RU2684002C1 - Multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface - Google Patents
Multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2684002C1 RU2684002C1 RU2018122463A RU2018122463A RU2684002C1 RU 2684002 C1 RU2684002 C1 RU 2684002C1 RU 2018122463 A RU2018122463 A RU 2018122463A RU 2018122463 A RU2018122463 A RU 2018122463A RU 2684002 C1 RU2684002 C1 RU 2684002C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensors
- output
- input
- measuring unit
- channel
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 10
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims description 9
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 2
- 241000208202 Linaceae Species 0.000 description 1
- 235000004431 Linum usitatissimum Nutrition 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/40—Data acquisition and logging
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to diagnostic equipment for monitoring the condition of equipment and can be used in monitoring, forecasting and protection systems implemented using SCADA and IIoT technology platforms. The invention is intended for use with analog sensors of dynamic physical quantities having a two-wire analog interface (IEPE - Integrated Electronics Piezo Electric, LIVM - Low Impedance Voltage Mode, ICP - Integrated Circuit Piezoelectric®, Isotron®, DeltaTron® Piezotron® and CCLD - Constant Current Line Drive). As such sensors, accelerometers, bicycle meters, dynamic displacement sensors, dynamic force sensors, microphones, pressure pulsation sensors, etc. can be used. with such interfaces implemented by the electronics integrated in the sensor.
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.A multi-channel data acquisition device for sensors with two-wire connection is known, which contains switching blocks with multiplexers, the outputs of which are connected to the inputs of analog-to-digital converters, the outputs of which are connected via digital serial interfaces to the controller inputs [US Pat. No. 6,711,446 B2, 2004]. The disadvantages of this device are the relatively low reliability of operation, since asynchronous data transfer to the controller does not allow satisfactory accuracy to compare dynamic data on various sensors. In addition, although this device is named as providing a connection via a two-wire interface, it actually requires additional busbars in the cable to supply power to the switching units, the switching units consume relatively high power, and the device’s structure does not allow the connection of dynamic value sensors with integrated electronics that implements interfaces such as IEPE, etc.
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.A device for collecting data from sensors of dynamic quantities and having a two-wire output, for example piezoelectric accelerometers, which are connected directly to the inputs of the measuring unit, which are inputs of charge amplifiers, the outputs of which are connected to the inputs of an analog-to-digital converter built into the controller [Patent Application Publication US 2017/0343410 A1 2017, fig. 3]. The disadvantage of this device is the relatively low reliability of operation, since the transmission of charge signals through individual pairs of wires at any considerable distance is very sensitive to pickups, noise, tribo effect, etc., which leads to distortion of data from the sensors. This device cannot be used with dynamic sensors that have an analog two-wire interface by transmitting power and signal over a single wire.
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].A multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is known, comprising a measuring unit, the inputs of each channel of which are inputs for connecting sensors with a two-wire interface, each of the inputs is connected to the inputs of the matching element, the outputs of which are connected to the inputs of analog-to-digital converters, the outputs of which are connected with the inputs of the controller, the output of which is the output of the device [IOtech 640 and 650. Dynamic Signal Analyzers for Vibration Analysis and Monitoring. User's manual. IOtech. 2017. Block Diagram 2-1, p. fifteen].
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.The disadvantage of this device is the relatively low reliability and reliability. This is due to the need to use separate cables for each of the sensors having a large total number of connecting wires, which increases the likelihood of errors during installation and laying of cable lines and operational failures, and also increases the cost of cable connections and installation. If the measuring unit is located in close proximity to the sensors, this unit can be subjected to significant temperature, vibration, etc. external influences, and the interface tools available in it do not provide reliable data transmission over any significant (more than several meters) distances.
