Патент на изобретение №2350003

(54) СХЕМА ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДАТЧИКА С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ

(57) Реферат:

Использование: для осуществления контроля температуры обмоток электродвигателя. Технический результат заключается в повышении надежности и точности измерений. Изобретение основано на электронной схеме, в которой проводники, идущие от датчика и расположенные внутри объекта измерения, соединяются с усилителем с обратной связью, который уменьшает уровень напряжения постоянного тока, подаваемого на делитель напряжения, в том случае, когда сопротивление датчика возрастает. Измеряемый сигнал усиливается, далее с помощью компаратора сравнивается с выходным напряжением генератора пилообразного напряжения и затем генерируется незатухающий импульсно-модулированный сигнал, который передается в цифровом виде на электронную схему SELV (безопасного низковольтного напряжения), например через оптоизолятор. Логарифмическая форма представления сигнала после усиления дает возможность достаточно точно определять разницу между коротким замыканием в схеме датчика и низкими значениями его сопротивлений. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерению сопротивления резистивного датчика, такого как термистор, с положительным (РТС) или отрицательным (NTC) температурным коэффициентом, служащего для контроля температуры электрических машин, в частности, обмоток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Для защиты обмоток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором от перегрева в случае повышения температуры окружающей среды или недостаточного охлаждения двигателя используют термисторы в дополнение к защите на основе измерения тока. При эксплуатации асинхронного двигателя во взрывоопасной среде (Ехе) существуют нормы, предусматривающие оснащение двигателя устройством измерения температуры, при этом должна быть осуществлена гальваническая развязка схемы термистора и других электронных схем системы. В трехфазном двигателе три термистора соединены последовательно, по одному на обмотки статора каждой фазы.

Изобретение дает возможность измерять сопротивление датчика в широком диапазоне величин, что позволяет использовать различные типы датчиков для получения достоверной информации о наличии короткого замыкания или отказа в схеме датчика. Также изобретение может быть использовано в тех случаях, когда требуется высокая электрическая прочность (уровень изоляции) между схемой датчика и электронной схемой SELV (безопасного низковольтного напряжения).

Одно из предшествующих технических решений основывается на технологии автоматического контроля, которое заключается в использовании нестабильного мультивибратора, работающего на заданной частоте, и гальванической связи между измерительной схемой и электронным прибором. Гальваническая развязка осуществляется при помощи развязывающего трансформатора между термистором и измерительной схемой. К недостаткам такого решения следует отнести нелинейность развязывающего трансформатора и его низкую чувствительность, особенно при низких значениях сопротивления датчика, что затрудняет выявление короткого замыкания. Другой недостаток заключается в наличии емкости в проводниках схемы датчика, которая суммируется с емкостью измерительной схемы через развязывающий трансформатор в дополнение к реальному влиянию сопротивления датчика. Гальваническая развязка с помощью развязывающего трансформатора проста в осуществлении и недорога.

Другое предшествующее решение состоит в использовании линейного оптоизолятора, но возникают проблемы, связанные с высокой стоимостью и большой разницей в допусках на отдельные схемные компоненты, что затрудняет осуществление калибровки измерительной схемы. Также невысока надежность и устойчивость при длительном использовании. Преимуществом этого решения является хорошая линейность в широком диапазоне сопротивлений и быстродействие.

Производители электродвигателей предпочитают выбирать термисторы с положительным температурным коэффициентом (РТС), сопротивление которого резко изменяется при превышении максимально допустимой температуры изоляции обмоток. На основании этого эффекта используется метод сравнения величины сопротивления термистора с заданной пороговой величиной. На переход через эту пороговую величину указывает либо изменение тока нагрузки развязывающего трансформатора, либо оптоизолятор. Такой вариант отличается невысокой стоимостью, но его недостатком является двухпозиционный (ВКЛ/ВЫКЛ) способ выдачи данных, отсутствие информации относительно изменения величины сопротивления, например, насколько быстро происходит приближение к пороговой величине. Также отсутствует указание на наличие короткого замыкания в схеме датчика.

