CN101806823B

CN101806823B - 用于生成并且同时监控测量电流的电流生成设备

Info

Publication number: CN101806823B
Application number: CN201010117464.2A
Authority: CN
Inventors: 安德烈亚斯·布莱辛
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2010-02-21
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-02-21
Also published as: US20100211342A1; CN101806823A; EP2219013A1; EP2219013B1; US8405378B2

Abstract

公开了用于生成并且同时监控测量电流的电流生成设备。本发明涉及生成并监控料位计、压力计、流量计或评测设备的独立于负载的输出电流。在独立于生成测量电流的网络而实现的开关电路中可以连续生成或在特定时间间隔内生成等于或不等于测量电流、但相对于测量电流反相的电流，其中，所生成的电流可以在比较点处馈入测量电路中并且被加起来。补偿原则使得可以确定测量电流是否对应于标称值，其中，通过包含第二电流源的第二开关电路将测试电流馈入第一电路中。根据馈入的测试电流以及标称值可以计算待分接的电压的特定期望值。如果所测量的电压偏离期望值，则测量电流与标称值的偏离被检测到并可以输出给用户。

Description

用于生成并且同时监控测量电流的电流生成设备

相关申请的引用

本申请要求于2009年2月13日提交的欧洲专利申请EP 09 152 814.1的提交日的权益，因此该欧洲专利申请的公开内容被通过引用合并到此，并且本申请要求于2009年2月13日提交的美国临时专利申请61／152,369的提交日的利益，因此该美国临时专利申请的公开内容被通过引用合并到此。

技术领域

本发明涉及电流的生成和监控。本发明特别涉及用于生成并且同时监控料位计、压力计或流量计的测量电流的电流生成设备，涉及具有电流生成设备的料位计，涉及具有电流生成设备的压力计，涉及具有电流生成设备的流量计，涉及用于生成并且同时监控测量电流的方法，涉及程序单元，以及涉及计算机可读介质。

背景技术

现场设备(诸如料位计、压力计和流量计等)广泛用于现今工业活动的各个领域以便确定箱或管中的测量值。通过不同的数据传输技术将测量值发送到控制或管理中心。在这种情况下，基于电磁波的模拟和数字无线电传输是一种优选方式，例如用于将由现场的对应传感器确定的电平转发到中心局。

如果部分传输受限于电线，则要被转发的测量值是根据双线或四线技术借助于电流而被发送的。在某些情况下，这种测量电流(即例如与电流环路中物理存在的测量值成比例地输出的测量电流)可以用在与安全有关的监控电路中用于安全功能。在这种情况下，出于各种技术原因，可能出现实际生成的测量电流与对应于实际存在的物理测量值的可应用的标称值之间的偏离。这种偏离的一个原因例如可能是电流限定网络中的组件故障。

发明内容

公开了用于生成并且同时监控料位计、压力计或流量计的测量电流的电流生成设备，料位计，压力计，流量计，用于生成并且同时监控测量电流的方法，根据独立权利要求的特征的程序单元和计算机可读介质。在从属权利要求中阐述了本发明的其它扩展。

所描述的示例性实施例也涉及所述电流生成设备、料位计、压力计、流量计和方法。

应该注意，本发明上下文中的术语“传感器”也与术语“料位计”、“压力计”或“流量计”以及其它测量设备相关。术语“传感器值”类似地与术语“测量值”相关。

此外，本发明上下文中的术语“期望值”是指在测量电流与标称值一致时补偿电压或补偿电流的值。该期望值还取决于所施加的测试电流的选取值。

本发明上下文中的术语“电流源”还表示该电流源可以输出独立于负载的电流。

根据本发明的一个示例性实施例，公开了一种用于生成并且同时监控料位计、压力计或流量计的测量电流的电流生成设备。在这种情况下，该电流生成设备的特征在于用于生成测量电流的第一电流源和用于生成补偿电流的第二电流源。在这种情况下，补偿电流用于补偿测量电流的至少一部分。该电流生成设备的特征还在于：用于基于补偿电流来检测测量电流与标称值的偏离的检测电路。

