ДАТЧИК ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ПИТАНИЕМ ОТ ТОКОВОЙ ПЕТЛИ 4-20 мА

Полезная модель относится к измерительной технике в частности к датчикам для измерения параметров технологических процессов, таких как давление, сила, температура, уровень, расход и пр. и дистанционной передаче данных с использованием токовой петли 4-20 мА.
Расширение круга задач, решаемых датчиками с токовой петлей 4-20 мА происходит в рамках энергетического ограничения, обусловленного доступным для потребления функциональными элементами током.
п max
0 min
п max
0
min
0 min
п mах
II
п
II
п
n max
В таких устройствах для дистанционной передачи данных и питания датчика используется токовая петля 4-20 мА. Для питания функциональных элементов (ФЭ) датчика, доступен ток I <I (где I - максимальный ток, доступный для потребления системой ФЭ, I - минимальный ток петли (I = 4 мА; обычно I < 3,75 мА)). В этих условиях все функции датчика должны быть реализованы в рамках жесткого энергетического ограничения, обусловленного параллельным подключением ФЭ по питанию и наличием ограничения на потребляемый ток. Например, доступная для потребления мощность Р при напряжении питания ФЭ U = 5В, Р= U × I = 5 × 0,00375 < 20 мВт).
Для устранения несоответствия между требуемой и доступной мощностями при решении задачи улучшения качества датчиков используются различные способы.
Например, можно использовать функциональные элементы с меньшим потребляемым током, однако использование энергоэффективной элементной базы с большим быстродействием ведет к увеличению стоимости решения.
Другой способ связан с управляемым распределением доступного при параллельном включении ФЭ по питанию энергетического ресурса между отдельными функциональными элементами или накоплением ресурса с последующим его распределением.
Устройства, реализующие эти и другие способы решения энергетической проблемы датчика с питанием от токовой петли 4-20 мА, описаны в ряде патентов, например, патенты US 4926340, US 4823600. Недостатком решений, описанных в данных патентах, является отсутствие возможности накопления достаточного количества энергии для нужд, в случае длительного формирования выходного сигнала на уровне 4 мА.
Наиболее близким к заявляемому решению по своим существенным признакам, достигаемому техническому результату и принятым в качестве прототипа является интеллектуальный датчик с питанием от токовой петли (патент РФ №2126995, МПК G08C 19/02, опубл. 27.02.1999), содержащий функциональные элементы (такие как, микропроцессор, запоминающее устройство, схемные элементы для измерения регулируемого параметра и пр.), линейный стабилизатор, а также регулятор тока 4-20 мА; при этом все функциональные элементы подключены к линейному стабилизатору параллельно по питанию. Датчик содержит чувствительную схему, выполненную с возможностью формирования сигнала в ответ на дефицит способности токовой петли удовлетворить суммарную потребность в мощности питания функциональных элементов, а также средства для управления микропроцессором в ответ на этот сигнал для задержки дальнейшего выполнения хранимой программы на время, достаточное для устранения указанного дефицита.
Недостатком решения по указанному патенту является то, что в случае дефицита способности петли удовлетворить суммарную потребность в мощности питания функциональных элементов, задержка работы функциональных элементов может привести к некорректной работе датчика в целом.
д
п mах
0
д
0
п mах
В то же время, допустимая к потреблению мощность Р при доступном функциональным элементам токе I и напряжении питания на входных клеммах датчика U = 15B составляет почти 60 мВт (Р = U × I = 15 × 0,00375 < 60 мВт), что почти в три раза больше, чем в рассмотренном выше случае (< 20 мВт); разница мощностей рассеивается на линейном стабилизаторе напряжения. Таким образом, энергия, подводимая к датчику с питанием от токовой петли 4-20 мА при параллельном включении ФЭ по питанию расходуется неэффективно.
В основу полезной модели положена задача повышения эффективности использования энергии, подводимой к датчику, питаемому от токовой петли 4-20 мА.
Снятие энергетического ограничения (при решении задачи улучшения качества датчиков) посредством предлагаемого технического решения расширяет возможности при проектировании, производстве и использовании одно- и многопараметрических интеллектуальных датчиков.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в датчике параметров технологического процесса с питанием от токовой петли 4-20 мА включающем функциональные элементы, линейный стабилизатор напряжения и регулятора тока 4-20 мА. ФЭ в виде отдельных элементов и/или их групп из включенных параллельно элементов, включаются последовательно по питанию, вводится дополнительное стабилизирующее устройство (СУ), входные клеммы СУ и внешние клеммы ветви, образованной ФЭ, подключают к выходу линейного стабилизатора напряжения, а выходы СУ подключают к внутренним узлам ветви.
п mах
При последовательном включении ФЭ по питанию, каждому элементу датчика, в отличие от прототипа, потенциально доступен ток I< 3,75 мА (в прототипе этот ток разделяется между всеми ФЭ, включенными параллельно).
Если, например, последовательно включены 3 ФЭ с напряжением питания 3В, потенциально доступной для потребления будет мощность, примерно равная 36 мВт, что почти в два раза больше, чем в рассмотренном выше примере (≈20 мВт). Если и в прототипе, и в предлагаемом решении используются ФЭ с напряжением питания 3В, соотношение доступных мощностей будет еще больше (36/12); то есть, при последовательном включении ФЭ (по питанию) может быть полезно использовано значительно больше энергии из подводимой к датчику, чем при параллельном их включении.
СУ включает неоднородный (в общем случае) резистивный делитель напряжения с числом звеньев равным числу ФЭ и цепочку связанных по питанию операционных усилителей (ОУ), причем число ОУ равно числу внутренних соединений резистивного делителя. Внешние выводы питания внешних ОУ в цепочке подключают к внешним клеммам резистивного делителя, внутренние выводы питания (по отношению к внешним клеммам внешних в цепочке ОУ) подключают к выходам близлежащих ОУ, неинвертирующие входы ОУ подключают к внутренним узлам резистивного делителя, инвертирующие входы - к выходам соответствующих ОУ, внешние клеммы питания цепочки ОУ и резистивного делителя образуют вход СУ, выходы ОУ - выходы СУ.
Резистивный делитель, вместе с ЛС является источником опорного напряжения, определяющим напряжения питания нагрузок (функциональных элементов). Ступени деления делителя пропорциональны напряжениям питания ФЭ нагрузок. Сопротивление делителя намного больше сопротивлений нагрузок, подключаемых к СУ, что обеспечивает малые собственные потери стабилизирующего устройства.
1
2
3
Операционные усилители выбираются из числа имеющих малые собственные потери. Минимизация компенсационных потерь (потерь обусловленных токами, протекающими через плечи операционных усилителей, параллельные нагрузкам и равными разностям между максимальным током потребления самой потребляющей нагрузки и токами потребления других нагрузок) обеспечивается организацией питания ОУ в соответствии с предлагаемым решением и использованием ОУ как стабилизатор напряжения. Все ОУ включены как повторители напряжения, то есть со стопроцентной отрицательной обратной связью (ООС) по постоянному току и стремятся удерживать на своих выходах потенциалы U, U, U относительно земли, заданные резистивным делителем на внутренних его узлах.
п mах
п
нi max
п max
нi mах
п max
нi mах
СУ обеспечивает постоянство заданных напряжений питания ФЭ при изменении режимов их работы (и, следовательно, тока, потребляемого каждым ФЭ в диапазоне от минимального до I) или при отключении любого (или любых) ФЭ, а также вносит минимальный вклад в величину бесполезных потерь, что максимизирует доступную для функциональных элементов при их последовательном включении мощность. СУ с включенными нагрузками потребляет ток I практически равный току, потребляемому i-той нагрузкой с максимальным током потребления в данный момент времени I  при изменении токов потребления в ходе работы (I ≈ I, где , N - число нагрузок, включенных последовательно). Работоспособность устройства обеспечивается и при отключении любой (или любых) нагрузок, независимо от места ее включения; при этом дополнительные потери не возникают, то есть условие I ≈ I  выполняется и для этих случаев.
При выборе числа ФЭ, включенных последовательно и их напряжений питания должно соблюдаться условие: сумма напряжений питания ФЭ должна быть меньше напряжения на входных зажимах датчика с учетом падения напряжения на линейном стабилизаторе.
