二线制变送器和压力仪表的制作方法

1.本实用新型涉及工业仪表领域，具体涉及一种二线制变送器和一种具有该二线制变送器的测量仪表，尤其是压力仪表。


背景技术：

2.工业上普遍需要测量各类电物理量与非电物理量，例如电流、电压、功率、频率、温度、重量、位置、压力、转速、角度等，都需要将其转换成可接收的直流模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将被测物理量转换成可传输直流电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的标准模拟量电信号是4～20ma直流电流，用来传输模拟量，也就是说，变送器将物理量转换成4～20ma电流输出。一种典型的变送器仅需要两根导线，即二线制变送器。
3.在工业应用中，功能安全产品的设计需符合gb/t 20438:2017标准。对于功能安全仪表，除了安全功能需要达到安全完整性等级要求所规定的平均危险失效概率(pfdavg)和(或)每小时危险失效概率(pfh)外，实现安全功能的硬件结构还必须达到安全失效分数sff确定的安全完整性等级的结构约束要求。
4.对于二线制仪表，如压力仪表，从信号传输角度和实现压力变送的硬件构成角度，可以分为三个功能模块：信号采集部分(传感器输入、信号放大、ad转换)、cpu处理(温度补偿、线性化运算、电流计算)、电流输出部分，它们按可靠性理论构成串联模型。
5.根据仪表功能安全理论，智能变送器所用组件属于b类(type b)安全相关组件，应达到安全完整性等级(如sil 2)要求的结构约束条件，在硬件故障裕度为0(hft＝0)时，要求安全失效分数(sff)大于90％。这就需要增加诊断措施，对每个功能模块进行诊断，并确定对功能模块可能故障的诊断覆盖率(dc)需要达到中等诊断覆盖率(dc＝90％)，且在诊断出功能模块故障时采取必要的安全措施，如输出报警电流等。
6.然而，在此类二线制变送器或测量仪表中，单单依赖于目前现有的集成芯片产品(例如ad421、ad5421等)，尚无法或难以符合上述的功能安全等级(sil2)要求。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于，提出一种二线制变送器，能够合理、经济地实现并完善系统的诊断功能和安全措施(如报警)，以满足相应的功能安全等级要求。
8.根据本技术的第一方面，提供一种二线制变送器，其包括：
9.数模转换芯片，该数模转换芯片配有数模转换部，所述数模转换部具有用以接收数字电流信号的电流输入端和用以输出模拟电流信号的电流输出端；
10.微处理器单元，该微处理器单元具有驱动信号输出端和回读信号输入端，所述驱动信号输出端与所述数模转换芯片的电流输入端相连，用以向所述数模转换芯片输出数字电流信号；
11.检测电路，该检测电路设置在所述数模转换芯片的电流输出端与所述微处理器单
元的回读信号输入端之间，能够产生与所述数模转换芯片输出的模拟电流信号存在固定比例关系的模拟检测信号；
12.其中，所述微处理器单元具有比较机构，所述比较机构能够读取由所述模拟检测信号转换得到的数字检测信号，并且能够执行该数字检测信号与理论值之间的比较运算；所述微处理器单元与所述数模转换芯片的数模转换部控制连接，并依据比较机构之比较运算结果，使所述数模转换部维持数模转换芯片的电流输出，或者更改数模转换芯片的电流输出为报警电流输出。
13.本实用新型的基本思想在于，微处理器单元将要输出的电流值(“电流理论值”)转换为与数模转换芯片(如下文所述，该数模转换芯片可以是市场上现成的ad5421)相匹配的数字电流信号(da码)，并经数模转换芯片输出电流(“电流实际值”)后，检测电路可以形成表征此“电流实际值”的“电流回读信号”，在微处理器单元中可以对“电流理论值”和“电流回读信号”进行比较，并当比较异常时，更改电流为报警电流，从而能够实现达到符合功能安全性要求所需要的对输出电流的检测。
14.有益的是，所述检测电路包括在所述数模转换芯片电流输出端串联的测量电阻和连接于该测量电阻两端的差分电路。也就是说，在此可采用一种差分输入和(有利于模数转换的)电平转换输出电路。
