專利名稱：二線式總線儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二線式總線儀器的領(lǐng)域，特別地，涉及用于惡劣環(huán)境的完全內(nèi)在安全的二線式總線儀器。
背景技術(shù)：
使用流量計(jì)來測量流動材料的質(zhì)量流速、密度和其它特征。流動材料可包括液體、氣體、組合的液體與氣體、懸浮在液體中的固體和包括氣體與懸浮固體的液體。例如，在良好的產(chǎn)品以及在石油和石油產(chǎn)品的精煉中，廣泛使用了流量計(jì)?？墒褂昧髁坑?jì)以通過測量流速(即通過測量穿過該流量計(jì)的質(zhì)量流量)來確定好的產(chǎn)品，并且甚至可使用流量計(jì)來確定流體的氣體與液體成分的相對比例。
一類流量計(jì)環(huán)境是惡劣環(huán)境，其中存在易燃的蒸氣或顆粒。必須設(shè)計(jì)和制造在這種條件下工作的儀器以避免點(diǎn)燃該易燃的蒸氣或顆粒。在惡劣環(huán)境中安全工作所設(shè)計(jì)的儀器通常指定為“內(nèi)在安全”(I.S.)。例如，這種儀器通常使用公知的在惡劣環(huán)境中不會引起點(diǎn)火的低電平電壓和低電平電流。
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的二線式總線，例如一般用于工業(yè)測量儀表的FIELDBUSTM二線式總線。術(shù)語FIELDBUSTM稱為二線式測量儀表總線標(biāo)準(zhǔn)，其典型地用于將多個儀器連接在一起并且還能夠用于在儀器之間提供數(shù)字通信。此外，例如該fieldbus(現(xiàn)場總線)屏蔽裝置可傳遞數(shù)字通信信號到例如用于監(jiān)視的外部裝置和控制站。連接總線屏蔽裝置到電源并且該總線屏蔽裝置在二線式總線上提供電源。該總線屏蔽裝置通常接收非I.S.電源并且依次提供限流、限壓且限功率的電源。
存在幾個FIELDBUSTM標(biāo)準(zhǔn)。一個FIELDBUSTM標(biāo)準(zhǔn)指定該屏蔽裝置可提供約130毫安(mA)的最大電流和約15伏特(V)的最大電壓給所有被連接的儀器。在現(xiàn)有技術(shù)中，設(shè)計(jì)典型的fieldbus儀器以汲取大約10到20mA。因此，在現(xiàn)有技術(shù)的方法中，在可用的屏蔽電壓下，可連接到二線式總線的裝置的數(shù)目通過這些裝置的總電流消耗來控制。
圖2示出了連接到二線式總線的典型現(xiàn)有技術(shù)儀器，其示出了如何使用來自二線式總線的電源。該現(xiàn)有技術(shù)儀器包括信號處理器和電接口。該電接口連接到二線式總線，例如FIELDBUSTM，且連接到電源。該電接口包括連接到該二線式總線的總線電屏蔽。該總線電屏蔽提供了與該總線的電隔離并且提供了從該二線式總線獲取的電源的限制電流、電壓和功率。該二線式總線提供了直流(DC)電源給總線電屏蔽。該電接口還包括連接到信號處理器的信號電屏蔽。如示出的，該信號處理器連接到傳感器。該信號電屏蔽提供了與信號處理器的電隔離并且提供了電源的限制電流、電壓和功率，該電源經(jīng)由信號處理器提供給該傳感器。其中該傳感器是流量計(jì)傳感器例如Coriolis流量計(jì)，信號處理器通常通過九芯電纜連接到該傳感器。電接口還包括通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)接收來自信號處理器的數(shù)據(jù)信號并且調(diào)制該數(shù)據(jù)信號到該二線式總線以作為數(shù)字通信信號。該FIELDBUSTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)字通信信號發(fā)生在以約32千赫茲(kHz)為中心的頻率帶寬上。
應(yīng)該理解的是，在現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中，從二線式總線獲取的電源僅僅用于給通信系統(tǒng)供電。因此從該二線式總線獲得最小量的電源。例如，該通信系統(tǒng)通常從該二線式總線汲取僅約10-20mA。現(xiàn)有技術(shù)中的外部電源提供相對大的電源，其用于操作驅(qū)動器或者有源元件(例如一個(或多個)流管驅(qū)動器)和用于為信號處理器供電。因此，使該儀器內(nèi)在安全是困難且復(fù)雜的。因此，電接口必須包括總線電屏蔽和信號電屏蔽。而且，該儀器本身常常封閉在防爆罩中。即使FIELDBUSTM二線式總線標(biāo)準(zhǔn)源于內(nèi)在安全的總線系統(tǒng)，也因?yàn)殡娫床皇莾?nèi)在地安全，所以在現(xiàn)有技術(shù)中將該儀器本身常常封閉在防爆罩中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供二線式總線儀器來幫助解決上述問題。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種適于與二線式總線一起使用的二線式總線儀器。