CN105408945B

CN105408945B - 具有用于传送测量信号的可切换的测量和操作电子设备的测量装置

Info

Publication number: CN105408945B
Application number: CN201480041593.4A
Authority: CN
Inventors: 安托万·西蒙; 马丁·让泽
Original assignee: Enders and House Flow Technology Co Ltd
Current assignee: Enders and House Flow Technology Co Ltd
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2020-01-24
Anticipated expiration: 2034-07-07
Also published as: WO2015010883A1; CN105408945A; US10379145B2; DE102013107904A1; EP3025318B1; EP3025318A1; US20160161533A1

Abstract

一种测量装置，包括用于传送测量信号的可配置的测量和操作电子设备，其中，该测量装置包括至少一个测量发送器，该至少一个测量发送器具有用于输出受控电流的电流控制电路(15)，其中，至少可以在第一操作方式下将电流设定在第一电流范围内，并且至少可以在第二操作方式下将电流设定在第二电流范围内，第二电流范围具有比第一电流范围更大的区间，其中，该测量装置进一步包括微控制器电路(13)，并且微控制器电路(13)与电流控制电路(15)连接，其中，微控制器电路(13)经由线(36)与电流控制电路(15)连接，以传送数字信号用于操作电流控制电路(15)，其中，数字信号具有低状态和高状态，并且其中，在第一操作方式下，通过由数字信号操作电流控制电路，对于低状态，可以将输出电流设定成具有第一电流电平区间中的电流电平，并且对于数字信号的高状态，可以将输出电流设定成具有第二电流电平区间中的电流电平；以及一种方法。

Description

具有用于传送测量信号的可切换的测量和操作电子设备的测量装置

技术领域

本发明涉及一种具有用于传送测量信号的可配置的测量和操作电子设备的测量装置。

本发明尤其涉及一种具有数字测量发送器的测量装置，尤其是具有利用电流信号的测量发送器的测量装置，在这种情况下，因此通过信号电流，或者供应电流，的控制输出测量值。数字测量发送器是包括至少一个用于调节测量信号或者用于控制内部功能的微处理器的那些发送器。在工业中广泛用于传送物理和/或化学被测变量的测量信号的标准是电流环路，例如，双导体电流环路。测量装置经由电流环路与过程控制器连接。在这样的情况下，测量值由所设定的电流的值表示，并且电流由过程控制器寄存。根据这种广泛使用的工业标准，经由电流环路传输的电流位于0mA与20mA之间。

背景技术

尤其是在安全相关的应用中，必须能够以充分高的概率检测测量发送器或者其部件的故障。在NAMUR推荐NE43中，例如，假如在测量装置的情况下，使用在4mA与20mA之间的范围内的测量信号电流。装置故障用在该范围之外的故障信号电流(例如，不大于3.6mA，或者至少21mA)来暗示。在这样的情况下，在电流环路中设定的在4毫安(mA)与20mA之间的电流与所测量的物理和/或化学被测变量对应。由于漂移和不精确，允许稍微更大的电流范围，例如，在3.8mA与20.5mA之间的电流。小于3.6mA或者大于21mA的电流不应被计算单元解释为测量值对应。在电流环路中设定的小于3.6mA或大于21mA的电流因此被识别为误差电流。

在2L电流环路中设定的模拟测量信号电流通常通过2L电流环路中的控制电路来设定。在这样的情况下，测量和操作电子设备的至少一个部分是控制电路的一部分。为了控制的目的，与测量信号电流的实际值对应的反馈变量由测量和操作电子设备回读并且被与对应于期望值的基准输入相比较。通常，基准变量由控制单元输出。控制单元输出与测量变送器或传感器的测量信号对应的基准变量。在测量值改变的情况下，在2L电流环路中设定的实际值不同于期望值。从实际值与期望值之间的控制误差信号产生相应的操纵变量，2L电流环路中的测量信号电流借助于操纵变量改变。

用于传输以数字形式的测量信号和状态信息的类似的接口在EN60947-5-6(与IEC60947-5-6对应)中被标准化。操作参数，因而与NAMUR操作中的数字状态(接通和断开)相关联的电流的值，不同于上述。对于满足EN60947-5-6的FPS NAMUR信号(频率/脉冲/状态)的传输，在典型的8.2V的供应电压的情况下，接通状态的电流值等于在2.2mA至8mA范围内的值，断开状态的电流值位于0.35mA至1.2mA的范围内。

如果实际电流值位于0.35mA之下，则这些电流值可以被计算为线中断的指示，而超过8mA的电流值可以被计算为短路的指示。

在许多应用的情况下，传输的测量信号的大小可能对测量装置的周边和/或对环境具有相当大的影响。尤其是在化学品和环境危害过程的情况下，其中传输测量材料的温度、料位、压力、流量或成分的测量值，过程的安全运行是决定性的。因此，极其重要的是，传输的测量信号实际上与测量值对应。因此，安全相关应用中的装置和系统必须满足专门的要求，尤其满足功能安全的标准(例如，IEC 61508、IEC61511等)。功能安全的标准的中心组成部分是所谓的安全完整性水平(SIL)。取决于源自过程或装置的潜在危害，相应的SIL能力需要应用。SIL给出被检测的装置或应用的出现故障的可能性。在这样的情况下，SIL范围在1和4之间，其中1是最低的，并且4是最高安全等级。从公开说明书EP1860513获知一种电路，该电路预期确保在电流环路中设定的电流与将被表示的被测变量的实际值对应。电路依赖于对环路电流的值的冗余调节以及对环路电流的值的监测。虽然在现有技术中使用的、冗余地设计的电部件、电子部件和/或电子可编程部件在给定情况下增加设备的功能安全，但是将被视为不利的是因为系统及其部件的冗余设计，同样增加制造成本和建造成本。

