
根据本发明看出，一个特别的问题在于，针对特定的工作点且针对特定的输出侧提取的功率所设计的开关转换器电路在偏离的工作点运行，例如因为连接到开关转换器电路处的测量电路的功耗发生变化。这可以例如在测量电路具有交替出现的不同的运行模式时是这种情况。在开头所述的具有开关转换器电路的现场设备中，之前指出且引出的任务通过如下方式来解决，即，负载电路由负载控制电路如此操控，使得开关转换器电路的输出侧的电负载不低于最小电负载。
根据本发明的设置附加的负载电路的措施的基本思想在于，首先针对测量电路具有比较高的功耗的运行情况设计开关转换器电路。针对这种情况，开关转换器电路被设计为，使得通过电路技术上的措施、例如滤波电路来抑制可能杂散的干扰。测量电路的功耗的下降使工作点移动，开关转换器电路以该工作点来运行，由此在开关转换器内的时钟式的操控尤其发生改变。首先，脉宽调制信号(PWM信号)的占空比发生改变。在非常低的功耗的情况下，在开关转换器电路中甚至中止整个时钟周期，这通常相对于在一些开关转换器电路中也被称为“PWM模式”的连续时钟式的模式被称为“突发模式”。
通过负载电路被负载控制电路如此操控使得开关转换器电路的输出侧的电负载无法下降到特定的界限以下，即所述输出侧的电复杂不能降到最小电负载以下，防止了开关转换器电路的运行特性经受强烈的波动。在附加的负载电路被负载控制电路如此操控使得在开关转换器电路处始终施加针对电路设计所考虑的高负载时，开关转换器电路的工作点仅仍在极其小的范围内变化或必要时也根本不变。
根据特别有利的构型规定，最小电负载如此大，使得开关转换器电路以PWM运行模式连续地工作，尤其避免了开关转换器电路的突发运行模式。关于在开关转换器电路的输出端处的何种电负载的情况下电路转换器的中央控制从常规的时钟式的PWM运行模式转入之前所述的突发运行模式的说明，可以要么从开关转换器电路或在开关转换器电路的中央位置处所设置的开关转换器半导体构件的制造商的数据页中获悉，在两种运行模式之间进行切换的功率界限必要时也可以通过测量发现。
在开关转换器电路——只要其保持在常规时钟式的PWM运行模式中，就仅改变控制PWM信号的占空比变化——引起相对保持不变的干扰信号杂散期间，干扰在过渡到突发运行模式时和在突发运行模式中的持续运行时是可变的，尤其是干扰的频率分量移动并且必要时干扰总的变得带宽更宽，这是要避免的。
具有其负载电路的现场设备优选如此设计，使得最小电负载几乎相应于测量电路的最大负载，尤其相应于在测量电路的正常测量运行中测量电路的最大负载。正常测量运行指的是在主动测量电路的情况下现场设备的规则的测量运行，尤其不是指例如现场设备在首次投入运行时或例如在复位时或在错误引起的现场设备重启时的开动。
在本发明的一种构型中规定，负载电路与测量电路并联，在本发明的另一种构型中规定，负载电路作为测量电路的一部分来实现。在两种情况下，负载电路无论如何都如此设计，使得只要测量电路的单独地运行不再足以降低开关转换器电路的输出侧的最小负载，该负载电路就将由开关转换器电路在输出侧提供的电负载至少提升到最小电负载。
在现场设备的一种特别简单的构型中规定，负载电路具有能通过负载控制电路来切换的开关。经由所述开关闭合一电流路径，在该电流路径中消耗了这样的功率，使得开关转换器电路处的必需的最小负载不被低于。可以设想多个这样切换的电流路径，利用这些电流路径可以接上不同的附加的负载。
按照根据本发明的现场设备的另一变型方案规定，负载电路包括由负载控制电路操控的至少一个晶体管。因此，也实现在开关转换器电路处可变的附加的负载，从而开关转换器电路的工作点可以非常准确地保持恒定，即恒定在最小负载上或者恒定地在最小负载以上。