該二線式總線儀器包括儀器元件，該儀器元件接收第三電流并產(chǎn)生一個或多個傳感器測量信號。該二線式總線儀器還包括信號處理器，該信號處理器接收第二電流并處理來自該儀器元件的一個或多個傳感器測量信號以產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號。該二線式總線儀器還包括通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)接收第一電流并接收來自信號處理器的數(shù)據(jù)信號，產(chǎn)生包括該數(shù)據(jù)信號的數(shù)字通信信號，并且調(diào)制該數(shù)字通信信號到二線式總線上。該二線式總線儀器還包括通信電源，該通信電源連接到通信系統(tǒng)。該通信電源和通信系統(tǒng)能夠跨接在二線式總線上。配置該通信電源以提供第一電流、基本恒定的電壓和第一功率給該通信系統(tǒng)。該二線式總線儀器還包括連接到信號處理器的信號處理電源。該信號處理器和信號處理電源可跨接到二線式總線上，并且與通信電源和通信系統(tǒng)并聯(lián)。配置該信號處理電源以提供第二電流、基本恒定的電壓和第二功率給信號處理器。該二線式總線儀器還包括連接到儀器元件的驅(qū)動電流電源。該儀器元件和驅(qū)動電流電源能夠跨接到二線式總線上，并且與通信電源和通信系統(tǒng)并聯(lián)以及還與信號處理電源和信號處理器并聯(lián)。配置該驅(qū)動電流電源以提供第三電流、基本恒定的電壓和第三功率給儀器元件。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種適于與二線式總線一起使用的二線式總線儀器。該二線式總線儀器包括儀器元件，該儀器元件接收第三電流并產(chǎn)生一個或多個傳感器測量信號。該二線式總線儀器還包括信號處理器，該信號處理器接收第二電流并處理來自該儀器元件的一個或多個傳感器測量信號以產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號。該二線式總線儀器還包括通信處理器，該通信處理器接收第一電流并接收來自信號處理器的數(shù)據(jù)信號，產(chǎn)生包括該數(shù)據(jù)信號的數(shù)字通信信號，調(diào)制該數(shù)字通信信號到二線式總線上，并傳送第一電流電平命令到通信電源。該二線式總線儀器還包括通信電源，該通信電源連接到通信處理器。該通信電源和通信處理器能夠跨接在二線式總線上。配置該通信電源以提供第一電流、基本恒定的電壓和第一功率給該通信處理器。根據(jù)第一電流電平命令基本上提供第一電流。該二線式總線儀器還包括電壓步降裝置，該電壓步降裝置連接在信號處理電源與信號處理器之間并配置其以提供預(yù)定電壓電平給信號處理器。該二線式總線儀器還包括分流電壓調(diào)節(jié)器，分流電壓調(diào)節(jié)器連接到信號處理電源和電壓步降裝置。分流電壓調(diào)節(jié)器分流信號處理器不需要的過量電流。該二線式總線儀器還包括信號處理電源，該信號處理電源連接到電壓步降裝置和分流電壓調(diào)節(jié)器。信號處理電源、信號處理器、電壓步降裝置和分流電壓調(diào)節(jié)器能夠跨接到二線式總線上，并且與通信電源和通信處理器并聯(lián)。配置該信號處理電源以提供第二電流、基本恒定的電壓和第二功率給信號處理器。該二線式總線儀器還包括連接到儀器元件的驅(qū)動電流電源。儀器元件和驅(qū)動電流電源能夠跨接到二線式總線上，并且與通信電源和通信處理器并聯(lián)以及還與信號處理電源、信號處理器、電壓步降裝置和分流電壓調(diào)節(jié)器并聯(lián)。配置該驅(qū)動電流電源以提供第三電流、基本恒定的電壓和第三功率給儀器元件。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種形成二線式總線儀器的方法。該方法包括提供儀器元件，其接收第三電流并產(chǎn)生一個或多個傳感器測量信號。該方法還包括提供信號處理器，該信號處理器接收第二電流并處理來自該儀器元件的一個或多個傳感器測量信號以產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號。該方法還包括提供通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)接收第一電流并接收來自信號處理器的數(shù)據(jù)信號，產(chǎn)生包括該數(shù)據(jù)信號的數(shù)字通信信號，并且調(diào)制該數(shù)字通信信號到二線式總線上。該方法還包括提供通信電源，該通信電源連接到通信系統(tǒng)。該通信電源和通信系統(tǒng)能夠跨接在二線式總線上。配置該通信電源以提供第一電流、基本恒定的電壓和第一功率給該通信系統(tǒng)。該方法還包括提供信號處理電源，該信號處理電源連接到信號處理器。信號處理器和信號處理電源能夠跨接到二線式總線上，并且與通信電源和通信系統(tǒng)并聯(lián)。配置該信號處理電源以提供第二電流、基本恒定的電壓和第二功率給信號處理器。該方法還包括提供驅(qū)動電流電源，該驅(qū)動電流電源連接到儀器元件。儀器元件和驅(qū)動電流電源能夠跨接到二線式總線上，并且與通信電源和通信系統(tǒng)并聯(lián)以及還與信號處理電源和信號處理器并聯(lián)。配置該驅(qū)動電流電源以提供第三電流、基本恒定的電壓和第三功率給儀器元件。
