用于把输入电流转换为输出电压的转换器、包括该转换器的装置以及用于把输入电流转换为输出电压的方法

技术领域

本发明涉及一种用于把输入电流转换为输出电压的转换器和方法，以及涉及一种包括测量设备、转换器和控制系统的装置。特别地，本发明涉及一种接收器、特别是一种电流环接收器、进一步特别是4mA至20mA电流环接收器，涉及一种包括这样的电流环接收器的装置以及涉及一种用于通过使用这样的电流环接收器来把输入电流转换为输出电压的方法。

背景技术

诸如用于测量压力和/或温度的测量设备之类的特定测量设备提供了指示诸如温度和/或压力之类的物理量的测量值的电流。同时，该测量设备可以通过使用电流环而被供给有电能。因而，只有两条线被要求来向电测量设备供给电能并且获得指示物理量的测量值的电流值。因而，只有两条线被要求来一方面向测量设备提供电功率并且另一方面获得测量值。特定类别的测量设备（也被叫做4mA至20mA场发射器）根据该测量值提供了在4mA到20mA之间的范围中的电流。

为了进一步处理和/或分析由流过测量设备的电流所表示的测量值，可能需要的是，把表示测量值的电流信号变换或转换为模拟或数字电压信号。从而，在现有技术中，所谓的4mA至20mA电流环接收器被采用，所述4mA至20mA电流环接收器包括电源，所述电源提供相对于地电势的正电压和相对于地电势的负电压。然而，已经被观察到的是，根据现有技术的电流环接收器是非常庞大的、重的，并且难以集成到紧凑的设备中。

可能存在对于用于把输入电流转换为输出电压的转换器和方法的需求，并且存在对于包括该转换器的装置的需求。特别地，可能存在对于用于把输入电流转换为输出电压的转换器和方法的需求，其中转换器是紧凑的、轻便的，并且易于集成。此外，可能存在对于用于把输入电流转换为输出电压的转换器和方法的需求，其中被连接到该转换器的组件彼此独立，使得这些组件中的一个的故障并不影响这些组件中的另一个。

发明内容

这个需求可以由根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利的实施例由从属权利要求来描述。

根据实施例，一种用于把输入电流（电输入电流、特别是DC输入电流）转换（或变换）为（相对于诸如地电势之类的输出参考电势的）输出电压的转换器（诸如接收器、特别是电流环接收器、进一步特别是4mA至20mA电流环接收器）被提供，其中转换器包括（包括一个或多个电组件或电子组件的）第一区域；与第一区域电（galvanically）分离的第二区域；在第一区域中（使得输入参考节点与第二区域电分离）的输入参考节点（特别是电输入参考节点、诸如电端子），其中转换器被适配于允许输入电流（特别地设备可以经由所述输入电流被供给有电能）穿过设备（诸如测量设备、特别是提供了指示测量诸如温度和/或压力之类的物理量的测量值的测量设备、特别是4mA至20mA场发射器）流到输入参考节点（特别地，流过该设备的输入电流可以指示测量值，使得输入电流向电设备或测量设备供给电能，并且电流的量或电流的值指示了如下测量信号：所述测量信号指示了所测量的物理量的特定值）；用于基于输入电流（使得输出电压可以与输入电流有关，使得特别地输出电压随着输入电流的增加而增加）来生成相对于输出参考电势（诸如例如地电势）的输出电压的电路系统（包括一个或多个电组件和/或电子组件，诸如包括电阻器、放大器、运算放大器、二极管、变压器、电容器、电线圈和/或其它组件），其中该电路系统包括电压传输组件（voltage transfer component）（特别地包括用于把第一区域与第二区域电感地、电容地和/或光学地耦合的一个或多个元件），用于把来自第一区域的输出电压传输（或发射）到第二区域，其中电压传输组件包括在第一区域中的第一电路（特别地包括一个或多个电组件或电子组件、诸如电线圈、光源和/或电容器极板（capacitor plate））和在第二区域中的第二电路（特别地包括一个或多个电组件和/或电子组件、诸如电线圈、光电二极管、传感器和/或电容器极板），其中第一电路被适配来由相对于第一供给参考电势（所述第一供给参考电势可以特别地是固定电势，诸如大地电势或地电势）的第一电供给电压（诸如例如相对于第一供给参考电势的正电压或负电压）而被驱动（诸如被供给有用于合适地操作第一电路的电能）；以及输出端子，所述输出端子位于第二区域中并且被连接到第二电路，用于输出所述输出电压。

