用于远程装置的双线输出/供电机制 本发明的技术领域
本发明涉及在双线连接上把输出提供给利用机制并且接收来自利用机制的功率的远程装置。
本发明的现有技术
在生产过程中监控液体或气体的压力或温度并且在超过某个门限值的时候发送信号往往是符合需要的。有一些技术上已知的装置提供这样地监控。这些装置可以将压力或温度的实测值与编程的门限值进行比较并且提供开关转换，以指示门限值已被超过。
门限值检测和切换功能可以使用多种电机械装置或电子装置来实现。电机械式压力和温度开关在某种条件得到满足的时候使用机械装置断开和闭合开关触点或开关触点的组合。这样的电机械开关通常不需要供电就能操作，所以需要对装置进行的唯一的线连接是检测开关状态的双线连接。然而，电机械开关一般地说灵活性不如电子开关，因为门限值必须在工厂设定或在现场使用专用设备进行调整。
电子的压力和温度开关提供各种不同模式的操作、可调整的门限值和使用者能在现场编程的其它特征。它们可能包括监控、显示和交换关于装置和系统的全部状态和健康的信息的电路系统。尽管这些装置提供较大的灵活性，但是它们通常需要附加的电线为电子电路系统供电。它们可能还需要在开关处的电池或其它的电源。这种附加配线或本地电源将增加现场安装的费用并且也是潜在故障的来源。此外，对额外的输电线的需要把使用电子开关直接代替双线机械装置排除之外。另外，在开关处还存在电池的维护和可信度问题。
本发明的概述
依照本发明的一个实施方案，提供一种在双线连接上把来自传感器机制的选定的信息提供给利用机制的接口，供给接口和传感器机制的全部功率都是在双线连接上从利用机制收到的。接口包括接在双线连接的第一和第二条线之间的开关电路，开关电路在断开的时候在第一和第二条线之间提供高阻抗，在闭合的时候在第一和第二条线之间提供低阻抗。开关电路的状态受传感器机制有选择地控制，而且流过开关电路的电流是作为来自传感器机制的被选定的信息的指示被利用机制感知的。接口包括把选定的电压提供给接口和传感器机制的元器件的电压调节器和至少在开关电路断开的时候操作的电流调节器，该电流调节器把来自第一和第二条线的提供给电压调节器的电流调节到预定水平以下。
依照另一个例子，接口在双线连接上把来自远程装置的信息提供给利用机制，接口包括在处于断开状态的时候在双线连接的第一和第二条线之间提供高阻抗并且在处于闭合状态的时候在第一和第二条线之间提供低阻抗的开关电路，开关电路的状态指示来自远程装置的信息。接口还包括在开关电路处于断开状态的时候把经过调节的电压提供给远程装置的至少一个元器件的电压调节器和与电压调节器和开关电路耦合用来限制提供给电压调节器的电流的大小的电流调节器。接口还包括与开关电路耦合用来在开关电路处于闭合状态的时候把横跨双线连接的末端电压调节到预定水平的分路调节器以及在开关电路处于闭合状态的时候绕开电流调节器使较高的电流能够提供给电压调节器的旁路。接口和远程装置在双线连接上接收来自利用机制的全部操作功率。
本发明还包括在双线连接上把来自远程装置的选定的信息提供给利用机制的方法，远程装置接收全部来自利用机制的操作功率。该方法包括在双线连接上提供来自远程装置的信号和在闭合状态和断开状态之间切换远程装置的开关电路以便提供来自远程装置的选定的信息，开关电路在闭合状态的时候把信号传送给利用机制而在断开状态的时候开关电路呈现横跨双线连接的高阻抗。该方法还包括把输入提供给电压调节装置，经过调节的输出电压由电压调节装置提供给远程装置，以及当开关电路处于断开状态的时候将电流限制在利用机制将开关电路解释成处于断开状态的预定水平以下。该方法进一步包括当开关电路处于闭合状态的时候把横跨双线连接的电压调节到预定的数值。
