RU2688257C1 - Device for transmitting signals from a multicomponent vibration sensor with built-in electronics - Google Patents
Device for transmitting signals from a multicomponent vibration sensor with built-in electronics Download PDFInfo
- Publication number
- RU2688257C1 RU2688257C1 RU2018130140A RU2018130140A RU2688257C1 RU 2688257 C1 RU2688257 C1 RU 2688257C1 RU 2018130140 A RU2018130140 A RU 2018130140A RU 2018130140 A RU2018130140 A RU 2018130140A RU 2688257 C1 RU2688257 C1 RU 2688257C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- signal
- common
- converter
- bus
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
- G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
-
- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
- G08C19/00—Electric signal transmission systems
Abstract
Description
Предполагаемое изобретение относится к устройствам сбора и передачи данных и может быть использовано для подключения датчиков различных динамических сигналов: ускорения, скорости, динамических перемещений, пульсаций давления, силы, акустических величин и т.п. к модулям сбора данных в системах SCADA и IIoТ (промышленного интерната вещей) с учетом минимизации количества проводов в линиях связи, количества контактов в соединителях, что повышает надежность, позволяет упростить прокладку линий передачи данных и уменьшить габариты за счет снижения количества контактов в соединителях на нижнем уровне подобных систем.The alleged invention relates to devices for collecting and transmitting data and can be used to connect sensors of various dynamic signals: acceleration, speed, dynamic movements, pressure pulsations, force, acoustic quantities, etc. to the data acquisition modules in the SCADA and IIOT systems (industrial boarding house of things), taking into account the minimization of the number of wires in communication lines, the number of contacts in connectors, which increases reliability, simplifies the laying of data lines and reduces the size by reducing the number of contacts in connectors on the bottom level of similar systems.
Передача сигналов и питания по одному проводу в двухпроводных устройствах получила широкое распространение, например при использовании интерфейсов типа IEPE - Integrated Electronics Piezo Electric, LIVM - Low Impedance Voltage Mode, ICP - Integrated Circuit Piezoelectric®, Isotron®, DeltaTron®, Piezotron®, а также CCLD - Constant Current Line Drive.Signal and power transmission over a single wire in two-wire devices is widespread, for example, when using interfaces such as IEPE — Integrated Electronics Piezo Electric, LIVM — Low Impedance Voltage Mode, ICP — Integrated Circuit Piezoelectric®, Isotron®, DeltaTron®, Piezotron®, and also CCLD - Constant Current Line Drive.
Особенность датчиков перечисленных типов состоит в том, что регулируемый элемент встроенного интерфейса такого датчика представляет собой по существу эквивалент сопротивления, управляемого сигналом от первичного измерительного преобразователя. В простейшем случае в качестве такого элемента используется полевой транзистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от напряжения или заряда на его затворе [Патент US Re28596, НКИ 310/8.1, МКИ H01V 7/00, 1975], [Патент US 4816713, НКИ 310/319, МКИ H01L 41/08, 1989], а также [Levinzon, Felix. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics. Springer International Publishing Switzerland, 2015. - 170 p. См.: Fig. 1.12 p. 23, Fig. 1.26 p. 29, Fig 3.1 p. 60, Fig 3.5 p. 66, Fig 7.1 p. 119, Fig. 8.1, p. 137, Fig. 9.1 p. 153, Fig. 9.4 p. 156, Fig. 9.7 p. 159 и Fig. 9.10 p. 161]. В таких решениях, находящих широкое применение в настоящее время, возможности преобразования относительно слабого сигнала от первичного измерительного преобразователя весьма ограничены, причем практически весь ток от питающего датчик источника тока поступает в регулируемый элемент - управляемый резистор. Это ограничивает область возможных применений таких решений и ведет к необходимости использования источников питания относительно большой мощности для того, чтобы требуемое питание других элементов электроники, кроме управляемого резистора, могло быть выделено из заданного тока без ограничения на функционирование управляемого резистора (обеспечение возможности изменения напряжения на выходе в широких пределах).A feature of the sensors of these types is that the adjustable element of the built-in interface of such a sensor is essentially the equivalent of a resistance controlled by a signal from a primary transducer. In the simplest case, a field-effect transistor is used as such an element, the resistance of which varies depending on the voltage or charge on its gate [US Patent Re28596, NCI 310 / 8.1, MKI
В случае использования встроенного преобразования сигнала от первичного измерительного элемента, например усиления, фильтрации и т.п., такой сигнал предварительно проходит через усиливающие элементы, питание которых выполняется от питающего датчик источника тока по двухпроводной линии и в зависимости от исполнения выходной сигнал усиливающих элементов используется для изменения тока в выходных элементах [Патент US 5477735, НКИ 73/654, МКИ G01H 11/06, 1995] и [Патент US 5792956, НКИ 73/660, МКИ G01P 7/00, 1995].In the case of using the built-in signal conversion from the primary measuring element, for example, amplification, filtering, etc., such a signal passes through the amplifying elements, which are powered from the current source supplying the sensor via a two-wire line and, depending on the design, the output signal of the amplifying elements is used to change the current in the output elements [Patent US 5477735, NCI 73/654, MKI G01H 11/06, 1995] and [Patent US 5792956, NCI 73/660, MKI
Таким образом, в этом случае значительная часть от величины тока источника постоянного тока питающего датчик может расходоваться на питание усиливающих элементов. Эта часть не может быть большой, поскольку она может меняться в зависимости от сигнала и вносить нелинейные искажения в изменения эквивалентного выходного сопротивления. Это ограничивает область возможных применений таких решений.Thus, in this case, a significant part of the current value of the constant current source feeding the sensor can be spent on powering the reinforcing elements. This part can not be large, since it can vary depending on the signal and introduce non-linear distortions into changes in the equivalent output resistance. This limits the scope of possible applications of such solutions.
