Цепь измерения для электронной схемы сигнализации
MEASUREMENT CIRCUIT FOR ELECTRONIC SIGNALING CIRCUITRY

Настоящее изобретение относится к цепи измерения для электронной схемы сигнализации, содержащей:
- по меньшей мере один измерительный резистор, выполненный с возможностью включения в схему сигнализации, и
- по меньшей мере одну цепь сбора данных, содержащую средства измерения напряжения, соединенные с контактами измерительного резистора.
Электрическая схема сигнализации является схемой, предназначенной для предоставления информации, например, визуальной информации о рабочем состоянии установки.
Например, такая схема сигнализации содержит сигнальную лампочку, которая зажигается, когда установка находится в первом состоянии, и гаснет, когда установка находится во втором состоянии.
Схема сигнализации может выдавать ошибочную информацию в случае отказа некоторых из ее компонентов, поэтому обычно в схеме сигнализации предусматривают цепь измерения для проверки ее нормальной работы.
Цепь измерения содержит датчик тока, позволяющий проверять прохождение тока в схеме сигнализации.
Датчик тока состоит из резистора и устройства измерения напряжения, соединенного с контактами резистора. Падение напряжения, измеряемое между контактами резистора, пропорционально определяемому току (закон Ома).
Для обеспечения нормальной работы датчика необходимо регулярно производить тесты датчика и, в частности, его резистора.
Проверку работы датчика осуществляют, например, при помощи переключателей, которые передают на контакты резистора тестовый сигнал вместо измеряемого сигнала. Эти переключатели подсоединяют резистор к схеме, выдающей известный тестовый сигнал, вместо схемы сигнализации. Измеряют падение напряжения на контактах резистора. Если измеренное значение соответствует значению, предсказанному для тестового сигнала, считается, что резистор находится в нормальном рабочем состоянии. Такой тест датчика известен и описан, например, в документе WO 2004/062170 А2.
Во время теста схема сигнализации не работает, так как, если переключатели обеспечивают соединение резистора со схемой, выдающей тестовый сигнал, схема сигнализации разомкнута и, следовательно, отключена. Для некоторых систем это является недостатком. Поэтому, как правило, тесты осуществляют только во время инициализации схемы сигнализации, а не во время ее работы.
Задачей изобретения является обеспечение возможности тестирования работы датчика тока без необходимости повторной инициализации схемы.
Для этого объектом изобретения является цепь измерения вышеупомянутого типа, отличающаяся тем, что:
- цепь измерения содержит по меньшей мере один тестовый резистор и по меньшей мере один управляемый переключатель, связанные с измерительным резистором;
- отношение значения сопротивления тестового резистора к значению сопротивления измерительного резистора превышает 10;
- цепь получения данных содержит средства сравнения напряжений, измеряемых на контактах измерительного резистора в двух состояниях переключателя, и средства качественной оценки цепи измерения в зависимости от результата сравнения.
Возможность постоянного соединения измерительного резистора со схемой сигнализации позволяет использовать схему сигнализации, независимо от тестов, производимых цепью измерения, и, поскольку тестовый резистор имеет сопротивление, намного превышающее сопротивление измерительного резистора, основной ток схемы сигнализации проходит через измерительный резистор.
Согласно частным вариантам выполнения, заявленная цепь измерения имеет один или несколько следующих отличительных признаков, взятых отдельно или во всех технически возможных комбинациях:
- указанная цепь измерения содержит:
- две параллельные ветви, каждая из которых содержит измерительный резистор; и
- по меньшей мере один тестовый импульсный возбудитель, подключенный между двумя контактами двух измерительных резисторов;
- каждая параллельная ветвь содержит установленный последовательно с измерительным резистором уравновешивающий резистор, расположенный таким образом, чтобы тестовый импульсный возбудитель был подключен между срединными точками измерительного и уравновешивающего резисторов одной ветви;
- тестовый импульсный возбудитель содержит источник напряжения, установленный последовательно с управляемым переключателем;
- тестовый импульсный возбудитель содержит две параллельные ветви соединения, при этом каждая ветвь соединения содержит источник напряжения, установленный последовательно с управляемым переключателем, при этом оба источника напряжения выполнены с возможностью выдавать импульсы тока противоположного направления;
- источник напряжения содержит аккумулятор электрической энергии и средства, обеспечивающие одновременно зарядку аккумулятора и управление с запаздыванием управляемым переключателем от одного и того же сигнала;
- указанная цепь измерения содержит два измерительных резистора и две цепи сбора данных, каждая из которых соединена с контактами измерительного резистора;
- указанная цепь измерения содержит по меньшей мере один тестовый резистор, установленный между контактом измерительного резистора и средствами измерения напряжения, и переключатель может одновременно обеспечивать параллельное соединение тестового резистора с измерительным резистором и замыкание накоротко входных линий средств измерения напряжения с контактами измерительного резистора;
- указанная цепь измерения содержит два тестовых резистора, каждый из которых установлен между разными контактами измерительного резистора и соответствующими средствами измерения напряжения; и
- указанная цепь измерения содержит средства передачи в цепь получения данных дополнительного тестового сигнала на вход средств сравнения, и средства сравнения содержат средства обнаружения этого дополнительного тестового сигнала.