在本發(fā)明的一方面中，該二線式總線儀器包括流量計(jì)發(fā)射器。
在本發(fā)明的另一方面中，該二線式總線儀器包括流量計(jì)發(fā)射器并且該儀器元件包括至少一個流管驅(qū)動器和一個或多個拾取傳感器。
在本發(fā)明又一方面中，該二線式總線儀器包括Coriolis流量計(jì)發(fā)射器。
在本發(fā)明又一方面中，該二線式總線儀器適于連接到遵循FIELDBUSTM標(biāo)準(zhǔn)的二線式總線。
在本發(fā)明又一方面中，流經(jīng)儀器元件的第三電流的變化限于不與遵循FIELDBUSTM標(biāo)準(zhǔn)的二線式總線的通信頻率相互影響的頻率。


在所有的附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的二線式總線，例如通常用于工業(yè)測量儀表的FIELDBUSTM二線式總線；圖2示出了連接到二線式總線的典型現(xiàn)有技術(shù)儀器，其示出了如何使用來自二線式總線的電源；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的儀器的方框圖；
圖4示出了包括三個儀器的工作環(huán)境；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的儀器的圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的儀器的圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的分流電壓調(diào)節(jié)器的細(xì)節(jié)；以及圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流控制電路的細(xì)節(jié)；具體實(shí)施例詳述具體實(shí)施方式
圖3-8和下面的描述說明了本發(fā)明的具體示例，以教導(dǎo)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員如何實(shí)現(xiàn)和使用本發(fā)明的最佳方式。為了教導(dǎo)發(fā)明原理，已簡化或省略了本發(fā)明的一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解來自這些示例的變形，該變形落入本發(fā)明的范圍中。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解可以以各種方式組合下述的那些特征，以形成本發(fā)明的多個變形。因此，本發(fā)明不限于下述的具體示例，而僅僅通過權(quán)利要求書和它們的等價(jià)物限定。
儀器—圖3圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的儀器300的方框圖。儀器300包括儀器元件304和電接口302。電接口302連接到儀器元件304且連接到二線式總線308。
因?yàn)樵谝粋€實(shí)施例中的儀器300可以僅僅是連接到總線調(diào)節(jié)器裝置(見圖4和附隨的討論)的裝置，所以電接口302可以汲取近似所有的來自二線式總線308的可用電流和電源。例如，儀器300可從完全I(xiàn).S.FIELDBUSTM汲取約130毫安(mA)之多。在一些應(yīng)用中，根據(jù)惡劣環(huán)境的核準(zhǔn)位置和特征，該130mA電流是FIELDBUSTM總線調(diào)節(jié)器裝置在I.S.限制下可提供的最大電流量。因此，該儀器300可以成為完全內(nèi)在安全的裝置，如果需要，可不需要電屏蔽裝置和不需要附加的外部電源。此外，因?yàn)閮x器300是完全內(nèi)在的安全，所以它不需要體積大且昂貴的防爆罩?？商鎿Q地，可在無危險(xiǎn)或低危險(xiǎn)環(huán)境下使用該儀器300。
二線式總線308可提供所有電源給儀器300并且可在儀器300和其它裝置之間提供數(shù)字通信。當(dāng)二線式總線傳導(dǎo)通信時(shí)，一個實(shí)施例中的二線式總線儀器300的阻抗基本為常數(shù)。二線式總線308可提供限制電流、電壓和功率的電源。二線式總線308可提供內(nèi)在安全(I.S.)的電流和電壓。在一些實(shí)施例中該二線式總線308可提供約130mA之多的電流給儀器300，且通?？商峁┘s15伏特(V)之多。然而，根據(jù)該環(huán)境中點(diǎn)火能力，可使用更大電壓和電流電平(且可遵循其它危險(xiǎn)位置標(biāo)準(zhǔn))。
