CN105158626A

CN105158626A - 一种海洋工程设备用信号检测电路

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Publication number: CN105158626A
Application number: CN201510501027.3A
Authority: CN
Inventors: 王伟; 郭宇; 林恒清
Original assignee: CSSC Systems Engineering Research Institute
Current assignee: CSSC Systems Engineering Research Institute
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-08-14
Also published as: CN105158626B

Abstract

本发明涉及一种海洋工程设备用信号检测装置，所述装置包括分压器、放大器、和比较器，所述分压器获得不大于0.6伏的第一电压；该第一电压输入至所述放大器的同相输入端，信号线通过第一电阻(R₃)连接至所述放大器的反向输入端，第二电阻(R₄)的两端分别连接所述放大器的反向输入端和所述放大器的输出端；所述放大器的输出端(U₁)连接所述比较器的同向输入端，第三电阻(R₅)与第四电阻(R₆)对24伏电压进行分压得到第二电压连接至所述比较器的反向输入端，根据比较器的输出确定所述信号线与信号公共线之间的介质类型。本发明解决了现有海水短接和导线短接的误判问题，提高了海洋工程设备工作的安全性。

Description

一种海洋工程设备用信号检测电路

技术领域

本发明涉及信号检测以及控制技术领域，尤其涉及一种海洋工程设备的信号检测和控制。

背景技术

海洋工程设备通过专用电缆与海水中的被测设备连接,正常情况下,专用电缆内的信号线与信号公共线在被测设备内通过导线连接,而一旦专用电缆被拖船扯断或被螺旋桨切断，这时专用电缆内部芯线将浸泡在海水中，由于海水有较强的导电能力，因此如何准确快速判断专用电缆中信号线与信号公共线之间是正常情况下的导线短接或是被切断后的海水短接，是判断海洋工程设备与被测设备是否正常连接的重要依据。

现有海洋工程设备中的信号采集装置其中一路信号采集电路组成框图如图1所示，信号线L与比较器A的同相输入端连接，则比较器A的同相输入端电压U⁺等于信号线L上被采到的电压U_n，同时信号线L通过电阻R₇₅(电阻值为3.2KΩ)与直流5v地DC5VGND连接；信号公共线LGND通过电阻R₁₁₂(电阻值为1.2KΩ)与直流5v正极DC5V+连接；分压电阻R₉₂(电阻值为2KΩ)和R₇₄(电阻值为3KΩ)对直流5v进行分压得到基准电压U_m＝3v，将基准电压U_m接入到比较器A的反相输入端U^-。

U^{+} = U_{n} = \frac{R_{75}}{R_{75} + R_{112} + R_{X}} \times 5

(公式Ⅰ)

式中R_X为X区(海水或导线)信号线L与信号公共线LGND之间的等效电阻。

当X区中的信号线L与信号公共线LGND在被测设备内用导线短接时，R_X电阻值近似为0，根据公式Ⅰ可得出U⁺等于3.64v，U⁺大于基准电压U_m的3v；

当X区为空气时，即信号线L与信号公共线LGND断开，R_X电阻值为无穷大，根据公式Ⅰ可得出U⁺等于0v，小于基准电压U_m的3v；

当X区为海水时，信号线L与信号公共线LGND被海水短接，为了与导线短接的情况区分开，则信号线L上被采到的电压U_n必须小于3v，即U⁺必须小于3v，根据公式Ⅰ可得出R_X必须大于0.93KΩ。由于海水在外加5v电压，限流电阻4.4KΩ(R₇₅+R₁₁₂)情况下仍然具有较强的导电能力，一般情况下阻值均大于1KΩ，但是海水导电离子浓度稍微偏高或其他异常状况就很容易造成X区内的海水等效电阻小于1KΩ，这样就会造成信号采集结果和信号线L与信号公共线LGND由导线短接时的采集结果一样，这样海洋工程设备就会误判与被测设备仍然正常连接。

通过上述情况分析可知，现有海洋工程设备上的信号采集装置没有有效利用海水的导电特性，使得判断信号线L和信号公共线LGND之间是导线短接或者是海水短接非常困难，存在误判的问题，轻则使装备间的通信异常，重则会造成海洋工程设备内的电源模块损坏，甚至对海洋工程设备所在的平台造成安全事故。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种海洋工程设备用信号采集装置，用以解决现有海水短接和导线短接的误判问题，提高了海洋工程设备工作的安全性。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种海洋工程设备用信号检测装置，其特征在于，所述装置包括分压器、放大器、和比较器，所述分压器获得不大于0.6伏的第一电压；该第一电压输入至所述放大器的同相输入端，信号线通过第一电阻(R₃)连接至所述放大器的反向输入端，第二电阻(R₄)的两端分别连接所述放大器的反向输入端和所述放大器的输出端；所述放大器的输出端(U₁)连接所述比较器的同向输入端，第三电阻(R₅)与第四电阻(R₆)对24伏电压进行分压得到第二电压连接至所述比较器的反向输入端，根据比较器的输出确定所述信号线与信号公共线之间的介质类型。

优选的，当所述放大器输出端电压小于所述第二电压时，确定所述信号线与信号公共线之间的介质为海水或空气；当所述放大器输出端电压大于所述第二电压时，确定所述信号线与公共线之间的介质为导线连接。

优选的，所述分压器为第五电阻(R₁)和第六电阻(R₂)对24伏电压分压，所述第五电阻与所述第六电阻的比值大于等于39。

优选的，所述第五电阻和所述第六电阻均为千欧母量级的电阻。

优选的，所述第一电阻的阻值为十欧母量级或者百欧母量级，所述第二电阻与所述第一电阻的比值大于50。

优选的，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值为百千欧母量级，所述第三电阻与所述第四电阻比值为2.2：1，此时装置运行时功耗低。

优选的，所述第二电压大于等于2伏且小于等于20伏。

优选的，所述第二电压等于16伏。

本发明有益效果如下：信号采集装置能够快速准确检测出信号线与信号公共线之间是断开、导线短接或者是海水短接，从而准确、快速、可靠的判断设备互连状态，使海洋工程设备的专用电缆被切断时快速做出反应。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为海洋工程设备中现有信号采集装置的一路信号采集电路组成图；

图2为本发明的海洋工程设备中信号采集装置的一路信号采集电路组成图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的基本原理就是基于海水在小电压下表现出的绝缘特性而设计出了一种准确、可靠和快速的海洋工程设备中的信号采集装置。

新型的信号采集装置其中一路信号采集电路如图2所示，包括由电阻R₁和R₂组成的分压器，电阻R₃、R₄和运算放大器A1组成的放大器，以及有电阻R₅、R₆和比较芯片A2组成的比较器，其特征是在分压器和比较器之间设有放大器，将信号线上的小电压放大后再和基准电压进行比较，这样使基准电压的选取范围更大，而且比直接用信号线上的小电压与基准电压比较更为明显，从而提高判断的精确度。

信号公共线LGND为直流24v地线，选用阻值为kΩ级的分压电阻(R₁、R₂)，按R₁：R₂≥39的比值对接入直流24v电压进行分压，获得不大于0.6v的电压，将该电压连接到放大器A1的同相输入端信号线L通过放大电阻R₃与反相输入端连接；放大电阻R₃的阻值为几十～几百Ω，电阻R₄按照R₄：R₃大于50的比值选取，并连接在放大器A1的反向输入端和输出端U₁之间；放大器A1的输出电压连接到比较器A2的同相输入端选取阻值为几百kΩ阻值的分压电阻R₅、R₆，分压电阻R₅和R₆比值的选取原则是，分压电阻R₅和R₆对直流24v电压进行分压得到的基准电压与放大器A1的输出电压相比较，能够明显区分出信号线L和信号公共线LGND之间是何种连接介质，并将该基准电压接入到比较器A2的反相输入端

根据下面公式Ⅱ进行判断信号线L和信号公共线LGND之间为何种连接介质：

\frac{U_{1}^{-}}{R_{3} + R_{X}} = \frac{U_{1} - U_{1}^{-}}{R_{4}}

(公式Ⅱ)

式中：为放大器A1的反相输入端电压，U₁为放大器A1的输出电压，R_X为信号线L和信号公共线LGND之间的等效连接电阻。

当由公式Ⅱ得出的放大器A1输出端电压U₁小于基准电压时，信号线L和信号公共线LGND之间为空气或海水；

当由公式Ⅱ得出的放大器A1输出端电压U₁大于基准电压时，信号线L和信号公共线LGND之间为导线连接。

以下为优选实施方式:

