CN106462128B - 能冗余的输入电路、具有至少一个输入电路的输入电路单元、和用于运行这种输入电路单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能冗余的输入电路、具有至少一个输入电路的输入电路单元、和用于运行这种输入电路单元的方法。本发明提出：一种具有第一输入电路(12)和冗余的第二输入电路(14)的输入电路单元(10)，其中每个输入电路(12、14)包含用于输送能从信号发送器(16)获得的测量电流(I_M)的输入端(18、20)，其中测量电流(I_M)在测量电阻(R_M)上产生能够评估为测量值的电压降(U_M)，其中，第一输入电路与第二输入电路(12、14)的并联连接引起测量电流(I_M)到第一输入电路与第二输入电路(12、14)的分流，并且其中至少一个输入电路(12、14)具有用于补偿由于测量电流(I_M)的分流造成的、在测量电阻(R_M)上变小的电压降(U_M)的装置(26)；一种能在这种输入电路单元(10)中运行的、能切换的输入电路(12、14)；以及一种用于运行这种输入电路单元(10)的方法。

Description

能冗余的输入电路、具有至少一个输入电路的输入电路单元、 和用于运行这种输入电路单元的方法

技术领域

本发明涉及一种在下面被称为输入电路的、用于检测输入信号的电路。作为能冗余的输入电路，该输入电路实现了单独运行或者冗余运行，也就是与另外的输入电路一起运行，并且因此实现了非冗余地或冗余地检测相应的输入信号。本发明此外还涉及一种具有至少一个这种输入电路的输入电路单元，以及一种用于运行这种输入电路单元的方法。

背景技术

输入电路和冗余的输入电路本身是公知的。

在公知的输入电路中，经由固定为某个相应的测量范围设置的输入端实现对相应的输入信号的检测，在这些输入端上分别只能输送数字的或者模拟的输入信号。为了用于例如4mA到20mA的测量电流的模拟输入端的冗余而使用一种二极的输入电路。

由EP 2461221 A2公开了一种用于处理不同传感器类型的信号的、具有电路的控制设备。两种能连接的传感器类型提供或者模拟的电流信号或者PWM信号。为了提供对于评估该信号所需的基准电势，该电路包括一个上拉电阻和一个下拉电阻。二者能够借助于能由微控制器驱控的开关激活。在电路中流动的电流经由低通滤波器引导到微控制器的两个输入通道上，并且微控制器评估属于首先激活的电阻的输入通道。

由US 2012/9279327 A1和US 6147520公开了一种电路，其中为了匹配相应的总电阻，能够借助于并联连接的开关跨接单独的电阻。

发明内容

本发明的目的在于，提供能冗余的输入电路的另一种实施方式，以及具有至少一个这种输入电路的输入电路单元的另一种实施方式。

就输入电路而言，该目的根据本发明得以实现。为此提出，输入电路具有输入端、输入电阻、和测量电阻，该输入端用于输送能从信号发送器获得的、以测量电流的形式存在的输入信号，其中，与输入电阻并联连接有能电驱控的开关，并且其中，测量电流在测量电阻上产生能评估为测量值的电压降。输入电路可以根据相应的运行模式能够作为二进制输入电路(Binaereingangsschaltung)或者作为电流输入电路运行，并且能据此切换。开关被设计用于根据相应的运行模式切换输入电路，并且相应地可以取决于运行模式地被驱控。在闭合的状态中，开关跨接输入电阻。输入电路因此变为低抗阻，从而使得模拟的电流测量(作为电流输入电路运行)成为可能。在断开的状态中，开关是无效的。输入电阻保持有效，与测量电阻一起构成分压器，并且分压器的中心抽头的电势可以为了识别输入信号的高电平或低电平而被评估(作为二进制输入电路运行)。同样地，为了输入电路的运行，输入电阻作为模拟的电压输入端起到限定通过测量电阻下降的电压(测量电压)和匹配测量范围情况的作用。

此外提出，输入电路包括在下面称为交叉耦合器的、用于自动探测另外的冗余的输入电路的装置。基于交叉耦合器的装置识别出的冗余的输入电路能够激活用于补偿由于测量电流的分流造成的变小的电压降的装置，也就是例如激活乘法器，其通过作为用于补偿起作用的微控制器的装置来实施。以这种方式实现了对冗余的输入电路的自动识别，并且同样实现了对利用测量电流到随后两个输入电路的分流引起的、基于在相应输入电路测定的测量值的电压降的扭曲的自动补偿。

