ЭЛЕКТРОННАЯ ЧАСТЬ ПОЛЕВОГО УСТРОЙСТВА, ЗАПИТЫВАЕМАЯ ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ELECTRONIC PART OF FIELD DEVICE, WHICH IS POWERED WITH EXTERNAL ELECTRIC ENERGY SOURCE

Изобретение относится к электронной части полевого устройства для полевого устройства. Электронная часть полевого устройства запитывается внешним источником электроэнергии или мощности. Изобретение относится также к полевому устройству с такой электронной частью полевого устройства.
В технике измерений и автоматизации промышленных производств, преимущественно в связи с автоматизацией производств химических или технических способов и/или управлением промышленными установками, измерительные приборы, установленные рядом с производством, так называемые полевые устройства, используются для местного получения сигналов измеренных значений в качестве аналоговых или цифровых представлений производственных переменных. Аналогично, полевые устройства могут встраиваться как регулирующие приборы для изменения одной или нескольких производственных переменных и, в этом отношении, для активного направления потока производства. Такие подлежащие регистрации или регулировке производственные переменные, в зависимости от обстоятельств включают в себя, например, массовый расход, плотность, вязкость, уровень наполнения, предельный уровень, давление, температуру и тому подобное для жидкой, порошкообразной, паровой или газовой среды, переносимой или хранимой, в зависимости от обстоятельств, в соответствующей оболочке, такой, к примеру, как трубопровод или контейнер. Дополнительные примеры для таких полевых устройств, которые известны сами по себе специалистам, описаны пространно и подробно в публикациях международных заявок WO 05/040735, WO 04/048905, WO 03/048874, WO 02/103327, WO 02/086426, WO 01/02816, WO 00/48157, WO 00/36379, WO 00/14485, WO 95/16897, WO 88/02476, в патентах США №№7200503, 7004191, 6932098, 6799476, 6776053, 6769301, 6577989, 6662120, 6574515, 6535161, 6512358, 6487507, 6480131, 6476522, 6397683, 6352000, 6311136, 6285094, 6269701, 6236322, 6140940, 6014100, 6006609, 5959372, 5796011, 5742225, 5687100, 5672975, 5604975, 5604685, 5535243, 5469748, 5416723, 5363341, 5359881, 5231884, 5207101, 5131279, 5068592, 5065152, 5052230, 4926340, 4850213, 4768384, 4716770, 4656353, 4617607, 4594584, 4574328, 4524610, 4468971, 4317116, 4308754, 3878725, 3764880, в заявках ЕПВ №№1158289, 1147463, 1058093, 984248, 591926, 525920 или 415655, в заявках Германии 4412388 или 3934007. Раскрытые там полевые устройства в каждом случае запитываются внешним источником электроэнергии, который обеспечивает напряжение питания и задаваемый им ток питания, протекающий через электронную часть полевого устройства.
Для случая, в котором полевое устройство служит в качестве измерительного прибора, оно дополнительно содержит подходящий измерительный адаптер или преобразователь физической или химической величины в электрическую для электрической регистрации соответствующих производственных переменных. Такой адаптер чаще всего вставлен в стенку оболочки, несущей среду, или в звено линии, например, трубопровода, переносящего эту среду, и служит для получения измерительного сигнала, преимущественно электрического измерительного сигнала, представляющего первичную регистрируемую производственную переменную как можно точнее. Для обработки этого измерительного сигнала измерительный адаптер, в свою очередь, соединен с управляющей и оценивающей схемой, предусмотренной в электронной части полевого устройства и служащей специально для дальнейшей обработки или оценки, по меньшей мере, одного измерительного сигнала. В большом числе таких полевых устройств измерительный адаптер дополнительно так активируется управляющим сигналом, генерируемым, по меньшей мере, время от времени управляющей и оценивающей схемой, что этот адаптер взаимодействует, по меньшей мере, непосредственно со средой способом, пригодным для измерения или, альтернативно, практически непосредственно со средой через подходящий зонд, чтобы вызывать реакции, отражающие подлежащий регистрации параметр. Управляющий сигнал можно в таком случае контролировать, например, в отношении уровня электрического тока, уровня напряжения и/или частоты. Примерами таких активных измерительных адаптеров, которые соответствующим образом преобразуют электрический управляющий сигнал в среде, являются, преимущественно адаптеры измерений в потоке, служащие для измерения сред, протекающих, по меньшей мере, время от времени. Эти адаптеры используют, по меньшей мере, одну катушку, возбуждаемую управляющим сигналом для создания магнитного поля, или, по меньшей мере, один ультразвуковой излучатель, возбуждаемый управляющим сигналом или уровнем наполнения и/или предельным уровнем, причем адаптер служит для измерения и/или отслеживания уровней наполнения в контейнере, таком как, к примеру, сверхвысокочастотные антенны, линии поверхностной волны, а следовательно, волноводы для акустических или электромагнитных поверхностных волн, вибрационные иммерсионные элементы или тому подобное.
Для приспособления электронной части полевого устройства полевые устройства описанного вида включают в себя далее корпус электроники, который, как, к примеру, описанный в патенте США №6397683 или в публикации международной заявки WO 00/36379, может быть расположен на удалении от полевого устройства и подключен к нему только гибким кабелем, либо который, как показано, к примеру, также в заявках ЕПВ №№903651 или 1008836, размещен непосредственно на измерительном адаптере или либо на корпусе измерительного адаптера, отдельно вмещающем этот измерительный адаптер. Зачастую корпус электроники служит далее, как показано, например, в заявке ЕПВ №984248, патентах США №№4594584, 4716770 или 6352000, еще и для приспособления некоторых механических компонентов измерительного адаптера, таких, к примеру, как мембрана, стержень, гильза или трубка, деформируемые или вибрирующие элементы, меняющие форму в процессе работы, под влиянием механических усилий; см. в этой связи также упомянутый выше патент США №6352000. Полевые устройства описанного вида обычно соединяются вместе и/или с подходящими компьютерами для управления технологическими процессами через систему передачи данных, подключенную к электронной части полевого устройства. Полевые устройства передают свои сигналы измеренных значений в такие места, к примеру, по токовым шлейфам на величины тока от 4 мА до 20 мА и/или по цифровой шине данных и/или соответствующим образом принимают рабочие данные и/или управляющие команды. В качестве систем передачи данных здесь преимущественно служат сетевые шины, такие, к примеру, как сетевые шины PROFIBUS-PA, FOUNDATION, а также соответствующие протоколы передачи. За счет компьютеров, управляющих технологическими процессами, передаваемые сигналы измеренных значений можно далее обрабатывать и визуализировать в качестве соответствующих результатов измерений, к примеру, на мониторах и/или преобразовывать в управляющие сигналы для других полевых устройств, встроенных в качестве исполнительных механизмом, к примеру, в виде электромагнитных вентилей, электродвигателей и т.п.
Далее, большое число полевых устройств описанного вида, преимущественно также измерительных полевых устройств, имеют такую электрическую конструкцию, что они удовлетворяют требованиям внутренней взрывобезопасности. Соответственно, полевые устройства работают с такой низкой электрической мощностью, чтобы отсутствовали условия воспламенения и не происходило искрения или дуги. Внутренне взрывобезопасная защита задана, например, согласно Европейским стандартам EN 50014 и EN 50020, когда электронные устройства сконструированы так, что они удовлетворяют определенной в этом стандарте классификации защиты от воспламенения «Внутренняя безопасность (Ex-i)». Согласно этой классификации защиты от воспламенения, не разрешается, чтобы электрические токи, напряжения и мощности, появляющиеся в полевом устройстве, в любое время превышали конкретные ограниченные значения тока, напряжения и мощности. Эти три предельных значения выбраны так, чтобы в случае выхода из строя или в случае короткого замыкания максимально освобождаемая величина энергии не была бы достаточной для появления способной к воспламенению искры. Обычно в случае внутренне безопасных полевых устройств не разрешается, чтобы электрическая мощность превышала 1 Вт. Напряжение можно поддерживать ниже конкретных пороговых значений, к примеру, стабилитронами, ток - к примеру, резисторами, а мощность - соответствующими комбинациями ограничивающих напряжение и ток компонентов.
В случае современных полевых устройств они зачастую представляют собой, так называемые двухпроводные полевые устройства, и в случае этих полевых устройств электронная часть полевого устройства электрически соединена с внешним источником электроэнергии только по единственной паре электрических линий, и в этом случае электронная часть полевого устройства также передает мгновенное измеренное значение по единственной паре электрических линий в блок оценки, предусмотренный во внешнем источнике электроэнергии и/или электрически связанный с ним. Электронная часть полевого устройства всегда включает в себя в таком случае контроллер электрического тока для установки и/или модулирования, преимущественно тактирования, такого как стробирование, включение или возбуждение тока источника, внутреннюю управляющую и оценивающую схему для управления полевым устройством, а также внутреннюю схему питания, основанную на внутреннем входном напряжении электронной части полевого устройства, выделенном из напряжения питания, запитывающую внутреннюю управляющую и оценивающую схему и имеющую, по меньшей мере, один контроллер потребляемого напряжения, к примеру, регулятор, питаемый изменяемым электрическим токовым компонентом тока питания и обеспечивающий внутреннее потребляемое напряжение в электронной части полевого устройства, которое регулируется или управляется, чтобы быть практически постоянным на заранее заданном уровне напряжения. Примеры таких двухпроводных полевых устройств, преимущественно двухпроводных измерительных приборов или двухпроводных исполнительных механизмов можно найти, среди прочего, в публикациях международных заявок WO 05/040735, WO 04/048905, WO 03/048874, WO 02/45045, WO 02/103327, WO 00/48157, WO 00/26739, в патентах США №№7200503, 6799476, 6577989, 6662120, 6574515, 6535161, 6512358, 6480131, 6311136, 6285094, 6269701, 6140940, 6014100, 5959372, 5796011, 5742225, 5672975, 5535243, 5416723, 5207101, 5068592, 5065152, 4926340, 4656353, 4317116, 3764880, в заявках ЕПВ №№1147463, 1058093, 591926, 525920, 415655, в заявках Германии 4412388 или 3934007. В некоторых случаях, как описано, например, в патенте США №3764880 или в публикации международной заявки WO 04/048905, внутри электронной части полевого устройства предусмотрено также гальваническое разделение, например, между внутренней управляющей и оценивающей схемой, с одной стороны, и контроллером тока, с другой стороны, чтобы предотвратить ситуацию, когда возможные разности потенциалов, которые не всегда возможно с уверенностью избежать, между установкой, в которую помещено полевое устройство, и внешним источником электроэнергии оставлены неуправляемыми.
По историческим причинам такие двухпроводные полевые устройства по большей части спроектированы так, что ток питания, мгновенно протекающий в двухпроводной линии в виде токового шлейфа на уровне мгновенного электрического тока, установленном на значении, лежащем между 4 мА и 20 мА, в то же самое время представляет также измеренную величину, вырабатываемую полевым устройством в этот момент, или действующее значение, посылаемое в этот момент на полевое устройство, в зависимости от обстоятельств. В результате этого особая проблема таких двухпроводных полевых устройств состоит в том, что электрическая мощность, по меньшей мере, номинально рассеиваемая или подлежащая рассеиванию электронной частью полевого устройства, именуемая далее вкратце как «имеющаяся мощность», может флюктуировать во время работы в широком диапазоне практически непредсказуемым образом. Для решения этой проблемы современные двухпроводные полевые устройства (полевые устройства 2L), преимущественно современные двухпроводные измерительные приборы (измерительные приборы 2L) с токовыми шлейфами на ток от 4 мА до 20 мА, проектируются поэтому обычно так, что функциональные возможности этих приборов, воплощаемые посредством микрокомпьютера, предусмотренного в управляющей и оценивающей схеме, могут меняться и при этом управляющую и оценивающую схему, которая по большей части никоим образом не рассеивает большой мощности, можно приспособить к мгновенно имеющейся мощности.
Подходящее приспособление электронной части полевого устройства к имеющейся мощности можно получить, к примеру, как предложено также в патентах США №№6799476, 6512358 или 5416723, путем согласования мощности, мгновенно рассеиваемой в полевом устройстве, с мгновенно имеющейся мощностью и, разумеется, таким образом, чтобы отдельные функциональные блоки управляющей и оценивающей схемы работали с соответствующими изменяемыми тактовыми частотами либо, в зависимости от уровня мгновенно имеющейся мощности, даже выключались на некоторый период времени (режим готовности или ожидания). В случае полевых устройств, встроенных в качестве двухпроводных измерительных приборов с активным измерительным адаптером электрическую мощность, мгновенно рассеиваемую в полевом устройстве, можно, как раскрыто, среди прочего, в патентах США №№6799476, 6014100 или в публикации международной заявки WO 02/103327, дополнительно согласовать с мгновенно имеющейся мощностью путем приспособления также электрической мощности, мгновенно рассеиваемой в измерительном адаптере, например, посредством тактирования по мере необходимости буферизованным управляющим сигналом вместе с соответствующей согласуемой частотой стробирования, которой этот управляющий сигнал тактируется, и/или путем снижения уровня электрического тока и/или максимального уровня напряжения управляющего сигнала.
Однако в случае полевых устройств, встроенных в качестве двухпроводных измерительных приборов, изменение функциональных возможностей прибора приводит, по большей части, к тому, что во время работы точность, с которой управляющая и оценивающая схема определяет измеренное значение, и/или частота, с которой управляющая и оценивающая схема, например, обновляет измеренное значение, подвергается(-ются) изменениям в мгновенно имеющейся мощности. Кроме того, демпфирование избыточной мощности иногда может только условно исправить этот недостаток двухпроводных измерительных приборов с токовыми шлейфами на ток от 4 мА до 20 мА. С одной стороны, вследствие внутренней взрывобезопасности, зачастую требуемой для таких двухпроводных измерительных приборов, в лучшем случае имеющуюся избыточную электроэнергию можно сохранить только в очень ограниченных величинах внутри электронной части полевого устройства. С другой стороны, однако, мгновенный ток питания, а, следовательно, также в лучшем случае имеющаяся избыточная энергия зависит только от мгновенно измеренного значения, так что в случае продолжительного очень низкого, но временами сильно изменяющегося измеренного значения соответственно получаемый запас мощности может в течение более длительного периода времени полностью разрядиться. Кроме того, для установления такого сложного управления мощностью в полевом устройстве требуется очень тщательное и тем самым также очень трудновыполнимое измерение мощности, как с точки зрения схемы, так и с точки зрения энергии; см. в этой связи также публикацию международной заявки WO 00/26739, патенты США №№6799476, 6512358 или заявку ЕПВ №1174841.
Помимо этого, обнаружено, в случае полевых устройств описанного вида с измерительным адаптером для переноса и измерения сред, протекающих, по меньшей мере, время от времени, что адаптивное тактирование управляющих сигналов и/или отдельных компонентов управляющей и оценивающей схемы пригодно лишь условно. Это справедливо преимущественно в применении к измерительному адаптеру вибрационного типа, такому как описано, например, в вышеупомянутых патентах США №№6799476, 6691583, 6006609, 5796011, 5687100, 5359881, 4768384, 4524610 или в публикации международной заявки WO 02/103327. Раскрытые там полевые устройства служат для измерения параметров потоков, протекающих по трубопроводам, в основном удельного массового расхода, плотности или вязкости. При этом соответствующий измерительный адаптер будет включать в себя, по меньшей мере, одну измерительную трубку, вибрирующую во время работы и служащую для переноса среды, возбуждающий механизм, электрически соединенный с электронной частью полевого устройства и имеющий возбудитель колебаний, механически взаимодействующий с измерительной трубкой для возбуждения измерительной трубки, а также сенсорное приспособление, которое генерирует измерительные сигналы посредством, по меньшей мере, одного датчика колебаний, размещенного на измерительной трубке, для локального представления колебаний измерительной трубки. Как возбудитель колебаний, так и датчик колебаний выполнены в таком случае предпочтительно электродинамическими, т.е. сконструированы из магнитной катушки с подвижным сердечником, взаимодействующим с ней через магнитное поле.