Объектом изобретения является также схема сигнализации, содержащая последовательно соединенные:
- источник энергии;
- выключатель, связанный с выключателем главной электрической схемы;
- нагрузку; и
- описанную выше цепь измерения.
Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - электрическая схема главной электрической схемы и соответствующей схемы сигнализации.
Фиг. 2 - электрическая схема заявленной цепи измерения, включенной в схему сигнализации, показанную на фиг. 1.
Фиг. 3 - электрическая схема цепи активации теста.
На фиг. 1 показаны главная электрическая схема 2 и связанная с ней схема 4 сигнализации. Схема 4 сигнализации выполнена с возможностью предоставления информации о рабочем состоянии главной электрической схемы 2.
Главная электрическая схема 2 может, например, использовать двигатель для внешнего применения. Она содержит последовательно соединенные источник 6 энергии, двигатель 8 и выключатель 10. Источник 6 энергии выполнен с возможностью выдавать, например, напряжение 2 кВ переменного тока для питания двигателя 8.
Схема 4 сигнализации содержит последовательно соединенные источник 12 энергии, выключатель 14, лампу 16, представляющую собой нагрузку, и цепь 18 измерения тока, проходящего в схеме 4. Источник 12 энергии выполнен с возможностью выдавать, например, постоянный ток 24 вольт или переменный ток 110 вольт.
Выключатель 14 механически связан с выключателем 10 главной электрической схемы таким образом, что оба выключателя 10,14 всегда находятся в одном состоянии, разомкнутом или замкнутом. Таким образом, если главная электрическая схема 2 замкнута/разомкнута, то схема 4 сигнализации тоже замкнута/разомкнута и наоборот. При такой структуре схема 4 сигнализации может выдавать информацию о состоянии выключателя 10.
Цепь 18 измерения соединена со схемой 4 сигнализации через вход 20 и выход 22.
Цепь 18 измерения показана на фиг. 2. Она содержит две измерительные ветви, подсоединенные параллельно между входом 20 и выходом 22. Каждая ветвь содержит соответственно соединенные последовательно измерительный резистор 30, 31 и уравновешивающий резистор 32, 33 соответственно.
Тестовый импульсный возбудитель 34 подсоединен между срединными точками двух параллельных ветвей, то есть между измерительным резистором 30, 31 и уравновешивающим резистором 32, 33 соответственно. Он состоит из двух ветвей возбуждения, параллельно подсоединенных между срединными точками.
Каждая ветвь возбуждения содержит соответственно управляемый переключатель 36, 37 для запуска импульсного теста, источник 38, 39 напряжения, выполненный с возможностью выдавать импульс тока, и тестовый резистор 40, 41, выполненный с возможностью ограничения максимального значения импульса тока. Источники 38 и 39 напряжения, предпочтительно представляющие собой, каждый, конденсатор, предпочтительно выполнены с возможностью выдавать напряжение, обратное относительно друг друга. Переключатели 36, 37 представляют собой, например, полевые МОП-транзисторы.
Значения сопротивления измерительного и уравновешивающего резисторов 30-33 являются незначительными по сравнению со значениями сопротивления тестовых резисторов 40 и 41.
Например, сопротивления измерительного и уравновешивающего резисторов 30-33 имеют одинаковое значение 0,1 Ом, тестовый резистор 40 имеет сопротивление 33 Ом, и тестовый резистор 41 имеет сопротивление 47 Ом. Предпочтительно соотношение между значениями сопротивления каждого тестового резистора 40, 41 и значениями сопротивления каждого измерительного 30, 31 и/или уравновешивающего 32, 33 резистора превышает 10, предпочтительно превышает 100 и еще предпочтительнее - превышает 300.
