Приемопередатчик интерфейса 4-20ма


 


Владельцы патента RU 2546576:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт программных систем им. А.К. Айламазяна Российской академии наук (ИПС им. А.К. Айламазяна РАН) (RU)

Изобретение относится к технике измерения параметров технологических процессов и дистанционной передачи полученных данных. Техническим результатом является создание надежного простого устройства, выполняющего как функции приемника интерфейса 4-20 мА, так и функции передатчика интерфейса 4-20 мА, с питанием от токовой петли этого интерфейса. Для этого предложен приемопередатчик интерфейса 4-20 мА, содержащий последовательно включенные в токовую петлю приемную часть, состоящую из датчика тока, подключенного к аналого-цифровому преобразователю, параллельный стабилизатор, подключенный к выходу датчика тока, передающую часть, состоящую из источника тока, подключенного к выходу параллельного стабилизатора, и цифро-аналогового преобразователя, управляющего источником тока, управляющий микроконтроллер с внешним питанием или питанием от параллельного стабилизатора для определения конфигурации аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового преобразователя, при этом аналого-цифровой преобразователь и цифро-аналоговый преобразователь подключены к выходу параллельного стабилизатора, а их цифровые интерфейсы непосредственно или через гальваническую развязку подключены к управляющему микроконтроллеру, причем входом приемопередатчика является вход датчика тока, а выходом приемопередатчика является выход источника тока. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технике измерения параметров технологических процессов и дистанционной передачи полученных данных.

Известен передатчик интерфейса 4-20 мА (преобразователь "цифровой код - ток 4-20 мА") с питанием от токовой петли (http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD421.pdf), состоящий из цифро-аналогового преобразователя, датчика тока, последовательного стабилизатора напряжения и управляемого источника тока, подключенного к выходу стабилизатора напряжения и управляемого цифро-аналоговым преобразователем через усилитель сравнения.

Известен также приемник интерфейса 4-20 мА с питанием от токовой петли, являющийся составной частью изолятора интерфейса 4-20 мА (http://www.gdscorp.com/IMAGES/pdfs/GDS51bro.pdf), который состоит из приемника интерфейса 4-20 мА с питанием от токовой петли, гальванической развязки и передатчика интерфейса 4-20 мА, причем приемник подключен к первой токовой петле, а передатчик подключен к второй токовой петле. Данное устройство приемопередатчиком не является, так как его приемник и передатчик подключены к разным токовым петлям.

Известные устройства могут осуществлять либо прием, либо передачу информации с помощью интерфейса 4-20 мА, получая питание от токовой петли этого интерфейса.

В настоящее время неизвестно устройство, способное осуществлять как прием, так и передачу информации по токовому интерфейсу 4-20 мА, то есть выполняющее функции приемопередатчика интерфейса 4-20 мА, с питанием от токовой петли этого интерфейса.

Задачей изобретения является создание надежного простого устройства, выполняющего как функции приемника интерфейса 4-20 мА, так и функции передатчика интерфейса 4-20 мА, с питанием от токовой петли этого интерфейса.

Технический результат заключается в расширении арсенала средств передачи информации по токовому интерфейсу 4-20 мА, упрощении системы приема-передачи информации по токовому интерфейсу 4-20 мА, обеспечении дополнительного контроля величины тока при помощи приемника и защиты приемника от превышения тока при помощи передатчика.

Технический результат достигается тем, что приемопередатчик интерфейса 4-20 мА содержит последовательно включенные в токовую петлю приемную часть, состоящую из датчика тока, подключенного к аналого-цифровому преобразователю, параллельный стабилизатор, подключенный к выходу датчика тока, передающую часть, состоящую из источника тока, подключенного к выходу параллельного стабилизатора, и цифро-аналогового преобразователя, который управляет источником тока, управляющий микроконтроллер с внешним питанием или питанием от параллельного стабилизатора для определения конфигурации аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового преобразователя, при этом аналого-цифровой преобразователь и цифро-аналоговый преобразователь подключены к выходу параллельного стабилизатора, а их цифровые интерфейсы непосредственно или через гальваническую развязку подключены к управляющему микроконтроллеру, входом приемопередатчика является вход датчика тока, а выходом приемопередатчика является выход источника тока.