根据本发明的输入电路以及具有至少一个这种输入电路的输入电路单元的优点在于，提供了一种比较简单的电路，其能够通过操作可电子驱控的开关可以在模拟的电流测量和模拟或数字的电压测量之间切换。通过这样的输入电路因此能够检测并评估输送的数字或模拟输入信号。通过驱控该开关可以让输入电阻短路。输入电路的输入端因此总体上变成低抗阻的，并且以这种方式能够利用输入电路也实现模拟的电流测量。

一种具有可以通过开关跨接的电阻的输入电路同样是公知的。由DE 10 2008 043199A中公知了一种用于连接现场设备的I/O模块的电路。

与根据本发明的能切换的输入电路相反，这种I/O模块只被设计用于模拟的电流测量，并且相应地，该I/O模块检测由现场设备提供的测量电流。此外，I/O模块还提供用于现场设备的供电电压，其取决于相应的测量电流进行设置。为了最小化I/O模块的为现场设备供电的电池的负荷，可以通过并联连接的开关来跨接并因此类似关断各个设计在I/O模块的测量分支里的电阻。当没有设置电流测量或HART通信时，以这种方式“关断”测量电阻或通信电阻。

由WO 2006/127373 A中同样也公知了一种设计用于为现场设备供应运行电压的电路。

该电路包括测量电阻和与之串联连接的、可调节的电压调节器，并且该电压调节器又包括放大器、齐纳二极管和两个组合形成达林登电路的晶体管。通过放大器实现基于相应的测量电流相应产生的电压的放大。

该电路用于驱控齐纳二极管，并且后者用于驱控达林登电路。达林登电路作为电压调节器中的调节机构起作用，但是与在根据本发明的能切换的输入电路的情况中不同，达林登电路不起到基于不同的运行模式进行切换的作用。

作为能切换的输入电路和包含在其中的能电子驱控的开关的特别的实施方式，可以考虑两个在达林登电路中组合的晶体管，其即使在控制电流很小的情况下也起到充分提高电流放大因子的作用，从而即使在控制电流很小而仅仅不明显地干扰测量电流的情况下，也能实现输入电阻的可靠的电跨接。

在能切换的输入电路的另一种实施方式中，该输入电路在连接在相应的输入端上时包括具有接在前方的输入电阻的、用作分压器的、测量电阻的串联电路，其中，测量电阻接地。通过测量电阻接地的方式，在相应的输入电路内实现了测量电流的导出，而为此不需要另外的措施。输入电路因此可以作为单极的输入电路(具有所谓的“单极输入端”的输入电路)运行。这让相应的传感器机构能够更加轻松地在输入电路或者多个这种输入电路上接线，因为每次只需要放上一个导线。

在此和接下来描述的能切换的输入电路可以考虑作为能冗余的输入电路与另外的(冗余的)能切换的输入电路共同运行。两个这种输入电路的组合在下面被称为输入电路单元。同样地，装置被称为输入电路单元，其允许容纳和/或连接至少两个这种输入电路，从而一定程度上作为用于至少一个输入电路的载体单元起作用。

上述目的因此也利用输入电路单元得以实现。为此提出，输入电路单元包括以像在此和接下来所描述的那样的输入电路的形式存在的第一子电路，并且以另外的这种输入电路的形式存在的、冗余的第二子电路可以与输入电路单元中的该第一子电路组合。每个子电路/输入电路都包括用于输送可以从外部的信号发送器获得的测量电流的输入端。测量电流引起可以作为测量值(输入信号)评估的、在测量电阻上的电压降，其中，两个输入电路的并联电路起到将测量电流分流到第一和第二输入电路上的作用，从而基本上扭曲了可以基于测量电流检测的测量值。为了补偿这种扭曲，至少一个输入电路具有用于补偿由于测量电流的分流造成的、在测量电阻上变小的电压降的装置。

本发明的这个方面的优点在于，提供了一种比较简单的输入电路单元，其中组合或者能够组合两个在此和接下来所描述类型的输入电路，但是其也可以仅仅利用一个输入电路运行。两个输入电路，尤其是两个一样的或者至少功能等同的输入电路用作基本上可以相互独立运行的子电路，并且评估测量电流，该测量电流基于接在输入端上的电流或者接在输入端上的电势而流入输入电路。

基于流入每个输入电路的测量电流，在两个输入电路冗余运行时造成的干扰得到补偿，从而使得由相应的输入电路和输入电路单元总体上输出的信号代表了由信号发送器输出的电参量和相应引起的测量电流的实际值。

