兩線制流量計變送器、流量計及流量計系統的制作方法
【專利摘要】公開了一種交流供電的兩線制流量計變送器、流量計及流量計系統。所述兩線制流量計變送器包括：處理器；供電接收單元，接收從交流供電電纜提供的交流電力作為流量計變送器的工作電源；以及載波通信單元，根據從用于控制或監測流量計變送器的控制端傳輸來的通信信號，將要傳送的來自流量計的傳感器信號提供給控制端，其中載波通信單元經由交流供電電纜接收通信信號，并將傳感器信號經由交流供電電纜提供給所述控制端。
【專利說明】兩線制流量計變送器、流量計及流量計系統
【技術領域】
[0001]本公開涉及流量計的兩線制方案。更具體地，涉及交流供電的兩線制流量計變送器以及包括該流量計變送器的流量計和流量計系統。
【背景技術】
[0002]在流量計變送器設計領域，以往的流量計變送器通常采用四線制設計。四線制流量計變送器的供電和信號傳輸各自需要兩根電纜線，這會在使用流量計變送器時造成用戶的電纜成本過高。為解決這一問題，提出了利用兩根信號線來在向流量計變送器傳送信號的同時，利用這兩根信號線向流量計變送器供電的兩線制流量計變送器。
[0003]然而，現有的兩線制流量計變送器是以哈特(Hart)通信為基礎實現的。受Hart通信協議本身的制約，在流量計變送器通信回路上的電流幅度被限制在4?20mA。此外，Hart通信采用的供電電源通常為12?42V的直流電源.這對流量計變送器的功耗造成很大限制。這種限制使得兩線制流量計變送器局限于小功率運轉，而且不能完全發揮傳感器及流量計變送器的功能，造成了流量計變送器性能的浪費。這樣的功耗的限制使得兩線制流量計變送器只能應用在較小尺寸上，且對運行環境要求比較高。
【發明內容】
[0004]在下文中給出關于本公開的簡要概述，以便提供關于本公開的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述并不是關于本公開的窮舉性概述。它并不是意圖確定本公開的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本公開的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
[0005]本公開的目的在于提供一種交流供電的兩線制流量計變送器、流量計以及流量計系統。該兩線制流量計變送器可以節省用戶的電纜成本，而且直接由交流電網供電并擺脫了 Hart通信協議對功率消耗造成的制約而以較高的功率運轉，因此使得能夠實現功耗較高、測量范圍更大的流量計及流量計系統，可擴展兩線制流量計的應用環境。
[0006]根據本公開的一個方面，提供了一種兩線制流量計變送器，其包括處理器；供電接收單元，接收從交流供電電纜提供的交流電力作為流量計變送器的工作電源；以及載波通信單元，根據從用于控制或監測流量計變送器的控制端傳輸來的通信信號，將要傳送的來自流量計的傳感器信號提供給控制端，其中所述載波通信單元經由所述交流供電電纜接收所述通信信號，并將所述傳感器信號經由所述交流供電電纜提供給所述控制端。
[0007]根據本公開的另一方面，提供了一種流量計，包括傳感器和如前所述的任一種流量計變送器。
[0008]根據本公開的又一方面，提供了一種流量計系統，包括控制端，所述控制端包括用于向流量計提供用于控制或監測所述流量計的通信信號并從所述流量計接收傳感器信號的通信單元，以及如前所述的流量計。