在一种有利的进一步开发中规定，在使用至少一个微控制器的情况下来实现负载电路和负载控制电路，其中，电功率通过操控微控制器的至少一个I/O端口被消耗。微控制器的I/O端口例如可以经由电阻对地驱动电流，并且因此负责附加的功率消耗。该变型方案的优点是，为此例如可以使用已经设置在现场设备的测量电路中的微控制器。
现场设备的有利的构型的突出之处在于，负载控制电路根据测量电路的运行模式来操控负载电路。因此，在这里无需在测量技术上准确地检测测量电路的功耗有多大，而仅需确定，测量电路处于哪种工作模式中，因为这经常足够指示测量电路的功耗。
现场设备例如可以是用于距离测量的雷达测量设备。所考察的现场设备具有至少一个用于发射和接收HF(高频)辐射以及用于数字化和保存已发射和接收的HF辐射的第一运行模式。所考察的现场设备还具有第二运行模式，该第二运行模式用于评估所保存的数字化的已发射和接收的HF辐射。在这种构造为雷达测量设备的现场设备中，与第一运行模式相比，经常在第二运行模式中存在在功率方面更高的电加载。于是根据本发明在这样的现场设备中规定，负载控制电路在第一运行模式中操控并且因此接通负载电路，使得在第一运行模式中也出现针对开关转换器电路的加载，如其在第二模式中没有附加地接通负载电路的情况下出现的那样。
在现场设备的进一步开发中规定，通过检测负载控制电路的至少一个电特征参量求得在开关转换器电路的输出侧的电负载，并且负载电路根据所求得的电负载由负载控制电路来操控。优选地规定，至少一个电特征参量是由开关转换器电路在总体上驱动的输出侧的电流，因为在固定地调整开关转换器电路的输出侧电压的情况下可以因此总地确定功率输出和功率提取。在这样直接在测量技术上确定所提取的功率的情况下，实际上可以经由负载电路和负载控制电路实现任意精细的功率调节。
附图说明
详细地，现在存在多种构造和改进根据本发明的现场设备的可能性。为此，一方面参见排在权利要求1后面的从属权利要求，另一方面参见以下与附图相关联的实施例的描述。在附图中：
图1示出具有开关转换器电路的现场设备，其中，负载电路在测量电路之外实现，并且负载控制电路在测量电路的范围内实现；
图2a、图2b、图2c示出实现负载电路的不同的可能性；
图3示出构造为两导线设备的现场设备，在该现场设备中，负载电路和负载控制电路在测量电路之外实现；
图4示出如下的现场设备，在该现场设备中，负载电路和负载控制电路完全在测量电路之内实现；
图5示出根据图4的现场设备，在该现场设备中，负载控制电路在测量电路的微控制器的范围内实现；
图6示出如下的现场设备，在该现场设备中，通过测量且为了功率调节来求得由开关转换器电路提取的功率；以及
图7示出用于表示通过负载电路和负载控制电路以现场设备的不同运行模式来进行功率控制的图表。
具体实施方式
在图1和图3至图6中分别示出具有开关转换器电路2和用于确定测量参量的测量电路3的现场设备1。
经由电压源4向现场设备1供应电功率，其中，电压源4在输入侧向开关转换器电路2馈送电功率。
在图1和图4至图6中，电压源4附属于现场设备1。相反地，根据图3的现场设备是两导线现场设备，其因此由外部的电压源4供应功率并且以编码的方式经由双导线电流回路的电流输出所求取的测量值(4mA-20mA接口)。因此，电压源4在此不附属于现场设备1。目前并不重要的是，电压源4是直接在输入侧与开关转换器电路2连接还是经由可能附加设置的电网络，但是在所有情况下都能实现的是，电压源4在输入侧——间接或直接地——在功率方面对开关转换器电路2进行馈送。
由附图可以容易地看出，开关转换器电路2在输出侧与测量电路3连接，并且开关转换器电路2向测量电路3供应电功率。在这里也不重要的是，开关转换器电路2是直接与测量电路3连接还是间接地经由另外的电网络连接，无论如何存在通过开关转换器电路2在功率方面对测量电路3进行供应的功能上的关联。