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.A multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is known, comprising a switching unit, which for each channel contains input connectors with first and second contacts for connecting sensors with a two-wire interface for each channel, and also contains output channel connectors, for each of which a contact connected to the beginning of the wire of the corresponding channel of the connecting cable, the switching unit contains an additional output connector, the contact of which is connected to the second contact terminals of the input connectors of the odd channels, the contact of the additional output connector of the switching unit is connected via a common cable wire to the contact of the common bus connector of the measuring unit, the input connector of each channel of which is connected to the end of the wire of the corresponding channel of the connecting cable, the measuring unit contains a controller whose output is the output of the measuring unit, the inputs of the controller are connected to the outputs of the analog-to-digital converters, the inputs of which are connected enes corresponding to the outputs of the matching elements, and also comprising a power supply conditioners each channel sensors and the anodes formers AC power odd channels sensors are connected to a positive bus voltage measuring sensor unit [RF patent №2401419 Cl.
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.The disadvantage of this device is the relatively low reliability of operation, which is associated with the use of a common wire to transmit all the power currents specified by the drivers of the power supply sensors on the cable to the measuring unit. All these currents are summed up, and this total current causes a relatively large voltage drop across the active resistance of the common cable wire, which leads to the need to use a larger supply voltage, since this drop is summed with a constant bias voltage on the sensors, and this total voltage can lead to large signals or additive interference to the unreliable operation of the drivers of the current sensors. As a result, either an increased supply voltage is required, which reduces the reliability of operation, or to limit the permissible dynamic signals and with a large amplitude of the latter, distortion of these signals is possible, which results in a low reliability of the device.
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.To ensure higher reliability of operation in a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, containing a switching unit, which for each channel contains input connectors with first and second contacts for connecting sensors with a two-wire interface for each channel, and also contains output channel connectors, for each of which the contact is connected to the beginning of the wire of the corresponding channel of the connecting cable, the switching unit contains an additional output one connector, the contact of which is connected to the second contacts of the input connectors of the odd channels, the contact of the additional output connector of the switching unit is connected via a common cable wire to the contact of the connector of the common bus of the measuring unit, the contact of the input connector of each channel is connected to the end of the wire of the corresponding channel of the connecting cable, measuring the unit contains a controller, the output of which is the output of the measuring unit, the inputs of the controller are connected to the outputs of the anal ogo-digital converters, the inputs of which are connected to the outputs of the corresponding matching elements, as well as containing the drivers of the power supply sensors of each channel, the anodes of the drivers of the power supply sensors of the odd channels connected to the positive voltage bus of the sensors of the measuring unit, in the switching unit the first contacts of the input connectors the odd channels are connected to the contacts of the output connectors of the corresponding channels, the first contacts of the input connectors of the even channels are the utilization unit are connected to the contact of the additional output connector of the switching unit, the second contacts of the input connectors of the even channels of the switching unit are connected to the contacts of the output connectors of the corresponding channels of the switching unit, the contact of the input connector of each channel of the measuring unit is connected to the input of the corresponding matching element of the measuring unit, cathodes the current drivers of the odd channel sensors are connected to measure flax block contacts with the input connectors of the respective channels, input connector contacts even channels in the "detecting unit connected to the anodes of the current supply formers corresponding channel sensor, and the cathodes of these generators are connected to a negative bus voltage measuring sensor unit.
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.Another difference is that in the multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, the input connectors of the measuring unit for each channel are made with an integrated intrinsic safety barrier.
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.Another difference is that in a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, each matching element of the measuring unit contains an operational amplifier, the output of which is the output of the matching element and connected to the inverse input of the operational amplifier, the direct input of which is the input of the matching element, which, through an auxiliary resistor is connected to a common bus.
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.Another difference is that in a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, each matching element of the measuring unit contains an operational amplifier whose output is the output of the matching element and connected to the first output of the first additional resistor and through the first additional capacitor with an inverse input of the operational amplifier, which is connected through a second additional resistor to the second terminal of the first additional resistor, which is connected through a second an additional capacitor with a direct input of the operational amplifier and a common bus of the measuring unit, and the second output of the first additional resistor is connected through a third additional resistor to the input of the matching element.
