CN202424508U - 回路供电现场设备和回路接口电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于确定过程变量并且经由双线电流回路向远程地点提供表示过程变量的测量信号的回路供电现场设备和回路接口电路，回路供电现场设备包括：用于确定过程变量的测量设备；用于将测量信号提供到双线电流回路并将来自双线电流回路的功率提供到测量设备的回路接口电路。该回路接口电路包括：电流控制电路，该电流控制电路连接到双线电流回路及测量设备，并且电流控制电路可由测量设备控制以向双线电流回路提供测量信号；第一转换器，具有与电流控制电路串联从而连接到双线电流回路的输入、以及用于向测量设备提供功率的输出；以及电压调节电路，用于通过控制第一转换器的输入的输入电压将电流控制电路的电压调向期望电压。

Description

回路供电现场设备和回路接口电路

技术领域

本实用新型涉及一种用于确定过程变量并经由双线电流回路向远程地点提供表示所述过程变量的测量信号的回路供电现场设备。本实用新型还涉及一种将来自双线电流回路的功率提供给回路供电现场设备的回路接口电路和方法。 

背景技术

现场设备(诸如雷达物位计)适用于测量产品的高度，所述产品诸如过程流体、颗粒料及其他材料。这样的雷达物位计的示例可以包括：微波单元，用于向表面传送微波并且接收从表面反射的微波；处理电路，其被设置成与微波单元通信并基于传送的微波和接收到的微波之间的关系来确定高度；接口，用于在所述雷达物位计的外部连接处理电路；以及功率管理电路，其为微波单元和处理电路提供运行功率。 

为了确保接收到的回波具有符合要求的信号电平，发射的微波必须具有足够的功率电平。处理接收信号也需要足够大的功率，并且在某些情况下在处理期间会增加处理器的时钟频率以便于能够高速计算。综合地，这导致了在测量周期的某些部分期间的功率的增加需求。对于调频连续波(FMCW)系统，功率需求尤其高。然而，因为在上文所讨论的现场设备以及其他的现场设备中，能量通常为稀缺性资源，所以在实际中实现功率供给是相对困难的。 

特别地，有限的可用功率在使用双线电流回路来进行通信及供电的系统中是个问题。用于测量罐内的高度的雷达物位计以及其他类型的现场设备通常可以借助于双线接口与远程地点(诸如控制室)通信，在该双线接口中，只有两条线既用于为传感器提供有限的功率又用于传达现场设备所确定的表示过程变量的测量信号。接口可以是具有或不具有叠加数字通信的4-20mA工业回路，或是其他的双线现场总线，例如基金会现场总线(FF)或过程现场总线(Profibus)。 

回路供电现场设备因此需要既能够向双线电流总线提供测量信号，又 能够从双线电流总线汲取用于现场设备的运行的功率。 

根据一个公知的配置，可控电流源和调节变换器沿双线控制回路串联。在这样的配置中，使用可控电流源将测量信号提供到双线电流总线，该可控电流源可以可控地控制双线电流回路上的直流电流和/或调制所述电流以提供数字数据，且调节变换器将调节后的输入电压转换成用于向现场设备供电的输出电压。 

对于各种现场设备，特别是各种新近的雷达物位计，上述配置不能够在所有运行情况/条件下向现场设备提供足够的功率。 

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述问题，并为回路供电现场设备提供更加有效的供电。 

根据本实用新型的第一方面，因此提供了一种用于确定过程变量并经由双线电流回路向远程地点提供表示过程变量的测量信号的回路供电现场设备。回路供电现场设备包括：用于确定过程变量的测量设备；用于将测量信号提供到双线电流回路并将来自双线电流回路的功率提供到测量设备的回路接口电路，其中回路接口电路包括：电流控制电路，该电流控制电路连接到双线电流回路及测量设备，电流控制电路可由测量设备控制以将测量信号提供到双线电流回路；第一转换器，该第一转换器具有与电流控制电路串联从而连接到双线电流回路的输入、以及用于向测量设备提供功率的输出；电压调节电路，该电压调节电路用于通过控制第一转换器的输入的输入电压将电流控制电路的电压调向期望电压。为此，电压调节电路可以连接到第一转换器，并且被配置以调节第一转换器的输入端的输入电压，从而将电流控制电路的电压调向期望电压。 

