Система электроснабжения для измерительного устройства и способ эксплуатации такой системы

Изобретение относится к измерительному устройству для техники управления процессами, содержащему центральный блок для подключения различных измерительных модулей. Технический результат заключается в снижении схемотехнических затрат. Центральный блок содержит устройство централизованного электроснабжения, к которому подключены измерительные модули. В измерительном модуле предусмотрено устройство электроснабжения, вырабатывающее одно или несколько требуемых измерительным модулем питающих напряжений из устройства централизованного электроснабжения, причем модульное устройство электроснабжения содержит преобразователь входного напряжения в более низкое или более высокое выходное постоянное напряжение, а измерительный модуль содержит блок обратной связи, вырабатывающий из питающего напряжения сигнал обратной связи, подаваемый к регулятору устройства централизованного электроснабжения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к системе электроснабжения для измерительного устройства, используемого в технике управления процессами, содержащей центральный блок для подключения различных измерительных модулей, причем центральный блок содержит устройство централизованного электроснабжения, к которому могут быть подключены измерительные модули.

Настоящее изобретение относится также к способу эксплуатации системы электроснабжения для измерительного устройства, используемого в технике управления процессами, содержащей центральный блок для подключения различных измерительных модулей.

Известные системы электроснабжения для измерительных устройств нередко оснащены технически очень сложными устройствами электроснабжения, которые должны обеспечивать множество различных питающих напряжений.

Помимо самого центрального блока также соединяемые с ним измерительные модули должны питаться от такого устройства электроснабжения. Эти измерительные модули в зависимости от назначения имеют самые разные типы датчиков, требующих часто специальных питающих напряжений.

Кроме того, разной является потребляемая электрическая мощность измерительных модулей, поэтому с обычными подходами невозможно создать устройство электроснабжения для центрального блока, которое во всех рабочих точках имело бы высокий кпд.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной системы электроснабжения для измерительного устройства, используемого в технике управления процессами, содержащей центральный блок с устройством централизованного электроснабжения, и способа эксплуатации такой системы, в которой при устранении указанных недостатков уровня техники может быть использовано множество различных измерительных модулей и в которой схемотехнические затраты на устройство централизованного электроснабжения снижены, а гибкость измерительного блока повышена.

Эта задача решается у измерительного устройства описанного выше рода, согласно изобретению, за счет того, что в измерительном модуле предусмотрено устройство электроснабжения, вырабатывающее одно или несколько требуемых измерительным модулем питающих напряжений из устройства централизованного электроснабжения.

Большое преимущество модульного устройства электроснабжения состоит в том, что устройство централизованного электроснабжения может быть выполнено относительно простым, и, в частности, не требуется вырабатывать подходящие питающие напряжения для каждого, возможно, подключаемого к измерительному устройству и питаемого им измерительного модуля. За счет этого сокращаются расходы на такое измерительное устройство, а его подверженность сбоям снижается из-за существенно менее комплексной конструкции устройства централизованного электроснабжения.

К тому же имеется возможность питания измерительных модулей устройством централизованного электроснабжения, не учитывая их потребность в питающем напряжении при расчете устройства централизованного электроснабжения.

Измерительное устройство, согласно изобретению, предусмотрено, в частности, для использования в измерительных и/или очищающих, и/или калибровочных установках, также в области автоматизации процессов для измерения рН-значений и/или окислительно-восстановительных потенциалов, и/или других параметров процессов.

В одной особенно предпочтительной форме выполнения настоящего изобретения устройство централизованного электроснабжения может вырабатывать переменное напряжение, из которого подключенные измерительные модули с помощью своего соответствующего устройства электроснабжения вырабатывают требуемые питающие напряжения.

Один очень простой вариант модульного устройства электроснабжения предусматривает при этом трансформатор и, при необходимости, выпрямительную схему в модульном устройстве электроснабжения, так что в измерительном модуле могут вырабатываться постоянные и переменные напряжения.

Выпрямительная схема может содержать, например, обычный мостовой выпрямитель и фильтрующие цепи, а также, при необходимости, трансформаторы напряжения. Целесообразно модульное устройство электроснабжения содержит собственный предохранитель, так что ошибочное состояние в измерительном модуле не может нарушить все централизованное питание измерительного блока.

