УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ОТ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ДАТЧИКА ВИБРАЦИИ С ВСТРОЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКОЙ
DEVICE FOR TRANSMITTING SIGNALS FROM A MULTICOMPONENT VIBRATION SENSOR WITH BUILT-IN ELECTRONICS

Предполагаемое изобретение относится к устройствам сбора и передачи данных и может быть использовано для подключения датчиков различных динамических сигналов: ускорения, скорости, динамических перемещений, пульсаций давления, силы, акустических величин и т.п. к модулям сбора данных в системах SCADA и IIoТ (промышленного интерната вещей) с учетом минимизации количества проводов в линиях связи, количества контактов в соединителях, что повышает надежность, позволяет упростить прокладку линий передачи данных и уменьшить габариты за счет снижения количества контактов в соединителях на нижнем уровне подобных систем.
Передача сигналов и питания по одному проводу в двухпроводных устройствах получила широкое распространение, например при использовании интерфейсов типа IEPE - Integrated Electronics Piezo Electric, LIVM - Low Impedance Voltage Mode, ICP - Integrated Circuit Piezoelectric, Isotron, DeltaTron, Piezotron, а также CCLD - Constant Current Line Drive.
Особенность датчиков перечисленных типов состоит в том, что регулируемый элемент встроенного интерфейса такого датчика представляет собой по существу эквивалент сопротивления, управляемого сигналом от первичного измерительного преобразователя. В простейшем случае в качестве такого элемента используется полевой транзистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от напряжения или заряда на его затворе [Патент US Re28596, НКИ 310/8.1, МКИ H01V 7/00, 1975], [Патент US 4816713, НКИ 310/319, МКИ H01L 41/08, 1989], а также [Levinzon, Felix. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics. Springer International Publishing Switzerland, 2015. - 170 p. См.: Fig. 1.12 p. 23, Fig. 1.26 p. 29, Fig 3.1 p. 60, Fig 3.5 p. 66, Fig 7.1 p. 119, Fig. 8.1, p. 137, Fig. 9.1 p. 153, Fig. 9.4 p. 156, Fig. 9.7 p. 159 и Fig. 9.10 p. 161]. В таких решениях, находящих широкое применение в настоящее время, возможности преобразования относительно слабого сигнала от первичного измерительного преобразователя весьма ограничены, причем практически весь ток от питающего датчик источника тока поступает в регулируемый элемент - управляемый резистор. Это ограничивает область возможных применений таких решений и ведет к необходимости использования источников питания относительно большой мощности для того, чтобы требуемое питание других элементов электроники, кроме управляемого резистора, могло быть выделено из заданного тока без ограничения на функционирование управляемого резистора (обеспечение возможности изменения напряжения на выходе в широких пределах).
В случае использования встроенного преобразования сигнала от первичного измерительного элемента, например усиления, фильтрации и т.п., такой сигнал предварительно проходит через усиливающие элементы, питание которых выполняется от питающего датчик источника тока по двухпроводной линии и в зависимости от исполнения выходной сигнал усиливающих элементов используется для изменения тока в выходных элементах [Патент US 5477735, НКИ 73/654, МКИ G01H 11/06, 1995] и [Патент US 5792956, НКИ 73/660, МКИ G01P 7/00, 1995].
Таким образом, в этом случае значительная часть от величины тока источника постоянного тока питающего датчик может расходоваться на питание усиливающих элементов. Эта часть не может быть большой, поскольку она может меняться в зависимости от сигнала и вносить нелинейные искажения в изменения эквивалентного выходного сопротивления. Это ограничивает область возможных применений таких решений.
Возможны также решения с питанием усиливающих элементов от независимой цепи источника питания [Levinzon, Felix. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics. Springer International Publishing Switzerland, 2015. - 170 p. см.: Fig. 1.23 p. 25 и Fig. 3.2 p. 62], но в этом случае питание и передача сигнала должна осуществляться по трехпроводной линии, т.е. теряется важное преимущество простого и дешевого двухпроводного интерфейса с малым количеством проводов, соединительных элементов и увеличивается сложность монтажа, стоимость кабелей, снижается надежность и ведет к увеличению габаритных размеров соединительных элементов.
Известно устройство для передачи аналоговых сигналов по двухпроводной линии содержащее передатчик сигнала, приемник сигнала и двухпроводную линию, начальный контакт первого провода которой соединен через первый конденсатор с первым выводом передатчика сигнала, конечный контакт первого провода двухпроводной линии через второй конденсатор соединен с первым входом приемника [Патент US 4083241, НКИ 73/194, МКИ G01F 1/32, 1978].
