СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ОТ ДАТЧИКОВ С АНАЛОГОВЫМ ВЫХОДОМ ПО ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
SIGNAL TRANSMISSION SYSTEM FROM SENSORS WITH ANALOGUE OUTPUT FOR THE TWO-WIRELESS COMMUNICATION LINE

Предлагаемое изобретение относится к устройствам передачи сигналов от аналоговых датчиков к измерительной системе и может использоваться в стационарных комплексах непрерывного контроля таких величин, как вибрация, давление, угловая скорость, пульсации давления, звук, динамические силы, изменения магнитного и электрического полей и т.п., в которых используются микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС (микроэлектромеханических систем) технологий, имеющих аналоговый выход.
Многие первичные измерительные преобразователи физических величин в электрические сигналы могут подключаться к измерительной аппаратуре по двухпроводной линии. Это требует минимального количества соединительных проводов, но отсутствие формирования сигналов в непосредственной близости от первичного измерительного преобразователя при передаче на значительное расстояние не обеспечивает удовлетворительной помехоустойчивости. Использование встроенной электроники в датчике обеспечивает улучшение параметров, но может потребовать дополнительных шин питания, что увеличивает затраты на количество соединительных линий и количество контактов входных соединителей (клеммников) измерительной аппаратуры, снижая ее надежность и увеличивая габариты и стоимость.
В настоящее время выпускается большое количество датчиков вибрации, давления, магнитного поля, температуры и т.п., выполненных по технологии МЭМС, имеющих общий вывод, вывод питания и выход аналогового сигнала, величина сигнала на котором линейно зависит от измеряемой физической величины и при нулевом внешнем воздействии имеющих напряжение, близкое или равное половине напряжения питания. Интерфейс, называемый логометрическим (ratiometric), такого датчика требует трехпроводного соединения, что ограничивает возможности их использования в системах распределенного контроля, поскольку требует большого количества контактных соединений в разъемах или клеммниках, большое количество проводов, что увеличивает габариты и стоимость систем и увеличивает вероятность отказов.
Известны системы передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом (например, вибрации - акселерометры, или акустического сигнала - микрофоны) с передачей сигнала и питания по двухпроводной линии соответствующего интерфейсу IEPE и его аналогам. В этом интерфейсе в измерительном приборе используют генератор постоянного тока, питаемый от источника постоянного напряжения и подключаемый через первый провод к выводу питания/сигнала, а второй провод линии связи является общим [Felix Levinzon. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics. Springer, 2015 edition (August 6, 2014), 169 pages]. Недостатком такой системы является необходимость использования сравнительно большого напряжения питания (обычно порядка 24 Вольт), что даже при низком значении тока питания (2 мА) приводит к значительной потребляемой мощности, снижает надежность из-за необходимости использования элементов, рассчитанных на высокое напряжение, и плохо согласуется с типовыми требованиями по питанию датчиков, выполненных по МЭМС технологии. Кроме того, минимальный ток питания в 2 мА часто недостаточен для питания датчиков МЭМС. Выходное напряжение датчика при отсутствии сигнала порядка 10-14 Вольт и при подаче на выход напряжения питания выше указанной величины, например при повреждении генератора тока или ошибке монтажа, вызывает повреждение датчика. Работа датчиков такого типа основана на изменении сопротивления в цепи постоянного тока, пропорционально измеряемой величине и передаче по линии связи напряжения, формируемого на выходе системы передачи аналогового сигнала.
Известно решение передачи сигналов датчика с аналоговым выходом по двухпроводной линии, в котором сигнал передается по сигнальной линии на приемник сигнала, причем на стороне приемника сигнала линия передачи сигнала соединена с входом приемника сигналов через конденсатор, а общая шина приемника сигналов соединена с общей шиной датчика [Patent US 3356868, НПК 310/3187, МПК G01P 15/09; H03F 3/70, приор. 1963, опубл. 1967]. Недостатком такого решения является необходимость использования встроенного в датчик источника питания.