开关转换器电路2通常针对特定的工作点并且因此针对特定的输出侧的功率提取而设计。这意味着，针对该工作点尽可能最优地抑制由开关转换器电路2或由开关转换器电路2的特定的开关部分产生的且朝向测量电路3的方向起作用的干扰信号。如果从该工作点偏移，则不可避免地出现其它形式的、必要时带宽更宽的或仅在频率方面移动的干扰信号，使得针对另一工作点设计的干扰信号抑制不再完全地起作用。
在示出的现场设备1中规定，负载电路5由负载控制电路6来如此操控，使得在开关转换器电路2处的输出侧的电负载不低于最小电负载。通过所述的构型可以阻止的是，开关转换器电路2在输出侧以极不同的电负载来加载，并且因此发出极不同地构造的干扰信号。因此，开关转换器电路2在示出的实施例中始终如此配置和优化，即针对高的输出侧的负载设置干扰信号抑制。这在整体上考虑的是，虽然在电路技术上可以提高从开关转换器电路2的输出侧提取的功率，但是由测量电路3为了正常工作所必需的功率不会由于附加的电路技术上的措施而减少。
在根据图1的实施例中，负载电路5设置在测量电路3之外，而负载控制电路6在测量电路3之内实现。与之相反地，根据图3的实施例示出了两者都实施在测量电路3之外的负载电路5和负载控制电路6。
图2示出实现负载电路5和负载控制电路6的不同的变型方案。在图2a中示出的是，负载电路5由能操纵的开关7和欧姆电阻8组成。负载控制电路6切换开关7并且因此释放附加的电流路径，经由该电流路径从开关转换器电路2提取功率。在图2b中的实施例中，负载电路5通过晶体管9和后接的欧姆电阻8来实现。晶体管9的基极由负载控制电路6来操控。晶体管9可以作为开关来运行，但是利用这样实现的负载电路5和负载控制电路6也可以实现连续的负载匹配，从而不仅可以调整最小电负载，而且更确切地说，实际上能确保开关转换器电路2的恒定的负载和因此恒定的工作点。
在根据图2c的实施例中，负载电路5和负载控制电路6通过微控制器6来实现，该微控制器6的I/O端口被操控并且经由欧姆电阻形式的负载电路5对地驱动电流并且因此负责提高的功率需求。
根据图4的现场设备1示出如下的解决方案，在其中，负载电路5和负载控制电路6两者都实施在测量电路3之内，使得无需附加模块，这减少了安装耗费。
图5示出根据图4的解决方案的具体构型。在这里，负载控制电路6在已经存在于测量电路3中的微控制器的范围内来实现，其中，通过操控微控制器的I/O端口来消耗电功率，其中，在当前的情况下，微控制器的I/O端口通过欧姆电阻形式的负载电路5进行加载。显而易见地，也可以将微控制器I/O的更多端口同时接线，使得能实现不同的电负载。输出端例如也可以不仅通过数字I/O端口，而且通过模拟输出端，也就是集成的数模转换器的输出端来实现。因此，通过在微控制器的I/O端口处的输出电压的变化，也可以非常准确地调整和非常简单地改变附加消耗的功率的大小。
如果开关转换器电路2从正常的PWM运行模式转换成突发运行模式并不取决于非常准确地调整通过负载电路5实现的电负载，例如仅应防止开关转换器电路2从正常的PWM运行模式转换成突发运行模式，那么可以例如仅与测量电路3的运行模式相关地连接负载电路5和负载控制电路6。图7中示出了这种类型的使用。
在图7中以如下为出发点，即，现场设备1具有不同的运行模式，它们以B0、B1和B2表示。运行模式B0是用于现场设备的开动的运行模式，运行模式B1是第一运行模式且运行模式B2是第二运行模式。以PM表示的曲线是测量电路3的功率消耗。不难看出的是，在第二运行模式B2中存在特别高的功率消耗，而在第一运行模式B1中存在测量电路3的明显较低的功率消耗。
