CN102798400A - 用于与接地无关地提供传感器信号的系统和方法 - Google Patents

用于与接地无关地提供传感器信号的系统和方法 Download PDF

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CN102798400A CN2012101656841A CN201210165684A CN102798400A CN 102798400 A CN102798400 A CN 102798400A CN 2012101656841 A CN2012101656841 A CN 2012101656841A CN 201210165684 A CN201210165684 A CN 201210165684A CN 102798400 A CN102798400 A CN 102798400A
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Abstract

本发明涉及用于与接地无关地提供传感器信号的系统和方法。公开了隔离电路(44,200)、涡轮数据获取系统和有关方法。一个示例性隔离电路包括用于联接到运行传感器上的分压器电路(102,202)、连接到所述分压器电路的箝位电路(104,204)和连接到所述箝位电路的增益电路(106,206)。分压器电路配置成分割从传感器接收的信号的幅度。箝位电路配置成限制来自所述分压器电路的电压。增益电路包括输出(108)。隔离电路根据传感器信号并且与接地无关地将单端输出信号提供到增益电路的输出。

Description

用于与接地无关地提供传感器信号的系统和方法
技术领域
本发明的领域大体涉及传感器隔离电路，且更具体地涉及用于与接地无关地提供传感器信号的系统和方法。
背景技术
燃气涡轮发动机组件经常被用作各种应用如发电设备或飞行器内的功率源。至少一些公知的燃气涡轮发动机系统包括多个传感器，以监测燃气涡轮发动机系统的各种状况/运行。例如，燃气涡轮发动机组件可包括速度传感器，以提供指示涡轮轴的转速的信号。
传感器可基于例如控制、反馈和/或监测的目的而连接到燃气涡轮发动机组件内的多个电路上。当传感器联接到多于一个电路时，经常要求隔离，以避免可不利地影响传感器的精度和/或使电路性能下降的接地回路。至少一些公知的燃气涡轮发动机组件对连接到传感器上的各电路采用独立的电源。可选地，其它公知的燃气涡轮发动机组件使用一个或多个变压器来将传感器与电路电气隔离。然而，变压器通常笨重并且可提供仅仅有限的频率响应。
发明内容
一方面，提供了一种用于与接地无关地提供传感器信号的隔离电路。该隔离电路包括用于联接到运行传感器上的分压器电路、连接到分压器电路上的箝位电路和连接到箝位电路上的增益电路。分压器电路配置成分割从传感器接收的信号的幅度。箝位电路配置成限制来自分压器电路的电压。增益电路包括输出。隔离电路根据传感器信号并且与接地无关地将单端输出信号提供给增益电路的输出。
另一方面，提供了一种燃气涡轮发动机组件。燃气涡轮发动机组件包括速度传感器和隔离电路，该速度传感器用于生成指示构件的运行速度的差分信号，该隔离电路用于联接到速度传感器上，以接收来自速度传感器的差分信号。该隔离电路配置成根据差分信号并且与接地无关地生成单端输出信号。
又一方面，提供了一种用于与接地无关地提供传感器信号的方法。该方法包括提供隔离电路以将传感器联接到燃气涡轮发动机组件的控制系统。该隔离电路包括分压器电路、连接到分压器电路上的箝位电路和连接到箝位电路上的增益电路。该方法包括从传感器接收差分输入信号，在分压器电路的电阻网络分割差分传感器信号的幅度，以及在增益电路的运算放大器处根据差分传感器信号并且与接地无关地生成单端输出信号。
附图说明
图1是示范性燃气涡轮发动机组件的框图。
图2是与图1中所示的燃气涡轮发动机组件一起使用的示范性隔离电路的框图。
图3是图2中所示的隔离电路的示范性示意图。
图4是用于与接地无关地提供传感器信号的示范性方法的流程图。
部件列表
10      燃气涡轮发动机组件
12      压缩器
14      燃烧器
16      涡轮
18      控制系统