При этом аналого-цифровой преобразователь может быть подключен к датчику тока через инвертирующий усилитель с питанием от параллельного стабилизатора, причем инвертирующий усилитель предназначен для нормирования сигнала датчика тока к входному диапазону АЦП. Также между источником тока и цифро-аналоговым преобразователем может быть включен усилитель сравнения с питанием от параллельного стабилизатора, причем источник тока и усилитель сравнения охвачены отрицательной обратной связью, устраняющей влияние погрешностей источника тока и усилителя сравнения на выходной ток приемопередатчика интерфейса 4-20 мА.

На фигуре представлена блок-схема приемопередатчика интерфейса 4-20 мА.

Приемопередатчик интерфейса 4-20 мА состоит из последовательно включенных в токовую петлю приемной части 1, параллельного стабилизатора 2 и передающей части 3, а также управляющего микроконтроллера 4 с внешним питанием 5. Приемная часть 1 содержит датчик тока 6, подключенный к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 7. Передающая часть 3 содержит источник тока 8, к входу которого подключен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 9. Параллельный стабилизатор 2 соединен с выходом датчика тока 6 и входом источника тока 8. АЦП 7 и ЦАП 9 подключены к выходу параллельного стабилизатора 2, а их цифровые интерфейсы непосредственно или через гальваническую развязку (на чертеже не показана) подключены к управляющему микроконтроллеру 4.

Входом приемопередатчика является вход датчика тока 6, а выходом - выход источника тока 8.

При этом АЦП 7 может быть подключен к датчику тока 6 через инвертирующий усилитель 10, который нормирует сигнал датчика тока к входному диапазону АЦП. Также между источником тока 8 и ЦАП 9 может быть включен усилитель сравнения 11, причем источник тока 8 и усилитель сравнения 11 охвачены отрицательной обратной связью, устраняющей влияние погрешностей источника тока и усилителя сравнения на выходной ток предлагаемого приемопередатчика. Инвертирующий усилитель 10 и усилитель сравнения 11 получают питание от параллельного стабилизатора 2.

В альтернативном варианте исполнения изобретения микроконтроллер 4 может питаться от параллельного стабилизатора 2. В предлагаемом приемопередатчике интерфейса 4-20 мА используется линейный параллельный стабилизатор.

Приемопередатчик интерфейса 4-20 мА работает следующим образом. При включении приемопередатчика интерфейса 4-20 мА в токовую петлю 12 источник тока 8 открыт, поэтому входной ток обеспечивает падение напряжения на параллельном стабилизаторе 2, достаточное для питания АЦП 7 и ЦАП 9. После включения ЦАП 10 выходной ток приемопередатчика устанавливается на минимальном уровне, который определяется начальным током источника тока 9 и должен быть не меньше тока собственного потребления приемопередатчика. Микроконтроллер 4 конфигурирует АЦП 7 и ЦАП 9.

При работе приемопередатчика в режиме передачи управляющий микроконтроллер 4 записывает в ЦАП 9 значение, соответствующее выходному току, и проверяет ток передачи, считывая данные с выхода АЦП 7. При несовпадении измеренного тока и тока передачи микроконтроллер формирует сигнал ошибки. При этом предлагаемый приемопередатчик работает как обычный передатчик 4-20 мА с питанием от токовой петли.

