УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС ДАТЧИКА ДЛЯ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ МАШИН
UNIVERSAL SENSOR INTERFACE FOR MACHINE MONITORING SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Это изобретение относится к области контроля состояния машин. В частности, это изобретение относится к универсальному интерфейсу датчика для сопряжения с множественными типами датчиков для использования в системе контроля машин.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В современных системах онлайнового контроля машин, используемых для защиты машин и прогнозирования отказов доступны самые разнообразные электронные устройства контроля, и каждое из них обычно предназначено для сопряжения с конкретным типом датчика для конкретного приложения контроля. Различные семейства датчиков включают в себя датчики вихревого тока, сейсмические датчики, пассивные магнитные датчики, пьезоэлектрические датчики, датчики Холла и низкочастотные датчики. Множественные производители предлагают самые разнообразные датчики в каждом из этих семейств датчиков для осуществления измерений защиты и прогнозирования, и датчик каждого производителя обычно имеет свои собственные характеристики, связанные с мощностью питания датчика, диапазоном напряжения сигнала датчика и применением, например перечисленные в нижеприведенной таблице 1.
Таблица 1
Мощность питания
ток, регулируемый (от 0 до 8 мА)
пьезо и сейсмические датчики
напряжение, регулируемое (от -22 В до -30 В)
датчики вихревого тока
напряжение, фиксированное +/-15 В
низкочастотные датчики
напряжение,фиксированное +30 В
датчики Холла
Диапазон сигнала
От -30 В до 0 В
датчики вихревого тока
От 0 В до +30 В
пьезо, пассивные магнитные, Холла
От -15 В до +15 В
сейсмические, низкочастотные датчики
Приложение измерения
статическое (положение, эксцентричность)
датчики вихревого тока, низкочастотные
динамическое (вибрация)
вихревого тока, пьезо, сейсмические
скорость (скорость, ключ)
вихревого тока, Холла, пассивные магнитные
[0003] Традиционно, для системы контроля машин для сопряжения с множественными типами датчиков с множественными требованиями к напряжению питания датчика и требованиями к диапазону напряжения сигнала, требуются множественные источники питания датчика и цепи согласования. Управление продажами и проектором упрощается, если единый интерфейс датчика может работать со всеми различными типами датчиков и измерений. Производство и снабжение будет более экономичным, и количество устройств на складе и их запасных частей можно значительно снизить, для производителей устройства и их покупателей.
[0004] Таким образом, необходим универсальный интерфейс датчика, который способен сопрягаться с самыми разнообразными семействами датчиков, необходимыми для контроля машин.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Вышеописанные и другие потребности удовлетворяются единым универсальным интерфейсом датчика, который способен обеспечивать диапазон напряжения питания датчика, который можно выбирать из диапазонов от 0 В до -30 В, от 0 В до +30 В или +/-15 В, и диапазон ввода сигнала датчика от -30 В до +30 В для сопряжения с различными типами датчиков. Некоторые предпочтительные варианты осуществления также предусматривают буферизованный, неизменный вывод сигнала датчика.
[0006] Различные варианты осуществления изобретения относятся к интерфейсу питания и согласования сигнала датчика системы контроля работоспособности оборудования. Предпочтительный вариант осуществления интерфейса включает в себя разъем интерфейса датчика, цепь ввода сигнала датчика и цепь питания датчика. Разъем интерфейса датчика выполнен с возможностью подключения к датчикам множественных типов, которые могут быть присоединены к машине для контроля различных характеристик машины. Разъем интерфейса датчика включает в себя клеммы сигналов датчика для приема аналогового сигнала датчика, генерируемого подключенным датчиком, и положительную и отрицательную клеммы питания для подачи питания на подключенный датчик. Цепь ввода сигнала датчика принимает аналоговый сигнал датчика через разъем интерфейса датчика в диапазоне входного напряжения сигнала датчика, который охватывает аналоговые сигналы датчиков, генерируемые датчиками множественных типов. Цепь питания датчика включает в себя источник питания датчика и несколько программно-управляемых переключателей. Источник питания датчика генерирует положительное напряжение питания, отрицательное напряжение питания и нейтральное напряжение питания. Первый программно-управляемый переключатель избирательно подключает нейтральное напряжение питания источника питания датчика к земле. Второй программно-управляемый переключатель избирательно подключает положительную клемму питания разъема интерфейса датчика к земле. Третий программно-управляемый переключатель избирательно подключает отрицательную клемму питания разъема интерфейса датчика к земле.