在这种情况下，电流生成设备可以例如包括两个独立的开关电路，这两个独立的开关电路分别包含所描述的电流源中的一个。还可以将这两个开关电路布置在电路板上，并且以集成电路的形式将这些开关电路集成到电路板中。电流生成设备还可以形成料位计、压力计或流量计的组成部分。然而，还可以实现一种被布置为远离测量设备的以分离的外部设备形式的电流生成设备。

测量电流还对应于由传感器先前确定或读取的测量值。在这种情况下，测量电流是由第一电流源生成的，例如，这是由微控制器对第一电流源的控制或调节所导致的。在这种情况下，测量电流与由传感器确定的测量值成比例。

测量电流还可以被称为第一电流源的在第一电流环路内或在第一电路内流动的独立于负载的输出电流。术语“独立于负载的电流”是指以下事实：电流源的电流可以独立于环路中的电阻器而基本上保持恒定。然而，“独立于负载的电流”还可以包括具有任何频率和波形的交变电流。“独立于负载的电流”的值很大程度上与第一电路中的负载电阻器无关。

还应该注意，补偿电流对应于相应的补偿电压。在本发明的上下文中，补偿电流的生成、测量以及比较可以类似地总是基于补偿电压。

检测电路还可以实现为，例如，用于在第一节点(或比较点)与基准点(例如微控制器)之间进行电压测量的简单电路的形式。然而，还可以想到实现更复杂类型的电路。

在检测测量电流与标称值的偏离时的一个重要方面是测量对应位置处的补偿电流或补偿电压。例如，可以测量降落在第一电流感测电阻器单元处的补偿电压，第一电流感测电阻器单元可以包括电阻器。然而，还可以想到使用其它电气、电子、光或磁的检测方法。在补偿电压的在前测量之后，将补偿电压的测量值与预定期望值和／或所存储的期望值进行比较。

换句话说，补偿电流的量值的期望值或补偿电压的量级的期望值被提供给电流生成设备，并且用作用于检测偏离的基础。在这种情况下，期望值例如可以是零，但还可以不等于零。检测是通过对补偿电压的测量结果与期望值进行比较来实现的，并且如果可行的话，可以在偏离的情况下相应地通知给用户。还可以重新调节生成测量电流的电流源。

还可以例如将测量电流的标称值存储在第二电流源中。然而，还可以将该标称值在外部存储于控制并调节两个电流源的微控制器内。在这种情况下，标称值对应于应该出现在正确运转的***中的不存在任何故障的完整***中的测量电流，所述完整***包括电流生成设备、传感器以及到中心局的所有数据传输部件。

补偿电流可以例如产生于测量电流与由第二电流源生成的测试电流的加法。该加法可以在物理上发生在例如后面描述的比较点处。

测试电流I_测试可以例如等于反相的标称值(即-I_标称)。然而，还可以考虑馈入以下测试电流：该测试电流的量值对应于反相的标称值的倍数，即I_测试=x(-I_标称)，其中，x可以是任何正分数有理数或负分数有理数。补偿电压的期望值导致对该测试电流的选择值的依赖性。

因为根据本发明的该示例性实施例对测量电流进行监控，所以可以公开对例如以独立于负载的输出电流的形式的测量电流进行监控，所述独立于负载的输出电流独立于基准误差以及例如模数转换器的分辨率或限制、非线性以及温度改变。

如果标称值I_标称以及测试电流I_测试是经由同一电子网络(例如下图1中的电阻器108)传送的，则关于其物理特性的偏离可以彼此抵消，这是因为补偿原则也适用于这种情况。举例来说可以是在操作期间由温度波动导致的值改变以及组件或网络的非线性。

