CN1171186C - 用于测量值获取、传输和处理的电路装置 - Google Patents

Abstract

被叙述和表示的是用于测量值获取、-传输和-处理的电路装置，具有测量值获取部分(1)，具有测量值处理部分(2)和具有只由馈线(3)和回线(4)构成的在测量值获取部分(1)和测量值处理部分(2)之间的连接(5)，其中测量值获取部分(1)有测量值接收器(6)，测量转换器电路(7)，前置于测量转换器电路(7)的电路调节器(8)和前置于电路调节器(8)的电流调节器(9)，其中测量值处理部分(2)有电压源(10)和处理电路(11)和其中电路调节器(8)提供测量转换器电路(7)恒定的运行电压和被测量转换器电路(7)控制的电流调节器(9)调整代表测量值的，流过馈线(3)和回线(4)的测量值电流和供电电流。按照本发明将提供给测量转换器电路(7)的功率最佳化，和因此测量转换器电路(7)的电流接收是可控制的和是这样控制的，经过电流调节器(9)的电压降尽可能的小。

Description

用于测量值获取、传输和处理的电路装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量值获取、测量值传输和测量值处理的电路装置，具有测量值获取部分，具有测量值处理部分并具有一个仅由一个馈线和由一个回线构成的在测量值获取部分和测量值处理部分之间的连接，其中测量值获取部分具有测量值接收器，一个测量值转换器，一个前置于测量值转换器电路的电路调节器和一个前置于电流调节器的电流调节器，其中测量值处理部分具有一个电压源和一个处理电路，并且其中电路调节器提供给测量转换器电路一个恒定的运行电压并且被测量转换器电路控制的电流调节器调整一个代表测量值的流过馈线和回线的测量值电流和供电电流。

背景技术

在讨论中的多种多样的电路装置的种类是已知的(例如见德国专利文献39 34 007，欧洲公开文献0 744 724和德国公开文献197 23 645)。对于这些电路装置重要的是，在测量值获取部分和测量值处理部分之间的连接只是由两个导线构成的和流过这两个导线的电流不仅代表测量值而且用于测量值获取部分的功率供应；流过两个导线的电流在下面被称为测量值电流和供电电流。

常常这样设计讨论中的电路装置种类，位于测量值处理部分的电压源涉及到直流电压源，测量值电流和供电电流则是直流电。也常常这样设计电路装置，将测量值电流和供电电流在下极限值即4mA和上极限值即20mA之间出现；4mA的下极限直则代表最小的测量值，20mA的上极限值代表最大的测量值(见德国专利文献39 34 007，第2页，19至24行)。

以下的出发点始终是，讨论中的电路装置涉及到安排在测量值处理部分的电压源是直流电压源，则测量值电流和供电电流是直流电。其原因也是，已经引入的在测量值获取部分和测量值处理部分之间的连接是由馈线和回线构成的。一般来说以下始终从电流的方向出发；则在与直流电压源连接的电流回路中直流电流从直流电压源的正极经过电流回路流到直流电压源的负极。

讨论中的电路装置部分在这之前和后面被称为测量值获取部分也被称为发送站(见德国专利文献39 34 007)或者也被称为自动发送器地点(见欧洲公开文献0 744 724和德国公开文献197 23 645)，而在这里被称为测量值处理部分的讨论中的电路装置部分也被称为接收站(见德国专利文献39 34 007)或者被称为接收地点(见欧洲公开文献0 744 724和德国公开文献197 23 645)。按照这里使用的术语由馈线和由回线组成的在测量值获取部分和测量值处理部分之间的连接也被称为双线线路(见德国专利文献39 34 007，欧洲公开文献0 744 724和德国公开文献197 23 645)。

因为在这里讨论的电路装置，如所表示的代表测量值的测量值电流一般来说位于4mA和20mA之间也是测量值获取部分的供电电流，提供给测量值获取部分的电功率受到测量值电流和供电电流的下极限值一般来说为4mA的限制，这常常出现问题(见德国专利文献39 34 007，第2页，25至42行)。