Известны системы передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом, использующие датчики со встроенным согласующим усилителем, который соединяется с приемником сигнала трехпроводной линией связи, включающей в себя общую шину, шину питания и шину передачи сигнала [Patent US 3389276, НПК 310/319, МПК G01P 15/09, приор. 1965, опубл. 1968].
Недостатком такого решения является необходимость использования трехпроводной линии связи, что существенно увеличивает затраты на них.
Известны системы передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом, в которых используют датчики с передачей сигнала по двухпроводной линии, содержащие чувствительный элемент, соединенный с согласующим усилителем, который преобразует сигнал чувствительного элемента в изменение сопротивления, включенного между выходной и общей шиной линии передачи сигнала, которая в приемнике соединена через токозадающий резистор с шиной источника питания и с входом согласующего приемного усилителя. [Patent US 3400284, НПК 310/319, МПК G01P 15/09, приор. 1966, опубл. 1968, а также RE 28596 US, НПК 310/319, МПК G01P 15/09, приор. 1973, опубл. 1975].
Недостатками таких решений является необходимость использования в приемнике токозадающих элементов, например резисторов, достаточно высокого номинала, что приводит к необходимости увеличения требуемого напряжения общего источника питания, а следовательно, и использования относительно высоковольтных элементов, имеющих повышенную стоимость, и габариты, и пониженную надежность.
Аналогичные свойства и недостатки присущи техническим решениям, соответствующим интерфейсу IEPE и его аналогов: ICP, Izotron, Deltatron, Piezotron и т.п.
Известны системы передачи аналогового сигнала по двухпроводной линии связи в виде токового сигнала (токовая петля), в которых датчик питается от положительной шины источника постоянного напряжения, а в датчике имеется управляемый генератор тока, ток которого зависит от сигнала первичного измерительного преобразователя, причем выход управляемого генератора тока соединен через второй провод двухпроводной линии связи с первым выводом токоприемного резистора, второй вывод которого соединен с отрицательной шиной источника питания в приемной части системы [Patent US 4178525, НПК 310/319, МПК G01P 15/09, приор. 1978, опубл. 1979, а также: «XTR115 XTR116. 4-20 mA Current loop transmitters. Texas Instruments, 2003»].
Недостатком такой системы является необходимость использования сравнительно высокого напряжения питания, жесткое ограничение на величину напряжения и тока питания первичного измерительного преобразователя, например датчика МЭМС. Кроме того, оба соединительных проводника при этом не соединены с общей шиной измерительного прибора и источника питания постоянного напряжения, что требует введения дополнительного входного контакта для подключения экрана, если двухпроводная линия, для обеспечения удовлетворительной помехоустойчивости, выполнена экранированной. Потребляемая мощность при этом существенно выше даже по сравнению с датчиком и системой передачи по интерфейсу IEPE.
Предлагаемое изобретение обеспечивает передачу напряжения питания по двухпроводной линии с нужной, сравнительно низкой, величиной напряжения, близкой к напряжению питания электроники первичного измерительного преобразователя (датчика) и передачей аналогового сигнала изменением величины тока в двухпроводной линии связи за счет регулирования тока в выходной цепи датчика. Это снижает требования к величине напряжения питания и обеспечивает использование общих шин выходных цепей, к которой подключен датчик. Другими словами, предлагаемое решение обеспечивает сочетание преимуществ передачи сигнала по двухпроводной линии в виде изменений тока по токовой петле, в котором в приемной части не требуется использования формирователя тока питания датчика, и интерфейса IEPE (Integrated electronics piezoelectric) - другие синонимы: ICP, Deltatronic, Piezotronic и т.п., которые позволяют реализовать в источнике передаваемого сигнала формирование выходного сигнала за счет управляемого резистора и которые передают сигнал в виде изменений напряжения, но требуют использования в приемном узле схемы формирования постоянного тока питания.
Предлагаемое решение позволяет использовать общее питание в передающей и приемной частях, например 5 вольт или 3,3 вольта и ниже, типовые для современной электронной базы.