Ток, проходящий от входа 20 к выходу 22, определяют при помощи двух цепей 42 получения данных, соединенных соответственно с контактами измерительного резистора 30 через линии 44 и 45 и с контактами измерительного резистора 31 через линии 46 и 47. Обе цепи 42 получения данных имеют одинаковые компоненты и характеризуются одинаковым поведением, что будет описано ниже.
Каждая цепь 42 получения данных выполнена с возможностью измерения напряжения между контактами измерительного резистора 30, 31, которое пропорционально току, проходящему через измерительный резистор 30, 31.
Каждая цепь 42 получения данных содержит на входе управляемый четырехполюсный шунт 48, соединенный на входе с контактами резистора 30, 31 через линии 44, 45 и 46, 47 соответственно. Два других контакта четырехполюсного шунта, образующие выход, соединены с преобразователем 50 цепи 42 сбора данных через линии 52, 53 входа. Преобразователь 50, образующий средство измерения напряжения на контактах измерительного резистора 30, 31, представляет собой преобразователь аналогового сигнала в цифровой сигнал. Он содержит известный дельта-сигма-кодер и декодер. Преобразователь содержит две выходные линии 54, 55, каждая проходит через резистор 56, 57, ограничивающий ток на входах 58, 59 вычислительного устройства 60.
Вычислительное устройство 60 выполнено с возможностью сравнения напряжений, измеряемых между двумя контактами измерительного резистора 30, 31, с контрольными значениями в двух состояниях переключателей 36, 37.
В предпочтительном варианте выполнения вычислительное устройство 60 представляет собой устройство FPGA.
Вычислительное устройство 60 выполнено с возможностью передавать результат произведенного сравнения по меньшей мере через одну выходную линию 64 на средства 66 качественной оценки, представляющие собой, например, экран.
В другом варианте выполнения, не показанном на фигурах, средства 66 качественной оценки выполнены с возможностью передавать сигнал в связанный с ними компьютер для дополнительной обработки.
Управляемый четырехполюсный шунт 48 содержит две параллельные ветви, каждая из которых содержит последовательно соединенные тестовый резистор 70, 71 и резистор 72, 73. Соединительная ветвь, содержащая управляемый переключатель 74, соединяет срединные точки двух параллельных ветвей между резисторами 70 и 72 и резисторами 71 и 73.
Конденсатор 76 соединяет входные линии 52, 53, с которыми соединены резисторы 72, 73.
Значение сопротивления тестовых резисторов 70 и 71, например, равно 22 Ом. Значение сопротивления резисторов 72 и 73, например, равно 215 Ом. Предпочтительно соотношение между значениями сопротивления тестового резистора 70, 71 и значениями сопротивления измерительного 30, 31 и/или уравновешивающего резистора 32, 33 превышает 100.
Переключатель 74 является, например, полевым транзистором (FET).
Для каждой входной линии 58, 59 вычислительное устройство 60 содержит соответственно обратную линию 77, 78. Вычислительное устройство выполнено с возможностью выдавать тестовый сигнал в каждую обратную линию 77, 78. Благодаря соединению обратных линий 77, 78 с входными линиями 58, 59, средства 60 сравнения могут осуществлять описанный ниже автоматическую проверку работоспособности.
Вычислительное устройство 60 включает в себя блок 79 управления, выполненный с возможностью передавать команды в цепь 18 измерения и, в частности, выдавать тестовые сигналы на линии 77 и 78 и обеспечивать управление переключателем 74.
Блок 79 управления выполнен также с возможностью управления, в зависимости от рабочего цикла, который будет описан ниже, состоянием переключателей 36, 37 и управления зарядкой конденсаторов 38, 39 при помощи схемы 80 управления возбудителем 34, показанной на фиг. 3.
Схема 80 управления содержит делитель 81 мощности, который может одновременно управлять переключателем 36, 37 и обеспечивать зарядку конденсатора 38, 39. Схему 80 управления, описанную со ссылками на фиг. 3, применяют для каждой ветви возбудителя, то есть для каждого выключателя 36, соответственно 37, и конденсатора 38, соответственно 39. Каждый делитель 81 получает питание через линию 82 электрического питания и управляется через линию 84 управления, соединенную с блоком 79 управления.
