МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СБОРА ДАННЫХ ДЛЯ ДАТЧИКОВ С ДВУХПРОВОДНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ
MULTICHANNEL DATA ACQUISITION DEVICE FOR SENSORS WITH A TWO-WIRE INTERFACE

Изобретение относится к средствам диагностического контроля состояния оборудования и может быть использовано в системах мониторинга, прогнозирования и защиты, реализуемых с использованием технологических платформ SCADA и IIoT. Изобретение предназначено для использования с аналоговыми датчиками динамических физических величин, имеющих двухпроводной аналоговый интерфейс (IEPE - Integrated Electronics Piezo Electric, LIVM - Low Impedance Voltage Mode, ICP - Integrated Circuit Piezoelectric, Isotron, DeltaTron Piezotron а также CCLD - Constant Current Line Drive). В качестве таких датчиков могут использоваться акселерометры, велосиметры, датчики динамических перемещений, датчики динамических сил, микрофоны, датчики пульсации давления и т.п. с такими интерфейсами, реализуемыми встроенной в датчик электроникой.
Известно многоканальное устройство сбора данных для датчиков с подключением по двум проводам, содержащее коммутационные блоки с мультиплексорами, выходы которых соединены с входами аналого-цифровых преобразователей, выходы которых через цифровые последовательные интерфейсы соединены с входами контроллера [Патент US 6711446 В2, 2004]. Недостатками этого устройства являются относительно низкая достоверность функционирования, поскольку асинхронная передача данных на контроллер не позволяет с удовлетворительной точностью провести сопоставление динамических данных на различных датчиках. Кроме того, это устройство хотя и названо как обеспечивающее соединение по двухпроводному интерфейсу в действительности требует дополнительных шин в кабеле для организации питания коммутационных блоков, коммутационные блоки потребляют сравнительно высокую мощность, а структура устройства не позволяет подключать к нему датчики динамических величин с встроенной электроникой, реализующей такие интерфейсы как IEPE и т.п.
Известно устройство для сбора данных с датчиков динамических величин и имеющих двухпроводный выход, например пьезоэлектрических акселерометров, которые подключены непосредственно к входам измерительного блока, которые являются входами зарядовых усилителей, выходы которых соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, встроенного в контроллер [Patent Application Publication US 2017/0343410 A1 2017, fig.3]. Недостатком этого устройства является относительно низкая достоверность функционирования, поскольку передача зарядовых сигналов по отдельным парам проводов на сколько-нибудь значительное расстояние весьма чувствительна к наводкам, помехам, трибоэффекту и т.п., что приводит к искажению данных от датчиков. Данное устройство не может быть использовано с датчиками динамических величин имеющими аналоговый двухпроводный интерфейс передачей питания и сигнала по одному проводу.
Известно многоканальное устройство сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом содержащее измерительный блок, входы каждого из каналов которого являются входами для подключения датчиков с двухпроводным интерфейсом, каждый из входов соединен с входами согласующего элемента, выходы которых соединены с входами аналого-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с входами контроллера, выход которого является выходом устройства [IOtech 640 and 650. Dynamic Signal Analyzers for Vibration Analysis and Monitoring. User's manual. IOtech. 2017. Block Diagram 2-1, p. 15].
Недостатком этого устройства является относительно низкая достоверность и надежность функционирования. Это связано с необходимостью использования отдельных кабелей для каждого из датчиков, имеющих большое суммарное количество соединительных проводов, что увеличивает вероятность ошибок при монтаже и прокладке кабельных линий и отказов при эксплуатации, а также увеличивает стоимость кабельных соединений и монтажа. В случае расположения измерительного блока в непосредственной близости от датчиков, этот блок может подвергаться существенным температурным, вибрационным и т.п. внешним воздействиям, а имеющиеся в нем интерфейсные средства не обеспечивают достоверную передачу данных на сколько-нибудь значительные (более нескольких метров) расстояния.