[0007] Цепь питания датчика подает, по меньшей мере, три варианта напряжения питания на положительную и отрицательную клеммы питания разъема интерфейса датчика в соответствии с состояниями первого, второго и третьего программно-управляемых переключателей. Варианты напряжения питания включают в себя:
напряжение питания имеет величину вдвое больше отрицательного напряжения питания на отрицательной клемме питания и положительная клемма питания заземлена, когда первый программно-управляемый переключатель разомкнут, второй программно-управляемый переключатель замкнут, и третий программно-управляемый переключатель разомкнут;
напряжение питания имеет величину вдвое больше положительного напряжения питания на положительной клемме питания и отрицательная клемма питания заземлена, когда первый программно-управляемый переключатель разомкнут, второй программно-управляемый переключатель разомкнут, и третий программно-управляемый переключатель замкнут; и
отрицательное напряжение питания на отрицательной клемме питания и положительное напряжение питания на положительной клемме питания, когда первый программно-управляемый переключатель замкнут, второй программно-управляемый переключатель разомкнут, и третий программно-управляемый переключатель разомкнут.
[0008] В предпочтительных вариантах осуществления, разъем интерфейса датчика выполнен с возможностью подключения к датчикам множественных типов, включающим в себя сейсмические датчики, пьезоэлектрические акселерометры, датчики вибрации на основе пьезоэлектрических интегральных микросхем (ICP), пьезоэлектрические динамические датчики давления, электродинамические датчики скорости, датчики вихревого тока, низкочастотные датчики, датчики вибрации AC, датчики смещения DC, пассивные электромагнитные датчики, тахометрические датчики на основе эффекта Холла, датчики кодера вращения вала, и импульсные датчики на основе TTL.
[0009] В некоторых вариантах осуществления, отрицательное напряжение питания равно -15 В, удвоенное отрицательное напряжение питания равно -30 В, положительное напряжение питания равно +15 В, и удвоенное положительное напряжение питания равно +30 В.
[0010] Некоторые варианты осуществления включают в себя регулируемый источник неизменного тока и четвертый программно-управляемый переключатель, который электрически подключен к положительной клемме питания разъема интерфейса датчика. Четвертый программно-управляемый переключатель подключает регулируемый источник неизменного тока к положительной клемме питания разъема интерфейса датчика, когда четвертый программно-управляемый переключатель находится в первом положении, и отключает регулируемый источник неизменного тока от положительной клеммы питания разъема интерфейса датчика, когда во втором положении. В предпочтительном варианте осуществления, регулируемый источник неизменного тока обеспечивает неизменный ток питания датчика в пределах от 0 мА до 8 мА.
[0011] Некоторые варианты осуществления включают в себя регулируемый источник напряжения и пятый программно-управляемый переключатель, который электрически подключен к отрицательной клемме питания разъема интерфейса датчика. Пятый программно-управляемый переключатель служит для подключения регулируемого источника напряжения к отрицательной клемме питания разъема интерфейса датчика, когда пятый программно-управляемый переключатель находится в первом положении, и для отключения регулируемого источника напряжения от отрицательной клеммы питания разъема интерфейса датчика, когда пятый программно-управляемый переключатель находится во втором положении. В предпочтительном варианте осуществления, регулируемый источник напряжения обеспечивает напряжение питания датчика в пределах от -22 В до -30 В.
[0012] Некоторые варианты осуществления включают в себя шестой программно-управляемый переключатель, который электрически подключен к клеммам сигналов датчика и к положительной и отрицательной клеммам питания разъема интерфейса датчика. Шестой программно-управляемый переключатель имеет первое и второе положение. В первом положении, клемма сигнала датчика электрически подключена к положительной клемме питания, и возвратная клемма датчика электрически подключена к отрицательной клемме питания. Во втором положении клемма сигнала датчика электрически отключена от положительной клеммы питания, и возвратная клемма электрически отключена от отрицательной клеммы питания. В этом варианте осуществления, интерфейс датчика сопрягается с двухпроводными датчиками, когда шестой программно-управляемый переключатель находится в первом положении, и сопрягается с четырехпроводными датчиками, когда шестой программно-управляемый переключатель находится во втором положении.