Наиболее близким к предложенному является система передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии, содержащая датчик с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом элемента импеданса, выход которого соединен с выводом питания датчика с аналоговым выходом, концы первого и второго проводов двухпроводной линии связи соединены с первым и вторым контактами приемного узла, который содержит токоприемный резистор, а также источник постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной приемного узла, а первый конец второго провода двухпроводной линии связи соединен с общим выводом датчика с аналоговым выходом [Patent US 2012/001328 А1, МПК G01B 7/14, НКИ 324/7.15, приор. 2010, опубл. 19.01.2012].
Недостатком данного устройства является относительно низкая экономичность, поскольку для его питания требуется использовать относительно высокое напряжение питания, обеспечивающее работу источника постоянного тока, также использованного в приемном узле, сравнительно низкая надежность, так как для его реализации требуется использование элементов, рассчитанных на это повышенное напряжение питания. При этом на линии передачи сигналов присутствует относительно высокое напряжение постоянного смещения, что требует использования на выходе передающего сигнал узла и на входе приемного узла элементов, рассчитанных на это повышенное напряжение, что ограничивает возможность использования элементов, рассчитанных на низковольтное питание, что ограничивает область применения такого решения по габаритам, весу, стоимости и надежности.
Кроме того, если используется узел с управляемым сопротивлением в приемном узле, необходимо использовать источник тока для питания датчика, а если не использовать источник тока в приемном узле, в качестве узла с управляемым сопротивлением необходимо использовать контроллер тока (fig. 3A), причем оба этих варианта требуют существенного увеличения напряжения питания.
Устранение указанных недостатков обеспечивается тем, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии, содержащей датчик с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом импедансного элемента, выход которого соединен с выводом питания датчика с аналоговым выходом, у двухпроводной линии связи, концы проводов соединены с первым и вторым контактами приемного узла, который содержит токоприемный резистор, а также источник постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной приемного узла, а первый конец второго провода двухпроводной линии связи соединен с общим выводом датчика с аналоговым выходом, приемный узел дополнительно содержит токоприемный усилитель, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора, которые соединены соответственно с положительной шиной источника постоянного напряжения и первым контактом приемного узла, второй контакт которого соединен с общей шиной, выход токоприемного усилителя является выходом сигнала, а вывод питания датчика с аналоговым выходом соединен с выходом стабилизатора напряжения, общий вывод и вход которого соединены соответственно с общим выводом датчика с аналоговым выходом и первым концом первого провода двухпроводной линии связи.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии связи источник постоянного напряжения содержит шунтирующий конденсатор, который соединен с положительной и отрицательной шинами этого источника.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии импедансный элемент выполнен в виде резистора.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии импедансный элемент выполнен в виде пассивного фильтра нижних частот.
Предлагаемое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема системы.
На фиг. 2-4 показаны структурные схемы некоторых импедансных элементов, реализующих функцию пассивного фильтра нижних частот.
Система передачи сигналов от датчиков 1 с аналоговым выходом по двухпроводной линии 2 связи содержит датчик 1 с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом импедансного элемента 3, выход которого соединен с выводом питания датчика 1 с аналоговым выходом, у двухпроводной линии 2 связи, концы проводов 4 и 5 соединены с первым 6 и вторым 7 контактами приемного узла 8, который содержит токоприемный резистор 9, а также источник 10 постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной 11 приемного узла, а первый конец второго провода двухпроводной линии 2 связи соединен с общим выводом датчика 1 с аналоговым выходом, приемный узел дополнительно содержит токоприемный усилитель 12, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора 9, которые соединены соответственно с положительной шиной источника 10 постоянного напряжения и первым контактом 6 приемного узла 8, второй контакт 7 которого соединен с общей шиной 11, выход токоприемного усилителя 12 является выходом 13 сигнала, а вывод питания датчика 1 с аналоговым выходом соединен с выходом стабилизатора 14 напряжения, общий вывод и вход которого соединены соответственно с общим выводом датчика 1 с аналоговым выходом и первым концом первого провода 4 двухпроводной линии связи 2.
Источник 10 постоянного напряжения может содержать шунтирующий конденсатор 15, который соединен с положительной и отрицательной шинами этого источника 10.