При работе в режиме приема микроконтроллер записывает в ЦАП значение, соответствующее току, заведомо превышающему диапазон входных токов, например 22 мА для диапазона 4-20 мА. Так как это значение больше тока в токовой петле, то источник тока полностью открывается и не влияет на работу схемы, при этом предлагаемый приемопередатчик работает как обычный приемник 4-20 мА с питанием от токовой петли. Ток токовой петли вызывает падение напряжения на датчике тока и АЦП преобразует его в цифровой вид. Микроконтроллер считывает из АЦП значения, соответствующие току в токовой петле. Однако если ток в токовой петле превысит установленный в ЦАП уровень, то источник тока начинает закрываться и предлагаемый приемопередатчик перейдет в режим ограничения тока, что обеспечивает защиту от неправильного подключения или неисправности передатчика в токовой петле.

Выбор выполняемой функции - прием или передача данных - осуществляется посредством управляющего микроконтроллера путем программной конфигурации.

Если чувствительность или диапазон входных напряжений АЦП не позволяют подключить его непосредственно к датчику тока, то между датчиком тока и АЦП может быть включен инвертирующий усилитель. Еще один усилитель - усилитель сравнения - может быть включен между ЦАП и управляемым источником тока для компенсации нелинейности источника тока и задания начального тока источника тока. В этом случае приемопередатчик работает следующим образом. При включении приемопередатчика интерфейса 4-20 мА в токовую петлю источник тока полностью открыт, поэтому входной ток обеспечивает падение напряжения на параллельном стабилизаторе, достаточное для питания инвертирующего усилителя, усилителя сравнения, АЦП и ЦАП. После включения инвертирующего усилителя и усилителя сравнения начинает работать отрицательная обратная связь с выхода источника тока, и выходной ток приемопередатчика устанавливается на минимальном уровне, который определяется смещением усилителя сравнения и должен быть не меньше тока собственного потребления приемопередатчика. При работе в режиме передачи усилитель сравнения формирует сигнал управления источником тока, сравнивая сигнал с выхода ЦАП и сигнал датчика тока или инвертирующего усилителя. В остальном работа приемопередатчика аналогична описанной ранее.

При работе предлагаемого приемопередатчика в режиме передатчика приемник не влияет на значение формируемого передатчиком тока, но позволяет оперативно контролировать ток передачи, который может отличаться от заданного из-за низкого напряжения питания или повышенного сопротивления проводов токовой петли. При работе предлагаемого приемопередатчика в режиме приемника передатчик нужно сконфигурировать на выдачу тока, несколько превышающего верхнюю границу измеряемого диапазона токов. В результате этого передатчик не будет влиять на ток в токовой петле, пока ток находится в пределах измеряемого диапазоне, и будет ограничивать ток, если он выходит за верхнюю границу измеряемого диапазона. Благодаря этому реализуется автоматическая защита от превышения входного тока, поскольку ток ограничивается на уровне, установленном в передатчике. Таким образом, обеспечивается повышение надежности приемопередатчика интерфейса 4-20 мА.

Объединение функций передачи и приема информации по токовому интерфейсу 4-20 мА в одном устройстве позволяет упростить систему приема-передачи информации по такому интерфейсу, уменьшить номенклатуру компонентов и минимизировать их складские запасы.

1. Приемопередатчик интерфейса 4-20 мА, содержащий последовательно включенные в токовую петлю приемную часть, состоящую из датчика тока, подключенного к аналого-цифровому преобразователю, параллельный стабилизатор, подключенный к выходу датчика тока, передающую часть, состоящую из источника тока, подключенного к выходу параллельного стабилизатора, и цифро-аналогового преобразователя, управляющего источником тока, управляющий микроконтроллер с внешним питанием или питанием от параллельного стабилизатора для определения конфигурации аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового преобразователя, при этом аналого-цифровой преобразователь и цифро-аналоговый преобразователь подключены к выходу параллельного стабилизатора, а их цифровые интерфейсы непосредственно или через гальваническую развязку подключены к управляющему микроконтроллеру, причем входом приемопередатчика является вход датчика тока, а выходом приемопередатчика является выход источника тока.