Известно многоканальное устройство сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, содержащее коммутационный блок, который для каждого канала содержит входные соединители с первым и вторым контактами для подключения датчиков с двухпроводным интерфейсом для каждого из каналов, а также содержит выходные соединители каналов, для каждого из которых контакт соединен с началом провода соответствующего канала соединительного кабеля, коммутационный блок содержит дополнительный выходной соединитель, контакт которого соединен с вторыми контактами входных соединителей нечетных каналов, контакт дополнительного выходного соединителя коммутационного блока соединен через общий провод кабеля с контактом соединителя общей шины измерительного блока, контакт входного соединителя каждого из каналов которого соединен с концом провода соответствующего канала соединительного кабеля, измерительный блок содержит контроллер, выход которого является выходом измерительного блока, входы контроллера соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей, входы которых соединены с выходами соответствующих согласующих элементов, а также содержащее формирователи тока питания датчиков каждого из каналов, причем аноды формирователей тока питания датчиков нечетных каналов соединены с шиной положительного напряжения питания датчиков измерительного блока [Патент РФ №2401419 кл. G01D 5/12, 10.10.2010, Бюл. №28]. Данное устройство, как наиболее близкое по совокупности конструктивных признаков, выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является относительно низкая достоверность функционирования, что связано с использованием общего провода для передачи всех токов питания, задаваемых формирователями тока питания датчиков по кабелю в измерительный блок. Все эти токи суммируются, и этот суммарный ток вызывает сравнительно большое падение напряжения на активном сопротивлении общего провода кабеля, что приводит к необходимости использования большего напряжения питания, поскольку это падение суммируется с постоянным напряжением смещения на датчиках, а такое суммарное напряжение может приводить при больших сигналах или аддитивных помехах к недостоверной работе формирователей токов питания датчиков. Как результат, требуется либо повышенное напряжение питания, что снижает надежность функционирования, либо к ограничению допустимых динамических сигналов и при большой амплитуде последних возможно искажение этих сигналов, следствием чего является низкая достоверность функционирования устройства.
Для обеспечения более высокой достоверности функционирования в многоканальном устройстве сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, содержащем коммутационный блок, который для каждого канала содержит входные соединители с первым и вторым контактами для подключения датчиков с двухпроводным интерфейсом каждого из каналов, а также содержит выходные соединители каналов, для каждого из которых контакт соединен с началом провода соответствующего канала соединительного кабеля, коммутационный блок содержит дополнительный выходной соединитель, контакт которого соединен с вторыми контактами входных соединителей нечетных каналов, контакт дополнительного выходного соединителя коммутационного блока соединен через общий провод кабеля с контактом соединителя общей шины измерительного блока, контакт входного соединителя каждого из каналов которого соединен с концом провода соответствующего канала соединительного кабеля, измерительный блок содержит контроллер, выход которого является выходом измерительного блока, входы контроллера соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей, входы которых соединены с выходами соответствующих согласующих элементов, а также содержащее формирователи тока питания датчиков каждого из каналов, причем аноды формирователей тока питания датчиков нечетных каналов соединены с шиной положительного напряжения питания датчиков измерительного блока, в коммутационном блоке первые контакты входных соединителей нечетных каналов соединены с контактами выходных соединителей соответствующих каналов, первые контакты входных соединителей четных каналов коммутационного блока соединены с контактом дополнительного выходного соединителя коммутационного блока, вторые контакты входных соединителей четных каналов коммутационного блока соединены с контактами выходных соединителей соответствующих каналов коммутационного блока, контакт входного соединителя каждого из каналов измерительного блока соединен через разделительный конденсатор с входом соответствующего согласующего элемента измерительного блока, катоды формирователей тока питания датчиков нечетных каналов соединены в измерительном блоке с контактами входных соединителей соответствующих каналов, контакты входных соединителей четных каналов в "измерительном блоке соединены с анодами формирователей тока питания датчиков соответствующих каналов, а катоды этих формирователей подключены к шине отрицательного напряжения питания датчиков измерительного блока.
