用于過程儀表的現(xiàn)場設備制造技術

本發(fā)明專利技術涉及一種用于過程儀表的現(xiàn)場設備，所述現(xiàn)場設備具有一用于連接一雙線線路以及用于輸出測量值的標準化4-20mA接口。所述接口包含一串聯(lián)連接，所述串聯(lián)連接包括一晶體管電路(20)、一電源(4)以及構件(5)，所述晶體管電路可根據(jù)一控制信號(23)對回路電流(I)進行調節(jié)，所述構件可以實際值(U_IST)形式檢測所述回路電流(I)。經(jīng)一第一反饋路徑(27)將所述實際值(U_IST)傳輸給一具有積分性能的調節(jié)器(24)，所述調節(jié)器將所述實際值與一額定值(U_SOLL)進行比較并根據(jù)控制偏差產(chǎn)生一用于所述晶體管電路(20)的控制信號(23)。所述具有相對較低帶寬的調節(jié)器(24)用于精確調節(jié)出理想的回路電流(I)。為了對經(jīng)所述雙線線路進入的干擾進行抑制，所述實際值(U_IST)作為補償信號(25)經(jīng)一第二反饋路徑輸往一求和點(22)，所述求和點用于根據(jù)所述控制信號(23)和所述補償信號(25)產(chǎn)生一用于所述晶體管電路(20)的輸入信號(21)。這個輔助控制電路相對較快，因而也能抑制高頻EMC干擾。在此情況下，可以采用放大效果相對較強的晶體管電路(20)并在所述低帶寬調節(jié)器(24)中采用運算放大器，因此所述接口能耗較低。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種如權利要求1前序部分所述的用于過程儀表的現(xiàn)場設備，所述現(xiàn)場設備具有用于輸出測量值的標準化4-20mA接口。
技術介紹
過程技術設備使用多種用于過程儀表的現(xiàn)場設備來控制過程。測量變換器用于對介質的溫度、壓力、流量、料位、密度或氣體濃度等過程變量進行檢測。在測得過程變量的基礎上，可由執(zhí)行元件依據(jù)(例如)控制站所規(guī)定的策略對流程施加影響。執(zhí)行元件例如是調節(jié)閥、加熱器或泵。特別是在工藝技術設備中，壓力測量變換器是自動化生產(chǎn)流程領域的重要傳感組件。為了實現(xiàn)最佳設備特性并長久保持高產(chǎn)品質量，需要提供高質量測量變換器，其即使在極端條件下也能提供穩(wěn)定而錯誤較少的測量值。西門子目錄“ST FI 01-2008”第1章揭示一種用于過程儀表的壓力測量變換器， 該壓力測量變換器配有用于(例如)向控制系統(tǒng)輸出測量值的標準化4-20mA接口。通過 HART協(xié)議實現(xiàn)數(shù)字式參數(shù)化。待測壓力的測量值則以模擬電流的形式進行傳輸。圖1為用于在已知壓力測量變換器的4_20mA接口中產(chǎn)生模擬電流信號的輸出級的基本結構圖。兩個接線端子1和2上可連接未圖示的雙線線路，過程技術設備中的測量變換器可借助這個雙線線路例如與控制站或自動化設備連接。在該輸出級中，回路電流I 流經(jīng)晶體管電路3、電源4和測量電阻器5所構成的串聯(lián)連接。調節(jié)器6用控制信號7控制晶體管級3。因此，受到晶體管電路3調節(jié)的回路電流I與控制信號7的大小有關。電源4 為測量變換器提供工作所需電能。可用電能取決于回路電流I的大小及電源4上的下降電壓U_IN的大小。部分回路電流I經(jīng)電源4輸往下游的直流/直流轉換器8，該直流/直流轉換器用這部分回路電流產(chǎn)生適于驅動測量變換器的電子開關電路的電壓9。為清楚起見， 圖1未對這些開關電路進行圖示。高精測量電阻器5用于檢測回路電流I并將其轉換為電壓信號，該電壓信號以實際值U 1ST的形式在第一反饋路徑10中被傳輸給調節(jié)器6。