动态取电电路及两线制电磁流量计

摘要

本发明提供一种动态取电电路及两线制电磁流量计，在本发明所提供的动态取电电路中，在通过闭环取电子电路对外提供电压的同时，还能通过闭环取电子电路的反馈调节对输出的电压进行补偿校正，使输出的电压保持稳定，有效提高了输出电压稳定性；通过闭环储能子电路能对电流环路中被分流浪费掉的电能进行动态储存，充分利用电流环路输出电流的能量，有效提升了取电性能与效率。

说明书

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，特别是涉及一种动态取电电路及两线制电磁流量计。

背景技术

由两线制仪表特性可知，仪表对外连接只需两根电缆，既对仪表提供24VDC配电，又是4～20mA电流输出载体，仪表的整机负载电流也会体现在这两根电缆之上。如果仪表整机负载电流大于4mA，这两根电缆上就有这个大于4mA的电流存在，那么仪表4～20mA电流环路则输不出4mA(一般情况是用4mA电流表示仪表测量范围的下限值)电流。为了解决这个问题，行业内一般方法是将两线制仪表的整机负载电流控制在3.5(小于4)mA左右，不用满4mA是需要预留0.5mA作为报警输出使用。

要将仪表整机负载电流控制在3.5mA左右，必须简化仪表功能，通常情况下的两线制仪表只具备4～20mA电流输出和HART通讯功能。另外，高灵活性点阵显示器、高性能AD转换器等高功耗器件均不能使用。而当4～20mA电流环路输出电流X mA(X不大于20)大于4mA时，除了仪表自身所消耗的3.5mA电流外，剩余的(X-3.5)mA电流则通过此环路进行分流，直接被浪费掉。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种动态取电技术方案，用于解决上述技术问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种动态取电电路，从电流环路中取电并存储，包括：

闭环取电子电路，与所述电流环路连接，对外接负载提供第一电压和第一电流；

闭环储能子电路，与所述电流环路及闭环取电子电路连接，根据所述电流环路中的电流动态调整并存储所述第一电流。

可选地，所述闭环取电子电路包括NPN三极管；所述NPN三极管接入所述电流环路中，所述NPN三极管的集电极通过第一电阻接所述电流环路中供电电源的正极，所述NPN三极管的发射极通过第二电阻接地。

可选地，所述闭环取电子电路还包括：

第一运算放大器，其输出端接所述NPN三极管的基极；

第三电阻，其一端接所述NPN三极管的集电极、另一端接所述第一运算放大器的同相输入端；

第四电阻，其一端接地、另一端接所述第一运算放大器的同相输入端；

第五电阻，其一端接第二电压、另一端接所述第一运算放大器的反相输入端；

其中，所述闭环取电子电路通过所述NPN三极管的集电极及地对所述外接负载提供所述第一电压和所述第一电流。

可选地，所述第一运算放大器的正电源端接所述NPN三极管的集电极，所述运算放大器的负电源端接地。

可选地，所述第三电压与所述第一电压满足关系式：

其中，V1表示所述第一电压，V2表示所述第二电压，R3表示所述第三电阻，R4表示所述第四电阻。

可选地，所述闭环储能子电路包括PMOS管和电容，所述PMOS管的源极接所述NPN三极管的集电极，所述PMOS管的漏极接所述电容的一端，所述电容的另一端接地；所述PMOS管的栅极电压调节控制流过所述PMOS管的所述第一电流的大小。

可选地，所述闭环储能子电路还包括：

第六电阻；

第二运算放大器，其输出端经所述第六电阻接所述PMOS管的栅极；

第七电阻，其一端接所述NPN三极管的发射极、另一端接所述第二运算放大器的反相输入端；

第八电阻，其一端接所述第二运算放大器的反相输入端、另一端接所述第二运算放大器的输出端；

第九电阻，其一端接所述NPN三极管的集电极、另一端接所述第二运算放大器的同相输入端；

第十电阻，其一端接所述第二运算放大器的同相输入端、另一端接地。

可选地，所述第二运算放大器的输出电压满足如下关系式：

其中，V3表示所述NPN三极管的集电极电压，V4表示所述第二运算放大器的输出电压，R7表示所述第七电阻，R8表示所述第八电阻，R9表示所述第九电阻，R10表示所述第十电阻。