15.按照一种具体的实施形式，所述差分电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和电源，其中，第一电阻和第三电阻连接在测量电阻的一端和电源之间，第二电阻和第四电阻连接在测量电阻的另一端和电源之间，该差分电路能够取样输出第一电阻与第三电阻之间节点相对于第二电阻与第四电阻之间节点的电压差，作为所述模拟检测信号。
16.可以设想，作为替代设计方案，所述差分电路也可是仪表放大器，实现差分输入和电平转换，以获得表征输出电流的回读信号。
17.依据本实用新型，为了执行比较机构的比较运算，需要将检测电路所产生的模拟检测信号转换为数字检测信号。相应的模数转换器在其构造上可以是配置于检测电路的部件，也可以是集成于微处理器单元的部件。
18.于是，按照一种实施形式，所述检测电路配置有模数转换器，该模数转换器将所述模拟检测信号转换为数字检测信号，该模数转换器的输出端连接于所述微处理器单元的回读信号输入端并由此将数字检测信号馈送至所述比较机构。
19.或者，按照另一种实施形式，所述微处理器单元内置有模数转换器，该模数转换器经由所述微处理器单元的回读信号输入端接收所述模拟检测信号，并将所述模拟检测信号转换为数字检测信号，该模数转换器在其输出端将数字检测信号馈送至所述比较机构。
20.按照一种实施形式，所述数模转换芯片还配有状态监控部，所述微处理器单元同时与所述数模转换芯片的数模转换部和状态监控部控制连接。
21.所述数模转换芯片的状态监控部可以包括能够触发数模转换芯片输出报警电流的看门狗装置。该看门狗装置执行监控功能，若微处理器单元未在规定的时间内输出电流，将触发数模转换部输出报警电流。
22.所述数模转换芯片也可以执行由微处理器单元发出的特殊命令，使数模转换部输出报警电流。
23.由此，输出报警电流的方式有三种：
[0024]-以与输出常规电流相同的方式，输出报警电流；
[0025]-优选采取基于特殊命令的方式，输出报警电流，此方式更为快捷；
[0026]-更优选地，可同时使用数模转换芯片的状态监控部的看门狗监控功能，当微处理器本身失效和微处理器与数模转换部之间发生了连线断路时，仍可保证使数模转换部输出报警电流。
[0027]
优选的是，所述数模转换芯片为环路供电型数模转换器ad5421，用于在电流输出端输出4-20ma的电流。
[0028]
特别有益的是，根据本实用新型，还可提供适宜的报警方向选择功能。依此，所述二线制变送器可包括报警选择电路，该报警选择电路与ad5421的alarm-current-direction端相连，用以选择ad5421的高电流报警模式或低电流报警模式。
[0029]
在此，所述高电流报警模式设定为：所述数模转换芯片电流输出端的电流高于20ma，而所述低电流报警模式设定为：所述数模转换芯片电流输出端的电流低于4ma。
[0030]
在此，所述报警选择电路可设有基于手动开关操作的选择机构，用以手动选择高电流报警模式或低电流报警模式；和/或所述报警选择电路可设有基于微处理器单元控制的选择机构，用以自动选择高电流报警模式或低电流报警模式。当用户选择手动报警方式时，根据手动开关选择高/低报警方向；当用户选择自动报警方式时，微处理器单元自行选择高/低报警方向。
[0031]
在此，依据本实用新型，微处理器单元可以设置为：针对所述数字检测信号与理论值的偏差预设有一阈值范围(例如为
±
1％)，在基于比较机构之比较运算结果得出实际偏差小于该阈值范围的情况下，使所述数模转换芯片维持当前所处的4-20ma电流输出，而在基于比较机构之比较运算结果得出实际偏差达到或超过该阈值范围的情况下，使所述数模转换芯片输出报警电流，此时输出明显小于4ma或明显大于20ma。
[0032]
根据本技术的第二方面，提供一种压力仪表，其具有信号感测及传输装置和测量值读取装置，所述信号感测及传输装置包括如上所述的二线制变送器。
[0033]
不言而喻，根据本技术第一方面提供的二线制变送器的特征和优点同样适用于本技术第二方面提供的压力仪表。
[0034]
相比于现有技术，本实用新型提出的二线制变送器/压力仪表技术方案可以实现至少一个如下所述的有益技术效果：
[0035]
(1)增加了输出电流的检测电路，该电路可以实时检测输出电流的状态和数值，从而输出电流的安全性，结合电路的其它措施，能够将整个变送器的安全级别提高到sil2级；