第一转换器将来自双线电流回路的输入功率转换成用于向测量设备供电的输出功率。为此，第一转换器可以被配置以将输入端的输入电压转换成输出端的输出电压。 

电压调节电路被设置成感测表示电流控制电路的电压的性质。从这个意义讲，电压调节电路可以说是被连接到电流控制电路。 

特别地，电压调节电路被配置成调节第一转换器的输入的输入电压从而在回路电压变化时将电流控制电路的电压调向期望电压。回路电压通常由远程主机确定，并且可以取决于特定配置而变化，例如取决于连接到双 线电流回路的现场设备的数量、回路线有多长等而变化等，和/或取决于连接到双线电流回路的现场设备的功耗而变化。 

“现场设备”应当理解为确定过程变量并且向远程地点传送表示过程变量的测量信号的任何设备。现场设备的示例包括用于确定过程变量诸如装料高度、温度、压力、流体流动等的设备。 

本实用新型基于如下实现：可以在确保电流控制电路总是存在足够的电压以用于从现场设备向远程地点提供测量信号的情况下，通过允许转换器的输入端的电压响应于回路电压的变化而变化，实现从双线电流回路到现场设备的简单而有效的供电。 

因此，双线电流回路上的总可用功率的一大部分可以用于为现场设备供电而不用考虑回路电压。这与背景部分所描述的配置形成对比，在背景部分所描述的配置中，调节变换器设置成与电流控制电路串联，并且该调节变换器将调节后的输入电压转换成用于向现场设备供电的输出电压。 

在这种现有技术配置中，调节变换器的输入电压保持恒定，这意味着调节后的输入电压不得不基于最小回路电压来确定大小，以确保来自现场设备的测量信号可以被提供到双线电流回路。结果，当回路电压高于最小双线回路电压时，双线回路上的可用额外功率不可以用于向现场设备供电。 

期望电压可以是高于使得电流控制电路能够提供测量信号所需的最小电压的电压。该最小电压将取决于各种因素，例如测量信号及电流控制电路的类型。例如，与提供交流信号相比，提供直流信号所需要的最小电压要低一些。 

此外，期望电压可以是已知为针对用于特定现场设备的所有相关运行条件为足够高的预定电压，或者可以是动态确定的期望电压。在后种情形中，期望电压可以例如为流经双线电流回路的回路电流的函数。 

有利地，第一转换器可以是所谓的开关转换器。在开关转换器中，功率被转换为处于期望的输出电压水平的输出。 

此外，电流控制电路可以被可控为以第一时间常数调节流经双线电流回路的回路电流，并且电压调节电路可以被配置成以第二时间常数调节第一转换器的输入的输入电压。有利地，第二时间常数基本上大于第一时间常数，例如至少大10倍。有利地，第二时间常数与第一时间常数之比可以更大，例如至少50倍或更大。相应地，电流控制电路的调节可以基本 上快于转换器的输入端的输入电压的调节。因此，电流控制电路的电压被允许即刻变化以使得可以快速准确地控制回路电流以经由双线控制回路向远程地点提供测量信号。这对于现场设备在双线回路上的数字通信是特别有利地。这样的数字通信标准的示例包括可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议(HART)、基金会现场总线、过程现场总线等。 

根据各种不同的实施例，回路供电现场设备还可以包括连接到第一转换器的能量存储设备。通过提供这样的能量存储设备，可以将暂时过剩的能量存储起来，并在之后当现场设备工作所需的能量高于可以从双线电流回路汲取的能量的时候，使用这些过剩能量。能量存储设备可以例如包括电容器、超级电容器和/或电池或任何其他能够存储电能的设备。 

此外，回路供电现场设备可以包括输入端连接到第一转换器的输出端的第二转换器。通过提供这样的第二转换器，可以控制第一转换器的输出电压的任何变化，从而使得如果/当这是期望的，可以向测量设备提供调节后的电压。这对于包括存储第一转换器提供的能量的存储设备的回路供电现场设备的实施例来说可以是特别有益的。 

回路供电现场设备还可以包括用于限制第一转换器的输出电压的并联调节器。并联调节器可以连接在电压调节器的输出端之间以限制提供到测量设备的电压。 

有利地，回路供电现场设备可以是雷达物位计，雷达物位计包括：微波单元，用于产生微波并将微波传播向罐中所含的产品；以及处理电路，用于确定罐中所含的产品的装料高度，并控制包括在回路接口电路内的电流控制电路以向双线电流回路提供表示装料高度的测量信号。 

根据一个实施例，微波单元可以适于发射脉冲信号，处理电路可以适于基于脉冲信号发射与反射信号接收之间的时间来确定容器的装料高度。这种类型的测量被称为脉冲测量。 

根据第二实施例，微波单元可以适于发射一定频率范围的波，处理电路可以适于基于混合的发射信号与反射信号来确定容器的装料高度。这种类型的测量被称为FMCW(调频连续波)。微波单元还可以适于发射具有多个不同频率的脉冲波，这被称为MFPW(多频率脉冲波)。 

根据本实用新型的第二方面，提供一种经由双线电流回路向远程地点提供表示由测量设备所确定的过程变量的测量信号的回路接口电路，该回路接口电路包括：电流控制电路，用于向双线电流回路提供测量信号；第 一转换器，该第一转换器具有被设置成与电流控制电路串联的、用于从双线电流回路接收功率的输入以及用于向测量设备提供功率的输出；以及电压调节电路，用于通过控制第一转换器的输入的输入电压将所述电流控制电路的电压调向期望电压。 

第一转换器将来自双线回路的输入功率转换成向测量设备供电的输出功率。为此，第一转换器可以被配置以将输入端的输入电压转换成输出端的输出电压。 

电压调节电路被设置以感测表示电流控制电路的电压的性质。从这个意义讲，电压调节电路可以说是被连接到电流控制电路。 

本实用新型的第二方面的实施例以及通过所述第二方面所获得的效果大部分类似于以上本实用新型的第一方面中所描述的。 

根据本实用新型的第三方面，提供一种使用回路接口电路以将来自双线电流回路的功率提供给回路供电现场设备的方法，所述回路接口电路包括：电流控制电路，用于经由双线控制回路向远程地点提供来自回路供电现场设备的测量信号；以及第一转换器，具有与电流控制电路串联的输入、以及用于向回路供电现场设备提供功率的输出。该方法包括以下步骤：控制电流控制电路以调节流经双线电流回路的回路电流，由此提供测量信号；以及通过控制第一转换器的输入的输入电压将电流控制电路的电压调向期望电压。 

有利地，电流控制电路可以被控制为以第一时间常数调节回路电流，并且可以以基本上大于第一时间常数的第二时间常数调节第一转换器的输入端的输入电压。 

本实用新型的第三方面的实施例以及通过该第三方面所获得的效果大部分类似于以上对本实用新型的第一及第二方面的描述。 

附图说明

参照示出了本实用新型当前的优选实施例的附图，现在将更加详细地描述本实用新型的这些方面以及其他方面，在附图中： 

图1以安装在示例性的罐中的雷达物位计的形式，示意性示出了回路供电现场设备； 

图2是示意性示出了根据本实用新型的回路供电现场设备的示例性 实施例的框图； 

图3a-c是示意性示出了图2中的回路供电现场设备的不同配置的框图；以及 

图4是示意性示出了根据本实用新型的实施例将功率从双线电流回路提供到回路供电现场设备的方法的流程图。 

具体实施方式

在当前的详细描述中，参照非接触式雷达物位计系统来讨论根据本实用新型的回路供电现场设备的示例性实施例。应当注意，这并不意味着限制本实用新型的范围，而是同样地可使用其他的回路供电现场设备，例如导波雷达系统、温度传感器、压力传感器等等。此外，双线电流回路可以根据各种不同的通信标准来配置运行，所述通信标准例如为4-20mA、HART、基金会现场总线、过程现场总线等。 