[0013] В некоторых вариантах осуществления, цепь ввода сигнала датчика содержит дифференциальный усилитель 10:1 для сопряжения с аналоговыми сигналами датчиков в диапазоне ввода сигнала датчика до +/-30 В.
[0014] В некоторых вариантах осуществления, интерфейс имеет цепь вывода буферизованного сигнала датчика, которая включает в себя разъем вывода буферизованного сигнала датчика, который электрически подключен к операционному усилителю. Операционный усилитель запитывается теми же напряжениями из цепи питания датчика, которые поступают на положительное и отрицательное питание интерфейса датчика, таким образом, что буферизованный сигнал датчика на разъеме вывода буферизованного сигнала датчика автоматически устанавливается на диапазон сигнала датчика, совпадающий с диапазоном подключенного датчика.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0015] Другие варианты осуществления изобретения будут пояснены со ссылкой на подробное описание, снабженное чертежами, где элементы изображены с нарушением масштаба для более наглядного представления деталей, причем аналогичные ссылочные позиции указывают аналогичные элементы на протяжении нескольких видов, и в которых:
[0016] фиг. 1 изображает несколько разных типов датчиков, которые обычно можно использовать для измерения нескольких разных характеристик машин в системе контроля машин; и
[0017] фиг. 2 изображает универсальный интерфейс датчика, который может сопрягаться с несколькими разными типами датчиков согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0018] Фиг. 1 изображает некоторые примеры различных типов датчиков, которые можно использовать для регистрации характеристик машин в системе контроля машин. Эти примерные датчики включают в себя сейсмический/пассивный магнитный датчик, датчик вихревого тока, пьезоэлектрический датчик, датчик Холла и низкочастотный датчик. Сейсмический/пассивный магнитный датчик и пьезоэлектрический датчик являются примерами двухпроводных устройств, которые имеют только соединения сигнала и возврата с необязательным источником тока, внутренне подключенным к сигналу и возврату. Другие датчики являются четырехпроводными устройствами, которые имеют два соединения питания (Питание+ и Питание-) помимо соединений сигнала и возврата. Фиг. 1 также указывает типичные диапазоны выходных сигналов, вырабатываемых этими датчиками и, для четырехпроводных устройств, требования к их источнику питания.
[0019] Фиг. 2 изображает предпочтительный вариант осуществления универсального интерфейса 10 датчика, который выполнен с возможностью работы со всеми диапазонами выходного сигнала и требованиями к источнику питания иллюстративных датчиков, изображенных на фиг. 1, и других типов датчиков. В предпочтительном варианте осуществления, цепь 25 питания датчика включает в себя источник 26 напряжения +/-15 В. В зависимости от типа датчика, подключенного к разъему 12 интерфейса датчика, заземление (GND) цепи 25 питания датчика может переключаться на положительный, нейтральный или отрицательный полюс источника 26 питания с использованием переключателей 18, 20, 22, 24 и 30, которые управляются посредством схемы 32 управления переключателями на основании сигналов управления от цифрового сигнального процессора (DSP) или контроллера 36. Описанные здесь переключатели, например, переключатели 18, 20, 22, 24, 30 и 44 могут быть реализованы с использованием контактов реле, электронных переключателей, твердотельного реле, или эквивалентов таких переключающих устройств.
[0020] Например, фиксированное напряжение питания -30 В достигается посредством следующей комбинации положений переключателей:
- переключатель 30 разомкнут
- переключатель 22 замкнут (GND)
- переключатель 24 разомкнут.
Фиксированное напряжение питания +30 В достигается посредством следующей комбинации положений переключателей:
- переключатель 30 разомкнут
- переключатель 22 разомкнут
- переключатель 24 замкнутый (GND).
Фиксированное напряжение питания +/-15 В достигается посредством следующей комбинации положений переключателей:
- переключатель 30 замкнут (GND)
- переключатель 22 разомкнут
- переключатель 24 разомкнут.
[0021] Хотя в предпочтительном варианте осуществления используется источник 26 напряжения +/-15 В, в альтернативных вариантах осуществления можно использовать источник напряжения, обеспечивающий другой диапазон, например +/-14 В. Таким образом, очевидно, что изобретение не ограничивается никаким конкретным диапазоном напряжения питания.