Другое отличие состоит в том, что в многоканальном устройстве сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом входные соединители измерительного блока для каждого из каналов выполнены с встроенным барьером искробезопасности.
Другое отличие состоит в том, что в многоканальном устройстве сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом каждый согласующий элемент измерительного блока содержит операционный усилитель, выход которого является выходом согласующего элемента и соединен с инверсным входом операционного усилителя, прямой вход которого является входом согласующего элемента, который через вспомогательный резистор соединен с общей шиной.
Другое отличие состоит в том, что в многоканальном устройстве сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом каждый согласующий элемент измерительного блока содержит операционный усилитель выход которого является выходом согласующего элемента и соединен с первым выводом первого дополнительного резистора и через первый дополнительный конденсатор с инверсным входом операционного усилителя, который соединен через второй дополнительный резистор с вторым выводом первого дополнительного резистора, который соединен через второй дополнительный конденсатор с прямым входом операционного усилителя и общей шиной измерительного блока, а второй вывод первого дополнительного резистора соединен через третий дополнительный резистор с входом согласующего элемента.
Другое отличие состоит в том, что в многоканальном устройстве сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом каждый из формирователей тока питания датчиков выполнен в виде токоограничивающего диода, анод и катод которого являются соответственно анодом и катодом формирователя тока питания датчика.
Другое отличие состоит в том, что в многоканальном устройстве сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом каждый из формирователей тока питания датчиков выполнен в виде полевого транзистора, сток которого является анодом формирователя тока питания датчика, катод формирователя тока питания датчика соединен через токозадающий резистор с истоком полевого транзистора, а также непосредственно с затвором этого транзистора.
Другое отличие состоит в том, что в многоканальном устройстве сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом каждый из формирователей тока питания датчиков выполнен на интегральном стабилизаторе напряжения, вход которого является анодом формирователя тока питания датчика, катод формирователя тока питания датчика соединен через токозадающий резистор с выходом интегрального стабилизатора напряжения, а также непосредственно с общим выводом этого стабилизатора.
Изобретение поясняется структурными схемами, приведенными на чертежах.
На фиг. 1 показана структурная схема многоканального устройства сбора данных для датчиков 1 с двухпроводным интерфейсом.
На фиг. 2 показан пример структурной схемы согласующего элемента.
На фиг. 3 приведен пример структурной схемы другого исполнения согласующего элемента.
На фиг. 4 и 5 приведены примеры структурных схем выполнения формирователей тока питания датчиков с двухпроводным интерфейсом.
Как показано на фиг. 1, многоканальное устройство сбора данных для датчиков 1 с двухпроводным интерфейсом содержит коммутационный блок 2, который для каждого из N каналов содержит входные соединители 3-1÷3-N (на фиг. 1 N=4) с первым 4 и вторым 5 контактами для подключения датчиков 1 с двухпроводным интерфейсом каждого из каналов, а также содержит выходные соединители 6 каналов, для каждого из которых контакт соединен с началом 7 провода соответствующего канала соединительного кабеля 8, коммутационный блок 2 содержит дополнительный выходной соединитель 9, контакт которого соединен с вторыми контактами 5 входных соединителей 3-1 и 3-3 нечетных каналов, контакт дополнительного выходного соединителя 9 коммутационного блока 2 соединен через общий провод 10 кабеля 8 с контактом соединителя 11 общей шины 12 измерительного блока 13, контакт входного соединителя 14 каждого из каналов которого соединен с концом 15-1÷15-4 