[0036]
(2)检测电路采用差分连接，有利于提高信号在传输中的稳定性，尤其是避免了单端连接的不稳定性；
[0037]
(3)具有自动报警方式选项，利用该方式可随时切换高/低报警模式；
[0038]
(4)具有高报警模式和低报警模式，以适应与之配合使用的变送器系统。
附图说明
[0039]
在附图中示出了本实用新型的示例性实施例。本文所公开的实施例和附图应被视作说明性的，而非限制性的。
[0040]
图1是压力仪表的基本结构示意图，其带有按照本实用新型第一实施形式的二线
制变送器；
[0041]
图2同样是压力仪表的基本结构示意图，其带有按照本实用新型第二实施形式的二线制变送器；
[0042]
图3是按照本实用新型第二实施形式的二线制变送器的一种可选实施例的电路布置示意图；
[0043]
图4是按照本实用新型第二实施形式的二线制变送器的另一可选实施例的电路布置示意图。
具体实施方式
[0044]
下文的描述用于阐释本实用新型的技术方案，以便本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型精神和范围的其他技术方案。同时，值得注意的是，文中结合某一实施例描述的特征、结构或特性并不一定限于该特定的实施方式，也不表示与其他实施方式互斥，在本领域技术人员的能力范围内，可以考虑实现不同实施例中各个特征的不同组合方式。
[0045]
在申请文本中，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变换措辞，意图在于覆盖不排他的包含。在本技术的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系而言的，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不意味着相应的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。另外，术语“一”应理解为“至少一个”或者“一个或多个”，即在某一实施例中，某一元件的数量可以为一个，而在另一实施例中，该元件的数量可以为多个，也就是说，术语“一”不能理解为对数量的限制。
[0046]
除非另有限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)，均具有与本领域普通技术人员通常理解相同的含义，并可依据它们在相关技术描述上下文中的语境作具体解释。
[0047]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
[0048]
图1示出了压力仪表的基本结构示意图，其带有按照本实用新型第一实施形式的二线制变送器。图2同样示出了压力仪表的基本结构示意图，其带有按照本实用新型第二实施形式的二线制变送器。为简化和清楚起见，图中仅仅示出了对于本实用新型所提技术方案最为重要的相关部件及其布置或连接关系，而未示出传感信号的处理与转换、计算部分。对于与外部的两线制连接，在此用接线端a(电流流入端)、b(电流流出端)示意性表示。
[0049]
如图1和图2所示，本实用新型的二线制变送器包括：数模转换芯片1，该数模转换芯片配有数模转换部1a，所述数模转换部具有用以接收数字电流信号的电流输入端和用以输出模拟电流信号的电流输出端；微处理器单元2，该微处理器单元具有驱动信号输出端和回读信号输入端，所述驱动信号输出端与所述数模转换芯片1的电流输入端相连，用以向所述数模转换芯片输出数字电流信号；检测电路4，该检测电路设置在所述数模转换芯片1的电流输出端与所述微处理器单元2的回读信号输入端之间，能够产生与所述数模转换芯片1输出的模拟电流信号存在固定比例关系的模拟检测信号；其中，所述微处理器单元2具有比
较机构，所述比较机构能够读取由所述模拟检测信号转换得到的数字检测信号，并且能够执行该数字检测信号与理论值之间的比较运算；所述微处理器单元2与所述数模转换芯片1的数模转换部1a控制连接，并依据比较机构之比较运算结果，使所述数模转换部1a维持数模转换芯片的电流输出，或者更改数模转换芯片的电流输出为报警电流输出。