[0022] Датчики, которым нужен источник неизменного тока, обычно работают на положительном напряжении питания. Таким образом, предпочтительный вариант осуществления предусматривает источник 16 неизменного тока (U/I) на положительной ветви цепи питания. Источник 16 тока можно выбирать с использованием переключателя 20, который управляется DSP/контроллером 36 посредством схемы 32 управления переключателями. Если для датчиков, работающих в диапазоне отрицательного напряжения питания, необходимы другие уровни напряжения, можно выбирать регулируемый источник 14 напряжения (U/U) на отрицательной ветви цепи с использованием переключателя 18, который также управляется DSP/контроллером 36 посредством схемы 32 управления переключателями.
[0023] В предпочтительном варианте осуществления, цепи 28a-28b ограничения тока предусмотрены в положительной и отрицательной ветвях питания для защиты от избыточной потребности в токе нагрузки, например, вследствие короткого замыкания между клеммами источника питания. Падение напряжения на цепях 28a-28b ограничения тока считается пренебрежимо малым.
[0024] Для работы в диапазонах сигнала датчика всех датчиков, обычно используемых в приложениях контроля машин, предпочтительные варианты осуществления интерфейса 10 предусматривают цепь 42 ввода сигнала датчика, которой, в предпочтительном варианте осуществления, является операционный усилитель (OPAMP), сконфигурированный как дифференциальный усилитель, имеющий вход с широким диапазоном напряжения, например, отношение напряжений 10:1. При коэффициенте усиления по напряжению 10:1, можно работать в диапазонах сигнала датчика от -30 В до +30 В. В альтернативных вариантах осуществления, отношения напряжений, отличные от 10:1 могут обеспечиваться посредством OPAMP 42 для сопряжения с другими входными диапазонами, например +/-25 В. Таким образом, очевидно, что изобретение не ограничивается никаким конкретным диапазоном сигнала датчика.
[0025] Предпочтительные варианты осуществления включают в себя аналого-цифровой преобразователь (ADC) 40, например, 24-битовый дельта-сигма ADC, который обеспечивает получение данных сигналов DC (статическое измерение) а также сигналов AC (динамическое, скоростное измерение), и единый фильтр 38 защиты от помех дискретизации перед ADC 40. DSP/контроллер 36 предпочтительно осуществляет цифровую обработку и фильтрацию сигналов датчиков, например, для статических, динамических или скоростных измерений контролируемых машин.
[0026] Двухполюсный переключатель 44 обеспечивает выбор двухпроводного датчика или четырехпроводного датчика, таким образом, исключая необходимость во внешней проводке. Четырехпроводной датчик выбирается, когда переключатель 44 находится в разомкнутом положении, и двухпроводной датчик выбирается, когда переключатель 44 находится в замкнутом положении. Переключатель 44, предпочтительно, управляется DSP/контроллером 36 посредством схемы 32 управления переключателями.
[0027] Как показано на фиг. 2, предпочтительный вариант осуществления включает в себя цепь 46 вывода буферизованного сигнала датчика, которая включает в себя OPAMP 48, который запитывается тем же напряжением питания (U+ и U-), которое обеспечивается на источнике 26 напряжения. Таким образом, вывод буферизованного сигнала на разъеме 50 автоматически устанавливается на надлежащий диапазон напряжения сигнала датчика. Вывод буферизованного сигнала можно контролировать, например, с использованием осциллографа или можно подавать на систему анализа машин в целях прогнозирования.
[0028] Вышеприведенное описание предпочтительных вариантов осуществления этого изобретения было представлено в целях иллюстрации и описания. Они не призваны быть исчерпывающими или ограничивать изобретение конкретной раскрытой формой. В свете вышеизложенных принципов возможны очевидные модификации или вариации. Варианты осуществления выбраны и описаны с целью обеспечения наилучших иллюстраций принципов изобретения и его практического применения, чтобы, таким образом, специалист в данной области техники мог использовать изобретение в различных вариантах осуществления и с различными модификациями, которые пригодны для конкретного предусмотренного использования. Все подобные модификации и вариации входят в объем изобретения, определенный нижеследующей формулой изобретения, в случае интерпретации в соответствии с широтой, в которой они объективно, законно и справедливо представлены.