Недостатком этого устройства являются ограниченные функциональные возможности поскольку возможные изменения напряжения на шине сигнал-питание ограничены снизу минимальной величиной напряжения питания, которое не может быть снижено, так как его снижение ограничивает со своей стороны возможную максимальную амплитуду переменной составляющей на шине сигнал-питание.
Известно устройство для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии содержащее приемник сигнала, генератор тока, вход которого соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока соединен с началом провода сигнал-питание двухпроводной линии, который соединен с входным контактом приемника сигнала, общий контакт которого соединен с началом общего провода двухпроводной линии, окончание которого соединено с общим контактом передатчика сигнала приемника [Патент US 9939315 В2, МКИ G01Н 11/08, 10.04.2018].
Недостатком этого устройства является использование напряжения сигнала с провода сигнал-питание двухпроводной линии непосредственно для питания усилительных элементов передатчика сигналов, что вызывает нелинейные искажения передаваемого сигнала, а даже кратковременные снижения напряжения на этом проводе могут полностью исказить передаваемую информацию, если они станут ниже допустимого минимума напряжения питания усилительных элементов передатчика сигнала, что ведет к низкой достоверности функционирования устройства.
Известно устройство для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии содержащее приемник сигнала, генератор тока, вход которого соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока соединен с началом провода сигнал-питание двухпроводной линии, который соединен с входным контактом приемника сигнала, общий контакт которого соединен с началом общего провода двухпроводной линии, окончание которого соединено с общим контактом передатчика сигнала, этот контакт соединен с анодом стабилизатора [Патент US 4939455, НКИ 324/168, МКИ G01P 3/488, 1990].
Недостатками известного устройства являются относительно низкая достоверность функционирования и ограниченная область применения. Это связано с значительными изменениями напряжения на проводе сигнал-питание двухпроводной линии, которые передаются на элементы встроенной электроники передатчика сигнала при передачи сигналов относительно высокого размаха, что вызывает необходимость использования дополнительного строенного источника питания в передатчике сигнала, а также может вызывать искажения передаваемого сигнала из-за непостоянства питания элементов электроники передатчика сигнала.
Известно устройство для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии содержащее приемник сигнала, генератор тока, вход которого соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока соединен с началом провода сигнал-питание двухпроводной линии, который соединен с входным контактом приемника сигнала, общий контакт которого соединен с началом общего провода двухпроводной линии, окончание которого соединено с общим контактом передатчика сигнала, этот контакт соединен с анодом стабилизатора [Патент US 5477735, НКИ 73/654, МКИ G01H 11/06, 1995].
Недостатками известного устройства являются относительно низкая достоверность функционирования и ограниченная область применения. Это связано с значительными изменениями напряжения на проводе сигнал-питание двухпроводной линии, которые передаются на элементы встроенной электроники передатчика сигнала при передачи сигналов относительно высокого размаха, что вызывает необходимость использования дополнительного встроенного источника питания в передатчике сигнала, а также может вызывать искажения передаваемого сигнала из-за непостоянства питания элементов электроники передатчика сигнала.
Известно устройство для передачи сигналов от нескольких датчиков вибрации с встроенной электроникой содержащее общую дифференциальную шину передачи цифровых данных, которая соединена с приемника сигнала и передатчиков сигнала каждого датчика вибрации, причем в приемнике сигнала провода дифференциальной шины передачи цифровых данных соединены с входами приемной интерфейсной схемы через соответствующие разделительные конденсаторы, а также через соответствующие разделительные индуктивности с выходами источника питания приемника сигнала, в передатчике каждого из датчиков вибрации выходы его интерфейсной схемы соединены с проводами дифференциальной шины передачи цифровых данных через соответствующие разделительные конденсаторы и эти провода дифференциальной шины передачи цифровых данных через разделительные индуктивности соединены с входами схемы питания передатчика этого датчика вибрации [Патент РФ №2578734, G01V 1/22, 2013].
Использование общей для всех датчиков вибрации шины передачи цифровых данных требует существенного усложнения встроенной в датчик электроники, исключает возможность синхронного сбора сигналов с датчиков вибрации, поскольку невозможно передавать одновременно сигналы от нескольких датчиков по одной шине и, что особенно важно, передача на сопоставимое расстояние цифровых сигналов с заданной полосой частот требуется существенная большая мощность, чем при передачи соответствующего сигнала в аналоговом представлении. С учетом этого в каждый из датчиков вибрации необходимо передать существенно большую мощность для его питания и соответственно увеличение величины постоянного тока через провода шины передачи цифровых данных, что ведет к увеличению потеть на активном сопротивлении этих проводов от суммарного повышенного тока всех датчиков. Кроме того, хотя первичный измерительный преобразователь обычно весьма экономичен и потребляет токи менее миллиампера, значительный выходной ток каждого из передатчиков (десятки миллиампер) может привести к провалам в напряжении питания поступающего на схему питания датчика. Таким образом это устройство не обеспечивает достоверной передачи данных и не обеспечивает экономичности по потребляемой мощности.