Делитель 81 представляет собой, например, управляемый транзисторный мост, выполненный с возможностью преобразования питания постоянного тока, поступающего по линии 82 питания, в высокочастотный ток, выдаваемый на выходе. Блок 79 управления обеспечивает управление транзисторами.
Выход делителя 81 соединен с первичной обмоткой трансформатора 86 с двумя последовательно соединенными обмотками. Трансформатор 86 содержит две независимые вторичные обмотки, каждая из которых соединена с входом выпрямителя 90 и 91. Выход выпрямителей 90 и 91 соединен соответственно через линии 92, 93 зарядки с контактами конденсатора 38, 39. Это соединение позволяет заряжать источник 38, 39 напряжения при помощи выпрямленного тока.
Кроме того, линия 88 управления подключена к выходу одной из вторичных обмоток. Эта линия соединена с переключателем 36, 37 через фильтр верхних частот RC, образующий схему задержки импульсов, и выпрямитель.
Фильтр и выпрямитель выполнены таким образом, чтобы по истечении постоянной времени схемы задержки, тогда как высокочастотный сигнал поступает на линию 88 управления, постоянный ток, выдаваемый выпрямителем, обеспечивал управление переключателем 36, 37 для его перевода в пропускающее состояние. Эту постоянную времени выбирают достаточной большой, чтобы обеспечить зарядку конденсатора 38, 39, прежде чем переключатель 36, 37 станет пропускающим.
Блок 79 управления выполнен с возможностью раздельного управления переключателями 36, 37 дополнительно к переключателю 74.
Если выключатель 14 замкнут и источник 12 энергии выдает ток, ток проходит через лампу 16 и цепь 18 измерения. В цепи 18 измерения половина тока проходит через измерительный 30 и уравновешивающий 32 резисторы, и половина тока проходит через измерительный 31 и уравновешивающий 33 резисторы, при этом значения сопротивления резисторов 30, 32 и 31, 33 являются одинаковыми.
При нормальной работе переключатели 36, 37 и 74 разомкнуты, и цепь 42 сбора данных выводит на дисплей 66 значение тока, проходящего в схеме 4. Это значение получают на основании напряжения, измеренного на контактах резистора 30, 31.
Предпочтительно цепь 18 измерения может применять три типа тестов по команде блока 79 управления. В зависимости от вариантов осуществления цепь 18 управления производит один или несколько следующих тестов.
Импульсный тест предназначен для проверки работы измерительного резистора 30, 31, преобразователя 50 и средств 60 сравнения. Эти компоненты предназначены для считывания тока и преобразования его значения в цифровое значение.
При запуске импульсного теста блок 79 управления управляет зарядкой источника напряжения, например, источника 38 при помощи схемы 80 управления, показанной на фиг. 3.
Зарядка происходит по команде блока 79 управления, который управляет делителем 80 для питания трансформатора 86, который, в свою очередь, питает выпрямители 90 и 91. Таким образом, постоянный ток производит зарядку источников 38 и 39 напряжения.
По завершении зарядки переключатель 36 замыкается, тогда как схема 4 сигнализации остается подключенной и работает.
Замыканием переключателя 36 управляют при помощи высокочастотного сигнала, передаваемого по линии 88 и выдаваемого делителем 81 по команде блока 79 управления.
Преимуществом такого варианта выполнения является возможность сокращения числа изолирующих компонентов, так как команда на перевод переключателя 36, 37 в состояние пропускания передается через ту же электрическую схему, которая обеспечивает зарядку источника 38, 39 напряжения.
Когда запускают импульсный тест, при замыкании переключателя 36 импульс тока проходит через резисторы 30, 33 и 40, а также через резисторы 31, 32 и 41. Тестовые резисторы 40 фиксируют ток во время разрядки источника 38 напряжения, чтобы иметь определенный ток, который позволит произвести оценку схемы.
Во время разрядки источника 38 напряжения общий ток, проходящий через измерительный резистор 30, 31 меняется. Выдаваемый источником 38 напряжения ток следует экспоненциальной кривой затухания. Цепь 42 получения данных считывает напряжение на контактах резистора 30, 31.