[0050]
按照一种适宜的实施形式，正如图1和图2所示，所述数模转换芯片1还配有状态监控部1b，所述微处理器单元2同时与所述数模转换芯片1的数模转换部1a和状态监控部1b控制连接。所述数模转换芯片1的状态监控部1b包括能够触发数模转换芯片输出报警电流的看门狗装置。
[0051]
在此，由于检测信号与数模转换芯片输出的模拟电流信号存在着固定比例关系，因而便可形成一个表征输出电流值的“电流回读信号”。
[0052]
本实用新型提出，将数模转换芯片(如下文所述，该数模转换芯片可以是市场上现成的ad5421)与附加设置的检测电路配套结合，并在微处理器单元中引入电流理论值与电流回读信号的比较机制以及异常状态的报警机制，通过这样的改造/改进措施，能够实现符合系统功能安全性要求的输出电流检测。
[0053]
本实用新型的二线制变送器可用于测量仪表，例如测量管道传输的流体介质压力的压力仪表，其通常具有信号感测及传输装置和测量值读取装置，所述信号感测及传输装置包括如上所述的二线制变送器，并设有压力传感器。参见图1和图2，压力传感器6采集的压力数据经由变送器被转换成可传输的直流电信号(如符合国标的4-20ma模拟电流)，以便在外部测量值读取装置获得相应的压力测量值。
[0054]
为了执行比较机构的比较运算，需要将检测电路所产生的模拟检测信号转换为数字检测信号。相应的模数转换器在其构造上可以是配置于检测电路的部件，也可以是集成于微处理器单元的部件。
[0055]
参见图1，按照本实用新型第一实施形式的二线制变送器，所述检测电路4配置有模数转换器5，该模数转换器将所述模拟检测信号转换为数字检测信号，该模数转换器的输出端连接于所述微处理器单元的回读信号输入端并由此将数字检测信号馈送至所述比较机构。
[0056]
参见图2，按照本实用新型第二实施形式的二线制变送器，所述微处理器单元2内置有模数转换器5，该模数转换器经由所述微处理器单元的回读信号输入端接收所述模拟检测信号，并将所述模拟检测信号转换为数字检测信号，该模数转换器在其输出端将数字检测信号馈送至所述比较机构。
[0057]
图3示出了按照本实用新型第二实施形式的二线制变送器的一种可选实施例的电路布置示意图；图4示出了按照本实用新型第二实施形式的二线制变送器的另一可选实施例的电路布置示意图。其中，模数转换器(adc)5均是以内置方式集成设置于微处理器单元(mcu)2。两实施例的主要区别在于报警机制(尤其是报警方向选择)有所不同，对此还将在下文详细阐释。
[0058]
优选的是，所述数模转换芯片为环路供电型数模转换器ad5421(analog devices公司)，用于在电流输出端(loop_)输出4-20ma的电流。
[0059]
关于检测电路4的设计，可行的是，如图3和图4所示，该检测电路包括在所述数模转换芯片(ad5421)1电流输出端(loop_)串联的测量电阻(r59)和连接于该测量电阻两端的
差分电路，该差分电路包括第一电阻(r61)、第二电阻(r62)、第三电阻(r66)、第四电阻(r67)和电源，其中，第一电阻和第三电阻连接在测量电阻(r59)的一端和电源之间，第二电阻和第四电阻连接在测量电阻(r59)的另一端和电源之间，该差分电路能够取样输出第一电阻与第三电阻之间节点相对于第二电阻与第四电阻之间节点的电压差，作为所述模拟检测信号。
[0060]
当然，在本实用新型的框架下，检测电路并不局限于上述设计形式，只要能够产生与数模转换芯片输出的模拟电流信号存在确定关系的检测量(借以直接获得或者间接地通过运算和/或转换获得表征输出电流的回读信号)即可。例如，作为替代方案，所述差分电路也可以是仪表放大器，实现差分输入和电平转换，以获得表征输出电流的回读信号。
[0061]
在此，数模转换芯片(ad5421)1的状态监控部包括看门狗装置，亦即借此实现监控功能，需要时可触发数模转换芯片输出报警电流。
[0062]
特别有益的是，根据本实用新型，还可提供适宜的报警方向选择功能。依此，所述二线制变送器还包括报警选择电路3，该报警选择电路与ad5421的alarm-current-direction端相连，用以选择ad5421的高电流报警模式或低电流报警模式。通常，所述高电流报警模式设定为：所述数模转换芯片(ad5421)1电流输出端的电流高于20ma，而所述低电流报警模式设定为：所述数模转换芯片(ad5421)1电流输出端的电流低于4ma。