在DE102008001832A1中，提供的是，计算单元通过电流控制器将操纵变量输出的至少一个值与至少一个基准值相比较并且比较得出操纵变量的值是否超过或低于基准值。所提出的计算单元使得能够检测操纵变量与基准值的偏差或操纵变量超过预定基准值或低于预定基准值。如果尤其是提供两个不同的基准值，则可检测到操纵变量是否超过或低于基准值中的一个或位于基准值之间的区域中。由于测量和操作电子设备的误差或干扰常常以异常测量信号(例如，以过高或减弱的电压和电流的形式)的形式出现，所以所描述的计算单元使得能够检测这样的异常偏差。

从DE102004019392A1获知测量发送器，该测量发送器包括微处理器，该微处理器具有复位输入和用于提供周期性时钟信号的时钟信号输出；进一步提供具有时针信号输入和复位输出的检测电路以及用于输出测量信号电流的电流控制器，该测量信号电流代表在测量操作中在第一范围内的测量值，并且在第一范围外部的测量值暗示故障；其中，监测电路的时钟信号输入与微处理器的时钟信号输出连接，微处理器的复位输入与监测电路的复位输出连接，在时钟信号发生故障的情况下，复位信号在监测电路的复位输出上定期地输出，其中，此外，测量发送器具有比较器电路，该比较器电路：具有第一输入，第一输入经由低通滤波器与监测电路的复位输出连接；具有第二输入，基准电压施加在该第二输入上；并且具有输出，该输出与电流控制器的输入连接，其中，在复位信号的重复输出之后，在比较器电路的第一输入上的电压超过基准电压，使得存在施加到比较器的输出的控制信号，该控制信号促使电流控制器输出在第一范围之外的故障信号电流。如上所述，测量信号电流的第一范围例如等于4mA至20mA。在这种情况下，故障信号电流应至少为21mA或至多3.6mA，但是优选故障信号电流被控制到22mA。

如上文已经提及的，在EN60947-5-6(与IEC60947-5-6对应)中，用于传输测量信号和状态信息的类似的接口以数字形式被标准化。操作参数，因而与数字状态接通和断开(ON和OFF)相关联的在NAMUR操作中的电流的值，不同于上述那些值。用于FPS NAMUR信号(频率/脉冲/状态)的传输的EN60947-5-6开关放大器的简单且常用的电路包括带有并联电阻器的开关晶体管，并联电阻器横跨输入/输入的端子与一系列电阻器之间的晶体管。在8.2V的标准化操作参数和对于接通状态的从2.2mA至8mA的电流值以及对于断开状态的从0.35mA至1.2mA的电流值的情况下，对于串联电阻器而言产生1千欧姆的典型值并且对于并联电阻器而言产生11千欧姆的典型值。如果实际电流值位于0.35mA之下，则这些电流值可以被计算为线中断的指示，而超过8mA的电流值是短路的指示。

为了能够覆盖装置的不同的应用，根据EN60947-5-6的开关放大器应能够在NAMUR操作以及在非NAMUR操作中被使用。就这点而言，从现有技术获知不同的解决方案。在最简单且常用的形式中，提供跳线，串联电阻器可以借助于跳线分流，并且经由并联电阻器的电流路径被中断。在NAMUR操作中，横跨串联电阻器的跳线被打开，并且并联电阻器的电流路径中的跳线闭合，而在非NAMUR操作的情况下，情况相反。因此，各装置伴随仅一根跳线，根据应用，可以在适当的位置处插入这根跳线。在这种解决方案的情况下不利的是，对于操作方式的每次改变，维修技工必须访问装置并且修补它。这在大规模制造厂中的广泛分布的装置的情况下或在暴露位置处的装置的情况下可能是非常麻烦的。为了切换操作方式，必须打开装置壳体，并且接触甚至移除电子组件。作为静电放电的结果或作为在再密封壳体之后未充分关闭的位置的结果，存在损害装置电子设备的危害。两者都会导致装置的失灵或故障。此外，操作电子设备不能寄存操作状态，于是，自诊断是不可能的。同样地，操作方式的远程控制切换是不可能的。

因此，用继电器更换跳线也是已知的。然而，这些具有附加空间要求的缺点，增加装置的功率消耗并且随后也增加装置电子设备上的热负载，并且这是由于对振动相对敏感的可移动部件引起的。因此，使用尤其是不具有振动敏感性的半导体开关代替继电器也是已知的。然而，它们是相对昂贵的。

诸如上述，4-20mA的NE43接口与满足EN60947-5-6的接口相结合的应用是不可能的，因为充分可靠地区别EN60947-5-6输出信号的接通/断开状态是不可能的。

因此，本发明的目的是提供具有用于传送测量信号的可配置的测量和操作电子设备的改进的测量装置。

发明内容

通过如在权利要求1中限定的测量装置以及如在权利要求10中限定的方法来实现此目的。

本发明的测量装置包括用于传送测量信号的可配置的测量和操作电子设备，其中，该测量装置包括至少一个测量发送器，所述至少一个测量发送器具有用于输出受控电流的电流控制电路(15)，其中，至少可以在第一操作方式下将电流设定在第一电流范围内，并且至少可以在第二操作方式下将电流设定在第二电流范围内，第二电流范围具有比第一电流范围更大的区间，其中，该测量装置进一步包括微控制器电路(13)，并且微控制器电路(13)与电流控制电路(15)连接，其中，微控制器电路(13)经由线(36)与电流控制电路(15)连接，以传送数字信号用于操作电流控制电路(15)，其中，数字信号具有低状态和高状态，并且其中，通过由数字信号操作电流控制电路，在第一操作方式下，对于低状态，可以将输出电流设定成具有第一电流电平区间中的电流电平，并且对于数字信号的高状态，可以将输出电流设定成具有第二电流电平区间中的电流电平。

通过对各种操作模式和电流电平区间的智能控制，可以省略复杂的电阻电路，诸如迄今为止常用于NAMUR符合测量装置的电阻电路。

权利要求1的有利实施例是从属权利要求的主题。

当在如下情况下时是有利的：在第一操作方式下可以通过数字信号将输出电流设定成使得第一电流电平区间具有第一电流电平区间的下限值和第一电流电平区间的上限值；并且使得第二电流电平区间具有第二电流电平区间的下限值和第二电流电平区间的上限值，其中，第一电流电平区间的上限值被固定使得其具有比第二电流电平区间的下限值更小的幅值。

第一电流范围可以有利地被设定成0.35mA和至少8mA之间的电流。

第二电流范围可以有利地被设定成0mA和至少20mA之间的电流。

尤其优选地，测量装置包括用于传送测量信号的可配置的测量和操作电子设备，其中，测量装置包括至少一个测量发送器，该至少一个测量发送器具有用于输出受控电流的电流控制电路，其中，至少可以在第一操作方式下将电流设定在0.35mA与至少8mA之间，并且至少可以在第二操作方式下将电流设定在0mA和至少20mA之间，其中，测量装置进一步包括微控制器电路，微控制器电路与电流控制电路连接，其中，微控制器电路经由线与电流控制电路连接，以传送数字信号用于操作电流控制电路，用于在第一操作方式下，对于低状态用于设定从0.35mA到1.2mA的输出电流以及对于数字信号的高状态用于设定从2.2mA至8mA的输出电流。通过本发明的发展，测量装置可以普遍地被应用，并且根据EN60947-5-6的NAMUR操作和非NAMUR操作以及如0至20mA电流环路的操作可以在不改变操作电子设备的情况下执行。在这样的情况下，操作模式的改变可以利用通过软件的远程控制来执行。本发明扩展了这样的测量装置的使用领域，此后对于所有建立的操作模式一个通用装置是足够的，并且不需要生产和库存专用类型装置。此外，这样的装置的用户也可以改变其过程控制器的操作方式，而无需对工厂中的所有测量装置进行改装或更换。

有益地，电流控制电路进一步包括电流测量系统，电流测量系统与微控制器电路连接，用于反馈所设定的电流的实际值。以这种方式，能够通过测量装置对连接进行自诊断。

当电流控制电路在第一操作方式下作为无源负载连接到外部电压源时，通过测量装置连接的过程控制器产生大量的诊断机会。

当在微控制器与电流控制电路之间的连接包括用于传送用于设定操作方式的控制信号的专用线时，对操作方式的远程控制改变是尤其有利的。当微控制器与电流控制电路之间的连接包括用于传送用于设定操作方式的控制信号的四条专用线时是特别合适的。

此外，本发明的目的可以通过用于操作用于传送测量信号的可配置的测量和操作电子设备的方法来实现，其中，测量装置包括至少一个测量发送器，该至少一个测量发送器具有用于输出受控电流的电流控制电路(15)，其中，至少可以在第一操作方式下将电流设定在第一电流范围内，并且至少可以在第二操作方式下将电流设定在第二电流范围内，所述第二电流范围具有比所述第一电流范围更大的区间，并且其中，测量装置进一步包括微控制器电路(13)，并且微控制器电路(13)与电流控制电路(15)连接，并且其中，为了操作电流控制电路(15)，从微控制器电路传输数字信号，其中，数字信号具有低状态和高状态，并且其中，通过由数字信号操作电流控制电路，发生通过电流控制电路(15)设定输出电流，在第一操作方式下，对于低状态，输出电流具有第一电流电平区间中的电流电平，并且对于数字信号的高状态，输出电流具有第一电流电平区间中的电流电平。

本发明的有利变型是从属权利要求的主题。

当在如下情况下时是有利的：第一操作方式下可以通过数字信号将输出电流设定成使得第一电流电平区间具有第一电流电平区间的下限值和第一电流电平区间的上限值；并且使得第二电流电平区间具有第二电流电平区间的下限值和第二电流电平区间的上限值，其中，第一电流电平区间的上限值被固定使得其具有比第二电流电平区间的下限值更小的幅值。