20      输入管道
21      输入导叶
22      转子轴
24      燃料控制组件
26      传感器
28      传感器
30      传感器
32      传感器
34      传感器
36      传感器
38      负载
40      监测模块
42      控制模块
44      隔离电路
102    分压器电路
104    箝位电路
106    增益电路
108    输出端
200    隔离电路
202    分压器电路
204    箝位电路
206    增益电路
207    电阻网络
208    端子
210    端子
212    瞬态电压衰减(TVS)装置
214    运算放大器
216    正极输入
218    负极输入
220    输出
300    方法
302    提供
304    接收
306    分割
308    生成。
具体实施方式
图1是示范性燃气涡轮发动机组件10的示意图。在该示范性实施例中，燃气涡轮发动机组件10包括压缩器12、燃烧器14、经由转子轴22驱动地联接到压缩器12上的涡轮16、控制系统18和燃料控制组件24。燃烧器14联接到压缩器12，使得燃烧器14与压缩器12流动连通。燃料控制组件24联接到燃烧器14上，用于将燃料引入燃烧器14中。输入管道20将外界空气引至压缩器12。在一个实施例中，所喷射的水和/或其它加湿剂也经输入管道20被引至压缩器12。输入管道20可包括对经输入管道20流入压缩器12中的一个或多个输入导叶21的外界空气的压损有贡献的多个管道、过滤器、筛网和/或吸声装置。
在运行期间，输入管道20将空气引向压缩器12，该压缩器12将输入空气压缩到更高的压力和温度。压缩器12朝燃烧器14排出压缩空气，压缩空气在燃烧器14中与燃料混合并点燃，以生成流向涡轮16的燃烧气体，涡轮16驱动压缩器12。燃烧器14将燃烧气体引至涡轮16，在涡轮16中气流热能转化为旋转机械能。
在示范性实施例中，燃气涡轮发动机组件10可用于驱动负载38，例如联接到转子轴22上的发生器(未示出)。在可选实施例中，负载38可联接到转子轴22的前延伸部(未示出)上。在更多其它实施例中，燃气涡轮发动机组件10可在诸如飞行器的运载工具中采用。
燃气涡轮发动机组件10的运行可由探测涡轮16、负载38和/或外界环境的各种运行状况的若干传感器26-36监测。例如，传感器26-36还可包括流量传感器、速度传感器、火焰探测器传感器、阀位置传感器、导叶角度传感器和/或感测与燃气涡轮发动机组件10的运行相关的各种参数(例如在限定位置处的温度、压力和气体流量等)的其它传感器。在示范性实施例中，传感器34是用于生成指示转子轴22转速的差速信号的速度传感器。
在示范性实施例中，控制系统18包括监测模块40和控制模块42。速度传感器34联接到监测模块40并且联接到控制模块42上。然而，监测模块40经由隔离电路44联接到速度传感器34上。速度传感器34和隔离电路44组合而形成涡轮数据获取系统。应该认识到，图1中所示的传感器26-36中的任何一个或多个可经由隔离电路联接到控制系统18(包括其中的一个或多个模块)上。此外，在其它实施例中，隔离电路可被包括在控制模块内，而不是被包括在监测模块内。并且，在更多其它实施例中，监测模块和控制模块可各包括隔离电路。
图2是隔离电路44的框图。在示范性实施例中，隔离电路44包括用于联接到传感器34上的分压器电路102。分压器电路102分割来自传感器34的传感器信号的幅度。隔离电路44包括联接到分压器电路102的箝位电路104和联接到箝位电路104的增益电路106。箝位电路104限制来自分压器电路102的电压，并且增益电路106包括输出108。隔离电路44根据速度传感器34的差分传感器信号并且与接地无关地将单端输出信号提供到增益电路106的输出108。
在这种实施例中，隔离电路44使速度传感器34能够被联接到监测模块40并且被联接到控制模块42，而无需双重接地。因此，在传感器34与模块40和42之间未创造多个接地回路。因此，隔离电路44还可免除对(多个)变压器和/或用于监测模块40和用于控制模块42的(多个)单独电源的需求。此外，且如下文解释地，隔离电路44可提供对于公知变压器的改进的频率响应。更进一步地，在一些实施例中，隔离电路44可仅仅大致包括成品的构件，从而与公知的变压器和/或使用单独的电源相比改进了成本节约和/或电路板空间节约。