特别地，位于第一区域内的电组件和/或电子组件与位于第二区域内的电组件和/或电子组件电分离。特别地，没有电流可以从位于第一区域内的任何组件流到位于第二区域内的任何组件。因而，发生在位于第一区域中的组件或位于第二区域中的组件上的任何故障可能没有以任何方式影响在相应其它区域中的组件或元件。从而，使用该转换器的可靠性可以被改进。此外，在第一区域处被连接到转换器的组件或系统可能不被在第二区域处被连接到转换器的组件影响，并且反之亦然。从而，被连接到转换器的任一区域的任何组件可以被保护不受被连接到相应其他区域的（潜在地故障的）组件的影响。从而，被连接到该转换器的组件的损害或故障可以被减少。

位于第一区域之内的第一电路可以（与第二电路一起）被适配来把输出电压从第一区域传输到第二区域，特别是通过在第一电路与第二电路之间的光学、电容和/或电感耦合来传输。

为了驱动第一电路来使得该第一电路合适地工作，第一电路并不要求供给电压，所述供给电压由相对于地电势的正电压部分和该电压的相对于地电势的负部分来形成。反而，通过供给相对于第一供给参考电势（诸如地电势）的第一电供给电压，第一电路合适地工作，其中第一电供给电压可以是相对于第一供给参考电势的正电压，或者其中第一电供给电压可以是相对于第一供给参考电势的负电压。从而，驱动第一电路、即向第一电路供给电能可以被简化。特别地，只有所谓的单极性电源被要求，所述所谓的单极性电源提供相对于第一供给参考电势的第一电供给电压，但是所述所谓的单极性电源并不供给相对于第一供给参考电势的负电压以及正电压。从而，该转换器可以以紧凑的方式被构造，并且特别地与根据现有技术公知的转换器相比是轻便的。

特别地，第一电路和第二电路可以在该转换器之内一起形成所谓的电隔离部分，用于把第一区域与第二区域电隔离。

特别地，输出电压可以位于在0V到10V之间、特别是在0V到5V之间的范围内。特别地，输入电流可以位于在4mA到20mA之间的范围内。

根据实施例，第一供给参考电势是地电势（或大地电势）。特别地，第一电供给电压可以是相对于地电势的正电压，或者在其它实施例中，第一电供给电压可以是相对于地电势的负电压。特别地，第一电供给电压可以在10V到50V之间、特别是在20V到30V之间。

从而，该转换器可以以简单的、有成本效益的和轻便的方式被构造。

根据实施例，该转换器进一步包括：电功率提供器（electric power provider）（所述电功率提供器可能不是自己生成电能，而是可以仅仅向转换器的一个或多个组件提供或传递（mediate）电功率），用于提供相对于第一供给参考电势的第一电供给电压，用于驱动第一电路，（特别地，该电功率提供器可以驱动该转换器的特别是在第一区域中的一个或多个其它组件、诸如放大器、运算放大器或其它组件）；以及在第二区域中的电功率输入端子，其中电功率提供器被适配来经由功率输入端子而接收电能。

特别地，为了操作该转换器，没有其它的电功率提供器可能是必需的。特别地，电功率提供器可以是单极性电源供应装置（provision），所述单极性电源供应装置例如提供相对于第一供给参考电势的正电压，或者所述单极性电源供应装置在可替换的实施例中提供相对于第一供给参考电势的负电压，但是所述单极性电源供应装置可能不产生在相对于第一供给参考电势的负电压与相对于第一供给参考电势的正电压之间的电压。从而，与根据现有技术公知的电功率提供器相比，电功率提供器可以以简单的、紧凑的和轻便的方式被构造。