第一步：该信号采集装置第一部分为分压器，为信号线L上提供一个小电压，比如0.6v以下，这时即使信号线L和信号公共线LGND浸泡在海水中，也不会产生很强的电离反应，本装置选取小电压典型值0.2v；由于信号采集装置外接电源为直流24v，因此分压器通过电阻R₁和R₂对直流24v进行分压，R₁和R₂阻值的选取应该在KΩ级，这样无论信号线L和信号公共线LGND之间是导线还是海水，分压器与信号线L和信号公共线LGND形成的通路上只有mA级的电流，不会消耗大量功率而导致发热，也不会对海水产生较强的电离反应，同时设计R₁:R₂＝110：1，可获得大约0.2v的小电压，该电压接到运放A1的同相输入端；根据运算放大器的“虚短”特性，得出运放A1的反相输入端也具有与同相输入端相等的0.2v小电压，即在信号线L和信号公共线LGND在断开时，信号线L上具有0.2v的小电压；

第二步：该信号采集装置的第二个部分为放大器，本装置选取R₄与R₃的典型比值为R₄:R₃＝50：1,且电阻R₃的阻值在几十Ω～几百Ω之间选取(本装置选取典型值100Ω)；通过运放A1，可以使输出电压U₁相对于反相输入端电压有一定的电压增益，利于下一步的电压比较。

(1)当海洋工程设备的专用电缆未连接被测设备时，信号线L和信号公共线LGND之间是空气，即信号线L和信号公共线LGND是断开的，两线之间的等效电阻为无穷大，即R_X为无穷大，A1反相输入端没有电流，根据公式Ⅱ得出，运放A1的输出端电压U₁与其反相输入端电压U₁ ^-相等即0.2v；

(2)当海洋工程设备的专用电缆连接被测设备后，信号线L和信号公共线LGND之间就会在被测设备内的导线短接，两线之间等效电阻可近似为0，即R_X为0，由公式Ⅱ可得出，运放A1的输出端电压U₁约为11v；

(3)当海洋工程设备的专用电缆被切换后浸泡在海水中时，则专用电缆内的信号线L和信号公共线LGND之间也被海水短接，根据海水导电特性的试验结果可知，在信号线L和信号公共线LGND之间有0.2V电压情况下，两线之间的海水呈现出几十KΩ级以上电阻值，根据公式Ⅱ得出，运放A1的输出端电压U₁为0.2v～1.Xv之间，并将该电压接入到比较器A2的正相输入端

第三步：该装置的第三个部分是比较器。通过分压电阻R₅和R₆对直流24v分压，为比较器A2提供一个基准电压。分压电阻R₅和R₆的阻值在几百KΩ的数量级上选取，是为了保证该装置运行时功率消耗极低，同时也不需要考虑装置散热的问题。根据第二步中各种情况下运放A1的输出端电压U₁的范围，确定基准电压为1.X～11v区间的中间值，本装置选取的基准电压典型值7.5v，即R₅:R₆＝2.2：1。

第四步：比较器A2正相输入端电压与其反相输入端的基准电压进行比较，当正相输入端电压大于反相输入端的基准电压时，比较器A2输出高电平信号，即逻辑为1；当正相输入端电压小于反相输入端的基准电压时，比较器A2输出低电平信号，即逻辑为0。实际测试结果表明，当信号线L和信号公共线LGND之间断开或者被海水短接时，比较器A2正相输入端电压电压值为0.2～1.Xv之间，远远小于的7.5v基准电压，比较器A2输出低电平，即输出逻辑为0，可以判断海洋工程设备未与被测设备连接；当信号线L和信号公共线LGND之间是导线短接时，比较器A2正相输入端电压电压为11v，大于基准电压的7.5v，比较器A2输出高电平，输出逻辑为1，可以判断海洋工程设备与被测设备之间是可靠连接的。

该新型信号采集电路具有很高的区分度，由上述第二步第(2)种情况可知，信号线L和信号公共线LGND之间在被测设备内的导线短接时，比较器A1的输出电压U₁是11v，与基准电压7.5v很容易得出比较结果，而只要比较器A1的输出电压U₁小于7.5v，由公式Ⅱ得出R_X大于40Ω，只要X区的等效电阻R_X大于门限电阻值40Ω，就能分辨出信号线L和信号公共线LGND之间不是导线短接，而是海水或空气短接，这足以应付不同海区、不同温度以及异常强导电能力的海洋中。

为了进一步提高对信号线L和信号公共线LGND之间是海水或是导线短接判断的精确度，可以进一步降低门限电阻值。例如将电阻R₄按照R₄：R₃等于100的比值选取，即R₃＝100Ω，R₄＝10KΩ，外接直流电源仍为直流24v，设计R₁:R₂＝110：1，获得小电压典型值仍为0.2v，根据公式Ⅱ：

