CN105900023A - 检测或监测介质的物理或化学过程变量的现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在自动化技术中用于检测或监测介质的物理或化学过程变量的现场设备，该现场设备具有：设置在初级侧(P)的功率输出(6)和设置在次级侧(S)的电子单元(3，13)，通过两条连接线(4)从初级侧(P)向电子单元提供能量，其中电子单元(3)控制功率输出(6)使得在连接线(4)中流动的直流电流表示在次级侧(S)上检测的过程变量的值；至少一个提供数字数据(Data)的通信单元(7)；以及具有在初级侧(P)和次级侧(S)之间传输数字数据(Data)的流电解耦传输装置(9)。其中电路结构具有：初级侧开关对(11)的两个开关，初级侧开关对(11)的开关被设置在每条连接线(4)；至少一个次级侧开关对(12)的两个开关，其中次级侧开关对(12)的开关被设置在每条连接线(4)；设置在初级侧(P)和次级侧(S)之间的中间能量存储装置(18)和与次级侧(S)相结合的次级侧能量存储装置(19)，其中两个能量存储装置彼此并联连接；以及至少一个电子控制电路(14)，其交替地控制开关对(11，12)使得初级侧和次级侧(S)彼此流电断开。

Description

检测或监测介质的物理或化学过程变量的现场设备

技术领域

本发明涉及一种在自动化技术中用于检测或监测介质的物理或化学过程变量的现场设备，所述现场设备具有：设置在初级侧的功率输出和设置在次级侧的电子单元，所述次级侧的电子单元通过两条连接线从初级侧提供能量，其中电子单元控制功率输出使得在连接线中流动的直流电流表示在次级侧上检测到的过程变量的值；至少一个提供数字数据的通信单元；以及在初级侧和次级侧之间传输数字数据的流电解耦传输装置。

背景技术

在自动化技术中，尤其是在过程自动化技术中，所使用的现场设备用于确定和监测过程变量。这种现场设备的示例是料位测量装置、流量测量装置、分析测量装置、压力和温度测量装置、湿度和电导率测量装置、以及密度和粘度测量装置。这种现场设备中的传感器采集相关的过程变量，例如料位、流量、pH值、物质浓度、压力、温度、湿度、电导率、密度或粘度。

在本发明相关的术语“现场设备”的意义下，如阀或泵的致动器也被归入现场设备，由此，例如，在其作用下管道中的液体流量或容器中的料位可以改变。Endress+Hauser企业集团提供和销售种类繁多的这类现场设备。

4-20mA标准被广泛应用于自动化技术。这里，在电线中流动的直流电流被调节，使得在每种情况下，其表示过程变量的当前值。如果是双线式设备，那么电能供应和数据传输通过相同的双线线路来实现。

为了防止在初级侧和次级侧之间传输线路结合(line-bound)的电磁干扰，现有技术公知的是使用滤波器电路或流电(galvanic)断开。

已知的解决方案具有优点以及缺点。滤波器电路具有的优点是其价格便宜并且易于实现。然而，很难以至几乎不可能实现良好的带宽抑制。为了实现带宽抑制，滤波器功能必须适应系统灵敏度，这又需要复杂的开发。

基于流电断开，例如变压器或换能器，比滤波器电路更难于开发，但是确实在初级侧和次级侧之间在线路结合的电子干扰方面产生良好的解耦。然而，解耦不是完美的：由于变压器/换能器的设计，通常在初级侧和次级侧之间存在电容耦合。由于电容耦合，电磁干扰可以从初级侧传输到次级侧。此外，效率通常最多在70％和80％之间，这对于具有有限可用能量的两线式设备是相当关键的。另外，通过流电断开传输静态信号被证明是相对复杂的。

发明内容

本发明的目的是提供一种现场设备，其中初级侧和次级侧之间的解耦在线路结合电磁干扰方面进行改进。改进是基于使用变压器或换能器的流电断开。能量和数据在初级侧和次级侧之间进行传输。