根据实施例，电功率提供器是DC功率提供器。因而，功率提供器可以提供直流电能。特别地，功率输入端子也可以特别是从外部设备接收直流能量流或能量信号。特别地，电功率提供器可以提供相对于地电势的在20V到30V之间的第一电供给电压，或者可以提供相对于地电势的在-20V到-30V之间的第一电供给电压。特别地，电功率提供器可以被构造来使得电功率提供器可以提供在一范围中的第一电供给电压，以致第一电路（和/或转换器的其它组件）可以以被优化的方式被驱动或被供给有电能。

根据实施例，电功率提供器包括在第一区域中的第一功率提供器部分（例如包括电线圈、诸如缠绕的线（wound wire））以及在第二区域中的第二提供器部分（诸如电线圈、诸如缠绕的线），其中第一功率提供器部分电感地和/或电容地被耦合到第二功率提供器部分。通过电感和/或电容耦合，第二提供器部分可以把经由功率输入端子接收到的电能传输到第一功率提供器部分。此外，电线可以把第一功率提供器部分与第一电路连接，用于向第一电路供给电功率。

根据实施例，第二功率提供器部分被适配来经由功率输入端子接收电能，其中第一功率提供器部分和第二功率提供器部分被适配来把电能从第二功率提供器部分传输到第一功率提供器部分。通过把第一功率提供器部分与第二功率提供器部分电隔离，被连接到转换器的第一区域或第二区域的组件的影响可以被减小，使得被连接到第一区域的组件的故障或误动作可以不影响被连接到第二区域的组件，并且反之亦然。

根据实施例，第二电路被适配来经由功率输入端子接收电功率，其中电功率通过采用相对于第二供给参考电势、特别是地电势的第二电供给电压而被供给。特别地，通过采用在正电压与负电压之间的电压，第二电路可以不要求能量供给，其中正电压以及负电压都相对于地电势被测量。从而，针对第二电路的能量供给也可以被简化，从而减小该转换器的大小和/或重量。

根据实施例，第二电路电感地（例如通过使用一个或多个线圈，诸如缠绕的线）、光学地（特别是通过使用个或多个光源以及一个或多个光接收器、诸如光电二极管）和/或电容地（例如通过使用一个或多个被彼此相对地放置的电容器极板，其中每个电容器极板都位于第一区域和第二区域中的一个中，其中电容器极板位于不同的区域中）被耦合到第一电路。从而，在第一区域与第二区域之间的有效的电分离或电隔离可以被实现。

根据实施例，该转换器被适配来向设备（特别是通过使用输入电流流动）供给电能，并且把在预定的输入电流范围中、特别是在0mA到20mA之间的输入电流转换为相对于输出参考电势、特别是相对于地电势在预定的输出电压范围中、特别是在0V到5V之间的输出电压。从而，4mA至20mA电流环接收器可以被提供，所述4mA至20mA电流环接收器可以被适配来把由4mA至20mA场发射器所提供的输入电流转换为模拟或数字输出电压。

根据实施例，该转换器包括用于提供数字输出电压信号的模数转换器。在其它实施例中，该转换器可以提供在预定的输出电压范围之内的模拟输出电压。

根据实施例，该转换器进一步包括第一输入端子和第二输入端子，用于把设备连接在第一输入端子与第二输入端子之间，其中第一输入端子和第二输入端子都位于第一区域中，其中第一输入端子和第二输入端子允许输入电流从第一输入端子穿过该设备流到第二输入端子以及从第二输入端子流到第一参考节点。

特别地，第一输入端子可以被连接到电功率提供器，使得电功率提供器向第一端子提供第一电供给电压。特别地，输入参考节点可以被连接到地电势。特别地，被施加在第一输入端子处的第一电供给电压可以引起（至少）待机电流（standby current）流过被连接在第一输入端子与第二输入端子之间的设备。在测量物理量时，从第一输入端子穿过该设备流到第二输入端子的输入电流可以增加，特别是与测量物理量的测量值成比例地增加。从而，通过监控穿过该设备流到输入参考节点的电流，所测量的物理量的值可以被导出。