п mах
Если максимальный ток потребления какого-либо ФЭ значительно меньше допустимого, нагрузкой может служить несколько параллельно включенных по питанию ФЭ с одинаковым номинальным напряжением питания и максимальным общим током потребления I.
Если среди ФЭ имеется элемент с напряжением питания большим, чем напряжения питания остальных ФЭ (например, первичный преобразователь датчика) или по другой причине, то такой элемент, с целью повышения эффективности использования доступной энергии, может быть подключен параллельно ветви из последовательно включенных ФЭ, охватывая ее всю или только часть.
При комбинированном включении ФЭ, должны соблюдаться два дополнительных условия:
- разность потенциалов узлов, к которым подключается параллельная ветвь, должна быть равна (или близка) напряжению питания параллельно включаемого ФЭ;
п mах
- максимальный суммарный ток, протекающий через резистор последовательной ветви, охваченный параллельной ветвью и резистор охватывающей ветви не должен превышать I.
Элементов, включаемых параллельно последовательной ветви, может быть несколько.
п
0
п
Регулятор тока, служащий для управления током, протекающим через входные клеммы датчика, может быть также включен в состав ветви с целью повышения эффективности использования подводимой к датчику энергии. В этом случае в выходной цепи линейного стабилизатора будет протекать ток I (t), практически равный I (4-20) мА; а через плечи операционных усилителей, параллельные остальным нагрузкам будет протекать ток, равный разности между током I (t) и током, потребляемым соответствующей нагрузкой в данный момент времени t.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 изображена схема датчика (содержащего четыре функциональных элемента); на фиг.2 - схема того же датчика с детальным изображением стабилизирующего устройства; на фиг.3 - пример последовательно-параллельного включения функциональных элементов датчика; на фиг.4 - детальная схема одного из узлов стабилизирующего устройства.
Датчик 1 параметров технологического процесса с питанием от токовой петли 4-20 мА содержит (фиг.1) функциональные элементы 2.1-2.4, линейный стабилизатор напряжения 3, регулятор тока (регулятор тока и сопротивление обратной связи потоку не показаны) и дополнительное стабилизирующее устройство 4. Функциональные элементы 2.1-2.4 включены по питанию последовательно, образуют ветвь 2 и являются нагрузками. Стабилизирующее устройство 4 содержит (фиг.2) делитель напряжения 5 на основе резисторов 5.1-5.4 с числом звеньев, равным числу функциональных элементов, а также цепочку связанных по питанию операционных усилителей (ОУ) 6 (6.1, 6.2, 6.3) с числом звеньев равным числу внутренних узлов делителя 5. Внешние выводы питания внешних ОУ в цепочке 6 (вывод 8 ОУ 6.1, вывод 9 ОУ 6.3) подключают к внешним клеммам делителя 5 и они образуют вход СУ, внутренние выводы питания (по отношению к внешним выводам питания внешних ОУ в цепочке) - к выходам близлежащих ОУ, неинвертирующие входы 10 ОУ - к внутренним узлам делителя 5, инвертирующие входы ОУ - к выходам 12 соответствующих ОУ, а выходы ОУ образуют выходы стабилизирующего устройства, к которым подключают внутренние узлы ветви 2. Внешние клеммы ветви 2 и входы СУ подключают к выходу линейного стабилизатора.
Элементами последовательной ветви могут быть отдельные функциональные элементы или группы функциональных элементов, включенных параллельно. Функциональные элементы могут подключаться параллельно ветви из последовательно включенных ФЭ, охватывая ее всю или ее часть, образуя последовательно-параллельную ветвь. Таких элементов может быть несколько (фиг.3). Регулятор тока также может быть включен в состав ветви наряду с функциональными элементами датчика.