该目的通过一种电路结构来实现，所述电路结构具有：

-初级侧开关对的两个开关，其中初级侧开关对的开关被设置在每条连接线，

-至少一个次级侧开关对的两个开关，其中次级侧开关对的开关被设置在每条连接线，

-设置在初级侧和次级侧之间的中间能量存储装置和与次级侧相结合的次级侧能量存储装置，其中这两个能量存储装置彼此并联连接，以及

-至少一个电子控制电路，其交替地控制这些开关对，使得初级侧和次级侧彼此电断开。

本发明的基本思想是通过适当的机电或电子开关对的定时控制电路来持久地从初级侧流电断开次级侧。

根据一个有利实施例，根据本发明的现场设备被配置为两线式设备，意思是电能供应和通信通过相同的双线线路实现，或者根据本发明的现场设备被配置为四线式设备，即电源和通信各自通过两条分开的连接线实现。

此外，根据本发明的现场设备可以是紧凑型设备，其中初级侧的组件和次级侧的组件被设置在一个外壳中。或者，根据本发明的现场设备是分离型的现场设备。这里，初级侧的组件的一部分与第一外壳相结合，并且初级侧的组件的其余部分和次级侧的组件与第二外壳相结合。利用这种分离型，两个外壳被设置为彼此间隔一段距离，并且通过连接电缆彼此连接。

根据本发明的现场设备的第一有利实施例，初级侧开关对和次级侧开关对之间的中间能量存储装置被设置成并联连接。与中间能量存储装置并联连接的次级侧能量存储装置在次级侧开关对的下游。至少一个控制电路交替地在预定的或可变的第一时间间隔内闭合初级侧开关对的开关以及打开次级侧开关对的开关，在后续的预定或可变第二时间间隔内，闭合次级侧开关对的开关，而打开初级侧开关对的开关。确定时间间隔的大小，使得在次级侧总有用于操作电子单元的足够的可用能量。特别地，时间间隔适应于能量存储装置的容量。

根据本发明的现场设备的一个可替代实施例，两个并联连接的能量存储装置被设置在初级侧开关对和次级侧开关对之间。与两个中间能量存储装置并联连接的次级侧能量存储装置在次级侧开关对的下游。至少一个控制电路交替地，在预定或可变第一时间间隔内，通过初级侧开关对的开关和次级侧开关对的开关将第二中间能量存储装置连接到电源，以及通过次级侧开关对的开关将第一中间能量存储装置连接到次级侧能量存储装置，和在预定或可变第二时间间隔内，第二中间能量存储装置通过次级侧开关对的开关连接到次级侧能量存储装置，以及第一中间能量存储装置通过初级侧开关对的开关连接到电源。在这个实施例中，电子单元被持久提供能量，而初级侧和次级侧之间的线路结合电磁干扰的传输被持久阻止。

还为了实现在分离型的现场设备中的流电断开，在初级侧，第二初级侧开关对设置有在两条连接线的每条中的一个开关和第二初级侧控制电路。初级侧仍与初级侧开关对的开关和初级侧控制电路相结合。在次级侧，次级侧开关对设置有在两条连接线的每条中的相应开关。中间能量存储装置被设置成并联连接在初级侧开关对和次级侧开关对之间。次级侧能量存储装置被设置成与中间能量存储装置并联连接。在下述两种操作状态之间交替地来回切换：在第一时间间隔内，第二初级侧控制电路闭合第二初级侧开关对的开关，第一初级侧控制电路同时闭合初级侧开关对的开关，以及次级侧控制电路同时打开次级侧开关对的开关；在第二时间间隔内，第二初级侧控制电路打开第二初级侧开关对的开关，第一初级侧控制电路同时打开初级侧开关对的开关，以及次级侧控制电路同时闭合次级侧开关对的开关。

优选的是，能量存储装置是电容器或电池。在使用电容器的情况下，电容器的电容和/或预定时间间隔的长度被确定大小，使得现场设备操作所需的最小能量始终可用。在电池的情况下处理是类似的。

根据本发明的现场设备的一个有利发展，开关对的开关是电容解耦开关。在这种情况下，电容解耦开关包括两个串联连接的开关以及并联连接的第三开关。在电容解耦开关的打开状态下，两个开关的连接线通过第三开关接地。继电器或晶体管被用作开关。

流电断开传输装置是光传输链路(光纤电缆或光纤耦合器)，以及电容或无线电传输链路。

附图说明

通过以下附图对本发明进行更详细的说明，其中：

图1是示出紧凑型的本发明现场设备的第一实施例的方框图，

图2是示出紧凑型的本发明现场设备的第二实施例的方框图，

图3是示出分离型的本发明现场设备的实施例的方框图，

图4是在上述附图中所示的开关的优选实施例的方框图，以及

图5是在图2中所示的开关组合的优选实施例的方框图。

具体实施方式

图1示出了说明紧凑型的本发明现场设备的第一实施例的方框图。根据本发明的现场设备优选是在自动化技术中用于检测或监测介质的物理或化学过程变量。现场设备和过程变量的示例已经在背景技术部分中提到。