根据该示例性实施例，因此可以不再需要完全地或部分地将测量电流映射到特别网络中和／或将测量电流传送到额外的监控电路中用于与潜在的标称值进行比较。

根据本发明的一个示例性实施例，电流生成设备的特征在于电流感测电阻器单元，其中补偿电流流经电流感测电阻器单元。

因此可以在电流感测电阻器单元上借助于电压测量来检测测量电流与标称值的偏离的值。换句话说，电流生成设备可以实现为这样的方式：补偿电流或补偿电压与测量电流距标称值的偏离成比例。下图1示出该类型的一个可能的示例性实施例。

根据本发明的另一示例性实施例，公开了一种电流生成设备，其中，第一电流源提供第一电路，第二电流源将测试电流馈入第一电路中。电流生成设备进一步实现为以下方式：测试电流的馈入生成补偿电流。

除了其它方面，下图1中还描述了该示例性实施例。换句话说，在独立于生成测量电流的网络而实现的开关电路中连续地或在某个期望时间间隔内生成等于或不等于测量电流、但相对于测量电流反相的电流，其中该电流在比较点处馈入第一电路中。在馈入时监控(即，测量)该比较点处的累积电流，如果***的功能没有故障，则累积电流需要具有期望值。这对应于基于补偿原则测量偏离和(如果可行的话)检测偏离。

换句话说，补偿电流是在第一电路中生成的，在第一电路中也流动着测量电流。该第一电路被设计为通过电气测量电流将测量值传送到显示器或控制单元。

根据本发明的另一示例性实施例，电流生成设备实现为以下方式：如果测试电流对应于标称值，则仅在测量电流偏离标称值的情况下生成不为零的补偿电流。

换句话说，在测量电流被无故障地生成并传送的情况下，在例如第一电路中在电流感测电阻器单元处，不产生补偿电压降。在这种情况下，补偿电压的期望值将是0V。该期望值也可以存储于例如微控制器中，补偿电压的测量信号被发送到微控制器。

根据本发明的另一示例性实施例，电流生成设备还实现为以下方式：如果测试电流对应于标称值的倍数，则基于电流感测电阻器单元处电压的不为零的期望值实现对偏离的检测。

在这种情况下，可以在例如比较点与微控制器之间测量电压。换句话说，如果在测试电流对应于标称值的倍数的这种情况下***无故障地运转，则也期望不为零的补偿电流。因此，可以存储于例如微控制器中的补偿电压的期望值不等于零。

根据本发明的另一示例性实施例，至少测量电流或补偿电流是独立于负载的电流。

由于本发明的该示例性实施例的这种特性，可以例如根据在两个节点1和2处的流入电流和流出电流的法则来表示图1中描述的等式。因此，确保了可以高精度地将待测量的补偿电压分配给测量电流的值。

根据本发明的另一示例性实施例，电流源被布置在第一区域中，第一区域实现增强的安全要求。

这种安全要求可以例如通过安全完整性等级3或4(SIL3或4)来实现。在这种情况下，可以在电路板上提供第一区域与第二区域之间的电气隔离，其中，第二区域实现所谓的EX标准。这使得可以确保第二电流源(所述第二电流源使得可以利用用于监控测量电流的补偿原则)被可靠保护，免受例如来自电流生成设备的其它区域的***、热或电飞弧。还可以利用用于桥接这样的电气隔离的不同耦合器，例如光耦合器。例如，可以使用单向耦合器以便改进安全性。

根据本发明的另一示例性实施例，电流生成设备的特征在于微控制器，其中两个电流源都连接到微控制器，以及微控制器可利用检测信号。

在这种情况下，检测信号可以是电阻器处的补偿电压。然而，也可以在比较点(在该比较点处测试电流馈入第一电路中)与另一位置(例如，微控制器)之间测量该电压。

因此，微控制器可以控制并且调节两个电流源中的至少一个。然而，还可以通过微控制器指定采样协议，其中，所述采样协议命令第二电流源在比较点处朝向期望的离散采样侧使描述的测试电流馈入第二电路中，因此使得可以检测测量电流与标称值的偏离。这可以意味着减少能耗。然而，连续的采样也是可以的。