依照第三个例子，用来在双线连接上把来自传感器机制的选定的信息提供给利用机制的接口包括处在第一状态的时候在双线连接的第一和第二条线之间提供高阻抗、处在第二状态的时候在第一和第二条线之间提供低阻抗的双稳态装置。该接口还包括用来至少对提供给传感器机制的选定的元器件的电压实施控制的电压调节装置，和用来在双稳态元件处于其第一状态的时候将来自双线连接的提供给电压调节装置的电流限制在被利用机制作为双稳态元件处于其第二状态的指示的辨认的电流以下的装置。供给接口和传感器机制的全部功率都是在双线连接上从利用机制收到的。
本发明的上述的和其它的目标、特征和优势将通过下面用附图举例说明的说明性实施方案的详细描述变得清楚明了。
附图简要说明
在同样的参考数字表示同样的要素的附图中：
图1是包括传感器机制和利用机制的生产过程应用的示意方框图；
图2是与执行某种生产过程的利用机制直接通信的传感器机制的示意方框图；
图3是适合在实践本发明的教导时使用的传感器机制的一个例子的示意方框图；
图4是能够在双线连接上双向通信的传感器机制和利用机制的示意方框图。
本发明的详细描述
为了说明的目的，至少一个可仿效的实施方案及其各个方面现在将参照附图予以详细的描述。人们将领会到同样的要素可能是在不同的附图中揭示的而且可能不参照每张附图予以详细的描述。
参照图1，现在举例说明可能利用本发明的教导的典型的生产过程应用。远程装置(例如传感器机制12)经由双线连接16被接到利用机制10的输入，传感器机制把信息提供给利用机制并且在双线连接16上接收来自利用机制的它所需要的操作功率。例如，利用机制可能是可编程的逻辑控制器(PLC)，分布式控制系统(DCS)，或一些其它适当的装置。传感器机制12可能监控某种生产过程(例如，发生在装置14中的生产过程)而且把关于该生产过程的信息传送给利用机制10。传感器机制可能包括适当的传感器，例如，在装置中测量液体或气体的压力或温度的压力传感器或温度传感器。如同稍后结合图3讨论的那样，传感器机制12可能包括在双线连接16上把来自传感器机制的信息提供给利用机制10的装置，以便指出，例如，何时达到预定的门限值或极限。这个信息可能被利用机制10用来开始修正行动，例如，使装置中的泵18停转或反转，或启动警报程序。利用机制可能在线路22上把信号发送给控制装置14和/或在其中运行的程序。
图2说明类似的生产过程应用，其中传感器机制12与装置14直接链接。传感器机制12借助双线连接16与过程控制器20(例如，电磁阀)连接，并且作为对用传感器机制实测的装置条件响应经由双线连接把信号发送给过程控制器。传感器机制12借助同一双线连接接收来自过程控制器20的功率，过程控制器20是按标准方式供电的。
虽然前面的例子是根据被链接到利用机制上的传感器机制进行描述的，但是本发明不受这样的限制。本发明的教导可以适用于在双线连接上接收它的来自利用装置的操作功率的任何远程装置，而且不仅仅适用于传感器机制。
图3是适合在图1和2所示的实施方案中使用的说明性传感器机制12的方框图。提供一种开关接口30，它可能与传感器机制12耦合，也可能与传感器机制12整合在一起。开关接口使传感器机制能够在双线连接16上提供信息同时也在同一双线连接上得到供电。就说明性的实施方案而言，传感器机制12包括电桥型压力传感器32和温度传感器34。然而，传感器机制可能具有多种适当的传感器。传感器接口36被耦合到至少一个压力传感器32、温度传感器34和任何被利用其它的传感器上。传感器机制还包括可能完成许多控制和信号处理功能的微控制器38、显示器40和小键盘42。微控制器38可能包括存储元件31，例如，可以储存配置数据、定标数据和/或故障代码的EEPROM之类非易失性存储器。传感器机制进一步包括一个或多个非必选的I/O口，例如，编程口44、串行口46、第二开关输出端72和4-20毫安输出端48。
可以被用来感知用传感器机制监控的生产过程中的液体或气体压力的压力传感器32是用加在其接线端50上的可转接的电压Vcc或电流Ics激励的，而且与被感知的压力成正比的电压是在电桥的输出端52a、b上产生的。传感器接口36接收来自压力传感器的信号并且把与被感知的压力成正比的信号提供给微控制器38。如果有必要，传感器接口36使用诸如微分增益放大器53之类的放大器将在电桥输出端52a、b提供的电压放大。传感器接口36可能包括变增益电路54以允许传感器机制在多种不同的压力或其它的传感器类型具有不同的输出水平的情况下操作。