Возможны также решения с питанием усиливающих элементов от независимой цепи источника питания [Levinzon, Felix. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics. Springer International Publishing Switzerland, 2015. - 170 p. см.: Fig. 1.23 p. 25 и Fig. 3.2 p. 62], но в этом случае питание и передача сигнала должна осуществляться по трехпроводной линии, т.е. теряется важное преимущество простого и дешевого двухпроводного интерфейса с малым количеством проводов, соединительных элементов и увеличивается сложность монтажа, стоимость кабелей, снижается надежность и ведет к увеличению габаритных размеров соединительных элементов.It is also possible solutions with power amplifying elements from an independent power supply circuit [Levinzon, Felix. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics. Springer International Publishing Switzerland, 2015. - 170 p. see: Fig. 1.23 p. 25 and Fig. 3.2 p. 62], but in this case the power supply and signal transmission should be carried out via a three-wire line, i.e. the important advantage of a simple and cheap two-wire interface with a small number of wires, connecting elements is lost, the complexity of installation and the cost of cables increase, reliability decreases and leads to an increase in overall dimensions of connecting elements.
Известно устройство для передачи аналоговых сигналов по двухпроводной линии содержащее передатчик сигнала, приемник сигнала и двухпроводную линию, начальный контакт первого провода которой соединен через первый конденсатор с первым выводом передатчика сигнала, конечный контакт первого провода двухпроводной линии через второй конденсатор соединен с первым входом приемника [Патент US 4083241, НКИ 73/194, МКИ G01F 1/32, 1978].A device for transmitting analog signals over a two-wire line contains a signal transmitter, a signal receiver and a two-wire line, the initial contact of the first wire of which is connected through the first capacitor to the first output of the signal transmitter, the final contact of the first wire of the two-wire line through the second capacitor is connected to the first input of the receiver [Patent US 4083241, NCI 73/194, MKI G01F 1/32, 1978].
Недостатком этого устройства являются ограниченные функциональные возможности поскольку возможные изменения напряжения на шине сигнал-питание ограничены снизу минимальной величиной напряжения питания, которое не может быть снижено, так как его снижение ограничивает со своей стороны возможную максимальную амплитуду переменной составляющей на шине сигнал-питание.The disadvantage of this device is limited functionality since possible voltage changes on the signal-supply bus are limited from below by the minimum supply voltage, which cannot be reduced, since its reduction limits its possible maximum amplitude of the variable component on the signal-supply bus.
Известно устройство для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии содержащее приемник сигнала, генератор тока, вход которого соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока соединен с началом провода сигнал-питание двухпроводной линии, который соединен с входным контактом приемника сигнала, общий контакт которого соединен с началом общего провода двухпроводной линии, окончание которого соединено с общим контактом передатчика сигнала приемника [Патент US 9939315 В2, МКИ G01Н 11/08, 10.04.2018].A device for transmitting analog signals from sensors via a two-wire line contains a signal receiver, a current generator, whose input is connected to the signal supply bus, a generator output is connected to the beginning of a two-wire signal-to-wire wire that is connected to the input terminal of a signal receiver, common contact which is connected to the beginning of the common wire of the two-wire line, the end of which is connected to the common contact of the transmitter of the signal of the receiver [Patent US 9939315 B2, MKI
Недостатком этого устройства является использование напряжения сигнала с провода сигнал-питание двухпроводной линии непосредственно для питания усилительных элементов передатчика сигналов, что вызывает нелинейные искажения передаваемого сигнала, а даже кратковременные снижения напряжения на этом проводе могут полностью исказить передаваемую информацию, если они станут ниже допустимого минимума напряжения питания усилительных элементов передатчика сигнала, что ведет к низкой достоверности функционирования устройства.A disadvantage of this device is the use of the signal voltage from the signal-to-power wire of the two-wire line directly to power the amplifying elements of the signal transmitter, which causes non-linear distortions of the transmitted signal, and even short-term voltage drops on this wire can completely distort the transmitted information if they become below the allowed minimum voltage power amplifying elements of the transmitter signal, which leads to low reliability of the device.
Известно устройство для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии содержащее приемник сигнала, генератор тока, вход которого соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока соединен с началом провода сигнал-питание двухпроводной линии, который соединен с входным контактом приемника сигнала, общий контакт которого соединен с началом общего провода двухпроводной линии, окончание которого соединено с общим контактом передатчика сигнала, этот контакт соединен с анодом стабилизатора [Патент US 4939455, НКИ 324/168, МКИ G01P 3/488, 1990].A device for transmitting analog signals from sensors via a two-wire line contains a signal receiver, a current generator, whose input is connected to the signal supply bus, a generator output is connected to the beginning of a two-wire signal-to-wire wire that is connected to the input terminal of a signal receiver, common contact which is connected to the beginning of the common wire of the two-wire line, the end of which is connected to the common contact of the signal transmitter, this contact is connected to the anode of the stabilizer [Patent US 4939455, CI 324/168, IPC
Недостатками известного устройства являются относительно низкая достоверность функционирования и ограниченная область применения. Это связано с значительными изменениями напряжения на проводе сигнал-питание двухпроводной линии, которые передаются на элементы встроенной электроники передатчика сигнала при передачи сигналов относительно высокого размаха, что вызывает необходимость использования дополнительного строенного источника питания в передатчике сигнала, а также может вызывать искажения передаваемого сигнала из-за непостоянства питания элементов электроники передатчика сигнала.The disadvantages of the known devices are relatively low reliability of operation and limited scope. This is due to significant changes in the voltage on the signal-to-power wire of the two-wire line, which are transmitted to the elements of the embedded electronics of the signal transmitter when transmitting signals of relatively high span, which necessitates the use of an additional built-in power source in the signal transmitter, and can also cause distortion of the transmitted signal due to for the variability of the power supply of the electronics of the signal transmitter.