此外，当第一电流范围可以被设定成0.35mA和至少8mA之间的电流时是有利的。

此外，当第二电流范围可以被设定成0mA和至少20mA之间的电流时是有利的。

尤其优选实施例是用于操作用于传送测量信号的可配置的测量和操作电子设备的方法，其中，测量装置包括至少一个测量发送器，所述一个测量发送器具有用于输出受控电流的电流控制电路，其中，在第一操作方式下可以将电流设定在0.35mA与8mA之间，并且在第二操作方式下可以将电流设定在0mA和至少20mA之间，其中，测量装置进一步包括微控制器电路，并且微控制器电路与电流控制电路连接，在这种情况下，尤其是当电流控制电路相对于外部电压源起无源负载的作用时，在第一操作方式下利用数字信号操作电流控制电路，对于低状态设定从0.35mA至1.2mA的电流，以及对于高状态设定从2.2mA至8mA的电流。

当在电流控制电路中所设定的电流的实际值被监测，测量装置能够自诊断，并且当电流低于0.35mA的值尤其等于0.2mA或更小的值时，输出警告信号。

有利地，在外部供应电压至少在从1.25V优选从0.4V到36V优选到24V尤其优选到8.5V的范围内的情况下，所设定的电流独立于供应电压。

当借助于控制信号(优选四个控制信号)通过作用在电流控制电路的部件上而发生操作方式的设定时，对于操作方式的远程控制改变是尤其有利的。

附图说明

为了更加详细地解释本发明，现在将基于附图来描述本发明的实施例的示例，附图中的图形示出如下：

图1：在用于满足EN60947-5-6的NAMUR操作的电路中的根据现有技术的开关放大器；

图2：在用于非NAMUR操作的电路中根据现有技术(例如根据EN1434-2的OB类)的开关放大器；以及

图3：根据本发明的、以尤其是呈在满足EN60947-5-6的操作(NAMUR)与0至20mA操作(非NAMUR)之间可切换的电路的形式的、可配置的测量和操作电子设备。

具体实施方式

图1和图2示出已知的开关放大器，在此该已知的开关放大器作为整体由符合EN60947-5-6的电路(图1)中的参考标记1表示或者由例如根据EN1434-2的OB类的用于“非NAMUR”操作的电路(图2)中的参考标记1表示。开关放大器1是测量装置的测量发送器的电流控制电路的一部分。开关放大器1包括开关晶体管2和与开关晶体管2并联连接的第一电阻器3，第一电阻器3在此处简称为并联电阻器3。在并联电阻器3的电流路径中提供跳线4的第一插入位置J1。如果引入跳线4，诸如图1所示，并联电阻器3诸如之前描述的那样并联地连接到开关晶体管2的集电极-发射极路径。如果移除跳线4，则通过并联电阻器3的电流路径被中断。

在示出的电路的情况下，开关晶体管2的发射极与端子块6的接线(connection)5连接。端子块6的另一个接线7经由串联连接的电阻器8(在此处被称为串联电阻器)与并联电阻器3的并联电路连接以及与开关晶体管2的集电极连接。另外，跳线4的另一个插入位置J2与串联电阻器8并联连接，使得在不插入跳线4中的情况下，诸如图1所示，电流流经串联电阻器8。

如果跳线4被引入到插入位置J2，则串联电阻器8被分流，并且电流经由跳线4流动，诸如图2所示。

连接到端子块6的是2L电流环路的两个导体，这两个导体将测量装置与过程控制器9连接，使得一个导体在接线5处与线连接，并且另一个导体在端子块6处与接线7连接。过程控制器9仅被示意性地指示。开关晶体管2经在图1和图2中同样仅示意性地指示的开关放大器1的输入级10操作。

在图1中所示的开关放大器的第一操作方式的情况下，并联电阻器3经由插入到插入位置J1中的跳线4并联连接到开关晶体管2。另一个插入位置J2是空的，使得串联电阻器8位于接线7与开关晶体管2之间的电流路径中。该操作方式与根据EN60947-5-6的NAMUR操作对应。如果促使开关晶体管2导通，则电流从端子块6的接线7经串联电阻器8和开关晶体管2流向端子块6的接线5。在这样的情况下，可以忽略导通开关晶体管2两端的电压降引起的流经并联电阻器3的寄生电流。最终结果是，串联电阻器8限制短路电流。

如果开关晶体管2变得不导通，电电流从端子块6的接线7发生经由串联电阻器8和并联电阻器3流向端子块6接线5。这意味着通过串联电路的电流由串联电阻器8和并联电阻器3确定。

在8.2V的标准化操作参数和对于高状态的从2.2mA至8mA的电流值以及对于低状态的从0.35mA至1.2mA的电流值的情况下，对于串联电阻器而言产生1千欧姆的典型值并且对于并联电阻器3而言产生11千欧姆的典型值。

在这种操作方式的情况下，测量过程控制器中的电流可以起到监测测量装置的线11的作用。如果实际电流值位于0.35mA之下，则该电流值可以被计算为指示线路中断，而在超过8mA的电流值的情况下，该电流可以被计算为指示短路。在检测到这样的不正确的电流值之后，过程控制器可以触发相应的警告，并且在给定情况下，导致从设备的受控操作切换到处理操作(handled operation)。

在第二操作方式下，诸如图2所示，测量值由所设定的电流的值表示，并且电流由过程控制器9寄存。根据熟知的工业标准，经由电流环路传输的电流位于0mA与20mA之间。

为此，从插入位置J1移除跳线4并且将跳线4引入到插入位置J2中。发生电流从端子块6的接线5经由开关晶体管2并且利用串联电阻器8的通过插入位置J2中的跳线4的分流流向端子块6的接线7。像在第一操作方式的情况下，测量装置可以通过端子块6经由2L线经由接线11和12与过程控制器9连接。