讨论中的电路装置中的测量转换电路，与属于它的数据接收器，是原本功能最重要的部分。因为测量转换器电路的信噪比和动态特性依赖于提供给测量转换器电路所使用的功率。

发明内容

本发明的基本任务是，将提供给测量转换器电路的功率最佳化。

按照本发明的一种用于测量值获取、测量值传输和测量值处理的电路装置，具有测量值获取部分，具有测量值处理部分并具有一个仅由一个馈线和由一个回线构成的在测量值获取部分和测量值处理部分之间的连接，其中测量值获取部分具有测量值接收器，一个测量值转换器，一个前置于测量值转换器电路的电路调节器和一个前置于电路调节器的电流调节器，其中测量值处理部分具有一个电压源和一个处理电路，并且其中电路调节器提供给测量转换器电路一个恒定的运行电压并且被测量转换器电路控制的电流调节器调整一个代表测量值的流过馈线和回线的测量值电流和供电电流，其特征在于，一个电容器与电路调节器输入端并联，测量转换器电路的电流消耗是可控制的并且是这样控制的，即测量转换器电路的电流消耗短时间地减少，由此经过电流调节器的电压降被减小。

用这样的措施和为什么用这样的措施可以解决本发明的基本任务将在下面借助于附图详细叙述。

附图说明

附图1按照本发明电路装置的第一个实施例，

附图2按照本发明电路装置的第二个实施例，

附图3至6进一步叙述本发明的曲线图。

具体实施方式

附图1和2表示的电路装置是确定的和适合于测量值获取，-传输和-处理的和其基本结构是由测量值获取部分1，由测量值处理部分2和在测量值获取部分1和测量值处理部分2之间只由馈线3和由回线4构成的连接5组成的。

如附图1和2表示的，只表示了测量值接收器6，测量转换器电路7，前置于测量转换器电路的电路调节器8和前置于电路调节器8的电流调节器9是属于测量值获取部分1的。电压源10和处理电路11是属于测量值处理部分2的。在被表示的实施例中还安排了两个电阻12、13。处理电路11与电阻13并联；将电阻13产生的与测量值电流和供电电流成正比的电压降输入给处理电路11。

电路调节器8将至少原则上恒定的运行电压提供给测量转换器电路7。(此外，电路调节器是什么和电路调节器如何工作，请参考德国专利文献39 34 007，第3页，64行至4页45行，以及参考文献Tietze.Schenke“半导体电路技术”第10版本，Springer-出版社，18.5章“电路网络设备”，18.6“次级节拍电路调节器”和18.7“初级节拍电路调节器”，565至586页，和“电子学和微电子学辞典”，VDI-出版社，733页)。下面始终从理想的电路调节器出发，也就是说从没有功率损失的和其输出电压是恒定的电路调节器出发。

电流调节器9是由测量转换器电路7控制的。由电流调节器9将代表测量值的流过馈线3和回线4的测量值电流和供电电流进行调整。(则无论如何在欧洲公开文献0 744 724和在德国公开文献127 23 645中这里被称为电路调节器的控制部分也被称为可控制的电流源。代替术语电流调整器也使用术语电流调节器。)

在被表示的和叙述的电路装置中的电压源10、电阻12、馈线3、电流调节器9、电路调节器8的初级边，回线4和电阻13是串联的；它们构成为第一个电流回路。电路调节器8的次级边和测量转换器电路7构成为第二个电流回路。

在附图1和2上还表示了体现为回线3的电阻的电阻14和体现回线4电阻的电阻15。

下面称为

U₁电压源10的电压，

U₂由馈线3和回线4构成的在测量值处理部分2和测量值获取部分1之间的连接5“输入端”的电压，

U₃测量值获取部分1输入端的电压，

U₄电路调节器8输入端的电压，

U₅电路调节器8输出端的电压，这等于测量转换器电路7输入端的电压。

I₁流过测量值处理部分2的电流，

I₂流过馈线3和流过回线4的电流，

I₃流过测量值获取部分1的电流，

I₄流过电路调节器8初级边的电流和

I₅流过电路调节器8次级边和流过测量转换器电路7的电流。

用这些确定于是适合于下面：

由测量值处理部分2的电压源10提供的功率由以下公式确定：

P₁＝U₁*I₁                                  公式1

将R₁₂设置为电阻12的值和将R₁₃设置为电阻13的值，于是在测量值处理部分2内的损失功率P_V，1为：

P_V，1＝I₁ ²*(R₁₂+R₁₃)                       公式2

将R₁₄设置为馈线3电阻14的值和将R₁₅设置为回线4电阻15的值，则在测量值处理部分2和测量值获取部分1之间的连接5的损失功率P_V，2为：

P_V，2＝I₂ ²*(R₁₄+R₁₅)                       公式3

提供给测量值获取部分1的功率P₃是由电压源10的电压U₁，电阻R₁₂、R₁₃、R₁₄和R₁₅以及由现实的测量值电流和供电电流预先规定的；功率P₃为：

P₃＝P₁-P_V，1-P_V，2＝U₃*I₃                       公式4

测量值获取部分1的电压U₃为：

U₃＝U₁-I₁*(R₁₂+R₁₃)-I₂*(R₁₄+R₁₅)             公式5

此外如附图1和2表示的电流I₃、I₂和I₁为：

I₃＝I₂＝I₁                                        公式6

因此测量值获取部分1的电压U₃为：

U₃＝U₁-I₃*(R₁₂+R₁₃+R₁₄+R₁₅)                   公式7

提供给测量值获取部分1的功率P₃为：

P₃＝U₁*I₃-I₃ ²*(R₁₂+R₁₃+R₁₄+R₁₅)             公式8

因此提供给测量值获取部分1的功率P₃是与测量值，即与测量值电流和供电电流I₃有关。当测量值比较小时，如果测量值电流和供电电流I₃例如为4mA时比测量值比较大时提供比较少的功率，如果随后测量值电流和供电电流I₃例如为20mA时。按照本发明现在应该考虑到，将提供给测量值获取部分1的功率P₃中尽可能大的部分提供给测量转换电路7，这由以下产生的：

对于电路调节器8为：

I₃＝I₄                                             公式9

和

U₃＞U₄                                             公式10

在电路调节器8中的损失功率PV，3为：

P_V，3＝I₃*U₃-I₄*U₄＝I₆*(U₃-U₄)              公式11

因为先决条件是电路调节器8没有损失功率，将电路调节器8输入端的功率为P₄和输出端功率为P₅提供给测量转换器电路7：

P₄＝U₄*I₄＝P₅＝U₅*I₅                         公式12

如果人们分析提供给测量转换器电路7的功率P5，则为：

P₅＝P₃-I₃*(U₃-U₄)＝P₃-I₃*U₃+I₃*U₄       公式13

公式13表示，提供给测量转换器电路7的功率P₅可以通过尽可能大的电压U₄最佳化。因为电压U₄不可能大于电压U₃，电压U₃和电压U₄之间的差异必须尽可能的小。考虑将“尽可能小”代替“零”，由测量转换电路7控制的电流调节器9是功能必要的，可以调整代表测量值的测量值电流和供电电流I₃，在电压U₃和电压U₄之间最小的差异是必要的。

因为按照先决条件电路调节器8没有损失功率，则初级边的功率P₄等于次级边的功率P₅，因为将电路调节器8初级边电流I₄预先规定为稳定状态，也就是等于由测量转换器电路7预先规定的测量值电流和供电电流I₃，和因为电路调节器8的次级边的电压U₅是恒定的，导致了测量转换器电路7电流接收的短时间减少，则流过测量转换器电路7和次级边流过电路调节器8的电流I₅的短时间减少，导致了在电路调节器8初级边电压的升高，因为电流I₃现在大于电流I₄，不再可能被电路调节器8接收。用于电流I₃和I₄的差异，即I₃-I₄＞0，则产生一个虚拟的电容和提高了电压U₄。一旦电压U₄达到所希望“尽可能的大”的大小，则测量转换器电路7的电流损耗又增加，使得电流I₃等于电流I₄。但是因为现在的电压U₄大于以前的电压，现在的功率P₄＝U₄*I₄也大于以前的功率，随后提供给测量转换器电路7的功率P₅＝U₅*I₅也变大。因此显示出，按照本发明的措施这样控制测量转换器电路7的电流接收，将经过电流调节器9电压降，即电压U₃和电压U₄之间之差，控制得尽可能的小，导致提供给测量转换器电路7功率P₅的最佳化。