Вследствие высокоточного управления амплитудой и частотой механизма возбуждения управляющий сигнал, неизбежно требуемый для работы такого измерительного адаптера, прежде всего представляет собой дискретизацию колебаний измерительной трубки по времени с высоким разрешением. Аналогично, в случае измерений, производимых в текущих средах, выдаваемое измеренное значение должно также само по себе часто обновляться. С другой стороны, чаще всего очень высокая механическая постоянная времени колебательной системы, образованной измерительным адаптером, приводит к тому, что в случае его возможных ускорений, преимущественно во время нестационарных, неустойчивых происшествий, нужно будет использовать высокую управляющую мощность и/или относительно длительные времена установления. Дальнейшие исследования в этой связи выявили, однако, дополнительно, что из-за обычно ограниченной емкости хранения для электрической мощности, даже буферизованная избыточная энергия в полевом устройстве вряд ли приведет к значительному улучшению отношения сигнал-шум в зависимости от амплитуды колебаний измерительной трубки. В этом отношении, даже временное и частичное выключение управляющей и оценивающей схемы мало пригодно для двухпроводных измерительных приборов с активным измерительным адаптером описанного вида, преимущественно для двухпроводных измерительных приборов с вибрационным измерительным адаптером, предусматривающим перенос текучих сред.
Дальнейшая возможность улучшения допустимой мощности полевых устройств описанного вида, преимущественно двухпроводных измерительных приборов, состоит, по меньшей мере, в случае минимальной имеющейся мощности, в использовании ее насколько возможно действительно для воплощения функциональных возможностей прибора, чтобы тем самым оптимизировать соответствующую эффективность полевого устройства, по меньшей мере, в области малой имеющейся мощности. Схемы питания для внутренней запитки электронной части полевого устройства, построенной на этом принципе, подробно обсуждаются, например, в патентах США №№6577989 или 6140940. Преимущественно, предложенные там решения помогают оптимизировать внутренне реально рассеиваемую электрическую мощность. Для этой цели на входе электронной части полевого устройства для регулировки и поддержания вышеупомянутого внутреннего входного напряжения электронной части полевого устройства на заранее заданном, при необходимости также регулируемом, уровне напряжения предусмотрен контроллер входного напряжения с регулятором напряжения, который действует на входе электронной части полевого устройства и который в зависимости от имеющейся мощности и мгновенно реально необходимой мощности имеет протекающий через него, по меньшей мере, иногда, переменный токовый компонент, ответвляемый от тока питания. Однако недостаток данной электронной части полевого устройства состоит в том, что все внутренние потребители запитываются практически от одного и того же внутреннего потребляемого напряжения, и возможный отказ этого единственного потребляемого напряжения, например, из-за слишком малого тока питания, может привести к состоянию, в котором нормальная работа полевого устройства больше невозможна, или даже к внезапной временной полной остановке электронной части полевого устройства.
Исходя из вышеупомянутых недостатков уровня техники, как видно на основе приведенных примеров традиционных измерительных приборов 2L, цель изобретения состоит в том, чтобы обеспечить для полевого устройства описанного вида пригодную электронную часть полевого устройства, которая дает возможность, по меньшей мере, при нормальной работе полевого устройства поддерживать управляющую и оценивающую схему, особенно имеющийся в ней микропроцессор, непрерывно в работе, и в таком случае всегда в достаточной мере запитывать электроэнергией, по меньшей мере, отдельные выбранные функциональные блоки, особенно имеющийся микропроцессор. Помимо этого, электронную часть полевого устройства следует спроектировать так, чтобы отдельные узлы и компоненты можно было поддерживать эффективно гальванически отделенными друг от друга с, по меньшей мере, возможно наименьшей технической сложностью и без потерь и с экономией энергии. Далее, электронную часть полевого устройства следует спроектировать так, чтобы отдельные узлы или компоненты, при сравнительно малой сложности, могли быть модульно соединены таким образом, чтобы, по меньшей мере, узлы или компоненты, предусмотренные на входе электронной части полевого устройства, можно было использовать для большого числа типов полевых устройств, преимущественно также полевых устройств, спроектированных на принципах разнообразия. Такой входной модуль, сформированный посредством узлов и компонентов, предусмотренных на входе, должен быть способен в таком случае поддерживаться с как можно более низкими потерями и с экономией энергии гальванически отделенным от схемного модуля, который включает в себя, по меньшей мере, части управляющей и оценивающей схемы, но в любом случае с предусмотренной в нем задающей схемой.
Помимо того, электронная часть полевого устройства должна быть спроектирована так, чтобы отдельные узлы или компоненты можно было эффективно поддерживать гальванически отделенными друг от друга с как можно более низкими потерями и с экономией энергии и при возможно меньшей технической сложности. Далее, электронная часть полевого устройства должна быть спроектирована так, чтобы отдельные узлы или компоненты могли быть модульно соединены таким образом, чтобы, по меньшей мере, узлы или компоненты, предусмотренные на входе электронной части полевого устройства, можно было, с одной стороны, использовать для большого числа типов полевых устройств, преимущественно также полевых устройств, спроектированных на принципах разнообразия, а с другой стороны, эффективно гальванически отделить такие узлы друг от друга, и преимущественно находящиеся рядом с датчиком узлы электронной части полевого устройства могли быть выполнены как можно более простыми.
Для достижения этой цели изобретение предусматривает для полевого устройства электронную часть полевого устройства, запитываемую от внешнего источника электроэнергии, подающего преимущественно однополярное напряжение питания и доставляющего под действием такого напряжения преимущественно однополярный и/или бинарный переменный ток питания. Электронная часть полевого устройства согласно изобретению включает в себя: контроллер тока, через который протекает ток питания, для регулировки и/или модулирования, преимущественно тактирования, тока питания; внутреннюю управляющую и оценивающую схему для управления полевым устройством; а также внутреннюю питающую схему, находящуюся под внутренним входным напряжением электронной части полевого устройства, выделенным из напряжения питания, и запитывающую внутреннюю управляющую и оценивающую схему, при этом внутренняя питающая схема включает в себя:
- первый контроллер потребляемого напряжения, через который протекает, по меньшей мере, иногда, преимущественно переменный первый токовый компонент тока питания, для подачи в электронную часть полевого устройства внутреннего, первого потребляемого напряжения, практически постоянно контролируемого, чтобы быть постоянным на первом заранее заданном уровне напряжения;
- второй контроллер потребляемого напряжения, через который протекает, по меньшей мере, иногда, преимущественно переменный второй токовый компонент тока питания, для подачи в электронную часть полевого устройства внутреннего второго потребляемого напряжения, переменного в заранее заданном диапазоне напряжения; а также
- регулятор напряжения, через который протекает, по меньшей мере, иногда, преимущественно переменный второй токовый компонент тока питания, для регулировки и поддержания внутреннего входного напряжения электронной части полевого устройства на заранее заданном уровне напряжения, преимущественно на уровне напряжения, который можно менять во время работы.
Кроме того, в случае электронной части полевого устройства согласно изобретению, оба из контроллеров потребляемого напряжения гальванически отделены один от другого. Оба контроллера потребляемого напряжения могут быть в таком случае соединены вместе, например, посредством, по меньшей мере, одного трансформатора.
Помимо этого, изобретение заключается в полевом устройстве, включающем в себя вышеупомянутую электронную часть полевого устройства. В первом варианте полевого устройства согласно изобретению оно служит для измерения и/или отслеживания, по меньшей мере, одного заранее заданного физического и/или химического параметра, преимущественно массового расхода, плотности, вязкости, уровня наполнения, давления, температуры, значения рН и тому подобного для среды, преимущественно среды, переносимой в трубопроводе и/или контейнере, и полевое устройство включает в себя, поэтому дополнительно измерительный адаптер физической или химической величины в электрическую, соединенный с электронной частью полевого устройства, для реагирования на изменения, по меньшей мере, одного параметра и для выдачи, по меньшей мере, иногда, по меньшей мере, одного измерительного сигнала, соответствующего этому параметру, преимущественно сигнала переменного напряжения и/или сигнала переменного тока. Во втором варианте полевого устройства согласно изобретению оно служит для регулировки, по меньшей мере, одного заранее заданного физического и/или химического параметра, преимущественно массового расхода, плотности, вязкости, уровня наполнения, давления, температуры, значения рН и тому подобного для среды, преимущественно среды, переносимой в трубопроводе и/или контейнере, и полевое устройство включает в себя, поэтому дополнительно электрофизический возбудитель, электрически соединенный с электронной частью полевого устройства и реагирующий на изменения, по меньшей мере, одного приложенного управляющего сигнала, преимущественно сигнала переменного напряжения и/или сигнала переменного тока, регулировкой перемещения возбудителя для воздействия на подлежащий регулировке параметр.
В первом варианте осуществления изобретения предусмотрено, что первый контроллер потребляемого напряжения и внутренняя управляющая и оценивающая схема гальванически разделены друг с другом. Первый контроллер потребляемого напряжения и внутренняя управляющая, и оценивающая схема могут быть в таком случае связаны вместе, например посредством, по меньшей мере, одного трансформатора.
Во втором варианте осуществления изобретения предусмотрено, что второй контроллер потребляемого напряжения запитывается потребляемым напряжением, доставляемым первым контроллером потребляемого напряжения или выделенным из него вторичным напряжением.
В третьем варианте осуществления изобретения предусмотрено, что регулятор тока и второй контроллер потребляемого напряжения гальванически разделены друг от друга.
В четвертом варианте осуществления изобретения предусмотрено, что регулятор тока и внутренняя управляющая и оценивающая схема гальванически разделены друг от друга.
В пятом варианте осуществления изобретения предусмотрено, что регулятор напряжения и второй контроллер потребляемого напряжения гальванически разделены друг от друга.
В шестом варианте осуществления изобретения предусмотрено, что регулятор напряжения и внутренняя управляющая и оценивающая схема гальванически разделены друг от друга.
В седьмом варианте осуществления изобретения предусмотрено, что внутренняя управляющая и оценивающая схема пропускает, по меньшей мере, иногда, как первый потребляемый ток, преимущественно переменный первый потребляемый ток, возбуждаемый первым потребляемым напряжением, так и, кроме того, второй потребляемый ток, преимущественно переменный первый потребляемый ток, возбуждаемый вторым потребляемым напряжением.
В восьмом варианте осуществления изобретения внутреннее входное напряжение электронной части полевого устройства и/или второе потребляемое напряжение электронной части полевого устройства управляются(-ется) как функция от мгновенного уровня напряжения на зажимах, выделенного из напряжения питания и поданного с входа на электронную часть полевого устройства. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения внутреннее входное напряжение электронной части полевого устройства поддерживается посредством регулятора напряжения на заранее заданном уровне напряжения, преимущественно на уровне меняющегося в процессе работы напряжения, которое ниже, чем напряжение на зажимах. Уровень напряжения, на котором внутреннее входное напряжение поддерживается посредством регулятора напряжения, может меняться, преимущественно пошагово или практически непрерывно во время работы.
В девятом варианте осуществления изобретения второе потребляемое напряжение управляется как функция от мгновенного уровня напряжения внутреннего входного напряжения электронной части полевого устройства и/или как функция от мгновенного уровня напряжения на зажимах, выделенного из напряжения питания и поданного с входа на электронную часть полевого устройства.
В десятом варианте осуществления изобретения второе потребляемое напряжение управляется как функция от мгновенного уровня электрического тока из, по меньшей мере, трех компонентов электрического тока. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения предусмотрено, что второе потребляемое напряжение управляется как функция от мгновенной интенсивности электрического тока третьего токового компонента. В другом дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения предусмотрено, что второе потребляемое напряжение управляется как функция от мгновенной интенсивности второго токового компонента и мгновенного уровня напряжения внутреннего входного напряжения электронной части полевого устройства.
В одиннадцатом варианте осуществления изобретения питание от внешнего источника питания обеспечивает напряжение питания, проявляющее переменный, преимущественно флюктуирующий уровень напряжения.
В двенадцатом варианте осуществления изобретения напряжение питания, доставленное внешним источником питания, возбуждает ток питания, проявляющий переменный уровень электрического тока, преимущественно уровень электрического тока, флюктуирующий практически заранее не поддающимся определению образом.
В тринадцатом варианте осуществления изобретения запоминающая схема, служащая для временного хранения электроэнергии, предусмотрена в управляющей и оценивающей схеме.
В четырнадцатом варианте осуществления изобретения регулятор напряжения содержит компонент, преимущественно полупроводниковый элемент или тому подобное, служащий в основном для рассеивания электроэнергии и для избавления от возникающей при этом тепловой энергии.
В пятнадцатом варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один микропроцессор предусмотрен в управляющей и оценивающей схеме, при этом первое потребляемое напряжение или выделенное из него вторичное напряжение служит, по меньшей мере, частично, в качестве рабочего напряжения этого микропроцессора. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения первый контроллер потребляемого напряжения и микропроцессор гальванически разделены друг от друга. В другом дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения микропроцессор поддерживается гальванически разделенным от регулятора тока и/или от регулятора напряжения.
В шестнадцатом варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один цифровой сигнальный процессор предусмотрен в управляющей и оценивающей схеме, при этом первое потребляемое напряжение или выделенное из него вторичное напряжение служит, по меньшей мере, частично, в качестве рабочего напряжения этого цифрового сигнального процессора. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения первый контроллер потребляемого напряжения и цифровой сигнальный процессор гальванически разделены друг от друга. В другом дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения цифровой сигнальный процессор поддерживается гальванически разделенным от регулятора тока и/или от регулятора напряжения.
В семнадцатом варианте осуществления изобретения в управляющей и оценивающей схеме предусмотрен, по меньшей мере, один усилитель, в котором, по меньшей мере, одно из двух потребляемых напряжений или выделенное из него вторичное напряжение служит, по меньшей мере, частично, в качестве рабочего напряжения. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения дополнительно предусмотрено, что первый контроллер потребляемого напряжения и, по меньшей мере, один усилитель гальванически разделены друг от друга.
В восемнадцатом варианте осуществления изобретения в управляющей и оценивающей схеме предусмотрен, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь, в котором первое потребляемое напряжение или выделенное из него вторичное напряжение служит, по меньшей мере, частично, в качестве рабочего напряжения. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения дополнительно предусмотрено, что первый контроллер потребляемого напряжения и, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь гальванически разделены друг от друга.
В девятнадцатом варианте осуществления изобретения в управляющей и оценивающей схеме предусмотрен, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь, в котором, по меньшей мере, одно из двух потребляемых напряжений или выделенное из него вторичное напряжение служит, по меньшей мере, частично, в качестве рабочего напряжения. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения дополнительно предусмотрено, что первый контроллер потребляемого напряжения и, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь гальванически разделены друг от друга.