在该操作方式的情况下，根据NAMUR建议的线11的功能监测是不可能的。在该解决方案的情况下的不利之处在于，对于操作方式的每一次改变，维修技工必须访问装置，打开装置并且在装置中进行修补，即，以便将跳线4移动到相应的适当的插入位置J1或J2中。这在大规模制造厂中的广泛分布的装置的情况下或在暴露位置处的装置的情况下可能是非常麻烦的。而且，为了切换操作方式，必须打开测量装置壳体，并且接触或甚至移除电子组件。结果，因静电放电或作为在再密封壳体的情况下意外地留下的未密封的位置结果，存在损害装置电子设备的危险。两者都会导致装置的失灵或故障。

在用于测量装置以便传送测量装置的测量信号的可配置的测量和操作电子设备的图3中所示的本发明的实施例的情况下，不需要将电路切换至另一个操作方式的这样的介入。相反，切换操作方式可以例如由软件甚至在远程控制下发生。以这种方式，不仅可以节省切换操作方式的维修技工的时间成本和劳动成本，而且还增加了测量装置的可靠性，因为电子设备不因静电放电而遭到危险，并且测量装置壳体的连续密封状态通过消除打开壳体的理由而得到支持。最后，具有本发明的电子设备的测量装置可以被紧凑地构造，因为在布置电路板和部件的情况下，不再需要考虑跳线4及其插入位置J1和J2的可及性。而且，可以省略电阻器3和8以及插入位置J1和J2。

在本发明的解决方案的情况下尤其有利的是，切换电子设备的操作方式事实上可以在任何时间发生，并且根据需要频繁地进行，使得可以经由不同的传输协议几乎同时传输数据。

本发明的测量发送器包括微控制器电路，该微控制器电路在此处以集成微控制器13的形式。微控制器13的电路受到限制并且被简要地示出为框图用于解释本发明的目的。例如用于经由现场总线通信的其它电路可以以常用方式提供。所示的测量发送器包括用于提供直流电压的所谓的降压转换器14，所提供的直流电压从通常24V直流电压的内部供应电压获得。降压转换器14的输出电压可以由微控制器13经由线30控制，并且降压转换器14的输出由微控制器13经由线31监测。此外，降压转换器14的输出与作为整体以参考标记15表示的电流控制电路连接。降压转换器14的输出电压的设定经选择以匹配当前操作状态的操作参数并且还能够下降以便限制电流控制电路15中的功率损耗。

测量装置的测量和操作电子设备，尤其是测量发送器，经由接线11和12连接到电流环路。电流环路的外部由过程控制器9形成。可以在电流环路中设定表示测量值和/或以模拟或数字形式的其它数据的测量信号电流。

接线11上的输出电压经由线32监测。各种类型的一般状态和诊断信息可以源自于电压信号。

除了模拟电信号或数字PPS信号之外，常常需要经由2L电流环路传输其它信息，例如校准数据、参数数据、操作温度和电压等。为了传输该信息，将高频信号叠加在测量信号上。用于传送这样的信息的协议是例如HART(可寻址远程传感器高速通道)协议。经由去耦电容器16和带通滤波器17，从过程控制器经由2L线提供的HART输入信号从接线11引取，耦合输出并且经由线33被馈送至微控制器13以便解码和计算。

HART输出信号经线34从微控制器13输出并且被馈送至混合器19，作为在伪正弦发生器18中调节的数模转换信号。进一步的输入信号从数模转换器(DAC)20被馈送至混合器19。DAC 20在此处被示出为独立电路元件，输出表示测量值的信号。来自微控制器13的信号例如作为脉冲宽度调制信号经由线缆35输出。视需要，FPS NAMUR信号(频率/脉冲/状态)可以经由线36直接被馈送至混合器19。

混合器19在其输出上呈现与将在电流环路中设定的电流的期望值对应的信号。混合器19的输出与两个运算放大器(OPAMP)21、22的输入连接，两个运算放大器(OPAMP)21、22形成电流控制电路15的输入级10。第一OPAMP 21控制电流控制电路15的第一晶体管23。第一晶体管23的发射极与降压转换器14的输出连接，而集电极与电流环路的正接线(plus-connection)11连接。第二OPAMP 22控制第二晶体管24，第二晶体管24的集电极与电流环路的正接线11连接并且其发射极与地面连接。在地面与电流环路的负接线(minus-connection)12之间布置有电阻器25，电阻器25充当电流测量电阻器并且具有相应低的值。

布置在电流环路的正接线11与负接线12之间的是第三晶体管26，其中，集电极与正接线11连接并且发射极与负接线12连接。晶体管26目的支撑地被实施为具有例如1欧姆的小阻抗值的(未示出的)发射极电阻器，以便能够测量流经晶体管26的电流。

电流环路的负接线12经由线37被反馈至OPAMP 21、22的反相输入。此外，电流环路的负接线12与模数转换器(ADC)27连接，模数转换器(ADC)27的数字输出信号经由线缆38馈送至微控制器13的输入端口。来自电流环路的负接线12的电压信号也可以经由线39直接被馈送至微控制器13的端口连接器，用于直接的是/否配准(direct Yes/No registration)。作为经过电阻器25的电流的功能，在电流环路的负接线12上设定对地电压差，其中，在此处计算该电压差。