在输入电路单元的一种实施方式中，微控制器用作一个补偿装置，用于因测量电流的分流在测量电阻上变小的电压降，其中，借助于该微控制器可以起到在计算上校正测量值的作用，尤其是以将测量值乘以预设的或者能预设的因数的方式的计算校正。测量值与因数的乘法是可以轻松借助微控制器完成的措施。相应的因数作为预设的或者能预设的因数从数量上描述了测量电流在两个输入电路上的分流情况。在测量电流分流时，其中例如97％的测量电流流入第一输入电路12，并且剩余的3％流入第二输入电路14，可以轻松地通过以下方式实现对因此造成的测量值的扭曲的补偿，即在第一输入电路12一侧将测量值例如与因数1.03(＝1+3％)相乘。在第二输入电路14一侧的计算补偿可以在测量电流的假定的分流情况下例如利用因数32.33(＝97％/3％)进行。对于测量电流的其他分流情况，按照以上说明的方式得到其他的因数。

在输入电路单元的另一种实施方式中，每个输入电路都具有在下面称为交叉耦合器的装置，用于自动探测由输入电路单元包括的、冗余的输入电路。基于通过这种交叉耦合器识别的冗余的输入电路，可以起到激活相应的用于补偿由于测量电流的分流造成的变小的电压降的装置的作用，也就是例如激活通过微控制器实施的乘法。以这种方式完成由输入电路单元包含在内的、冗余输入电路的自动识别，并且同样自动地补偿利用将测量电流分流到随后的两个输入电路上产生的、对仅仅由于电压降在相应的输入电路中测定的测量值的扭曲。

开头所述的目的还通过一种用于运行输入电路单元的方法正如在这里和接下来所描述的那样得以实现。在该运行方法中，在第一和第二输入电路并联连接的情况下补偿测量电流到第一和第二输入电路的分流。

在该方法的一种实施方式中，自动识别第一和第二输入电路的并联连接，并且作为这种自动识别的结果，为了补偿测量电流的分流，进行基于在测量电阻上的电压降能获得的测量值的计算校正，特别是以将测量值与预设的或者能预设的因数相乘的方式进行计算校正。

附图说明

下面根据附图更详尽地阐述本发明的实施例。相互对应的对象或元件在所有的附图中都配有相同的附图标记。

图中示出：

图1示出具有两个冗余的子电路的、用于处理输入信号的电路单元，以及

图2示出子电路的特别的实施方式。

具体实施方式

图1示出了用于冗余的信号检测的电路单元的示意图，冗余的信号检测即检测输入信号。电路单元相应地用作输入电路单元10。输入电路单元10包括第一子电路12，第一子电路可以与一个一样的或者至少功能对等的互补的第二子电路14一起用于冗余的信号检测。输入电路单元10的这个或者每个子电路12、14都在输入电路单元10内部作为输入电路12、14起作用，从而使得输入电路12、14和子电路12、14的意义相同。

在具有两个这类子电路12、14的输入电路单元10中，为了进行区分，接下来将第一子电路/输入电路12称为主电路12或者简称为主12，并且第二个互补的子电路/输入电路14相应地被称为从电路14或简称为从14。包含一个子电路12、14或两个子电路12、14的输入电路单元10为了与这个或者每个分别包含在内的子电路/输入电路12、14区分开在接下来有时也被称为总电路10。

从电路14在总电路10中是可选的，并且不仅第一子电路12而且第二子电路14都可以承担主电路12的功能。在能够可模块化、可插接或者以其他合适的方式和方法可松脱地与总电路10连接的子电路12、14中，通常根据如下情况得到两个子电路12、14的其中一个的功能作为主12或者从14，即两个子电路12、14中的哪一个在总电路10中首先被激活。

在输入电路单元10并因此在至少一个包含在内的子电路12、14处，以公知的方式和方法连接有在下面被称为信号发送器16的信号源。这种信号发送器16或某种其他的测量转换器通常是在可控制和/或可监控的技术流程中、例如在发电厂(未示出)中的信号源，也就是基本上公知的数字或模拟传感器。通过这类信号发送器16(并且在实际中具有多个这种信号发送器16)，以公知的方式和方法检测了相应的技术流程的状态。

在图1的示图中可以看出，信号发送器16连接在第一子电路12的输入端18处和第二子电路14的输入端20处。这可以通过相应地加上这个或者每个来自信号发送器16的信号导线22或者通过总电路10中的一个电桥24实现。