[0009]根據本公開的兩線制流量計變送器、流量計以及流量計系統由電網提供的交流電力供電，其供電電流不受Hart通信協議限定的4mA的限制，因而根據本公開的兩線制流量計變送器不但能節省用戶的電纜線成本，還能夠有效提高流量計變送器消耗的功率，實現高功率運轉的兩線制流量計變送器，從而擴展流量計變送器的應用環境。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]參照下面結合附圖對本公開實施例的說明，會更加容易地理解本公開的以上和其它目的、特點和優點。在附圖中，相同的或類似的技術特征或部件將采用相同或類似的附圖標記來表示。其中在所有附圖中使用了相同或相似的附圖標記來表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細說明一起包含在本公開中并且形成本公開的一部分，而且用來進一步舉例說明本公開的優選實施例和解釋本發明的原理和優點。在附圖中:
[0011]圖1是根據本公開實施例的兩線制流量計變送器的工作原理框圖；
[0012]圖2是根據實施例的流量計變送器中的載波通信單元的構成的框圖；
[0013]圖3是根據實施例的流量計變送器的載波通信單元中的載波耦合部的示例示圖；
[0014]圖4是根據實施例的流量計變送器的載波通信單元中的放大部的示例示圖；
[0015]圖5是根據實施例的流量計變送器的載波通信單元中的功率控制部的示例示圖；
[0016]圖6是根據實施例的流量計變送器的載波通信單元中的濾波器的示例示圖；以及
[0017]圖7是根據本公開的流量計系統的工作原理框圖。
[0018]本領域技術人員應當理解，附圖中的元件僅僅是為了簡單和清楚起見而示出的，而且不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對于其他元件放大了，以便有助于提高對本發明實施例的理解。
【具體實施方式】
[0019]在下文中將結合附圖對本發明的示范性實施例進行描述。為了清楚和簡明起見，在說明書中并未描述實際實施方式的所有特征。然而，應該了解，在開發任何這種實際實施例的過程中必須做出很多特定于實施方式的決定，以便實現開發人員的具體目標，例如，符合與系統及業務相關的那些限制條件，并且這些限制條件可能會隨著實施方式的不同而有所改變。此外，還應該了解，雖然開發工作有可能是非常復雜和費時的，但對得益于本公開內容的本領域技術人員來說，這種開發工作僅僅是例行的任務。
[0020]在此，還需要說明的一點是，為了避免因不必要的細節而模糊了本發明，在附圖中僅僅示出了與根據本發明的方案密切相關的裝置結構和/或處理步驟，而省略了與本發明關系不大的其他細節。
[0021]流量計變送器的實施方式
[0022]如圖1所示，根據本公開的實施方式的兩線制流量計變送器包括處理器和供電接收單元，供電接收單元接收從交流供電電纜提供的交流電力作為兩線制流量計變送器的工作電源，該兩線制流量計變送器還包括載波通信單元，其根據從用于控制或監測流量計變送器的控制端傳輸來的通信信號把要傳送的來自流量計的傳感器信號提供給控制端，其中載波通信單元經由交流供電電纜接收通信信號，并將傳感器信號經由交流供電電纜提供給控制端。此外，流量計變送器的處理器用于按照通信信號的要求對流量計的傳感器執行控制。在本實施方式中，通信信號被加載到交流電力中，載波通信單元通過其調制解調部對所述傳感器信號進行調制，并從交流電力中解調出通信信號。具體地說，由流量計變送器控制端提供的用于控制流量計變送器工作的通信信號被調制在用于供電的交流電力中，并且流量計變送器從交流電纜接收加載了經調制的通信信號的交流電力。其中，載波通信單元的調制解調部從接收的電力中解調出調制過的通信信號，對其進行解調并提供給處理器，通過處理器對傳感器進行相應的控制。下文中將對此作詳細說明。另外，供電接收單元將接收的交流電力作為工作電源提供給用于檢測信號的傳感器。可以根據使用的傳感器的類型及其對供電的具體要求來選擇合適的變壓器或變流器作為供電接收單元。