Известно устройство для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии содержащее приемник сигнала, генератор тока, вход которого соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока соединен с началом провода сигнал-питание двухпроводной линии, который соединен с входным контактом приемника сигнала, общий контакт которого соединен с началом общего провода двухпроводной линии, окончание которого соединено с общим контактом передатчика сигнала, этот контакт соединен с анодом стабилизатора [Патент US 5477735, НКИ 73/654, МКИ G01H 11/06, 1995].A device for transmitting analog signals from sensors via a two-wire line contains a signal receiver, a current generator, whose input is connected to the signal supply bus, a generator output is connected to the beginning of a two-wire signal-to-wire wire that is connected to the input terminal of a signal receiver, common contact which is connected to the beginning of the common wire of the two-wire line, the end of which is connected to the common contact of the signal transmitter, this contact is connected to the anode of the stabilizer [Patent US 5477735, CI 73/654, IPC
Недостатками известного устройства являются относительно низкая достоверность функционирования и ограниченная область применения. Это связано с значительными изменениями напряжения на проводе сигнал-питание двухпроводной линии, которые передаются на элементы встроенной электроники передатчика сигнала при передачи сигналов относительно высокого размаха, что вызывает необходимость использования дополнительного встроенного источника питания в передатчике сигнала, а также может вызывать искажения передаваемого сигнала из-за непостоянства питания элементов электроники передатчика сигнала.The disadvantages of the known devices are relatively low reliability of operation and limited scope. This is due to significant changes in the voltage on the signal-to-power wire of the two-wire line, which are transmitted to the elements of the embedded electronics of the signal transmitter when transmitting signals of relatively high span, which necessitates the use of an additional built-in power source in the signal transmitter, and can also cause distortion of the transmitted signal due to for the variability of the power supply of the electronics of the signal transmitter.
Известно устройство для передачи сигналов от нескольких датчиков вибрации с встроенной электроникой содержащее общую дифференциальную шину передачи цифровых данных, которая соединена с приемника сигнала и передатчиков сигнала каждого датчика вибрации, причем в приемнике сигнала провода дифференциальной шины передачи цифровых данных соединены с входами приемной интерфейсной схемы через соответствующие разделительные конденсаторы, а также через соответствующие разделительные индуктивности с выходами источника питания приемника сигнала, в передатчике каждого из датчиков вибрации выходы его интерфейсной схемы соединены с проводами дифференциальной шины передачи цифровых данных через соответствующие разделительные конденсаторы и эти провода дифференциальной шины передачи цифровых данных через разделительные индуктивности соединены с входами схемы питания передатчика этого датчика вибрации [Патент РФ №2578734, G01V 1/22, 2013].A device for transmitting signals from several vibration sensors with integrated electronics contains a common differential digital data transmission bus that is connected to a signal receiver and transmitters of a signal from each vibration sensor, and in a signal receiver of a differential digital bus transmission wire is connected to the inputs of a receiving interface circuit through appropriate coupling capacitors, as well as through the corresponding coupling inductors with the outputs of the receiver’s power supply with In the transmitter of each vibration sensor, the outputs of its interface circuit are connected to the wires of the differential bus for transmitting digital data through the respective separation capacitors and these wires of the differential bus for transmitting digital data through the isolation inductors are connected to the inputs of the transmitter power circuit of this vibration sensor [RF Patent №2578734,
Использование общей для всех датчиков вибрации шины передачи цифровых данных требует существенного усложнения встроенной в датчик электроники, исключает возможность синхронного сбора сигналов с датчиков вибрации, поскольку невозможно передавать одновременно сигналы от нескольких датчиков по одной шине и, что особенно важно, передача на сопоставимое расстояние цифровых сигналов с заданной полосой частот требуется существенная большая мощность, чем при передачи соответствующего сигнала в аналоговом представлении. С учетом этого в каждый из датчиков вибрации необходимо передать существенно большую мощность для его питания и соответственно увеличение величины постоянного тока через провода шины передачи цифровых данных, что ведет к увеличению потеть на активном сопротивлении этих проводов от суммарного повышенного тока всех датчиков. Кроме того, хотя первичный измерительный преобразователь обычно весьма экономичен и потребляет токи менее миллиампера, значительный выходной ток каждого из передатчиков (десятки миллиампер) может привести к провалам в напряжении питания поступающего на схему питания датчика. Таким образом это устройство не обеспечивает достоверной передачи данных и не обеспечивает экономичности по потребляемой мощности.The use of common for all vibration sensors of a digital data transmission bus requires a significant complication of the sensor’s built-in electronics, eliminates the possibility of simultaneous collection of signals from vibration sensors, since it is impossible to transmit signals from several sensors simultaneously over a single bus and, most importantly, transmitting digital signals for a comparable distance with a given frequency band, a significantly higher power is required than when transmitting the corresponding signal in the analog representation. With this in mind, it is necessary to transfer substantially more power to each vibration sensor in order to power it and, accordingly, increase the DC current through the digital data transmission bus wires, which leads to an increase in sweat on the active resistance of these wires from the total increased current of all sensors. In addition, although the primary measuring transducer is usually quite economical and consumes currents of less than a milliampere, a significant output current from each transmitter (tens of milliamperes) can lead to dips in the supply voltage of the incoming sensor supply circuit. Thus, this device does not provide reliable data transmission and does not provide efficiency in power consumption.
