电子现场设备的制作方法

本发明涉及一种装置，其具有至少一个传感器单元和电子单元并且用于确定和/或监视容器中介质的至少一个过程变量。本发明的装置尤其是现场设备，该现场设备用于监视和/或确定至少一个例如介质的化学或物理过程变量。介质例如是液体或气体。术语容器在本发明的上下文中意指本领域技术人员已知并且被实施为收集和/或输送介质的所有装置，因此例如，诸如容器或管道的装置。

背景技术：

通常，现场设备的传感器单元至少部分并且至少有时与过程接触，并且用于记录表示感兴趣的特定过程变量的信号。电子单元继而例如用于信号记录、评估和/或馈送。为了与例如数据处理单元或过程控制站的上级单元进行通信，电子单元通常地包括收发器单元，该收发器单元尤其用于信号传输。

在本发明的上下文中，原则上，所有测量设备都称为现场设备，该现场设备被应用在过程附近并且其传递或处理过程相关信息，因此以在现场级布置的远程i/o、无线电适配器以及通常电子组件也被称为现场设备。大量这样的现场设备由endress+hauser集团公司生产和销售。

例如，现场设备可以是填充水平测量设备、流量计、压力和温度测量设备、ph和/或ph氧化还原电势测量设备、或者甚至是电导率测量设备，这些设备用于记录对应的过程变量，诸如填充水平、流量、压力、温度、ph值、氧化还原电势或电导率。相关的测量原理是现有技术中已知的，并且此处不单独进行阐述。在流量计的情况下，尤其包括科里奥利、超声波、涡旋、热和/或磁感应流量计。填充水平测量设备继而尤其包括微波的填充水平测量设备，超声波的填充水平测量设备，时域反射计的填充水平测量设备(tdr)，辐射度的填充水平测量设备，电容式的填充水平测量设备，电导率的填充水平测量设备和/或温度敏感的填充水平测量设备。并且，限位开关也是在这方面相关的。相对地，在压力测量设备的情况下，优选地包括绝对压力、表压或相对压力和差压设备。温度测量设备可以优选地具有用于查明温度的热电偶或依赖温度的电阻。

为了使得现场设备能够稳定操作，取决于特定的应用，必须满足各种各样的要求。重要的一点涉及现场设备的电磁兼容性(emc)。与emc有关的典型干扰原因关于供应电压的波动和/或中断、静电的释放、现场设备环境中的电磁场以及以脉冲组或单个脉冲形式的瞬态过电压的发生。关于现场设备的emc，尤其参考标准dinen61326-1、ne21和ifu61131-9，这些标准建立与现场设备的抗干扰性有关的要求以及对干扰发射的不同限制值两者。关于这些限制值，例如，考虑供应电线的长度以及特定的现场设备是否可以连接到本地直流电源电网。取决于现场设备的预期应用，针对现场设备——尤其是电子设备的组件的依赖应用的需求可以有很大的不同。

技术实现要素：

因此本发明的一个目的是提供一种测量设备，对于该测量设备，可以以简单且低成本的方式为不同的应用确保高电磁兼容性。

该目的通过一种用于确定和/或监视容器中介质的至少一个过程变量的装置来实现，该装置包括传感器单元和电子单元，该电子单元包括收发器单元和用于将收发器单元的输入电压限制为第一可预确定的收发器电压值的收发器保护单元。本发明的收发器保护单元包括第一限制单元和具有至少一个晶体管的晶体管单元，

其中晶体管单元与收发器单元串联连接，

其中第一限制单元与收发器单元并联连接并且被连接到晶体管的控制端子，以及

其中第一限制单元被实施为在用于所述电子单元的供应电压超过可预确定的极限值的情况下，将晶体管的控制端子的输入电压控制为可预确定的控制值，使得所述收发器单元的所述输入电压被限制为所述第一可预确定的收发器电压值。

收发器单元优选地具有用于控制收发器单元的输入电压和/或输出电压的控制单元和至少一个端子元件。端子元件优选是输入、输出或组合的输入和输出。借助于收发器单元，例如，可以在装置和上级单元之间执行信号的单向或双向传输。上级单元在这样的情况下例如是数据处理单元或过程控制站。

现场设备的典型收发器单元通常仅被设计用于低瞬态能量，由于这样的单元在设备内被本地连接到其自身的电力供应。在这样的情况下取决于分组，通常考虑具有不同内阻的所谓电涌源和突发源。对于不依赖位置的使用，尤其是还为了确保相对于emc的典型要求，相应地需要对收发器单元进行过电压保护。现有技术中已知的是通过使用二极管、变阻器或气体放电器来限制收发器单元的输入电压。然而，这些变体具有各种缺点。