На рынке существуют интегральные схемы Maxim Max 6691, которые позволяют соединять четыре датчика с положительным или отрицательным температурным коэффициентом (РТС или NTC). С помощью микросхемы величина сопротивления каждого датчика преобразовывается в один модулированный по ширине импульс (PWM – Pulse Width Modulation: ШИМ – широтно-импульсная модуляция); однако диапазон скважности импульса достаточно узкий. Скважность модулированного импульса уменьшается с увеличением сопротивления, поэтому микросхема наиболее применима в датчиках с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Линейный режим работы схемы затрудняет распознавание короткого замыкания в отличие от работы при малых значениях сопротивлений. Диапазон измерения можно регулировать, используя последовательно включенный с датчиком резистор, но при этом диапазон измерения температуры обмоток электродвигателя весьма ограничен, что затрудняет их защиту. Другого производителя микросхем не существует, и это означает, что потребитель связан с единственным поставщиком компонентов.

Существует другая интегральная схема Smartec SMT 160-30 с внутренним температурным датчиком и импульсно-модулированным по ширине сигналом на выходе. Но из-за размеров и ограниченного диапазона рабочих температур эта микросхема не применима для защиты обмоток электродвигателя. Частота импульсно-модулированного сигнала на выходе микросхемы составляет 1…4 кГц, что устанавливает слишком жесткие требования для интерфейса компонентов и схем при анализе результатов измерения.

Раскрытие изобретения

Цель данного изобретения – создание такой измерительной схемы датчика сопротивления, которая решила бы вышеупомянутые проблемы. Она достигается в изобретении по независимому пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации данного изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Кроме измерения сопротивления датчика изобретение позволяет также определять наличие короткого замыкания и сбоев датчика.

Основой изобретения является электронная схема, в которой проводники из датчика сопротивления, расположенного внутри предохраняемого объекта – обычно температурного датчика с положительным или отрицательным температурным коэффициентом (РСТ или NTC) – соединяются с усилителем с обратной связью в цепи делителя напряжения. Усилитель понижает напряжение постоянного тока, приложенное к делителю напряжения, когда возрастает сопротивление датчика. Сигнал усиливается, при этом с помощью генератора пилообразного напряжения и компаратора генерируется незатухающий импульсно-модулированный сигнал (PWM). Сигнал передается в электронную схему SELV безопасного низковольтного напряжения в цифровом виде через оптоизолятор.

Частота генератора пилообразного напряжения может быть низкой, поскольку постоянная времени объекта измерения, значение которой более 1 с, позволяет иметь достаточно времени для получения результатов измерения. Это дает возможность использовать недорогие оптоизоляторы. Чтобы регулировать разрешение величин измерения сопротивлений в широком диапазоне (50 Ом … 15 кОм), предлагается представлять выходной сигнал усилителя в логарифмическом виде, что наиболее просто. Чем больше возрастает напряжение датчика, тем больше уменьшается с помощью усилителя напряжение, приложенное к делителю напряжения. Это означает, что лучшее разрешение достигается при низких значениях сопротивления, что облегчает распознавание короткого замыкания в схеме датчика.

Метод разделения цифрового сигнала с помощью оптоизолятора предпочтительней, чем метод разделения аналогового сигнала с помощью линейного оптоизолятора, имеющего недостаточную долговременную устойчивость.

Степень разрешения, требуемая для предохранения электродвигателя, обычно составляет ±7,5%; это означает, что для измерительной схемы достаточным является грубое разрешение, но температурный диапазон при измерениях широк, достигая температур выше 150°С.

