ПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО, ПИТАЕМОЕ ОТ ТОКОВОЙ ПЕТЛИ, С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫМИ РЕГУЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ И ИСТОЧНИКОМ ТОКА Российский патент 2019 года по МПК G01F23/284 G05F1/46 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к полевому устройству для определения технологической переменной и обеспечения сигнала измерения, указывающего данную технологическую переменную, удаленному местоположению через двухпроводную токовую петлю.

Уровень техники

Полевые устройства часто используются в промышленности для измерения различных технологических переменных, таких как давление, температура, поток или уровень продукта. В частности, для измерения уровня продукта, такого как технологическая жидкость, гранулированная смесь или другой материал, может использоваться радиолокационная система измерения уровня.

В радиолокационной системе измерения уровня электромагнитный переданный сигнал может распространяться от приемопередатчика, расположенного сверху бака, к поверхности продукта в баке, а электромагнитный отраженный сигнал, полученный в результате отражения переданного сигнала от поверхности, возвращается к приемопередатчику. На основании переданного сигнала и отраженного сигнала может быть определено расстояние до поверхности продукта, исходя из которого может быть установлен уровень продукта в баке.

На многих предприятиях, таких как технологические промышленные предприятия, где используются полевые устройства, существует проводное соединение между полевым устройством и удаленным местоположением, таким как центральный компьютер. Существующее проводное соединение часто образует двухпроводную токовую петлю для передачи команд от центрального компьютера полевому устройству и сигнала измерения, указывающего технологическую переменную, от полевого устройства центральному компьютеру. Сообщение по двухпроводной токовой петле возможно посредством регулирования тока, протекающего по петле. В петле на 4-20 мА сигнал измерения может представлять собой, например, непосредственно сам петлевой ток. В качестве альтернативы или дополнения к указанному аналоговому токовому уровню может быть передана цифровая информация посредством модулирования петлевого тока, например с использованием протокола передачи данных дистанционного преобразователя с адресацией по магистральному каналу (HART-протокол).

В дополнение к способности получать и посылать сигналы через двухпроводную токовую петлю, полевому устройству может быть необходимо иметь возможность работать, используя электроэнергию, извлеченную из двухпроводной токовой петли. Другими словами, полевое устройство может представлять собой полевое устройство, питаемое от токовой петли.

В некоторых существующих решениях для осуществления полевого устройства, питаемого от токовой петли, измерительное устройство для определения технологической переменной, схема регулирования тока для обеспечения сигнала измерения двухпроводной токовой петле и шунтовый регулятор могут быть все соединены параллельно. Однако вследствие возможных колебаний петлевого напряжения относительно большая часть мощности, доступной в петле, не используется для питания измерительного устройства в таком решении.

Для повышения эффективности использования энергии полевым устройством, питаемым от токовой петли, в патентном документе US 8477064 предложено электрическое соединение схемы регулирования тока последовательно с преобразователем для преобразования входной мощности от токовой петли в выходную мощность для измерительного устройства и предоставление регулятора напряжения для поддержания постоянного напряжения на схеме регулирования тока, посредством изменения напряжения на преобразователе. Таким образом, практически вся доступная в петле мощность может быть использована для питания измерительного устройства независимо от петлевого напряжения.

Несмотря на то, что полевое устройство, питаемое от токовой петли, согласно документу US 8477064 предусматривает работу с очень высокой эффективностью использования энергии, есть возможности для дальнейшего его усовершенствования, особенно в части стабильности регулируемого петлевого тока.

Раскрытие сущности изобретения

Целью настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков и создание усовершенствованного полевого устройства, в частности обеспечение повышенной стабильности регулируемого петлевого тока.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено полевое устройство для определения технологической переменной и обеспечения сигнала измерения, указывающего значение технологической переменной, удаленному местоположению через двухпроводную токовую петлю, содержащее: измерительное устройство для определения значения технологической переменной с использованием энергии, полученной посредством двухпроводной токовой петли для работы измерительного устройства; устройство регулирования тока, соединенное электрически последовательно с измерительным устройством и выполненное с возможностью управления посредством измерительного устройства для регулирования петлевого тока, протекающего через двухпроводную токовую петлю, в зависимости от значения технологической переменной, и, таким образом, обеспечения сигнала измерения; и схему регулирования напряжения, соединенную электрически последовательно с устройством регулирования тока и измерительным устройством для регулирования напряжения на устройстве регулирования тока до требуемого значения напряжения посредством изменения напряжения на схеме регулирования напряжения.