В двадцатом варианте осуществления изобретения в управляющей и оценивающей схеме предусмотрено средство для сравнения электрических напряжений, приложенных к электронной части полевого устройства, и/или электрических токов, протекающих в электронной части полевого устройства, с эталонными значениями. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения управляющая и оценивающая схема вырабатывает предупредительный сигнал, сигнализирующий недозапитку электронной части полевого устройства, по меньшей мере, когда управляющая и оценивающая схема обнаруживает снижение или падение второго потребляемого напряжения ниже минимального предела уровня потребления, заранее заданного для второго потребляемого напряжения, и снижение и падение третьего токового компонента ниже минимального предельного значения электрического тока, заранее заданного для третьего компонента. В другом дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения электронная часть полевого устройства включает в себя далее, по меньшей мере, один компаратор, который сравнивает воспринимаемое напряжение, выделенное из третьего токового компонента от тока питания, с соответствующим эталонным напряжением, и/или компаратор, который сравнивает второе потребляемое напряжение с, по меньшей мере, одним соответствующим эталонным напряжением.
В двадцать первом варианте осуществления изобретения это средство включает в себя далее чувствительные резисторы, служащие для выработки воспринимаемых напряжений, практически пропорциональных току.
В двадцать втором варианте осуществления электронной части полевого устройства согласно изобретению это средство включает в себя далее измерительный и управляющий блок для регистрации и регулировки напряжений, приложенных к электронной части полевого устройства, преимущественно второго потребляемого напряжения, и/или токов, протекающих в электронной части полевого устройства, преимущественно, второго и/или третьего компонентов электрического тока. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения измерительный и управляющий блок управляет регулятором напряжения так, что третий токовый компонент протекает, когда компаратор, сравнивающий второе потребляемое напряжение с, по меньшей мере, одним соответствующим эталонным напряжением, сигнализирует превышение вторым потребляемым напряжением максимального предельного значения потребляемого напряжения, заранее заданного для второго потребляемого напряжения. В другом дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения измерительный и управляющий блок поддерживает разность напряжений между входным напряжением и напряжением на зажимах на заранее заданном уровне напряжения на основе входного напряжения и/или напряжения на зажимах.
В двадцать третьем варианте осуществления изобретения электронная часть полевого устройства включает в себя далее, по меньшей мере, один компаратор, который сравнивает воспринимаемое напряжение, выделенное из третьего токового компонента от тока питания, причем этот, по меньшей мере, один компаратор для третьего токового компонента поддерживается гальванически разделенным от второго контроллера потребляемого напряжения и/или от внутренней управляющей и оценивающей схемы.
В двадцать четвертом варианте осуществления изобретения электронная часть полевого устройства включает в себя, по меньшей мере, один компаратор, который сравнивает второе потребляемое напряжение с, по меньшей мере, одним соответствующим эталонным напряжением, причем этот, по меньшей мере, один компаратор для второго потребляемого напряжения поддерживается гальванически разделенным от второго контроллера потребляемого напряжения и/или от внутренней управляющей и оценивающей схемы.
В двадцать пятом варианте осуществления изобретения включен измерительный и управляющий блок для регистрации и регулировки напряжений, приложенных к электронной части полевого устройства, преимущественно второго потребляемого напряжения, и/или токов, протекающих в электронной части полевого устройства, преимущественно, второго и/или третьего компонентов электрического тока, и второй контроллер потребляемого напряжения управляется этим измерительным и управляющим блоком. Для этого измерительный и управляющий блок, в дальнейшем развитии изобретения, доставляет, по меньшей мере, иногда, для управления вторым контроллером потребляемого напряжения, сигнал управления напряжением, который представляет уровень напряжения, подлежащий мгновенной установке для второго потребляемого напряжения. В другом дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения предусмотрено, что измерительный и управляющий блок и второй контроллер потребляемого напряжения гальванически разделены друг от друга. В таком случае измерительный и управляющий блок и второй контроллер потребляемого напряжения могут быть связаны друг с другом, например, посредством, по меньшей мере, одного трансформатора и/или посредством, по меньшей мере, одной оптопары. В другом дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения предусмотрено, что измерительный и управляющий блок и внутренняя управляющая и оценивающая схема гальванически разделены друг от друга. В таком случае измерительный и управляющий блок и внутренняя управляющая, и оценивающая схема могут быть связаны друг с другом, например, посредством, по меньшей мере, одного трансформатора и/или посредством, по меньшей мере, одной оптопары.
В двадцать шестом варианте осуществления изобретения электронная часть полевого устройства электрически соединена с внешним источником электроэнергии исключительно через двухпроводную электрическую линию.
В первом варианте осуществления полевого устройства согласно изобретению оно осуществляет связь через систему передачи данных, по меньшей мере, иногда, с управляющим и проверяющим блоком, причем в электронной части полевого устройства для такой цели предусмотрена схема связи, управляющая связью через систему передачи данных. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения первое потребляемое напряжение или выделенное из него вторичное напряжение служит, по меньшей мере, частично, в качестве рабочего напряжения для этой схемы связи. В другом дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения регулятор тока и схема связи гальванически разделены друг от друга.
Во втором варианте осуществления полевого устройства согласно первому варианту управляющая и оценивающая схема электронной части полевого устройства вырабатывает, по меньшей мере, иногда, посредством, по меньшей мере, одного измерительного сигнала измеренное значение, представляющее мгновенно, преимущественно в цифровом виде, по меньшей мере, один подлежащий измерению и/или отслеживанию параметр. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения контроллер тока регулирует ток питания на основе измеренного значения, мгновенно представляющего этот, по меньшей мере, один подлежащий измерению и/или отслеживанию параметр. В другом дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения задающая схема имеет, по меньшей мере, один цифро-аналоговый преобразователь и/или, по меньшей мере, один генератор сигнала для выработки задающего сигнала. Согласно еще одному дальнейшему развитию данного варианта осуществления изобретения измерительный адаптер имеет переменный электрический импеданс, запитываемый задающей схемой, преимущественно магнитную катушку переменной индуктивности и/или измерительный конденсатор переменной емкости. Далее, предусмотрено, что электрический импеданс измерительного адаптера изменяется как функция от, по меньшей мере, одного подлежащего измерению и/или отслеживанию параметра. Помимо того, предусмотрено, что напряжение сигнала, падающее на изменяющемся электрическом импедансе, и/или ток сигнала, протекающий через изменяющийся электрический импеданс, служит в качестве измерительного сигнала.
В пятом варианте осуществления полевого устройства согласно первому варианту управляющая и оценивающая схема имеет, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь для, по меньшей мере, одного сигнала адаптера, в котором первое потребляемое напряжение или выделенное из него вторичное напряжение служит, по меньшей мере, частично, в качестве рабочего напряжения. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения управляющая и оценивающая схема имеет, по меньшей мере, один микрокомпьютер, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, преимущественно микрокомпьютер, сформированный посредством микропроцессора и/или сигнального процессора, для генерирования измеренного значения, при этом первое потребляемое напряжение служит, по меньшей мере, частично, в качестве рабочего напряжения этого микрокомпьютера.
В шестом варианте осуществления полевого устройства согласно первому варианту измерительный адаптер включает в себя, по меньшей мере, одну измерительную трубку, вводимую в звено трубопровода для переноса среды, преимущественно измерительную трубку, вибрирующую, по меньшей мере, иногда, во время работы. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения, по меньшей мере, одна магнитная катушка размещена на измерительном адаптере для создания магнитного поля, преимущественно переменного магнитного поля. В варианте осуществления дальнейшего развития изобретения магнитная катушка имеет во время работы измерительного адаптера, по меньшей мере, иногда, протекающий через нее ток возбудителя, преимущественно ток возбудителя, который является биполярным и/или переменным по уровню электрического тока, для генерирования магнитного поля. Такой ток возбудителя запускается вторым потребляемым напряжением или выделенным из него вторичным напряжением. В другом варианте осуществления данной разработки изобретения магнитная катушка взаимодействует через магнитное поле с подвижным сердечником, причем катушка магнитного поля и сердечник подвижны по отношению друг к другу. В другом варианте осуществления данной разработки изобретения, по меньшей мере, одна измерительная трубка измерительного адаптера вибрирует, по меньшей мере, иногда, во время работы, возбуждаемая электромеханическим, преимущественно электромагнитным возбуждающим механизмом, сформированным посредством катушки магнитного поля и подвижным сердечником.
В дальнейшем развитии полевого устройства согласно первому варианту измерительный адаптер включает в себя две измерительные трубки, введенные в звено трубопровода для переноса среды и вибрирующие, по меньшей мере, иногда, во время работы.
В седьмом варианте осуществления полевого устройства согласно первому варианту измерительный адаптер служит для регистрации, по меньшей мере, одного параметра, преимущественно уровня наполнения, контейнера, содержащего среду, и включает в себя для этого, по меньшей мере, один измерительный зонд, преимущественно сверхвысокочастотную антенну, линию поверхностной волны, вибрационный иммерсионный элемент или тому подобное, выступающий в просвет контейнера или, по меньшей мере, сообщающийся с этим просветом.
В восьмом варианте осуществления полевого устройства согласно первому варианту электронная часть полевого устройства электрически соединена с внешним источником электроэнергии исключительно по двухпроводной электрической линии и передает измеренное значение, вырабатываемое, по меньшей мере, иногда, для представления мгновенно, преимущественно в цифровом виде, по меньшей мере, одного подлежащего измерению и/или отслеживанию параметра по единственной паре электрических линий к оценивающей схеме, предусмотренной во внешнем источнике электроэнергии и/или электрически соединенной с ним. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения мгновенный уровень электрического тока от тока питания, преимущественно мгновенный уровень электрического тока, регулируемый для значения, лежащего между 4 мА и 20 мА, представляет мгновенно вырабатываемое измеренное значение.
Главная идея изобретения состоит в разделении потребителей, предусмотренных в электронной части полевого устройства - не считая самой схемы питания - с одной стороны, по меньшей мере, на первую группу электрических цепей или потребителей с более высоким приоритетом и на вторую группу электрических цепей или потребителей с более низким приоритетом и, с другой стороны, в проектировании схемы питания так, чтобы при нормальной работе полевого устройства, по меньшей мере, мощностные или энергетические потребности первой группы электрических цепей всегда покрывались. Кроме того, те цепи или компоненты, которые главным образом служат для хранения энергии внутри в полевом устройстве и/или заставляют электроэнергию рассеиваться из полевого устройства, могут быть назначены в третью группу электрических потребителей, которая имеет протекающий ток и тем самым запитывается электроэнергией исключительно в случае достаточного питания первой и второй групп.
В первую группу электрических цепей с более высоким приоритетом преимущественно назначены, среди прочего, по меньшей мере, один микропроцессор, предусмотренный в электронной части полевого устройства, вместе со схемами связи, служащими для связи с возможными управляющими и проверяющими блоками более высокого уровня. Это имеет преимущество в том, что полевое устройство может, с одной стороны, поддерживаться постоянно функционирующим, а, с другой стороны, может также, по меньшей мере, поддерживаться постоянно в интерактивном режиме. Далее, для случая, в котором полевое устройство является измерительным прибором, в первую группу электрических цепей может быть также первоначально назначен измерительный канал, служащий для регистрации и согласования, по меньшей мере, одного измерительного сигнала, в то время как возможно имеющиеся каналы возбудителя, служащие главным образом для работы электрофизического измерительного адаптера могут быть реализованы как электрические цепи с более низким приоритетом. Это имеет, в случае использования электронной части полевого устройства согласно изобретению в измерительном приборе с измерительным адаптером вибрационного типа, особое преимущество в том, что практически весь измерительный канал, проходящий от датчиков колебаний к микропроцессору, может работать с практически постоянно управляемым первым потребляемым напряжением, а потому может постоянно запитываться при нормальной работе требуемой электрической мощностью. Это имеет то преимущество, что при этом колебания измерительной трубки, вырабатываемые во время работы, всегда можно дискретизировать на одинаково высокой частоте и можно также обрабатывать с высоким разрешением. Помимо этого, даже хотя канал возбудителя работает частично или исключительно с переменным вторым потребляемым напряжением, измерительная трубка при нормальной работе может возбуждаться практически без каких-либо пропусков, т.е. постоянно, хотя, может быть, с флюктуирующей амплитудой колебаний. Изобретение основано, среди прочего, на открытии того, что ни временное прекращение работы микропроцессора, ни прерывистая работа, например, канала возбудителя не могут привести к значительным улучшениям в энергетическом балансе. Это, скорее вопрос, с одной стороны, запитки компонентов, жизненно важных для работы полевого устройства и, при необходимости, связи с источником энергии как можно более постоянной и достаточной, а с другой стороны, требуемой недозапитки или отключения компонентов, которые менее существенны. Далее, обнаружено, что особенно в случае непрерывно или, по меньшей мере, квазинепрерывно измеряющих полевых устройств, например, измерительных приборов массового расхода на эффекте Кориолиса, может быть гораздо выгоднее подавать располагаемую электрическую энергию предпочтительно в, по меньшей мере, один микропроцессор, преимущественно обрабатывающий и оценивающий измеренные значения, по сравнению, например, с механизмом возбуждения сенсорной системы, который работает затем только с остающейся имеющейся энергией. При этом надо признать, не всегда возможно достичь оптимального отношения сигнал-шум для измерительного сигнала; однако возможный недостаток в качестве измерительного сигнала можно устранить путем обработки и оценки измеренного значения, т.к. оно воплощается все еще эффективно работающим микропроцессором.
В результате того, что второй контроллер потребляемого напряжения запитывается потребляемым напряжением, доставляемым первым контроллером потребляемого напряжения и/или выделенным из него вторичным напряжением, дополнительно возможно всего несколькими трансформаторами и, при необходимости, всего несколькими оптопарами обеспечить за счет очень простого и экономичного способа очень эффективное гальваническое разделение между отдельными компонентами или узлами электронной части полевого устройства. Это особенно справедливо, когда гальваническое разделение, подлежащее созданию между вышеупомянутыми группами электрических цепей с различным приоритетом и/или электронной части полевого устройства, должно быть сконструировано по модульному принципу.
Дополнительное преимущество такого каскадированного межсоединения двух контроллеров потребляемого напряжения следует также рассматривать в том плане, что, по меньшей мере, узлы или компоненты, первоначально предусмотренные для электронной части полевого устройства можно, тем не менее, использовать для большого числа типов полевых устройств, преимущественно также для полевых устройств, спроектированных согласно принципам разнообразия. Это использование особенно также возможно, когда отдельные узлы или компоненты модульно объединены и/или встроены с гальваническим разделением друг от друга. Например, при этом входной модуль, сформированный из исходно предоставленных узлов или компонентов, может поддерживаться гальванически раздельным от схемного модуля, включающего в себя, по меньшей мере, части управляющей и оценивающей схемы, преимущественно предусмотренной в ней задающей схемы.
Дальнейшим преимуществом этого изобретения является то, что полевое устройство, вследствие малой мощности, требуемой для работы, может без всяких усилий удовлетворить спецификации различных классов защиты от взрывов. Это делает полевые устройства особенно пригодными также для применения в тех опасных, с точки зрения взрывов, областях, в которых разрешены только внутренне безопасные приборы. Далее, полевое устройство в таком случае может быть осуществлено таким образом, что оно может работать вместе с обычными сетевыми шинами. Это может, с одной стороны, происходить путем непосредственного соединения с сетевой шиной, к примеру, соответствующей протоколу FIELDBUS (FIELDBUS представляет собой зарегистрированный знак FIELDBUS FOUNDATION). С другой стороны, совместная работа может происходить косвенно посредством шинного соединителя, к примеру, соответствующего так называемому протоколу HART (HART представляет собой зарегистрированный знак Hart user Group).