Устройство согласно настоящему изобретению предлагает широкий диапазон измерения сопротивлений, на практике 50 Ом … 15 кОм, при этом обладает наибольшей чувствительностью в диапазоне 1 кОм … 5 кОм, который охватывает пороговые уровни наиболее распространенных термисторов с положительным и отрицательным температурным коэффициентом. Используемый блок обратной связи дает возможность достичь достаточной избирательности при обнаружении типа неисправностей, включая короткое замыкание или обрыв цепи. Изобретение позволяет получить низкую стоимость, простоту калибровки по сравнению с применением линейных оптоизоляторов. Калибровка может быть надежно выполнена при использовании двух точек измерения. Следующим преимуществом изобретения является использование блока обратной связи по напряжению; напряжение на сопротивлении датчика очень низкое, менее 2 В, и предпочтительно подавать напряжение к датчику через резистор, сопротивление которого порядка 20 кОм. Поэтому совершенно безопасно помещать термистор во взрывоопасную среду Exe, поскольку напряжение остается ниже критических уровней для искрообразования. Технология низкочастотной широтно-импульсной модуляции, применяемая в изобретении, также предполагает использование менее быстродействующих оптоизоляторов с высокой электрической прочностью. Надежность оптоизолятора при долговременном использовании является критическим параметром, поэтому оптоизолятор должен быть тщательно выбран и обладать высоким качеством.

Вместо метода широтно-импульсной модуляции (PWM) могут быть выбраны другие виды кодирования для представления сигнала датчика в цифровой форме.

Краткое описание чертежей

Более подробно изобретение описывается на примере вариантов его реализации и в соответствии со ссылками на чертежи, где:

фиг.1 представляет блок-схему измерительного устройства;

фиг.2 представляет принципиальную схему блоков С, D и Е;

фиг.3 представляет принципиальную схему блока F;

фиг.4 представляет принципиальную схему блоков G и Н;

фиг.5 представляет график скважности [%] модулированного по ширине импульса в зависимости от сопротивления датчика.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлена блок-схема измерительной электронной схемы датчика. Пунктирная линия ограничивает зону, в которой находятся отдельные узлы схемы, при этом электронная схема SELV (безопасное низковольтное напряжение) вынесена за пределы этой линии.

Блок А состоит из вторичной обмотки с троекратно изолированным проводом ферритового трансформатора в источнике питания DC/DC (DC – постоянный ток), работающем в коммутационном режиме, который заключен в измерительный прибор. Это обеспечивает электропитанием 15 В, 10 мА отдельные узлы измерительной электронной аппаратуры. Возможно использование других видов источника питания с требуемой электрической прочностью.

Блок В состоит из генератора регулируемого напряжения постоянного тока, равного 12 В, для питания измерительной аппаратуры; в этих целях предпочтительно использовать параллельный стабилизатор с соответствующими компонентами.

Блок С содержит усилительный каскад с обратной связью, с которого на схему датчика подается напряжение постоянного тока (UD) таким образом, что, когда сопротивление датчика (Rx) возрастает, уровень приложенного напряжения уменьшается. Это дает возможность получить выходной сигнал в логарифмическом виде.

Блок D содержит цепь делителя напряжения, содержащего балластный резистор, включенный последовательно с сопротивлением датчика, которое необходимо измерить. Более того, блок включает в себя компоненты, связанные с ЕМС фильтрацией и защитой от перенапряжения, соответствующие требованиям работы схем во взрывоопасной среде Ex.

Блок Т содержит проводники измерительного датчика.

Блок Е содержит неинвертированный усилительный каскад, который усиливает напряжение (Ux) на сопротивлении датчика в цепи делителя напряжения. Предпочтительно, чтобы коэффициент усиления усилителя составлял порядка 8.

Блок F содержит пилообразный генератор импульсно-модулированного по ширине сигнала. Частота генератора составляет 10…100 Гц. В случае предохранения электродвигателя значение постоянной времени, равное более 1 с, дает возможность работать на частоте, например, 40 Гц. Величина амплитуды пилообразной волны (U_F) составляет 10 В, то есть несколько ниже, чем напряжение питания, выбранное для электронных схем, равное 12 В.

Блок G содержит компаратор, который сравнивает усиленный сигнал (U_F) напряжения датчика и выходное напряжение (U_F) генератора пилообразного напряжения, формирующего импульсно-модулированный сигнал и осуществляющего запуск оптоизолятора в блоке В. В дополнение к оптоизолятору блок Н содержит резистор, соединенный с плюсом источника питания, а также средства поддержания заднего фронта импульса достаточно крутым. Выходной импульсно-модулированный сигнал передается от измерительной электронной аппаратуры через оптоизолятор к основной электронной схеме.

При регулировании разложения (или дискретности) измеряемого сопротивления в широком диапазоне (50 Ом … 15 кОм) назначение усилителя в блоке С состоит в том, чтобы создавать выходной сигнал в логарифмической форме наиболее простым способом. При низких значениях сопротивления термистора выходное напряжение, то есть коэффициент широтно-импульсной модуляции, возрастает пропорционально с большей скоростью, чем при высоких значениях сопротивления. Это позволяет упростить распознавание короткого замыкания при минимальных значений сопротивления термистора. Работа блока обратной связи С выполняет в этом важную роль. Чем больше возрастает напряжение (U_X) датчика, тем в большей степени блок С ограничивает напряжение (U_D), приложенное к цепи делителя напряжения. При условии, что балластный резистор, равный 20 кОм, соединен последовательно с сопротивлением термистора R_X, напряжение, приложенное к цепи делителя напряжения, может быть рассчитано следующим образом:

Так, что в случае соблюдения восьмикратного усиления блока Е и амплитудного диапазона 0…10 В генератора пилообразного напряжения (блок F) коэффициент цикличности (_OUT) выходного импульсно-модулированного сигнала представлен следующей формулой:

На фиг.2 представлена принципиальная интерфейсная схема (блок D) термистора усилительного каскада (блок С) с обратной связью и усилительного каскада (блок Е).

Операционный усилитель (А501-В) в усилительном каскаде (блок С) с обратной связью вместе с сопротивлениями (R515, R524) формируют неинвертированный усилительный каскад с заданным коэффициентом усиления, равным двум. Операционный усилитель (А501-С) совместно с сопротивлениями (R510, R514) и регулируемое опорное напряжение Uref, подаваемое на положительный (+) вход, например, +2,5 В, формируют дифференциальный усилитель с заданным коэффициентом усиления, равным трем. Емкость (С504), соединенная параллельно с сопротивлением (R514), предназначена для стабилизации выходного напряжения усилительного каскада (блок С) с обратной связью.

С усилительного каскада (блок С) с обратной связью подается напряжение (U_D) на цепь делителя напряжения датчика. Схема (блок D) датчика включает последовательные резисторы (R519, R520), величина полного сопротивления которых выбрана так, что она равна значению сопротивления датчика, то есть 20 кОм. Предохранитель (V509) в переходном процессе, например типа Fairchild Semiconductor SMBJ36CA, включен между выводами (THER+, THER-) датчика. Катушки (L501, L502) индуктивности соединены с обоими выводами (THER+, THER-). Емкость (С508) включена между катушками индуктивности для фильтрации помех сигнала.

Требования Exe для взрывоопасной среды заключаются в том, чтобы ток короткого замыкания и напряжение источника питания датчика не были бы слишком высоки. По этой причине в схему включен стабилитрон (V502) таким образом, что его катод соединен с точкой между резисторами (R519, R520), а его анод соединен с заземлением электронной аппаратуры (GND_INTHER). Номинальное напряжение стабилитрона (V502) составляет небольшую величину, порядка 6,2 В. Сопротивление (R521) и емкость (С509) формируют резистивно-емкостной фильтр для фильтрации ЕМС помех из напряжения (Ux) датчика и генерируют, таким образом сигнал FB_VS датчика из напряжения датчика. Из той же самой точки соединения сигнал (FB_VS) датчика подается на усилительный каскад (блок Е) и на положительный (+) вход операционного усилителя (А501-В) в составе схемы (блок С) усилителя с обратной связью. Таким образом, усилитель с обратной связью уменьшает напряжение, подаваемое на схему датчика, когда сопротивление датчика и, следовательно, напряжение (Ux) датчика и сигнал (FB_VS) датчика возрастают.