В случае использования встроенного преобразования сигнала от первичного измерительного элемента, например усиления, фильтрации и т.п. такой сигнал предварительно проходит через усиливающие элементы, питание которых выполняется от питающего датчик источника тока по двухпроводной линии и в зависимости от исполнения выходной сигнал усиливающих элементов используется для изменения тока в выходных элементах [Патент US 5477735, НКИ 73/654, МКИ G01H 11/06, 1995] и [Патент US 5792956, НКИ 73/660, МКИ G01P 7/00, 1995].In the case of using a built-in signal conversion from the primary measuring element, such as amplification, filtering, etc. This signal passes through the amplifying elements, which are powered from the current source supplying the sensor via a two-wire line and, depending on the design, the output signal of the amplifying elements is used to change the current in the output elements [Patent US 5477735, NCI 73/654, MKI G01H 11/06 , 1995] and [Patent US 5792956, NCI 73/660, MKI G01P 7/00, 1995].
Таким образом, в этом случае значительная часть от величины тока источника постоянного тока питающего датчик может расходоваться на питание усиливающих элементов. Эта часть не может быть большой поскольку она может меняться в зависимости от сигнала и вносить нелинейные искажения в изменения эквивалентного выходного сопротивления. Это ограничивает область возможных применений таких решений.Thus, in this case, a significant part of the current value of the constant current source feeding the sensor can be spent on powering the reinforcing elements. This part cannot be large since it can change depending on the signal and introduce non-linear distortions in the changes in the equivalent output resistance. This limits the scope of possible applications of such solutions.
Предлагаемое решение позволяет практически весь ток от источника тока питающего датчик использовать в нем для питания усиливающих и преобразующих согласующих элементов, осуществляя при этом передачу, как сигнала, так и питания по одному проводу и не использовать на выходе передающего элемента датчика элементы сопротивление которых зависит от сигнала с выхода первичного измерительного преобразователя или их эквивалентны.The proposed solution allows practically all the current from the current source supplying the sensor to be used in it to power the amplifying and transforming matching elements while transmitting both the signal and the power over a single wire and not to use the output elements of the sensor’s output depending on the signal from the output of the primary transmitter or their equivalent.
При использовании многокомпонентных пьезоэлектрических датчиков вибрации с встроенной электроникой широкое распространение получили технические решения, состоящие в конструктивном объединении трех однокомпонентных датчиков и использовании для них объединенного общего провода в соединительном кабеле, что обеспечивает подключение, например, трехкомпонентного датчика с использованием четырехпроводной линии связи [Szary A. R. Ground Loop Problems with Measurement Systems and How to Avoid Them // [Электронный ресурс] Precision Filters, Inc., 2013. http://www.pfinc.com/paper_briefs/Ground_Loop_Problems.pdf].When using multi-component piezoelectric vibration sensors with built-in electronics, technical solutions are widespread, consisting in the constructive combination of three single-component sensors and using an integrated common wire for them in the connecting cable, which allows you to connect, for example, a three-component sensor using a four-wire communication line [Szary AR Ground Loop Problems with Avoid Them // Precision Filters, Inc., 2013. http://www.pfinc.com/paper_briefs/Ground_Loop_Problems.pdf].
В таких решениях, находящих широкое применение в настоящее время, возможности преобразования относительно слабого сигнала от первичного измерительного преобразователя весьма ограничены, поскольку практически весь ток от питающего датчик источника тока поступает в выходной регулируемый элемент, реализующий управляемое сопротивление. Это ограничивает область возможных применений таких решений.In such solutions, which are widely used at present, the possibility of converting a relatively weak signal from a primary transducer is very limited, since almost all the current from the current source supplying the sensor enters the output adjustable element that implements the controlled resistance. This limits the scope of possible applications of such solutions.
Наиболее близким к предложенному и выбранным в качестве прототипа является устройство для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой содержащее приемник сигнала, в котором входы генераторов тока каналов соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока канала соединен с началом провода сигнал-питание канала линии связи, который соединен через разделительный конденсатор канала с выходом канала, общая шина которых соединена с началом общего провода линии связи, окончание которого соединено с общей шиной передатчика сигнала, в котором она соединена с общим выводом согласующего преобразователя, входы которого соединены с многокомпонентным первичным измерительным преобразователем. [Szary A. R. Ground Loop Problems with Measurement Systems and How to Avoid Them // [Электронный ресурс] Precision Filters, Inc., 2013. - 77 p. http://www.pfinc.com/paper_briefs/Ground_Loop_Problems.pdf стр. 71 - прототип].The closest to the proposed and selected as a prototype is a device for transmitting signals from a multi-component vibration sensor with built-in electronics containing a signal receiver in which the inputs of the current channel generators are connected to the power bus of the signal receiver, the output of the channel current generator is connected to the beginning of the signal-channel power wire communication line, which is connected via a separation capacitor of the channel to the channel output, the common bus of which is connected to the beginning of the common wire of the communication line, the end of which It is connected to the common bus of the signal transmitter, in which it is connected to the common output of the matching converter, the inputs of which are connected to a multi-component primary measuring converter. [Szary A. R. Ground Loop Systems with Aviation Them // [Electronic resource] Precision Filters, Inc., 2013. - 77 p. http://www.pfinc.com/paper_briefs/Ground_Loop_Problems.pdf p. 71 - prototype].