图1以安装在示例性罐2中的雷达物位计1的形式示意性示出了回路供电现场设备。雷达物位计1经由双线回路4连接到主机3，该双线回路4还用于为雷达物位计1提供功率。罐2包含产品6，并且当运行时，雷达物位计1通过确定射向产品的表面7(在产品的表面7上，微波信号朝着雷达物位计1反射回去)的微波信号的行程时间来确定罐2中的产品6的装料高度L。根据微波信号的行程时间及传播速率，可以确定到产品6的表面7的距离。利用罐2的尺寸的知识，该距离可以被转换成装料高度L。 

在确定了作为过程变量的示例的装料高度L之后，雷达物位计经由双线电流回路4向远程主机3提供表示装料高度L的测量信号S_L。以下将参照图2更加详细地描述向双线电流回路4提供测量信号S_L以及将来自双线电流回路路4的功率提供给回路供电现场设备1。 

图2是示意性示出了根据本实用新型的回路供电现场设备的示例性实施例的框图，所述回路供电现场设备例如为图1中的雷达物位计1。 

图2中的回路供电现场设备10包括：用于确定诸如上述装料高度L的过程变量的测量设备11；回路接口电路12，用于向双线电流回路4提供表示过程变量的测量信号S_L以及用于将来自双线电流回路4的功率提供给测量设备11。 

回路接口电路12包括可控电流源14形式的电流控制电路、第一转换器15和电压调节电路16。 

在回路供电现场设备10的运行期间，可控电流源14由测量设备11控制以向双线电流回路4提供测量信号S_L。测量信号S_L可以是回路电流I_L(直流电流电平)的形式和/或叠加在回路电流I_L上的交流信号的形式。后种情形的示例可以是根据HART协议在4-20mA电流回路上的通信。 

在图2中示意性示出的示例性情形中，假定以4mA到20mA之间的一定回路电流IL的形式提供测量信号S_L，如图2所示。 

第一转换器15具有输入端18a、18b和输出端19a、19b，其中输入端18a、18b与可控电流源14串联从而连接到双线电流回路4，输出端连接到测量设备11以将来自双线电流回路4的功率提供给测量设备11。 

电压调节电路16监测电流源14的电压V_cs，并且当回路电压V_L变化时控制第一转换器的输入电压V_in以使电流源14的电压V_cs基本上恒定保持在预定值，比如2V。本领域技术人员可以通过各种方式实现上述情况。例如，第一转换器15可以是所谓的“降压/升压”型的开关转换器。这样的转换器例如可以以所谓的单端初级电感(SEPIC)转换器的形式来实现，这对于电气工程师是公知的。可以通过例如使用脉宽调制来控制转换器中的开关晶体管来控制SEPIC转换器的输入电压。 

然而，实际上任何开关转换器都可以用于根据本实用新型的各种实施例的现场设备。例如，可以使用正激式转换器和反激式转换器。 

在转换器15的输出侧，可以提供附加电路21，其取决于期望功能可以具有不同的配置。这样的附加电路21的一些示例将参照图3a-c的示意性框图在下文作进一步的描述。 

当要将新的测量信号S_L提供到双线电流回路4时，可控电流源14被测量设备11控制以向双线电流回路提供新的回路电流I_L。为了修改回路电流I_L，可控电流源的电压V_cs应当暂时允许被改变。然而，电压调节电路力图将可控电流源14的电压保持为常数。为了允许测量信号快速准确的变化，并在同时保持可控电流源的电压基本上随时间恒定不变，可控电流源14的控制可以优选地快于(具有较小的时间常数)第一转换器15的输入端18a、18b之间的电压V_in的控制。 

根据图3a中示意性示出的第一示例性配置，附加电路21可以包括能量存储设备，例如图3a中所示的电容器25。应当注意，电容器25只是 能量存储设备的简单示例，还应当注意，附加电路可以包括另外的部件，例如一个或若干个电阻器等。 

还参照图2，当测量设备11需要比目前由第一转换器15所提供的功率更多的功率时，电容器25将会放电，从而提供所需的额外功率。当电流回路中的可用电流较低时，这将是特别重要的。 

根据图3b中示意性示出的第二示例性配置，附加电路21可以包括并联调节器，例如图3b中所示的齐纳二极管28。通过提供这样的并联调节器，到测量设备11(图2中)的输入电压可以被限制为低于一定的最大电压。 