провода соответствующего канала соединительного кабеля 8, измерительный блок 13 содержит контроллер 16, выход 17 которого является выходом измерительного блока 13, входы контроллера 16 соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей 18, входы которых соединены с выходами соответствующих согласующих элементов 19, а также содержит формирователи 20 тока питания датчиков каждого из каналов, причем аноды формирователей 20 тока питания датчиков нечетных каналов соединены с шиной 21 положительного напряжения питания датчиков измерительного блока. В коммутационном блоке 2 первые контакты 4 входных соединителей 3-1 и 3-3 нечетных каналов соединены с контактами выходных соединителей 6 соответствующих каналов, первые контакты 4 входных соединителей 3-2 и 3-4 четных каналов коммутационного блока 2 соединены с контактом дополнительного выходного соединителя 9 коммутационного блока 2, вторые контакты 5 входных соединителей 3-2 и 3-4 четных каналов коммутационного блока 2 соединены с контактами выходных соединителей 6 соответствующих каналов коммутационного блока 2, контакт входного соединителя 14 каждого из каналов измерительного блока 13 соединен через разделительный конденсатор 22 с входом соответствующего согласующего элемента 19 измерительного блока 13, катоды формирователей 20 тока питания датчиков нечетных каналов соединены в измерительном блоке 13 с контактами входных соединителей 14 соответствующих каналов, контакты входных соединителей 14 четных каналов в измерительном блоке 13 соединены с анодами формирователей 20 тока питания датчиков соответствующих каналов, а катоды этих формирователей 20 подключены к шине 23 отрицательного напряжения питания датчиков измерительного блока 13.
При использовании датчиков 1 и коммутационного блока 2, устанавливаемых во взрывоопасной зоне входные соединители 14 измерительного блока 13 для каждого из каналов выполнены с встроенным барьером искробезопасности.
Как показано на фиг. 2, каждый согласующий элемент 19 измерительного блока 13 содержит операционный усилитель 24, выход которого является выходом согласующего элемента 19 и соединен с инверсным входом операционного усилителя 24, прямой вход которого является входом согласующего элемента 19, который через вспомогательный резистор 25 соединен с общей шиной 12.
Как показано на фиг. 3 каждый согласующий элемент 19 измерительного блока 13 содержит операционный усилитель 26 выход которого является выходом согласующего элемента 19 и соединен с первым выводом первого дополнительного резистора 27 и через первый дополнительный конденсатор 28 с инверсным входом операционного усилителя 26, который соединен через второй дополнительный резистор 29 с вторым выводом первого дополнительного резистора 27, который соединен через второй дополнительный конденсатор 30 с прямым входом операционного усилителя 26 и общей шиной 12 измерительного блока 13, а второй вывод первого дополнительного резистора 27 соединен через третий дополнительный резистор 31 с входом согласующего элемента 19.
Каждый из формирователей 20 тока питания датчиков может быть выполнен в виде токоограничивающего диода, анод и катод которого являются соответственно анодом и катодом формирователя тока питания датчика.
Каждый из формирователей 20 тока питания датчиков может быть выполнен, как показано на фиг. 4, в виде полевого транзистора 32, сток которого является анодом формирователя 20 тока питания датчика, катод формирователя 20 тока питания датчика соединен через токозадающий резистор 33 с истоком полевого транзистора 32, а также непосредственно с затвором этого транзистора 32.
Каждый из формирователей 20 тока питания датчиков может быть, как показано на фиг. 5, выполнен на интегральном стабилизаторе напряжения 34, вход которого является анодом формирователя 20 тока питания датчика, катод формирователя 20 тока питания датчика соединен через токозадающий резистор 35 с выходом интегрального стабилизатора напряжения 34, а также непосредственно с общим выводом этого стабилизатора 34.
Устройство работает следующим образом.