图3是可用于与接地无关地提供传感器信号的可选隔离电路200的示范性示意图。在示范性实施例中，隔离电路200包括分压器电路202、连接到分压器电路202上的箝位电路204和连接到箝位电路204上的增益电路206。
在示范性实施例中，分压器电路202包括电阻网络207。更具体而言，电阻网络207包括三个电阻器R1、R2和R3。电阻器R1-R3在输入端子208与210之间串联联接。电阻器R1-R3被联接以根据电阻器R1-R3的比例电阻分割到端子208和210的输入信号的幅度。具体而言，在示范性实施例中，箝位电路204与电阻器R2并联连接。因此，在运行期间，分压器电路202提供信号，其大致等于输入信号乘以电阻器R2的电阻并除以电阻器R1-R3的总电阻(即，                                                
Figure 2012101656841100002DEST_PATH_IMAGE001
)。应该认识到，可采用各种电阻和/或任何数量的电阻器以为箝位电路204提供期望电压。在至少一个实施例中，分压器电路可包括使传感器信号的幅度能够如本文中所述地分割的电阻器、电容器和/或感应器的任何组合。
箝位电路204包括瞬态电压衰减(TVS)装置212。TVS装置212与电阻器R2并联联接，以将横跨电阻器R2的电压箝位。可选定TVS装置212以将电压箝位至期望电压范围。在该示范性实施例中，TVS装置212是构造成将电压箝位在26VDC的双向装置(例如，可从Vishay Semiconductors,Microsemi Corporation商购的构件SMBJ26等)。此外，在该示范性实施例中，TVS装置212构造成为隔离电路200提供电磁干扰(EMI)防护和/或静电放电(ESD)防护。
如图所示，在示范性实施例中，箝位电路204包括在TVS装置212与节点A之间串联联接的电容器C1和在TVS装置212与节点B之间串联联接的电容器C2。在运行期间，电容器C1和C2阻塞通过分压器电路202从传感器提供的差分传感器信号的DC电压分量(如果有的话)。
除TVS装置212以及电容器C1和C2外，箝位电路204包括二极管D1-D4。更具体而言，在示范性实施例中，二极管D1连接在负电压源V-与节点A之间，并且二极管D2连接在正电压源V+与节点A之间。此外，二极管D3连接在负电压源V-与节点B之间，并且二极管D4连接在正电压源V+与节点B之间。电阻器R4连接在节点A与节点B之间。
各二极管D1-D4限定偏置电压。因此，在运行期间，二极管D1-D4将相应节点A和B处的电压箝位在其负电压源V-和/或正电压源V+的偏置电压内。因此，可选定二极管D1-D4以将节点A和B处的电压箝位在期望范围内。例如，如果正电压源V+为5VDC且负电压源V-为-24VDC，则可选定二极管D1-D4以将节点A和B处的电压箝位在大致-24VDC与5VDC之间(二极管D1-D4的±偏置电压)。在其它实施例中可使用其它电压或二极管的不同构型(例如数量、类型、位置等)以将电压箝位在一个或多个期望值之上/之下。在一些示例性实施例中，二极管可被约束在易于达到的电压，例如监测模块40和/或控制模块42的电压源。在更多其它实施例中，可省略连接到电压源上的一个或多个二极管。
应该认识到，箝位电路204可由一种或多种不同类型的装置构造，以将电压箝位在期望水平和/或提供电磁干扰(EMI)防护和/或静电放电(ESD)防护。例如，在可选实施例中，箝位电路204可包括两个齐纳二极管，一个额定为5VDC并且另一个额定为15VDC。5VDC齐纳二极管的阳极可连接到15VDC齐纳二极管的阴极上，并且5VDC齐纳二极管的阴极可连接到15VDC齐纳二极管的阳极上。在这种实施例中，箝位电路204可连接以将电压箝位在大约+5V至大约-15V之间的不平衡范围内。如应该显而易见地，可使用齐纳二极管或其它二极管的各种组合和/或额定值以将经分割的传感器信号箝位在各种平衡或不平衡的电压范围。