Поскольку измерительное устройство, управляемый источник тока и схема регулирования напряжения соединены электрически последовательно, то петлевое напряжение, подаваемое при использовании на полевое устройство, соответствует сумме напряжений на измерительном устройстве, управляемом источнике тока, схеме регулирования напряжения и любой иной схеме, также соединенной последовательно.

Под «полевым устройством» следует понимать любое устройство, которое определяет технологическую переменную и передает сигнал измерения, указывающий данную технологическую переменную, к удаленному местоположению. Примерами полевых устройств служат устройства для определения технологических переменных, таких как уровень наполнения, температура, давление, поток жидкости и т.д.

Как уже было упомянуто в разделе «Уровень техники», сигнал измерения может быть, например, постоянным током и/или изменяющимся во времени током, наложенным на постоянный ток. Такой изменяющийся во времени ток может модулировать цифровую информацию, например в соответствии с протоколом HART передачи данных.

Измерительное устройство может содержать силовой преобразователь для преобразования входной мощности от двухпроводной токовой петли в выходную мощность для питания измерительной схемы в измерительном устройстве. Такой преобразователь питания может быть выполнен с возможностью преобразования входного напряжения на входных контактах преобразователя питания в выходное напряжение на выходных контактах преобразователя питания.

Данное изобретение основано на понимании того, что разумный компромисс между стабильным регулированием тока и использованием мощности, доступной в токовой петле, может быть достигнут посредством расположения регулятора напряжения последовательно с управляемым источником тока и измерительным устройством, и выполнения регулятора напряжения с возможностью регулирования напряжения на управляемом источнике тока до требуемого напряжения, посредством изменения падения напряжения на регуляторе напряжения.

В вариантах осуществления полевого устройства согласно настоящему изобретению колебания напряжения на измерительном устройстве могут быть уменьшены, тем не менее, позволяя измерительному устройству получить доступ к полному петлевому току. Это, в свою очередь, позволяет получить более стабильное управление управляемым источником тока посредством измерительного устройства.

Кроме того, поскольку регулятор напряжения соединен последовательно с управляемым источником тока и измерительным устройством, регулятор напряжения может быть выполнен с возможностью, по меньшей мере частично, препятствовать распространению внешних возмущений в управляемый источник тока.

Для этого регулятор напряжения может быть выполнен с возможностью очень быстрого изменения падения напряжения на регуляторе напряжения так, что регулятор напряжения способен регулировать напряжение на управляемом источнике тока также в присутствии высокочастотных колебаний петлевого напряжения. Полевое устройство и/или двухпроводная токовая петля может быть снабжена обычным емкостным фильтром подавления электромагнитных помех (фильтром ЭМП) для блокирования очень высокочастотных сигналов помех, таких как радиочастотные помехи. Самая низкая частота, блокируемая таким емкостным фильтром ЭМП, будет зависеть от емкости. Чем выше емкость, тем менее частотные сигналы могут быть заблокированы. Однако может существовать предел разрешенной емкости, в частности в приложениях, в которых могут присутствовать взрывчатые или легковоспламеняющиеся вещества. Например, полевое устройство, а также сама токовая петля могут быть должны удовлетворять требованиям искробезопасности. Для обеспечения улучшенного блокирования сигналов напряжения помех также в таких приложениях регулятор напряжения может быть выгодным образом выполнен с возможностью достаточно быстрого изменения падения напряжения на регуляторе напряжения (с достаточно короткой постоянной времени) для блокирования сигналов помех по меньшей мере до вышеупомянутой нижней частоты, блокируемых емкостным фильтром ЭМП для использования в приложении, удовлетворяющем требованию искробезопасности.

Таким образом, в вариантах осуществления полевого устройства согласно настоящему изобретению схема регулирования напряжения может быть выполнена с возможностью изменения напряжения на схеме регулирования напряжения таким образом, что сигналы помех по меньшей мере в диапазоне частот от приблизительно 10 кГц до приблизительно 100 кГц подавляются схемой регулирования напряжения.

Другими словами, схема регулирования напряжения выполнена с возможностью функционирования в виде фильтра, предотвращающего в схеме регулирования напряжения распространение колебаний напряжения по меньшей мере в диапазоне частот от приблизительно 10 кГц до приблизительно 100 кГц.

Можно предположить, что выполнение схемы регулирования напряжения с возможностью блокирования по меньшей мере этого частотного диапазона (10 кГц - 100 кГц) позволит сконструировать фильтр ЭМП, удовлетворяющий требованиям искробезопасности, тем не менее достаточно подавляющий помехи.

Чтобы упростить конструкцию фильтра ЭМП, схема регулирования напряжения может быть выгодным образом выполнена с возможностью подавления сигналов помех по меньшей мере в диапазоне частот от приблизительно 10 кГц до приблизительно 1 МГц.

В нижней части диапазонов частот, упомянутых выше, устройство регулирования тока может быть выполнено с возможностью корректного регулирования петлевого тока также в присутствии помех с частотами приблизительно до 10 кГц.

Однако, посредством выполнения схемы регулирования напряжения с возможностью блокирования сигналов помех с нижними частотами приблизительно до 0 Гц (постоянный ток) конструкция устройства регулирования тока может быть упрощена, при этом существует потенциал для сокращения затрат.

Следовательно, схема регулирования напряжения может быть предпочтительным образом выполнена с возможностью подавления сигналов помех по меньшей мере в диапазоне частот от приблизительно 0 Гц до приблизительно 100 кГц или, еще предпочтительней, до 1 МГц.

Чтобы еще улучшить помехоподавляющие свойства полевого устройства согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, управляемый источник тока может быть электрически подсоединен между схемой регулирования напряжения и измерительным устройством.

В этих вариантах осуществления входным напряжением управляемого источника тока может управлять схема регулирования напряжения, причем схема регулирования напряжения может быть выполнена с возможностью, по меньшей мере частично, препятствовать проникновению внешних помех в управляемый источник тока.

Согласно различным вариантам осуществления схема регулирования напряжения может быть выполнена с возможностью изменения напряжения на схеме регулирования напряжения посредством изменения импеданса схемы регулирования напряжения. Например, чтобы реализовать простую и саморегулируемую схему, схема регулирования напряжения может выгодным образом содержать n-канальный МОП-транзистор, работающий в режиме обеднения, который может функционировать с возможностью подавления высокочастотных сигналов помех, быстро изменяя импеданс между контактами стока и истока n-канального МОП-транзистора, работающего в режиме обеднения. Однако следует понимать, что специалист из данной области техники будет способен осуществить регулирование напряжения с использованием различных иных, известных самих по себе, регуляторов напряжения, например ПИД-регулятора.

Согласно различным вариантам осуществления полевое устройство настоящего изобретения может дополнительно содержать регулятор тока, включающий в себя схему измерения петлевого тока для измерения петлевого тока, протекающего через двухпроводную токовую петлю. Регулятор тока может быть соединен с управляемым источником тока и с измерительным устройством для получения сигнала, указывающего технологическую переменную, от измерительного устройства и обеспечения текущего контрольного сигнала управляемому источнику тока на основании измеренного петлевого тока и сигнала от измерительного устройства.

Схема измерения петлевого тока может быть выполнена, например, в виде резистора, последовательно соединенного с управляемым источником тока, и схемы измерения напряжения для измерения падения напряжения на резисторе.

Согласно различным вариантам осуществления питаемое от токовой петли полевое устройство может выгодным образом дополнительно содержать шунтовый регулятор, соединенный с измерительным устройством электрически параллельно, для поддержания входного напряжения измерительного устройства от двухпроводной токовой петли не выше заранее заданного отрегулированного напряжения. Шунтовый регулятор может содержать обратно смещенный диод Зенера.

В некоторых вариантах осуществления полевое устройство настоящего изобретения может дополнительно содержать первый петлевой коннектор для соединения с относительно высоким петлевым потенциалом и второй петлевой коннектор для соединения с относительно низким петлевым потенциалом. Измерительное устройство, управляемый источник тока и схема регулирования напряжения могут быть электрически последовательно подсоединены между первым петлевым коннектором и вторым петлевым коннектором.

Схема регулирования напряжения может быть преимущественным образом электрически подсоединена между первым петлевым коннектором и управляемым источником тока; а измерительное устройство может быть электрически подсоединено между управляемым источником тока и вторым петлевым коннектором.

