АНАЛОГОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КАНАЛ С САМОДИАГНОСТИКОЙ

Устройство относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в устройствах измерения напряжения и тока в автоматизированных системах контроля, диагностики и управления технологическими процессами.
Известен комплекс ИВК-АДК - «Комплекс аппаратно-программных средств автоматизации диагностирования и контроля устройств и управления технологическими процессами» (патент на полезную модель RU №61438, G05B 15/00, G05B 19/4063, B61L 27/04, опубликован 27.02.2007), при этом, комплекс включает в себя измерительные модули, каждый канал аналого-цифрового преобразования которых содержит импульсный трансформатор для обеспечения гальванически изолированного питания канала, два прецизионных элемента стабилизации напряжения, микропроцессорный элемент, последовательно соединенные дифференциальный и масштабирующий операционные усилители для образования двух поддиапазонов измерения, входы первого из которых являются входами канала, а выходы обоих соединены со входами микропроцессорного элемента, обеспечивающего аналого-цифровое преобразование, вычисление средневыпрямленного и среднеквадратического значения напряжения входного сигнала в интервале кратном периоду частоты измеряемого сигнала и наиболее вероятной помехи, кроме этого, микропроцессорный элемент подключен к цепям с элементами гальванической развязки для синхронизации и обмена информацией с центральным микропроцессорным элементом модуля.
Известен комплекс ИВК-ТДМ - «Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации диагностирования и мониторинга устройств и управления технологическими процессами» (патент на полезную модель RU №68723, G05B 15/00, G05B 19/4063, B61L 27/04, опубликован 27.11.2007), в который входят функциональные микромодули аналогового ввода, содержащие импульсные трансформаторы для обеспечения гальванически изолированного питания элементов схемы микромодуля, прецизионный элемент стабилизации напряжения, микропроцессорный элемент, последовательно соединенные дифференциальный (с защитно-нормирующим делителем напряжения на входе) и масштабирующий операционные усилители для образования двух поддиапазонов измерения, входы первого из которых являются входами канала, а выходы обоих соединены с входами микропроцессорного элемента, обеспечивающего аналого-цифровое преобразование, вычисление средневыпрямленного значения напряжения входного сигнала в интервале кратном периоду частоты наиболее вероятной помехи, кроме этого, микропроцессорный элемент подключен к цепям с элементами гальванической развязки для синхронизации и обмена информацией с микропроцессорным элементом управляющего модуля концентратора информации.
Недостатками аналогов является то, что измерительный канал, несмотря на наличие двух операционных усилителей, не имеет достаточно широкого диапазона измерения, а также не может диагностировать неисправности, возникающие в канале - такие как: изменение сопротивлений входного делителя напряжения, изменение коэффициента передачи операционного усилителя, изменение напряжения стабилизированных источников, питающих аналоговую часть канала. Такие неисправности часто возникают в каналах, связанных с цепями, на которые могут воздействовать коммутационные перенапряжения или молниевые разряды, и приводят к изменению метрологической характеристики, ошибочным результатам измерения.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что известный аналоговый измерительный канал, содержащий входной делитель напряжения, дифференциальный операционный усилитель, гальванически изолированные источники стабилизированного напряжения, микропроцессорный элемент с встроенным аналого-цифровым преобразователем и узел приема/передачи данных с гальванической изоляцией, с целью расширения диапазона измерения и контроля метрологической характеристики, дополнительно содержит резистор, включенный последовательно в цепь входного делителя напряжения, параллельно включенное этому резистору оптореле, управляемое микропроцессорным элементом, и интегральные аналоговые ключи, также управляемые микропроцессорным элементом, два, или другое число, из которых переключают дополнительные шунтовые резисторы делителя напряжения, изменяющие измерительный диапазон входного напряжения, а два других переключают вход дифференциального операционного усилителя с резисторов входного делителя на резисторы, образующие делитель напряжения между выходами источников стабилизированного напряжения, один из которых питает аналоговую часть микропроцессорного элемента, а второй является средней точкой для операционного усилителя.
Краткое описание чертежей.
На рисунке 1 приведена схема аналогового измерительного канала, где: R1, R2 - входные резисторы делителя напряжения; R3 - дополнительный резистор входного делителя с параллельно включенным этому резистору оптореле - 1; R4 - шунтовой резистор делителя напряжения; R5, R6 - резисторы, образующие делитель между выходами источников стабилизированного напряжения; R7, R8 - дополнительные шунтовые резисторы; 2, 3 - интегральные аналоговые ключи, управляемые микропроцессорным элементом 5; 4 - дифференциальный операционный усилитель с соответствующими резисторами - R9-R12; 6 - узел приема/передачи данных с гальванической изоляцией; 7 - гальванически изолированный источник стабилизированного напряжения с выходами: Up - питание микропроцессорного элемента и других элементов схемы, Ua - питание аналоговой части микропроцессорного элемента, Uo - средняя точка для операционного усилителя, U- - общий «минус» всех напряжений.
Устройство работает под управлением микропроцессорного элемента (5). В режиме измерения входного сигнала вход операционного усилителя (4) ключами (2) подключен к резисторам R1, R2, а резистор R3 замкнут выходом оптореле (1). По заложенной в него программе микропроцессорный элемент управлением ключами (3) выбирает оптимальный диапазон измерения и передает информацию на верхний уровень. Периодически измерительный канал переходит в режим самодиагностики. Для проверки входного делителя напряжения микропроцессорный элемент размыкает выход оптореле, включая резистор R3 в цепь делителя, производит измерение сигнала, вычисляет коэффициент изменения результата и сравнивает со значением занесенным в его память при калибровке. Для повышения достоверности тестирования процедура повторяется несколько раз, результаты усредняются и делается вывод. Далее микропроцессорный элемент ключами (2) подключает вход операционного усилителя к резисторам R5, R6 и управлением ключами (3) производит измерение в трех точках метрологической характеристики. В действующем устройстве выбором резисторов R5, R6 используются точки, примерно, 0,7, 0,35 и 0,13 диапазона измерения (разностного значения напряжений Ua и Uo). Анализ полученных результатов и сравнение скалибровочными значениями, записанными в память, позволяют определять отклонения от нормы всех элементов схемы и, соответственно, метрологической характеристики в условиях одной неисправности.