儀器元件304可消耗電源和產(chǎn)生一個或多個信號，例如與物理現(xiàn)象相關(guān)的傳感器測量信號。儀器元件304可包括任何類型的傳感器、換能器、驅(qū)動器等等以及其組合。在一個實(shí)施例中，儀器元件304包括使流管振動的流管驅(qū)動器，并且還包括感測該流管振動的一個或多個拾取傳感器。該一個或多個拾取傳感器可調(diào)制該電流和/或流經(jīng)儀器元件304的電流的相位關(guān)系，以產(chǎn)生傳感器測量信號。該儀器元件304可包括Coriolis(科里奧利)流管、渦輪流量計(jì)、磁流量計(jì)等。
電接口302連接在儀器元件304和二線式總線308之間。電接口302以與二線式總線308的特性一致的方式提供電源給儀器元件304(且提供給任何相關(guān)的處理電路)。電接口302還在二線式總線308上傳導(dǎo)數(shù)字通信。因此，電接口302提供電源以用于通信系統(tǒng)、提供電源以用于驅(qū)動器元件、以及提供電源以用于信號處理器和一個(或多個)相關(guān)的傳感器。
電接口302可以是I.S.并且可連接到I.S.二線式總線。然而，在I.S.二線式總線308是完全I(xiàn).S.的地方，電接口302不必必須運(yùn)行限制的全部電流、電壓和功率。這可有利于在儀器300中消除對電屏蔽裝置的需要。這還可有利于消除對用于儀器300的大容量且昂貴的防爆罩的需要。而且，它可消除對獨(dú)立的外部電源的需要，該外部電源具有附帶成本、布線和屏蔽需求。
儀器300可選地包括防爆罩以作為額外的安全級別。儀器300還可選地利用現(xiàn)有技術(shù)中已知的其它保護(hù)方法。
工作環(huán)境—圖4圖4示出了包括3個儀器300A、300B和300C的工作環(huán)境400。每一個儀器300A、300B和300C通過二線式總線308A、308B和308C(為了簡明未示出總線端連接器裝置)連接到對應(yīng)的總線調(diào)節(jié)器400A、400B和400C。二線式總線308A-308C可以是I.S.或者非I.S.總線?？偩€屏蔽400A、400B和400C連接到電源404，該電源404不必是I.S.電源裝置?？偩€屏蔽400A、400B和400C提供電隔離和限制的電流、電壓和功率給每一個二線式總線308A、308B和308C。儀器300A、300B和300C可汲取通過總線調(diào)節(jié)器裝置400A、400B和400C提供的電源的全部量。這與圖1中示出的現(xiàn)有技術(shù)方法大不相同?？商鎿Q地，可連接多個儀器300到單一的總線調(diào)節(jié)器400(見虛線)。
儀器—圖5圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的儀器500的圖。與在前附圖相同的附圖標(biāo)記表示相同部件。儀器500包括通信系統(tǒng)511、信號處理器512和儀器元件304。儀器500還包括通信電源501、傳感器電源502和驅(qū)動電流電源503。設(shè)計(jì)儀器500與二線式總線308一起使用。
例如儀器500可包括流量計(jì)電子儀器。在這里示出和討論的各種實(shí)施例中，儀器500可包括產(chǎn)生和傳送流量計(jì)測量信號的流量計(jì)發(fā)射器。更具體地，儀器500可包括Coriolis流量計(jì)發(fā)射器，該Coriolis流量計(jì)發(fā)射器產(chǎn)生和發(fā)射通過Coriolis流管設(shè)備測量的流量計(jì)信號。
一個實(shí)施例中的二線式總線308包括遵循FOUNDATION FIELDBUSTM標(biāo)準(zhǔn)的二線式總線。FOUNDATION FIELDBUSTM物理層發(fā)信機(jī)構(gòu)在定義的頻帶上需要常數(shù)特征阻抗。因此，在該總線上的裝置通過改變它們在特定通信頻率上汲取的電流來傳送數(shù)據(jù)。該總線上的裝置通過觀察經(jīng)過該特征阻抗產(chǎn)生的作為電流變化結(jié)果的電壓來接收數(shù)據(jù)。
因?yàn)檫@個機(jī)構(gòu)不改變AC特征阻抗，所以該機(jī)構(gòu)的一個分支在于可從該總線汲取DC電流而不影響通信。該機(jī)構(gòu)的另一分支在于儀器500不必使電流變化，該電流變化可能足夠快以在FIELDBUSTM協(xié)議下被解釋為通信信號。當(dāng)儀器500包括流量計(jì)時(shí)，因?yàn)樵摷s束，所以傳感器電流的快速變化不可能立即發(fā)生。例如，其中這可發(fā)生的一種情況是例如當(dāng)流經(jīng)流量計(jì)的液體材料中攜帶了氣泡時(shí)。
如果需要，總線調(diào)節(jié)器裝置400(見圖4)可在二線式總線308上提供內(nèi)在安全級的電流、電壓和功率。一個實(shí)施例中的總線調(diào)節(jié)器裝置400可包括Fieldbus內(nèi)在安全概念(FISCO)的FIELDBUSTM屏蔽裝置。可設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的儀器500從總線調(diào)節(jié)器裝置400基本上汲取最大可用電流。當(dāng)調(diào)節(jié)總的裝置電流IT時(shí)如此做以維持通信所需的特征阻抗，并且同時(shí)為輔助電路提供調(diào)節(jié)的DC電壓(同樣見圖6和附隨的討論)。可替換地，儀器500可汲取少于最大可用電流，因此多個儀器500可連接到一個總線調(diào)節(jié)器裝置400。