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.Another difference is that in a multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, each of the sensor power shapers is made in the form of a current-limiting diode, the anode and cathode of which are the anode and cathode of the sensor power shaper, respectively.
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.Another difference is that in a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, each of the sensor power current conditioners is made in the form of a field effect transistor, the drain of which is the anode of the sensor power current conditioner, the cathode of the sensor power current conditioner is connected to the source of the field resistor transistor, as well as directly with the gate of this transistor.
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.Another difference is that in the multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, each of the sensor power current conditioners is made on an integrated voltage stabilizer, the input of which is the anode of the sensor power current conditioner, the cathode of the sensor power current conditioner is connected via an input resistor to the output of the integral voltage stabilizer, as well as directly with the general conclusion of this stabilizer.
Изобретение поясняется структурными схемами, приведенными на чертежах.The invention is illustrated by the structural diagrams shown in the drawings.
На фиг. 1 показана структурная схема многоканального устройства сбора данных для датчиков 1 с двухпроводным интерфейсом.In FIG. 1 shows a block diagram of a multi-channel data acquisition device for
На фиг. 2 показан пример структурной схемы согласующего элемента.In FIG. 2 shows an example of a block diagram of a matching element.
На фиг. 3 приведен пример структурной схемы другого исполнения согласующего элемента.In FIG. Figure 3 shows an example of a structural diagram of another embodiment of a matching element.
На фиг. 4 и 5 приведены примеры структурных схем выполнения формирователей тока питания датчиков с двухпроводным интерфейсом.In FIG. Figures 4 and 5 show examples of structural diagrams of the execution of power supply current sensors for sensors with a two-wire interface.
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.As shown in FIG. 1, a multi-channel data acquisition device for
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.When using
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.As shown in FIG. 2, each
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.As shown in FIG. 3, each
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.Each of the
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.Each of the sensor supply
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.Each of the sensor supply
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
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 UCM на выходе датчика и переменной составляющей UПЕР, характеризующей контролируемую физическую величину. Кроме того имеется падение напряжения на активном сопротивлении проводников RПРОВ кабеля 8 под действием протекающего по ним тока I, задаваемого формирователями 20. Для нормальной работы формирователей 20 на них должно быть смещение не менее UМИН. 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 UOБЩ не будет сколько-нибудь существенно превышать I⋅RПРОВ при любом числе каналов. Таким образом достоверное функционирование обеспечивается при выполнении условия E>UMИH+UCM+UПEP+UОБЩ+I⋅RПРОВ или E>UMИН+UCM+UПЕР+2⋅I⋅RПРОB. Для устройства прототипа UОБЩ≈N⋅I⋅RПРОB 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 UПЕР. Это обеспечивает повышение достоверности функционирования устройства.
Напряжение UПЕР 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.The voltage U PER enters through the
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.As a
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.When working with sensors having a two-wire interface, a
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+log2N 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).One of the important advantages of sensors with an analog two-wire interface is the ability to take measurements with a significant distance of the sensor from the measuring unit, since such sensors allow operation with cable lengths of up to approximately 300 meters. This allows you to build stationary data acquisition systems for distributed objects within the SCADA and IIoT platforms at the lower level. Keep in mind that the cost of a cable for transmitting analog signals with a low level of noise and noise is quite large and with a long length can exceed several times the cost of the sensor itself for dynamic analog signals (for example, the cost of one meter of a two-wire noise-protected cable TSK1026 is 170 rubles, cable TSK1028 - 234 rub.). Therefore, the cost of cable can be a significant part of the cost of the entire system. This primarily applies to systems in which each of the sensors is connected to the measuring unit by a separate two-wire cable. In this case, in multi-channel systems, significant costs are associated with the need to lay a large number of cable lines, which also increases the cost of installation, commissioning and reduces the reliability and reliability of operation. In the proposed solution, as in the prototype, the sensors are connected to the cable through the