Изобретение будет теперь поясняться более подробно на основе примеров вариантов осуществления, а также на основе чертежей. Функционально одинаковые части представлены на отдельных чертежах одними и теми же ссылочными позициями, которые, однако, повторяются на последующих чертежах, только если такие повторы полезны. На чертежах показано следующее:
фиг.1 является видом в перспективе с боковой стороны полевого устройства, а также внешнего источника энергии, электрически соединенного с ним парой электрических линий;
фиг.2 является видом в перспективе с первой боковой стороны, частично в разрезе, примера варианта осуществления измерительного адаптера вибрационного типа, пригодного для полевого устройства по фиг.1;
фиг.3 является видом в перспективе со второй боковой стороны измерительного адаптера по фиг.2;
фиг.4 является примером варианта осуществления электромеханического механизма возбуждения для измерительного адаптера по фиг.2;
фиг.5 представляет собой блок-схему электронной части полевого устройства, пригодной для применения в полевом устройстве, особенно в двухпроводном полевом устройстве;
фиг.6-8 представляют собой блок-схемы цепей в примерах вариантов осуществления схемы возбудителя, пригодной для применения в полевом устройстве по фиг.1 с измерительным адаптером вибрационного типа по фиг.2-4;
фиг.9-12 являются электрическими схемами примеров вариантов осуществления конечных этапов, пригодных для схем возбудителей по фиг.6-8; и
фиг.13 условно показывает зависимости компонентов напряжения в электронной части полевого устройства по фиг.5.
V
V
V
K
Фиг.1 показывает пример полевого устройства, пригодного для применения в технике промышленных измерений и автоматизации, вместе с электронной частью 20 полевого устройства, запитываемой от внешнего источника 70 электроэнергии. При работе внешний источник 70 электроэнергии выдает преимущественно однополярное напряжение U питания и поставляет вместе с ним переменный преимущественно бинарный ток I питания, соответственно возбуждаемый напряжением U питания. Для этой цели электронная часть полевого устройства электрически соединена во время работы с, по меньшей мере, парой электрических линий 2L. В результате падения напряжения, естественным образом происходящего между внешним источником 70 энергии и входом электронной части 20 полевого устройства, напряжение U питания снижается на этом расстоянии до напряжения U на зажимах, реально присутствующего на входе электронной части полевого устройства.
Полевое устройство служит, в данном варианте осуществления изобретения, для измерения и/или отслеживания, а также для повторной выдачи измеренных значений, соответственно представляющих, по меньшей мере, один ранее запроектированный физический и/или химический параметр, такой, к примеру, как расход массы, плотность, вязкость, уровень наполнения, давление, температура, значение рН или тому подобное для среды, преимущественно газовой и/или жидкой, переносимой в трубопроводе и/или контейнере. Для этого полевое устройство включает в себя дополнительно измерительный физико-электрический адаптер, связанный с электронной частью полевого устройства для реагирования на изменения, по меньшей мере, одного параметра и для выдачи, по меньшей мере, иногда, сигнала измерений, соответствующего этому параметру, преимущественно в виде сигнала переменного напряжения и/или сигнала переменного тока. Альтернативно или в дополнение, в полевом устройстве может предусматриваться электрофизический адаптер, электрически связанный с электронной частью полевого устройства для реагирования на изменения, по меньшей мере, одного приложенного управляющего сигнала, преимущественно в виде сигнала переменного напряжения и/или сигнала переменного тока, причем возбудитель обеспечивает регулируемое перемещение для воздействия на подлежащий регулировке параметр или, иначе говоря, полевое устройство может быть также, например, спроектировано так, чтобы служить для регулировки, по меньшей мере, одного из физических и/или химических параметров среды. Для управления полевым устройством, преимущественно для возбуждения упомянутого измерительного адаптера или возбуждения упомянутого возбудителя, в электронной части полевого устройства предусмотрена далее внутренняя управляющая и оценивающая схема 50. Для случая, в котором полевое устройство является измерительным прибором, служащим для измерения, по меньшей мере, одного ранее назначенного физического и/или химического параметра, предусмотрено далее, что управляющая и оценивающая схема 50 определяет, по меньшей мере, одно измеренное значение или множество соответствующих измеренных значений для этого параметра.
м
В случае полевого устройства, показанного на фиг.1, оно представляет собой встроенный измерительный прибор, служащий преимущественно для регистрации параметров, к примеру, массового расхода, плотности и/или вязкости для среды, преимущественно газовой или жидкой, протекающей по трубопроводу (не показано), и для отражения этого в измеренном значении Х, мгновенно представляющего данный параметр. Соответственно, полевое устройство может быть, например, измерительным прибором массового расхода на основе эффекта Кориолиса, измерительным прибором плотности или также измерительным прибором вязкости. Для выработки, по меньшей мере, одного сигнала измерения полевое устройство, показанное здесь, включает в себя измерительный адаптер 10 вибрационного типа, размещенный в соответствующем корпусе 100 измерительного адаптера, а также электронную часть 20 полевого устройства, размещенную в показанном корпусе 200 электроники, и электрически соединенную подходящим образом с измерительным адаптером 10.
Фиг.2-4 показывают пример варианта осуществления для такого измерительного адаптера, конструкция которого и способ работы подробнейше описаны, к примеру, также в патенте США №6006609. Отметим, однако, уже здесь, что хотя пример варианта осуществления в данном случае относится к встроенному измерительному прибору с измерительным адаптером вибрационного типа, изобретение, разумеется, можно внедрять в практику также и в других полевых устройствах, например, встроенных измерительных приборах, использующих магнито-индуктивные измерительные адаптеры или акустические измерительные адаптеры. Равным образом, настоящее изобретение можно также использовать в полевых устройствах, которые служат для измерения параметров, например, уровня наполнения и/или предельного уровня, таких как определяемые в связи с содержащими среды контейнерами. Такие полевые устройства обычно воплощаются посредством измерительных адаптеров, имеющих, по меньшей мере, один измерительный пробник, выступающий в просвет контейнера или, по меньшей мере, сообщающийся с этим просветом, например, сверхвысокочастотную антенну, линию поверхностной волны, вибрационный иммерсионный элемент или тому подобное.
Для переноса подлежащей измерению среды измерительный адаптер 10 в примере варианта осуществления, показанного на фиг.2-4, включает в себя, по меньшей мере, одну измерительную трубку 13, имеющую впускной конец 11 и выпускной конец 12, заранее заданный просвет 13А измерительной трубки, эластично деформируемый во время работы, и заранее заданный номинальный диаметр. Эластичная деформация просвета 13А измерительной трубки означает здесь, что для выработки вышеупомянутых внутренних для среды, а следовательно, характеризующих среду сил реакции, пространственная форма и/или пространственное положение просвета 13А измерительной трубки циклически, преимущественно периодически изменяется заранее заданным образом в пределах эластичности измерительной трубки 13; см., к примеру, патенты США №№4801897, 5648616, 5796011 или 6006609. В требуемом случае измерительная трубка может, как показано, например, в заявке ЕПВ №1260798, может быть изогнутой, например. Кроме того, можно также, к примеру, использовать, вместо единственной измерительной трубки две изогнутых или прямых измерительных трубки. Прочие подходящие формы варианта осуществления для таких измерительных адаптеров вибрационного типа тщательно описаны, к примеру, в патентах США №№6711958, 6691583, 6666098, 5301557, 5357811, 5557973, 5602345, 5648616 или 5796011. Особенно пригодными в качестве материала для прямой измерительной трубки 13 по фиг.3 и 4 являются, к примеру, титановые сплавы. Вместо титановых сплавов, однако, можно использовать и другие материалы, обычно используемые также для таких, особенно изогнутых, измерительных трубок, такие, к примеру, как нержавеющая сталь, тантал или цирконий.
Измерительная трубка 13, которая сообщается обычным образом на своих впускном и выпускном концах с трубопроводом, переносящим среду в измерительную трубку и из измерительной трубки, содержится с возможностью вибрации в жестком, преимущественно изогнутой и туго скрученной опорной рамке 14, окруженной корпусом 100 измерительного адаптера. Опорная рамка 14 прикреплена к измерительной трубке 13 на впускном конце посредством впускной пластины 213, а на выпускном конце посредством выпускной пластины 223, причем эти две пластины проткнуты в каждом случае соответствующими выступающими деталями 131, 132 измерительной трубки 13. Далее, опорная рамка 14 имеет первую боковую пластину 24 и вторую боковую пластину 34, причем обе из этих пластин 24, 34 закреплены в каждом случае, таким образом, к впускной пластине 213 и к выпускной пластине 223, что они проходят практически параллельно измерительной трубке 13 и разнесены в пространстве от этой трубки, а также друг от друга; см. фиг.3. Следовательно, взаимно обращенные боковые поверхности этих двух боковых пластин 24, 34 аналогично параллельны одна другой. Продольная балка 25 закреплена на боковых пластинах 24, 34, отнесена от измерительной трубки 13, чтобы служить в качестве уравновешивающей массы, поглощающей колебания измерительной трубки. Продольная балка 25 проходит, как показано на фиг.4, практически параллельно всей длине колебаний измерительной трубки 13; это, однако, не обязательно, поскольку продольная балка 25 может быть, конечно же, при необходимости сделана также короче. Опорная рамка 14 с двумя боковыми пластинами 24, 34, впускной пластиной 213, выпускной пластиной 223 и продольной балкой 25, имеет, таким образом, продольную линию центров тяжести, проходящую практически параллельно центральной оси 13В измерительной трубки, виртуально соединяющей впускной конец 11 и выпускной конец 12. Головки винтов, показанные на фиг.3 и 4, служат для указания того, что упомянутое прикрепление боковых пластин 24, 34 к впускной пластине 213, к выпускной пластине 223 и к продольной балке 25 может происходить резьбовыми соединениями; однако и другие подходящие системы прикрепления, известные специалистам, могут быть также использованы. Для случая, в котором измерительный адаптер 10 должен быть собран с возможностью съема с трубопровода, измерительная трубка 13 снабжена первым фланцем 119 на впускном конце и вторым фланцем 120 на выпускном конце; см. фиг.1. Вместо фланцев 19, 20 и другие соединяющие с трубопроводом детали могут быть предусмотрены для разъемного соединения с трубопроводом, такие, к примеру, как показанные на фиг.3 в виде так называемых трехструбцинных соединителей. В требуемом случае измерительную трубку 13 можно также соединить непосредственно с трубопроводом, к примеру, посредством сварки, пайки твердым припоем или высокотемпературной пайки, и т.п.
Для выработки упомянутых усилий реакции в среде измерительную трубку 13 заставляют во время работы измерительного адаптера 10 вибрировать и тем самым эластично деформироваться заранее заданным образом на заранее заданной частоте колебаний, преимущественно на естественной резонансной частоте, в так называемом желательном режиме, при возбуждении электромеханическим механизмом 16 возбудителя, связанным с измерительной трубкой. Как уже упоминалось, эта резонансная частота также зависит от мгновенной плотности текучей среды. В показанном примере варианта осуществления вибрирующая измерительная трубка 13, как обычно для таких измерительных адаптеров вибрационного типа, отклоняется в пространстве, преимущественно в поперечном направлении, от статического положения покоя; то же самое практически справедливо также для тех механических адаптеров, в которых одна или несколько изогнутых измерительных трубок исполняют консольные колебания вокруг соответствующей воображаемой продольной оси, виртуально соединяющей впускной и выпускной концы, или также для тех измерительных адаптеров, в которых одна или несколько прямых измерительных трубок исполняют плоские изгибные колебания вокруг продольной оси измерительной трубки. В другом случае, в котором измерительный адаптер 10 исполняет, как описано, к примеру, в упомянутой публикации международной заявки WO 95/16897, перистальтические радиальные колебания, так что поперечное сечение вибрирующей измерительной трубки симметрично деформируется обычным для этого образом, а продольная ось измерительной трубки остается в своем статическом положении покоя.
exc
ехс
ехс
exc
Механизм 16 возбуждения служит для выработки возбуждающего усилия F, действующего на измерительной трубке 13, причем это возбуждающее усилие вырабатывается преобразованием электрической мощности Р возбудителя, подаваемой из управляющей и оценивающей схемы 50, в форму электрического задающего сигнала. Мощность Р возбудителя служит в случае возбуждения естественной резонансной частоты практически единственно для компенсации доли мощности, уходящей из колебательной системы за счет механического и внутрижидкостного трения. Для достижения наивысшей возможной эффективности мощность возбудителя поэтому регулируется как можно точнее, так что практически колебания измерительной трубки 13 в желательном режиме, к примеру, поддерживаются на основной резонансной частоте. Для целей переноса усилия F возбудителя на измерительную трубку механизм 16 возбуждения включает в себя, как показано на фиг.4, жесткое возбуждаемое электромагнитно и/или электродинамически рычажное приспособление 15 с консолью 154, жестко закрепленной на измерительной трубке 13 и имеющей коромысло 163. Коромысло 163 является аналогично жестким, закрепленным на одном из концов консоли 154, разнесенной от измерительной трубки 13 и, разумеется, таким образом, что оно расположено над измерительной трубкой 13 и поперек нее. Консоль 154 может быть, к примеру, металлическим диском или шайбой, которая приспосабливает измерительную трубку 13 в скважине. Для других подходящих вариантов осуществления рычажное приспособление 15, уже упомянутый патент США №6006609 включен сюда посредством ссылки. Рычажное приспособление 15 имеет Т-образную форму и размещено так (см. фиг.4), что оно действует на измерительную трубку 13 в точке примерно на середине между впускным концом 11 и выпускным концом 12, благодаря чему измерительная трубка проявляет во время работы свое наибольшее поперечное отклонение в такой серединной точке. Для возбуждения рычажного приспособления 15 механизм 16 возбуждения по фиг.4 включает в себя первую магнитную катушку 26 и связанный с ней первый сердечник 27 из постоянного магнита, а также вторую магнитную катушку 36 и связанный с ней второй сердечник 37 из постоянного магнита. Эти две магнитных катушки 26, 36, которые предпочтительно соединены последовательно, закреплены, преимущественно с возможностью разъединения, на обеих сторонах измерительной трубки 13 к опорной рамке 14 ниже коромысла 163, так что они могут взаимодействовать со своими соответственно связанными сердечниками 27, 37 во время работы. Эти две магнитных катушки 26, 36 могут, разумеется, если требуется, также быть соединены параллельно друг с другом. Как показано на фиг.3 и 5, два сердечника 27, 37 закреплены на коромысле 163, взаимно разнесены один от другого таким образом, что во время работы измерительного адаптера 10 сердечник 27 практически охватывается магнитным полем катушки 26, а сердечник 37 практически охватывается магнитным полем катушки 36, и на основе соответствующих электродинамических и/или электромагнитных сил они двигаются, преимущественно так, что осуществляют перемещение в связанных с ними магнитных катушках. Перемещения сердечников 27, 37 (преимущественно при их функционировании в качестве подвижных сердечников), производимые магнитными полями магнитных катушек 26, 36 передаются коромыслом 163 и консолью 154 к измерительной рубке 13. Эти перемещения сердечников 27, 37 спроектированы так по отношению к соответственно связанным магнитным катушкам, что коромысло 163 отклоняется от своего положения покоя попеременно в направлении боковой пластины 24 или в направлении боковой пластины 34. Соответствующая ось вращения, параллельная уже упомянутой центральной оси 13В измерительной трубки, может проходить, к примеру, через консоль 154. Опорная рамка 14, служащая в качестве поддерживающего элемента для механизма 16 возбудителя, включает в себя дополнительно держатель 29, соединенный, преимущественно с возможностью разъединения, с боковыми пластинами 24, 34, для удержания магнитных катушек 26, 36 и, при необходимости, отдельных компонентов магнитного тормозного механизма 217, раскрытого ниже.