Необходимое в измерительном модуле напряжение может быть установлено путем выбора коэффициента трансформации трансформатора, причем, в принципе, возможно вырабатывание как меньшего, так и большего вторичного напряжения по сравнению с напряжением устройства централизованного электроснабжения.

Коэффициент трансформации со значением 1 также возможен, причем возникает лишь гальваническое разделение между устройством централизованного электроснабжения и измерительным модулем или его устройством электроснабжения.

Можно также предусмотреть выпрямительную схему без трансформатора в модульном устройстве электроснабжения, причем отсутствует гальваническое разделение между измерительным модулем и устройством централизованного электроснабжения.

Частота выработанного устройством централизованного электроснабжения питающего напряжения может составлять, например, 50 Гц, причем питающее напряжение может быть получено непосредственно из городской сети тока.

Весьма предпочтительно могут использоваться питающие напряжения более высокой частоты, с тем, чтобы при одинаковой мощности электроснабжения обеспечить меньшие конструктивные формы для используемых, при необходимости, трансформаторов.

Другое предпочтительное выполнение измерительного устройства, согласно изобретению, предусматривает, что устройство централизованного электроснабжения может вырабатывать постоянное напряжение. Это весьма целесообразно, в частности, тогда, когда измерительные модули содержат микропроцессоры или другие интегрированные электронные элементы, требующие общего питающего напряжения, например, 5 В.

Согласно другой форме выполнения изобретения, модульное устройство электроснабжения содержит преобразователь входного напряжения в более низкое или более высокое выходное постоянное напряжение. Благодаря высокому кпд указанный преобразователь особенно хорошо пригоден, в частности, для питания потребителей с высокой потребляемой мощностью.

Далее преобразователь входного напряжения в более низкое или более высокое выходное постоянное напряжение обладает очень широким диапазоном входных напряжений, так что устройство централизованного электроснабжения не требует больших схемотехнических затрат для вырабатывания питающего напряжения, с тем, чтобы обеспечить эксплуатацию измерительного модуля с указанным преобразователем в модульном устройстве электроснабжения.

Для применения в измерительных модулях с чувствительной сенсорикой следует предусмотреть экранирование преобразователя входного напряжения в более низкое или более высокое постоянное напряжение для снижения паразитных излучений. При случае можно также выбрать рабочую частоту указанного преобразователя гораздо выше предельной частоты измерительных сигналов или предусмотреть фильтрующую сеть для измерительных сигналов.

Для применения во взрывозащите у другой формы выполнения изобретения предусмотрено, что устройство централизованного электроснабжения содержит первое индукционное устройство, и что модульное устройство электроснабжения содержит второе индукционное устройство. Поскольку передача электроэнергии у этого варианта изобретения происходит по принципу индукции, не приходится приводить в действие никакие электрические контакты, с тем, чтобы подключить измерительный модуль к устройству централизованного электроснабжения. Таким образом, исключен риск искрообразования при прерывании контактов.

Особенно целесообразным у этой формы выполнения является небольшое расстояние между первым и вторым индукционными устройствами, которое достигается, например, за счет выполненных соответственно входящими друг в друга участками корпусов центрального блока и измерительного модуля.

Весьма предпочтительным является также вариант изобретения, у которого выработанное устройством централизованного электроснабжения напряжение может быть модулировано с полезным сигналом, с тем, чтобы обеспечить передачу данных между центральным блоком и измерительным модулем без необходимости предусмотрения для этого отдельных передающих линий. При расчете такой системы ширина полосы полезного сигнала должна быть выбрана с учетом передающей функции трансформатора.

Другая, весьма предпочтительная форма выполнения изобретения отличается тем, что в измерительном модуле предусмотрен блок обратной связи, который из приложенного к измерительному модулю питающего напряжения вырабатывает сигнал обратной связи, подаваемый к регулятору устройства централизованного электроснабжения и влияющий на питающее напряжение.

Блок обратной связи содержит в очень простом варианте, например, делитель напряжения или другую схему для вырабатывания сигнала обратной связи, выполненный так, что сигнал обратной связи при совпадении выработанного центральным блоком питающего напряжения с требуемым измерительным модулем напряжением совпадает с опорным напряжением регулятора.

Различные измерительные модули с разной потребностью в питающем напряжении могут быть оснащены у этого варианта делителями напряжения с разными параметрами, с тем, чтобы соответствующее питающее напряжение трансформировать в опорное напряжение регулятора.