可选地，R7＝R8＝R9＝R10。

此外，为实现上述目的及其它相关目的，本发明还提供一种两线制电磁流量计，其包括上述任意一项所述的动态闭环取电电路。

如上所述，本发明的动态取电电路，具有以下有益效果：

在通过闭环取电子电路对外提供第一电压和第一电流的同时；还能通过与电流环路及闭环取电子电路连接的闭环储能子电路根据电流环路中的电流动态调整并存储第一电流，能有效对电流环路中被浪费的电流转移到第一电流中并进行存储和应用，提高了电流环路中输出电流的利用效率。

附图说明

图1显示为本发明实施例中电磁流量计4～20mA电流环路的动态取电电路图。

附图标记说明

C 电容

R1 第一电阻

R2 第二电阻

R3 第三电阻

R4 第四电阻

R5 第五电阻

R6 第六电阻

R7 第七电阻

R8 第八电阻

R9 第九电阻

R10 第十电阻

R11 第十一电阻

R12 等效电阻

Q1、Q3 NPN三极管

Q2 PMOS管

U1 第一运算放大器

U2 第二运算放大器

V1 第一电压

V2 第二电压

V3 NPN三极管Q1的集电极电压

V4 第二运算放大器U2的输出电压

I1 第一电流

1 第一运算放大器U1的输出端

2 第一运算放大器U1的反相输入端

3 第一运算放大器U1的同相输入端

4 第一运算放大器U1的负电源端

8 第一运算放大器U1的正电源端

5 第二运算放大器U2的同相输入端

6 第二运算放大器U2的反相输入端

7 第二运算放大器U2的输出端

具体实施方式

如前述在背景技术中所提及的，目前，业内一般将两线制仪表(如两线制电磁流量计)的整体功耗控制在3.5mA以下，无论4～20mA电流环路的输出是什么状态，两线制仪表本身一直保持3.5mA左右的电流消耗，而多余的部分直接被分流浪费。因此，一般来讲，两线制仪表的工作性能会弱于相对应的四线制仪表。

基于此，本发明提出一种动态取电方案，对电流环路中被分流的电流进行动态存储，并依据电流环路输出电流的不同而动态控制充电电流的大小，以期达到最大程度利用电流环路输出电流的目的。然后根据电磁流量计的实际需求，将这一部分被存储的能量运来提高电磁流量计的处理能力，以提高两线制电磁流量计的综合性能。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的电子元器件而非按照实际实施时的元器件型态、数目及布局而绘制，其实际实施时各电子元器件的型态、数量及布局可为一种随意的改变，且其布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的电子元器件的结构形态、数量及布局等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构电子元器件的修饰或简单增减，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

如图1所示，本发明提供一种动态取电电路，从电流环路中取电并存储，其包括：

闭环取电子电路(图1中左侧虚线框所示部分)，与电流环路连接，对外接负载提供第一电压V1和第一电流I1；

闭环储能子电路(图1中右侧虚线框所示部分)，与电流环路及闭环取电子电路连接，根据电流环路中的电流动态调整并存储第一电流I1。

详细地，如图1所示，闭环取电子电路包括NPN三极管Q1；NPN三极管Q1接入电流环路中，NPN三极管Q1的集电极通过第一电阻R1接电流环路中供电电源的正极(如24V+)，NPN三极管Q1的发射极通过第二电阻R2接地。

