[发明专利]用于过程仪表的现场设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于过程仪表的现场设备，所述现场设备具有用于输出测量值的标准化4-20mA接口。

背景技术

过程技术设备使用多种用于过程仪表的现场设备来控制过程。测量变换器用于对介质的温度、压力、流量、料位、密度或气体浓度等过程变量进行检测。在测得过程变量的基础上，可由执行元件依据(例如)控制站所规定的策略对流程施加影响。执行元件例如是调节阀、加热器或泵。特别是在工艺技术设备中，压力测量变换器是自动化生产流程领域的重要传感组件。为了实现最佳设备特性并长久保持高产品质量，需要提供高质量测量变换器，其即使在极端条件下也能提供稳定而错误较少的测量值。

西门子目录“ST FI 01-2008”第1章揭示一种用于过程仪表的压力测量变换器，该压力测量变换器配有用于(例如)向控制系统输出测量值的标准化4-20mA接口。通过HART协议实现数字式参数化。待测压力的测量值则以模拟电流的形式进行传输。

图1为用于在已知压力测量变换器的4-20mA接口中产生模拟电流信号的输出级的基本结构图。两个接线端子1和2上可连接未图示的双线线路，过程技术设备中的测量变换器可借助这个双线线路例如与控制站或自动化设备连接。在该输出级中，回路电流I流经晶体管电路3、电源4和测量电阻器5所构成的串联连接。调节器6用控制信号7控制晶体管级3。因此，受到晶体管电路3调节的回路电流I与控制信号7的大小有关。电源4为测量变换器提供工作所需电能。可用电能取决于回路电流I的大小及电源4上的下降电压U_IN的大小。部分回路电流I经电源4输往下游的直流/直流转换器8，该直流/直流转换器用这部分回路电流产生适于驱动测量变换器的电子开关电路的电压9。为清楚起见，图1未对这些开关电路进行图示。高精测量电阻器5用于检测回路电流I并将其转换为电压信号，该电压信号以实际值U IST的形式在第一反馈路径10中被传输给调节器6。调节器6的作用是将检测到的实际值U_IST调节为额定值U_SOLL，该额定值是由图1中未示出的微控制器根据测得压力而生成。调节器6是具有积分性能的调节器，亦即，该调节器根据额定值U_SOLL和实际值U_IST产生控制偏差并进行积分。为清楚起见，图1所示调节器6的符号中仅显示该调节器的核心元件：运算放大器。

在测量精度和功能范围方面，对测量变换器的要求越来越高。这种越来越高的要求也对4-20mA接口的输出级的设计产生了影响。举例而言，对输出测量值的精度要求直接受到测量电阻器5、调节器6及晶体管电路3对回路电流I的调节精度影响。特定而言，调节器6需要配备非常精确且偏置电压较低的运算放大器。此外，接口的输出级只能占用极少电量，以便测量变换器的其他电子电路具有足够的工作电能来实现期望功能范围。特别对于运算放大器和晶体管电路的选择而言，这就意味着只能采用耗电量极低的组件。此外，输出电路必须具有高EMC(电磁兼容性)。这是指输出级承受一定程度的干扰而不发生故障的能力。根据NAMUR建议NE21标准A的规定，不得因特定干扰而导致功能明显受损。根据NE21的规定，干扰例如指10kHz至80MHz频率范围内的高频耦合、10V振幅或者双线线路施加1kV的快速瞬态(Burst)。当前输出值为12mA时，包括4-20mA接口且精确度为0.5％的现场设备受干扰时的输出电流与额定值的偏差不得超过0.16mA。

以上述要求为参照，已知输出级具有以下缺点：

晶体管电路3的放大效果有限，因为仅采用了单独一个放大数量级为50的PNP功率晶体管。这就需要为晶体管提供较大的控制电流，且该控制电流会对地GND流动。因此，控制电流无法再用来获取测量变换器工作所需电能。在此情况下，可供电子设备使用的功率下降了大约3％。

为了对通过连接在端子1和2上的双线线路而进入输出级的干扰进行补偿，调节器6在调节回路电流I时除了必要的精确度以外还须具有高速度。只有功率需量相对较高的运算放大器才能实现这一点。但与使用所谓的超低功耗型相比，这会使得可供电子设备使用的电能进一步降低3％。

由此可见，已知输出级已经消耗了6％的可用工作电能。由于对现场设备在测量速度、功能范围、图形显示、显示照明、IEC/EN61508所规定的SIL(安全完整性等级)等方面的性能要求与日俱增，因此，使输出级不再浪费这么多电能，而是提供给急需使用这些电能来实现多项功能的电子设备成为越来越迫切的任务。

发明内容