通信電源501、信號處理器電源502和驅(qū)動電流電源503可包括電流調(diào)節(jié)裝置?？缃釉摱€式總線308與其它元件串聯(lián)地使用這些電流調(diào)節(jié)電源，以獲得電流源特征是高輸出阻抗的優(yōu)點(diǎn)。這防止了儀器500內(nèi)部阻抗(例如傳感器負(fù)載、DSP電流汲取和其它內(nèi)部電抗性組件)影響在該二線式總線308看到的內(nèi)部特征阻抗。因此，該三個獨(dú)立的電源/電流源控制了第一(通信發(fā)射)電流I1、第三(傳感器驅(qū)動)電流I3和為信號處理器512(或者信號處理器512和相關(guān)電路，見圖6)供電所需的第二(信號處理)電流I2。
儀器元件304從驅(qū)動電流電源503接收電源并且以一定方式調(diào)制驅(qū)動電流。例如，一個實(shí)施例中的該儀器元件304包括一個或多個流管拾取傳感器，例如Coriolis流管拾取傳感器。每一個拾取傳感器基于流管的運(yùn)動調(diào)制電流，其中傳感器測量信號之間的相位差代表流動材料的質(zhì)量流速。
信號處理器512從信號處理電源502接收電源。此外，該信號處理器512在總線或線路523上發(fā)送驅(qū)動電流電平信號到驅(qū)動電流電源503。例如，該驅(qū)動電流電平信號例如通過流管驅(qū)動器控制流過儀器元件304的有源元件的驅(qū)動電流。信號處理器512也在該總線或線路523上接收傳感器測量信號，該信號通過儀器元件304調(diào)制。信號處理器512可執(zhí)行傳感器測量信號的校準(zhǔn)和處理以產(chǎn)生代表材料的質(zhì)量流速和/或密度的數(shù)據(jù)信號。
通過總線或線路523，信號處理器512可調(diào)節(jié)第三電流I3，例如在質(zhì)量流速發(fā)生大變化時(shí)調(diào)節(jié)和/或限制驅(qū)動電流。此外，驅(qū)動電流電源503可限制流過儀器元件304的第三電流I3的變化率，以避免干擾二線式總線308上的數(shù)字通信。驅(qū)動電流電源503可限制在不與典型的32kHz波段通信頻率互相影響的速率(即頻率)上發(fā)生的電流變化。
通信系統(tǒng)511從通信電源501接收電源。通信系統(tǒng)511可包括反饋路徑521，該反饋路徑521可使通信系統(tǒng)511控制/調(diào)制通信電源501提供的第一電流I1。通信系統(tǒng)511在總線或線路522上接收來自信號處理器512的數(shù)據(jù)信號，并產(chǎn)生在二線式總線308上傳送的數(shù)字通信信號。
通過在二線式總線308上調(diào)制電流，通信系統(tǒng)511在約32kHz為中心的頻帶上產(chǎn)生輸出的數(shù)字通信信號。例如，第一電流I1可包括兩個離散的電流電平I1A和I1B，電流電平I1A和I1B反映了數(shù)字1的表示或者數(shù)字0的表示。因此，通過信號處理電源502可控制第二電流I2以使第二電流I2基本上為DC。
在流量計(jì)應(yīng)用中，響應(yīng)于流量計(jì)的流管中的材料流動，第三電流I3可變化。因此，總電流IT的變化可僅僅反映第一電流I1的變化，即，總電流IT的變化正好反映數(shù)字通信信號。在一個實(shí)施例中，如將要參考圖6討論的一樣，這可以通過儀器500的信號處理電源分支分流過量的電流來實(shí)現(xiàn)。此外，通信系統(tǒng)511可在二線式總線308上接收數(shù)字信號，例如命令、校準(zhǔn)等，并且可將它們中繼到信號處理器512。
儀器—圖6圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的儀器600的圖。與在前附圖相同的附圖標(biāo)記表示相同部件。該實(shí)施例中的儀器600包括通信電源501、信號處理電源502、驅(qū)動電流電源503和儀器元件304。在該實(shí)施例中，信號處理器512可包括數(shù)字信號處理器(DSP)和且還可包括電源降低裝置604和分流電壓調(diào)節(jié)器605。此外，在該實(shí)施例中通信系統(tǒng)511包括通信處理器616。
信號處理器512從驅(qū)動電流電源503接收驅(qū)動電流電平信號和傳感器測量信號。信號處理器512處理傳感器測量信號以獲得流經(jīng)與儀器600相關(guān)的流管的材料的質(zhì)量流速。此外，如前所述，信號處理器512可提供反饋信號給可調(diào)節(jié)驅(qū)動電流的驅(qū)動電流電源503。