2. Приемопередатчик по п.1, отличающийся тем, что аналого-цифровой преобразователь подключен к датчику тока через инвертирующий усилитель с питанием от параллельного стабилизатора.

3. Приемопередатчик по п.1, отличающийся тем, что между управляемым источником тока и цифро-аналоговым преобразователем включен усилитель сравнения с питанием от параллельного стабилизатора, причем источник тока и усилитель сравнения охвачены отрицательной обратной связью.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области назначения адресов множеству устройств в сети. Технический результат состоит в обеспечении возможности избегать конфликтов простым и эффективным путем.

Изобретение относится к компьютерной технике. Технический результат - эффективная защита передаваемого контента.

Изобретение относится к области передачи данных в цифровых сетях передачи данных по протоколу TCP/IP через HTTP. Техническим результатом является повышение скорости передачи данных между клиентом и сервером.

Изобретение относится к способу и устройству управления вызовом. Технический результат заключается в уменьшении времени на маршрутизацию.

Изобретение относится к технике радиосвязи. Техническим результатом изобретения является упрощение радиоприемного устройства с автокорреляционным разделением посылок частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для оценки информационных возможностей телекоммуникационных сетей (ТКС) связи, в частности для оценки информационных возможностей узла ТКС.

Изобретение относится к беспроводной связи. Технический результат состоит в разрешении проблемы растущих требований по ширине полосы, необходимой для систем беспроводной связи.

Изобретение относится к устройству и способу для приема сигналов. Технический результат состоит в возможности вычисления среднего значения принятых сигналов для каждой сигнальной точки.

Настоящее изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для организации цифровой связи в системах автоматизированного обмена данными. Технический результат изобретения заключается в повышении помехозащищенности устройства за счет программного динамического формирования узких диаграмм направленности приемных и передающих антенных решеток и направления их главных лепестков на обслуживаемых абонентов.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системах передачи данных, для последовательной передачи данных с адаптивной коррекцией внесенных каналом искажений на приемной стороне.

Изобретение относится к области радиотехники, к области электрической и оптической связи и может использоваться для обработки сигналов в процессе их передачи и приема.

Изобретение относится к инструменту шины и способу для прогнозируемого ограничения энергопотребления в двухпроводной шине. .

Изобретение относится к устройству и способу передачи с потенциальной развязкой сигналов постоянного и переменного токов в обоих направлениях по одному и тому же и единственному, гальванически развязанному каналу.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в технологических процессах. .

Изобретение относится к области автоматики, в частности к дистанционному управлению промышленными процессами. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах обработки, используемых в производственных процессах. .

Изобретение относится к передатчикам параметра производственного процесса. .

Изобретение относится к разделителю прохождения сигналов. Технический результат заключается в упрощении конструкции разделителя прохождения сигналов и уменьшении отказов. Для этого предложен разделитель прохождения измерительных сигналов с мертвым нулем или живым нулем, содержащий: вход (IN) на первичной стороне, выход (OUT) на вторичной стороне, преобразователь (100) постоянного тока для передачи входного тока Iin измерительного сигнала на первичной стороне, выходной каскад (200), содержащий транзистор (Т1), для обеспечения выходного тока Iout измерительного сигнала на вторичной стороне, цепь (400) питания вспомогательной энергией первичной стороны и вторичной стороны, управляющее устройство (300) для обеспечения регулируемого выходного напряжения (UR), при этом вспомогательное напряжение цепи (400) питания вспомогательной энергией регулируется на вторичной стороне управляющим устройство (300) с помощью измерительного устройства (500) на основании выходного напряжения (UR) таким образом, что потеря энергии транзистора (Т1) выходного каскада (200) не зависит от нагрузки (Rb), подсоединенной в рабочем состоянии, при этом измерительное устройство (500) сконфигурировано для определения коллекторного потенциала транзистора (Т1) выходного каскада. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх