本發(fā)明涉及用于傳送具有電流隔離(galvanic?separation)的電流回路接口的模擬電流信號(hào)的信號(hào)傳送設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、在過(guò)程自動(dòng)化中，模擬信號(hào)通常經(jīng)由電流回路接口傳送，電流回路接口根據(jù)要傳送的模擬信號(hào)將電流設(shè)置為0ma或4ma至20ma。這種形式的基于可變電流的模擬信號(hào)傳送代表非常穩(wěn)健的信號(hào)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)，并且在過(guò)程自動(dòng)化的許多領(lǐng)域中是常見的。

2、然而，在防爆區(qū)域中，有必要在測(cè)量點(diǎn)的區(qū)域中的傳感器模塊與控制中心的控制單元之間提供電流隔離。在信號(hào)傳送領(lǐng)域中，電流隔離通常通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)。

3、電流信號(hào)借助于變壓器傳送，該變壓器的原邊和副邊具有相同匝數(shù)和相反卷繞方向的繞組。對(duì)于交變電流信號(hào)，當(dāng)芯中的磁通量等于零時(shí)，原邊和副邊承載相同的電流。

4、為了將芯中的通量設(shè)置為零，使得在副邊產(chǎn)生與原邊的電流流動(dòng)相對(duì)應(yīng)的電流流動(dòng)，副邊的電壓借助于控制電流被控制為0v。然后，控制裝置的控制電流對(duì)應(yīng)于原邊電流即電流信號(hào)。

5、由于要傳送的模擬電流信號(hào)可以是直流信號(hào)或非常低頻率的信號(hào)，因此通常被設(shè)置成在變壓器的原邊提供dc/ac轉(zhuǎn)換并且在變壓器的副邊提供ac/dc轉(zhuǎn)換。通常，dc/ac轉(zhuǎn)換通過(guò)周期性地反轉(zhuǎn)極性來(lái)進(jìn)行，即，通過(guò)借助于原邊逆變器將周期性反轉(zhuǎn)極性的電流信號(hào)施加至變壓器的原邊線圈并且通過(guò)借助于副邊逆變器將補(bǔ)償電流分別施加至副邊線圈來(lái)進(jìn)行。原邊逆變器和副邊逆變器通常以反相操作。

6、然而，這樣的布置導(dǎo)致逆變器的半導(dǎo)體開關(guān)的寄生特性和線圈的銅繞組的寄生歐姆電阻使信號(hào)傳送失真。

7、因此，優(yōu)選補(bǔ)償寄生影響。通常，可以通過(guò)廣泛的措施補(bǔ)償寄生影響，然而，由于影響通常是非線性的，因此必須針對(duì)每個(gè)信號(hào)傳送電路單獨(dú)地執(zhí)行對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償。此外，寄生影響是溫度相關(guān)的，使得還必須提供溫度補(bǔ)償。

8、因此，本發(fā)明的目的是提供用于具有電流隔離的電流回路的電流信號(hào)的改進(jìn)的信號(hào)傳送電路，在該改進(jìn)的信號(hào)傳送電路中無(wú)需附加的對(duì)寄生影響的補(bǔ)償。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、該目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的信號(hào)傳送電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、另外的實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中闡述。

3、根據(jù)第一方面，提供了一種防爆區(qū)域中的用于模擬電流信號(hào)的信號(hào)傳送電路，該信號(hào)傳送電路包括：

4、-變壓器，該變壓器具有經(jīng)由變壓器軛在公共磁路中耦合并且特別地具有相同匝數(shù)的一個(gè)或多個(gè)(優(yōu)選為兩個(gè))原邊線圈以及一個(gè)或多個(gè)(優(yōu)選為兩個(gè))副邊線圈；

5、-控制電路，該控制電路被配置成通過(guò)提供用于通量補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電流來(lái)將一個(gè)或多個(gè)副邊線圈兩端的電壓控制為零，其中，控制變量對(duì)應(yīng)于測(cè)量電壓，該測(cè)量電壓為以下其中之一：

6、○根據(jù)布置在磁圈中的測(cè)量線圈兩端的電壓獲得的測(cè)量電壓；以及

7、○根據(jù)磁圈中的多個(gè)副邊線圈之一在線圈斷電的情況下兩端的電壓獲得的測(cè)量電壓，

8、其中，要傳送的模擬電流信號(hào)對(duì)應(yīng)于補(bǔ)償電流或取決于補(bǔ)償電流。

9、此外，信號(hào)傳送電路可以包括控制單元和第一逆變器，其中，第一逆變器由控制單元控制，以將模擬電流信號(hào)作為循環(huán)的交變電流信號(hào)施加至原邊線圈，或者替選地，第一逆變器由控制單元控制，以將模擬電流信號(hào)交替地施加至多個(gè)原邊線圈之一。