在二极管的情况下，可实现的电压限制，因此用于收发器单元的输入电压的可实现的最大值取决于流过二极管的电流并且取决于内阻。因此，随着电流的增加，用于收发器单元的输入电压的最大值不利地增加。对于许多应用，这样的电压限制相应地不足，并且可能迅速超过二极管的最大可允许功率。

在变阻器的情况下，存在以下缺点：在高电流的情况下，它们不再能够提供足够的电压限制。继而，在气体放电器的情况下，在其使用中的极大缺点是：需要相对高的电压值来引燃电弧，并且仅此会损坏收发器单元。

为了防止这些缺点，本发明提供收发器保护单元的使用，该收发器保护单元包括晶体管单元和至少第一限制单元。收发器保护单元将收发器单元的输入电压限制为可预确定的收发器电压值。收发器保护单元因此保护收发器单元免受过电压。如果供电电压例如通过电涌或突发的发生而至少有时超过可预确定的极限值，则收发器单元的输入电压被限制为可预确定的收发器电压值。

在一个实施例中，晶体管是双极晶体管或场效应晶体管，该双极晶体管具有至少一个电阻，尤其是欧姆电阻。在晶体管的控制端子的情况下，其对应地优选是晶体管的基极或栅极。

关于第一限制单元，这样的第一限制单元有利地包括至少一个电压限制元件，例如二极管或变阻器，该二极管尤其是齐纳二极管或雪崩二极管。

有利的实施例提供了该装置进一步包括用于限制收发器单元的输入电压的第二限制单元，其中第二限制单元连接在收发器单元的第一供应线和第二供应线之间。优选地，第二限制单元附加地被布置在晶体管单元和第一限制单元之前。第二限制单元关心收发器单元的输入电压的预限制。在这样的情况下，第二限制单元有利地包括至少一个电压限制元件，尤其是变阻器、气体放电器或者二极管，尤其是抑制器二极管，尤其是transzorb二极管。

另一有利的实施例提供了该装置进一步包括用于限制施加到收发器单元的端子元件的电压的第三限制单元。在该端子元件的情况下，这样的端子元件是补充端子元件，例如输入/输出连接。以此方式，附加地，可以保护收发器单元的至少一个另外端子元件免受过电压，尤其是瞬态过电压。

对于该实施例，有利地，第三限制单元包括至少一个电压限制元件，尤其是二极管或变阻器，该二极管例如抑制器二极管，尤其是transzorb二极管。

在优选实施例中，该装置进一步包括用于对收发器单元的输入电压进行整流的整流单元。整流单元可以是例如整流电路，尤其是桥电路。此外，整流单元被优选地放置在限制单元和晶体管单元的前面。

替代地，另一尤其优选的实施例提供了该装置进一步包括反向保护单元，该反向保护单元被实施为去除供应电压的至少一个信号部分，该信号部分具有与收发器单元的输入电压的极性相反的极性。供应信号或供应电压可以不时地具有带相反极性的信号部分，尤其是所谓的突发或电涌，因此是电压脉冲。这些由反向保护单元从供应信号中去除，并且因此不到达收发器单元。

反向保护单元有利地包括至少两个二极管。优选地，在这样的情况下，第一二极管与第一限制单元串联连接，并且第二二极管被布置在晶体管单元和收发器单元之间。

利用整流单元或反向保护单元，可以有利地实现：可以通过用于电压限制的相同电路布置来处理具有正极性的瞬态以及具有负极性的瞬态。

在附加实施例中，收发器单元的输入和输出经由单个端子元件来实现，其中电子单元具有至少一个开关元件。然而，替代地，收发器单元的输入也可以经由第一端子元件来实现，并且收发器单元的输出经由第二端子元件来实现。

有利地，电子单元被实施为向传感器单元供应激励信号，并且从传感器单元接收表示过程变量的接收信号。接收的信号然后例如由电子单元评估。

因此，电子单元可以例如基于接收信号来确定和/或监视过程变量，产生对应的测量信号，并且例如借助于收发器单元将对应的测量信号转发到上级单元。然而，替代地，也可以借助于收发器单元将接收信号直接转发到上级单元以用于附加评估。

在附加实施例中，收发器单元至少部分地以集成电路的形式来实施。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，其附图如下所示：

图1是根据现有技术的具有收发器单元的现场设备的电子单元的示意图，

图2是根据现有技术的具有带附加电压限制的收发器单元的现场设备的电子单元的示意图，

图3是在第一实施例中具有收发器保护单元的本发明的电子单元的示意图，

图4是在第二实施例中具有收发器保护单元的本发明的电子单元的示意图，以及

图5是在第三实施例中具有收发器保护单元的本发明的电子单元的示意图。

具体实施方式

图1示出现场设备的电子单元1的示意图。该视图中未示出传感器单元。在不旨在限制本发明的一般应用性的情况下，在该特殊示例中图示的现场设备是具有三个端子线或端子元件(5a，5b，5c)的所谓三导体现场设备。电子单元1包括收发器单元2、计算单元3和测量部4。测量部优选地具有电子组件，该电子组件用于记录由传感器元件感测的各个测量变量并将其转换成电信号。除了其他之外，收发器单元2继而还用于与上级单元(未示出)进行通信。为此，收发器单元2包括控制单元2a。由于通常的收发器单元2被设计为仅用于相对较小的瞬态，因此如图1中所示的电子单元1的应用受到限制。