再次参照图3，增益电路206包括运算放大器214。在示范性实施例中，运算放大器214是零件#LT1355(可从Linear Technology商购)。然而可选地，应该认识到，在其它实施例中，增益电路可由不同运算放大器、多个分立式晶体管和/或其它合适的装置构造。运算放大器214包括正极输入216、负极输入218和输出220。在运行期间，运算放大器214对从箝位电路204接收的电压提供增益，该增益足以将单端输出信号调节到期望水平。例如，在一个示例性实施例中，来自运算放大器214的增益为大约1.5V/V。如应该显而易见地，在其它实施例中，可连接运算放大器和/或选定运算放大器以提供不同增益。在至少一个实施例中，增益电路206可提供大致标定增益。
在示范性实施例中，运算放大器214经由多个分立构件连接到电源上、接地并连接到箝位电路204上。具体而言，电阻器R5连接在节点A与正极输入216之间，并且电阻器R6串联连接在节点A与负极输入218之间。正极输入216通过电阻器R7和电容器C3的并联组合接地GND。负极输入218通过电阻器R8和电容器C4的并联组合连接到输出220上。负极输入218还通过电阻器R9接地GND。
隔离电路200的电阻器R1-R8和/或电容器C1-C4中的一个或多个可被选定以提供期望性能，例如输出电压、运行带宽、DC误差等。在该特定的实例中，将输出电压表示为：
Figure 16247DEST_PATH_IMAGE002
。
在示范性实施例中，隔离电路200可提供灵活的频率响应。具体而言，电阻器R1-R8和/或电容器C1-C4中的任何可被选择性地调节，以改变隔离电路200的频率响应。在一个示范性实例中，隔离电路200可限定运算放大器214的正极输入上的大约1.3 Hz至大约982 kHz之间的通频带(约-3.0 dB)，以及运算放大器214的正极输入上的约1.5 Hz至约220 kHz之间的通频带(约-3.0 dB)。因此，在该特定的实例中，隔离电路200的总运行带宽(约-3.0 dB)在约1.59 Hz至约220 kHz之间。如应该显而易见地，运行带宽包括若干范围，例如大约7.0 Hz至大约150 kHz之间的范围、大约10 Hz至大约150 kHz之间的范围、大约25 Hz至大约100 kHz之间的范围、大约35 Hz至大约100 kHz之间的范围和/或界定运行带宽内的范围的任何其它离散值等。
而且，如图3中所示，节点C通过电阻器R9接地。在各种实施例中，隔离电路200的单端输出信号可通过经电阻器R9将节点C连接到电源上而电平移位。具体而言，当节点C联接到5VDC电源上时，例如，隔离电路200包括大约-9.08VDC的名义DC偏置和在25±2°C处大约±24mV的DC误差(和/或在温度(-40至85°C)之下/之上±66mV。)。应该认识到，隔离电路200并不限于本文中公开的特定输出特征。可取决于燃气涡轮发动机组件或本文中公开的隔离电路的其它应用的要求，可改变电源、电阻器、电容器、二极管和运算放大器中的一个或多个，以提供期望输出特征。
在制造期间，隔离电路200可由普通、现成的构件如电阻器、电容器、二极管和运算放大器等制成。在一些实施例中，使用普通、成品的构件可有利于成本减少和/或所要求的构件的方便的二次供货。此外，在一个实施例中，隔离电路200可在不足大约1.0平方英寸的印刷电路板(未示出)上构造。
图4图示了根据本公开的另一示例性实施例的用于与接地无关地提供传感器信号的示范性方法300。虽然示范性方法300可与燃气涡轮发动机组件10(如图1中所示)一起使用，但应该认识到，本文中所述的方法并不限于本文中所述的示范性燃气涡轮发动机组件和隔离电路。同样，本公开所构想的隔离电路和/或燃气涡轮发动机组件不应该被理解为受限于本文中所述的示范性方法。
方法300包括提供302隔离电路，例如图3中所示的隔离电路200，以将传感器联接到燃气涡轮发动机组件的控制系统上。该隔离电路包括分压器电路、联接到分压器电路上的箝位电路和联接到箝位电路上的增益电路。方法300还包括接收304来自传感器的差分输入信号，在分压器电路的电阻网络处分割306差分传感器信号的幅度，以及在增益电路的运算放大器处根据差分传感器信号并且与接地无关地生成308单端输出信号。