具有运算放大器的电流控制器的操作对于本领域的技术人员而言是已知的，并且因此，不在此处进一步详细解释。

除上述输出之外，微控制器13具有另外的四条输出线40至43，四条输出线40至43在附图中用FPS_ACTIV有源FPS、FPS_PASSIV无源FPS、AKTIV_LOCK有源锁和PASSIV_LOCK无源锁标记。线40(FPS_ACTIV有源FPS)通向第一晶体管23的基部，而线41(FPS_PASSIV无源FPS)通向第三晶体管26的基部。

线42和43(与AKTIV_LOCK有源锁和PASSIV_LOCK无源锁对应)通向OPAMP 21或22上的控制输入。如果输出42(AKTIV_LOCK有源锁)上的电平处于低(0V)状态或如果输出42是高电阻，则OPAMP21不能操作第一晶体管23。如果电平处高(+3V)状态，则OPAMP 21可以操作晶体管23。以类似的方式，当输出43(PASSIV_LOCK无源锁)上的电平处于高(+3V)状态或高电阻时，OPAMP 22不能操作第二晶体管24。然而，如果电平处于低(0V)状态，则OPAMP 22可以操作晶体管24。因此，OPAMP 22、23的这些输入在附图中被符号化为开关。

在与根据EN60947-5-6的NAMUR操作对应的第一操作方式下，数字FPS NAMUR信号(频率/脉冲/状态)从微控制器电路13经由线36直接被馈送至混合器19。到第一晶体管23的基部的线40(FPS_ACTIV有源FPS)和到第三晶体管26的基部的线41(FPS_PASSIV无源FPS)位于0V。因此，晶体管23和26是不导通的。电流环路从过程控制器9作为外部电压源被供给并且从接线11经由晶体管24和电流测量电阻器25以及接线12引导回至过程控制器9。相应地，线42(AKTIV_LOCK有源锁)上的信号处于低(0V)状态，并且OPAMP 21不能操作第一晶体管23。线43(PASSIV_LOCK无源锁)同样处于低(0V)状态，并且OPAMP 22可以操作晶体管24。因此，电流控制电路15作为以无源负载的形式的外部电压源作用在过程控制器9上。OPAMP 22从混合器19获得其输入信号，使得电流控制电路15对于FPS NAMUR信号的低状态将输出电流设定到0.35mA至1.2mA的值，并且对于数字FPS NAMUR信号的高状态将输出电流设定到2.2mA至8mA的值。

在这样的情况下，根据公式U＝R×I，与电流对应的电压跨过电流测量电阻器25下降，其中U＝电压(单位，伏)，R＝电流测量电阻器25的电阻值(单位，欧姆)，并且I＝实际上流经电流测量电阻器25的电流的值(单位，安培)。晶体管24的发射极输出上相对于基准地面为负的该电压经由线37反馈至OPAMP 22的反相输入以便控制电流以及反馈至模数转换器(ADC)27的输入。数字化信号经由线38馈送至微控制器13。以这种方式，在电流环路中电流的实际值可以通过微控制器13中的软件计算。如果所获得的信号与小于0.35mA(尤其是小于0.2mA)的实际流动电流值对应，则这指示电流环路的中断，例如通过连接到过程控制器9的线切断来中断。由于在这样的情况下从作为电流环路的外部电压源的过程控制器9的连接消失，所以独立于OPAMP 22在晶体管24上的作用，电流可能具有不值得一提的值。这一定程度上也适用于到过程控制器9的线中的短路，因为在这样的情况下电压经短路下降。因此，故障状态(线中断或短路)不仅可以由过程控制器9识别，而且还可以由测量装置的操作电子设备识别。即使当操作电子设备的这种自诊断能力不能对中断和短路进行区分时，也可直接从测量装置输出警告信号。因此，例如位于测量装置附近的人可以直接执行需要的测量，例如进行对过程的手动控制。

在电流输出无源的附加操作方式下，电流环路的电流路径与上述电流路径对应。为此，表示测量值的信号例如作为脉冲宽度调制信号经由线缆35从微控制器13输出至DAC20。DAC 20在此处被示出为独立电路元件，将表示测量值的模拟信号输出至混合器19。诸如上述，混合器19的输出信号输出至OPAMP 22并且电流环路中的电流相应地被控制。如果需要，则经对实际电流的计算来校正PWM信号，并且因此，电流的外部控制可以发生。

在随着负载电流输入状态的附加操作方式下，电流环路的电流路径与如上所述的电流路径对应。在这样的情况下，经由PWM输出35，预定的固定负载电流在电流环路中被预定，并且经由OPAMP 22在电流环路中被设定。经由线32，在接线11处的电压变化被寄存并且被传输至微控制器13并且被计算。在该操作方式的情况下，选项是模拟较早的常态输入(尤其是具有非线性特性曲线的这样的输入)的特性以便在现有过程控制设施中使用。

在电流输入无源的附加操作方式下，电流环路的电流路径与如上所述的电流路径对应。为此，表示最大电流(例如，25mA)的信号例如作为脉冲宽度调制信号从微控制器经由线缆35输出至DAC 20。DAC20在此处被示出为独立电路元件，将相应的模拟信号输出至混合器19。混合器19的输出信号如上所述输出至OPAMP 22。因为实际电流通常位于最大电流之下，所以OPAMP 22在饱和状态下工作。如果电流环路中的电流上升到最大值以上，则晶体管24开始阻塞并且因此防止附加电流上升。最大电流的阈值可以通过改变PWM信号的工作周期(duty cycle)来改变。如上所述那样测量并且相应地计算电流环路中的电流。

