УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ СИГНАЛОВ И ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПО ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ Российский патент 2023 года по МПК G01R19/255 G01K7/21 G08C19/02 

Изобретение относится к области измерения и передачи сигналов, в частности - к устройствам для измерения сигналов и передачи их по двухпроводной линии связи с промежуточным преобразованием во временной интервал [G01R21/00, G01K7/00, G08C19/00, H03M1/00, G08C19/16, H03M1/50].

Из уровня техники известна СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ПОДЧИНЕННЫЙ МОДУЛЬ И ГЛАВНЫЙ МОДУЛЬ [US 1127150 (В1), опубл.: 08.03.2022 г.], содержащая подчиненное устройство, сконфигурированное для получения аналогового сигнала, представляющего физическую величину, и генерирования колебательного сигнала на основе аналогового сигнала, причем колебательный сигнал имеет частоту, указывающую значение физической величины; и ведущее устройство, причем подчиненное устройство дополнительно сконфигурировано для приема от ведущего устройства команду на начало подсчета и команду на завершение подсчета, определения количества колебаний между приемом команды на начало подсчета и приемом команды на завершение подсчета колебательного сигнала, отправления на ведущее устройство количества колебаний, а ведущее устройство сконфигурировано для определения цифрового значения физической величины по количеству колебаний и по длительности, разделяющей отправку команды на начало подсчета и отправку команды на прекращение подсчета.

Недостатками указанного технического решения являются отсутствие возможности его использования при измерении и передаче сигналов с информацией о двух величинах, необходимость в котором возникает при измерении двух параметров: основного, например, электродвижущей силы и вспомогательного, например, температуры, а также отсутствие возможности его использования в качестве двухпроводного трансмиттера, передающего сигнал на вторичный прибор через пассивный барьер искробезопасности, необходимость в котором возникает при его применении во взрывоопасных зонах.

Из уровня техники известен, принятый в качестве прототипа, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДВУМЯ КАНАЛАМИ ПЕРЕДАЧИ [RU 2552594 C2, опубл.: 10.06.2015 г.], первый канал передачи, в котором аналоговый измерительный входной сигнал обрабатывается аналоговым способом и формируется в виде обработанного измерительного сигнала, при этом измерительный преобразователь содержит также второй канал передачи, в котором обрабатывается аналоговый измерительный входной сигнал и формируется в виде сигнала модуляции, при этом обработанный измерительный сигнал и сигнал модуляции формируются комбинированно в виде измерительного выходного сигнала.

Основной технической проблемой прототипа является отсутствие возможности его использования при измерении и передаче сигналов с информацией о двух величинах в случаях когда требуется высокая дискретность преобразования, как для первого, так и для второго сигналов, ввиду того, что сигнал модуляции не может иметь частоту, сравнимую с частотой первого обработанного измерительного входного сигнала, а также частотный способ преобразования ограничивает длину линии связи и возможность прохождения сигнала через пассивный барьер искробезопасности по двухпроводным линиям связи, необходимость в котором возникает, например, при его применении во взрывоопасных зонах.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности создания устройства для измерения напряжения сигналов и передачи измеренных значений по двухпроводной линии связи, обеспечивающее его использование в измерительных преобразователях с двумя измеряемыми параметрами, а также во взрывоопасных зонах в качестве двухпроводного трансмиттера.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения напряжения сигналов и передачи измеренных значений по двухпроводной линии связи, содержащее счетчик-делитель на два, формирователь временных интервалов, три аналоговых переключателя, RS-триггер, интегратор, нуль-орган и формирователь токового импульса, причем формирователь токового импульса выполнен с возможностью, в зависимости от управляющего сигнала, увеличения тока потребления устройства и, тем самым, передачи сигналов в виде временных интервалов, несущих информацию о двух измеряемых параметрах, при этом выходы формирователя токового импульса подключены параллельно линии питания и передачи данных, а вход, соединенный с управляющим входом третьего аналогового переключателя, подключен к выходу RS-триггера, первый вход которого подключен к выходу второго аналогового переключателя, первый вход которого подключен к первому выходу формирователя временных интервалов, а второй вход - ко второму выходу формирователя временных интервалов.

В частном случае, второй вход RS-триггера, вход сброса формирователя временных интервалов и счетный вход счетчика-делителя на два объединены между собой и подключены к выходу нуль-органа, вход которого подключен к выходу интегратора.

В частном случае, вход интегратора подключен к выходу третьего аналогового переключателя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а первый вход подключен к выходу первого аналогового переключателя.

В частном случае, к первому входу первого аналогового переключателя подключено первое измеряемое напряжение, ко второму входу - второе измеряемое напряжение, а управляющий вход, соединённый с управляющим входом второго аналогового переключателя, подключен к выходу счетчика-делителя на два.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 представлена структурная схема соединения составных элементов устройства для измерения напряжения сигналов и передачи измеренных значений по двухпроводной линии связи;

На фиг. 2 представлены графики цикла измерения и передачи двух измеряемых сигналов.