在一些实施例中，方法300可包括在箝位电路将分割的差分传感器信号箝位在期望电压范围。此外，或可选地，方法300可包括在箝位电路阻塞差分传感器信号的DC分量。
上述实施例中的一个或多个可在传感器联接到多于一个模块上时消除一个或多个接地环路。因此，如本文中所述的隔离电路可免除对用于监测模块和/或控制模块的(多个)变压器和/或(多个)单独电源的需求。此外，如本文中所述的隔离电路可提供对于公知的变压器的改进的频率响应。更进一步地，在一些实施例中，如本文中所述的隔离电路可容许使用成品构件，从而与公知的变压器和/或使用单独的电源相比改进了成本节约和/或电路板空间节约。
虽然各种实施例的特定特征可能在一些附图中被示出而未在其它附图中示出，但这仅仅是为方便起见。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征进行参引和/或主张权利。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统并实施任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于与接地无关地提供传感器信号的隔离电路(44,200)，所述隔离电路包括：
用于联接到运行传感器(26-36)上的分压器电路(102,202)，所述分压器电路配置成分割从所述运行传感器接收的信号的幅度；
连接到所述分压器电路上的箝位电路(104,204)，所述箝位电路配置成限制来自所述分压器电路的电压；和
连接到所述箝位电路的增益电路(106,206)，所述增益电路包括输出(108)，其中，所述隔离电路根据所述传感器信号并且与接地无关地将单端输出信号提供给所述增益电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的隔离电路(44,200)，其特征在于，所述分压器电路(102,202)包括电阻网络(207)。
3.根据权利要求2所述的隔离电路(44,200)，其特征在于，所述电阻网络(207)包括至少两个电阻器，并且其中，所述箝位电路(104,204)与所述电阻网络中的所述至少两个电阻器中的至少一个并联联接。
4.根据权利要求3所述的隔离电路(44,200)，其特征在于，所述箝位电路(104,204)包括至少一个瞬态电压衰减(TVS)装置(212)。
5.根据权利要求4所述的隔离电路(44,200)，其特征在于，所述增益电路(106,206)包括运算放大器(214)，所述运算放大器(214)包括正极输入(216)和负极输入(218)，并且其中，所述TVS装置横跨所述运算放大器的所述正极输入和负极输入联接。
6.根据权利要求5所述的隔离电路(44,200)，其特征在于，所述箝位电路(104,204)包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管联接在所述放大器正极输入(216)和负极输入(218)中的一个与正电压源之间，所述第二二极管联接在所述放大器正极输入(216)和负极输入(218)中的一个与负电压源之间。
7.根据权利要求5所述的隔离电路(44,200)，其特征在于，还包括串联连接在所述正极输入(216)与所述TVS装置(212)之间的第一电阻器和串联连接在所述负极输入(218)与所述TVS装置之间的第二电阻器。
8.根据权利要求5所述的隔离电路(44,200)，其特征在于，所述TVS装置(212)有利于防护所述隔离电路(44,200)使之免于电磁放电。
9.根据权利要求1所述的隔离电路(44,200)，其特征在于，所述箝位电路(104)包括串联连接在所述分压器电路(102)与所述增益电路(106)之间的至少一个电容器，以阻塞在所述分压器电路与所述增益电路之间的DC电压。
10.根据权利要求1所述的隔离电路(44,200)，其特征在于，所述隔离电路(44,200)配置成提供在大约25 Hz至大约100 kHz之间的范围内的运行带宽。
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