При отклонении сигнала обратной связи от опорного напряжения, создающем рассогласование, питающее напряжение можно подрегулировать с использованием рассогласования.

В качестве другого решения задачи настоящего изобретения создан способ эксплуатации системы электроснабжения для измерительного устройства, содержащей устройство централизованного электроснабжения, к которому подключены измерительные модули, каждый из которых содержит устройство электроснабжения, причем одно или несколько требуемых измерительным модулем питающих напряжений вырабатывают за счет модульного устройства электроснабжения из устройства централизованного электроснабжения.

Особенно предпочтительно при этом, если выработанное устройством централизованного электроснабжения напряжение модулируют полезным сигналом.

Один предпочтительный вариант способа эксплуатации, согласно изобретению, отличается тем, что питающее напряжение (напряжения) изменяют при эксплуатации. Это может происходить, например, за счет того, что измерительный модуль соединяет второй предусмотренный в его устройстве электроснабжения трансформатор с устройством централизованного электроснабжения или за счет изменения управляющих величин преобразователя входного напряжения в более низкое или более высокое выходное постоянное напряжение.

Второй трансформатор может представлять собой, например, трансформатор большой номинальной мощности, который используется лишь периодически. Отключение второго трансформатора при эксплуатации способствует поддержанию нагрузки на устройство централизованного электроснабжения как можно меньшей.

В целом, функция измерительного модуля не ограничена регистрацией измеренных значений. Измерительный модуль может содержать также вычислительные блоки, блоки выдачи или другие устройства обработки данных или устройства, обеспечивающие расширение измерительного устройства.

Другие признаки, возможности применения и преимущества изобретения приведены в нижеследующем описании примеров выполнения изобретения, изображенных на чертеже. При этом все описанные или изображенные признаки образуют сами по себе или в произвольной комбинации объект изобретения независимо от их объединения в пунктах формулы изобретения или от их подчиненности, а также независимо от их формулировки или изображения соответственно в описании и на чертеже. На чертежах представляют:

- фиг.1 - первую форму выполнения измерительного устройства, согласно изобретению;

- фиг.2 - вторую форму выполнения измерительного устройства, согласно изобретению;

- фиг.3 - третью форму выполнения измерительного устройства, согласно изобретению.

У изображенной на фиг.1 формы выполнения измерительного устройства, согласно изобретению, показаны центральный блок 1 и два измерительных модуля 2, 3.

Центральный блок 1 содержит устройство 4 централизованного электроснабжения, служащее для снабжения измерительных модулей 2,3 электроэнергией.

Устройство 4 централизованного электроснабжения состоит, например, из сетевого трансформатора, который предохранен, при необходимости, самовосстанавливающейся защитой от перегрузок или плавким предохранителем и вырабатывает переменное напряжение частотой 50 Гц.

Измерительный модуль 2 содержит устройство 2′ электроснабжения, а модуль 3 - устройство 3′ электроснабжения. Устройства 2′, 3′ электроснабжения соединены с устройством 4 централизованного электроснабжения и вырабатывают предоставленное в распоряжение устройством 4 централизованного электроснабжения переменное напряжение в соответствии с требуемыми измерительными модулями 2, 3 питающими напряжениями V_2, V_3.

Для этого модульное устройство 2′ электроснабжения содержит трансформатор, непосредственно соединенный с устройством 4 централизованного электроснабжения. Трансформатор имеет коэффициент трансформации 1-2, т.е. питающее напряжение V_2 на вторичной стороне трансформатора вдвое выше выработанного устройством 4 централизованного электроснабжения переменного напряжения, приложенного к вторичной стороне трансформатора.

За счет выбора другого коэффициента трансформации трансформатора можно определить величину питающего напряжениями V_2. В случае если должно быть реализовано гальваническое разделение между измерительным модулем 2 или модульным устройством 2' электроснабжения и устройством 4 централизованного электроснабжения, может использоваться трансформатор с коэффициентом трансформации 1.

Поскольку измерительное устройство пригодно, в принципе, не только для измерений, но и для управления и/или регулирования процессов, один измерительный модуль может содержать также исполнительные устройства.

Изображенный на фиг.1 измерительный модуль 2 содержит нагревательный элемент (не показан), эксплуатируемый непосредственно с питающим напряжением V_2 модульного устройства 2′ электроснабжения.