根据实施例，该转换器进一步包括被连接在第二输入端子与输入参考节点之间（使得流过该设备的输入电流同样流过分流电阻器）的分流电阻器（具有阻抗的电阻元件，其中电流和电压可以是同相的），其中输出电压基于在输入电流流过分流电阻器时在分流电阻器两端的电压降（特别是从分流电阻器的一个端子到分流电阻器的另一端子的电压的减少）。从而，指示输入电流（特别是输入电流的值或量）的电压降可以容易地被获得。

根据实施例，该转换器进一步包括将电压降放大到初步（preliminary）输出电压的第一放大器，其中输出电压基于初步输出电压。特别地，该转换器可以包括一个或多个放大器、特别是以交错的（staggered）配置和/或形成一个或多个放大级的放大器。特别地，第一放大器（或所述放大器中的任何其它放大器）可以包括一个或多个半导体组件、诸如一个或多个晶体管、电阻器、线圈、电容器等等。特别地，初步输出电压可以包括对应于待机电流的部分，其中初步输出电压的这个部分可以不对应于物理量的测量值，但是初步输出电压的这个部分可以表示电压偏移。

根据实施例，该转换器进一步包括基于初步输出电压（诸如例如初步输出电压可以是针对第二放大器的输入电压，而输出电压可以是第二放大器的输出）来生成输出电压的第二放大器（特别地，还包括一个或多个电组件或电子组件、诸如晶体管、电容器、线圈、电阻器等等），其中第二放大器被适配来生成输出电压，使得如果输入电流具有预定的电流值、特别是为4mA的电流值，那么输出电压为零，并且其中第二放大器特别地被适配来生成要与输入电流和预定的电流值之差成比例的输出电压。特别地，输入电流和预定的电流值之差可以表示与所测量的物理量的值成比例的量，所述所测量的物理量已经由被连接在转换器的第一输入端子与第二输入端子之间的设备来测量。特别地，输出电压可以不再包括电压偏移。根据实施例，输出电压与由被连接在第一输入端子与第二输入端子之间的设备所测量的量的值成比例。

特别地，根据实施例，仅仅通过采用相对于第一供给参考电势的第一电供给电压，第一放大器和/或第二放大器可以被供给有电能。因而，特别地，第一放大器和/或第二放大器可以通过使用电功率提供器而被供给有电能。

根据实施例，一种装置（诸如海底装置、水上舷侧（topside）装置、油孔场所（oil bore site）装置等等）被提供，其中该装置包括：测量设备，所述测量设备基于物理量、特别是温度和/或压力的测量值来提供电流；根据上述实施例中的一个的转换器，其中输入电流被允许穿过测量设备流到输入参考节点，其中测量设备被特别地连接在第一输入端子与第二输入端子之间；以及控制系统，所述控制系统用于特别是经由功率输入端子来向转换器供给电能，以及用于经由输出端子来从转换器接收输出电压。

特别地，控制系统与测量设备电分离或电隔离，使得发生在控制系统和测量设备中的任何一个处的任何故障可以不影响控制系统和测量设备中的相应其它控制系统和测量设备的工作或构造（constitution）。该装置可以例如被采用用于诸如水电站之类的电厂、用于管道、用于油孔场所或采气（gas production）场所。

应该理解的是，（单独地或者以任何组合）所公开的、所描述的、所解释的、所采用的或应用于用于把输入电流转换为输出电压的转换器的特征也可以（单独地或者以任何组合）被应用、被采用和/或被使用于用于把输入电流转换为输出电压的方法，并且反之亦然。

根据实施例，一种用于把输入电流转换为输出电压的方法被提供，其中该方法包括：允许输入电流穿过设备流到位于第一区域中的输入参考节点；基于输入电流来生成相对于输出参考电势的输出电压；通过使用电压传输组件来把输出电压从第一区域传输到第二区域，其中第二区域与第一区域电分离，其中电压传输组件包括在第一区域中的第一电路和在第二区域中的第二电路；由相对于第一供给参考电势的第一电供给电压来驱动第一电路；以及在位于第二区域中的并且被连接到第二电路的输出端子处输出该输出电压。