Средства 60 сравнения сравнивают контрольную кривую напряжения, полученную при нормально работающем резисторе в отсутствие тока, проходящего между входом 20 и выходом 22, и кривую напряжения, полученную во время теста, из которой выводят последнее значение напряжения, измеренного на контактах измерительного резистора 30, 31 и полученного на выходе преобразователя 50.
Кривую контрольного напряжения при нормальной работе сохраняют в памяти средств 60 сравнения.
Если обе кривые являются близкими, средства 60 сравнения считают, что измерительный резистор 30 работает нормально, и выводят результат на экран 66. В противном случае на экран 66 выводится сообщение об ошибке.
Одновременно идентичный тест проводят для измерительного резистора 31.
Во второй части теста переключатель 36 разомкнут, а переключатель 37 замкнут. Аналогично в цепь 18 измерения подают импульс тока, но направление тока является противоположным по отношению к первой части теста. При помощи средств 60 сравнения осуществляют такие же сравнения с полученными контрольными кривыми напряжения, характеризующими источник 39 напряжения. Эту вторую часть теста осуществляют для того, чтобы считывание тока происходило в двух направлениях прохождения тока.
Тест можно осуществлять в любой момент с любым сигналом, выдаваемым источником 12 энергии. Можно также проводить импульсный тест, если выключатель 14 находится в разомкнутом состоянии и через схему 4 сигнализации не проходит никакой ток от источника 12 энергии. Следовательно, для осуществления импульсного теста нет необходимости активировать или выключать главную электрическую схему 2 или схему 4 сигнализации.
Тест смещения предназначен для калибровки входа преобразователя 50 и для того, чтобы убедиться в отсутствии сохраненных в памяти данных, если в цепи 18 измерения присутствует статический ток, например, поскольку источник 12 энергии выдает постоянный ток.
Тест запускают путем замыкания переключателя 74 по команде блока 79 управления, тогда как в схеме 4 проходит или не проходит ток.
Если присутствует разность потенциала между линиями 52 и 53, ток проходит через резисторы 72 и 73, и, следовательно, потенциал между линиями 52 и 53 становится нулевым.
После преобразования значений в цифровые значения средства 60 сравнения измеряют разность потенциала между линиями 52 и 53 и сравнивают ее с предсказанным значением, которое обычно является нулевым.
Тестовые резисторы 70 и 71, которые имеют высокое значение сопротивления по сравнению с резисторами 30, 31, обеспечивают прохождение основной части тока к измерительному резистору 30.
Если потенциал между линиями 52 и 53 во время теста смещения не является нулевым, значит переключатель 74, преобразователь 50 или средства 60 сравнения не работают нормально. Эта информация выводится на экран 66.
Этот тест осуществляют также независимо от состояния схемы 4 сигнализации. Предпочтительно тест смещения осуществляют после импульсного теста.
Обратный тест предназначен для тестирования работы средств 60 сравнения, например, устройства FPGA.
Тестовый сигнал, выдаваемый не показанным преобразователем ∑Δ в устройство FPGA 60, поступает через обратную линию 77, 78 в линии 58, 59 на входе средств 60 сравнения.
Тестовый сигнал повышенного уровня превосходит измеренный сигнал, который поступает от преобразователя 50. Средства сравнения обнаруживают поступающий тестовый сигнал и показывают нормальную работу на экране 66. В противном случае на экране 66 не появляется никакой информации.
Этот тест тоже не зависит от состояния схемы 4 сигнализации. Если сигнал, обнаруженный устройством FPGA, не соответствует предсказанному сигналу, значит устройство FPGA неисправно.
В варианте выключатели 10 и 14 в совокупности образуют реле. В этом варианте схема 4 сигнализации является схемой управления, которая может управлять реле. Реле выполнено с возможностью размыкания или замыкания главной электрической схемы 2, которая в этом варианте является схемой нагрузки.
В еще одном варианте схема 34 запуска импульсного теста содержит только одну ветвь с переключателем 36, источником 38 напряжения и резистором 40. В этом варианте схема 34 запуска импульсного теста может выдавать импульс тока только в одном направлении.
В варианте выполнения изобретения в средства 66 качественной оценки через выходную линию 64 может поступать дополнительная информация, такая как тип питания источника 12 энергии или соответствующие значения напряжения или тока.
Тесты внутренней схемы, которые описаны ниже, запускают независимо от состояния выключателя 14. Их запускает, например, устройство FPGA при соблюдении определенного условия, или их может запускать вручную пользователь.