温度传感器34是用在与传感器接口36的输入端59连接的输出线58两端造成随温度改变的电压的线路56上的电流Ics激励的。传感器接口36对于温度传感器34完成与对于压力传感器32一样的功能。如果传感器机制12包括温度传感器和压力传感器两者，那么传感器接口36可能包括依据其选择线的状态允许要么将Vcc加到压力传感器的末端50上、要么将Ics加到温度传感器的输入线56上的多工器37。如果传感器机制12包括附加的传感器，那么附加的电路系统可能与附加的输入端一起提供，以使它能够有选择地激励和监控附加的传感器。
传感器机制12可以经由开关接口30把关于生产过程的信息如同在图2中举例说明的那样直接传送给装置，或者如同在图1中举例说明的那样传送给利用机制10。转换接口30包括横跨双线连接16的开关电路60，开关电路的ON/OFF状态提供与生产过程有关的选定的信息。开关接口30还调节经由双线连接16提供给传感器机制的元器件的功率。传感器机制12从经由双线连接16与它连接的装置得到它全部的操作功率，不需要任何附加的动力连接。传感器机制以来自利用机制的漏电流运转，而利用机制不需要知道传感器机制的存在。因此，单一的双线连接起为传感器机制供电和提供来自传感器机制的信息的双重作用。这个特征使开关接口和相关的电路系统能被用作电机械开关(例如，先前描述过的那些)的直接的替代品。
就说明性的实施方案而言，开关电路60可以在断开状态和闭合状态之间转换，开关电路60在处于断开状态的时候在双线连接16的两端之间呈现高阻抗，而在处于闭合状态的时候在相同的两个末端之间呈现低阻抗。当开关电路60处于断开状态的时候，电流调节器62把电流限制在这样的水平，以致利用装置10检测到断开的电路或双线连接16的断开条件。当开关电路处于闭合状态的时候，分路电压调节器66被接在双线连接16的两条线之间，因此把电压调节到被利用装置解释成闭合电路或闭合条件但仍然允许传感器机制得到充分供电的预定值。因此，当开关传导电流而且输出电压被调节到预定水平的时候，闭合条件可以被确定，而当开关电路60被断开而且电流调节器62传导少于预定的电流量的时候，断开条件可以被确定。为了把选定的信息提供给利用装置或生产过程控制器，开关电路60借助微控制器38在它的断开状态和闭合状态之间切换。开关电路60可以是电子开关(例如，晶体管)、电机械开关(例如，继电器)或磁性开关、或其它能够在高阻抗状态和低阻抗状态之间交替的双稳态装置。
除了开关电路60之外，开关接口30包括电流调节器62、电压调节器64、分路调节器66、旁路68和储能元件70。电压调节器64可以是为微控制器38和传感器机制的其它电路系统提供稳压电源的降压调节器。例如，电压调节器64可以是单一的集成器件，例如专用的电压调节器集成电路(IC)。作为替代，电压调节器可以由许多元器件组成，或可以作为实现几种功能的IC的一部份。电流调节器62在开关电路60处于断开状态的时候把传感器机制12汲取的电流限制在足够低的预定值(例如，750微安)以下，以致利用机制不把它作为电流辨认，因此，利用机制即使在这种小电流正在流动的时候也检测到断开的电路。这个电流有时被称为“漏电流”。当开关电路60处于闭合状态的时候，分路调节器66把双线连接16的末端之间的电压调节到预定值。这个数值通常可以是利用机制的最大“ON”电压，例如，对于许多利用机制这个数值是4.7伏特。当开关电路60处于闭合状态的时候，电流调节器62可以借助旁路68被绕开，因为较多的电流可以从利用装置得到，而且传感器机制12不再需要仅仅依靠漏电流操作。旁路68可以被接到开关电路60上，或者可以组成开关电路60的一部份。储能元件70(在举例说明的实施方案中是电容器)在来自电流调节器62的电流大于满足传感器机制12的功率要求所需要的电流的时候储存能量。例如，储能元件70可以在开关电路处于断开状态传感器机制正在汲取少于可得的漏电流的时候储存过剩的能量。作为替代，储能元件70可以在开关电路处于闭合状态而且电流不受电流调节器限制的时候储存可得的过剩的能量。这个储存起来的能量可以在对电流的要求超过容许的断开状态电流的时候供传感器机制使用。