CM
ПЕР
ПРОВ
МИН
OБЩ
ПРОВ
MИH
CM
ПEP
ОБЩ
ПРОВ
MИН
CM
ПЕР
ПРОB
ОБЩ
ПРОB
ПЕР
Формирователи 20 тока питания датчиков 1 работают в режиме генератора тока и задают ток I питания датчиков 1, которые преобразуют физическое воздействие, для контроля которого они предназначены в изменение внутреннего выходного сопротивления датчика 1. Напряжение на выходе каждого из датчиков складывается из постоянной составляющей, определяющей смещение U на выходе датчика и переменной составляющей U, характеризующей контролируемую физическую величину. Кроме того имеется падение напряжения на активном сопротивлении проводников R кабеля 8 под действием протекающего по ним тока I, задаваемого формирователями 20. Для нормальной работы формирователей 20 на них должно быть смещение не менее U. Кроме этого по общему проводу протекает суммарный ток от всех формирователей 20 тока питания датчиков 1. Поскольку эти ток для четных и нечетных каналов протекают в разных направлениях по общему проводу 10, падение напряжения на нем U не будет сколько-нибудь существенно превышать I⋅R при любом числе каналов. Таким образом достоверное функционирование обеспечивается при выполнении условия E>U+U+U+U+I⋅R или E>U+U+U+2⋅I⋅R. Для устройства прототипа U≈N⋅I⋅R поскольку токи питания в общей шине не компенсируют друг друга для четных и нечетных каналов. Таким образом при N>2 предлагаемое устройство обеспечивает снижение падения напряжения на общем проводе 10, что при заданном напряжении питания Е позволяет пропускать без перегрузки большие U. Это обеспечивает повышение достоверности функционирования устройства.
ПЕР
Напряжение U поступает через разделительный конденсатор 22 и согласующий элемент 19 на вход соответствующего аналого-цифрового преобразователя 18, результат преобразования с выхода которого поступает на входы контроллера 16, который преобразует эти результаты в требуемую форму и передает на выход 17 устройства.
В качестве согласующего элемента 19 может быть использован повторитель на операционном усилители, схема которого приведена на фиг. 2. В другом исполнении в качестве согласующего элемента 19 может быть использована схема, приведенная на фиг. 3. Эта схема в зависимости от выбранных номиналов резисторов и конденсаторов, может реализовать функцию фильтра нижних частот с частотой среза соответствующей необходимому антиалайзинговому фильтру, или выполнять функции одинарного или двойного интегрирующего звена, что позволяет при использовании в качестве датчиков акселерометров получить сигналы, соответствующие скорости или перемещения.
При работе с датчиками, имеющими двухпроводной интерфейс необходим формирователь 20 тока питания такого датчика. Примеры некоторых схем таких формирователей приведены в [Data acquisition. Handbook. A reference for DAQ and analog & digital. // Third Edition. Signal conditioning // Measurement Computing Corporation. 2012. Fig. 8.06 р. 92]. В качестве такого формирователя могут быть использованы токоограничивающие диоды, такие как, например, CR240, J508, SST508, 1N5307 и т.п., обеспечивающие формирование тока порядка 2,4 мА. Такая величина среднего тока формирователя позволяет гарантировать, что ток для питания датчика, с учетом возможного разброса не будет меньше 2 мА (минимальное значение тока питания для датчиков этого типа) с одной стороны, а с другой позволяет получить минимизацию потребления, а следовательно снизить требования к источниками питания в системе и минимизировать падение напряжения на проводах соединительного кабеля по которому датчики подключаются к измерительному блоку.