根据本发明的另一示例性实施例，公开了一种电流生成设备，其中微控制器被设计为调节并且控制两个电流源中的至少一个。

根据本发明的另一示例性实施例，电流生成设备被设计用于4至20mA的双线环路。

工作电阻(例如以评测设备的形式)可以位于第一电路内。

根据本发明的另一示例性实施例，公开了一种具有电流生成设备的料位计。

根据本发明的另一示例性实施例，公开了一种具有电流生成设备的压力计。

根据本发明的另一示例性实施例，公开了一种具有电流生成设备的流量计。

根据本发明的另一示例性实施例，公开了一种用于生成并且同时监控料位计、压力计或流量计的测量电流的方法，其中，该方法包括以下步骤：提供第一电流源；提供第二电流源；提供用于检测测量电流的偏离的检测电路；通过第一电流源生成测量电流；通过第二电流源生成补偿电流；通过补偿电流来补偿测量电流的至少一部分；以及基于补偿电流来检测测量电流与标称值的偏离。

换句话说，由于测试电流而导致电能被馈入第一电路中，其中，如果先前产生了测量电流与标称值的偏离，则该电能可以导致在电流感测电阻器单元处或在比较点与另一位置之间的补偿电压。在这种情况下，可以将测试电流调节为等于标称值或不等于标称值。在第一实例中，如果可以在期望的位置处分接不为零的电压，则检测到偏离。在第二实例中，如果补偿电压的值不对应于先前计算出的和／或所存储的期望值，则例如以声信号、光信号或电信号的形式将检测结果转发到检测点。

根据本发明的另一示例性实施例，公开了一种计算机可读介质，其中，计算机程序单元存储于该计算机可读介质上，并且计算机程序单元当在处理器上执行时命令处理器实现上述步骤。

根据本发明的另一示例性实施例，公开了一种计算机程序单元，该计算机程序单元当在处理器上执行时，命令处理器发起上述步骤。

在这种情况下，计算机程序单元可以例如是存储于传感器的处理器上的软件的一部分。类似地，计算机程序单元可以用在结合电流生成设备控制并调节传感器的控制单元或计算机单元中。本发明的该示例性实施例还包括：从开始就利用本发明的计算机程序单元，以及通过升级而使现有程序利用本发明的程序单元。

根据本发明的另一示例性实施例，公开了一种评测设备，该评测设备具有根据前述示例性实施例之一的电流生成设备。

根据本发明的一个方面，提供了一种电流生成设备，用于生成并且同时监控料位计、压力计或流量计的测量电流，其中，该电流生成设备包括：第一电流源，用于生成测量电流；第二电流源，用于生成补偿电流以便补偿测量电流的至少一部分；检测电路，用于基于补偿电流来检测测量电流与标称值的偏离；以及电流感测电阻器单元；其中，补偿电流流过电流感测电阻器单元。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于生成并且同时监控料位计、压力计或流量计的测量电流的方法，其中，该方法包括以下步骤：提供第一电流源；提供第二电流源；提供用于检测测量电流与标称值的偏离的检测电路；提供电流感测电阻器单元；通过第一电流源生成测量电流；通过第二电流源生成补偿电流；使补偿电流流过电流感测电阻器单元；通过补偿电流来补偿测量电流的至少一部分；以及基于补偿电流来检测测量电流与标称值的偏离(S7)。

作为补充，应该注意，“包括”和“特征在于”不排除其它部件或步骤，以及“一个”不排除多个。还应该注意，参照上述示例性实施例之一描述的特征或步骤也可以结合本发明的其它上述示例性实施例的其它特征或步骤来使用。权利要求中的参考标号显然不应理解为限制性意义。