在附图1和2中表示的实施例显示出，电路调节器8在输入端有电容器16。这样的电路调节器例如是Linea技术公司的电路调节器LT1176-5。电容器16简化了对电压U₄的控制，因为当将I₃调整得与I₄不同时可以显著地减小电压U₄的变化速度。

如适合于附图1和2表示的实施例，如果电路调节器8在输入端安排了电容器16，可以达到一种运行状态，在这种运行状态时可以将测量值电流和供电电流I₃调整得与测量值不成比例：

从小的测量值出发和因此小的测量值电流和供电电流I₃例如为4mA出发，将相对大的电压值U₄进行调整，因为电压U₃也相对的大，因为电阻12、13、14和15的电压降相对很小。现在跳跃式地产生相对大的测量值和随后应该调整出相对大的测量值电流和供电电流I₃，例如20mA，如果由电容器16缓冲存储的电压U₄大于电压U₃时，于是这不可能，必须调整电阻12、13、14和15相对大的电压降。因为如果电压U₃大于电压U₄时，电流调节器9只可能工作，对应于大的测量值的测量值电流和供电电流I₃为20mA不可能被调整。

为了解决在这之前叙述的问题在附图2上表示的按照本发明电路装置的实施例中安排了第二个由测量转换器电路7控制的，只在需要时工作的电流调节器17，其输入端与第一个电流调节器9的输入端和其输出端与回线4的输出端相连。在这个实施例中将与测量值成比例的测量值电流和供电电流I₃与流过第一个电流调节器9的电流I₄和流过第二个电流调节器17的电流I₆相加。然后也可以在之前叙述的运行状态下将所要求的测量值电流和供电电流I₃进行整。

在这之前叙述的附图2表示的按照本发明的电路装置的实施例中，流过第二个电流调节器17的电流I₆对于测量转换器电路7的功率P₅没有影响；经过第二个电流调节器17的电流I₆原则上是不希望的。然后按照附图2实施例在这里附加安排的第二个电流调节器17只“在必要时”工作，即只当在这之前叙述的问题存在时才工作。

一般来说附图1和2没有表示的用于控制其电流接收或/和用于控制第二个电流调节器17的测量转换器电路7可以是参数式的，例如经过电压源10的电压U₁或/和经过在测量值处理部分2的电阻12和13或/和经过馈线3或/和回线4的电阻14、15或/和经过与电路调节器8输入端电容并联的电容器16。也存在可能性，将经过第一个电流调节器9的电压降，例如经过没有表示的A/D转换器，用于控制测量转换器电路7的电流接收或/和用于控制第二个电流调节器17输入给测量转换器电路7。

现在应该将本发明再一次借助于附图3至6的曲线图详细叙述：

首先分析在测量值获取部分1输入端的电压U₃，即在电流调节器9输入端的电压U₃。这与电压源10的电压U₁，电阻12、13、14和15之和以及流过测量值获取部分1的电流I₃有关。实际上在这里通过不同的测量值处理部分2和在测量值获取部分1和测量值处理部分2之间不同的连接可以产生很不相同的特性。这些在测量值获取部分1供货时是不知道的；因此测量值获取部分1必须自动地与遇上的情况相匹配。