В случае использования встроенного преобразования сигнала от первичного измерительного элемента, например усиления, фильтрации и т.п. такой сигнал предварительно проходит через усиливающие элементы, питание которых выполняется от питающего датчик источника тока по двухпроводной линии и в зависимости от исполнения выходной сигнал усиливающих элементов используется для изменения тока в выходных элементах [Патент US 5477735, НКИ 73/654, МКИ G01H 11/06, 1995] и [Патент US 5792956, НКИ 73/660, МКИ G01P 7/00, 1995].
Таким образом, в этом случае значительная часть от величины тока источника постоянного тока питающего датчик может расходоваться на питание усиливающих элементов. Эта часть не может быть большой поскольку она может меняться в зависимости от сигнала и вносить нелинейные искажения в изменения эквивалентного выходного сопротивления. Это ограничивает область возможных применений таких решений.
Предлагаемое решение позволяет практически весь ток от источника тока питающего датчик использовать в нем для питания усиливающих и преобразующих согласующих элементов, осуществляя при этом передачу, как сигнала, так и питания по одному проводу и не использовать на выходе передающего элемента датчика элементы сопротивление которых зависит от сигнала с выхода первичного измерительного преобразователя или их эквивалентны.
При использовании многокомпонентных пьезоэлектрических датчиков вибрации с встроенной электроникой широкое распространение получили технические решения, состоящие в конструктивном объединении трех однокомпонентных датчиков и использовании для них объединенного общего провода в соединительном кабеле, что обеспечивает подключение, например, трехкомпонентного датчика с использованием четырехпроводной линии связи [Szary A. R. Ground Loop Problems with Measurement Systems and How to Avoid Them // [Электронный ресурс] Precision Filters, Inc., 2013. http://www.pfinc.com/paper_briefs/Ground_Loop_Problems.pdf].
В таких решениях, находящих широкое применение в настоящее время, возможности преобразования относительно слабого сигнала от первичного измерительного преобразователя весьма ограничены, поскольку практически весь ток от питающего датчик источника тока поступает в выходной регулируемый элемент, реализующий управляемое сопротивление. Это ограничивает область возможных применений таких решений.
Наиболее близким к предложенному и выбранным в качестве прототипа является устройство для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой содержащее приемник сигнала, в котором входы генераторов тока каналов соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока канала соединен с началом провода сигнал-питание канала линии связи, который соединен через разделительный конденсатор канала с выходом канала, общая шина которых соединена с началом общего провода линии связи, окончание которого соединено с общей шиной передатчика сигнала, в котором она соединена с общим выводом согласующего преобразователя, входы которого соединены с многокомпонентным первичным измерительным преобразователем. [Szary A. R. Ground Loop Problems with Measurement Systems and How to Avoid Them // [Электронный ресурс] Precision Filters, Inc., 2013. - 77 p. http://www.pfinc.com/paper_briefs/Ground_Loop_Problems.pdf стр. 71 - прототип].
Недостатками такого решения является использование большого количества проводников в кабеле типа «витая пара» для передачи данных, несколько общих проводников (в каждом канале свой. В каждом канале в приемнике общие проводники соединены с общей шиной приемника через генераторы тока - на практике будет отсутствие равенства балансов токов по положительной и отрицательной шинам питания.
Недостатком устройства прототипа являются также его ограниченные функциональные возможности. Действительно, с использованным в нем приемнике, содержащем в каждом из каналов источник тока, его можно использовать только с многокомпонентными датчиками, если только они имеют интерфейсы типа IEPE (или его аналоги), причем многокомпонентный датчик в этом случае по существу представляет собой два или три обычных однокомпонентных датчика с таким интерфейсом, закрепленных в или на общем основании. Ток источника тока используется для питания датчика только этого канала. К приемнику в этом случае невозможно подключить многокомпонентный датчик, выполненный по микроэлектронной - МЭМС (MEMs) технологии, в которых обычно используется электронная схема с общей для всех каналов шиной питания.
Предлагаемое решение позволяет практически весь ток от источников тока питающих датчик использовать в нем для питания усиливающих и преобразующих согласующих элементов, осуществляя при этом передачу, как сигнала, так и питания по одному проводу и не использовать на выходе передающего элемента датчика элементы, сопротивление которых зависит от сигнала с выхода первичного измерительного преобразователя или их эквиваленты.