在当前情况下，在第一运行模式B1中，负载控制电路6操控负载电路5，由此消耗附加的功率PV。相反在第二运行模式B2中，负载电路5不由负载控制电路6来操控，从而负载电路5的附加的功率需求PV下降到零。通过所述的电路和所述的负载电路5和负载控制电路6的使用实现的是，测量电路3和负载电路5的功率消耗实际上保持不变地相应于总负载Ptot，从而在开关转换器电路2处的输出侧的电负载不低于最小电负载。
图7中示出的示例是构造为雷达测量设备的用于距离测量的现场设备1的运行。第一运行模式B1用于发射和接收HF辐射以及用于数字化和保存已发射和接收的HF辐射。第二运行模式B2用于评估所保存的数字化的已发射和接收的HF辐射，其中，用于执行第二运行模式B2的必需的电功率高于用于实施第一运行模式B1的必需的功率。
在图6中示出现场设备1的实施例，在其中，负载电路5和负载控制电路6全部调节地运行。经由电流测量电阻10对从开关转换器电路2提取的电流以及在开关转换器电路2的输出端处的电压进行测量。通过由负载控制电路6检测这两个电特征参量，求得了实际提取的电功率和因此在开关转换器电路2处的电负载。于是根据所求得的电负载，负载电路5由负载控制电路6来操控，使得实际上可以连续地负责均匀地对开关转换器电路2进行电加载。

Claims (9)

1.具有开关转换器电路(2)和用于确定至少一个测量参量的测量电路(3)的现场设备(1)，其中，在输入侧向所述开关转换器电路(2)馈送电功率，并且所述开关转换器电路(2)在输出侧与所述测量电路(3)连接，并且所述开关转换器电路(2)向所述测量电路(3)供应电功率，
其特征在于，
由负载控制电路(6)这样操控负载电路(5)，使得所述开关转换器电路(2)的输出侧的电负载不低于最小电负载。
2.根据权利要求1所述的现场设备(1)，其特征在于，最小电负载如此大使得所述开关转换器电路(2)以PWM运行模式连续地工作，尤其避免了所述开关转换器电路(2)的突发运行模式。
3.根据权利要求1或2所述的现场设备(1)，其特征在于，最小电负载相应于所述测量电路(3)的最大负载，尤其相应于所述测量电路(3)在正常测量运行中的最大负载。
4.根据权利要求1至3之一所述的现场设备(1)，其特征在于，所述负载电路(5)与所述测量电路(3)并联，或者所述负载电路(5)作为所述测量电路(3)的一部分来实现。
5.根据权利要求1至4之一所述的现场设备(1)，其特征在于，所述负载电路包括至少一个晶体管，其中，所述晶体管由所述负载控制电路来操控。
6.根据权利要求1至4之一所述的现场设备(1)，其特征在于，通过至少一个微控制器来实现所述负载电路(5)和所述负载控制电路(6)，其中，电功率通过操控微控制器的至少一个I/O端口、尤其通过经由电阻(8)对地驱动电流被消耗。
7.根据权利要求1至6之一所述的现场设备(1)，其特征在于，所述负载控制电路(6)根据所述测量电路(3)的运行模式来操控所述负载电路(5)。
8.根据权利要求7所述的现场设备(1)，其特征在于，所述现场设备(1)是用于距离测量的雷达测量设备，并且具有至少一个用于发射和接收HF辐射以及用于数字化和保存已发射和接收的HF辐射的第一运行模式(B1)，以及具有至少一个用于评估所保存的数字化的已发射和接收的HF辐射的第二运行模式(B2)，其中，所述负载控制电路(6)在所述第一运行模式(B1)中操控所述负载电路(5)。
9.根据权利要求1至8之一所述的现场设备(1)，其特征在于，通过检测所述负载控制电路(6)的至少一个电特征参量求得所述开关转换器电路(2)的输出侧的电负载，并且所述负载电路(5)根据所求得的电负载，尤其是其中，所述至少一个电特征参量是由所述开关转换器电路(2)在总体上驱动的输出侧的电流。
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