В случае измерительного адаптера 10 по примеру варианта осуществления, поперечные отклонения вибрирующей измерительной трубки 13, поддерживаемые прочно зажатыми на впускном конце 11 и выпускном конце 12, производят одновременно эластичную деформацию просвета 13А измерительной трубки. Эта деформация происходит практически по всей длине измерительной трубки 13. Далее, одновременно с боковыми отклонениями в измерительной трубке 13 вызывается скручивание вокруг центральной оси 13А измерительной трубки вследствие вращающего момента, действующего на нее через рычажное приспособление 15, так что измерительная трубка 13 колеблется практически в смешанном изгибно-крутильном режиме колебания, служащем в качестве желательного режима. Скручивание измерительной трубки 13 может быть в таком случае так спроектировано, что поперечное отклонение конца консоли 154, разнесенного от измерительной трубки 13 направлено либо одинаково, либо противоположно по сравнению с поперечным отклонением измерительной трубки 13. Измерительная трубка 13 может, таким образом, исполнять крутильные колебания в первом изгибно-крутильном режиме, соответствующем случаю одинаковой направленности, или во втором изгибно-крутильном режиме, соответствующем случаю противоположной направленности. Затем, в случае измерительного адаптера 10 согласно примеру варианта осуществления, естественная основная резонансная частота второго изгибно-крутильного режима колебания приблизительно, к примеру на 900 Гц, вдвое выше, чем у первого изгибно-крутильного режима. Для случая, в котором измерительная трубка 13 должна во время работы исполнять колебания только во втором изгибно-крутильном режиме, магнитный тормозной механизм 217, работающий на принципе вихревых токов, встроен в механизм 16 возбудителя для стабилизации положения упомянутой оси вращения. Этот магнитный тормозной механизм 217 может, таким образом, гарантировать, что измерительная трубка 13 всегда колеблется во втором изгибно-крутильном режиме и, следовательно, возможные внешние возмущения на измерительной трубке 13 не ведут к спонтанному переключению в другой изгибно-крутильный режим, особенно не в упомянутый первый режим. Подробности такого магнитного тормозного приспособления описаны подробно в патенте США №6006609.
exc
exc
exc
exc
exc
Чтобы заставить измерительную трубку 13 вибрировать, механизм 16 возбудителя запитывается во время работы посредством аналогично осциллирующего тока i возбудителя, преимущественно током регулируемой амплитуды и регулируемой частоты f возбудителя, таким образом, что этот ток течет через магнитные катушки 26, 36 во время работы и, соответственно, получаются магнитные поля, требуемые для перемещения сердечников 27, 37. Ток i возбудителя, как условно показано на фиг.5, подается из задающего блока 50В, дополнительно предусмотренного в электронной части 20 полевого устройства, и может быть, например, гармоническим переменным током. Частота f возбудителя тока i возбудителя, в случае по примеру показанного здесь варианта осуществления, предпочтительно выбрана или регулируется сама так, чтобы колеблющаяся в поперечном направлении измерительная трубка 13 имела крутильные колебания так долго, как это возможно, исключительно во втором режиме изгибно-крутильных колебаний.
Следует здесь отметить в этой связи, что хотя в примере показанного здесь варианта осуществления электронная часть 20 полевого устройства имеет только один переменный индуктивный импеданс - в данном случае магнитная катушка переменной индуктивности, запитываемый задающим блоком 50В, этот задающий блок 50В может быть также спроектирован для возбуждения других электрических импедансов, например, измерительного конденсатора переменной емкости или тому подобное. В случае емкостного датчика давления в качестве измерительного адаптера его электрический импеданс будет тогда изменяться во время работы также как функция, по меньшей мере, одного подлежащего измерению и/или отслеживанию параметра, причем, как известно, напряжение сигнала, падающее на изменяющемся электрическом импедансе, и/или ток сигнала, протекающий через изменяющийся электрический импеданс, служит в качестве измерительного сигнала.
1
2
Для обнаружения деформаций измерительной трубки 13 измерительный адаптер 10 включает в себя далее сенсорное приспособление, которое, как показано на фиг.2 и 3, вырабатывает, посредством, по меньшей мере, первого чувствительного элемента 17, реагирующего на вибрации измерительной трубки 13, первый сигнал измерения колебаний для представления этих вибраций и служащий в качестве сигнала s измерений. Чувствительный элемент 17 может быть сформирован, к примеру, посредством сердечника из постоянного магнита, который закреплен на измерительной трубке и который взаимодействует с магнитной катушкой, поддерживаемой опорной рамкой 14. В качестве чувствительного элемента 17 преимущественно пригодны особенно те, которые на основе электродинамического принципа регистрируют скорость отклонения измерительной трубки 13. Однако можно также использовать измеряющие ускорение, электродинамические или даже измеряющие расстояние, резистивные или оптические датчики. Разумеется, можно использовать и другие датчики, известные специалистам и пригодные для обнаружения таких вибраций, такие, к примеру, как датчики, регистрирующие натяжения измерительной трубки 13. Сенсорное приспособление далее включает в себя второй чувствительный элемент, преимущественно идентичный первому чувствительному элементу 17, посредством которого оно выдает второй сигнал измерения колебаний, аналогично представляющий вибрации измерительной трубки 13 и поэтому служащий в качестве второго сигнала S измерений. Эти два чувствительных элемента 17, 18 в измерительном адаптере, показанном в примере варианта осуществления, размещены взаимно разнесенными вдоль измерительной трубки 13, преимущественно на равных расстояниях от средней точки по длине измерительной трубки 13, так что сенсорное приспособление 17, 18 локально регистрирует колебания как на впускном, так и на выпускном концах измерительной трубки 13 и представляет их в виде соответствующих сигналов измерения колебаний.
Фиг.5 показывает, условно в виде блок-схемы, вариант осуществления электронной части 20 полевого устройства, пригодной для полевого устройства по фиг.1-4. Справа на фиг.5 условно иллюстрируется описанный выше измерительный адаптер вибрационного типа с механизмом 16 возбудителя и сенсорным приспособлением 17, 18, с магнитными катушками, требуемыми для принципа измерений этого адаптера, показанными условно.
1
2
M
1
2
1
2
Первый сигнал s измерений и второй сигнал s измерений, который может присутствовать, а может и не присутствовать, оба обычно имеют частоту сигнала, соответствующую мгновенной частоте колебаний измерительной трубки 13. Эти сигналы, как показано на фиг.2, подаются в предпочтительно цифровой оценивающий блок 50А управляющей и оценивающей схемы, предусмотренной в электронной части 20 полевого устройства. Оценивающий блок 20А служит для определения, преимущественно в цифровом виде, измеренного значения X, мгновенно представляющего подлежащую регистрации переменную процесса, к примеру, здесь массовый расход, плотность, вязкость и т.п., и для преобразования его в соответствующий сигнал измеренного значения xM, доступный на выходе управляющей и оценивающей схемы. Хотя в случае измерительного адаптера, показанного здесь, плотность или также вязкость могут быть сразу определены на основе только одного из сигналов s, s измерений, для определения массового расхода используются оба сигнала s, s измерений известным специалистам образом для получения, например, в сигнальной временной области или в сигнальной частотной области фазовой разности, соответствующей массовому расходу.
1
2
1
2
В варианте осуществления изобретения оценивающий блок 50А воплощен с помощью микрокомпьютера µC, предусмотренного в электронной части 20 полевого устройства. Этот микрокомпьютер запрограммирован так, что он определяет в цифровом виде измеренное значение xM на основе сигналов измерений, выданных из сенсорного приспособления 17, 18. Для воплощения микрокомпьютера, можно использовать, к примеру, подходящие микропроцессоры и/или также современные сигнальные процессоры. Как также показано на фиг.5, оценивающий блок 50А далее включает в себя, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь, через который один из сенсорных сигналов s, s или, как обычно, особенно в случае адаптеров массового расхода на основе эффекта Кориолиса, разность сигналов, выделенная из этих двух сенсорных сигналов s, s, подается в оцифрованном виде на микропроцессор. Данные измерений или рабочие данные, выработанные и/или принятые оценочным блоком 50А, могут быть, далее, сохранены временно или постоянно в соответствующих устройствах запоминания цифровых данных (ОЗУ, ЭСППЗУ).
exc
Как уже упоминалось, управляющая и оценивающая схема 50 далее содержит задающий блок 50В, служащий для запитки механизма 16 возбудителя упомянутым током i возбудителя. Задающий блок 50В образует вместе с измерительной трубкой 13 практически замкнутую систему управления. Эта замкнутая система управления спроектирована так, что она электрически настраивается как на механическую резонансную частоту возбужденных колебаний измерительной трубки 13, так и на амплитуду этих вибраций, заранее заданную посредством эталонного сигнала Sr. Задающий блок 50В может быть в таком случае сконструирован обычным образом посредством системы фазовой автоподстройки частоты, так называемой ФАПЧ (PLL), для электрического управления резонансной частотой, а также фазовым положением задающего сигнала и посредством соответствующей ступени управления амплитудой для электрического управления амплитудой задающего сигнала, а в результате также амплитудой вибраций.
exc
ехс
Как показано на фиг.5, задающий блок 50В находится также в контакте с оценивающим блоком, преимущественно с уже упомянутым микропроцессором µC, из которого задающий блок 50В принимает, к примеру, требуемые рабочие данные, такие, к примеру, как частота возбудителя, подлежащая мгновенной установке, и/или амплитуда и, при необходимости, фаза, подлежащая мгновенной установке для тока возбудителя, или в который задающий блок SOB посылает выработанные внутри него настроечные сигналы и/или параметры, преимущественно также информацию, касающуюся установки тока i возбудителя и/или мощности Р возбудителя, подаваемых в измерительный адаптер. Рабочие данные для задающего блока 50В - частота возбудителя, амплитуда и/или фаза - могут в таком случае представлять собой как абсолютные значения, так и относительные значения. Альтернативно или в дополнение к этому, рабочие данные, переданные в задающий блок 50В, могут также представлять нарастающие или уменьшающиеся изменения частоты, амплитуды и/или фазы возбудителя. В дополнение к микропроцессору µC, управляющая и оценивающая схема 50 может также включать в себя генератор сигналов, служащий для выработки задающего сигнала, например, цифровой сигнальный процессор или программируемый логический компонент, преимущественно ППВМ (программируемая пользователем вентильная матрица, FPGA), сконфигурированный соответственно как генератор сигналов.
Фиг.6-12 показывают блок-схемы примеров вариантов осуществления задающего блока 50В, пригодного также для использования в полевом устройстве, спроектированном как внутренне безопасный измерительный прибор и/или как измерительный прибор 2L.
1
1
2
В первом варианте один из сенсорных сигналов, выдаваемых из датчиков 17, 18 или, к примеру, также их сумма, подается в ступень pd амплитудной демодуляции в качестве входного сигнала. Таким образом, ступень pd амплитудной демодуляции соединена на своем входе с одним из датчиков 17, 18. На фиг.6 это датчик 17. Ступень pd амплитудной демодуляции служит для непрерывного определения амплитуды колебаний в вибрациях измерительной трубки. Помимо этого, ступень pd амплитудной демодуляции служит для выдачи выходного сигнала, к примеру, простого сигнала прямого тока, представляющего эту зарегистрированную амплитуду колебаний. Для этого в предпочтительном варианте осуществления изобретения в ступени pd амплитудной демодуляции предусмотрен детектор пикового значения для входного сигнала. Вместо этого детектора пикового значения можно также использовать, к примеру, синхронный выпрямитель для регистрации амплитуды колебаний. Этот выпрямитель тактируется эталонным сигналом равной фазы с входным сигналом. Первый вход ступени sa сравнения соединен с выходом ступени pd амплитудной демодуляции; второй вход ступени sa сравнения принимает регулируемый эталонный сигнал Sr, который конкретизирует амплитуду вибрации измерительной трубки 13. Ступень sa сравнения определяет отклонение выходного сигнала ступени pd амплитудной демодуляции от эталонного сигнала Sr и выдает его в качестве соответствующего выходного сигнала. Это отклонение можно определить и доставить на основе простой разности между зарегистрированной амплитудой колебаний и амплитудой, конкретизированной эталонным сигналом Sr, в виде абсолютной ошибки амплитуды или, к примеру, также на основе частного от зарегистрированной и конкретизированной амплитуд колебаний в виде относительной ошибки амплитуды. На первый вход ступени am1 амплитудной модуляции подается входной сигнал ступени pd амплитудной демодуляции, а на второй вход - выходной сигнал ступени sa сравнения. Ступень am1 амплитудной модуляции служит для модулирования входного сигнала ступени pd амплитудной демодуляции выходным сигналом ступени sa сравнения. В таком случае, к примеру, один из сенсорного сигнала s, суммы двух сенсорных сигналов s, s или также сигнал, практически пропорциональный им, вырабатываемый искусственно, например, посредством соответствующего генератора сигналов, может служить в качестве входного сигнала, который при этом является несущим сигналом, который может быть полностью переменным относительно частоты. На этот несущий сигнал моделируется сигнал ошибки переменной амплитуды, который получается посредством ступени sa сравнения. Этот сигнал ошибки представляет именно отклонение мгновенной амплитуды вибраций измерительной трубки 13 от их желательной амплитуды колебаний, представленной эталонным сигналом Sr. Помимо того, ступень am1 амплитудной модуляции служит для выдачи задающего сигнала, несущего задающую энергию для механизма 16 возбудителя. Для этой цели ступень амплитудной модуляции имеет соответствующую конечную ступень ps для усиления несущего сигнала, модулированного сигналом модуляции. Для цели амплитудной модуляции несущего сигнала сигналом модуляции в ступени am1 амплитудной модуляции дополнительно предусмотрен перемножитель ml; см. фиг.6.