在附图3上表示了特性曲线，特性曲线表示电流调节器9输入端电压U₃与流过测量值获取部分1的电流I₃的关系。其中以以下为基础

特性曲线a电压U₁为24V和连接5的电阻为300Ω，

特性曲线b电压U₁为24V和连接5的电阻为50Ω，

特性曲线c电压U₁为17V和连接5的电阻为50Ω。

电压U₁为24V和连接5的电阻为300Ω的特性曲线a是特别流行的，因为这种特性曲线当爆炸保护时适合于自身安全性的要求。

理想情况下在电流调节器9输出端的电压U₄低于电流调节器9输入端电压U₃一伏特。在附图4上将相应的特性曲线d与附图3的特性曲线a表示在一起。

电流调节器9也是必要的，因为流过测量转换器电路7的电流I₅不可能这样准确地控制，如同对于表示测量值的电流I₃所要求的那样。

如已经叙述过的，电流调节器9被测量转换电路7这样控制，电流调节器调整代表测量值的，流过连接5的测量值电流和供电电流I₃。因此测量转换器电路7有没有单独表示的微控制器18，微控制器也由流过测量值获取部分1的电流I₃供电。

按照本发明的电路装置可以使用于很多完全不同的测量值接收器6。测量值接收器6例如可以设计成用于温度-、压力-、湿度-、充满度-或者流量获取。特别是测量值接收器6可以是节拍式运行的，因此测量转换器电路7的电流接收可以共同受到影响。这样的节拍式运行例如在磁-感应流量计中是已知的(见USA-专利文献4,766,700)；微波雷达作为测量值接收器6也可以节拍式运行。

如果流过测量转换器电路7的电流I₅有脉冲特性，则电流调节器9必须安排滤波；即代表测量值的测量值电流和供电电流的脉冲式的电流I₃特性是不希望的。必要的滤波的大小也确定了对于运行必要的电流调节器9的电压降，即电压U₃和电压U₄之间的电压差。

按照本发明的电路装置出现的问题变得特别明显，如果人们分析两种极端情况，一方面在极端情况下测量值冲击式地从100％变成为0％，另一方面在极端情况下测量值冲击式地从0％变成为100％。由电流I3表示的所谓的故障信息特性同时提出了这些极端情况，电流I3或者小于3.6mA或者大于21mA。因此参考NAMUR-建议NE43“用模拟输出信号的数字测量转换故障信息信号电平的统一化”，版本：1994年月18日，第一版：1994年月18日，由NAMUR-商业地点销售，c/o Bayer公司，K9，51368大厦Leverkusen。

对于第一种极端情况，在其中测量值冲击式地从100％变化为0％，以附图5曲线图为基础，首先表示特性曲线a和d此外在其上画上工作点1、2和3。

如果从工作点1出发。通过电流调节器9可以将电流I₃冲击式地改变。然而由于电容器电压U₄不可以冲击式地改变。则产生将工作点1移位到工作点2。

如果人们从理想的电路调节器8出发，则从这样的没有损失功率的理想电路调节器出发，于是产生提供给测量转换器电路7的功率(见公式12)为：

P₅＝P₄＝U₄*I₄＝17V*4mA＝68mW。

然而期望的是工作点3。在那里可能提供的功率为：

P₅＝P₄＝U₄*I₄＝21.8V*4mA＝87.2mW。

人们假设对于电压U₅，即电路调节器8输出端电压等于测量转换器电路7输入端电压，为一个恒定值例如为5V，则产生在这之前计算过的电流I₅的两个功率为：

I₅＝P₅＝U₅＝68mW：5V＝13.6mA。

或者

I₅＝P₅＝U₅＝87.2mW：5V＝17.4mA。

现在人们从工作点2到达工作点3，然而没有通过提高电流I₅。电流I₄立即变得大于电流I₃，和从电容器1₆获取电荷。这又使得电压U₄减小和因此使得工作点2向不希望的方向移动，即移向比较小的电压U₄。如果电流I₅变小，则达到所希望的工作点3。电流I₄立即变得小于电流I₃。将电路调节器8输入端的电容器16充电和电压升高。

对于第二种极端情况，在其中测量值冲击式地从0％变化为100％，以附图6曲线图为基础，如同附图5，首先表示特性曲线a和d，此外在其上画上工作点1、2和3。

如同第一种极端情况在第二种情况下冲击式地也将电压U₄改变，但是将电路调节器8输入端电压冲击式地改变是不可能的。现在电流调节器9没有能力调整应被测量值100％得到的电流I₃，因为如果本身电压U₄等于电压U₃时，则在电路调节器8上不产生电压降，测量值处理部分2不可以经过连接5提供相应的电流；则工作点2不是可能的工作点。