當(dāng)信號處理器512的電流汲取小于數(shù)字電流源設(shè)定點(diǎn)時(shí)，與信號處理電源502串聯(lián)地增加分流電壓調(diào)節(jié)器605，以防止信號處理電源502的飽和。分流電源調(diào)節(jié)器分流信號處理器512不需要的過量電流，以維持實(shí)質(zhì)上恒定的電壓給電壓步降裝置604。
電壓步降裝置604將提供給信號處理器512的電壓轉(zhuǎn)換為更低的電壓電平。因此，來自二線式總線308的可用電壓不會影響提供給信號處理器512的電壓。例如，電壓步降裝置604可包括DC電壓調(diào)節(jié)器芯片或電路。
通信處理器616從信號處理器512接收數(shù)據(jù)信號。如前所述，通信處理器616可測量第一(即通信)電流I1并且調(diào)制二線式總線308上的電流汲取，以在二線式總線308上傳送該數(shù)據(jù)信號以作為數(shù)字的、直流(DC)通信信號。
分流電壓調(diào)節(jié)器—圖7圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的分流電壓調(diào)節(jié)器605的細(xì)節(jié)。在示出的該實(shí)施例中，分流電壓調(diào)節(jié)器605包括放大器A1、晶體管Q1、電阻R1和R2以及電壓源VREF1。
晶體管Q1可包括任何合適的晶體管，例如功率晶體管。一種合適類型的晶體管是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，其能夠處理高電流電平。在示出的該實(shí)施例中的晶體管Q1包括n溝道增強(qiáng)型MOSFET，例如IRF220MOSFET晶體管，可從California El Segundo國際整流器購買。
放大器A1可包括任何合適的放大器，例如可操作的放大器。包括電阻R1和R2的分壓器網(wǎng)絡(luò)偏壓放大器A1的正輸入。在一個實(shí)施例中，R1具有約50k歐姆大小，并且R2具有約5k歐姆大小，在總線電壓的約5/55的正輸入端提供輸入電壓?？墒褂闷渌?。參考電壓VRREF1提供基本恒定的電壓給放大器A1的負(fù)放大器輸入端。在一個實(shí)施例中，參考電壓VREF1提供約2.5伏特給負(fù)放大器輸入端。參考電壓VREF1可包括提供基本恒定電壓的電壓調(diào)節(jié)器或者其它裝置?？商鎿Q地，參考電壓VRREF1可包括獨(dú)立的電源，例如電池。
在操作中，分流電壓調(diào)節(jié)器605偏壓晶體管Q1以調(diào)節(jié)經(jīng)過電阻R1和R2的電流，因此在負(fù)載700上維持實(shí)質(zhì)恒定的電壓VCONSTANT。負(fù)載700可包括電阻/電容負(fù)載。
電流限制電路—圖8圖8根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了電流控制電路800的細(xì)節(jié)。該電流控制電路800可使用在通信電源501、信號處理電源502和驅(qū)動電流電源503的任何一個中。電流控制電路800可與分流電壓調(diào)節(jié)器605組合使用，其中負(fù)載808和負(fù)載700包括一個相同的負(fù)載。電流控制電路800包括晶體管Q2、放大器A2、電阻R3以及電壓源VREF2。電流控制電路800限制流經(jīng)負(fù)載808的電流，因此，提供基本恒定的電流汲取ICONSTANT經(jīng)過負(fù)載800。負(fù)載808可包括電阻性/電容性負(fù)載。
晶體管Q2可包括任何合適的晶體管，例如功率晶體管，包括MOSFET晶體管。在示出的該實(shí)施例中的晶體管Q2可包括p溝道增強(qiáng)型MOSFET，例如IRF9130MOSFET晶體管，可從California El Segundo國際整流器購買。
放大器A2可包括任何合適的放大器，例如可操作的放大器。流經(jīng)偏壓電阻R3的固定電流ICONSTANT產(chǎn)生的電壓偏壓放大器A2的正輸入。在一個實(shí)施例中，R3具有約10歐姆大小。當(dāng)ICONSTANT是約130毫安時(shí)，在正放大器輸入端的電壓是約1.3伏特。然而，可使用其它值。
參考電壓VREF2提供基本恒定的電壓給放大器A2的負(fù)放大器輸入端。在一個實(shí)施例中，參考電壓VREF2提供約1伏特給負(fù)放大器輸入端。參考電壓VREF2可包括提供基本恒定電壓的電壓調(diào)節(jié)器或者其它裝置。可替換地，參考電壓VREF2可包括獨(dú)立的電源，例如電池。
在操作中，以基本恒定的電壓偏壓放大器A2，并且放大器A2偏壓晶體管Q2以維持基本固定的輸出電流ICONSTANT。如果ICONSTANT升高或下降，則在偏壓電阻R3上的電壓改變，調(diào)整放大器A2的輸出，因此補(bǔ)償晶體管Q2的偏壓。