Фиг.7 показывает соответствующую второму варианту изобретения, частично в виде блок-схемы, схему второго варианта для задающего блока 50В. Пример варианта осуществления на фиг.7 отличается от примера на фиг.6 преимущественно в том, что вместо его ступени am1 амплитудной модуляции предусмотрена ступень pwm широтно-импульсной модуляции, имеющая широтно-импульсный модулятор pm, тактируемый внешним сигналом переменного тока. Этот широтно-импульсный модулятор pm, как показано на фиг.7, возбуждается постоянным положительным первым прямым напряжением +U1 и замкнут на схемную землю, или нулевую точку SN. На первый вход широтно-импульсного модулятора pm подается вход несущего сигнала, входного сигнала ступени pd амплитудной демодуляции. Таким образом, первый вход соединен с одним из датчиков - на фиг.7 это снова датчик 17. На второй вход широтно-импульсного модулятора pm подан вход сигнала модуляции, сигнал ошибки, пропорциональный найденной ошибке амплитуды. Выход широтно-импульсного модулятора pm, в свою очередь, соединен с входом конечной ступени ps′, которая запитывает на своей выходной стороне механизм 16 возбудителя соответствующим задающим сигналом. Этот задающий сигнал из конечной ступени ps′ представляет собой в данном случае прямоугольный сигнал, который тактируется частотой сигнала из ступени pd амплитудной демодуляции и который имеет ширину импульсов, модулированную выходным сигналом ступени sa сравнения.
exc
exc
Фиг.8 частично в виде блок-схемы показывает схему третьего варианта задающего блока 50В. пример варианта осуществления, показанный на фиг.8, отличается от примера по фиг.6 в том, что вместо его перемножителя m1 предусмотрен компаратор kk и преобразователь dc постоянного тока в постоянный ток, который выдает, по меньшей мере, одно задающее напряжение, возбуждающее ток i возбудителя. Амплитуда этого задающего напряжения, в свою очередь, зависит от выходного сигнала ступени sa сравнения и потому должна рассматриваться как непостоянная. В зависимости от задающего напряжения ток i возбудителя может быть, как уже упоминалось, биполярным или, однако, также и однополярным. Следовательно, преобразователь постоянного тока в постоянный ток выдает в предпочтительном варианте осуществления изобретения согласно фиг.8 задающее напряжение, имеющее положительный первый потенциал +u и отрицательный второй потенциал -u, причем управляющий вход преобразователя dc постоянного тока в постоянный ток служит для регулировки этих потенциалов и приема выходного сигнала ступени sa сравнения. Задающее напряжение, выдаваемое преобразователем dc постоянного тока в постоянный ток, соответственно адаптированное по своей амплитуде, прикладывается к конечной ступени ps′′ в ступени pwm широтно-импульсной модуляции в качестве рабочего напряжения, а конечная ступень ps′′, в свою очередь, запитывает механизм 16 возбудителя. Кроме того, конечная ступень ps" соединена на своей входной стороне с выходом компаратора kk. Компаратор kk работает от постоянного положительного первого постоянного напряжения +U1 и замкнут на схемную землю SN. На первый вход компаратора kk подан входной сигнал детектора pd пикового значения. Следовательно, компаратор kk соединен на своей входной стороне с одним из датчиков - на фиг.8 это снова датчик 17.
На фиг.6-7 в каждом случае указано пунктирными линиями, что вместо одного из сенсорных сигналов датчиков 17, 18 также и их сумма может быть подана на детектор pd пикового значения и на перемножитель ml, или на широтно-импульсный модулятор pm, или на компаратор kk, в зависимости от обстоятельств; далее, эти сенсорные сигналы должны пропускаться через суммирующий блок. Альтернативно, однако, как уже упоминалось, можно использовать искусственный сигнал, вырабатываемый посредством цифрового сигнального процессора и цифро-аналогового преобразователя, соединенного с его выходом и соответственно приспособленного к сенсорному сигналу по своему частотному и фазовому положению. На фиг.6-7 пунктиром показаны еще и другие схемные части, чтобы указать предпочтительные дальнейшие развития предпочтительной схемы возбудителя. В одном дальнейшем развитии задающего блока 50В предусмотрен предусилитель vv, который помещен перед детектором pd пикового значения или при необходимости синхронным выпрямителем. В другом дальнейшем развитии задающего блока 50В предусмотрен усилитель v, который усиливает выходной сигнал ступни сравнения перед тем, как он достигнет ступени амплитудной модуляции в качестве сигнала ошибки. Такой усилитель может быть операционным усилителем ор, неинвертирующий вход которого замкнут на схемную землю SN, инвертирующий вход которого соединен через последовательный резистор wv с выходом ступени sa сравнения и через шунтирующий резистор ws с выходом усилителя. Операционный усилитель, соединенный таким образом, в каждом случае показан в правой верхней части на фиг.6-7. В еще одном дальнейшем развитии задающего блока 50В предусмотрен интегрирующий усилитель vi, который усиливает и интегрирует выходной сигнал ступени sa сравнения до того, как он достигнет перемножителя m в качестве сигнала ошибки. Такой усилитель может быть операционным усилителем ор′, неинвертирующий вход которого замкнут на схемную землю SN, а инвертирующий вход которого соединен с выходом ступени sa сравнения через последовательный резистор wv′ и через последовательную цепочку, образованную из шунтирующего резистора ws′ и конденсатора k - с выходом усилителя. Операционный усилитель ор′, соединенный таким образом, показан в каждом случае справа в середине фиг.6-7.
Другое дальнейшее развитие задающего блока 50В использует дифференцирующий и интегрирующий усилитель vd, который усиливает, дифференцирует и интегрирует выходной сигнал ступени sa сравнения до того, как он достигнет перемножителя m1 в качестве сигнала ошибки. Такой усилитель может быть операционным усилителем ор′′, неинвертирующий вход которого замкнут на схемную землю SN, а инвертирующий вход которого соединен через параллельную цепочку из последовательного резистора wv′′ и первого конденсатора k1 с выходом ступени sa сравнения и через последовательную цепочку, образованную из шунтирующего резистора ws′′ и конденсатора k2 - с выходом усилителя. Операционный усилитель ор", соединенный таким образом, показан на фиг.6-7 в каждом случае справа внизу. Стрелки на фиг.6-7 указывают, что соответствующий усилитель v, vi, vd должен быть помещен в поле q (показанное пунктиром), которое лежит либо между выходом ступени sa сравнения и вторым входом ступени am амплитудной модуляции, либо, однако, между выходом ступени sa сравнения и входом сигнала модуляции ступени pwm широтно-импульсной модуляции.
Вполне в рамки изобретения попадает возможность иметь функции отдельных схемных частей по фиг.6-7, воплощенные соответствующими аналоговыми или цифровыми схемными частями, причем в последнем случае, к примеру, посредством соответственно запрограммированного микропроцессора, с поступающими на него сигналами, проходящими через аналого-цифровое преобразование, и с его выходными сигналами, если требуется, подвергаемыми цифроаналоговому преобразованию.
Фиг.9 показывает схему первого примера варианта осуществления конечной ступени ps, которую можно ввести, например, в ступени am амплитудной модуляции на фиг.6. Операционный усилитель ov запитывается положительным и отрицательным, постоянным в каждом случае прямым напряжением +U, -U и соединен следующим образом. Инвертирующий вход замкнут через первый резистор w1 на схемную землю SN, а неинвертирующий вход соединен через второй резистор w2 с выходом перемножителя m1. Выход операционного усилителя ov соединен через третий резистор w3 с первым зажимом рр1 первичной обмотки трансформатора tf; второй зажим рр2 первичной обмотки замкнут на схемную землю SN. Вторичная обмотка трансформатора tf соединена посредством своих двух зажимов sp1, sp2 с механизмом 16 возбудителя.
Первичная обмотка имеет число N1 первичных витков, а вторичная обмотка -число N2 вторичных витков. Трансформатор tf представляет собой токовый повышающий трансформатор и имеет коэффициент трансформации, к примеру, 20:1. Инвертирующий вход операционного усилителя ov соединен через четвертый резистор w4 с первым зажимом рр1 первичной обмотки. Неинвертирующий вход соединен с выходом через пятый резистор w5. Пять резисторов w1, w2, w3, w4, w5 имеют соответствующие значения R1, R2, R3, R4, R5 сопротивления. Значение R1 сопротивления выбрано равным значению R2 сопротивления, а значение R4 сопротивления выбрано равным значению R5 сопротивления. Переменный ток i, протекающий в механизм 16 возбудителя, выражается следующим образом, где um есть выходное напряжение перемножителя m: R5N1 1 = um m R1 R3 N2.
Фиг.10 показывает схему предпочтительного второго примера варианта осуществления конечной ступени ps′, которую можно ввести, например, в ступень pwm широтно-импульсной модуляции по фиг.7. «Сердцевина» данного варианта осуществления конечной ступени, которая является взаимодополняющей двухтактной конечной ступенью, состоит в последовательном соединении управляемого токового тракта из полевого транзистора Р с изолированным слоем и расширенным каналом р-типа с полевым транзистором N с изолированным слоем и расширенным каналом n-типа, которые будут в последующем для краткости именоваться как «транзисторы». Механизм 16 возбудителя соединен с точкой соединения управляемых токовых трактов. На каждом управляемом токовом тракте защитный диод dn, dp соединен параллельно каждым катодом, замкнутым на положительную точку связанного транзистора. Конец последовательного соединения на стороне транзистора р-типа замкнут на положительное второе постоянное напряжение +U2, а его конец на стороне транзистора n-типа замкнут на соответствующее отрицательное постоянное напряжение -U2. Затворы транзисторов N, Р соединены вместе и с выходом компаратора kk′. Неинвертирующий вход компаратора kk' замкнут на выход широтно-импульсного модулятора pm; см. фиг.7. Инвертирующий вход компаратора kk′ соединен с отводом делителя напряжения, составленного из резистора r1 и резистора r2. Резисторы r1, r2 имеют одни и те же значения сопротивления и включены между положительным прямым напряжением +U1 и схемной землей SN. Резисторы r1, r2 и компаратор kk′ служат для получения выходного сигнала широтно-импульсного модулятора pm, симметричного по отношению к половинному значению постоянного напряжения +U1. Механизм 16 возбудителя принимает, следовательно, на каждом положительно направленном фронте через ноль выходного сигнала датчика 17 или суммы выходных сигналов датчиков 17, 18, в зависимости от обстоятельств положительный токовый импульс, а на каждом отрицательно направленном фронте через ноль для выходного сигнала датчика 17 или суммы выходных сигналов датчиков 17, 18, в зависимости от обстоятельств, отрицательный токовый импульс. Соответствующие длительности этих токовых импульсов регулируются автоматически, так что достигается амплитуда колебаний измерительной трубки 13, как определено эталонным сигналом Sr.
Фиг.11 показывает схему другого примера варианта осуществления конечной ступени ps′′, которую можно вводить, например, в ступень am1 амплитудной модуляции по фиг.8. «Сердцевина» этого варианта осуществления конечной ступени, которая опять-таки является взаимодополняющей двухтактной конечной ступенью, состоит здесь так же, как и в случае по фиг.10, в последовательном соединении управляемого токового тракта из полевого транзистора Р′ с изолированным слоем и расширенным каналом р-типа с полевым транзистором N′ с изолированным слоем и расширенным каналом n-типа, которые будут опять-таки в последующем для краткости именоваться как «транзисторы». Механизм 16 возбудителя соединен с точкой соединения управляемых токовых трактов. На каждом управляемом токовом тракте защитный диод dn′, dp′ соединен параллельно каждым катодом, замкнутым на положительную точку связанного транзистора. Конец последовательного соединения на стороне транзистора р-типа замкнут на положительное второе постоянное напряжение +u, а его конец на стороне транзистора n-типа замкнут на соответствующее отрицательное постоянное напряжение -u, зависящее от выходного сигнала ступени sa сравнения. Затворы транзисторов N′, Р′ соединены вместе и с выходом компаратора kk′′. Неинвертирующий вход компаратора kk′′ замкнут на выход компаратора kk; см. фиг.8. Инвертирующий вход компаратора kk′′ соединен с отводом делителя напряжения, составленного из резистора r3 и резистора r4. Резисторы r3, r4 имеют одни и те же значения сопротивления и включены между положительным прямым напряжением +U1 и схемной землей SN. Резисторы r3, r4 и компаратор kk′′ служат для получения выходного сигнала компаратора kk, симметричного по отношению к половинному значению постоянного напряжения +U1. Механизм 16 возбудителя принимает, следовательно, на каждой положительной полуволне выходного сигнала датчика 17 или суммы выходных сигналов датчиков 17, 18, в зависимости от обстоятельств положительный токовый импульс, а на каждой отрицательной полуволне выходного сигнала датчика 17 или суммы выходных сигналов датчиков 17, 18, в зависимости от обстоятельств, отрицательный токовый импульс. Соответствующие амплитуды этих токовых импульсов зависят от прямых напряжений +u, -u, которые сами зависят от выходного сигнала ступени sa сравнения, так что амплитуда колебаний измерительной трубки 13, как определено эталонным сигналом Sr, достигается автоматически.
exc
Наконец, фиг.12 условно показывает в виде блок-схемы пример варианта осуществления для гибридной (т.е. работающей частично как цифровая, а частично как аналоговая) задающей схемы 50В. Задающая схема 50В включает в себя цифровой генератор сигналов, который служит для преобразования значений по умолчанию, преимущественно числовых значений по умолчанию, вырабатываемых микрокомпьютером 50А для отдельных параметров сигнала возбудителя, например, амплитуду тока i возбудителя, фазу сигнала возбудителя и/или его частоту, в соответствующий цифровой сигнал колебаний. Отдельные параметры можно, как уже упоминалось, в таком случае передавать, например, как абсолютные значения и/или нарастающие либо уменьшающиеся значения, в зависимости от обстоятельств, в задающий блок 50В.
м
M
M
M
M
M
Как уже упоминалось, электронная часть полевого устройства, а следовательно, и полевое устройство запитываются от внешнего источника 70 электроэнергии, например, расположенного на удалении прибор питания передатчика измерений или тому подобное, который соединен с полевым устройством или, точнее, с электронной частью 20 полевого устройства через, по меньшей мере, одну пару электрических линий 2L. В свою очередь, прибор питания передатчика измерений может быть соединен, например, с системой управления процессом более высокого уровня, размещенной в пункте управления процессом. В примере показанного здесь варианта осуществления электронная часть полевого устройства, как обычно в большинстве приложений техники измерений и автоматизации, электрически соединена с внешним источником электроэнергии исключительно через единственную пару электрических линий 2L. Соответственно, эта электронная часть полевого устройства тем самым, с одной стороны, запитывается электроэнергией через одну пару линий. С другой стороны, предусмотрено, что эта электронная часть полевого устройства передает измеренное значение Х, вырабатываемое, по меньшей мере, иногда, во внешнюю оценивающую схему 80, расположенную во внешнем источнике 70 электроэнергии, электрически соединенную с этим источником питания, точно так же по единственной паре электрических линий 2L. Эта пара электрических линий 2L, в данном случае единственная пара, соединяющая прибор питания передатчика измерений и полевое устройство, может, например, для этой цели соединяться последовательно с источником 71 питания, подающим ток I питания, к примеру, аккумулятором или источником постоянного напряжения, запитываемым через внутреннюю для установки сеть питания, и с измерительным резистором R. Источник 70 питания задает ток I питания и запитывает, следовательно, электронную часть 20 полевого устройства электроэнергией, требуемой для ее работы. Измерительный резистор R дополнительно предусмотрен между двумя измерительными зажимами 72, 73, на которых ток питания, мгновенно представляющий измеренное значение X, может восприниматься в виде пропорционального току измеренного напряжения U. Измеренное напряжение U можно визуализировать на месте или подать в блок обработки измеренных значений более высокого уровня. Единственная - здесь - пара электрических линий 2L может быть встроена, например, как так называемый двухпроводный токовый шлейф, преимущественно токовый шлейф на величины тока от 4 мА до 20 мА, или как соединительная линия к внешней цифровой сетевой шине, например, PROFIBUS-PA или FOUNDATION-FIELDBUS.