在信号发送器16发出一个信号时，测量电流I_M流到相应的子电路12、14中。通过一个由子电路12、14包含在内的、接下来简称为开关S₁的开关元件可以设置的是，相应的输入端18、20是否作为二进制输入端(Binaereigang)或模拟的电压输入端或者用作电流信号的模拟输入端起作用。开关S₁可以通过由子电路12、14包含在内的控制装置、例如微控制器26和由其输出的控制电流进行驱控。为了进行测量，子电路12、14包含具有输入电阻R_E和接地的并因此也被称为下拉电阻的测量电阻R_M的分压器。开关S₁在此与输入电阻R_E并联连接。

为了作为电流输入端运行，开关S₁闭合。这导致子电路12、14的输入端18、20是低阻抗的。在子电路12、14作为电流输入端运行时，例如检测到通常值范围例如在0到20mA或者4mA到20mA的测量电流I_M。在其他的情况下，也就是当子电路12、14用作二进制输入端或者作为模拟电压输入端时，开关S₁是断开的。

接下来被描述为测量值U_M的、在测量电阻R_M上的电压降通过例如包含乘法器、测量放大器和模拟数字转换器(ADC)的测量系统28检测，并且通过微控制器26读取，并且作为相应的输入信号进行评估。当子电路12、14作为二进制输入端运行时，例如通过微控制器26参照预设的或者能预设的上限和/或下限阈值来评估由测量系统28输出的数字化的信号，并且在超过或者低于这个阈值时产生逻辑上的高信号或者逻辑上的低信号。

通过与相应的冗余伙伴的交叉耦合器30，也就是从第一子电路12向第二子电路14并且反之亦然，完成主电路特性的分配。通过交叉耦合器30，对于子电路12、14还可以识别出，是否存在另外的子电路12、14作为冗余伙伴。如果存在冗余伙伴，那么测量电流I_M就分流，并且一小部分流经从电路14的输入端20。在主电路12一侧，这是可以计算校正的，并且在这里描述的实施方式中提出了以与固定因数相乘的方式进行校正。考虑微控制器26作为用于这种校正的装置，并且为了进行校正，微控制器26相应地起到让读入的输入信号与相应的校正因数相乘的作用。如果没有接入冗余伙伴，测量电流I_M就完全流入主电路12，并且相应地不需要校正。

在用作电流输入端的输入端18、20进行冗余化时，只有作为主电路12起作用的子电路12的开关S₁闭合。测量电流I_M在此大部分都流经主电路12的测量电阻R_M，并且产生电压降U_M。在作为二进制输入端(电压输入端)起作用的输入端18、20进行冗余化时，两个开关S₁、也就是用作主电路12的子电路12的开关S₁和用作从电路14的子电路14的开关S₁都是断开的。

图2中的图示出了一种特别的实施方式，作为子电路12、14中的一个的或者两个冗余的子电路12、14的实现方式。开关S₁(图1)在此以至少一个电子开关元件的形式实现，在这里以达林登电路中的两个晶体管T₁、T₂的形式。通过可以由微控制器26输出的控制信号(Ust)完成对开关S₁的驱控或者对这个或每个用作开关S₁的开关元件/晶体管T₁、T₂的驱控。特别是在以两个在达林登电路中组合的晶体管T₁、T₂的形式或者以一个达林登晶体管的形式实现开关S₁的情况中，通过电子驱控开关S₁仅仅对测量电流I_M造成可忽略不计的少量误差。

在图2中示出的实施方式中，由微控制器26生成的控制信号Ust输送到用作转相级的串联晶体管T₃上。该晶体管连接在地和经由上拉电阻(R_P)的运行电压电势之间。达林登电路因此由运行电压电势的电流经过。在来自微控制器26的控制信号Ust具有高电平的情况下，串联晶体管T₃完全接通并且开关S₁断开。在来自微控制器26的控制信号Ust具有低电平的情况下，串联晶体管T₃断开，并且达林登电路与运行电压电势相连，从而让开关S₁闭合并且输入电阻R_E被短路。串联电阻Rv是高抗阻的，从而只有少的控制电流流动，该控制电流仅少量地提升测量电流I_M。

在此描述的能切换的输入电路单元10的优点在于，作为输入端18、20的单独的接线夹就够了，因为在冗余化时，测量电流I_M可以通过电路内部的电桥24导向从电路14。测量电流I_M在冗余运行时，但是也在单独运行时，在电路内部接地，并且因此在输入电路单元10或者相应的子电路12、14内不需要其他的措施。相应的输入类型，也就是“二进制的”、“电流模拟”或“电压模拟”可以通过微控制器26经由软件或者预设的或能预设的参数进行选择。切换是以电子的方式通过微控制器26进行。即使在“电流模拟”这种输入类型中，也可以通过直接的并联连接两个子电路12、14实现冗余化。不需要外部的附加措施，例如输入电路单元10内的电桥设置。二进制值(Binaerwert)也可以作为模拟的电压测得。状态确定是通过预设的或者能预设的比较值实现的。输入电路单元10的过载强度可以通过计时断开和闭合这个或者每个子电路12、14的开关S₁实现。