[0023]另外，在本實施方式中采用的交流電力可以是來自通用電網的220V50HZ交流電、220V60HZ交流電、110V50HZ交流電和110V60Hz交流電中的任意一種。此外，對于電壓在100V-120V之間或者在220V-240V之間而頻率介于50Hz到60Hz之間的交流電力，根據本實施方式的兩線制流量計變送器也同樣適用。需要注意的是，所采用的交流電力不局限于上述的規范電網，只要使用的相應部件滿足具體的應用要求，則交流電力也可以取自其它工業用或民用電網。
[0024]在本實施方式中，替代現有的基于Hart通信利用12?42V直流電源對兩線制流量計變送器供電的方式，直接利用從電網提供的交流電力向兩線制流量計變送器供電，消除了現有兩線制流量計變送器中在供電電壓上的限制。而且，由于不采用基于Hart通信協議的傳輸方式，因此對流量計變送器通信回路中的電流幅度也不存在限制(Hart通信協議本身將通信回路上的電流幅度限制在4?20mA)。由此根據本實施方式能夠顯著提高兩線制流量計變送器的功耗，使兩線制流量計變送器能夠傳送的傳感器信號的量程展寬，因而能夠擴展其應用范圍。例如，可以將這樣的流量計變送器應用于需要探測大量程信號的尺寸較大的流量計。
[0025]圖2示出了根據本實施例的流量計變送器的載波通信單元的組成部分的框圖。載波通信單元主要包括調制解調部、載波耦合部、放大部、功率控制部以及濾波器。其中，載波耦合部與交流電纜連接以接收來自交流電纜的通信信號或者把要發送的信號經由交流電纜提供給控制端。另外，調制解調部與用于控制傳感器的處理器連接，將來自控制端的通信信號解調后提供給處理器，由處理器根據通信信號的要求對傳感器執行相應的控制。此外，調制解調部還從處理器接收由傳感器檢測的傳感器信號，對傳感器信號進行調制處理并通過載波耦合部加載在交流電纜上提供給控制端。
[0026]調制解調部可以采用專門的載波通信芯片實現。在根據本實施方式的流量計變送器的載波通信單元中，采用內置集成電路I2C協議、通用異步收發傳輸UART協議和串行外圍設備接口 SPI協議中的一種來傳輸傳感器信號和通信信號。然而傳輸信號所遵循的通信協議不局限于I2C協議、UART協議或SPI協議，可以根據實際需要采用任意滿足應用要求的通信協議。具體地，當從載波耦合部接收到來自控制端的通信信號時，調制解調部首先對通信信號進行解調，之后將解調得到的通信信號按照相應的通信協議(如I2C協議、UART協議或SPI協議)提供給處理器，并由處理器按照通信信號的要求對傳感器執行控制。另一方面，當接收到來自傳感器的傳感器信號時，處理器也按照相應的協議把傳感器信號提供給調制解調部，在調制解調部對傳感器信號進行調制后由載波耦合部將信號加載在交流電纜上提供給流量計變送器的控制端。
[0027]設置調制解調部的原因在于，由于從處理器接收的數字信號，即基帶信號通常包含直流分量和頻率較低的低頻分量而不適于信道傳輸，因此在傳輸前需要將其轉換(即調制)為較高頻段的信號。在利用交流電纜進行傳輸的兩線制流量計變送器領域的具體應用當中，要傳輸的信號通常被調制為幾十k至幾百k的高頻信號。此外，可以采用多種方式實現信號的調制。常用的調制方式有頻移鍵控方式、相移鍵控方式、直流序列擴頻通信方式以及正交頻分復用方式等。同樣，當接收到從交流電纜傳輸來的經調制的通信信號時，也由調制解調部按照相應的調制方式對信號進行解調以便于由處理器執行處理。可以根據具體的專用載波通信芯片類型為調制解調部選擇適當的調制和解調方式。
[0028]另外需要說明的是，用以實現調制解調部的專用載波通信芯片有多種。可以根據具體的應用要求選擇適當的芯片。例如可以采用諸如青島東軟公司的PLCI36-1I1-E型載波芯片或者福星曉程公司生產的PL3106型載波芯片。此外可能的選擇還包括Nat1nalSemiconductor公司型號為LM1893的載波芯片、ST公司的型號為ST7538的載波芯片、Intellon公司的型號為SSCP300的載波芯片和Echelon公司的PLT22型載波芯片等。