Также расположенный в измерительном модуле 2 микропроцессор требует в качестве питающего напряжения стабилизированное постоянное напряжение 5 В, получаемое из питающего напряжения V_2 с помощью выпрямительной схемы и других элементов. Особенно оптимальным является также использование трансформатора напряжения для вырабатывания/стабилизации постоянного напряжения. В качестве альтернативы устройство 4 централизованного электроснабжения также может вырабатывать нередко необходимое для интегральных схем стабилизированное постоянное напряжение.

Измерительный модуль 3 требует питающего напряжения V_3, не соответствующего питающему напряжению V_2 измерительного модуля 2. Поэтому модульное устройство 3′ электроснабжения содержит трансформатор с другим коэффициентом трансформации. На первичной стороне этот трансформатор включен, однако, параллельно трансформатору модульного устройства 2' электроснабжения, так что к обоим трансформаторам приложено на первичной стороне одинаковое переменное напряжение.

Кроме того, модульное устройство 3′ электроснабжения содержит дополнительно еще и вспомогательный трансформатор (не показан), соединенный с устройством 4 централизованного электроснабжения с управлением в специальных этапах процесса и измерительным модулем 3. Таким образом, вспомогательный трансформатор активен только тогда, когда он требуется, что исключает ненужную в измерительном модуле 3 мощность потерь.

Вместо трансформатора можно также использовать в модульном устройстве 2′, 3′ электроснабжения преобразователь входного напряжения в более низкое или более высокое выходное постоянное напряжение, который благодаря своему широкому диапазону входных напряжений предъявляет очень низкие требования к выработанному устройством 4 централизованного электроснабжения напряжению. Высокий кпд и малые габариты являются дополнительными преимуществами, говорящими в пользу применения указанного преобразователя в измерительных модулях 2, 3. Во избежание чрезмерных паразитных излучений модульное устройство 2′, 3′ электроснабжения следует соответственно экранировать.

Согласно модульной конструкции измерительного устройства, можно помимо измерительных модулей 2, 3 подключить к центральному блоку 1 еще дополнительные измерительные модули. Поскольку требуемое измерительным модулем питающее напряжение, согласно изобретению, вырабатывается модульным устройством электроснабжения, требования дополнительных модулей к питающему напряжению при изготовлении или установке измерительного устройства можно не учитывать.

При конструировании измерительного устройства следует в отношении устройства 4 централизованного электроснабжения учесть лишь максимальную электрическую мощность, которая должна быть выработана устройством 4 централизованного электроснабжения.

Изображенная на фиг.2 форма выполнения изобретения содержит центральный блок 1 и один измерительный модуль 2. Устройство 4 централизованного электроснабжения центрального блока 1 содержит первое индукционное устройство 5, которое может взаимодействовать со вторым индукционным устройством 6. Второе индукционное устройство 6 является частью устройства 2′ электроснабжения измерительного модуля 2.

При достаточно малом расстоянии между индукционными устройствами 5, 6 возможна полезная передача электроэнергии между устройством 4 централизованного электроснабжения и устройством 2′ электроснабжения или измерительным модулем 2.

Передача энергии, согласно изобретению, обеспечивает эксплуатацию измерительного устройства также во взрывоопасном окружении, поскольку, будучи обусловлено принципом, невозможно искрообразование, как, например, при разъединении электрических контактов.

Корпуса центрального блока 1 и измерительного модуля 2 в соответствии с законодательно предписанной степенью защиты заключены газоплотно в кожух и имеют предпочтительно в зоне индукционных устройств 5, 6 входящие друг в друга отрезки, которые обеспечивают особенно близкое расположение индукционных устройств 5, 6 по отношению друг к другу.

У одной очень предпочтительной формы выполнения, также пригодной для использования во взрывоопасном окружении, схемы центрального блока 1 и/или измерительного модуля 2 выполнены с собственной надежностью в виде так называемых схем "Ex-i". В этом случае не требуется газоплотного корпуса.

Весьма предпочтительно также модулировать выработанное устройством 4 централизованного электроснабжения напряжение полезным сигналом. Тем самым, можно реализовать передачу данных между центральным блоком 1 и измерительными модулями 2, 3 без необходимости дополнительных линий для передачи полезного сигнала. В зависимости от используемого для передачи данных протокола можно даже организовать передачу данных между центральным блоком 1 и измерительными модулями 2, 3 без дополнительных физических мер.