2
Одним из важных достоинств датчиков с аналоговым двухпроводным интерфейсом является возможность проведения измерений с значительным удалением датчика от измерительного блока, поскольку такие датчики допускают работу при длине кабеля до приблизительно 300 метров. Это позволяет строить стационарные системы сбора данных для распределенных объектов в рамках SCADA и IIoT платформ на нижнем уровне. Следует учитывать, что стоимость кабеля для передачи аналоговых сигналов с низким уровнем помех и шумов довольно велика и при большой длине может превышать в несколько раз стоимость самого датчика для динамических аналоговых сигналов (например, стоимость одного метра двухпроводного помехозащищенного кабеля TSK1026 - 170 руб., кабеля TSK1028 - 234 руб.). Поэтому стоимость затрат кабель может составлять существенную часть стоимости всей системы. Это прежде всего относится к системам в которых каждый из датчиков соединяется с измерительным блоком отдельным двухпроводным кабелем. В этом случае в многоканальных системах существенные затраты связаны с необходимостью прокладки большого количества кабельных линий, что также увеличивает затраты на монтаж, пуско-наладочные работы и ведет к снижению надежности и достоверности функционирования. В предлагаемом решении, как и в прототипе, датчики соединены с кабелем через коммутационный блок 2, который обычно располагается в непосредственной близости от датчиков. Это позволяет использовать в многоканальных системах длинный соединительный кабель 8 с количеством проводов существенно меньшим (почти в два раза) чем 2⋅N - число проводов для N датчиков. В предлагаемом устройстве для этого используется N+1 провод в кабеле. В устройстве прототипе в кабеле должно быть не менее N+2+logN проводов. Уменьшение количества проводов не только снижает затраты на кабель, его монтаж, контроль правильности соединений при пуско-наладочных работах, но также повышает надежность и достоверность функционирования. В предлагаемом устройстве задание токов питание выполняется непосредственно в измерительном блоке 13, что позволило не только сократить количество проводов в кабеле, но и исключает необходимость передачи в коммутационный блок 2 питания, что снижает вероятность отказов в этом блоке. Это преимущество особенно существенно в случае использования устройства с расположением датчиков и коммутационного блока во взрывоопасных зонах, поскольку предлагаемое решение позволяет по всем проводам кабеля использовать ограничение тока близкое к минимальной величине допустимого тока питания одного датчика т.е. 2-3 мА. Это относится и к общему проводу 10 общей шины, поскольку средняя величина тока в ней также близка к указанной величине, поскольку токи питания датчиков четных и нечетных каналов протекают через общий провод 10 в противоположных направлениях, компенсируя друг друга. При равенстве числа четных и нечетных каналов этот ток еще меньше. Эта особенность также обеспечивает повышение достоверности функционирования, поскольку малая величина тока в проводах обеспечивает в отличие от прототипа малую величину падения напряжения по постоянному току на общем проводе 10. Такое падение может увеличить величину напряжения смещения для каналов, поскольку оно прибавляется к напряжению смещения на каждом из датчиков. Увеличение этого смещения приводит к необходимости увеличения напряжения питания формирователей тока или к ограничению амплитуды динамического сигнала от датчиков, что снижает достоверность измерения. В качестве дополнительного преимущества организации структуры устройства с малым числом проводов в кабеле, соединяющем коммутационный блок и измерительный блок можно отметить уменьшение числа необходимых контактов в соединительных элементах (разъемах или клеммниках), что не только снижает их стоимость, но, что более важно, увеличивает надежность и позволяет уменьшить их размеры и размеры необходимой площади для их размещения, поскольку габариты таких соединительных элементов в условиях миниатюризации используемых электронных компонентов могут быть определяющими для блоков 2 и 13. Следует также отметить, что в устройстве прототипе сбор данных выполняется последовательно во времени опросом каналов, что может привести к потере информации от датчика. Это ограничивает достоверность получаемых данных и не позволяет использовать известное устройство для защиты по контролируемым датчиками параметрам с вы высокой достоверностью. В предлагаемом устройстве используются, например, многоканальные параллельные аналого-цифровые преобразователи в отличие от одноканальных в прототипе, где для переключения каналов использован аналоговый мультиплексор. В связи с этим следует отметить, что современные микросхемы восьмиканальных аналого-цифровых преобразователей зачастую имеют сравнимую стоимость (например, ADS131E08 стоимостью 7,15 $), и соответственно аналоговые мультиплексоры (например, ADG507 стоимостью 6,2 $ и прибавленная к этому стоимость одноканального аналого-цифрового преобразователя).