Согласно различным вариантам осуществления полевое устройство может также содержать перезаряжаемое устройство накопления энергии. Посредством такого предусмотренного устройства накопления энергии временный излишек энергии может быть сохранен и использован позже, когда питание, требуемое для работы измерительного устройства, будет выше того, что может быть извлечено из двухпроводной токовой петли. Устройство накопления энергии может содержать, например, конденсатор, суперконденсатор, и/или аккумулятор, или любое другое устройство, способное хранить электрическую энергию.

Перезаряжаемое устройство накопления энергии может также быть полезным в случае временной потери мощности.

Полевое устройство может быть дополнительно снабжено беспроводным передатчиком для беспроводной передачи сигнала измерения, при этом полевое устройство может быть выполнено с возможностью автоматического переключения на беспроводную передачу данных в случае временной потери мощности. Например, в некоторых вариантах осуществления схема обработки, содержащаяся в измерительном устройстве, может быть запрограммирована с возможностью выявления потери мощности в двухпроводной токовой петле и переключения на беспроводную передачу данных, посылая сигнал о потере мощности через двухпроводную токовую петлю.

Полевое устройство согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения может представлять собой преимущественным образом радиолокационный измеритель уровня для определения уровня наполнения продукта в баке, содержащий: приемопередатчик для генерирования, передачи и получения электромагнитных сигналов; устройство распространения, соединенное с приемопередатчиком, для распространения электромагнитного переданного сигнала от приемопередатчика к поверхности продукта и для возвращения к приемопередатчику электромагнитного отраженного сигнала, полученного в результате отражения переданного сигнала от поверхности; и схему обработки для определения уровня наполнения на основании переданного сигнала и отраженного сигнала и для управления устройством регулирования тока, чтобы обеспечить сигнал измерения, указывающий уровень наполнения.

Схема обработки может быть выполнена с возможностью управления приемопередатчиком для осуществления множества циклов измерения, каждый из которых включает в себя: активный период времени, в котором приемопередатчик генерирует, передает и получает электромагнитные сигналы; и неактивный период времени, в котором приемопередатчик не генерирует, не передает и не получает электромагнитные сигналы.

Схема обработки может быть выполнена с возможностью определения для каждого цикла измерения во множестве циклов измерения отношения между длительностью времени активного периода времени и длительностью времени неактивного периода времени на основании определенного уровня наполнения.

Определенное отношение может быть ниже для уровня наполнения, соответствующего относительно небольшому петлевому току, чем для уровня наполнения, соответствующего относительно большому петлевому току.

Поскольку полевое устройство, такое как вышеупомянутый радиолокационный измеритель уровня, управляет управляемым источником тока для обеспечения сигнала измерения двухпроводной токовой петле, полевое устройство будет в принципе знать, сколько тока будет доступно для измерительного устройства в любой момент времени. Как следствие, полевое устройство может содержать схему обработки для управления работой измерительного устройства в зависимости от петлевого тока, соответствующего определенной технологической переменной.

Когда, например, определенная технологическая переменная соответствует относительно большому петлевому току, измерительное устройство может быть отрегулировано для мгновенного увеличения его текущего потребления, например, посредством уменьшения времени между последовательными измерениями. Аналогично, измерительное устройство может уменьшить свое потребление тока, когда определенная технологическая переменная соответствует относительно небольшому петлевому току, например, посредством увеличения времени между последовательными измерениями.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ обеспечения сигнала измерения через двухпроводную токовую петлю с использованием полевого устройства, содержащего: измерительное устройство для определения значения технологической переменной с использованием энергии, полученной посредством двухпроводной токовой петли, для осуществления работы измерительного устройства; устройство регулирования тока, электрически последовательно соединенное с измерительным устройством и управляемое измерительным устройством для регулирования петлевого тока, протекающего через двухпроводную токовую петлю; и схему регулирования напряжения, электрически последовательно соединенную с управляемым устройством регулирования тока и измерительным устройством, причем способ, содержит шаги, на которых: посредством схемы регулирования напряжения регулируют напряжение на устройстве регулирования тока до требуемого напряжения; и посредством измерительного устройства управляют устройством регулирования тока для регулирования петлевого тока на основании значения технологической переменной, чтобы, таким образом, обеспечить сигнал измерения через двухпроводную токовую петлю.

Согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения шаг, на котором регулируют напряжение на устройстве регулирования тока, может преимущественным образом содержать шаги, на которых: посредством схемы регулирования напряжения измеряют напряжение на схеме регулирования тока; и изменяют импеданс схемы регулирования напряжения на основании измеренного напряжения.

Прочие эффекты и варианты настоящего второго аспекта изобретения по большому счету аналогичны раскрытым выше со ссылкой на первый аспект изобретения.

Таким образом, данное изобретение относится к полевому устройству для определения технологической переменной и обеспечения сигнала измерения, указывающего технологическую переменную, удаленному местоположению через двухпроводную токовую петлю. Полевое устройство содержит измерительное устройство для определения технологической переменной; устройство регулирования тока, соединенное электрически последовательно с измерительным устройством и управляемое измерительным устройством, для обеспечения сигнала измерения двухпроводной токовой петле; и схему регулирования напряжения, соединенную электрически последовательно с устройством регулирования тока и измерительным устройством, для регулирования напряжения на устройстве регулирования тока до требуемого напряжения посредством изменения напряжения на схеме регулирования напряжения.

Краткое описание чертежей

Эти и прочие аспекты настоящего изобретения ниже раскрыты более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, демонстрирующие примеры вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 1 схематично иллюстрирует полевое устройство, выполненное в виде радиолокационного измерителя уровня, установленного в некотором иллюстративном баке;

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример варианта осуществления полевого устройства согласно настоящему изобретению в виде радиолокационного измерителя уровня; и

Фиг. 3 схематично иллюстрирует пример схемы регулирования напряжения, содержащей n-канальный МОП-транзистор, работающий в режиме обеднения.

Осуществление изобретения

В настоящем подробном описании пример варианта осуществления полевого устройства согласно настоящему изобретению раскрыт со ссылкой на бесконтактную радиолокационную систему измерения уровня. Следует отметить, что это ни в коем случае не ограничивает объем настоящего изобретения, которое аналогичным образом применимо и к другим полевым устройствам, таким как волноводные радиолокационные системы измерения уровня, датчики температуры, датчики давления и т.д. Кроме того, двухпроводная токовая петля может быть выполнена с возможностью функционирования в соответствии с различными стандартами передачи данных, такими как токовая петля 4-20 мА, протокол передачи данных дистанционного преобразователя с адресацией по магистральному каналу (HART-протокол), локальные сетевые шины Foundation Fieldbus, Profibus и т.д.

На Фиг. 1 схематично изображено полевое устройство в виде радиолокационного измерителя 1 уровня, установленного в иллюстративном баке 2. Радиолокационный измеритель 1 уровня связан с удаленным центральным компьютером/ведущим устройством 3 через двухпроводную токовую петлю 4, которая также используется для обеспечения питания радиолокационному измерителю 1 уровня. Бак 2 содержит продукт 6, причем при работе радиолокационный измеритель 1 уровня определяет уровень L наполнения продукта 6 в баке 2 на основании электромагнитного переданного сигнала, распространяющегося к поверхности 7 продукта 6, и электромагнитного отраженного сигнала, полученного в результате отражения переданного сигнала от поверхности 7.

После определения уровня L наполнения, который является примером технологической переменной, радиолокационный измеритель уровня подает сигнал S_L измерения, указывающий уровень L наполнения, удаленному центральному компьютеру/ведущему устройству 3 через двухпроводную токовую петлю 4. Подача сигнала S_L измерения двухпроводной токовой петле 4, а также подача питания от двухпроводной токовой петли 4 к полевому устройству 1 описаны более подробно ниже со ссылкой на фиг. 2.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, схематично иллюстрирующую пример варианта осуществления полевого устройства согласно настоящему изобретению, такого как радиолокационный измеритель 1 уровня с фиг. 1.

Полевое устройство 10 на фиг. 2 содержит измерительное устройство, в данном случае в виде радиолокационного измерителя 1 уровня, для определения вышеупомянутого уровня L наполнения, и схему 12 петлевого интерфейса для обеспечения сигнала S_L измерения (петлевого тока I_п), указывающего технологическую переменную, двухпроводной токовой петле 4, и для обеспечения питания от двухпроводной токовой петли 4 измерительному устройству 1.