微控制器38包括控制开关电路60的软件，该软件可以将从传感器接口36收到的指示被监控的生产过程的压力、温度或其它实测的特性的信号与储存的设定值或门限值进行比较。微控制器可以基于这些比较结果断开和接通开关电路60。这个软件可以被储存在微控制器的存储存74中。微控制器还可以包括把从传感器接口收到的模拟信号转换成可供微控制器利用的数字数据的模数转换器76。在一个例子中，开关电路60是为两种状态操作配置的。在这种配置中，开关电路60的闭合条件可以指示被监控的生产过程的正常操作，例如，生产过程的压力或温度处在预定的门限值以下。开关电路60的断开条件可以指示生产过程或传感器机制中的失灵或故障条件。作为替代，开关电路可以是为三种状态操作配置的。在这种配置中，开关电路60的ON/OFF状态可以是连续的或可以是以为提供选定的信息而选定的速率来回切换的或脉动的。例如，开关电路可以在生产过程正常运行的时候被接通、由于出错或紧急状况条件而被断开和由于各种不同的非紧急状况条件而来回切换ON/OFF。例如，如果受监控的生产过程的温度或压力超过预定的门限值，开关可以在它的断开和闭合状态之间来回切换。来回切换速率有时可以指示特定条件或问题，这种来回切换受微处理器38控制。双稳态信号的变化(例如，数字编码或脉宽调制)也可以被用来传递信息。
微控制器38可以配备适合在开关电路处于断开状态而且只有有限的操作电流可供传感器机制利用的时候操作的低功率操作模式。例如，微控制器38可以按固定的时间间隔苏醒，简短地执行它选定的程序，然后返回它的低功率模式，因此使电流消耗减到最少。
微控制器还可以针对从生产过程收到的信息完成刻度校正和温度补偿。非必选的编程口44或非必选的串行口46可以帮助定标数据和配置数据的下载。微控制器可以定期地把数据输出到非必选的串行口、非必选的4-20毫安输出端48和/或任何附加的输出端，例如，开关输出72。输出数据可以包括关于诸如开关电路的状态、检测到的任何故障或失灵条件之类的信息、关于被监控的生产过程(例如，温度或压力)的信息、定标数据或关于生产过程和电路系统的其它信息。这些输出之中的任何一个都可以借助不同于双线连接16的连接被接到附加装置(未示出)上，而且可以允许将信息传送到除利用机制之外的装置。第二开关输出72可以有不同于开关电路60的独立的模式和门限值设定。第二开关72也可以如同前面指出的那样在2条电线连接(要么是双线连接16，要么是它自己的2条电线连接)上得到电力供应，或可能需要附加的独立的功率来源。此外，传感器机制的一个输出(例如，开关接口)可以与并联连接在同一双线连接上的两个以上利用机制耦合。
传感器机制12也有输入/输出能力，例如，它可以是显示器40和小键盘42。显示器可以是LCD显示器、LED显示器或另一种适当的显示器并且可以指示诸如被监控的生产过程的压力或温度、度量单位和/或任何故障条件之类的信息。微控制器38可以包括LCD或帮助数据从微控制器向显示器转移的其它的驱动器78。显示器可以是为满足开关接口30在开关电路60处于断开状态的时候提供的有限的电流设定的低功率要求而被选定的。作为替代，显示器可以指出传感器机制的操作模式和/或开关接口的状态。小键盘42允许使用者将信息编入微控制器的程序，例如开关装置的操作模式和用于被监控的生产过程的门限值极限。小键盘也可以允许使用者为了查看或修改访问已存在的设定值。例如，使用者可以借助小键盘42键入微控制器用以在断开状态和闭合状态之间切换开关电路的门限值。使用者也可以访问生产过程和/或传感器机制的模式和状态信息。