Недостатками такого решения является использование большого количества проводников в кабеле типа «витая пара» для передачи данных, несколько общих проводников (в каждом канале свой. В каждом канале в приемнике общие проводники соединены с общей шиной приемника через генераторы тока - на практике будет отсутствие равенства балансов токов по положительной и отрицательной шинам питания.The disadvantages of this solution are the use of a large number of conductors in a twisted pair cable for data transmission, several common conductors (each channel has its own. In each channel in the receiver, common conductors are connected to the common bus of the receiver through current generators - in practice there will be no balance equality currents for positive and negative power bus.
Недостатком устройства прототипа являются также его ограниченные функциональные возможности. Действительно, с использованным в нем приемнике, содержащем в каждом из каналов источник тока, его можно использовать только с многокомпонентными датчиками, если только они имеют интерфейсы типа IEPE (или его аналоги), причем многокомпонентный датчик в этом случае по существу представляет собой два или три обычных однокомпонентных датчика с таким интерфейсом, закрепленных в или на общем основании. Ток источника тока используется для питания датчика только этого канала. К приемнику в этом случае невозможно подключить многокомпонентный датчик, выполненный по микроэлектронной - МЭМС (MEMs) технологии, в которых обычно используется электронная схема с общей для всех каналов шиной питания.The disadvantage of the device prototype are also its limited functionality. Indeed, with the receiver used in it, which contains a current source in each of the channels, it can only be used with multi-component sensors, as long as they have IEPE interfaces (or its analogs), and the multi-component sensor in this case is essentially two or three conventional single-component sensor with the interface, fixed in or on a common basis. Current source is used to power the sensor only this channel. In this case, it is impossible to connect a multicomponent sensor made by microelectronic - MEMS (MEMs) technology, which usually uses an electronic circuit with a common power bus for all channels.
Предлагаемое решение позволяет практически весь ток от источников тока питающих датчик использовать в нем для питания усиливающих и преобразующих согласующих элементов, осуществляя при этом передачу, как сигнала, так и питания по одному проводу и не использовать на выходе передающего элемента датчика элементы, сопротивление которых зависит от сигнала с выхода первичного измерительного преобразователя или их эквиваленты.The proposed solution allows practically the entire current from the current sources supplying the sensor to be used in it to power the amplifying and transforming matching elements, while transmitting both the signal and the power supply via a single wire and not to use at the output of the transmitter element of the sensor elements whose resistance depends on signal from the output of the primary transmitter or their equivalents.
Предлагаемое устройство содержит общую шину питания в приемнике, что позволяет использовать предлагаемое решение как с датчиками, имеющими в каждом канале независимую электронную схему, так и многокомпонентные датчики микроэлектронного МЭМС (MEMs) типа. Наличие общего питания позволяет повысить достоверность функционирования, поскольку для питания электронных компонент передатчика многокомпонентного датчика используются суммарный ток от всех генераторов тока приемника сигналов. В случае снижения тока питания от генератора тока в каком либо из каналов питание всех каналов передатчика осуществляется от оставшихся генераторов тока. Изменения в структуре по сравнению с прототипом позволяют также существенно снизить необходимый ток от генераторов тока. Если в прототипе большая часть тока может потребляться выходными элементами передатчика, которые являются фактически эквивалентами управляемого напряжением переменного сопротивления, а для питания остальной части используется небольшая часть тока получаемого от генератора тока (в противном случае изменения сигнала - напряжения на выходе будут незначительными, т.е. чувствительность будет существенно занижена). В предлагаемом устройстве выходной элемент передатчика работает как источник переменного напряжения, собственное потребление которого может быть незначительны и практически весь ток от генератора тока может быть использован для питания других элементов передатчика, в том числе и соответствующих другим каналам (компонентам), что по существу обеспечивает питание передатчика в режиме резервирования.The proposed device contains a common power bus in the receiver, which allows the proposed solution to be used with sensors that have an independent electronic circuit in each channel, as well as multicomponent sensors of microelectronic MEMS (MEMs) type. The presence of a general power supply makes it possible to increase the reliability of operation, since the total current from all current receiver generators of signals is used to power the electronic components of a multicomponent transmitter. In the event of a decrease in the supply current from the current generator in any of the channels, all channels of the transmitter are powered from the remaining current generators. Changes in the structure compared with the prototype can also significantly reduce the required current from the current generators. If in the prototype most of the current can be consumed by the output elements of the transmitter, which are actually equivalents of voltage controlled alternating resistance, and a small part of the current received from the current generator is used to power the rest (otherwise the signal changes — the output voltages are insignificant, sensitivity will be significantly underestimated). In the proposed device, the output element of the transmitter works as an alternating voltage source, the own consumption of which may be insignificant and almost all the current from the current generator can be used to power other elements of the transmitter, including those corresponding to other channels (components), which essentially provides power transmitter in redundancy mode.