在状态输入高电阻的附加操作方式下，线43(PASSIV_LOCK无源锁)上的信号被设定为高(+3V)，并且OPAMP 22不能操作晶体管24。因此，电流控制电路15被停用。接线11上的电压像在“状态随负载电流输入”的操作方式的情况下那样被测量并且被计算。

在电流输入有源的附加操作方式下，电流控制电路被配置成类似于在“电流输入无源”的操作方式下的电流控制电路。然而，在这种情况下，信号线43(PASSIV_LOCK无源锁)被设定为高(+3V)，并且OPAMP 22不能操作晶体管24。然而，输出42(AKTIV_LOCK有源锁)上的电平同样处于高(+3V)状态，并且OPAMP 21可以操作晶体管23。在这样的情况下，充当电压源的是内部降压转换器14，内部降压转换器14经由线30由微控制器13操作。表示最大电流(例如，25mA)的信号例如作为脉冲宽度调制信号从微控制器经由线缆35输出至DAC 20。DAC 20在此处被示出为独立电路元件，将相应的模拟信号输出至混合器19。混合器19的输出信号如上所述输出至OPAMP21。因为实际电流通常位于最大电流之下，所以OPAMP 21在饱和状态下工作。如果电流环路中的电流上升到最大值以上，则晶体管23开始阻塞并且因此防止附加电流上升。最大电流的阈值可以通过改变PWM信号的工作周期来改变。电流环路中的电流如上所述被测量并且相应地被计算，其中，在这种情况下，电流测量电阻器25两端的压降呈现正值。

在电流输出有源的附加操作方式下，内部降压转换器14充当电压源，其由微控制器经由线30操作。在这种情况下，线43(PASSIV_LOCK无源锁)上的信号被设定为高(+3V)，并且OPAMP 22不能操作晶体管24。输出42(AKTIV_LOCK有源锁)上的电平同样处于高(+3V)状态，并且OPAMP 21可以操作晶体管23。经由电缆35，表示测量值的信号例如作为脉冲宽度调制信号从微控制器输出至DAC 20。DAC 20在此处被示出为独立电路元件，将表示测量值的模拟信号输出到混合器19。混合器19的输出信号输出至OPAMP 21并且电流环路中的电流相应地被控制。电流环路中的电流如上所述被测量并且相应地被计算，其中，在这种情况下，电流测量电阻器25两端的压降呈现正值。在这样的情况下，电流测量电阻器25的电压值的反馈转到OPAMP 21的反相输入。如果需要，则经由对实际电流的计算来校正PWM信号，并且因此，电流的外部控制可以发生。另外，在此处，自诊断是可能的。即，如果预定的电流值不能被控制，而是，替代地，接线12上的电压近似为零，则在电流环路中存在线中断。

在FPS有源的附加操作方式下，线43(PASSIV_LOCK无源锁)上的信号被设定为高(+3V)，并且线42(AKTIV_LOCK有源锁)上的信号被设定为低(0V)，使得晶体管23和晶体管24两者都不能由OPAMP 21和22操作。晶体管23在切换操作中经由线40(FPS_ACTIV有源FPS)上的时钟信号直接被操作，同时，经由线41(FPS_PASSIV无源FPS)上的反向FPS信号，晶体管26在推挽式操作中被操作。经过电流环路的电流可以如上所述被测量并且被计算。

在FPS无源的附加操作方式下，同样地，线43(PASSIV_LOCK无源锁)上的信号被设定为高(+3V)，并且线42(AKTIV_LOCK有源锁)上的信号被设定为低(0V)，使得晶体管23和晶体管24两者都不能由OPAMP 21和22操作。线40(FPS_ACTIV有源FPS)上的信号处于低(0V)状态。在切换操作中，晶体管26由FPS信号直接操作。电流环路中的电压源由过程控制器9形成。如果接线11上的可以经由线32寄存的电压超出接线12上的可以经线37和ADC27寄存的电压比如0.8V的值，则晶体管26已从切换操作改变至线性操作。在检测到该状态之后，微控制器13可以输出警告信号，并且输出电流断开，以便防止晶体管26受到热过载的破坏。

除了如上文所描述且在图中示出的具有用于传送测量信号的可配置的测量和操作电子设备(尤其是具有测量发送器)的测量装置的实施例之外，在本发明的背景下，可以提供许多其它实施例，在这种情况下，电流控制电路具有从0mA至20mA的控制范围以及在非NAMUR操作(例如，根据EN1434OB类的无源脉冲)中和根据EN60947-5-6的NAMUR操作中还允许作为开关放大器操作。

附图标记列表

1 开关放大器

2 开关晶体管

3 并联电阻器

4 跳线

5 6的接线

6 端子块

7 6的接线

8 串联电阻器

9 过程控制器

10 输入级

11 2L线的接线

12 2L线的接线

13 微控制器

14 降压转换器

15 电流控制电路

16 去耦电容器

17 带通滤波器

18 伪正弦发生器

19 混合器

20 数模转换器(DAC)

21 运算放大器

22 运算放大器

23 第一晶体管

24 第二晶体管

25 电流测量电阻器

26 第三晶体管

27 模数转换器(ADC)

28 -

29 -

30 线(操作降压转换器)