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122463A RU2684002C1 (en) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | Multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122463A RU2684002C1 (en) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | Multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2684002C1 true RU2684002C1 (en) | 2019-04-03 |
Family
ID=66089813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018122463A RU2684002C1 (en) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | Multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2684002C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2118848C1 (en) * | 1994-06-09 | 1998-09-10 | Тамази Георгиевич Самхарадзе | System to collect, convert and process measurement information |
| US20020082799A1 (en) * | 1999-07-02 | 2002-06-27 | Siemens Ag | Measuring transducer with a corrected output signal |
| US6897639B2 (en) * | 2001-09-19 | 2005-05-24 | Vega Grieshaber Kg | Circuit arrangement for the power supply of a two-wire sensor |
| RU2328763C2 (en) * | 2003-10-14 | 2008-07-10 | Роузмаунт Инк. | Transducer of process control circuit signal |
| RU2376564C1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-12-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Диамех 2000" | Vibration control device (versions) |
| RU2401419C2 (en) * | 2008-11-25 | 2010-10-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Диамех 2000" | Multichannel data acquisition device for sensors with two-wire interface (versions) |
-
2018
- 2018-06-20 RU RU2018122463A patent/RU2684002C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2118848C1 (en) * | 1994-06-09 | 1998-09-10 | Тамази Георгиевич Самхарадзе | System to collect, convert and process measurement information |
| US20020082799A1 (en) * | 1999-07-02 | 2002-06-27 | Siemens Ag | Measuring transducer with a corrected output signal |
| US6897639B2 (en) * | 2001-09-19 | 2005-05-24 | Vega Grieshaber Kg | Circuit arrangement for the power supply of a two-wire sensor |
| RU2328763C2 (en) * | 2003-10-14 | 2008-07-10 | Роузмаунт Инк. | Transducer of process control circuit signal |
| RU2376564C1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-12-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Диамех 2000" | Vibration control device (versions) |
| RU2401419C2 (en) * | 2008-11-25 | 2010-10-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Диамех 2000" | Multichannel data acquisition device for sensors with two-wire interface (versions) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20150346240A1 (en) | Isolated and self-calibrating voltage measurement sensor | |
| CN111065931B (en) | Current measuring device | |
| CA2898377C (en) | Sensor interface circuits | |
| CN202075059U (en) | Novel platinum resistor temperature measurement module | |
| US9146268B2 (en) | Method and device for monitoring a sheath voltage arrester of a cable system | |
| CN102150057A (en) | Monitoring system for an accumulator | |
| CN100585659C (en) | Two-wire system transducer | |
| WO2013153599A1 (en) | Sequencer analog output unit | |
| RU2684002C1 (en) | Multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface | |
| Niewczas et al. | Error analysis of an optical current transducer operating with a digital signal processing system | |
| CN102012279A (en) | Dual-constant current source temperature measurement system for thermal resistor | |
| RU2642807C1 (en) | System for signal transmission from sensors with analogue output via a two-wireless line (options) | |
| CN201421653Y (en) | Wireless data acquisition unit | |
| US6958642B2 (en) | Ground difference compensating system | |
| JP2005188936A (en) | Voltage drop type current measuring device | |
| CN209894872U (en) | Alternating current voltage sampling circuit structure and alternating current voltage detection device | |
| CN101853034A (en) | Flow control device | |
| RU2688257C1 (en) | Device for transmitting signals from a multicomponent vibration sensor with built-in electronics | |
| RU2646311C1 (en) | Signal transmission system from sensors with analogue output for the two-wireless communication line | |
| CN104238401B (en) | Analog input module | |
| RU202105U1 (en) | MULTI-CHANNEL DEVICE FOR MEASURING AND PROCESSING ELECTRIC SIGNALS | |
| RU206170U1 (en) | MULTI-CHANNEL INSULATION RESISTANCE MEASURING DEVICE | |
| US11656248B2 (en) | Current meter for detecting currents in electrical lines | |
| CN105527867B (en) | Field device | |
| JP4902476B2 (en) | Analog signal input device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200621 |