м
В дальнейшем варианте осуществления, поэтому, предусмотрено далее, что мгновенное измеренное значение Х модулируется на ток I питания. Например, измеренное значение, мгновенно определенное посредством полевого устройства, может быть представлено мгновенным уровнем тока (преимущественно уровнем электрического тока, регулируемым до значения, лежащего между 4 мА и 20 мА) тока I питания, протекающего в паре электрических линий 2L, встроенных как двухпроводный или двухпроводниковый токовый шлейф.
м
В другом варианте осуществления изобретения предусмотрено, что полевое устройство осуществляет связь, например, обменивается специфичными для полевого устройства данными, через систему передачи данных, по меньшей мере, иногда, с внешним управляющим и проверяющим блоком, например, переносным операционным прибором или программируемым логическим контроллером. Для этого в электронной части 20 полевого устройства дополнительно предусмотрена схема связи СОМ, которая проверяет и контролирует связь через систему передачи данных. Эта схема связи преимущественно служит для преобразования, помимо измеренного значения Х, к примеру, также внутренних параметров полевого устройства в сигналы, которые можно передавать по паре электрических линий 2L, и для подключения, далее, этих сигналов к таким линиям. Альтернативно или в дополнение к этому, схема связи СОМ может быть, однако, также предназначена для соответственного приема параметров полевого устройства, посылаемых извне по паре электрических линий 2L. Схема связи СОМ, особенно для вышеописанного случая, в котором полевое устройство соединено во время работы исключительно через двухпроводный токовый шлейф к внешней схеме питания, может быть, к примеру, интерфейсной схемой, работающей согласно протоколу HART@-Field-Communication-Protocol фирмы HART Communication Foundation, Austin, TX, который использует частотно манипулированные высокочастотные переменные напряжения в качестве несущих сигналов.
1
e
K
Как очевидно из комбинации фиг.1 и 5, электронная часть полевого устройства имеет далее для регулировки и управления напряжениями и/или токами внутри полевого устройства, по меньшей мере, один регулятор IS тока, через который протекает ток I питания, для регулировки и/или модулирования, преимущественно тактирования, тока I питания. В электронной части 20 полевого устройства дополнительно предусмотрена внутренняя схема 40 питания, которая включена на внутреннее входное напряжение U электронной части 20 полевого устройства, выделенное из напряжения U на зажимах и которое служит для электрической запитки внутренней управляющей и оценивающей схемы 50.
м
м
M
control
1
м
contro1
1
control
1
м
control
1
1_actual
2_actual
3_actual
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Для регистрации и регулировки напряжений, мгновенно возникающих в электронной части 20 полевого устройства, и/или мгновенно протекающих токов, схема питания включает в себя далее соответствующий измерительный и управляющий блок 60. Кроме того, измерительный и управляющий блок 60 служит, преимущественно для вышеупомянутого случая, в котором измеренное значение Х модулируется на ток I питания, также для преобразования сигнала х измеренного значения, когда он подан из управляющей и оценивающей схемы 50 и представляет мгновенно выработанное измеренное значение X, в соответственно управляемый первый сигнал I управления током, управляющий регулятором IS тока, а значит, и током питания. Для этого измерительный и управляющий блок 60 включает в себя соответствующую схему 60А управления током, которая преобразует сигнал х измеренного значения, выданный управляющей и оценивающей схемой 50 в измерительный и управляющий блок 60, соответствующим образом в сигнал I управления током. Схема 60А управления измерительного и управляющего блока 60 тем самым формирует вместе с регулятором IS тока для практических целей контроллер тока (в данном случае, так называемый линейный, продольный контроллер) для тока I питания. Сигнал I управления током в варианте осуществления изобретения адаптирован так, что регулятор IS тока становится способен управлять током I питания на основе пропорционального ему мгновенно определенного измеренного значения Х. Альтернативно или в дополнение к этому, сигнал I управления током разработан так, что регулятор IS тока стробирует ток питания, например, в двоично-кодированном виде для целей связи согласно стандарту PROFIBUS-PA. Для выработки соответственно представляющих ток, преимущественно практически пропорциональных току, воспринимаемых напряжений I, I, I соответствующие сенсорные резисторы R, R, R дополнительно предусмотрены в схеме 40 питания. По меньшей мере, иногда ток питания или выделенные из него токовые компоненты I, I, I протекают через соответствующие резисторы R, R, R.
M
V
K
V
K
По меньшей мере, в вышеописанном случае, в котором ток питания модулируется по своей амплитуде для целей представления измеренного значения X и, вследствие ограниченной электрической мощности внешнего источника питания, доставляемого им напряжения U питания, а следовательно, связанного с ним напряжения U на зажимах, соответственно падающего с увеличением тока I питания, или, наоборот, при падении тока I питания они опять возрастают, напряжение U питания и, следовательно, также напряжение U на зажимах должны рассматриваться как флюктуирующие по уровню напряжения прежде всего непредсказуемым образом, а значит, в значительной мере переменные во время работы. Когда полевое устройство работает согласно вышеупомянутому в долговременном стандарте техники промышленных измерений от 4 мА до 20 мА, единственно доступный диапазон токов для источника питания при нормальной работе - это диапазон ниже 4 мА и, в зависимости от уровня напряжения питания, постоянно доступная электрическая мощность тогда составляет примерно от 40 до 90 мВт.
e
K
K_min
e
Схема 40 питания, поэтому имеет, как также условно показано на фиг.5, дополнительно на входе регулятор 30 напряжения, который управляется измерительным и управляющим блоком 60 и предусмотрен для целей регулирования внутреннего входного напряжения U (служащего в качестве первичного или базового напряжения для внутреннего источника питания) электронной части полевого устройства как можно точнее до заранее заданного уровня напряжения (который в отдельных случаях может также изменяться во время работы) и для поддержания на этом, выбранном в данный момент, уровне напряжения также насколько возможно более постоянным на этом уровне, по меньшей мере, для невозмущенной нормальной работы, причем, помимо прочего, напряжение U на зажимах, по меньшей мере, равно минимальному значению U напряжения. Измерительный и управляющий блок 60 формирует в результате вместе с регулятором 30 напряжения контроллер входного напряжения для внутреннего входного напряжения U и служит преимущественно для его регулировки и стабилизации как можно более точно.
e
e
K
e
K
K
K
e
Уровень напряжения внутреннего входного напряжения U в варианте осуществления изобретения поддерживается так, что внутреннее входное напряжение U, как условно показано на фиг.13, всегда ниже, чем напряжение U на зажимах. В таком случае уровень напряжения, на котором внутреннее входное напряжение U поддерживается посредством вышеупомянутого контроллера 30, 60 входного напряжения, может во время работы, например, практически непрерывно изменяться как функция от мгновенно протекающего тока I питания. Альтернативно к этому, однако, можно поддерживать уровень напряжения постоянным в некотором диапазоне интенсивностей тока для тока питания и в результате также в соответствующем диапазоне напряжения U на зажимах, и, как указано на фиг.13 штрихпунктирной линией, изменять ступенями, например, при превышении или падении ниже заранее заданных пороговых значений для тока I питания и/или напряжения U на зажимах. В дальнейшем варианте осуществления изобретения контроллер 30, 60 входного напряжения спроектирован так, что уровень напряжения поддерживается постоянным после достижения заранее заданного или заранее задаваемого максимального уровня UK_max напряжения, например, порядка 15 В по величине, несмотря на возможное дальнейшее увеличение напряжения U на зажимах до значений, например, свыше 20 В. В результате контроллер 30, 60 входного напряжения действует тем самым не только как стабилизатор напряжения для внутреннего входного напряжения U, но также как ограничитель напряжения для него.
e
1
1
N1
N1
N1_desired
Для дальнейшего внутреннего распределения электроэнергии к отдельным компонентам или группам электронной части полевого устройства она далее включает в себя для преобразования стабилизированного внутреннего входного напряжения U, первый контроллер UR потребляемого напряжения, через который, по меньшей мере, иногда протекает преимущественно переменный первый токовый компонент I тока питания и который служит для обеспечения первого внутреннего потребляемого напряжения U в электронной части 20 полевого устройства. Это напряжение U является преимущественно постоянно управляемым на заранее заданном, при необходимости также заранее задаваемом, желательном первом уровне U напряжения.
2
e
2
2
В схеме 40 питания дополнительно предусмотрен второй контроллер UR потребляемого напряжения, аналогично преобразующий стабилизированное внутреннее входное напряжение U. Через этот второй контроллер UR потребляемого напряжения протекает, по меньшей мере, иногда, преимущественно переменный, второй токовый компонент I тока I питания.
2
N2
N2
R2
2_desired
N2_desired
Второй контроллер UR потребляемого напряжения в свою очередь служит для обеспечения доступности в электронной части 20 полевого устройства второго внутреннего потребляемого напряжения U, которое может изменяться в заранее заданном диапазоне напряжений. Уровень напряжения для потребляемого напряжения U, наилучшим образом подходящего для мгновенной ситуации в отношении потребления в электронной части полевого устройства, может быть определен, например, измерительным и управляющим блоком 60 в отношении ситуации мгновенного потребления в электронной части полевого устройства, а затем направлен соответственно в контроллер U потребляемого напряжения в виде сигнала UN управления напряжением. Сигнал U управления напряжением может быть получен, как показано на фиг.2, например, посредством схемы 60В управления мощностью измерительного и управляющего блока 60.
1
2
2
Контроллеры UR, UR потребляемого напряжения могут быть, например, так называемыми переключающими контроллерами или регуляторами и/или нетактируемыми линейными контроллерами или регуляторами, тогда как регулятор напряжения и в результате контроллер входного напряжения может быть образован, например, посредством шунтового регулятора IS, включенного в обход внутреннего входного напряжения, например, воплощенного посредством транзистора и/или регулируемого стабилитрона.
3
3_control
2
3_control
e
3
e
3_control
3
3_control
Помимо этого регулятор входного напряжения, как также показано на фиг.5, спроектирован так, что третий, преимущественно переменный, токовый компонент I тока I питания протекает через него, по меньшей мере, иногда во время нормальной работы, причем измерительный и управляющий блок 60, выдающий второй сигнал I управления током, соответственно управляет регулятором 30 напряжения - здесь, шунтовым регулятором IS - и тем самым также определяет третий токовый компонент. Сигнал I управления током в данном случае спроектирован так, - по меньшей мере, для случая, в котором электрическая мощность, мгновенно доступная в электронной части 20 полевого устройства, обусловленная внутренним входным напряжением U, которое поддерживается практически постоянным, и мгновенно установленным током I питания, превышает электрическую мощность, мгновенно необходимую для части управляющей и оценивающей схемы 50, - что он заставляет транзистор, предусмотренный в контроллер входного напряжения, становиться проводящим в достаточной степени, чтобы вызвать протекание достаточно высокого токового компонента I для стабилизации входного напряжения U. Для этой цели контроллер входного напряжения (здесь, регулятор 30 напряжения) имеет в дальнейшем варианте осуществления изобретения, также компоненты, преимущественно полупроводниковый элемент с охлаждающим радиатором или тому подобным, служащий для рассеивания электроэнергии и для избавления от связанной с ней тепловой энергии. С другой стороны, однако, сигнал I управления током спроектирован так, что в случае, в котором необходимость в мощности в управляющей и оценивающей схеме 50 становится больше, он опять уменьшает токовый компонент I, мгновенно протекающий в регуляторе 30 напряжения. Для получения сигнала I управления, воздействующего на регулятор 30 напряжения во время работы и в результате также, по меньшей мере, частично регулирующего отделение электрической мощности, мгновенно доступной в электронной части полевого устройства, измерительный и управляющий блок 60 дополнительно включает в себя в дальнейшем варианте осуществления изобретения соответствующую схему 60В управления мощностью.
N1
N1
N2
N2
N1
N1
N1
Как также показано на фиг.5, в электронной части 20 полевого устройства по изобретению, а, следовательно, также в полевом устройстве по изобретению далее предусмотрено, что через управляющую и оценивающую схему 50 протекают, по меньшей мере, иногда, как первый потребляемый ток I, преимущественно такой ток, который является переменным, возбуждаемый первым потребляемым напряжением U, которое поддерживается практически постоянным, по меньшей мере, при нормальной работе, так и второй потребляемый ток I, преимущественно такой ток, который является переменным, возбуждаемый вторым потребляемым напряжением U, которому разрешено изменяться во время работы. Это имеет преимущество в том, что, по меньшей мере, узлы и схемы электронной части 20 полевого устройства, в особенности упомянутый, по меньшей мере, один микропроцессор µС, управляющий полевым устройством во время нормальной работы и, значит, поддерживающий полевое устройство работоспособным, могут всегда быть запитаны электроэнергией, в которой они действительно мгновенно нуждаются. Соответственно, в варианте осуществления изобретения предусмотрено, что вышеупомянутый микропроцессор µС и/или упомянутый сигнальный процессор работают(-ет) по меньшей мере, частично с первым потребляемым напряжением U, в значительной мере поддерживаемым постоянным во время нормальной работы, или с выделенным из него вторичным напряжением. В дальнейшем варианте осуществления изобретения первое потребляемое напряжение U или выделенное из него вторичное напряжение служит далее, по меньшей мере, частично, также в качестве рабочего напряжения для, по меньшей мере, одного аналого-цифрового преобразователя, предусмотренного в управляющей и оценивающей схеме. В дальнейшем варианте осуществления изобретения предусмотрено, что, по меньшей мере, также компоненты электронной части полевого устройства, управляющие и отслеживающие связь с упомянутым управляющим и проверяющим блоком более высокого уровня, - здесь, помимо микропроцессора µС, также схема связи СОМ - по меньшей мере, частично запитываются посредством первого потребляемого напряжения U или выделенного из него вторичного напряжения.
N1
exc
N1
N1
N2
N2
exc
N2
В зависимости от того, какая мощность реально может быть доступна во время работы на части внешней схемы 70 питания и как функция от потребности реальной мощности уже запитанных потребителей, уже описанным выше образом первым потребляемым напряжением U, отдельные компоненты задающего блока 50В, предусмотренные в нем, в особенности такие, которые служат для получения задающего сигнала i, например, усилители, цифроаналоговые преобразователи и/или генераторы сигналов и т.п., могут дополнительно также запитываться, по меньшей мере, частично, посредством первого потребляемого напряжения U или выделенного из него вторичного напряжения; см. в этой связи также фиг.12. Однако обнаружено, что, только с уже доступными в настоящее время микропроцессорами µС и/или аналого-цифровыми преобразователями и периферийными схемами для них, следует уже принять во внимание потребность в постоянной мощности примерно 30 мВт при нормальной работе, так что, по меньшей мере, в случае приложений, имеющих постоянно доступную мощность только примерно 40 мВт, т.е. с напряжениями на зажимах 12В или меньше, вышеупомянутые компоненты задающего блока 50В можно все же подключать только к первому потребляемому напряжению U в очень ограниченной степени, не опасаясь за желательную высокую стабильность. Поэтому вариант осуществления изобретения далее предлагает, чтобы компоненты задающего блока 50В работали, особенно длительные периоды времени, только с помощью второго потребляемого напряжения U. Преимущественно, второе потребляемое напряжение U доступно, как также представлено на фиг.12, как рабочее напряжение для операционного усилителя, предусмотренного в задающем блоке 50В. Соответственно далее, ток i возбудителя для катушек магнитного поля задается практически вторым потребляемым напряжением U или выделенным из него вторичным напряжением.
e
N1
N1
Для преодоления переходных флюктуаций напряжения на части напряжения питания и/или для демпфирования возможных кратковременных «перегрузок» внутреннего источника питания полевого устройства вследствие возникающей на мгновение более высокой внутренней потребности в мощности, например, в случае запуска измерительного адаптера или во время записи в вышеупомянутую постоянную память ЭСППЗУ, дальнейшее развитие изобретения предусматривает запоминающую схему в управляющей и оценивающей схеме, преимущественно емкостную запоминающую схему, служащую для временного хранения электроэнергии. Буфер С энергии показан как часть регулятора напряжения в примере проиллюстрированного здесь варианта осуществления, так что он практически постоянно находится под внутренним входным напряжением U. Однако для того, чтобы иметь возможность безопасно предотвратить исчезновение потребляемого напряжения U, по меньшей мере, при нормальной работе, важно, разумеется, убедиться в начале при проектировании узлов и цепей, запитываемых посредством первого потребляемого напряжения U, что их максимально потребляемая электрическая мощность не превышает минимально доступной электрической мощности при нормальной работе и/или их мгновенно потребляемая электрическая мощность не превышает мгновенно доступной мощности.