Технический эффект состоит в расширении области применения за счет возможности работы не только с пьезоэлектрическими датчиками с встроенным усилителем, но и с МЭМС датчиками и возможности работы при меньших уровнях тока питания и повышенной надежностью.The technical effect consists in expanding the field of application due to the possibility of working not only with piezoelectric sensors with a built-in amplifier, but also with MEMS sensors and the ability to work at lower levels of supply current and increased reliability.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой, содержащем приемник сигнала в котором входы генераторов тока каналов соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока канала соединен с началом провода сигнал-питание канала линии связи, который соединен через разделительный конденсатор канала с выходом канала, общая шина которых соединены с началом общего провода линии связи, окончание которого соединено с общей шиной передатчика сигнала, в котором она соединена с общим выводом согласующего преобразователя, входы которого соединены с первичным многокомпонентным измерительным преобразователем, окончания каждого из проводов сигнал-питание каналов линии связи соединены через дополнительные конденсаторы с выходами согласующего преобразователя, шина питания которого соединена с выходом стабилизатора напряжения и через блокирующий конденсатор с общей шиной передатчика сигнала, которая соединена с общей шиной стабилизатора напряжения, вход которого через индуктивности соединен с окончаниями проводов сигнал-питание каналов линии связи.This goal is achieved by the fact that in a device for transmitting signals from a multicomponent vibration sensor with built-in electronics, containing a signal receiver in which the inputs of the channel current generators are connected to the signal receiver power supply bus, the output of the channel current generator is connected to the beginning of the signal-power line of the communication channel, which is connected via a separation capacitor of the channel to the channel output, the common bus of which is connected to the beginning of the common wire of the communication line, the end of which is connected to the common bus of the transmitter signal, in which it is connected to the common output of a matching converter, whose inputs are connected to a primary multi-component measuring converter, the ends of each signal-to-wire wires of the communication line are connected via additional capacitors to the outputs of a matching converter, the power bus of which is connected to the output of the voltage regulator and through a blocking capacitor with a common bus signal transmitter, which is connected to a common bus voltage regulator, the input of which is through ind ktivnosti connected with ends of wires the signal-power line communication channels.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой в качестве стабилизатора напряжения использован стабилитрон, анод которого соединен с общим выводом стабилизатора напряжения, а катод стабилитрона соединен с входом и выходом стабилизатора напряжения.Another difference is that in the device for transmitting signals from a multi-component vibration sensor with built-in electronics, a zener diode is used as a voltage stabilizer, the anode of which is connected to the common output of the voltage regulator, and the cathode of the zener diode is connected to the input and output of the voltage stabilizer.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой стабилизатор напряжения содержит стабилитрон, анод которого соединен с общим выводом стабилизатора напряжения, а катод стабилитрона подключен к входу последовательного стабилизатора, общий вывод и выход которого соединены соответственно с общим выводом стабилизатора напряжения и его выходом.Another difference is that in the device for transmitting signals from a multicomponent vibration sensor with built-in electronics, the voltage regulator contains a zener diode, the anode of which is connected to the common output of the voltage regulator, and the cathode of the zener diode is connected to the input of the serial stabilizer, the common output and output of which are connected respectively to common output voltage regulator and its output.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой в качестве последовательного стабилизатора использован линейный последовательный стабилизатор с низким падением напряжения.Another difference is that in the device for transmitting signals from a multi-component vibration sensor with built-in electronics a linear series stabilizer with low voltage drop is used as a series stabilizer.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой в качестве последовательного стабилизатора использован импульсный преобразователь напряжения.Another difference is that the device for transmitting signals from a multi-component vibration sensor with built-in electronics uses a pulse voltage converter as a series stabilizer.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой согласующий преобразователь, входы которого соединены с выходами первичного многокомпонентного измерительного преобразователя, содержит транзисторы по числу компонент первичного многокомпонентного измерительного преобразователя, затворы которых являются первыми входами согласующего преобразователя, вторые входы которого соединены с общим выводом согласующего преобразователя, который соединен со стоками транзисторов, исток каждого из которых является выходом согласующего преобразователя и соединен через вспомогательный резистор с шиной питания согласующего преобразователя.Another difference is that in a device for transmitting signals from a multi-component vibration sensor with built-in electronics, a matching converter, the inputs of which are connected to the outputs of the primary multi-component measuring converter, contains transistors by the number of components of the primary multi-component measuring converter, the gates of which are the first inputs of the matching converter, the second inputs of which are connected to the common output of the matching converter, which is connected to drains of transistors, the source of each of which is the output of the matching converter and is connected via an auxiliary resistor to the power supply cable of the matching converter.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой первичный многокомпонентный измерительный преобразователь выполнен в виде многокомпонентного пьезоэлектрического первичного измерительного преобразователя.Another difference is that in the device for transmitting signals from a multi-component vibration sensor with built-in electronics, the primary multi-component measuring transducer is designed as a multi-component piezoelectric primary measuring transducer.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой в качестве согласующего преобразователя, входы которого соединены с первичным многокомпонентным измерительным преобразователем, использован микроэлектронный многокомпонентный датчик, общий вывод которого является общим выводом согласующего преобразователя, шиной питания которого является вывод питания микроэлектронного многокомпонентного датчика.Another difference is that the device for transmitting signals from a multi-component vibration sensor with built-in electronics as a matching converter, the inputs of which are connected to the primary multi-component measuring transducer, uses a microelectronic multi-component sensor, the common output of which is the common output of the matching converter is the power supply of the microelectronic multicomponent sensor.