在初级侧P设置功率输出6，而电子单元3位于次级侧S。电子单元3与传感器13相结合。在所示的情况下，次级侧S的电子单元3通过双线式线路4从初级侧P获得能量。能量由远程布置的电压源25提供。电压调节器5a、5b用于将电压从电压源25转换为电子单元3操作所需的电压。在所示的情况下，电压调节器5a被配置在初级侧P上作为升压转换器，而在次级侧S上的电压调节器5b是降压转换器。

电子单元3控制功率输出6，使得在双线式线路4中流动的直流电流表示在次级侧S检测的过程变量的值。此外，通信单元7被设置在次级侧S，其提供数字数据Data，并且通过连接线9将其发送到初级侧P。连接线9是流电解耦传输装置。适当的传输装置的示例先前已经提及。不言而喻，通信还可以从初级侧P到次级侧S发生。数字数据可以是，例如，校准数据、参数数据或状态信息。在所示的双线式设备的情况下，这种通信数据被调制为反映过程变量的值的直流信号。

在图1所示的实施例中，两个开关对11、12通过两个控制电路14进行适当地切换，用于初级侧P和次级侧S之间的流电断开8。开关对11被设置在初级侧P。在每种情况下，开关对11的两个开关之一被设置在双线式线路4的两条连接线中的一条。

开关对12被设置在次级侧S。在每种情况下，开关对12的两个开关之一同样地被设置在双线式线路4的两条连接线中的一条。在每种情况下，开关对11的一个开关因此在双线式线路4的每条连接线中与开关对12的开关串联连接。在初级侧P的开关对11的开关由控制电路14a控制，而在次级侧S的开关对12的开关由控制电路14b控制。两个控制电路14a，14b的同步由电子单元3通过传输线10来实现。

在设置在初级侧P和次级侧S上的两个开关对11、12之间，并联连接有中间能量存储装置，在这里是具有电容C1的电容器18。另一个能量存储装置，在这里是具有电容C2的电容器19，位于次级侧S的开关对12的后面。中间能量存储装置18和次级侧S上的能量存储装置19并联连接。所示的电路结构允许连续地操作次级侧S上的电子单元3，但持久地从初级侧P解耦次级侧S。因此，开关对11、12的开关必须适当地控制。

通过控制电路14a、14b控制开关对11、12，如下所述：

在第一时间间隔内，开关对11的开关被闭合，同时中间能量存储装置18充电，同时开关对12的开关被打开；

在随后的第二时间间隔内，开关对11的开关被打开，并且同时开关对12的开关被闭合。由于这种切换序列，电荷从中间能量存储装置或从电容器18传输到设置在次级侧S的电容器19。随后，在第一时间间隔内，开关对12的开关再次被打开，而开关对11的开关被闭合。在电容器18的充电阶段过程中，次级侧S上的电子单元3由电容器19提供能量。随后，电路结构根据第二时间间隔的切换如前所述的重复。

在图2所示的解决方案中，两个中间能量存储装置或两个电容器16、17在初级侧P和次级侧S上的开关对11、12之间并联连接。次级侧能量存储装置19进一步在次级侧开关对12的下游与两个中间能量存储装置16、17并联连接。控制电路14分别与开关对11、12相结合。两个控制电路14被同步以在第一时间间隔和在第二时间间隔交替地在两个限定的开关状态之间切换。

在第一预定或可变时间间隔中的开关状态期间，通过操作初级侧开关对11的开关，第二中间能量存储装置17与能量或电压源25连接，而通过操作次级侧开关对12的开关，第一中间能量存储装置16与次级侧能量存储装置19连接。在第二预定或可变时间间隔中的开关状态期间，通过操作次级侧开关对12的开关，第二中间能量存储装置17与次级侧能量存储装置19连接，而通过操作初级侧开关对11的开关，第一中间能量存储装置16与电源25连接。另外，在这个实施例中，任何时候没有初级侧P和次级侧S之间的电连接。电能供应通过中间能量存储装置16或通过中间能量存储装置17来实现。能量存储装置19的容量可以是尺寸小的，因其不必设计为用于第二时段内的电源，但是仅在两个中间能量存储装置16、17之间的切换过程中作为“旁路电容器”。