調節(jié)器6的作用是將檢測到的實際值U_IST調節(jié)為額定值U_S0LL，該額定值是由圖1中未示出的微控制器根據(jù)測得壓力而生成。調節(jié)器6是具有積分性能的調節(jié)器，亦即，該調節(jié)器根據(jù)額定值U_S0LL和實際值U_IST產(chǎn)生控制偏差并進行積分。為清楚起見，圖1所示調節(jié)器6 的符號中僅顯示該調節(jié)器的核心元件運算放大器。在測量精度和功能范圍方面，對測量變換器的要求越來越高。這種越來越高的要求也對4-20mA接口的輸出級的設計產(chǎn)生了影響。舉例而言，對輸出測量值的精度要求直接受到測量電阻器5、調節(jié)器6及晶體管電路3對回路電流I的調節(jié)精度影響。特定而言，調節(jié)器6需要配備非常精確且偏置電壓較低的運算放大器。此外，接口的輸出級只能占用極少電量，以便測量變換器的其他電子電路具有足夠的工作電能來實現(xiàn)期望功能范圍。特別對于運算放大器和晶體管電路的選擇而言，這就意味著只能采用耗電量極低的組件。此外， 輸出電路必須具有高EMC(電磁兼容性)。這是指輸出級承受一定程度的干擾而不發(fā)生故障的能力。根據(jù)NAMUR建議NE21標準A的規(guī)定，不得因特定干擾而導致功能明顯受損。根據(jù)NE21的規(guī)定，干擾例如指IOkHz至80MHz頻率范圍內(nèi)的高頻耦合、IOV振幅或者雙線線路施加IkV的快速瞬態(tài)(Burst)。當前輸出值為12mA時，包括4_20mA接口且精確度為0. 5%的現(xiàn)場設備受干擾時的輸出電流與額定值的偏差不得超過0. 16mA。以上述要求為參照，已知輸出級具有以下缺點晶體管電路3的放大效果有限，因為僅采用了單獨一個放大數(shù)量級為50的PNP功率晶體管。這就需要為晶體管提供較大的控制電流，且該控制電流會對地GND流動。因此， 控制電流無法再用來獲取測量變換器工作所需電能。在此情況下，可供電子設備使用的功率下降了大約3%。為了對通過連接在端子1和2上的雙線線路而進入輸出級的干擾進行補償，調節(jié)器6在調節(jié)回路電流I時除了必要的精確度以外還須具有高速度。只有功率需量相對較高的運算放大器才能實現(xiàn)這一點。但與使用所謂的超低功耗型相比，這會使得可供電子設備使用的電能進一步降低3%。由此可見，已知輸出級已經(jīng)消耗了 6%的可用工作電能。由于對現(xiàn)場設備在測量速度、功能范圍、圖形顯示、顯示照明、IEC/EN61508所規(guī)定的SIL(安全完整性等級)等方面的性能要求與日俱增，因此，使輸出級不再浪費這么多電能，而是提供給急需使用這些電能來實現(xiàn)多項功能的電子設備成為越來越迫切的任務。
技術實現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術的目的是提供一種用于過程儀表的現(xiàn)場設備，這種現(xiàn)場設備的輸出級能耗相對較低，但該現(xiàn)場設備的抗電磁干擾能力相對較高。本專利技術用以達成上述目的的解決方案為一種具有如權利要求1特征部分所述特征的前述類型現(xiàn)場設備。從屬權利要求涉及的是本專利技術的有利改良方案。本專利技術的優(yōu)點是可以對經(jīng)雙線線路進入的干擾進行補償，而不必對用于控制晶體管電路的調節(jié)器的速度提出特別要求。為了抑制經(jīng)雙線線路進入的干擾，本專利技術將包括補償信號的第二反饋路徑直接(即不通過具有積分性能的調節(jié)器)接到用于調節(jié)回路電流的晶體管電路上，從而近乎形成起輔助作用的第二控制電路。