Усилитель (блок Е) содержит операционный усилитель (А501-А) и сопротивления (R509, R511), формирующие неинвертированный усилительный каскад с заданным коэффициентом усиления, равным восьми. Выходное напряжение (U_E) подается на инвертированный (-) вход компаратора (блок G).

Фиг.3 представляет принципиальную схему генератора пилообразного напряжения (блок F). Интегральная схема (N501-А) компаратора, например, типа National Semiconductors LM293 вместе с соответствующими компонентами формирует нестабильный мультивибратор. Делитель (R503, R504) напряжения, содержащий сопротивления (R503, R504) вместе с емкостью (С507), формируют напряжение смещения на инвертированный (-) вход компаратора (N501-А). Сопротивления (R507, R508, R505), диод (V508) и PNP транзистор (V506) формируют источник постоянного тока, который заряжает емкость (С502), образуя положительный скат пилообразной волны. Повторитель напряжения на основе операционного усилителя (A501-D) обеспечивает выходное напряжение генератора (Up) пилообразного напряжения. Соотношение сопротивлений (R522, R523), соединенных с неинвертированным (+) входом компаратора (N501-А), совместно с напряжением смещения, подаваемым на инвертируемый (-) вход, определяет экстремальную точку пилообразной волны. Диод (V503) и емкость (С501) совместно с делителем (R526, R527) напряжения на базе NPN транзистора (V505) служат для образования задержки времени при переходе транзистора из режима насыщения в закрытое состояние, которое свидетельствует о том, что выходное пилообразное напряжение упало почти до нуля.

На фиг.4 представлена принципиальная схема компаратора (блок G) и развязку выходной цепи (блок Н).

Блок (G) компаратора содержит интегральную схему (N501-В) компаратора и резистор (R518) нагрузки. С помощью сопротивлений (R512, R513, R528) образован гистерезис. Сопротивления (R512, R513, R528) совместно с емкостью (С513) предохраняет схему от колебаний. Усиленный сигнал (U_E) датчика с блока (блок Е) усилителя подается на инвертированный (-) вход компаратора (N501-В), и выходной сигнал генератора пилообразного напряжения (U_F) подается на неинвертированный (+) вход.

Блок (блок Н) оптоизолятора содержит оптоизолятор (К501) и включенные во вторичную цепь оптоизолятора NPN транзистор (V504), сопротивление (R516) база-эмиттер и сопротивление (R517) нагрузки коллектора, который предохраняют фототранзистор оптоизолятора (К501) от перехода в состояние насыщения и образования более крутого фронта модулированного по ширине импульса. Емкость (С514), соединенная параллельно с сопротивлением (R516), служит для ограничения ЕМС помех.

На фиг.5 представлен график, в котором скважность [%] модулированного по ширине импульса на выходе измерительной аппаратуры, реализованной с компонентными значениями в схемах фиг.2, 3, 4, показана на вертикальной оси как функция сопротивления [Ом] датчика, представленного на логарифмической шкале горизонтальной оси. На графике виден линейный участок в пределах диапазона сопротивления датчика 1 кОм … 5 кОм, который является обычным и показывает, что скважность широтно-модулированного импульсов быстро возрастает пропорционально увеличению сопротивления датчика при малых значениях сопротивления.

Несмотря на то что изобретение подробно описано на примере отдельного варианта его реализации, понятно, что квалифицированный специалист может использовать настоящее изобретение в различных формах, но в пределах, обозначенных формулой изобретения.

Изобретение применимо к любому способу измерения сопротивления, а диапазон измерения может быть приспособлен к использованию путем изменения значений компонентов в схеме. Принцип изобретения не очень подходит для измерения сопротивления датчиков с очень низким сопротивлением (меньше 1 Ом), поскольку возрастают требования к источнику тока. Техническое решение в соответствии с изобретением имеет невысокую стоимость, а также применимо к схемам измерения сопротивления, для которых не требуется развязки.