[0029]在下文中結合附圖3?6對載波通信單元的組成作進一步的具體說明。圖3示出根據本實施方式的載波通信單元的載波耦合部的一個具體示例。載波耦合部用于將經調制的傳感器信號加載到交流供電電纜上，以及從交流供電電纜接收來自控制端的經調制的通信信號。在圖3中，以交流供電線纜提供220V，50Hz的交流電力為例進行說明。在變壓器T3的左側，利用電容C30濾除50Hz交流信號并通過壓敏電阻R31抑制諸如浪涌和尖峰之類的瞬時電壓沖擊。隔離變壓器T3使電力線和載波通信單元安全隔離。在變壓器T3右側設置有過壓保護二極管D3，用于防止產生過高電壓對后續電路造成損壞。此外，在變壓器T3右端包括由電容C31、電感L31構成的選頻支路，以及由電阻R32、電容C32和電感L32構成的濾波支路。選頻支路用作經調制的傳感器信號的輸入端，從輸入其中的信號中選出調制后的傳感器信號頻率，從而將調制的傳感器信號從變壓器T3經由交流供電線纜傳輸至控制端。另一方面濾波支路接收從交流供電線纜傳輸來的經過調制的通信信號，對其進行限幅并濾除所接收信號中的毛刺、尖峰和噪聲等。
[0030]圖4示出根據本實施方式的載波通信單元的放大部的一個具體示例。由于經調制后的傳感器信號的幅度可能偏小而不足以補償遠距離傳輸情況下的信號衰減，因此設置放大部以對由調制解調部調制的傳感器信號進行放大，從而使經調制的傳感器信號能夠被遠距離傳輸。在本實施方式中，在將調制的信號提供至載波耦合部之前，采用圖4所示的放大電路對調制信號進行放大。該放大電路由N溝道晶體管T41和P溝道晶體管T42構成。如圖4所示，當輸入調制信號為高電平時通過在N溝道晶體管T41柵極施加高電壓使晶體管導通，產生從載波耦合部向接地側的電壓降從而形成放大的低電平輸出。當輸入調制信號為低電平時，調制信號經隔直電容C4耦接至P溝道晶體管T42的柵極，產生從Vsource向載波耦合部一側的電壓降以形成放大的高電平輸出。該放大電路還在Vsource —側設置有穩壓二極管D4以防止晶體管T42的源極發生過壓現象。另外，在放大部的輸出側還設置有保護電阻R41和R42。當兩個晶體管T41和T42在切換過程中同時打開時，會產生瞬時的尖峰電流，電阻R41和R42的作用在于削弱這種尖峰電流以提高電路的可靠性。
[0031]需要指出的是，盡管上述的放大部中采用互補的場效應晶體管作為功放器件構成放大電路，然而功放器件的類型并不局限于互補場效應晶體管，還可以根據實際需要采用其它類型的器件，例如采用雙極結型晶體管或集成的運算放大器來構成放大部。
[0032]通過采用放大電路，能夠有效提高經調制信號的幅度以使其滿足遠距離傳輸的要求，因而不會產生由于遠距離傳輸導致信號過度衰減而造成誤差的情況。
[0033]圖4的放大部中采用的電壓源Vsource理想地為恒壓源。然而，當輸入的調制信號的幅度較大時，可能因從晶體管T42的源極側流向漏極側的電流過大而使得Vsource的輸出電壓被拉低，導致整個電路無法正常工作。為此，在根據本實施方式的載波通信單元中還設置有如圖5所示的功率控制部，其用于對由所述放大部放大的信號的功率大小進行控制。即該功率控制部防止Vsource被拉低至過低的電壓而不能正常工作。圖5示出的功率控制部采用如下方式穩定電源Vsource的功率:當流過Vsource的電流增大時,流過晶體管Q5基極的電流增加，電阻R52的分壓增大，Q5發射極兩側的電壓降(直流電源與晶體管Q5的基極間的壓降)變小，從而抑制流過Vsource的電流增大并防止Vsource電壓被進一步拉低。另外，還可以通過調整電阻R52的阻值來控制輸出電流，因此起到既限壓又限流的作用。此外，圖5的功率控制部中設置的大容量電解電容C52也具有防止供電電壓Vsource由于負載的變化而產生變化的作用。另外，與電解電容C52并聯的電容C51用于濾除高頻和脈沖干擾。