В простейшем случае импедансный элемент 3 может быть выполнен в виде резистора.
Для подавления, например, высокочастотных резонансов датчика 1 импедансный элемент 3 может быть выполнен в виде пассивного фильтра нижних частот.
Показанное на фиг. 2 выполнение импедансного элемента 3 реализовано с использованием резистора 16 и конденсатора 17, причем резистор 16 включен между входом и выходом импедансного элемента 3, а конденсатор включен между его выходом и общей шиной 11.
Показанное на фиг. 3 выполнение импедансного элемента 3 реализовано с использованием резистора 16, дополнительного резистора 18 и конденсатора 17, причем резистор 16 и дополнительный резистор 18 соединены последовательно и включены между входом и выходом импедансного элемента, а конденсатор включен между общим контактом резистора 16 и дополнительного резистора 18 и общей шиной 11.
Показанное на фиг. 4 выполнение импедансного элемента 3 реализовано с использованием резистора 16 и индуктивности 19, которые соединены последовательно и включены между входом и выходом импедансного элемента 3.
Система передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии работает следующим образом.
Датчик 1 с аналоговым выходом преобразует контролируемую физическую величину в аналоговый электрический сигнал, например в заряд или напряжение. Этот сигнал поступает на элемент 3, который преобразует этот сигнал изменения общего тока, поступающего по линии связи 2.
Если в системах с интерфейсом IEPE через узел 3 и остальную часть схемы протекает постоянный по величине ток от генератора тока в приемном узле 3, а в системах с интерфейсом «токовая петля», приложенное к входной части постоянное напряжение сопровождается изменением тока за счет использования встроенного управляемого генератора тока, в предложенном устройстве могут в относительно небольших пределах меняться как ток, так и напряжение питания датчика.
Изменения напряжения питания датчика в предлагаемом устройстве сравнительно невелики, поскольку это напряжение отличается от напряжения источника 10 на величину падения на токоприемном резисторе 9, типовая величина которого для токоприемных усилителей 12 не превышает нескольких Ом. Поскольку коэффициент усиления токоприемного усилителя 12 обычно весьма значителен, выходной сигнал на выходе 13 достаточно большой.
Для схемы, показанной на фиг. 1, величина тока, формируемого для передачи по линии, определяется суммой тока потребления собственно датчика 1 с аналоговым выходом и током через импедансный элемент 3.
Поскольку изменения напряжения, передваемое по линии связи, невелики, поступающее на датчик 1 напряжение питания достаточно для его нормального функционирования. Чтобы обеспечить большую стабильность характеристик, в схеме использован стабилизатор 14 напряжений. Для обеспечения лучших характеристик этот стабилизатор может быть выполнен как имеющий низкое внутреннее падение (LDO) между входом и выходом.
В отличие от использования интерфейса IEPE, для которого недопустимо прямое подключение общей шины передачи питания и сигнала к шине питания узла приема, ведущее к повреждению схемы, предлагаемое решение использует такой режим, как основной рабочий. Отсутствие в приемном узле 8 генератора тока или генератора тока в источнике сигнала, что типично для интерфейса токовой петли, сокращает потери мощности. Кроме того, если в интерфейсе IEPE источник сигнала, передаваемого по линии передачи сигнала, имеет относительно низкое внутреннее сопротивление, что обеспечивает высокую помехоустойчивость, хотя входное сопротивление приемного узла большое. Или в интерфейсе токовой петли, для которого типично низкое входное сопротивление, обеспечивающее повышенную помехоустойчивость, хотя выходное сопротивление источника токового сигнала высокое, предлагаемое решение характеризуется низким внутренним сопротивлением для наводок как со стороны источника, так и приемника сигналов, что обеспечивает повышенную помехоустойчивость.
Предлагаемое решение обеспечивает возможность работы при напряжении питания источника 10 на уровне, например, +5 или +3,3 вольта и для своей реализации не требует применения элементов с рабочим напряжением выше указанных. Это позволяет существенно расширить область его применения, повысить надежность и снизить стоимость и габариты, поскольку элементы с низким рабочим напряжением дешевле, надежнее, меньше по габаритам и весу.