现在为了能够掌握第二种极端情况，要求在附图2上表示的第二个电流调节器17，电流调节器可以调整出现为20mA的相应的电流。用附加的电流调节器17则工作点3是可能的。然而第二个电流调节器17并不是无条件必要的，然而只有当电压U4不可能以与测量值可能改变的同样变化速度减小时。

在微控制器18中或者用微控制器18实现的调节现在适合于以下情况：

初级调节：

I₃＝4mA+M*16mA，

其中M作为测量值的系数从0变化到1。

如果电压U₄变得等于电压U₃，将调节自动地从电流调节器9过渡到第二个电流调节器17。这可以通过微控制器18或者通过相应的硬件进行。

次级的调节：

U₄＝U₃-U_储备；

如果电压U_储备太大，电流I₅变小，如果电压U_储备太小，电流I₅提高。

应该指出的是，按照本发明的电路装置与构成为直流的电压源10在测量值处理部分2中的连接已经叙述过了，测量值电流和供电电流I₃则作为直流电出现。然而将本发明理论也可以毫无问题地使用到实施形式中，在其中作为电压源使用交流电压源和随后测量值电流和供电电流I₃作为交流电出现。

最后还要指出的是，在这之前用附图3至6叙述过的，也属于本发明或者对于本发明也是重要的。如果权利要求没有完全或者没有包括的则保留权利将权利要求进行相应的补充。

Claims (7)

1.一种用于测量值获取、测量值传输和测量值处理的电路装置，具有测量值获取部分(1)，具有测量值处理部分(2)并具有一个仅由一个馈线(3)和由一个回线(4)构成的在测量值获取部分(1)和测量值处理部分(2)之间的连接(5)，其中测量值获取部分(1)具有测量值接收器(6)，一个测量值转换器(7)，一个前置于测量值转换器电路(7)的电路调节器(8)和一个前置于电路调节器(8)的电流调节器(9)，其中测量值处理部分(2)具有一个电压源(10)和一个处理电路(11)，并且其中电路调节器(8)提供给测量转换器电路(7)一个恒定的运行电压并且被测量转换器电路(7)控制的电流调节器(9)调整一个代表测量值的流过馈线(3)和回线(4)的测量值电流和供电电流，

其特征在于，

一个电容器(16)与电路调节器(8)输入端并联，测量转换器电路(7)的电流消耗是可控制的并且是这样控制的，即测量转换器电路(7)的电流消耗短时间地减少，由此经过电流调节器(9)的电压降被减小。

2.按照权利要求1的电路装置，

其特征在于，

设置了由测量转换器电路(7)控制的只在需要时工作的一个第二电流调节器(17)，并且第二电流调节器(17)的输入端与第一电流调节器(9)的输入端相连接，并且第二电流调节器的输出端与回线(4)相连接。

3.按照权利要求1或2的电路装置，

其特征在于，

测量转换电路(7)具有控制电流调节器(9)和必要时控制第二电流调节器(17)的微控制器(18)。

4.按照权利要求1或2的电路装置，

其特征在于，

如果测量值“冲击式地”变小，则流过测量转换器电路(7)的电流(I5)短时间地变小。

5.按照权利要求2的电路装置，

其特征在于，

如果测量值“冲击式地”变大，则第二电流调节器(17)被接通。

6.按照权利要求2的电路装置，

其特征在于，

如果第一电流调节器(9)输出端上的电压(U4)达到第一电流调节器(9)输入端上的电压(U3)，则用来自测量转换器电路(7)或者来自测量转换器电路(7)中的微控制器(18)的电流控制替代来自电流调节器(9)或者来自第二电流调节器(17)的电流控制。

7.按照权利要求3的电路装置，

其特征在于，

借助于设置在测量转换电路(7)中的微控制器(18)首先控制流过测量值获取部分(1)的电流(I3)，然后控制电流调节器(9)输出端上的电压(U4)。

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