[0034]需要指出的是，本公開所能應用的功率控制電路并不局限于圖5所示的情形。只要能夠實現具體應用所需的功能，則可以采用任意類型的穩壓/穩流電路作為功率控制部。
[0035]通過采用功率控制電路，能夠有效地穩定晶體管T42的源電壓從而避免該源電壓被過度拉低造成整個電路無法正常工作。例如，在采用青島東軟公司的PLCI36-1I1-E型載波芯片構成載波通信單元的情況下，圖5所示的功率控制電路能夠防止15V電壓源Vsource不被下拉至低于6.5V從而維持整個系統的正常工作。該功率控制電路的另一優點還在于能夠很好地確保系統在較低源電壓的情況下的正常運轉。
[0036]另外需要指出的是，根據本公開的實施方式的兩線制流量計變送器不采用以往基于Hart通信協議的信號通訊方式，而是借助載波通信單元對待傳輸信號進行調制放大并經由交流供電線纜傳輸經調制的信號，并經由載波通信單元從交流電纜線接收經調制的信號，因此對于根據本公開的兩線制流量計變送器而言對通信回路的功耗沒有特別限制，從而能夠方便地利用放大部以及功率控制部等部件調整傳輸信號的功率，因此非常有利于實現大尺寸的、應用范圍更加廣泛的流量計變送器產品。
[0037]圖6示出根據本實施方式的載波通信單元的濾波器的示例示圖。濾波器用于對載波耦合部接收的信號進行濾波。在圖6中，由電容C61、C62、電感L61和二極管D61和D62構成的濾波器的輸入端連接至載波耦合部的濾波支路(包括電阻R32、電容C32和電感L32)，其輸出側經由電容C61耦接至調制解調部。具體地，載波耦合部接收的經調制的通信信號在經由濾波支路限幅、濾波之后，其輸出由C61和L61構成選頻電路提取出與調制頻率相對應的頻率分量，并將提取出的調制分量供給至調制解調部進行解調。另外，在該濾波電路中，由二極管D61和D62構成過壓保護電路以防止在選頻電路后端的電路上產生過高電壓導致電路損壞。
[0038]另外需要提及的是，在將上述選頻電路提取的頻率分量提供給調制解調部之前，可以利用預解調部件預先對該頻率分量進行更為細致的濾波解調處理，以使得待解調的頻率分量的諸如幅度、頻譜和帶寬等參量完全符合調制解調部的輸入要求，從而可以更加精確地實現通信信號的解調。對提取的頻率分量進行預解調的部件可以是例如，低功耗窄帶FM中頻模擬解調集成電路。
[0039]流量計系統
[0040]圖7示出了根據本公開的兩線制流量計系統的工作原理框圖。該系統的流量計包括傳感器和如前所述的兩線制流量計變送器。該流量計系統還包括用于控制流量計的控制端，所述控制端包括用于向流量計提供用于控制或監測所述流量計的通信信號并從所述流量計接收傳感器信號的通信單元。如圖7所示，當從控制端發出對流量計執行控制或監測的指令時，控制端的通信單元對用于進行控制或監測的通信信號進行調制，將其加載到交流交流電力上，通過交流電纜線提供給流量計。流量計的流量計變送器一方面將交流電力提供給流量計的傳感器，另一方面借助載波通信單元，按照如在本實施方式中詳細說明的那樣，從交流電力中提取出經調制的通信信號，對其進行解調并提供給流量計變送器的處理器。流量計變送器的處理器根據通信信號的指令對傳感器進行相應控制或監測，并由傳感器獲取流速、溫度等檢測量。
[0041]另外，當要將檢測到的傳感器信號傳送給控制端時，由流量計變送器的處理器將傳感器信號提供給流量計變送器的載波通信單元。由流量計變送器的載波通信單元對傳感器信號進行調制并放大，并借助載波耦合部件將經調制的傳感器信號加載到交流供電線纜上提供給控制端的通信單元。通信單元通過交流供電電纜接收經調制的傳感器信號，并對其進行解調以獲取所述傳感器信號。