10、此外，測(cè)量線圈可以布置在磁路中，并且信號(hào)傳送電路還可以包括：

11、-第二逆變器，該第二逆變器由控制單元控制，以將具有反轉(zhuǎn)極性的補(bǔ)償電流循環(huán)交替地或循環(huán)地施加至一個(gè)或多個(gè)副邊線圈，

12、其中，控制單元被配置成循環(huán)地以同相或以反相操作第一逆變器和第二逆變器，特別地以10khz至350khz的切換頻率操作。

13、如開始時(shí)所描述的，防爆區(qū)域中的用于電流信號(hào)的信號(hào)傳送電路可以具有逆變器，其中第一原邊逆變器將電流回路的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成交變電流信號(hào)并且將該交變電流信號(hào)施加至變壓器的原邊線圈。副邊線圈連接至以與第一原邊逆變器反相操作的第二副邊逆變器，使得施加的電流信號(hào)與施加至原邊的電流信號(hào)反相作用于變壓器軛。

14、逆變器通常被配置為用于原邊線圈和/或副邊線圈的循環(huán)極反轉(zhuǎn)的h橋電路，或者被配置為用于所述多個(gè)原邊線圈和/或所述多個(gè)副邊線圈其中之一的交流通電的雙路電路，并且逆變器由合適的控制單元控制。逆變器用于將恒定或低頻率的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成周期性交變電流信號(hào)，并且借助于變壓器傳送該信號(hào)。電流隔離通過(guò)變壓器確保。

15、在逆變器被提供為雙路電路的情況下，逆變器可以通過(guò)兩個(gè)交變開關(guān)(半導(dǎo)體開關(guān))和兩個(gè)串聯(lián)連接的線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙路電路的中心節(jié)點(diǎn)可以是信號(hào)電流和/或補(bǔ)償電流的源或匯。雙路電路的半導(dǎo)體開關(guān)交替地切換。執(zhí)行交替切換，使得磁路中的流動(dòng)方向隨著每個(gè)切換操作反轉(zhuǎn)。

16、為了傳送電流信號(hào)，通常提供借助于控制裝置持續(xù)確保副邊線圈兩端的電壓為0伏特的通量補(bǔ)償。然后——只要原邊和副邊具有相同的匝數(shù)——通過(guò)原邊線圈的原邊電流對(duì)應(yīng)于副邊線圈的副邊電流。

17、通量補(bǔ)償可以通過(guò)注入持續(xù)受控的補(bǔ)償電流來(lái)使用副邊電壓作為控制變量，使得副邊電壓被設(shè)置為0伏特。然而，這導(dǎo)致電流流經(jīng)第二副邊逆變器的半導(dǎo)體開關(guān)和副邊線圈，其受到由于副邊線圈的歐姆電阻兩端的電壓降和第二逆變器的經(jīng)開關(guān)閉合切換的半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通電阻兩端的電壓降而引起的寄生效應(yīng)影響。這些寄生效應(yīng)通常還通過(guò)控制電路補(bǔ)償，并且導(dǎo)致偏離要映射的原邊電流信號(hào)的補(bǔ)償電流。因此，從原邊到副邊的電流鏡像失真，并且對(duì)傳送的電流信號(hào)的寄生影響進(jìn)行補(bǔ)償是必要的。此外，副邊線圈的歐姆電阻和半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通電阻是高度溫度相關(guān)的，并且對(duì)此的補(bǔ)償也是復(fù)雜的。

18、此外，第三逆變器可以被提供，以執(zhí)行測(cè)量線圈兩端的電壓的整流。

19、因此，上面的用于傳送電流回路的電流信號(hào)的信號(hào)傳送電路提供了向變壓器提供第三線圈(測(cè)量線圈)的用于實(shí)現(xiàn)通量補(bǔ)償?shù)奶孢x方案，該第三線圈經(jīng)由第三逆變器連接至控制電路，以提供測(cè)量電壓作為控制變量。

20、第三逆變器可以與第二逆變器同步受控。與副邊線圈一樣，測(cè)量線圈經(jīng)由變壓器軛電感地耦合至原邊線圈，并且因此在其連接處供應(yīng)取決于通過(guò)變壓器軛的通量的電壓或電流。