31 线(降压转换器的输出)

32 线(监测输出电压)

33 线缆(HART输入)

34 线缆(HART输出)

35 线缆(PWM信号)

36 线(FPS NAMUR信号)

37 线(反馈)

38 电缆(实际值环路电流，数字式)

39 线(指示器环路电流)

40 线(FPS_ACTIV有源FPS)

41 线(FPS_PASSIV无源FPS)

42 线(AKTIV_LOCK有源锁)

43 线(PASSIV_LOCK无源锁)

J1 跳线的插入位置

J2 跳线的插入位置

Claims

1.一种包括用于传送测量信号的可配置的测量和操作电子设备的测量装置，其中，所述测量装置包括至少一个测量发送器，所述至少一个测量发送器具有用于输出受控电流的电流控制电路(15)，其中，在第一操作方式下能够将电流设定在第一电流范围内，并且在第二操作方式下能够将电流设定在第二电流范围内，所述第二电流范围具有比所述第一电流范围更大的区间，

其中，所述测量装置进一步包括微控制器电路(13)，并且所述微控制器电路(13)与所述电流控制电路(15)连接，其中，所述微控制器电路(13)经由线(36)与所述电流控制电路(15)连接，以传送数字信号用于操作所述电流控制电路(15)，其中，所述数字信号具有低状态和高状态，并且其中，通过由所述数字信号操作所述电流控制电路(15)，在所述第一操作方式下，对于所述低状态能够将输出电流设定成具有第一电流电平区间中的电流电平，并且对于所述数字信号的高状态能够将输出电流设定成具有第二电流电平区间中的电流电平，

其中，所述第二电流范围能够被设定成在0mA和至少20mA之间的电流，

其中，用于操作所述电流控制电路(15)的所述数字信号的传输使得在所述第一操作方式下的所述数字信号的低状态下对于所述第一电流电平区间能够设定从0.35mA至1.2mA的输出电流，以及在所述第一操作方式下的所述数字信号的高状态下对于所述第二电流电平区间能够设定从2.2mA至8mA的输出电流。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，在所述第一操作方式下通过所述数字信号能够将所述输出电流设定成使得所述第一电流电平区间具有所述第一电流电平区间的下限值和所述第一电流电平区间的上限值；并且使得所述第二电流电平区间具有所述第二电流电平区间的下限值和所述第二电流电平区间的上限值，其中，所述第一电流电平区间的上限值被固定使得其具有比所述第二电流电平区间的下限值更小的幅值。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一电流范围能够被设定成在0.35mA和至少8mA之间的电流。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电流控制电路(15)进一步包括电流测量系统(25)，所述电流测量系统(25)与所述微控制器电路(13)连接，用于反馈所设定的电流的实际值。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电流控制电路(15)在第一操作方式下作为无源负载连接到外部电压源。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，在微控制器电路(13)与电流控制电路(15)之间的接线包括用于传送用于设定所述第一操作方式和所述第二操作方式的控制信号的专用线。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，在微控制器电路(13)与电流控制电路(15)之间的接线包括用于传送用于设定所述第一操作方式和所述第二操作方式的控制信号的四条专用线(40、41、42、43)。

8.一种用于使用测量装置来操作用于传送测量信号的可配置的测量和操作电子设备的方法，其中，所述测量装置包括至少一个测量发送器，所述至少一个测量发送器具有用于输出受控电流的电流控制电路(15)，其中，在第一操作方式下能够将电流设定在第一电流范围内，并且在第二操作方式下能够将电流设定在第二电流范围内，所述第二电流范围具有比所述第一电流范围更大的区间，并且其中，所述测量装置进一步包括微控制器电路(13)，并且所述微控制器电路(13)与所述电流控制电路(15)连接，

并且其中，为了操作所述电流控制电路(15)，从所述微控制器电路传输数字信号，其中，所述数字信号具有低状态和高状态，并且其中，通过由所述数字信号操作所述电流控制电路(15)，通过所述电流控制电路(15)设定所述输出电流，在所述第一操作方式下，对于所述低状态，所述输出电流具有第一电流电平区间中的电流电平，并且对于所述数字信号的高状态，所述输出电流具有第二电流电平区间中的电流电平，

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述第一操作方式下，通过所述数字信号能够将所述输出电流设定成使得所述第一电流电平区间具有所述第一电流电平区间的下限值和所述第一电流电平区间的上限值；并且使得所述第二电流电平区间具有所述第二电流电平区间的下限值和所述第二电流电平区间的上限值，其中，所述第一电流电平区间的上限值被固定使得其具有比所述第二电流电平区间的下限值更小的幅值。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一电流范围能够被设定成在0.35mA和至少8mA之间的电流。

11.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述电流控制电路(15)相对于外部电压源起无源负载的作用。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述电流控制电路(15)中设定的电流的实际值被监测，并且当所述电流低于0.35mA的值时，输出警告信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，当所述电流小于或等于0.2mA的值时，输出警告信号。

14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在外部供应电压至少在从0.4V到36V的范围内的情况下，所设定的电流独立于所述外部供应电压。

15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，借助于控制信号，通过所述电流控制电路(15)的部件(21、22、23、26)上的直接作用发生所述第一操作方式和所述第二操作方式的设定。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，通过四个控制信号，通过所述电流控制电路(15)的部件(21、22、23、26)上的直接作用发生所述第一操作方式和所述第二操作方式的设定。