(1)当海洋工程设备的专用电缆未连接被测设备时，信号线L和信号公共线LGND之间是空气，则信号线L和信号公共线LGND是断开的，两线之间的等效电阻为无穷大，即R_X为无穷大，A1反相输入端没有电流，根据公式Ⅱ得出，运放A1的输出端电压U₁与其反相输入端电压相等即0.2v；

(2)当海洋工程设备的专用电缆连接被测设备后，信号线L和信号公共线LGND之间就会在被测设备内的导线短接，两线之间等效电阻可近似为0，即R_X为0，由公式Ⅱ可得出，运放A1的输出端电压U₁约为20v；

(3)当海洋工程设备的专用电缆被切换后浸泡在海水中时，则专用电缆内的信号线L和信号公共线LGND之间也被海水短接，根据海水导电特性的试验结果可知，在信号线L和信号公共线LGND之间有0.2V电压情况下，两线之间的海水呈现出几十KΩ级以上电阻值，根据公式Ⅱ得出，运放A1的输出端电压U₁为0.2v～2.Xv之间，并将该电压接入到比较器A2的正相输入端

比较的基准电压将在2.Xv～20v之间取值，选取16v作为基准电压。

只要信号线L和信号公共线LGND之间为海水短接时，使比较器A1的输出电压U₁小于基准电压16v，就能够和导线短接时运放A1的输出电压U₁为20v大于基准电压16v的情况区分开。由公式Ⅱ得出R_X大于27Ω，即X区充满海水时，信号线L和信号公共线LGND之间的等效电阻R_X大于门限电阻值27Ω，就能确定不是导线短接。

提高判断精确度还可以通过加大装置的外接直流电源电压等方法，但是也要考虑信号采集装置所处环境下是否能够提供较高的直流电源。同时门限电阻值也不可过小，被测设备中的短接导线由于品质不同，会呈现出不同的电阻值，这也需要对被测设备生产单位的信号短接导线的电阻值提出上限要求，即不能大于信号采集装置设计的门限电阻值。

综上所述，本发明实施例提供的信号采集装置能够快速准确检测出信号线与信号公共线之间是断开、导线短接或者是海水短接，从而准确、快速、可靠的判断设备互连状态，使海洋工程设备的专用电缆被切断时快速做出反应。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种海洋工程设备用信号检测装置，其特征在于，所述装置包括分压器、放大器、和比较器，所述分压器获得不大于0.6伏的第一电压；该第一电压输入至所述放大器的同相输入端，信号线通过第一电阻(R₃)连接至所述放大器的反向输入端，第二电阻(R₄)的两端分别连接所述放大器的反向输入端和所述放大器的输出端；所述放大器的输出端(U₁)连接所述比较器的同向输入端，第三电阻(R₅)与第四电阻(R₆)对24伏电压进行分压得到第二电压连接至所述比较器的反向输入端，根据比较器的输出确定所述信号线与信号公共线之间的介质类型。

2.根据权利要求1所述的一种海洋工程设备用信号检测装置，其特征在于，当所述放大器输出端电压小于所述第二电压时，确定所述信号线与信号公共线之间的介质为海水或空气；当所述放大器输出端电压大于所述第二电压时，确定所述信号线与信号公共线之间的介质为导线。

3.根据权利要求1所述的一种海洋工程设备用信号检测装置，其特征在于，所述分压器为第五电阻(R₁)和第六电阻(R₂)对24伏电压分压，所述第五电阻与所述第六电阻的比值大于等于39。

4.根据权利要求2或3所述的一种海洋工程设备用信号检测装置，其特征在于，所述第五电阻和所述第六电阻均为千欧母量级的电阻。

5.根据权利要求1所述的一种海洋工程设备用信号检测装置，其特征在于，所述第一电阻的阻值为十欧母量级或者百欧母量级，所述第二电阻与所述第一电阻的比值大于50。

6.根据权利要求1所述的一种海洋工程设备用信号检测装置，其特征在于，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值为百千欧母量级，所述第三电阻与所述第四电阻比值为2.2：1，此时装置运行时功耗低。

7.根据权利要求1所述的一种海洋工程设备用信号检测装置，其特征在于，所述第二电压大于等于2伏且小于等于20伏。

8.根据权利要求7所述的一种海洋工程设备用信号检测装置，其特征在于，所述第二电压等于16伏。