下面参照附图来描述本发明的示例性实施例。

附图说明

图1示出根据本发明一个示例性实施例的用于生成并且同时监控料位计、压力计或流量计的测量电流的电流生成设备的示意性二维图解。

图2示出根据本发明一个示例性实施例的方法的流程图。

附图示出并非按真实比例的示意性图解。

在以下对附图的描述中，通过相同的参考标号来标识相同或相似的部件。

具体实施方式

图1示出用于生成并且同时监控与传感器102的测量值相对应的测量电流101的电流生成设备100。该图示出生成测量电流101的第一电流源103。该电流是电流源103的独立于负载的输出电流。该图还示出将测试电流110馈送到第一电路109中的第二电流源104。由于所述馈送而生成了补偿电流105。换句话说，第二电流源104还生成补偿电流105。在这种情况下，所生成的补偿电流105补偿测量电流101的至少一部分。

该图还示出检测电路106，检测电路106在这种情况下被实现为由微控制器113在第一节点114处执行的电压测量的形式。检测电路106被设计为通过补偿原则(即，基于补偿电流)来检测测量电流的值与标称值107的偏离。在这种情况下，理想状态中的测量电流的标称值被象征性图示为位于第二电流源内的存储部件116中的正方形的形式。正方形象征所存储的标称值。

箭头117表示用户可以在随后以测试电流110的形式馈送到第一电路109中的不同值之间进行选择。在这种情况下，正方形118和119象征与标称值的倍数(例如标称值的0.5倍或1.2倍)相对应的测试电流的值。如上所述，如果选择正方形107，则第二电流源104可应用标称值作为测试电流的值。换句话说，正方形107、118和119象征用户对默认测试电流的选择。

该图还示出可以实现为电阻器(例如欧姆电阻器)形式的电流感测电阻器单元108。该图清楚示出：补偿电流105在第一节点114与第二节点115之间流动，并且补偿电压降落在第一节点114与第二节点115之间。因为测试电流在节点114处馈入，所以全部电流的相加物理上是在该位置发生的。如所示的那样，也可以在该比较点对电压进行分接。在图1中，微控制器113在节点114处对该电压进行分接。取决于微控制器的电势，该电压也可以对应于补偿电压。

图1清楚示出：第二电流源104在充当比较点的第一节点114处将测试电流110馈入第一电路中。测试电流的馈入转而使补偿电流105根据当前的测量电流101与测试电流110的选择值之间的比率而分别发展。测量电流和测试电流是独立于负载的输出电流，该事实导致在第一电流源的输入处和输出处流动着相同的电流，并且在第二电流源的输入处和输出处也流动着相同的电流。

在本发明的该示例性实施例中，通过将施加到节点114的电压传送到微控制器113来实现对偏离的检测。在微控制器113中可以存储多个期望值111。这些期望值取决于由第一电流源中的正方形107、118和119象征的测试电流的上述电势值。第一基尔霍夫(Kirchhoff)定律(根据该定律，电气节点中的流入电流之和一定与流出电流之和相同)适用于第一节点114和第二节点115。因此，测试电流I_测试和测量电流I_测量电流的以下关系成立：

I_测试=I₁+I_测量电流适用于第一节点114，I_测量电流=I₂+I_测试适用于第二节点115。如果两个电流I_测量电流和I_测试不相等，则电流I₁=-I₂流动。在这种情况下，I₁通过图1中的符号120表示，而I₂通过图1中的箭头121表示。在电流感测电阻器单元108处产生了补偿电压U_补偿=I₁×R_{电流感侧电阻器}。如果两个电流I_测量电流和I_测试同样大，则I₁和I₂等于零。在电流感测电阻器单元108处不产生电压。该示例描述了以下情况：其中，第二电流源输出与测量电流的标称值相等的测试电流，即其中，用户选择了正方形107。

该图还示出电流生成设备的特征在于第一区102，第一区102可以实现增强的安全要求。例如，这种安全要求可以是SIL3或SIL4等级的要求。从微控制器113指向电流源的箭头类似地表示微控制器调节并控制两个电流源。