通過這種方式，由位于內(nèi)側且較快的控制電路對EMC干擾進行過濾，而調節(jié)器內(nèi)所用的運算放大器就能以慢得多的速度進行工作。這樣就可以采用耗電量低得多的運算放大器。此外，采用第二反饋路徑來抑制耦合干擾后，如果使用放大效果明顯增強的晶體管電路，就能進一步降低輸出級的耗電量。在此情況下，放大系數(shù)例如可達50000，這樣就不會有可觀的功率被晶體管電路的控制電流浪費掉。用高通濾波器在第二反饋路徑上產(chǎn)生補償信號的優(yōu)點是，只有輔助控制電路中的高頻干擾和瞬態(tài)會被輸往晶體管電路的輸入端。晶體管電路基本上由晶體管構成，因而對此反應很快。高通濾波器可以采用例如由歐姆電阻器和電容器構成的串接連接。事實證明， 當晶體管電路的放大系數(shù)是50000時，100ΚΩ及InF量級的電阻值與電容是合適的。組件的準確尺寸與所用晶體管電路的特性有著很大的相關性，可以通過將特定干擾施加到輸出級上并對借助相應調節(jié)而實現(xiàn)的干擾抑制效果進行評價來根據(jù)經(jīng)驗測定這個精確尺寸。根據(jù)一種特別有利的實施方案，所述第二反饋路徑上的高通濾波器與一比例元件并聯(lián)，所述比例元件用于疊加一與所述回路電流成比例的分量。這種又稱直流反饋(DC-Feedback)的反饋路徑削弱了晶體管電路的放大效果。放大效果的削弱有利于降低調節(jié)器輸出噪聲的放大程度。因此與不設置并聯(lián)比例元件的情形相比，調節(jié)器的噪聲性能要求的重要性有所下降，在不設置比例元件的情況下晶體管電路的放大效果將會居高不下。 另一方面，設置并聯(lián)比例元件后就可以在調節(jié)器的電子電路中采用固有噪聲較高、因而售價較低的運算放大器。根據(jù)有利實施方案，由所述較快的輔助控制電路對經(jīng)雙線線路進入的干擾進行抑制，這項任務不再由外側控制電路中的調節(jié)器承擔。如前所述，其優(yōu)點在于調節(jié)器不用再滿足速度方面的高要求。但如果采用中等帶寬的調節(jié)器，用設置在第一反饋路徑上的低通濾波器隔離中頻(例如IOkHz至IMHz)范圍內(nèi)的EMC干擾與調節(jié)器輸入端，就比較有利。由此實現(xiàn)了完全的功能分離，亦即，較快的輔助控制電路用于抑制EMC干擾，外側控制電路的調節(jié)器則僅負責用模擬電流信號進行精確的測量值輸出。可以采用高精度的“超低功耗運本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2009.07.23 DE 102009034419.51.一種用于過程儀表的現(xiàn)場設備，所述現(xiàn)場設備具有一用于連接一雙線線路的標準化 4-20mA接口，其中，所述接口包含一串聯(lián)連接，所述串聯(lián)連接包括一晶體管電路(20)，所述晶體管電路可根據(jù)一控制信號對所述4-20mA接口的回路電流⑴進行調節(jié)，一電源G)，所述電源可借助所述回路電流(I)和一電壓降(U_IN)產(chǎn)生提供給所述現(xiàn)場設備的工作電能，以及可以實際值(U_IST)形式檢測所述回路電流(I)的構件(5)，其中，所述實際值(U_IST)經(jīng)一第一反饋路徑(XT)輸往一調節(jié)器03)以產(chǎn)生所述控制信號(23)，此外還將一與待傳輸測量值相對應的額定值(U_S0LL)傳輸給所述調節(jié)器，以便與所述實際值(U_IST)進行比較，其特征在于，所述實...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：賴因哈德·巴赫曼，埃里克·舍米斯凱，米夏埃爾·格佩特，西蒙·羅爾巴赫，拉爾夫·瓦爾特，
申請(專利權)人：西門子公司，
類型：發(fā)明
國別省市：