在此描述类型的子电路12、14也是自给自足地作为输入电路12、14运行，也就是可以作为能够通过相应地驱控由此包含在内的电子可驱控的开关S₁来切换的输入电路12、14。根据开关S₁的切换位置，通过输入电路12、14实现模拟的电流测量或者模拟的或电子的电压测量。

尽管本发明在细节上通过实施例更详尽地得到了阐述和说明，但是本发明不受到所述的或者这些公开的例子的局限，并且其他的变化方案可以由专业技术人员从中推导出来，而不脱离本发明的保护范围。

附图标记列表

10 输入电路单元/总电路

12 (第一)子电路/(第一)输入电路/主电路/主

14 (第二)子电路/(第二)输入电路/从电路/从

16 信号发送器

18 输入端

20 输入端

22 信号导线

24 电桥

26 微控制器

28 测量系统

30 交叉耦合器

S₁ 开关

R_E 输入电阻

R_M 测量电阻

I_M 测量电流

U_M 测量值/测量电阻上的电压降

Ust 控制信号

T₁ 晶体管

T₂ 晶体管

T₃ 串联晶体管

Rp 上拉电阻

Rv 串联电阻

Claims (7)

1.一种能冗余的能切换的输入电路，所述输入电路(12)具有输入端(18、20)、输入电阻(R_E)、和测量电阻(R_M)，所述输入端用于输送能从信号发送器(16)获得的测量电流(I_M)，

其中，所述输入电路(12)根据相应的运行模式能够作为二进制输入电路或者作为电流输入电路运行，

其中，能够取决于所述输入电路(12)的运行模式地电驱控的开关(S₁)与所述输入电阻(R_E)并联连接，

其中，能驱控的所述开关(S₁)在闭合状态中跨接所述输入电阻(R_E)，

其中，所述测量电流(I_M)在所述测量电阻(R_M)上产生能够评估为测量值的电压降(U_M)，

其中，交叉耦合器(30)作为用于将另外的能冗余的输入电路探测作为冗余的输入电路(14)的装置起作用，

其中，基于识别出的所述冗余的输入电路(14)，能够实现激活用于补偿由于所述测量电流(I_M)到所述输入电路(12)和所述冗余的输入电路(14)的分流造成的变小的电压降(U_M)的装置。

2.根据权利要求1所述的能冗余的能切换的输入电路，其中，能电驱控的所述开关(S₁)以在达林登电路中组合的两个晶体管(T₁、T₂)的形式实现。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的能冗余的能切换的输入电路，具有所述输入电阻(R_E)与所述测量电阻(R_M)的串联电路，其中，所述测量电阻(R_M)是接地的。

4.一种输入电路单元(10)，具有以第一输入电路(12)的形式存在的子电路以及能与所述子电路组合的、以另外的第二输入电路(14)的形式存在的冗余子电路，所述第一输入电路是根据权利要求1至3中任一项所述的输入电路，所述第二输入电路是根据权利要求1至3中任一项所述的输入电路，

其中，所述第一输入电路(12)与所述第二输入电路(14)的并联连接引起测量电流(I_M)到所述第一输入电路(12)与所述第二输入电路(14)的分流，并且

其中，所述第一输入电路(12)和所述第二输入电路(14)中的至少一个具有用于补偿由于所述测量电流(I_M)的分流造成的、在测量电阻(R_M)上变小的电压降(U_M)的装置。

5.根据权利要求4所述的输入电路单元(10)，其中，微控制器(26)用作一个补偿装置，用于因所述测量电流(I_M)的分流在所述测量电阻(R_M)上变小的电压降(U_M)，并且其中，借助于所述微控制器(26)能够实现测量值与预设的或者能预设的因数的乘法。

6.一种用于运行根据权利要求4或5所述的输入电路单元(10)的方法，其中，在第一输入电路(12)与第二输入电路(14)并联连接的情况下补偿测量电流(I_M)到所述第一输入电路(12)和所述第二输入电路(14)的分流。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，自动识别所述第一输入电路(12)和所述第二输入电路(14)的并联连接，并且作为所述自动识别的结果，为了补偿所述测量电流(I_M)的分流，进行基于在测量电阻(R_M)上的电压降(U_M)能获得的测量值与预设的或者能预设的因数的乘法。