Схема 12 петлевого интерфейса содержит первый петлевой коннектор 14 для соединения с относительно высоким петлевым потенциалом V_п+ и второй петлевой коннектор 15 для соединения с относительно низким петлевым потенциалом V_п-. Как видно на фиг. 2, схема 12 петлевого интерфейса также содержит регулятор 17 напряжения, управляемый источник 18 тока, регулятор 19 тока, шунтовый регулятор 20 и измерительный резистор 21.

Начиная с первого петлевого коннектора 14, и далее регулятор 17 напряжения, управляемый источник 18 тока, измерительное устройство 1 и резистор измерения 21 соединены последовательно и образуют часть двухпроводной токовой петли 4, когда полевое устройство 10 подсоединено к токовой петле на первом петлевом коннекторе 14 и втором петлевом коннекторе 15.

Как показано на фиг. 2, регулятор 19 тока выполнен с возможностью измерения напряжения на измерительном резисторе 21, чтобы, таким образом, определить петлевой ток I_п, и также подсоединен к измерительному устройству 1 для получения сигнала, указывающего требуемый петлевой ток, характеризующий технологическую переменную (такую как уровень L наполнения), определенную измерительным устройством 1, и к управляемому источнику 18 тока для управления источником 18 тока, чтобы обеспечить требуемый петлевой ток I_п.

Шунтовый регулятор 20, который может, например, представлять собой диод Зенера, соединен параллельно с измерительным устройством 1, чтобы дополнительно уменьшить колебания входного напряжения измерительного устройства 1. Это обеспечивает еще более стабильное регулирование петлевого тока I_п.

Радиолокационный измеритель 1 уровня содержит DC/DC преобразователь 24 постоянного тока, схему обработки, показанную как микропроцессор 25, и сверхвысокочастотный (СВЧ) узел 26. СВЧ узел 26 соединен с устройством распространения, показанным в данном случае в виде схематичной антенны 28, для передачи и получения СВЧ сигналов.

DC/DC преобразователь 24 постоянного тока подсоединен к схеме 12 петлевого интерфейса для получения питания из двухпроводной токовой петли 4. Как показано на фиг. 2, DC/DC преобразователь 24 постоянного тока обеспечивает питание для схемы 25 обработки и для СВЧ узла 26. Схема 25 обработки управляет работой СВЧ узла 26 и определяет уровень L наполнения продукта 6 в баке 2 (см. фиг. 1) на основании СВЧ сигналов, переданных к поверхности 7 и СВЧ сигналов, отраженных от поверхности 7. Кроме того, схема 25 обработки определяет требуемый петлевой ток, соответствующий уровню наполнения, и подает сигнал, указывающий этот требуемый петлевой ток, регулятору тока 19, как показано на фиг. 2.

Для поддержания работы управляемого источника 18 тока в подходящей рабочей точке регулятор 17 напряжения регулирует напряжение на управляемом источнике 18 тока до требуемого напряжения V_ит. Чтобы сохранить стабильным входное напряжение измерительного устройства 1, регулятор 17 напряжения выполняют с возможностью регулирования напряжения V_ит на управляемом источнике 18 тока, варьируя падение напряжения на регуляторе 17 напряжения, например варьируя импеданс регулятора 17 напряжения. Кроме того, регулятор 17 напряжения может быть выполнен с возможностью достаточно быстрого изменения падения напряжения на регуляторе 17 напряжения, чтобы препятствовать проникновению возмущений в регулятор 17 из токовой петли 4 и в полевое устройство 10.

Пример варианта осуществления регулятора 17 напряжения, содержащегося в полевом устройстве 10, ниже описан со ссылкой на фиг. 3.