Предлагаемое устройство содержит общую шину питания в приемнике, что позволяет использовать предлагаемое решение как с датчиками, имеющими в каждом канале независимую электронную схему, так и многокомпонентные датчики микроэлектронного МЭМС (MEMs) типа. Наличие общего питания позволяет повысить достоверность функционирования, поскольку для питания электронных компонент передатчика многокомпонентного датчика используются суммарный ток от всех генераторов тока приемника сигналов. В случае снижения тока питания от генератора тока в каком либо из каналов питание всех каналов передатчика осуществляется от оставшихся генераторов тока. Изменения в структуре по сравнению с прототипом позволяют также существенно снизить необходимый ток от генераторов тока. Если в прототипе большая часть тока может потребляться выходными элементами передатчика, которые являются фактически эквивалентами управляемого напряжением переменного сопротивления, а для питания остальной части используется небольшая часть тока получаемого от генератора тока (в противном случае изменения сигнала - напряжения на выходе будут незначительными, т.е. чувствительность будет существенно занижена). В предлагаемом устройстве выходной элемент передатчика работает как источник переменного напряжения, собственное потребление которого может быть незначительны и практически весь ток от генератора тока может быть использован для питания других элементов передатчика, в том числе и соответствующих другим каналам (компонентам), что по существу обеспечивает питание передатчика в режиме резервирования.
Технический эффект состоит в расширении области применения за счет возможности работы не только с пьезоэлектрическими датчиками с встроенным усилителем, но и с МЭМС датчиками и возможности работы при меньших уровнях тока питания и повышенной надежностью.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой, содержащем приемник сигнала в котором входы генераторов тока каналов соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока канала соединен с началом провода сигнал-питание канала линии связи, который соединен через разделительный конденсатор канала с выходом канала, общая шина которых соединены с началом общего провода линии связи, окончание которого соединено с общей шиной передатчика сигнала, в котором она соединена с общим выводом согласующего преобразователя, входы которого соединены с первичным многокомпонентным измерительным преобразователем, окончания каждого из проводов сигнал-питание каналов линии связи соединены через дополнительные конденсаторы с выходами согласующего преобразователя, шина питания которого соединена с выходом стабилизатора напряжения и через блокирующий конденсатор с общей шиной передатчика сигнала, которая соединена с общей шиной стабилизатора напряжения, вход которого через индуктивности соединен с окончаниями проводов сигнал-питание каналов линии связи.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой в качестве стабилизатора напряжения использован стабилитрон, анод которого соединен с общим выводом стабилизатора напряжения, а катод стабилитрона соединен с входом и выходом стабилизатора напряжения.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой стабилизатор напряжения содержит стабилитрон, анод которого соединен с общим выводом стабилизатора напряжения, а катод стабилитрона подключен к входу последовательного стабилизатора, общий вывод и выход которого соединены соответственно с общим выводом стабилизатора напряжения и его выходом.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой в качестве последовательного стабилизатора использован линейный последовательный стабилизатор с низким падением напряжения.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой в качестве последовательного стабилизатора использован импульсный преобразователь напряжения.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой согласующий преобразователь, входы которого соединены с выходами первичного многокомпонентного измерительного преобразователя, содержит транзисторы по числу компонент первичного многокомпонентного измерительного преобразователя, затворы которых являются первыми входами согласующего преобразователя, вторые входы которого соединены с общим выводом согласующего преобразователя, который соединен со стоками транзисторов, исток каждого из которых является выходом согласующего преобразователя и соединен через вспомогательный резистор с шиной питания согласующего преобразователя.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой первичный многокомпонентный измерительный преобразователь выполнен в виде многокомпонентного пьезоэлектрического первичного измерительного преобразователя.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой в качестве согласующего преобразователя, входы которого соединены с первичным многокомпонентным измерительным преобразователем, использован микроэлектронный многокомпонентный датчик, общий вывод которого является общим выводом согласующего преобразователя, шиной питания которого является вывод питания микроэлектронного многокомпонентного датчика.
Предполагаемое изобретение поясняется чертежами, показанными на фиг. 1-4.