不得不注意的是，本发明的实施例已经参照不同的主题被描述。特别地，一些实施例已经参照方法类型权利要求被描述，而其它实施例已经参照装置类型权利要求被描述。然而，本领域技术人员将根据上面和下面的描述来推断：除非另外通知，除了属于一类主题的特征的任何组合之外，在涉及不同主题的特征之间的、特别是在方法类型权利要求的特征与装置类型权利要求的特征之间的任何组合也被看作与本文献一起被公开。

本发明的上面所限定的方面和另外的方面根据要在下文被描述的实施例的例子是明显的，并且参照实施例的例子被解释。本发明将参照实施例的例子在下文更详细地被描述，但是本发明并不限于所述实施例的例子。

附图说明

本发明的实施例现在参照附图被描述。本发明并不限于所描述的和/或所图示的实施例。

图1图示了根据本发明的实施例的转换器的示意性电路图；

图2以示意性形式图示了根据本发明的实施例的转换器，其中场发射器被连接到转换器，并且控制系统被连接到转换器；并且

图3以示意性形式图示了常规的转换器。

具体实施方式

附图中的图示为示意性的形式。要注意的是，在不同的图中，类似的或相同的要素被提供有相同的附图标记，或者被提供有仅仅在第一位内不同于相对应的附图标记的附图标记。

图1图示了根据本发明的实施例的转换器100的示意性电路图。转换器100包括第一区域101和第二区域102，其中第一区域101通过指示电分离或电隔离的边界104来与第二区域102电分离（以及隔离）。

（未被图示的）测量设备可以被连接在第一输入端子105与第二输入端子107之间，其中通过向供给端子109供给第一电供给电压V1，该设备可以被供给有能量。第一电供给电压V1可以是例如+24V。输入电流111可以流过在图1中未被图示的设备，并且将返回到第二输入端子107。输入电流111从第二输入端子107穿过分流电容器113流到输入参考节点115，所述输入参考节点115在所图示的实施例中被连接到地电势GND。流过未被图示的设备的输入电流111可以指示由该设备所测量的物理量的测量值。

也可以被看作电流分流监控器的第一放大器117可以在第一放大器117的输入端子119、121处接收到电压降。放大器117放大了在放大器117的输入端子119和121处接收到的电压降，并且在放大器117的输出端子123处相对于被连接到地电势GND的参考输出端子125输出了初步输出电压。在这里，通过使用供给输入端子127，第一放大器117被提供有电能。特别地，第一放大器117通过采用第一电供给电压V1而被供给有电能，所述第一电供给电压V1也被供给到供给端子109。

在第一放大器117的端子123处所输出的初步输出电压被供给到第二放大器131的正输入端子129。第二放大器131是运算放大器或包括运算放大器。在第一放大器117的输出端子123处所提供的初步输出电压输出的部分对应于用于操作被连接在第一输入端子105与第二输入端子107之间的设备的待机电流，其中这部分初步输出电压并不对应于指示物理量的测量值的信号。特别地，在第一放大器117的输出端子123处所供给的初步输出电压可以不是零，即使要被测量的物理量具有零值。

为了做这个不想要的电压偏移的校正，转换器100包括电压参考元件133，所述电压参考元件133在其输出端子135处提供偏移电压，所述偏移电压经由电阻器137被供给到第二放大器131的负输入端子139。此外，第二放大器131的输出端子141经由另一电阻器143被连接到第二放大器131的负输入端子139。第二放大器131被适配来在该第二放大器131的输出端子141处提供在0V到5V之间的范围内的输出电压VOUT。在其它实施例中，该输出电压可以被提供为数字输出电压信号。

转换器100进一步包括电压传输组件145，所述电压传输组件145包括在第一区域101中的第一电路147并且包括位于第二区域102中的第二电路149。

在所图示的实施例中，第一电路包括生成某强度的光的光源151，其中该强度与在输入端子153处接收到的输入电压VOUT有关。为了向第一电路147供给电能，供给端子155通过采用第一电供给电压V1而被供给有电能。特别地，为了适当的操作，第一电路147并不要求采用相对于地电势GND的正电压和负电压的能量流，端子157和159被连接到所述地电势GND。