在图3中，根据本发明的现场设备的实施例，分离型的现场设备类似于图1中所示的紧凑型。这里，第二初级侧开关对15，其在双线式线路4的两条连接线的每条中各自具有一个开关，以及第二初级侧控制电路14a被设置在初级侧P。初级侧P仍与初级侧开关对11的开关和初级侧控制电路14b相结合。次级侧开关对12在双线式线路4的两条连接线的每条中各自具有一个开关，以及次级侧控制电路14c位于次级侧S。中间能量存储装置18被设置为在初级侧开关对11和次级侧开关对12之间并联连接。次级侧能量存储装置19被设置为与中间能量存储装置18并联连接。

同样，在第一时间间隔和第二时间间隔内交替地控制两个不同的开关状态。

在第一时间间隔内，第二初级侧控制电路14a闭合第二初级侧开关对15的开关，以及第一初级侧控制电路14b闭合初级侧开关对11的开关，而次级侧控制电路14c同时打开次级侧开关对12的开关。在第二时间间隔内，第二初级侧控制电路14a打开第二初级侧开关对15的开关，以及第一初级侧控制电路14b打开初级侧开关对11的开关。次级侧控制电路14c同时闭合次级侧开关对12的开关。

在图4中，在先前附图中所示的开关对11、12、15的开关中的一个的方框图。优选实施例防止开关对11、12、15的开关中的电容耦合。优选地使用根据本发明的开关对11、12、15的开关是电容解耦开关24。对于电容解耦开关24，在断开状态，中心M连接到地GND。通过这种连接，任何线相关的故障被驱散到地GND。开关对11、12、15的所有开关——无论是否是简单地或优化地设计——可以利用继电器或晶体管来实现。

图5示出了图2中所示的开关组合26的优选实施例的方框图。在图5中，开关组合26有两个电容解耦开关24组成。如果两个开关24中的一个打开，那么另一个开关24被闭合。为了实现两个开关24的切换行为，设置逆变器27。

附图标记列表

1 现场单元

2 功率输出控制

3 电子单元

4 双线式线路

5 电压调节器

6 功率输出

7 通信单元

8 流电断开

9 传输装置

10 传输装置

11 开关对(初级侧)

12 开关对(次级侧)

13 传感器

14 控制电路

15 第二开关对(次级侧)

16 中间能量存储装置

17 中间能量存储装置

18 中间能量存储装置

19 能量存储装置

20 逆变器

21 连接线

22 开关

23 连接电缆

24 电容解耦开关

25 电源/电压源

26 开关组合

Claims (13)

1.在自动化技术中用于检测或监测介质的物理或化学过程变量的现场设备，所述现场设备具有：

设置在初级侧(P)的功率输出(6)和设置在次级侧(S)的电子单元(3，13)，通过两条连接线(4)对所述电子单元供应来自所述初级侧(P)的能量，其中所述电子单元(3)控制所述功率输出(6)使得在所述连接线(4)中流动的直流电流表示在所述次级侧(S)上检测到过程变量的值；

至少一个提供数字数据(Data)的通信单元(7)；

在所述初级侧(P)和所述次级侧(S)之间传输数字数据(Data)的流电解耦传输装置(9)，

其中，电路结构设置有：

初级侧开关对(11)的两个开关，其中所述初级侧开关对(11)的开关被设置在每条连接线(4)，

至少一个次级侧开关对(12)的两个开关，其中所述次级侧开关对(12)的开关被设置在每条连接线(4)，

设置在所述初级侧(P)和所述次级侧(S)之间的中间能量存储装置(18)和与次级侧(S)相结合的次级侧能量存储装置(19)，其中这两个能量存储装置(18，19)彼此并联连接，以及