На фигурах обозначено:

1 - формирователь временных интервалов; 2 - счетчик-делитель на два; 3 - первый аналоговый переключатель; 4 - второй аналоговый переключатель; 5 - третий аналоговый переключатель; 6 - RS-триггер; 7 - интегратор; 8 - нуль-орган; 9 - формирователь токового импульса; 10 - источник опорного напряжения; 11 - первое измеряемое напряжение; 12 - второе измеряемое напряжение.

Осуществление изобретения.

Заявленная конструкция устройства для измерения напряжения сигналов и передачи измеренных значений по двухпроводной линии связи (см. фиг. 1) содержит формирователь временных интервалов 1, счетчик-делитель на два 2, три аналоговых переключателя (3, 4, 5), RS-триггер 6, интегратор 7, нуль-орган 8, формирователь токового импульса 9, при этом выходы формирователя токового импульса 9 подключены параллельно к линии питания и передачи данных, а вход, соединённый с управляющим входом третьего аналогового переключателя 5, подключен к выходу RS-триггера 6, один из входов которого подключен к выходу второго аналогового переключателя 4, причем первый вход второго аналогового переключателя 4 соединен с первым выходом формирователя временных интервалов 1, а второй - со вторым. При этом второй вход RS-триггера 6, вход сброса формирователя временных интервалов 1 и счетный вход счетчика-делителя на два 2 объединены между собой и подключены к выходу нуль-органа 8, вход которого подключен к выходу интегратора 7, а вход интегратора 7 соединен с выходом третьего аналогового переключателя 5, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения 10, а первый - к выходу первого аналогового переключателя 3. К первому входу первого аналогового переключателя 3 подключено первое измеряемое напряжение 11 (первый входной сигнал), ко второму - второе измеряемое напряжение 12 (второй входной сигнал), а к управляющему входу, соединенному с управляющим входом второго аналогового переключателя 4, подключен выход счетчика-делителя на два 2.

При этом формирователь временных интервалов 1 выполнен с возможностью формирования первого временного интервала Т1, длительность которого определяется временем подключения первого входного сигнала (первого измеряемого напряжения 11), а второй аналоговый переключатель 4, выполнен с возможностью перевода RS-триггера 6 в единичное состояние по окончании временного интервала Т1, причем RS-триггер 6 выполнен с возможностью в этот момент переключения третьего аналогового переключателя 5, в результате чего на вход интегратора 7 подается противоположное по полярности и большее по величине измеряемого напряжения напряжение опорного источника напряжения 10, и происходит разряд интегратора 7 со стабильной и большей скоростью. Формирователь токового импульса 9 выполнен с возможностью (в течение времени разряда) формирования импульса максимального тока с длительностью Ти1.

Нуль-орган 8 выполнен с возможностью (при достижении на выходе интегратора 7 нулевого значения напряжения) выработки сигнала, переводящего в исходное состояние RS-триггер 6 и формирователь временных интервалов 1, а счетчик-делитель на два 2 выполнен с возможностью, в этот момент, перевода в единичное состояние, которое вызывает переключение первого аналогового переключателя 3 на подключение второго входного сигнала (второго измеряемого напряжения 12) и переключение второго аналогового переключателя 4 на подключение второго временного интервала Т2, в результате которого происходит второй цикл измерения с формированием нулевого интервала Т2, длительность которого определяется временем подключения второго входного сигнала (второго измеряемого напряжения 12), и импульса максимального тока с длительностью Ти2.

Устройство для измерения напряжения сигналов и передачи измеренных значений по двухпроводной линии связи используют следующим образом.

Предлагаемый вариант конструкции заявленного изобретения устанавливают в качестве двухпроводного трансмиттера, например, во взрывоопасных зонах и проводят циклы измерений сигналов с их передачей по двухпроводной линии связи.

Цикл измерения начинается с формирования формирователем временных интервалов 1 первого временного интервала Т1, длительность которого определяет время подключения первого входного сигнала -Uвх.1 (11), при этом во время действия первого временного интервала Т1 аналоговые переключатели (3, 4, 5) находятся в положении подключения первого входа, то есть управляющий вход находится в нулевом положении, а RS-триггер 6 имеет выходной сигнал «ноль», формирователь токового импульса 9 выключен, и ток потребления устройства минимален. После чего напряжение на выходе интегратора 7 нарастает со скоростью, соответствующей значению измеряемого первого сигнала. По окончании временного интервала Т1 сигнал с выхода аналогового переключателя 4 переводит RS-триггер 6 в единичное состояние, которое переключает аналоговый переключатель 5, и на вход интегратора 7 подается противоположное по полярности и большее по величине измеряемого напряжения напряжение опорного источника напряжения +Uоп (10). По этой причине происходит разряд интегратора 7 со стабильной и большей скоростью. В течение времени разряда формирователем токового импульса 9 формируется импульс максимального тока с длительностью Ти1. При достижении на выходе интегратора 7 нулевого значения напряжения нуль-орган 8 вырабатывает сигнал, который переводит в исходное нулевое состояние RS-триггер 6 и формирователь временных интервалов 1, при этом счетчик-делитель на два 2 переводится в единичное состояние, которое вызывает переключение аналогового переключателя 3 на подключение второго входного сигнала -Uвх.2 (12) и аналогового переключателя 4 на подключение второго временного интервала Т2. В результате второй части цикла измерения происходит формирование нулевого интервала Т2, идентифицирующего измерение второго измеряемого параметра, и импульса максимального тока с длительностью Ти2. По окончании интервала Ти2 нуль-орган 8 формирует сигнал, приводящий все устройство в исходное состояние.