Предполагаемое изобретение поясняется чертежами, показанными на фиг. 1-4.The inventive invention is illustrated by the drawings shown in FIG. 1-4.
Устройство для передачи сигналов от многокомпонентного датчика вибрации с встроенной электроникой содержит приемник 1 сигнала в котором входы генераторов 2 тока каналов соединен с шиной 3 питания приемника 1 сигнала, выход генератора 2 тока канала соединен с началом провода сигнал-питание канала линии 4 связи, который соединен через разделительный конденсатор 5 канала с выходом 6 канала, общая шина 7 которых соединена с началом общего провода линии связи 4, окончание которого соединено с общей шиной передатчика 8 сигнала, в котором она соединена с общим выводом согласующего преобразователя 9, входы которого соединены с первичными многокомпонентным измерительным преобразователем 10, окончания каждого из проводов сигнал-питание каналов линии связи 4 соединены через дополнительные конденсаторы 11 с выходами согласующего преобразователя 10, шина питания которого соединена с выходом стабилизатора 12 напряжения и через блокирующий конденсатор 13 с общей шиной передатчика 8 сигнала, которая соединена с общей шиной стабилизатора 12 напряжения, вход которого через индуктивности 14 соединен с окончаниями проводов сигнал-питание каналов линии связи 4.A device for transmitting signals from a multicomponent vibration sensor with built-in electronics contains a
В качестве стабилизатора 12 напряжения может быть использован стабилитрон 15, анод которого соединен с общим выводом, а катод соединен с входом и выходом стабилизатора напряжения, как показано на фиг. 2.As the
Как будет показано ниже, в предлагаемом устройстве желательно использовать индуктивности большого номинала. На фиг. 1 индуктивности представлены эквивалентными схемами, содержащими собственно индуктивность L1 (L2, L3), а также активное сопротивление r1 (r2, r3) обмотки этой индуктивности. Для больших по номиналу индуктивностей активное сопротивление имеет относительно большую величину и может составлять десятки или сотни ом. В случае использования в качестве стабилизатора напряжения 12 стабилитрона 15 это внутреннее сопротивление будет ограничивать ток через стабилитрон, но поскольку питание его осуществляется от генераторов тока, величина тока через стабилитрон 15 во всех случаях будет ограничена. На последующих чертежах активное сопротивление индуктивности не показано в явном виде.As will be shown below, in the proposed device, it is desirable to use inductance of a large nominal. FIG. 1 inductances are represented by equivalent circuits containing the actual inductance L1 (L2, L3), as well as the active resistance r1 (r2, r3) of the winding of this inductance. For large inductances, the resistance is relatively large and can be tens or hundreds of ohms. If used as a
Как показано на фиг. 3, согласующий преобразователь 9, входы которого соединены с выходами первичного многокомпонентного измерительного преобразователя 10, содержит транзисторы 17 по числу компонент первичного многокомпонентного измерительного преобразователя 10, затворы которых являются первыми входами согласующего преобразователя 9, вторые входы которого соединены с общим выводом согласующего преобразователя 9, который соединен со стоками транзисторов 17, исток каждого из которых является выходом согласующего преобразователя 9 и соединен через вспомогательный резистор 18 с шиной питания согласующего преобразователя 9.As shown in FIG. 3, the matching
При таком исполнении первичный многокомпонентный измерительный преобразователь 10 выполнен в виде многокомпонентного пьезоэлектрического первичного измерительного преобразователя. На фиг. 3 такой преобразователь содержит три независимых пьезоэлектрических преобразователя 19.With this design, the primary
В качестве согласующего преобразователя 9, входы которого соединены с первичным многокомпонентным измерительным преобразователем 10, может быть использован микроэлектронный многокомпонентный датчик - МЭМС (MEMs) датчик, общий вывод которого является общим выводом согласующего преобразователя 10, шиной питания которого является вывод питания микроэлектронного многокомпонентного датчика. В этом случае согласующий преобразователь 9, входы которого соединены с первичным многокомпонентным измерительным преобразователем 10 конструктивно объединены в одну интегральную схему, выполненную по общей технологии.As a
На фиг.4 приведен пример временной зависимости сигналов на выходах каналов 6 для трехкомпонентного датчика вибрации, ортогональные компоненты пространственной вибрации действующей на который имеют амплитуды вибрации с соотношением 5:2:1. Компоненты имеют различные фазы при частоте 100 Герц. При этом постоянное смещение на проводах сигнал-питание линии связи 4 определяется напряжением стабилизации стабилитрона 15 и равно 9 Вольт.Figure 4 shows an example of the time dependence of the signals at the outputs of the
При реализации для получения малых значений нижней граничной частоты пропускания в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков необходимо применение индуктивностей относительно большой величины. Примерами таких индуктивностей, обеспечивающих практическую применимость устройства для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии, являются индуктивности, например, типов BSS105 или BSL105 (производства Wilco Corporation) номиналом 1 Генри. Внутреннее активное сопротивление r таких индуктивностей, используемое в качестве ограничивающего ток через них элемента эквивалентной схемы индуктивности, как это указано в описании работы устройства, составляет соответственно 410 и 75 Ом. В зависимости от заданного значения нижней граничной частоты пропускания возможно использование и других аналогичных индуктивностей.When implemented, to obtain small values of the lower cutoff frequency in the device for transmitting analog signals from sensors, it is necessary to use relatively large inductances. Examples of such inductances that ensure the practical applicability of a device for transmitting analog signals from sensors over a two-wire line are inductances, for example, of the BSS105 or BSL105 types (manufactured by Wilco Corporation) with a nominal value of 1 Henry. The internal active resistance r of such inductances, used as a current limiting element through them in an equivalent inductance circuit, as indicated in the device operation description, is 410 and 75 Ohms, respectively. Depending on the set value of the lower limiting frequency of the transmission, it is possible to use other similar inductances.