光源151生成具有基于在第一电路的输入端子153处接收到的输出电压VOUT的强度的光。由光源151所生成的光跨越边界104朝着光电二极管161行进，所述光电二极管161被包括在第二电路149中。基于由光电二极管161所接收到的光的强度，第二电路149在其输出端子163处生成输出电压VOUT。为了驱动第二电路，第二电路149在供给端子165处接收电能。从而，第二电供给电压V2被施加在供给端子165处。

为了向供给端子109、向第一放大器117的供给端子127、向第一电路147的供给端子155以及也向第二放大器131的供给端子142供给第一电供给电压V1，转换器100包括电功率提供器167，用于在该电功率提供器167的供给端子169处提供第一电供给电压V1。第一电供给电压V1可以是例如+24V。应该理解的是，电功率提供器167并不提供除了第一电供给电压之外的电压，其中所述电压具有不同于第一电供给电压V1的极性。因而，电功率提供器167可以被看作是单极性电功率提供器。

特别地，电功率提供器167经由功率输入端子171从外部设备接收电能。从而，第二电供给电压V2可以通过使用外部设备或系统而被施加到功率输入端子171。此外，电功率提供器167包括位于第一区域101之内的第一提供器部分168以及位于第二区域102中的第二功率提供器部分170。在这里，第一功率提供器部分168和第二功率提供器部分168被电感地耦合，用于把电能从第二功率提供器部分170传输到第一功率提供器部分168。

图2示意性地图示了根据实施例的转换器200，测量设备204在第一输入端子205与第二输入端子207之间被连接到所述转换器200，并且控制系统272在输出端子268处被连接到所述转换器200。在4mA至20mA接收器214之内，输入电流211被接收到，其中接收器214通过使用第一电功率提供器部分268来被供给有电能，所述第一电功率提供器部分268经由供给端子269提供为单极性的供给电压。此外，电流到电压转换器216把电流211转换为电压、诸如输出电压VOUT。特别地，电流到电压转换器216可以包括分流电阻器113、第一放大器117、第二放大器131、参考电压元件133以及电阻器137和143，如在图1中所图示。

此外，在图2中所图示的转换器200包括电压传输组件245，所述电压传输组件245可以如在图1中所图示的电压传输组件145那样类似地被构造。特别地，电压传输组件245通过使用单极性的电源提供器268经由供给端子255而被供给有电能。同样，电流到电压转换器216在端子218处被提供有单极性电压。

此外，电压传输组件245通过使用第二功率提供器部分270而被供给有来自第二区域202的电能，其中第二功率提供器部分经由供给端子271、265来提供电能。

电压传输组件245在输出端子263和264处向附加的放大器266提供了输出电压VOUT或者被缩放的版本的输出电压VOUT，所述附加的放大器266在其输出端子268处生成最后的输出电压VOUT。

根据实施例，运算放大器266也可以被提供在图1中所图示的实施例100中。此外，放大器266通过使用第二功率提供器部分270经由供给端子271被供给有电能。

图3示意性地图示了根据常规的例子的转换器300。与在图2中所图示的根据实施例的转换器200相反，转换器300在第一区域301中要求两个第一功率提供器部分368a和368b，以通过采用两个相反极性的电压来向在第一区域301之内的组件提供电能，其中第一功率提供器部分368a提供了供给电压的正极性，而另一第一功率提供器部分368b提供了负极性的供给电压。

此外，根据常规的例子的转换器300还在第二区域302之内包括两个第二功率提供器部分370a和370b，其中第二功率提供器部分370a提供了正极性供给电压，而另一第二功率提供器部分370b提供了负极性供给电压，用于向在第二区域之内的组件供给电能。从而，根据常规的例子的转换器300要求更多的空间，比根据本发明的实施例的转换器100或200更重并且因而更昂贵。

应该注意的是，术语“包括”并不排除其它要素或步骤，而“一”或“一个”并不排除复数。同样，与不同实施例相关联地被描述的要素可以被组合。还应该注意的是，权利要求书中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。