21、然而，控制電路被配置成使副邊線圈通電，使得通過(guò)變壓器軛的通量被補(bǔ)償至零?？刂齐娐肥腔谟傻谌孀兤髡鞑⑶以跀嚯姞顟B(tài)下測(cè)量的測(cè)量線圈電壓，并且因此由歐姆電阻引起的寄生效應(yīng)不會(huì)對(duì)控制電路的通量補(bǔ)償產(chǎn)生影響。因此，無(wú)需補(bǔ)償寄生影響，并且信號(hào)傳送電路的校準(zhǔn)可以在適當(dāng)?shù)那闆r下被省略。此外，由于通過(guò)測(cè)量線圈的通量被控制為零，因此溫度影響被補(bǔ)償。

22、在根據(jù)另外的替選方案的用于控制磁路中的多個(gè)副邊線圈的雙路電路的情況下，副邊線圈通過(guò)控制電路交替地連接至電流路徑中，其中，相應(yīng)的其他線圈保持?jǐn)嚯姟Ｏ鄳?yīng)的斷電的副邊線圈可以用于提供測(cè)量電壓。

23、在該方面，控制電路可以具有運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器憑借通過(guò)第二逆變器和副邊線圈提供可變補(bǔ)償電流來(lái)補(bǔ)償測(cè)量電壓與0伏特的電壓偏差以將測(cè)量電壓控制為0伏特，其中，補(bǔ)償電流對(duì)應(yīng)于所傳送的電流信號(hào)。

24、此外，控制電路可以具有通過(guò)運(yùn)算放大器的輸出端的信號(hào)控制的放大器半導(dǎo)體開關(guān)，特別地為雙極晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中，放大器半導(dǎo)體開關(guān)根據(jù)運(yùn)算放大器的輸出端的信號(hào)控制補(bǔ)償電流的水平。

25、為了在逆變器的切換之后對(duì)更高頻率的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行過(guò)濾，可以提供使控制變量平滑的低通濾波器。

26、此外，控制單元可以被配置成使第三逆變器相對(duì)于第二逆變器的操作以0％與50％之間的周期持續(xù)時(shí)間的相位偏移操作。

27、此外，針對(duì)測(cè)量線圈的第三逆變器的切換時(shí)機(jī)可以相對(duì)于第二逆變器的控制被延遲，使得在切換第二逆變器的半導(dǎo)體開關(guān)之后的瞬態(tài)過(guò)程中的至少一部分被抑制，其中，切換延遲介于逆變器的循環(huán)操作的周期持續(xù)時(shí)間的0％與50％之間。

28、此外，漏電感中的能量可以對(duì)電流信號(hào)的傳送具有明顯影響。該影響通常將自身表示為瞬態(tài)過(guò)程，該瞬態(tài)過(guò)程可以通過(guò)適當(dāng)?shù)那袚Q措施而被無(wú)害的表現(xiàn)。這些措施可以是衰減器，例如r-c組合或選擇性抑制。

29、此外，逆變器可以各自通過(guò)h橋電路實(shí)現(xiàn)，每個(gè)h橋電路分別由兩個(gè)逆變電路實(shí)現(xiàn)。逆變電路的中心節(jié)點(diǎn)經(jīng)由相應(yīng)線圈彼此連接。半導(dǎo)體開關(guān)被交替地切換。交替切換發(fā)生，使得在串聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)的中心節(jié)點(diǎn)之間布置的線圈中的電流方向隨著每個(gè)切換操作反轉(zhuǎn)。

30、特別地，逆變器的循環(huán)操作可以提供為在至少其中一個(gè)逆變電路的半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通相位沒有切換間隙或者存在交疊。

31、通常，為這樣的逆變器的切換提供有切換間隙，以避免在出現(xiàn)切換延遲時(shí)有通過(guò)逆變電路的短路電流相位或者雙路電路中的開關(guān)的同時(shí)導(dǎo)通。這些切換間隙可能使補(bǔ)償電流超過(guò)電流信號(hào)的電流值。然而，由于電流信號(hào)是連續(xù)施加的，因此在切換間隙期間引入的能量被添加至電流信號(hào)的平均值，并且因此必須利用對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流進(jìn)行補(bǔ)償。為了避免該影響，可以提供補(bǔ)償電流以在沒有切換間隙的情況下操作逆變器或雙路電路，并且在必要時(shí)允許或許可半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通相位(當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)閉合時(shí))的交疊例如達(dá)到在其期間副邊線圈的逆變器支路的半導(dǎo)體開關(guān)被短暫閉合的周期持續(xù)時(shí)間的5％，這對(duì)電流信號(hào)的傳送沒有影響，因?yàn)楦边吘€圈兩端的電壓無(wú)論如何都被控制為0伏特。