在测量补偿电压之后，将补偿电压和对应于馈入的测试电流的值的期望值进行比较，并且如果有的话，则偏离被检测到并且以信号的形式输出给用户。

换句话说，通过图1所示的电流生成设备可以针对测量电流101的值对测量电流101进行监控，从而可以防止基准误差或者模数转换器(所有这些都用于外部监控电路中)的例如非线性、温度波动影响、分辨率以便监控测量电流。换句话说，可见电流生成设备的优点在于不需要外部监控电路，在外部监控电路中可能产生上述缺点。

传感器102包括用于容器的料位计或压力传感器，或者包括流量传感器。电流生成设备100也可以集成到传感器中或评测设备中。

图2示出用于生成并且同时监控用于传感器的测量电流的方法。在步骤S1中，提供了第一电流源，在步骤S2中，提供了第二电流源。此外，在步骤S3中，提供了用于检测测量电流的偏离的检测电路。

在步骤S4中，通过第一电流源生成测量电流，其中，通过第二电流源实现补偿电流的生成(步骤S5)。通过补偿电流补偿测量电流的至少一部分(步骤S6)，其中，随后基于补偿电流来检测测量电流与标称值的偏离(步骤S7)。

在这种情况下，可以例如利用使用了补偿原则来监控测量电流的电路。如果具有期望值而不是对应于测试电流的电压降落在两个预定点之间(例如在比较点与微控制器之间)，则可以将检测结果转发给用户。

Claims

1.一种电流生成设备(100)，用于生成并且同时监控料位计、压力计或流量计(102)的测量电流(101)，其中，所述电流生成设备包括：

第一电流源(103)，用于生成测量电流；

第二电流源(104)，用于生成补偿电流(105)以便补偿所述测量电流的至少一部分；

检测电路(106)，用于基于所述补偿电流来检测所述测量电流与标称值(107)的偏离；以及

电流感测电阻器单元(108)；

其中，所述补偿电流流过所述电流感测电阻器单元。

2.根据权利要求1所述的电流生成设备，

其中，所述第一电流源提供第一电路(109)；

其中，所述第二电流源将测试电流(110)馈入所述第一电路中；以及

其中，所述电流生成设备实现为以下方式：所述测试电流的馈入生成所述补偿电流。

3.根据权利要求2所述的电流生成设备，

其中，所述电流生成设备实现为以下方式：如果所述测试电流对应于所述标称值，则仅在所述测量电流偏离所述标称值的情况下生成不为零的补偿电流。

4.根据权利要求2或3所述的电流生成设备，

其中，所述电流生成设备实现为以下方式：如果所述测试电流对应于所述标称值的倍数，则基于所述电流感测电阻器单元处电压的不为零的期望值(111)来检测所述偏离。

5.根据权利要求2或3所述的电流生成设备，

其中，至少所述测量电流或所述测试电流是独立于负载的电流。

6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的电流生成设备，其中，通过电压测量来执行对所述偏离的检测。

7.根据权利要求1至3中的任意一项所述的电流生成设备，

其中，所述第二电流源被布置在第一区域(112)中；以及

其中，所述第一区域实现增强的安全要求。

8.根据权利要求1至3中的任意一项所述的电流生成设备，

其中，所述电流生成设备被设计为4-20mA的双线环路。

9.一种料位计，其具有根据权利要求1-8之一所述的电流生成设备。

10.一种压力计，其具有根据权利要求1-8之一所述的电流生成设备。

11.一种流量计，其具有根据权利要求1-8之一所述的电流生成设备。

12.一种用于生成并且同时监控料位计、压力计或流量计的测量电流的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

提供第一电流源(S1)；

提供第二电流源(S2)；

提供用于检测所述测量电流与标称值的偏离的检测电路(S3)；

提供电流感测电阻器单元；

通过所述第一电流源生成测量电流(S4)；

通过所述第二电流源生成补偿电流(S5)；

使所述补偿电流流过所述电流感测电阻器单元；

通过所述补偿电流来补偿所述测量电流的至少一部分(S6)；以及

基于所述补偿电流来检测所述测量电流与所述标称值的偏离(S7)。