尤其是为了保护收发器单元，现有技术中已知应用一个或多个限压元件，以便扩展用于具有收发器单元2的相应电子单元1的使用领域。为此频繁应用的是诸如通过示例的方式在图2中所示的二极管6a、6b、6c。如已经提到的，现有技术中已知的用于保护收发器单元的这些措施具有各种缺点，这些缺点可以通过本发明的解决方案来克服。

图3中示出本发明的电子单元1的第一实施例。根据本发明，电子单元包括收发器保护单元7，该收发器保护单元7包括晶体管单元8和第一限制单元9。在此处所示的示例中，晶体管单元8包括具有电阻器8b的双极晶体管8a。晶体管单元8与收发器单元2串联连接。第一限制单元9具有作为电压限制元件的二极管9a，并且连接到晶体管8a的基极。

在供应电压超过与二极管9a的反向电压基本上对应的可预确定的限制值的情况下，二极管9a导通。在这样的情况下，二极管将到晶体管8a的控制端子的输入电压控制为可预确定的控制值。以这种方式，晶体管显示更高的电阻，并且供应电压的更高电压部分跨过晶体管8a下降。为了简单起见，如果在电路中仅考虑收发器单元2、晶体管单元8和第一限制单元9，则收发器单元2的输入电压ute由跨过第一限制单元9下降的电压u9和跨过晶体管8下降的电压u8之间的差组成：

ute＝u9-u8

优选地选择二极管9a的反向电压，使得其大于供应电压并且小于收发器单元2的最大可允许电压。如果供应电压超过可预确定的限制值，该限制值在该特定示例中由二极管9a的反向电压给出，则二极管9a导通并与之将晶体管8的栅极的输入电压控制为可预确定的控制值。以这种方式，流过晶体管8的电流减小并且较高的电压部分跨过晶体管8下降。该电压部分总是正好足够大，以使得收发器单元2的输入电压ute不超过可预确定的收发器电压值，该可预确定的收发器电压值同样通常被选择地小于用于收发器单元2的输入电压的最大可允许值。

然而，在图示的实施例的示例中非绝对必要存在的是附加的第二限制单元11和第三限制单元12。第二限制单元11包括变阻器11a，并且被布置在第一限制单元9之前，并且在收发器单元2(即，电子单元1)的第一供应线5a和第二供应线5b之间。第二限制单元11因此关心供应电压的预先限制。

第三限制单元12用于限制收发器单元2的输入/输出端子元件上施加的电压以防止瞬态过电压。在此通过示例也用作电压限制元件的是二极管12a。

在第二和第三实施例中，诸如分别如图4和图5中所示，该装置还包括反向保护单元10，该反向保护单元10被实施为使用与收发器单元2的输入电压的极性相反的极性来去除供应电压的至少一个信号部分。反向保护单元10包括第一二极管10a和第二二极管10b。第一二极管10a与第一限制单元9串联连接，而第二二极管10b被布置在晶体管单元8和收发器单元2之间。因此，在图4的实施例的示例中的反向保护单元保护晶体管单元8和收发器单元2免受负瞬态，这是由于二极管10a和10b在发生这样的瞬态时在它们的阻挡方向上起作用。

尽管在图4的实施例中、在电路布置的负分支中实现晶体管单元8，但是图5示出晶体管单元8位于正分支中的实施例。各个组件的操作类似于它们在图3和4中的功能。因此，对于图5，不再探讨这些细节。仅注意，在图5的情况下，反向保护单元10的两个二极管10a和10b保护免收正瞬态。

因此，如果收发器保护单元包括反向保护电路10，则可以用相同的电路布置来处理不同极性的瞬态。

第二限制单元11和第三限制单元12以及反向保护单元10连同晶体管单元8和第一限制单元9优选是收发器保护单元7的一部分。

参考符号的列表

1电子单元

2收发器单元

2a控制单元

3计算单元

4测量部

5端子元件

6二极管

7收发器保护单元

8晶体管单元

8a晶体管

8b电阻器

9第一限制单元

9a二极管

10反向保护单元

10a、10b二极管

11第二限制单元

11a变阻器

12第三限制单元

12a、12b二极管

ute收发器单元的输入电压

u8跨过晶体管下降的电压部分

u9跨过第一限制单元下降的电压部分