Поочередное измерение и передача информации о значении двух измеряемых сигналов происходит непрерывно (см. фиг. 2).

Таким образом, технический результат, заключающийся в обеспечении возможности создания устройства для измерения напряжения сигналов и передачи измеренных значений по двухпроводной линии связи, обеспечивающее его использование в измерительных преобразователях с двумя измеряемыми параметрами, а также во взрывоопасных зонах в качестве двухпроводного трансмиттера достигается за счет того, что благодаря своей конструкции с возможностью аналого-цифрового преобразования методом двухтактного интегрирования и одновременной передачи результата преобразования в виде временных интервалов, при этом передача информации в виде импульсов достаточно большой длительности позволяет использовать проводную линию связи практически любой длины в условиях производственных расстояний и не зависит от характеристик применяемого кабеля.

Примером достижения технического результата является создание опытного образца предлагаемой конструкции изобретения, использование которого обеспечило возможность его применения в измерительных преобразователях с двумя измеряемыми параметрами во взрывоопасных зонах в качестве двухпроводного трансмиттера.

Практические результаты с использованием опытного образца предлагаемой конструкции изобретения.

В цикле измерения и передачи передавались два сигнала: U1 и U2.

Циклы повторялись непрерывно. Информативным являлось время (длительность): длительность первого и второго импульсов тока постоянны и равны соответственно t1 = 500 мс и t2 = 250 мс (эти интервалы могут быть другими, в нашем случае использовался кварцевый генератор 32768 Гц и двоичные счетчики, интервалы отличаются друг от друга в два раза).

Время между импульсами пропорционально передаваемым сигналам:

U1 = K1*tu1;

U2 = K2*tu2,

где К1 и К2 - коэффициенты пропорциональности (в нашем случае К2=2К1).

К1 = U0/500 мс,

где U0 - опорное напряжение аналого-цифрового преобразователя.

Разрешение по времени составляет один импульс кварцевого резонатора 32768 Гц.

Один из сигналов пропорционален ЭДС с рН-электрода, второй - температуре анализируемой жидкости (среды).

Изобретение относится к области измерения и передачи сигналов, в частности к устройствам для измерения напряжения сигналов и передачи их по двухпроводной линии связи. Устройство содержит счетчик-делитель на два, формирователь временных интервалов, три аналоговых переключателя, RS-триггер, интегратор, нуль-орган, формирователь токового импульса с возможностью увеличения тока потребления устройства и передачи сигналов в виде временных интервалов, несущих информацию о двух измеряемых параметрах, выходы формирователя токового импульса подключены параллельно линии питания и передачи данных, вход, соединенный с управляющим входом третьего аналогового переключателя, подключен к выходу RS-триггера, первый вход которого подключен к выходу второго аналогового переключателя, первый вход которого подключен к первому выходу формирователя временных интервалов, а второй вход - ко второму выходу формирователя временных интервалов. Технический результат - создание устройства для измерения напряжения сигналов и передачи измеренных значений по двухпроводной линии связи, обеспечивающее его использование в измерительных преобразователях с двумя измеряемыми параметрами, а также во взрывоопасных зонах в качестве двухпроводного трансмиттера. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения напряжения сигналов и передачи измеренных значений по двухпроводной линии связи, содержащее счетчик-делитель на два, формирователь временных интервалов, три аналоговых переключателя, RS-триггер, интегратор, нуль-орган и формирователь токового импульса, отличающееся тем, что формирователь токового импульса выполнен с возможностью, в зависимости от управляющего сигнала, увеличения тока потребления устройства и тем самым передачи сигналов в виде временных интервалов, несущих информацию о двух измеряемых параметрах, при этом выходы формирователя токового импульса подключены параллельно линии питания и передачи данных, а вход, соединенный с управляющим входом третьего аналогового переключателя, подключен к выходу RS-триггера, первый вход которого подключен к выходу второго аналогового переключателя, первый вход которого подключен к первому выходу формирователя временных интервалов, а второй вход - ко второму выходу формирователя временных интервалов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй вход RS-триггера, вход сброса формирователя временных интервалов и счетный вход счетчика-делителя на два объединены между собой и подключены к выходу нуль-органа, вход которого подключен к выходу интегратора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вход интегратора подключен к выходу третьего аналогового переключателя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а первый вход подключен к выходу первого аналогового переключателя.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к первому входу первого аналогового переключателя подключено первое измеряемое напряжение, ко второму входу - второе измеряемое напряжение, а управляющий вход, соединённый с управляющим входом второго аналогового переключателя, подключен к выходу счетчика-делителя на два.