Фиг. 3 схематично иллюстрирует пример простого регулятора 18 напряжения, подходящего для полевого устройства, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг.3 n-канальный МОП-транзистор 30, работающий в режиме обеднения, показан со стоком ‘С’, подсоединенным к первому петлевому коннектору 14, истоком ‘И’, подсоединенным к стороне управляемого источника 18 тока с высоким потенциалом, и затвором ‘3’, подсоединенным к стороне управляемого источника 18 тока с низким потенциалом. Как ясно следует из фиг. 3, напряжение V_ит на управляемом источнике 18 тока равно -V_зи (напряжение между затвором и истоком) n-канального МОП-транзистора 30, работающего в режиме обеднения. Если, например, V_ит увеличивается, то V_зи становится более отрицательным, что приводит к увеличению импеданса сток-исток n-канального МОП-транзистора 30. Увеличение импеданса сток-исток приводит к увеличению падения напряжения на n-канальном МОП-транзисторе 30, работающем в режиме обеднения, что, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения V_ит на управляемом источнике 18 тока. В дополнение к тому, что n-канальный МОП-транзистор 30, работающий в режиме обеднения, является простым и саморегулируемым, он также отличается высоким быстродействием, что делает данный компонент очень подходящим для использования в качестве регулятора 17 напряжения полевого устройства 10 согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Специалисту из данной области техники понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничено предпочтительными вариантами осуществления, раскрытыми выше. Наоборот, в рамках объема нижеследующей формулы изобретения возможны различные вариации и модификации.

В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или шагов, использование единственного числа не исключает возможности его замены на множественное. Тот факт, что конкретные меры приведены в различающихся зависимых пунктах формулы, не говорит о том, что комбинация этих мер не может использоваться для обеспечения преимуществ.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к полевому устройству для определения технологической переменной и обеспечения сигнала измерения. Технический результат заключается в обеспечении повышенной стабильности регулируемого петлевого тока. Достигается тем, что полевое устройство содержит измерительное устройство для определения технологической переменной, устройство регулирования тока, соединенное электрически последовательно с измерительным устройством и управляемое измерительным устройством, для обеспечения сигнала измерения двухпроводной токовой петле, и схему регулирования напряжения, соединенную электрически последовательно с устройством регулирования тока и измерительным устройством для регулирования напряжения на устройстве регулирования тока до желаемого напряжения посредством изменения напряжения на схеме регулирования напряжения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Полевое устройство для определения технологической переменной и обеспечения сигнала измерения, указывающего значение указанной технологической переменной, удаленному местоположению через двухпроводную токовую петлю, содержащее:

измерительное устройство для определения значения указанной технологической переменной с использованием энергии, полученной посредством указанной двухпроводной токовой петли, для работы указанного измерительного устройства;

устройство регулирования тока, соединенное электрически последовательно с указанным измерительным устройством и управляемое указанным измерительным устройством, для регулирования петлевого тока, протекающего через указанную двухпроводную токовую петлю, на основании значения указанной технологической переменной, чтобы, таким образом, обеспечить указанный сигнал измерения; и

схему регулирования напряжения, соединенную электрически последовательно с указанным устройством регулирования тока и указанным измерительным устройством, для регулирования напряжения на указанном устройстве регулирования тока до требуемого напряжения посредством изменения напряжения на указанной схеме регулирования напряжения.

2. Полевое устройство по п. 1, в котором указанное устройство регулирования тока электрически подсоединено между указанной схемой регулирования напряжения и указанным измерительным устройством.

3. Полевое устройство по п. 1 или 2, в котором указанная схема регулирования напряжения содержит вход измерения напряжения, подсоединенный для измерения указанного напряжения на указанном устройстве регулирования тока, причем указанная схема регулирования напряжения выполнена с возможностью регулирования напряжения на указанной схеме регулирования напряжения на основании указанного измеренного напряжения на указанном устройстве регулирования тока.

4. Полевое устройство по любому из пп. 1-3, в котором указанная схема регулирования напряжения выполнена с возможностью изменения указанного напряжения на указанной схеме регулирования напряжения посредством изменения импеданса указанной схемы регулирования напряжения.

5. Полевое устройство по п. 4, в котором указанная схема регулирования напряжения содержит n-канальный МОП-транзистор, работающий в режиме обеднения, содержащий затвор, сток и исток,

причем указанный исток и указанный затвор подсоединены к указанному устройству регулирования тока таким образом, что разность потенциалов между указанным истоком и указанным затвором соответствует напряжению на указанном устройстве регулирования тока.

6. Полевое устройство по любому из пп. 1-5, в котором указанная схема регулирования напряжения выполнена с возможностью изменения напряжения на указанной схеме регулирования напряжения таким образом, что сигналы помех по меньшей мере в диапазоне частот от приблизительно 10 кГц до приблизительно 100 кГц могут быть подавлены указанной схемой регулирования напряжения.