传感器机制也可以包括数字接口，例如接口46，以便远程交流装置数据、开关电路60的状态、电路系统的健康情况(即，任何故障条件是否已被检测，或电路系统示范正在依照正常的参数运行)、以及其它信息。附加的线连接可能是为这样的远程通信准备的，或者射频或其它适当的发射器可以被用于这种功能。
参照图4，依照另一个实施方案，传感器机制12和利用机制10能够借助双线连接16进行双向通信。在这样的双向通讯期间，传感器机制仍然经由双线连接16从利用装置得到它全部的操作功率，如同先前描述的那样。依照一个说明性实施方案，利用机制包括依照前面描述的方法接收来自传感器机制的信息的输入80、处理器82和发射器84。处理器可以在双线连接上经由发射器把信息或控制信号发送给传感器机制。发射器可以包括可以在处于断开状态的时候在双线连接16的两端之间呈现高阻抗并且在处于闭合状态的时候在同样的末端之间呈现低阻抗的开关，例如先前描述过的任何切换机制。当发射器开关被断开的时候，该系统可以如同先前描述的那样操作，其中传感器机制在其开关电路60(参照3)被断开的时候在那个时间周期里以来自利用机制的漏电流为动力运转，而在它的开关电路60被接通的时候利用旁路电路68。接收器86可以监控双线连接16，以便检测在双线连接上电压水平的任何改变。当电压变化被检测而且开关电路60被断开的时候，这可以表明利用机制的发射器开关被接通而且信息正在被发射。当发射器开关被接通的时候，传感器机制可以利用旁路电路68，因为更多的电流可以从利用机制得到，而分路调节器可以如同先前参照图3讨论的那样把双线连接之间的电压调节到预定值。因此，以类似于开关接口30把来自传感器机制的信息提供给利用机制的方式，利用机制可以把数据或控制信号传输给传感器机制。除了先前描述过的开关的两种状态或三种状态操作之外，信息也可以作为二进制编码数据与利用机制交换。诸如开关键控之类的编码协议可以用来传输数据。这个协议是容易实现的，因为它仅仅需要依照代表数据的二进制代码在断开状态和闭合状态之间切换开关。然而，如果需要，其它的二进制编码协议也可以实现。
依照一个例子，传感器机制包括跨接双线连接16的末端的接收器86。该接收器被接到微控制器38的输入端，并且可以适合提供能反映出从利用机制发送到微控制器的信号的特征的信号。微控制器可以被编程，以便作为对从利用机制收到的不同信号的反应实现某种功能或处理。这个特征可以允许利用机制主动地控制传感器机制并且引起(举例说)完成测量、请求健康信息或状态信息等。
微控制器可以进一步为了实现总线仲裁功能使传感器机制和利用机制两者都能在双线连接上发送和接收信息以及区分正在从一个发送到另一个的信息而编程。例如，微控制器可能在传感器机制正在把数据在双线连接上发送到利用机制的时间周期里禁止将它的输入接到接收器86上。作为替代，处理器82可以实现总线仲裁功能。在另一个例子中，微控制器38可能是仅仅为了响应可以从发射器发送出去的特定的代码序列而编程的，因此将微控制器可能把从传感器机制发出的数据误解为来自利用机制的控制信号的可能性减到最低程度。
至此已描述了各种不同的说明性实施方案和选定的元器件的变化，其它的修正也是可能的。例如，尽管一些功能和特征已在前面被描述成是用微控制器上的软件实现的，但是人们应该领会到这些功能可以全部或部份地用硬件或熟悉这项技术的人已知的其它方式实现。此外，尽管用于优选实施方案的远程装置是传感器，但是这不是对本发明的限制，而且这项发明的教导可能被用来为其它适当的远程装置供电。因此，尽管特定的实例和实施方案已被描述，但是被认为在本发明范围内的在形式和细节方面的改进、修正和其它变化对于熟悉这项技术的人可能是明显的。因此，前面的描述仅仅倾向于举例说明，而本发明的范围应该从适当的诠释权利要求书来确定。