更详细地，如图1所示，闭环取电子电路还包括：

第一运算放大器U1，其输出端1接NPN三极管Q1的基极；

第三电阻R3，其一端接NPN三极管Q1的集电极、另一端接第一运算放大器U1的同相输入端3；

第四电阻R4，其一端接地、另一端接第一运算放大器U1的同相输入端3；

第五电阻R5，其一端接第二电压V2、另一端第一接运算放大器U1的反相输入端2；

其中，闭环取电子电路通过NPN三极管Q1的集电极及地对外提供第一电压V1和第一电流I1。

更详细地，如图1所示，第一运算放大器U1的正电源端8接NPN三极管Q1的集电极，运算放大器Q1的负电源端4接地。

详细地，如图1所示，当整个闭环取电子电路正常连通上电时，对第一运算放大器U1而言，根据“虚短”可知，第二电压V2与第一电压V1满足关系式：

根据上述关系式可知，第一电压V1的值由第二电压V2、第三电阻R3及第四电阻R4的值决定，通过调节第二电压V2、第三电阻R3及第四电阻R4的值可有效调节第一电压V1的值，可根据设计需要灵活选择。

可选地，在本发明的一个实施例中，需要对外提供+12V的第一电压V1；对应的，提供的第二电压V2为+2.5V，第三电阻R3为300KΩ，第四电阻R4为82KΩ。

详细地，如图1所示，闭环储能子电路包括PMOS管Q2和电容C，PMOS管Q2的源极接NPN三极管Q1的集电极，PMOS管Q2的漏极接电容C的一端，电容C的另一端接地；PMOS管Q2的栅极电压调节控制流过PMOS管Q2的第一电流I1的大小。

其中，电容C为主存储电容且电容量非常大，一般不小于2200uF，存储的电能为

详细地，如图1所示，闭环储能子电路还包括：

第六电阻R6；

第二运算放大器U2，其输出端7经第六电阻R6接PMOS管Q2的栅极，将输出电压V4加载到PMOS管Q2的栅极；

第七电阻R7，其一端接NPN三极管Q1的发射极、另一端接第二运算放大器U2的反相输入端6；

第八电阻R8，其一端接第二运算放大器U2的反相输入端6、另一端接第二运算放大器U2的输出端7；

第九电阻R9，其一端接NPN三极管Q1的集电极、另一端接第二运算放大器U2的同相输入端5；

第十电阻R10，其一端接第二运算放大器U2的同相输入端5、另一端接地。

详细地，如图1所示，当整个闭环储能子电路正常连通上电时，对第二运算放大器U2而言，根据“虚短”可知，第二运算放大器的输出电压V4满足如下关系式：

其中，V3表示NPN三极管Q1的集电极电压(即第二电阻R2两端的电压)，V4表示第二运算放大器U2的输出电压，R7表示第七电阻，R8表示第八电阻，R9表示第九电阻，R10表示第十电阻。

可选地，在本发明的一个实施例中，R7＝R8＝R9＝R10，则有：

V4＝V1-V3；

详细地，如图1所示，电流环路中供电电源的负极(如24V-)通过第十一电阻R11后接地。

详细地，电容C与外接负载并联，在本发明的一个实施例中，如图1所示，电容C与电磁流量计的整机负载等效电阻R12并联，将超过电磁流量计的整机负载电流(如3.5mA)的第一电流I1存储在电容C中，然后电容C对电磁流量计的整机负载等效电阻R12进行输出；并通过PMOS管Q2的栅极电压调节控制第一电流I1的大小。其中，电磁流量计的整机负载等效电阻R12主要包括电磁流量计的励磁负载、测量负载等部分。

下面将详细分析整个电路的工作原理。

对闭环取电子电路而言，如图1所示，在闭环取电子电路中，第三电阻R3、第四电阻R4、第一运算放大器U1及NPN三极管Q1构成了一个完整的闭环系统，能有效对输出的第一电压V1进行反馈调节，其反馈调节的逻辑如下：

1)、流过电磁流量计的整机负载等效电阻R12的电流增大→则第一电压V1减小→第一运算放大器U1同相输入端3的输入电压减小→第一运算放大器U1输出端1的输出电压减小→NPN三极管Q1的基极输入电压减小→NPN三极管Q1的集射结导通电阻增大→流过NPN三极管Q1集射结的电流减小→第一电压V1增大；

2)、流过电磁流量计的整机负载等效电阻R12的电流减小→则第一电压V1增大→第一运算放大器U1同相输入端3的输入电压增大→第一运算放大器U1输出端1的输出电压增大→NPN三极管Q1的基极输入电压增大→NPN三极管Q1的集射结导通电阻减小→流过NPN三极管Q1集射结的电流增大→第一电压V1减小。