可根據(jù)任何實(shí)施例來構(gòu)建根據(jù)本發(fā)明的儀器以提供幾個優(yōu)點(diǎn)。如果需要，可構(gòu)建該儀器以成為完全內(nèi)在的安全?？蓸?gòu)建該儀器把非I.S.組件或部分排除在外。為單個儀器使用總線調(diào)節(jié)器裝置的性能使得可能構(gòu)建該儀器而在該儀器內(nèi)不需要電屏蔽裝置/電路。在一個實(shí)施例中，對于每一個儀器使用總線調(diào)節(jié)器裝置使得可構(gòu)建該儀器而不需要用于該儀器的專用罩，例如防爆罩。
權(quán)利要求
1.一種適于與二線式總線(308)一起使用的二線式總線儀器(500)，包括儀器元件(304)，其接收第三電流并產(chǎn)生一個或多個傳感器測量信號；信號處理器(512)，其接收第二電流并處理來自該儀器元件(304)的一個或多個傳感器測量信號以產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號；和通信系統(tǒng)(511)，其接收第一電流并接收來自所述信號處理器(512)的數(shù)據(jù)信號，產(chǎn)生包括該數(shù)據(jù)信號的數(shù)字通信信號，并且調(diào)制該數(shù)字通信信號到所述二線式總線(308)上；其中，所述二線式總線儀器(500)特征還在于通信電源(501)連接到所述通信系統(tǒng)(511)，并且其中所述通信電源(501)和所述通信系統(tǒng)(511)能夠跨接在所述二線式總線(308)上，配置所述通信電源(501)以提供第一電流、基本恒定的電壓和第一功率給所述通信系統(tǒng)(511)；信號處理電源(502)連接到所述信號處理器(512)，并且其中所述信號處理器(512)和所述信號處理電源(502)能夠跨接到所述二線式總線(308)上，并且與所述通信電源(501)和所述通信系統(tǒng)(511)并聯(lián)，配置所述信號處理電源(502)以提供第二電流、基本恒定的電壓和第二功率給信號處理器(512)；驅(qū)動電流電源(503)連接到所述儀器元件(304)，并且其中所述儀器元件(304)和所述驅(qū)動電流電源(503)能夠跨接到所述二線式總線(308)上，并且與所述通信電源(501)和所述通信系統(tǒng)(511)并聯(lián)，以及還與所述信號處理電源(502)和信號處理器(512)并聯(lián)，配置所述驅(qū)動電流電源(503)以提供第三電流、基本恒定的電壓和第三功率給儀器元件(304)。
2.如權(quán)利要求1的二線式總線儀器，其中所述二線式總線儀器包括流量計(jì)發(fā)射器。
3.如權(quán)利要求1的二線式總線儀器，其中所述二線式總線儀器包括流量計(jì)發(fā)射器并且所述儀器元件包括至少一個流管驅(qū)動器和一個或多個拾取傳感器。
4.如權(quán)利要求1的二線式總線儀器，其中所述二線式總線儀器包括Coriolis流量計(jì)發(fā)射器。
5.如權(quán)利要求1的二線式總線儀器，其中所述二線式總線儀器基本上是內(nèi)在安全的(I.S.)。
6.如權(quán)利要求1的二線式總線儀器，其中當(dāng)所述二線式總線儀器傳導(dǎo)通信時(shí)，所述二線式總線儀器的阻抗基本上是常數(shù)。
7.如權(quán)利要求1的二線式總線儀器，其中流經(jīng)所述儀器元件的第三電流的變化限于不與二線式總線的通信頻率互相干擾的頻率。
8.一種適于與二線式總線(308)一起使用的二線式總線儀器(600)，包括儀器元件(304)，其接收第三電流并產(chǎn)生一個或多個傳感器測量信號；信號處理器(512)，其接收第二電流并處理來自該儀器元件(304)的一個或多個傳感器測量信號，以產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號；和通信處理器(616)，其接收第一電流并接收來自所述信號處理器(512)的數(shù)據(jù)信號，產(chǎn)生包括所述數(shù)據(jù)信號的數(shù)字通信信號，并且調(diào)制該數(shù)字通信信號到二線式總線(308)上，并傳送第一電流電平命令到所述通信電源(501)；其中，二線式總線儀器(600)特征還在于通信電源(501)連接到所述通信處理器(616)，并且其中所述通信電源(501)和通信處理器(616)能夠跨接在二線式總線(308)上，配置所述通信電源(501)以提供第一電流、基本恒定的電壓和第一功率給所述通信處理器(616)，其中基本根據(jù)第一電流電平命令基本上提供第一電流；電壓降低裝置(604)連接在所述信號處理電源(502)與所述信號處理器(512)之間并配置其以提供預(yù)定電壓電平給所述信號處理器(512)；分流電壓調(diào)節(jié)器(605)連接到所述信號處理電源(502)和所述電壓步降裝置(604)，其中所述分流電壓調(diào)節(jié)器(605)分流信號處理器(512)不需要的過量電流；信號處理電源(502)連接到所述電壓步降裝置(604)和所述分流電壓調(diào)節(jié)器(605)，并且其中所述信號處理電源(502)、所述信號處理器(512)、所述電壓步降裝置(604)和所述分流電壓調(diào)節(jié)器(605)能夠跨接到二線式總線(308)上，并且與所述通信電源(501)和所述通信處理器(616)并聯(lián)，配置所述信號處理電源(502)以提供第二電流、基本恒定的電壓和第二功率給信號處理器(512)；驅(qū)動電流電源(503)連接到所述儀器元件(304)，并且其中所述儀器元件(304)和驅(qū)動電流電源(503)能夠跨接到二線式總線(308)上，并且與所述通信電源(501)和所述通信處理器(616)并聯(lián)以及還與所述信號處理電源(502)、信號處理器(512)、電壓步降裝置(604)和分流電壓調(diào)節(jié)器(605)并聯(lián)，配置所述驅(qū)動電流電源(503)以提供第三電流、基本恒定的電壓和第三功率給儀器元件(304)。