Изобретение можно применять для измерения емкостного датчика, если балластный резистор заменить на высококачественную емкость, включенную последовательно. В этом случае емкостной фильтр не сможет использоваться на входах операционных усилителей в усилительных каскадах (блок С и блок Е), проще всего использовать повторитель напряжения с высоким входным импедансом в качестве общего предкаскада для этих блоков и подавать сигнал после фильтрации на выход этого каскада.

Альтернативный способ передачи выходного импульсно-модулированного сигнала к измерительной аппаратуре заключается в том, что вместо оптоизолятора может быть использован компаратор (блок G) с включением дополнительного сопротивления нагрузки параллельно блоку A (DC/DC трансформатор).

Вторичный дополнительный ток, протекающий через сопротивление нагрузки, определяется по возросшей величине тока в первичной обмотке DC/DC трансформатора и может быть обнаружен путем измерения падения напряжения на малом сопротивлении, соединенном с первичной обмоткой. Преимущества этого варианта заключаются в экономичности и долговременной надежности компонентов. Но при этом частота модулированных по ширине импульсов должна быть уменьшена с 40 Гц до 10 Гц, что увеличит быстродействие измерительной аппаратуры.

Вместо кодирования сигнала датчика методом широтно-импульсной модуляции возможно использовать какой-либо другой метод перевода сигнала в цифровую форму.

Формула изобретения

1. Схема измерения сопротивления датчика, содержащая соединительный узел (блок Т) датчика для соединения резистивного датчика (Rx) со схемой (блок D) делителя напряжения, средство (блок С) подачи напряжения (U_D) на схему делителя напряжения, которая содержит сопротивление (R519, R520), последовательно соединенное с датчиком, а также средства (L501, L502, С508, R521, С509) для преобразования напряжения (Ux) на сопротивлении датчика в сигнал (FB_VS) датчика, и средства для обработки и дальнейшей передачи сигнала датчика, отличающаяся тем, что средство (блок С) подачи напряжения на схему (блок D) делителя напряжения выполнено так, чтобы уменьшать подаваемое напряжение (U_D) в зависимости от величины сопротивления (Rx) датчика.

2. Схема измерения по п.1, отличающаяся тем, что средство (блок С) подачи напряжения содержит неинвертируемый усилительный каскад (А501-В, R515, R524) для усиления сигнала (FB_VS) датчика и дифференциальный усилительный каскад (А501-С, R510, R514), который на основе разности между усиленным сигналом датчика, поданным на его инвертируемый (-) вход, и регулируемым опорным напряжением (U_REF), поданным на его неинвертируемый (+) вход, предназначен для передачи напряжения (U_D) на схему (блок D) делителя напряжения.

3. Схема измерения по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержит средства (блок Е) для усиления сигнала (FB_VS) датчика в сигнал напряжения (U_E), генератор (блок F) пилообразного напряжения, компаратор (блок G) для получения кодированного сигнала с помощью широтно-импульсной модуляции в результате сравнения сигнала напряжения (U_E) и выходного напряжения (U_F) генератора пилообразного напряжения, а также средства (блок Н) для дальнейшей передачи импульсно-модулированного сигнала.

4. Способ измерения сопротивления датчика, в котором напряжение (U_D) подают на схему (блок D) делителя напряжения и далее через последовательное сопротивление (R519, R520) на датчик (Rx) сопротивления, при этом напряжение (Ux) на сопротивлении датчика преобразуют в сигнал (FB_VS) датчика, который обрабатывают для дальнейшей передачи, отличающийся тем, что напряжение, подаваемое на схему (блок D) делителя напряжения уменьшают в зависимости от сопротивления (Rx) датчика.

5. Способ измерения сопротивления датчика по п.4, отличающийся тем, что напряжение, поданное на схему датчика уменьшают по существу по логарифмической зависимости от сопротивления (Rx) датчика.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что сигнал (FB_VS) датчика усиливают в сигнал напряжения (U_E), которое сравнивают с пилообразной волной (U_F) для формирования кодированного сигнала методом широтно-импульсной модуляции и его дальнейшей передачи.

РИСУНКИ