Предлагаемое решение обеспечивает работу передатчика 8 при стабильном напряжении питания и с эффективным разделением постоянной составляющей используемой для питания, и переменной, используемой для передачи информации о динамических процессах, фиксируемых датчиком. Постоянная составляющая при этом практически полностью используется именно для питания, что позволяет снизить общее потребление мощности устройством, реализующим такой интерфейс передачи сигналов, уменьшив нелинейные искажения и обеспечить работу с датчиками различного типа. Это увеличивает достоверность функционирования и расширяет возможную область применения устройства.The proposed solution ensures the operation of the
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018130140A RU2688257C1 (en) | 2018-08-21 | 2018-08-21 | Device for transmitting signals from a multicomponent vibration sensor with built-in electronics |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018130140A RU2688257C1 (en) | 2018-08-21 | 2018-08-21 | Device for transmitting signals from a multicomponent vibration sensor with built-in electronics |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2688257C1 true RU2688257C1 (en) | 2019-05-21 |
Family
ID=66636525
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018130140A RU2688257C1 (en) | 2018-08-21 | 2018-08-21 | Device for transmitting signals from a multicomponent vibration sensor with built-in electronics |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2688257C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4939455A (en) * | 1988-09-02 | 1990-07-03 | Hamilton Standard Controls, Inc. | Sensor having two-wire connection to load |
US5477735A (en) * | 1993-08-11 | 1995-12-26 | Bently Nevada Corporation | Two-wire constant current powered transducer |
RU2375692C1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-12-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Диамех 2000" | Vibration control device (versions) |
RU2578734C2 (en) * | 2012-06-19 | 2016-03-27 | Серсел | Seismic sensor and data collection device |
RU2658568C2 (en) * | 2016-09-08 | 2018-06-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Технический Центр Завод Балансировочных машин" | Method and device for vibration monitoring (embodiments) |
-
2018
- 2018-08-21 RU RU2018130140A patent/RU2688257C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4939455A (en) * | 1988-09-02 | 1990-07-03 | Hamilton Standard Controls, Inc. | Sensor having two-wire connection to load |
US5477735A (en) * | 1993-08-11 | 1995-12-26 | Bently Nevada Corporation | Two-wire constant current powered transducer |
US5792956A (en) * | 1993-08-11 | 1998-08-11 | Bently Nevada Corporation | Signal conditioning circuit apparatus and method |
RU2375692C1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-12-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Диамех 2000" | Vibration control device (versions) |
RU2578734C2 (en) * | 2012-06-19 | 2016-03-27 | Серсел | Seismic sensor and data collection device |
RU2658568C2 (en) * | 2016-09-08 | 2018-06-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Технический Центр Завод Балансировочных машин" | Method and device for vibration monitoring (embodiments) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104020346A (en) | Micro-current signal extraction system | |
US6316948B1 (en) | Charge balance network with floating ground capacitive sensing | |
KR20150132149A (en) | Semiconductor device and sigma-delta loop mems acquisition | |
RU2688257C1 (en) | Device for transmitting signals from a multicomponent vibration sensor with built-in electronics | |
US20010020850A1 (en) | Capacitance measurement circuit with digital output | |
Bouabana et al. | A low-cost current sensor with a novel modulated interface (F-PWM) | |
CN202948026U (en) | Differential capacitance voltage conversion circuit and acceleration sensor detection system | |
US6445330B1 (en) | Capacitively coupled references for isolated analog-to-digital converter systems | |
CN100426654C (en) | Precision current sensor used for electric machine control | |
CN102981021B (en) | Differential capacitance-voltage conversion circuit and acceleration sensor detection system | |
CN207832309U (en) | Load ratio bridging switch vibration signal acquisition device and analysis system | |
RU2642807C1 (en) | System for signal transmission from sensors with analogue output via a two-wireless line (options) | |
CN206281870U (en) | Acceleration transducer | |
CN113533817B (en) | Electronic voltage transformer and electric energy metering equipment thereof | |
RU2693928C1 (en) | Device for transmitting analogue signals from sensors along a two-wire line | |
CN111812387A (en) | Positive and negative voltage sampling shunt circuit | |
CN211856874U (en) | Residual current transformer measurement and abnormity detection circuit based on metering unit | |
CN107966207A (en) | Load ratio bridging switch vibration signal acquisition device and analysis system | |
KR20010104734A (en) | Method and device for transmitting a transmission signal via a two-core line | |
EP3708989A1 (en) | Capacitive static and dynamic sensor | |
WO2005068959A2 (en) | High performance integrated electronic for mems capacitive strain sensors | |
CN109889201A (en) | Signal acquisition circuit and measuring instrument | |
SU1095098A1 (en) | Device for converting complex impedance modulus change to active signal | |
CN116499500B (en) | Sensor system, sensor, signal output circuit of sensor and signal acquisition equipment | |
RU2670712C9 (en) | Device for measuring output signal of piezoelectric sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200822 |