至少一个电子控制电路(14)，用于交替地控制所述开关对(11，12)以使得所述初级侧(P)和所述次级侧(S)彼此流电断开。

2.根据权利要求1的现场设备，

其中所述现场设备被设计为两线式设备，使得电能供应和通信通过相同的连接线(4)实现，或

其中现场设备被设计为四线式设备，由此电能供应和通信各自通过独立的连接线(4)实现。

3.根据权利要求1或2的现场设备，其中所述初级侧(P)的组件和所述次级侧(S)的组件被设置在一个外壳中。

4.根据权利要求1或2的现场设备，

其中所述初级侧(P)的组件的一部分与第一外壳相结合，

其中所述初级侧(P)的组件的其余部分和所述次级侧(S)的组件与第二外壳相结合，以及

其中这两个外壳被设置为彼此间隔开并且通过连接电缆(23)彼此连接。

5.根据权利要求1-3中至少一个的现场设备，

其中所述中间能量存储装置(18)被设置为在所述初级侧开关对(11)和所述次级侧开关对(12)之间并联连接，

其中所述次级侧能量存储装置(19)在所述次级侧开关对(12)的下游与所述中间能量存储装置(18)并联连接，以及

其中所述至少一个控制电路(14)交替地执行：

在预定的或可变的第一时间间隔内，闭合所述初级侧开关对(11)的开关以及打开所述次级侧开关对(12)的开关，和

在预定或可变第二时间间隔内，闭合所述次级侧开关对(12)的开关，而打开所述初级侧开关对(11)的开关。

6.根据权利要求1-3中至少一个的现场设备，

其中两个能量存储装置(16，17)被设置为在所述初级侧开关对(11)和所述次级侧开关对(12)之间并联连接，其中次级侧能量存储装置(19)在所述次级侧开关对(12)的下游与所述两个中间能量存储装置(16，17)并联连接，

其中至少一个控制电路(14)交替地执行：

在预定或可变第一时间间隔内，通过所述初级侧开关对(11)的开关将所述第二中间能量存储装置(17)连接到所述电源(25)，以及通过所述次级侧开关对(12)的开关将所述第一中间能量存储装置(16)连接到所述次级侧能量存储装置(19)，和

在预定或可变第二时间间隔内，通过所述次级侧开关对(12)的开关将所述第二中间能量存储装置(17)连接到所述次级侧能量存储装置(19)，以及通过所述初级侧开关对(11)的开关将所述第一中间能量存储装置(16)连接到所述电源(25)。

7.根据权利要求1、2或4中至少一个的设备，

其中在所述初级侧(P)设置在所述两条连接线(4)的每个中各具有一个开关的第二初级侧开关对(15)和第二初级侧控制电路(14a)，

其中所述初级侧(P)与所述初级侧开关对(11)的开关和所述初级侧控制电路(14b)相结合，

其中在所述次级侧(S)，所述次级侧开关对(12)具有分别在所述两条连接线(4)每个中的开关，

其中所述中间能量存储装置(18)被设置成并联连接在所述初级侧开关对(11)和所述次级侧开关对(12)之间，

其中所述次级侧能量存储装置(19)被设置成与所述中间能量存储装置(18)并联连接，

其中，所述第二初级侧控制电路(14a)交替地执行：

在第一时间间隔内闭合所述第二初级侧开关对(15)的开关，所述第一初级侧控制电路(14b)同时闭合所述初级侧开关对(11)的开关，并且所述次级侧控制电路(14c)同时打开所述次级侧开关对(12)的开关，和

在第二时间间隔内，所述第二初级侧控制电路(14a)打开所述第二初级侧开关对(15)的开关，所述第一初级侧控制电路(14b)同时打开所述初级侧开关对(11)的开关，并且所述次级侧控制电路(14c)同时闭合所述次级侧开关对(12)的开关。

8.根据权利要求1-7中至少一个的现场设备，

其中所述能量存储装置(16，17，18，19)是电容器或电池。

9.根据权利要求8的现场设备，

其中所述电容器的电容和/或所述预定时间间隔的长度被确定大小，使得所述现场设备操作所需的最小能量始终可用。

10.根据权利要求8的现场设备，

其中所述开关对(11，12，15)的开关优选是电容解耦开关。

11.根据权利要求10的现场设备，

其中所述电容解耦开关(24)包括串联连接的两个开关(22)以及并联连接的第三开关(22a)，其中在所述电容解耦开关(24)的打开状态下，所述两个开关(22)的连接线(21)通过所述第三开关(22a)接地。

12.根据权利要求1的装置，

其中所述流电断开传输装置(9，10)是光传输链路、电容传输链路或无线电传输链路。

13.根据前述权利要求的一个或多个的设备，

其中所述开关对(11，12，15)的开关是继电器或晶体管。