N2
e
N2
K
e
K
e
1
e
e
K
N2
1
2
3
N2
3
e
3_control
3
В дальнейшем варианте осуществления изобретения дополнительно предусмотрено, что второе потребляемое напряжение U управляется во время работы как функция мгновенного уровня напряжения внутреннего входного напряжения U электронной части полевого устройства. Альтернативно или в дополнение к этому, предусмотрено, что второе потребляемое напряжение U управляется во время работы как функция мгновенного уровня напряжения для напряжения U на зажимах, выделенного из напряжения питания и приложенного к входу электронной части полевого устройства. Далее обнаружено, что в этой связи предпочтительно управлять внутренним входным напряжением U так, чтобы разность напряжений между ним и напряжением U на зажимах поддерживалось как можно более постоянным, например, примерно 1 В, по меньшей мере, во время нормальной работы. Это, помимо прочего, дает возможность регулировать входное напряжение U относительно точно даже в случае изменения рабочей температуры регулятора IS тока, либо также контроллера общего тока, и изменения связанной соответствующей характеристики передачи, а тем самым достигать очень простым образом очень устойчивого управления внутренним входным напряжением U. Управление в таком случае может воплощаться, например, посредством дифференциального усилителя, предусмотренного в упомянутом измерительном и управляющем блоке 60. Этот дифференциальный усилитель вычитает воспринимаемое напряжение, соответственно выделенное из внутреннего входного напряжения U, из воспринимаемого напряжения, соответственно выделенного из напряжения U на зажимах. Альтернативно или в дополнение к этому, вторым потребляемым напряжением U можно также управлять как функцией от мгновенного уровня электрического тока из, по меньшей мере, трех токовых компонентов I, I, I. Например, вторым потребляемым напряжением U можно также управлять как функцией от мгновенного уровня электрического тока третьего токового компонента I, который, с учетом мгновенного входного напряжения U, практически представляет избыточную мощность, мгновенно присутствующую в электронной части полевого устройства. В данном случае особенно пригодным в качестве измеряемой величины является также второй сигнал I управления током, управляющий регулятором напряжения и, следовательно, также определяющий третий токовый компонент I.
pwr_fail
N2
N2
3
3
3
3
3_control
3
N2
e
Для определения и/или отслеживания мгновенного рабочего состояния электронной части полевого устройства дальнейшее развитие изобретения дополнительно предусматривает средства для сравнения электрических напряжений, имеющихся в электронной части полевого устройства, и/или электрических токов, протекающих в электронной части полевого устройства, с заранее заданными, преимущественно регулируемыми, пороговыми значениями. Такие средства для сравнения напряжений и/или токов можно, например, выполнять как встроенный(-е) компоненты) уже упомянутого измерительного и управляющего блока тока питания. В варианте осуществления этого дальнейшего развития изобретения средства для сравнения спроектированы так, что на части электронной части полевого устройства вырабатывается предупредительный сигнал X, сигнализирующий о недозапитке электронной части полевого устройства, по меньшей мере, когда обнаруживаются снижение или падение второго потребляемого напряжения U ниже минимального предельного значения потребляемого напряжения, заранее заданного для второго потребляемого напряжения U, а для третьего токового компонента I - снижение минимального предельного значения токового компонента, заранее заданного для этого третьего токового компонента I. Для регистрации третьего токового компонента I может служить, к примеру, воспринимающий резистор R3, предусмотренный в контроллере 30, 60 входного напряжения, через который соответственно протекает токовый компонент I, для получения практически пропорционального току воспринимаемого напряжения. В дальнейшем варианте осуществления изобретения измерительный и управляющий блок 60 управляет регулятором 30 напряжения посредством сигнала I управления током, так что третий токовый компонент I протекает преимущественно только когда компаратор, сравнивающий второе потребляемое напряжение с, по меньшей мере, одним связанным эталонным напряжением, сигнализирует превышение вторым потребляемым напряжением U максимального предельного значения напряжения, заранее заданного для второго потребляемого напряжения. Средства для сравнения напряжений и/или токов могут быть, например, простыми компараторами, которые сравнивают в каждом случае воспринимаемое напряжение со связанным эталонным напряжением, вырабатываемым внутренне, например, за счет входного напряжения U и являющимся в каждом случае пропорциональным пороговому значению.
1
1
1
1
2
1
В электронной части полевого устройства по изобретению далее предусмотрено, как уже указано выше, что, по меньшей мере, части внутренней управляющей и оценивающей схемы 50, но преимущественно вся эта управляющая и оценивающая схема, гальванически разделена с, по меньшей мере, регулятором IS тока. Кроме того, может быть, однако, выгодным поддерживать внутреннюю управляющую и оценивающую схему 50, как непосредственно очевидно из фиг.5, гальванически разделенной как с регулятором IS тока, так и с регулятором 30 напряжения. В результате в данном варианте осуществления изобретения присутствующий в отдельных случаях также микропроцессор µС и/или присутствующий в отдельных случаях также сигнальный процессор в качестве компонентов управляющей и оценивающей схемы 50 равным образом гальванически разделены как с регулятором IS тока, так и с регулятором 30 напряжения. В другом варианте осуществления изобретения далее предусмотрено, что первый контроллер UR потребляемого напряжения поддерживается гальванически разделенным с задающей схемой 60В, преимущественно с, по меньшей мере, предусмотренным в ней усилителем, и/или с, по меньшей мере, одним цифро-аналоговым преобразователем и/или с, по меньшей мере, одним аналогоцифровым преобразователем. Для реализации гальванического разделения между управляющей и оценивающей схемой 50 и, по меньшей мере, регулятором IS тока в дальнейшем преимущественном развитии предусмотрено далее, что уже и второй контроллер UR потребляемого напряжения гальванически разделен с регулятором IS тока и/или с регулятором 30 напряжения.
1
1
1
N1
N1
1
В дальнейшем варианте осуществления изобретения предусмотрено, что первый контроллер UR потребляемого напряжения и внутренняя управляющая и оценивающая схема 50 гальванически разделены друг с другом. Например, первый контроллер UR потребляемого напряжения и внутренняя управляющая и оценивающая схема 50 могут быть для этого соединены друг с другом посредством трансформатора 91. Вместо единственного показанного здесь трансформатора 91 возможно также при необходимости использовать два или более таких трансформаторов для связи контроллера UR первого потребляемого напряжения и внутренней управляющей и оценивающей схемы 50. Для специалистов здесь понятно и не требует пояснений, что в случае использования трансформаторов для гальванического разделения соединения двух электрических компонентов, работающих на основе постоянного напряжения, необходимо прежде всего на первичной стороне трансформатора осуществить преобразование напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока, а на вторичной стороне трансформатора - соответствующее преобразование из напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Соответственно, по меньшей мере, для случая, в котором потребляемое напряжение U должно быть преобразовано в напряжение постоянного тока, трансформатор 91 соединен на первичной и вторичной сторонах соответственно с электронными компонентами, модулирующими подходящим образом напряжение постоянного тока, и в свою очередь с электронной частью, демодулирующей модулированное и преобразованное напряжение, так что с этими компонентами трансформатор 91 взаимодействует как преобразователь постоянного напряжения или как преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение для потребляемого напряжения U, выделенного из контроллера UR первого потребляемого напряжения, расположенного на первичной стороне. Электронные компоненты, соответственно модулирующие напряжение постоянного тока, могут быть, например, модуляторами прямоугольного сигнала, действующими как прерыватели, тогда как, например, пассивные или синхронно тактируемые выпрямители могут служить в качестве соответствующих демодулирующих электронных компонентов.
1
1
2
1
2
2
N1
1
N1
N1
2
1
N1
В дальнейшем развитии изобретения регулятор IS тока и, по меньшей мере, части внутренней управляющей и оценивающей схемы 50 очень просто и эффективно поддерживаются гальванически разделенными друг от друга уже введенным гальваническим разделением между обоими контроллерами UR, UR потребляемого напряжения. Для этого трансформатор 91, как показано на фиг.5, введен между этими двумя контроллерами UR, UR потребляемого напряжения, так что они соединены вместе, преимущественно здесь исключительно, единственным трансформатором 91, опционально связанным с формированием подходящего преобразователя постоянного тока. В преимущественном варианте осуществления изобретения предусмотрено для этого, что второй контроллер UR потребляемого напряжения запитывается потребляемым напряжением U, выделенным из первого контроллера UR потребляемого напряжения, и/или вторичным напряжением U′, выделенным из первого потребляемого напряжения U. Второй контроллер UR потребляемого напряжения действует в результате, как потребитель, запитываемый первым контроллером UR потребляемого напряжения внутренним постоянным в вышеуказанном смысле потребляемым напряжением U.
2
2
N2_desired
2
2
2
2
N2_desired
N2_desired
Как уже упомянуто, второй контроллер UR потребляемого напряжения управляется во время работы измерительным и управляющим блоком 60, по меньшей мере, на уровне напряжения, подлежащий мгновенной установке для второго потребляемого напряжения UN, определялся измерительным и управляющим блоком 60. Для этого измерительный и управляющий блок 60 выдает во время работы, по меньшей мере, иногда, сигнал U управления напряжением, соответственно управляющий контроллером UR второго потребляемого напряжения и представляющий уровень напряжения, подлежащий мгновенной установке для второго потребляемого напряжения UN. В дальнейшем варианте осуществления изобретения предусмотрено далее в таком случае, что измерительный и управляющий блок 60 и второй контроллер UR потребляемого напряжения поддерживаются гальванически разделенными друг от друга. Измерительный и управляющий блок 60 в таком случае, как также условно показано на фиг.5, может быть соединен со вторым контроллером UR потребляемого напряжения, например, посредством, по меньшей мере, одного трансформатора 92, включенного, по меньшей мере, иногда, в сигнальный тракт сигнала U управления напряжением, и/или посредством, по меньшей мере, одной оптопары, включенной, по меньшей мере, иногда, в сигнальный тракт сигнала U управления напряжением.
3
2
2
3
2
pwr_fail
м
Помимо того, предусмотрено в дальнейшем варианте осуществления изобретения, что измерительный и управляющий блок 60 и внутренняя управляющая и оценивающая схема 50 поддерживаются гальванически разделенными друг с другом. Измерительный и управляющий блок 60 и внутренняя управляющая и оценивающая схема 50 в таком случае, как также условно показано на фиг.5, могут быть соединены вместе, например, посредством, по меньшей мере, одного трансформатора 93 и/или посредством, по меньшей мере, одной оптопары. В результате, в случае данного варианта осуществления изобретения, внутренняя управляющая и оценивающая схема 50 поддерживается гальванически разделенной с присутствующим в отдельных случаях, по меньшей мере, одним компаратором для третьего токового компонента I и/или с присутствующим в отдельных случаях, по меньшей мере, одним компаратором для второго потребляемого напряжения UN. В дальнейшем развитии данного варианта осуществления изобретения для этой цели второй контроллер UR потребляемого напряжения уже поддерживается гальванически разделенным с, по меньшей мере, одним компаратором для третьего токового компонента I и/или с, по меньшей мере, одним компаратором для второго потребляемого напряжения UN. В зависимости от числа сигнальных выходов управляющей и оценивающей схемы 50, а также измерительного и управляющего блока 60, каждый из которых, в частности, должен быть гальванически разделен непосредственно с соответствующим сигнальным входом управляющей и оценивающей схемы 50 или измерительного и управляющего блока 60, в электронной части полевого устройства может быть совершенно необходимо обеспечить в дополнение к трансформатору 93 соответственно больше трансформаторов. Например, трансформатор 93 может служить для передачи предупредительного сигнала X из измерительного и управляющего блока 60 в управляющую и оценивающую схему 50, тогда как соответствующий трансформатор 94 используется для передачи сигнала х измеренного значения, как показано на фиг.5.
1
Для вышеописанного случая, в котором электронная часть полевого устройства включает в себя схему связи СОМ, дальнейший преимущественный вариант осуществления изобретения предусматривает, что, по меньшей мере, эта схема связи СОМ поддерживается гальванически разделенной с регулятором IS тока. Для этого электронная часть полевого устройства включает в себя, по меньшей мере, одну дополнительную оптопару или, как показано на фиг.5, по меньшей мере, один дополнительный трансформатор 95.
pwr_fail
м
Конечно же, в случае поясненных выше вариантов гальванического разделения следует понимать, что каждый из трансформаторов 92, 93, 94, 95 может быть компонентом соответствующих преобразователей постоянного тока в постоянный ток, по меньшей мере, для тех случаев, в которых постоянные напряжения/токи преобразуются таким образом. Для случая, в котором тактированные сигналы, такие, к примеру, как цифровые сигналы, должны передаваться через трансформатор или оптопару, например предупредительный сигнал X или, как условно показано на фиг.5, сигнал х измеренного значения, выдаваемый из внутренней управляющей и оценивающей схемы 50 в измерительный и управляющий блок 60, конкретно используемые трансформаторы или оптопары в случае необходимости могут быть дополнены подходящими схемными компонентами, которые преобразуют подлежащие передаче сигналы соответствующими известными способами, которые сами по себе известны специалистам. Примеры таких схем, служащих для передачи цифровых сигналов через места гальванического разделения, раскрываются, среди прочего, в патентах США №№6853685, 5952849 и в заявке Германии №10251504.
В поясненных выше вариантах гальванического разделения может быть дополнительно выгодно, когда используемый в отдельных случаях, по меньшей мере, один трансформатор установлен в режим мультиплексирования таким образом, что на первичной стороне соединены две или более схемных частей, соответствующие выходные сигналы которых передаются затем каждый через этот один трансформатор, например, со сдвигом во времени, последовательно и/или в разных частотных диапазонах. Альтернативно или в дополнение к этому, используемый в отдельных случаях, по меньшей мере, один трансформатор установлен в режим демультиплексирования таким образом, что на вторичной стороне соединены две или более схемных частей, которые каждая принимает сигналы, переданные через данный один трансформатор, например, тактированные, со сдвигом во времени, последовательно и/или в разных частотных диапазонах. Кроме того, можно также использовать один и тот же трансформатор в двух направлениях при дуплексной работе или полудуплексной работе. Равным образом, в дополнение к этому, возможно также установить оптопары, используемые в отдельных случаях в одном направлении или в двух направлениях в режимах мультиплексирования и/или демультиплексирования.