7. Полевое устройство по любому из пп. 1-6, дополнительно содержащее регулятор тока, содержащий схему измерения петлевого тока для измерения петлевого тока, протекающего через указанную двухпроводную токовую петлю,

причем указанный регулятор тока соединен с указанным устройством регулирования тока и с указанным измерительным устройством для получения сигнала, указывающего значение указанной технологической переменной, от указанного измерительного устройства и обеспечения текущего сигнала управления указанному устройству регулирования тока на основании указанного измеренного петлевого тока и указанного сигнала от указанного измерительного устройства.

8. Полевое устройство по любому из пп. 1-7, дополнительно содержащее шунтовый регулятор, соединенный электрически параллельно с указанным измерительным устройством, для поддержания напряжения на указанном измерительном устройстве на уровне заранее заданного отрегулированного напряжения или ниже его.

9. Полевое устройство по п. 8, в котором указанный шунтовый регулятор содержит диод Зенера, соединенный электрически параллельно с указанным измерительным устройством таким образом, что диод Зенера является обратно смещенным.

10. Полевое устройство по любому из пп. 1-9, дополнительно содержащее первый петлевой коннектор для соединения с относительно высоким петлевым потенциалом указанной токовой петли и второй петлевой коннектор для соединения с относительно низким петлевым потенциалом указанной токовой петли,

причем указанное измерительное устройство, указанное устройство регулирования тока и указанная схема регулирования напряжения соединены электрически последовательно между указанным первым петлевым коннектором и указанным вторым петлевым коннектором.

11. Полевое устройство по п. 10, в котором:

указанная схема регулирования напряжения электрически подсоединена между указанным первым петлевым коннектором и указанным устройством регулирования тока; и

указанное измерительное устройство электрически подсоединено между указанным устройством регулирования тока и указанным вторым петлевым коннектором.

12. Полевое устройство по любому из пп. 1-11, дополнительно содержащее перезаряжаемое устройство накопления энергии,

причем указанное перезаряжаемое устройство накопления энергии выполнено с возможностью подзарядки энергией, полученной посредством указанной двухпроводной токовой петли, и соединено с указанным измерительным устройством для того, чтобы по меньшей мере периодически обеспечивать электрическую энергию для работы указанного измерительного устройства.

13. Полевое устройство по любому из пп. 1-12, отличающееся тем, что выполнено в виде радиолокационного измерителя уровня для определения уровня наполнения продукта в баке, причем указанный радиолокационный измеритель уровня содержит:

приемопередатчик для генерирования, передачи и получения электромагнитных сигналов;

устройство распространения, соединенное с указанным приемопередатчиком для распространения электромагнитного переданного сигнала от указанного приемопередатчика к поверхности указанного продукта и для возвращения к указанному приемопередатчику электромагнитного отраженного сигнала, полученного в результате отражения указанного переданного сигнала от указанной поверхности; и

схему обработки для определения указанного уровня наполнения на основании указанного переданного сигнала и указанного отраженного сигнала и для управления указанным устройством регулирования тока, чтобы обеспечить указанный сигнал измерения, указывающий уровень наполнения.

14. Способ обеспечения сигнала измерения через двухпроводную токовую петлю с использованием полевого устройства, содержащее:

измерительное устройство для определения значения технологической переменной с использованием энергии, полученной посредством указанной двухпроводной токовой петли, для работы указанного измерительного устройства;

устройство регулирования тока, соединенное электрически последовательно с указанным измерительным устройством и управляемое указанным измерительным устройством, для регулирования петлевого тока, протекающего через указанную двухпроводную токовую петлю; и

схему регулирования напряжения, соединенную электрически последовательно с указанным управляемым устройством регулирования тока и указанным измерительным устройством,

причем способ содержит шаги, на которых:

посредством указанной схемы регулирования напряжения регулируют напряжение на указанном устройстве регулирования тока до требуемого напряжения; и

посредством указанного измерительного устройства управляют указанным устройством регулирования тока для регулирования указанного петлевого тока на основании значения указанной технологической переменной, чтобы, таким образом, обеспечить указанный сигнал измерения через двухпроводную токовую петлю.

15. Способ по п. 14, в котором указанный шаг регулирования напряжения на указанном устройстве регулирования тока содержит шаги, на которых:

посредством указанной схемы регулирования напряжения измеряют напряжение на указанной схеме регулирования тока; и

изменяют импеданс указанной схемы регулирования напряжения на основании указанного измеренного напряжения.