[0042]如上所述，在根據本公開的流量計系統中，直接利用來自電網的交流電力向流量計變送器供電，并且通信信號和傳感器信號的傳輸無需按現有的流量計那樣遵循Hart通信協議，而是利用載波通信單元，借助交流電纜線實現通信信號的解調接收和傳感器信號的調制加載輸出。本公開的流量計系統的通信回路上的電流幅度沒有特別限制，并且由于直接利用來自電網的交流電力作為工作電源，因而特別適合實現能夠以高功率運轉的大尺寸、大量程的流量計系統。
[0043]雖然已經結合附圖詳細說明了本發明的實施方式及其優點，但是應當理解，上面所描述的實施方式只是用于說明本發明，而并不構成對本發明的限制。對于本領域的技術人員來說，可以對上述實施方式作出各種修改和變更而不背離本發明的實質和范圍。因此，本發明的范圍僅由所附的權利要求及其等效含義來限定，在不超出由所附的權利要求所限定的本發明的精神和范圍的情況下可以進行各種改變、替代和變換。
【權利要求】
1.一種兩線制流量計變送器，包括: 處理器； 供電接收單元，接收從交流供電電纜提供的交流電力作為流量計變送器的工作電源；以及 載波通信單元，根據從用于控制或監測所述流量計變送器的控制端傳輸來的通信信號，將要傳送的來自流量計的傳感器信號提供給所述控制端，其中，所述載波通信單元經由所述交流供電電纜接收所述通信信號，并將所述傳感器信號經由所述交流供電電纜提供給所述控制端。
2.根據權利要求1所述的流量計變送器，其中，所述通信信號被調制在所述交流電力中，所述載波通信單元包括調制解調部，所述調制解調部用于對所述傳感器信號進行調制，并從所述交流電力中解調出所述通信信號。
3.根據權利要求2所述的流量計變送器，其中，所述載波通信單元包括放大部，所述放大部對調制后的所述傳感器信號進行放大。
4.根據權利要求2所述的流量計變送器，其中，所述載波通信單元還包括載波耦合部，所述載波耦合部將經調制的所述傳感器信號加載到所述交流供電電纜上，以及從所述交流供電電纜接收來自所述控制端的經調制的所述通信信號。
5.根據權利要求3所述的流量計變送器，其中，所述載波通信單元還包括功率控制部，用于對由所述放大部放大的信號的功率大小進行控制。
6.根據權利要求4所述的流量計變送器，其中，所述載波通信單元還包括濾波器，用于對所述載波耦合部接收的信號進行濾波。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的流量計變送器，其中，所述交流電力為電壓在10V到120V之間或在220V到240V之間而頻率介于50Hz到60Hz之間的交流電中的任意一種。
8.根據權利要求1至6中任意一項所述的流量計變送器，其中，所述載波通信單元采用內置集成電路I2C協議、通用異步收發傳輸UART協議和串行外圍設備接口 SPI協議中的一種來傳輸所述傳感器信號和所述通信信號。
9.一種流量計，包括傳感器和根據權利要求1至8中任意一項所述的流量計變送器。
10.一種流量計系統，其特征在于包括: 控制端，其包括用于向流量計提供用于控制或監測所述流量計的通信信號并從所述流量計接收傳感器信號的通信單元；以及 至少一個如權利要求9所述的流量計。
11.根據權利要求10所述的流量計系統，其中，所述通信單元對所述通信信號進行調制，將經調制的所述通信信號加載到交流供電電纜上提供給所述流量計。
12.根據權利要求11所述的流量計系統，其中，所述通信單元通過所述交流供電電纜接收經調制的傳感器信號，并對其進行解調以獲取所述傳感器信號。
【文檔編號】G01F15/00GK104180862SQ201310203206
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月28日 優先權日:2013年5月28日
【發明者】潘磊 申請人:艾默生過程控制流量技術有限公司
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