Устройство для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой содержит приемник 1 сигнала в котором входы генераторов 2 тока каналов соединен с шиной 3 питания приемника 1 сигнала, выход генератора 2 тока канала соединен с началом провода сигнал-питание канала линии 4 связи, который соединен через разделительный конденсатор 5 канала с выходом 6 канала, общая шина 7 которых соединена с началом общего провода линии связи 4, окончание которого соединено с общей шиной передатчика 8 сигнала, в котором она соединена с общим выводом согласующего преобразователя 9, входы которого соединены с первичными многокомпонентным измерительным преобразователем 10, окончания каждого из проводов сигнал-питание каналов линии связи 4 соединены через дополнительные конденсаторы 11 с выходами согласующего преобразователя 10, шина питания которого соединена с выходом стабилизатора 12 напряжения и через блокирующий конденсатор 13 с общей шиной передатчика 8 сигнала, которая соединена с общей шиной стабилизатора 12 напряжения, вход которого через индуктивности 14 соединен с окончаниями проводов сигнал-питание каналов линии связи 4.
В качестве стабилизатора 12 напряжения может быть использован стабилитрон 15, анод которого соединен с общим выводом, а катод соединен с входом и выходом стабилизатора напряжения, как показано на фиг. 2.
Как будет показано ниже, в предлагаемом устройстве желательно использовать индуктивности большого номинала. На фиг. 1 индуктивности представлены эквивалентными схемами, содержащими собственно индуктивность L1 (L2, L3), а также активное сопротивление r1 (r2, r3) обмотки этой индуктивности. Для больших по номиналу индуктивностей активное сопротивление имеет относительно большую величину и может составлять десятки или сотни ом. В случае использования в качестве стабилизатора напряжения 12 стабилитрона 15 это внутреннее сопротивление будет ограничивать ток через стабилитрон, но поскольку питание его осуществляется от генераторов тока, величина тока через стабилитрон 15 во всех случаях будет ограничена. На последующих чертежах активное сопротивление индуктивности не показано в явном виде.
Как показано на фиг. 3, согласующий преобразователь 9, входы которого соединены с выходами первичного многокомпонентного измерительного преобразователя 10, содержит транзисторы 17 по числу компонент первичного многокомпонентного измерительного преобразователя 10, затворы которых являются первыми входами согласующего преобразователя 9, вторые входы которого соединены с общим выводом согласующего преобразователя 9, который соединен со стоками транзисторов 17, исток каждого из которых является выходом согласующего преобразователя 9 и соединен через вспомогательный резистор 18 с шиной питания согласующего преобразователя 9.
При таком исполнении первичный многокомпонентный измерительный преобразователь 10 выполнен в виде многокомпонентного пьезоэлектрического первичного измерительного преобразователя. На фиг. 3 такой преобразователь содержит три независимых пьезоэлектрических преобразователя 19.
В качестве согласующего преобразователя 9, входы которого соединены с первичным многокомпонентным измерительным преобразователем 10, может быть использован микроэлектронный многокомпонентный датчик - МЭМС (MEMs) датчик, общий вывод которого является общим выводом согласующего преобразователя 10, шиной питания которого является вывод питания микроэлектронного многокомпонентного датчика. В этом случае согласующий преобразователь 9, входы которого соединены с первичным многокомпонентным измерительным преобразователем 10 конструктивно объединены в одну интегральную схему, выполненную по общей технологии.
На фиг.4 приведен пример временной зависимости сигналов на выходах каналов 6 для трехкомпонентного датчика вибрации, ортогональные компоненты пространственной вибрации действующей на который имеют амплитуды вибрации с соотношением 5:2:1. Компоненты имеют различные фазы при частоте 100 Герц. При этом постоянное смещение на проводах сигнал-питание линии связи 4 определяется напряжением стабилизации стабилитрона 15 и равно 9 Вольт.
При реализации для получения малых значений нижней граничной частоты пропускания в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков необходимо применение индуктивностей относительно большой величины. Примерами таких индуктивностей, обеспечивающих практическую применимость устройства для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии, являются индуктивности, например, типов BSS105 или BSL105 (производства Wilco Corporation) номиналом 1 Генри. Внутреннее активное сопротивление r таких индуктивностей, используемое в качестве ограничивающего ток через них элемента эквивалентной схемы индуктивности, как это указано в описании работы устройства, составляет соответственно 410 и 75 Ом. В зависимости от заданного значения нижней граничной частоты пропускания возможно использование и других аналогичных индуктивностей.
Предлагаемое решение обеспечивает работу передатчика 8 при стабильном напряжении питания и с эффективным разделением постоянной составляющей используемой для питания, и переменной, используемой для передачи информации о динамических процессах, фиксируемых датчиком. Постоянная составляющая при этом практически полностью используется именно для питания, что позволяет снизить общее потребление мощности устройством, реализующим такой интерфейс передачи сигналов, уменьшив нелинейные искажения и обеспечить работу с датчиками различного типа. Это увеличивает достоверность функционирования и расширяет возможную область применения устройства.