最终，根据图3c中示意性示出的第三示例性配置，附加电路21可以包括能量存储设备25、并联调节器28和第二转换器30。利用图3c中的配置，可以存储能量，同时可以向测量设备11(图2)提供具有低纹波的调节后的电压。或者，第二转换器30可以被包括在测量设备11中。 

现在描述了根据本实用新型的回路供电现场设备11的示例性实施例，最后将参照图4中的流程图以及图2中的框图进行描述根据本实用新型的方法的实施例。 

在第一步骤101中，可控电流源14由测量设备11控制，以调节回路电流I_L从而向远程主机提供测量信号S_L。 

在可以与第一步骤101同时发生、但却适合具有其他(较长)时间常数的第二步骤102中，转换器15的输入端18a、18b之间的输入电压V_in被控制，以针对变化的回路电压V_L使可控电流源14的电压V_cs基本上保持恒定不变。 

本领域的普通技术人员认识到，本实用新型不限制于上述的优选实施例。相反，可以在所附权利要求的范围之内进行各种修改和变型。 

在权利要求中，术语“包括”不排除其他的元件或步骤，并且未指明单数或复数的术语名词不排除复数。某些措施描述在相互不同的从属权利要求中的这一事实并不表示不可以有利地利用这些措施的组合。 

Claims (11)

1.一种用于确定过程变量并且经由双线电流回路向远程地点提供表示所述过程变量的测量信号的回路供电现场设备，所述回路供电现场设备包括：

测量设备，用于确定所述过程变量；以及

回路接口电路，用于将所述测量信号提供到所述双线电流回路以及用于将来自所述双线电流回路的功率提供到所述测量设备；

其中所述回路接口电路包括：

电流控制电路，所述电流控制电路连接到所述双线电流回路和所述测量设备，所述电流控制电路能被所述测量设备控制为向所述双线电流回路提供所述测量信号；

第一转换器，该第一转换器具有与所述电流控制电路串联从而连接到所述双线电流回路的输入、以及用于向所述测量设备提供功率的输出；以及

电压调节电路，用于通过控制所述第一转换器的所述输入的输入电压将所述电流控制电路的电压调向期望电压。

2.根据权利要求1所述的回路供电现场设备，其中，所述期望电压高于使得所述电流控制电路能够提供所述测量信号所需的最小电压。

3.根据权利要求1或2所述的回路供电现场设备，其中，所述期望电压为预定电压。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的回路供电现场设备，其中，所述第一转换器为开关转换器。

5.根据权利要求1或2中任一项所述的回路供电现场设备，其中，所述电流控制电路能被控为以第一时间常数调节流经所述双线电流回路的回路电流，并且所述电压调节电路被配置成以大于所述第一时间常数的 第二时间常数调节所述第一转换器的所述输入的所述输入电压。

6.根据权利要求5所述的回路供电现场设备，其中，所述第二时间常数至少比所述第一时间常数大10倍。

7.根据权利要求1或2中任一项所述的回路供电现场设备，还包括连接到所述第一转换器的能量存储设备。

8.根据权利要求1或2中任一项所述的回路供电现场设备，包括第二转换器，所述第二转换器具有连接到所述第一转换器的所述输出端的输入端。

9.根据权利要求1或2中任一项所述的回路供电现场设备，还包括用于限制所述第一转换器的所述输出电压的并联调节器。

10.根据权利要求1或2中任一项所述的回路供电现场设备，其中，所述现场设备为雷达物位计，所述雷达物位计包括：

微波单元，用于产生微波并向罐中所含的产品传播所述微波；以及

处理电路，用于确定罐中所含的产品的装料高度，并且用于控制包括在所述回路接口电路内的所述电流控制电路向所述双线电流回路提供表示装料高度的所述测量信号。

11.一种用于经由双线电流回路向远程地点提供表示由测量设备所确定的过程变量的测量信号的回路接口电路，所述回路接口电路包括：

电流控制电路，用于向所述双线电流回路提供所述测量信号；

第一转换器，所述第一转换器具有被设置成与电流控制电路串联的、用于从所述双线电流回路接收功率的输入以及用于向所述测量设备提供功率的输出；以及

电压调节电路，用于通过控制所述第一转换器的所述输入的输入电压将所述电流控制电路的电压调向期望电压。 

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