Изображенная на фиг.3 форма выполнения изобретения отличается тем, что в измерительном модуле 2 предусмотрен блок 7 обратной связи, который из приложенного к измерительному модулю 2 питающего напряжения V_4 вырабатывает сигнал 7а обратной связи, подаваемый к регулятору (не показан) устройства 4 централизованного электроснабжения и влияющий на питающее напряжение V_4 или на его вырабатывание в регуляторе устройства 4 централизованного электроснабжения.

Блок 7 обратной связи содержит для этого делитель напряжения (не показан), который вырабатывает сигнал 7а обратной связи. Регулятор устройства 4 централизованного электроснабжения содержит источник опорного напряжения (не показан), которое сравнивают с сигналом 7а обратной связи. Для этого делитель напряжения выполнен так, что сигнал 7а обратной связи при совпадении выработанного устройством 4 централизованного электроснабжения питающего напряжения V_4 с требуемым измерительным модулем 2 напряжением совпадает с опорным напряжением регулятора.

Если выработанное устройством 4 централизованного электроснабжения питающее напряжение V_4 должно отличаться от требуемого измерительным модулем 2 питающего напряжения, то из неисчезающей разности между опорным напряжением и сигналом 7а обратной связи возникает рассогласование, используемое для корректировки выработанного питающего напряжения V_4.

В зависимости от потребности в питающем напряжении делитель напряжения следует выполнить для разных измерительных модулей 2 по-разному, причем, например, соответственно только один элемент делителя напряжения разный от измерительного модуля 2 к измерительному модулю 2 в зависимости от потребности в питающем напряжении.

В качестве альтернативы, для вырабатывания сигнала 7а обратной связи из питающего напряжения V_4 возможно также иного рода вырабатывание сигнала 7а обратной связи, например, в зависимости от текущего в измерительный модуль 2 тока.

1. Система (1) электроснабжения для измерительного устройства, содержащая устройство (4) централизованного электроснабжения, к которому подключены соответствующие измерительные модули (2, 3), каждый из которых содержит устройство (2′, 3′) электроснабжения, вырабатывающее одно или несколько требуемых измерительным модулем питающих напряжений (V_2, V_3) из устройства (4) централизованного электроснабжения, выполненного с возможностью вырабатывать как переменное, так и постоянное напряжение, причем модульное устройство (2′, 3′) электроснабжения содержит преобразователь входного напряжения в более низкое или более высокое выходное постоянное напряжение, отличающаяся тем, что в измерительном модуле (2) предусмотрен блок (7) обратной связи, который из приложенного к измерительному модулю (2) питающего напряжения (V_4) вырабатывает сигнал (7а) обратной связи, подаваемый к регулятору устройства (4) централизованного электроснабжения и влияющий на питающее напряжение (V_4).

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство (4) централизованного электроснабжения содержит первое индукционное устройство (5), при этом модульное устройство (2′) электроснабжения содержит второе индукционное устройство (6).

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что выработанное устройством (4) централизованного электроснабжения напряжение может быть модулировано полезным сигналом.

4. Способ эксплуатации системы (1) электроснабжения для измерительного устройства, содержащей устройство (4) централизованного электроснабжения, к которому подключены измерительные модули (2, 3), каждый из которых содержит устройство (2′, 3′) электроснабжения, причем одно или несколько требуемых измерительным модулем (2, 3) питающих напряжений (V_2, V_3) вырабатывают за счет содержащего преобразователь входного напряжения в более низкое или более высокое выходное постоянное напряжение модульного устройства (2′, 3′) электроснабжения из устройства (4) централизованного электроснабжения, отличающийся тем, что в предусмотренном в измерительном модуле (2) блоке (7) обратной связи из приложенного к измерительному модулю (2) питающего напряжения (V_4) формируют сигнал (7а) обратной связи, который подают к регулятору устройства (4) централизованного электроснабжения и с помощью которого влияют на питающее напряжение (V_4).

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что выработанное устройством (4) централизованного электроснабжения напряжение модулируют полезным сигналом.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что питающее напряжение (напряжения) (V_2,V_3) изменяют при эксплуатации.