可见，基于上述闭环取电子电路的负反馈过程就能使第一电压V1的值保持较高的稳定性。

当整个电路正常连通上电时，如图1所示，V/I转换电路、NPN三极管Q3、NPN三极管Q1、第二电阻R2及第十一电阻R11构成了电流环路，NPN三极管Q3、NPN三极管Q1、第二电阻R2及第十一电阻R11构成了分流路径。

为了能使两线制电磁流量计具备输出4mA电流的基本功能，电磁流量计的整机负载电流一般会控制在3.5mA左右，反应到图1就是此3.5mA电流基本只流过电磁流量计的整机负载(即等效电阻R12)，最后返回供电电源的负极“24V-”，构成一个完整的回路。而此时流过由NPN三极管Q3、NPN三极管Q1、第二电阻R2及第十一电阻R11组成的分流路径的电流非常小(<0.5mA)。

当电流环路的输出电流大于4mA(记为XmA)时，由于流经电磁流量计的整机负载电流仍然是3.5mA左右，也就是流过等效电阻R12的电流仍旧为3.5mA，剩余部分(X-3.5)mA电流必然通过由NPN三极管Q3、NPN三极管Q1、第二电阻R2及第十一电阻R11构成组成的分流路径返回到供电电源的负极“24V-”，构成电流回路，直接被浪费。

本发明的主要目的就是要将这部分被分流的(X-3.5)mA电流先存储在电容C中，然后再将此部分电能用来进一步提高电磁流量计的工作性能。

针对闭环储能子电路而言，第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第二运算放大器U2及PMOS管Q2构成了一个闭环反馈控制系统，当分流电流通过第二电阻R2(分流路径的采样电阻)时，会产生一个采样电压V3(即NPN三极管Q1的集电极电压)，并通过上述闭环反馈控制系统产生一个驱动电压V4(即第二运算放大器U2的输出电压)去控制PMOS管Q2的导通电阻，进而调节电容C2的充电电流(即第一电流I1)。当电流环路的输出电流为4mA时，PMOS管Q2处于截止状态，不对电容C进行充电；只有在电流环路的输出电流大于4mA时才对电容C进行充电，且充电电流(即第一电流I1)大小与电流环路的输出状态直接相关，电流环路的输出电流越大，充电电流(即第一电流I1)越大，电流环路的输出电流越小，充电电流(即第一电流I1)越小。

详细地，如图1所示，根据公式V4＝V1-V3可知，当电流环路的输出电流增大时，分流路径上流过的电流就会增大，NPN三极管Q1的集电极电压V3也随之增大，那么PMOS管Q2的栅极电压V4(即第二运算放大器U2的输出电压)就会减小，在PMOS管Q2的源极输入电压恒定为第一电压V1的情况下，其栅极电压V4越小，其栅源电压V

可见，基于上述闭环储能子电路的负反馈过程就能实时监测分流路径中的电流，并根据分流路径中的电流动态调整第一电流I1(即充电电流)，将分流路径中的电流“转移”到第一电流I1(即充电电流)中去并储存在电容C中，能最大程度地利用电流环路输出电流的能量，有效提升了取电性能与效率。

同时，V/I转换电路及电流环路的具体结构可参考现有技术，在此不做赘述。

此外，为实现上述目的及其它相关目的，本发明还提供一种两线制电磁流量计，其包括上述动态取电电路，通过上述闭环取电子电路能为该两线制电磁流量计提供稳定的工作电压；通过闭环储能子电路能对电流环路中被分流浪费掉的电能进行动态储存，充分利用电流环路输出电流的能量，有效提升了两线制电磁流量计的性能。

综上所述，在本发明所提供的动态取电电路中，在通过闭环取电子电路对外提供电压的同时，还能通过闭环取电子电路的反馈调节对输出的电压进行补偿校正，使输出的电压保持稳定，有效提高了输出电压稳定性；通过闭环储能子电路能对电流环路中被分流浪费掉的电能进行动态储存，充分利用电流环路输出电流的能量，有效提升了取电性能与效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。