[0063]
在此，所述报警选择电路3设有基于手动开关(s2)操作的选择机构，用以手动选择高电流报警模式或低电流报警模式(参见图3)；和/或所述报警选择电路3设有基于微处理器单元2控制的选择机构，用以自动选择高电流报警模式或低电流报警模式(参见图4)。
[0064]
图3所示实施例包含有手动开关操作的手动报警电路，其具体构造为由拨码开关(s2)与电源(vcc)、电阻(r57)和电容(c49)组成的选择电路，与ad5421的alarm-current-direction端相连，通过对拨码开关s2，手动选择ad5421的高报警模式或低报警模式。图4所示实施例包含有手动报警方式和自动报警方式的报警电路。
[0065]
适宜的是，微处理器单元2可以设置为：针对所述数字检测信号与理论值的偏差预设有一阈值范围(例如阈值范围为
±
1％)，在基于比较机构之比较运算结果得出实际偏差小于该阈值范围的情况下(例如实际偏差为 0.5％)，使所述数模转换芯片维持当前所处的4-20ma电流输出，而在基于比较机构之比较运算结果得出实际偏差达到或超过该阈值范围的情况下(例如实际偏差为-1.5％)，使所述数模转换芯片输出报警电流。进一步地，关于自动报警选择，其规则可设定为：若输出电流检测/比较发现问题，不使用手动报警的选择；而若是其它的错误需要报警，则仍使用手动报警的选择。输出电流偏小，可能无法高报警；输出电流偏大，可能无法低报警。此时如果数模转换芯片输出电流偏小，则采用低电流报警，输出小于4ma(优选明显小于4ma)的模拟电流，例如为3.2ma；反之当输出电流偏大，则采用高电流报警，输出大于20ma(优选明显大于20ma)的模拟电流，例如为24ma。
[0066]
在图4中，微处理器单元的px.1开机设置为输入引脚。在选择自动报警的情况下，若由于输出电流检测/比较发现问题，则把px.1设为输出引脚，由于电路的特点，此时px.1的高低决定了报警方向；若由于其它原因需要报警，px.1仍为输入引脚，由于电路的特点，此时报警方向仍为手动报警选择的方向。
[0067]
数模转换芯片1既可以输出由所述微处理器单元2所确定的处于4-20ma区间的正常电流值，也可以输出由微处理器单元2确定的报警电流值，还可以输出数模转换芯片1由
于自身故障引起的报警电流值。
[0068]
实际工作时，可能发生数模转换芯片1出现内部故障的情形，例如某个电阻短路，由此必然会引起检测值与理论值不符，甚至存在较大偏差，在此情况下，基于检测电路的反馈，以及与理论值的比较，最终在微处理器单元2中比较运算得出的实际偏差可能会超出预设的阈值范围，从而让微处理器单元2识别出ad5421或者线路出现故障，进而输出报警电流。但是，如果没有该检测电路，那么对于这种故障将无法识别，就此而言，本实用新型通过检测电路的设计提高了整个变送器系统的安全性。
[0069]
analog devices公司的ad5421芯片具有看门狗(watchdog)，可以利用其实现监控功能。在本实用新型提出的技术方案中，可以将该看门狗充分利用，当问题发生时，能更可靠地输出报警信号。当微处理器单元2出现故障或者ad5421与微处理器单元2的通信链路出现故障时，没有与ad5421芯片之间的通信，也就没有及时清空看门狗，看门狗达到规定的时间，就会触发ad5421芯片输出报警电流。
[0070]
可行的是，所述数模转换芯片配有专门命令，用以触发所述数模转换芯片输出报警电流。
[0071]
适宜的是，可以同时基于上述两种方式，来触发所述数模转换芯片输出报警电流。
[0072]
概括而言，依据本实用新型的优选实施形式，利用ad5421，外加诊断电路(或者说检测电路)，可满足安全完整性等级2级(sil2)的结构约束要求，特别是完善了系统的诊断和报警机制，允许实现：
[0073]-输出电流检测功能；
[0074]-电流异常报警功能；和
[0075]-高/低报警选择功能。
[0076]
以上描述仅为本技术的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。