Устройство работает следующим образом.
i
Допустим, в исходном состоянии внутренние сопротивления R () функциональных элементов 2.1-2.4, включенных последовательно по питанию одинаковы, то есть:
н2.1
н2.2
н2.3
н2.4
R = R = R = R
н2.4
н4,
н2.4
ст
1,
2
3
Рассмотрим случай, когда сопротивление R начинает уменьшаться, то есть возрастает потребляемый ток I а сопротивления остальных нагрузок остаются постоянными. В этом случае должна быть обеспечена доставка добавочного тока к нагрузке 2.4, минуя верхние по схеме нагрузки 2.1, 2.2 и 2.3 Уменьшение R первоначально приводит к снижению потенциалов всех выходов ОУ, соответственно и потенциалов на инвертирующих входах (выводы 11 усилителей). В результате возрастает разность потенциалов между входами (10 и 12) каждого ОУ, что приводит к дополнительному отпиранию верхних плечей выходных каскадов всех ОУ (для ОУ 6.3 - транзистора 6.3.1 усилителя, фиг.4) и открывается путь для прохождения дополнительного тока по цепи от +U через выводы 8, 9 усилителя 6.1, через выводы 8, 9 усилителя 6.2, через выводы 8, 9 усилителя 6.3 и далее через нагрузку 2.4 на выход устройства. Установившийся режим снова обеспечит напряжения на выходах ОУ (U U, U) примерно равные напряжениям на внутренних узлах делителя.
н2.4
н2.1
н2.2
н2.3
Рассмотрим случай, когда сопротивление R начинает возрастать и становится существенно больше, чем R, R и R.
1
2
3
В этом случае схема должна обеспечить прохождение тока верхних по схеме нагрузок на выход устройства, сохранив напряжение на выходах ОУ (UU, U) неизменными.
3
1
2
3
Первоначально потенциал U будет возрастать. В результате действия ООС начнет дополнительно открываться нижний транзистор 6.3.2 (фиг.4) выходного каскада ОУ 6.3 и возникнет дополнительный путь для протекания тока верхних нагрузок 2.1, 2.2 и 2.3 через выводы 8, 9 ОУ 6.3. В установившемся режиме выходные напряжения U U, U опять будут фактически равны напряжениям, заданным в опорных точках делителя (внутренние узлы делителя).
н2.3
н2.1
н2.2
н2.4
н2.3
н2.3
1
2
3
н3
ст
Рассмотрим случай, когда происходит изменение величины нагрузки Rотносительно нагрузок R, R и R. Если сопротивление нагрузки Rначинает уменьшаться, схема должна обеспечить автоматически дополнительный путь для прохождения тока через 2.3, минуя нагрузки 2.1, 2.2 и 2.4. Первоначально уменьшение R приводит к снижению потенциалов U, U и возрастанию потенциала U. В результате процессов аналогичных рассмотренным выше, дополнительно откроются верхние плечи выходных каскадов ОУ 6.1. и 6.2 и нижнее плечо ОУ 6.3 (транзистор 6.3.2). Появляется дополнительный путь для протекания возросшего тока нагрузки I - от +Uчерез выводы 8, 9 ОУ 6.1, через выводы 8, 9 ОУ 6.2, через 2.3, через выводы 8, 9 ОУ 6.3 на выход устройства.
н2.3
н2.3
Если сопротивление нагрузки R возрастет или даже произойдет ее обрыв (R = ∞), то аналогично возникнет дополнительный путь для протекания тока нагрузок 2.1, 2.2 и 2.4, минуя нагрузку 2.3 по цепи от 2.1, 2.2 через выводы 8, 9 ОУ 6.2, через выводы 8, 9 ОУ 6.3, через 2.4 на выход устройства.
Возможны другие варианты исполнения и применения предлагаемого решения.
Если основной источник питания не стабилизирован, СУ будет выполнять функцию стабилизации самостоятельно; при этом внешняя клемма питания верхнего в цепочке ОУ подключается к нестабилизированному источнику питания, а верхняя нагрузка (фиг.1) - исключается; при этом для питания делителя должен быть использован дополнительный стабилизированный источник питания.
Предлагаемое решение может быть также использовано при проектировании датчиков с другой организацией питания, но с ограничением по току потребления, а также любых других переносных (батарейных) устройств, содержащих низковольтные ФЭ и ФЭ с фиксированным, высоким напряжением, определяющим напряжение питания батареи.