9.如權(quán)利要求8的二線式總線儀器，其中所述二線式總線儀器包括流量計(jì)發(fā)射器。
10.如權(quán)利要求8的二線式總線儀器，其中所述二線式總線儀器包括流量計(jì)發(fā)射器并且所述儀器元件包括至少一個流管驅(qū)動器和一個或多個拾取傳感器。
11.如權(quán)利要求8的二線式總線儀器，其中所述二線式總線儀器包括Coriolis流量計(jì)發(fā)射器。
12.如權(quán)利要求8的二線式總線儀器，其中所述二線式總線儀器基本上是內(nèi)在安全的(I.S.)。
13.如權(quán)利要求8的二線式總線儀器，其中當(dāng)所述二線式總線儀器傳導(dǎo)通信時(shí)，二線式總線儀器的阻抗基本上是常數(shù)。
14.如權(quán)利要求8的二線式總線儀器，其中流經(jīng)所述儀器元件的第三電流的變化限于不與二線式總線的通信頻率互相干擾的頻率。
15.一種形成二線式總線儀器的方法，包括儀器元件接收第三電流并產(chǎn)生一個或多個傳感器測量信號；提供信號處理器，所述信號處理器接收第二電流并處理來自所述儀器元件的一個或多個傳感器測量信號以產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號；和提供通信系統(tǒng)，所述通信系統(tǒng)接收第一電流并接收來自所述信號處理器的數(shù)據(jù)信號，產(chǎn)生包括所述數(shù)據(jù)信號的數(shù)字通信信號，并且調(diào)制所述數(shù)字通信信號到所述二線式總線上；其中，所述方法的特征還在于提供通信電源，所述通信電源連接到通信系統(tǒng)并且其中所述通信電源和所述通信系統(tǒng)能夠跨接在所述二線式總線上，配置所述通信電源以提供第一電流、基本恒定的電壓和第一功率給所述通信系統(tǒng)；提供信號處理電源，所述信號處理電源連接到所述信號處理器，并且其中所述信號處理器和所述信號處理電源能夠跨接到所述二線式總線上，并且與所述通信電源和所述通信系統(tǒng)并聯(lián)，配置所述信號處理電源以提供第二電流、基本恒定的電壓和第二功率給所述信號處理器；提供驅(qū)動電流電源，所述驅(qū)動電流電源連接到所述儀器元件，并且其中所述儀器元件和驅(qū)動電流電能夠跨接到二線式總線上，并且與所述通信電源和通信系統(tǒng)并聯(lián)以及還與所述信號處理電源和信號處理器并聯(lián)，配置所述驅(qū)動電流電源以提供第三電流、基本恒定的電壓和第三功率給儀器元件。
16.如權(quán)利要求15的方法，其中所述二線式總線儀器包括流量計(jì)發(fā)射器并且所述儀器元件包括至少一個流管驅(qū)動器和一個或多個拾取傳感器。
17.如權(quán)利要求15的方法，其中所述二線式總線儀器包括Coriolis流量計(jì)發(fā)射器。
18.如權(quán)利要求15的方法，其中當(dāng)所述二線式總線儀器傳導(dǎo)通信時(shí)，二線式總線儀器的阻抗基本上是常數(shù)。
19.如權(quán)利要求15的方法，其中所述二線式總線儀器基本是內(nèi)在安全的(I.S.)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種適于與二線式總線(308)一起使用的二線式總線儀器(500)。儀器元件(304)接收第三電流并產(chǎn)生一個或多個傳感器測量信號。信號處理器(512)接收第二電流并處理該一個或多個傳感器測量信號以產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號。通信系統(tǒng)(511)接收第一電流、接收數(shù)據(jù)信號、產(chǎn)生包括該數(shù)據(jù)信號的數(shù)字通信信號并且調(diào)制該數(shù)字通信信號到二線式總線(308)上?？缃釉诙€式總線(308)上的通信電源(501)提供第一電流給通信系統(tǒng)(511)?？缃釉诙€式總線(308)上的信號處理電源(502)提供第二電流給信號處理器(512)?？缃釉诙€式總線(308)上的驅(qū)動電流電源(503)提供第三電流給儀器元件(304)。
文檔編號G01F1/84GK1849498SQ03827143
公開日2006年10月18日 申請日期2003年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者W·M·曼斯菲爾德 申請人:微動公司