CN111295571B - 用于针对差分输入的防雷电设备和改进方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于从传感器采集信号的设备,该设备包括差分放大器、用于偏置测量设备的两个偏置电阻、共模和差模滤波器电路、以及两个雷电限制器组件。差分放大器为“高共模范围”类型,限制器组件的尺寸被确定为将雷电电压降低至约100伏的最大电压值,并且滤波器电路和偏置电阻器的尺寸被确定为承受住该最大电压值。一种用于保护设备免受雷击的相应方法。
Description
技术领域
本发明涉及测量传感器的领域,并且更确切地说,涉及来自传感器的信号的采集。作为示例,传感器可以是运动传感器,诸如线性可变差分变压器(LVDT)类型的无源传感器。
背景技术
用于从传感器采集信号的设备通常包括:
·标准差分放大器,其第一输入端连接到第一线路,并且第二输入端连接到第二线路,第一线路和第二线路各自用于连接到传感器的相应输出端;
·共模和差模滤波器电路,其连接到第一线路和第二线路;以及
·两个偏置电阻,用于偏置传感器,并分别连接到第一线路和第二线路。
由传感器递送的信号通常包括几毫伏到几伏的范围内的电压,并且所使用的差分放大器是适于处理与那些电压对应的信号的标准放大器。对于传感器存在被雷击的风险的应用来说,目前存在两种用于限制导致采集设备故障的雷电的风险的解决方案。
第一种解决方案包括确定滤波器电路的组件的尺寸,以便它们可以承受住雷电波,对其进行滤波,并将放大器输入端处的电压和电流限制在其可以承受的水平,即几伏或数十伏,以及几毫安。然后,滤波器电路包括几十千欧的阻抗,以便减小放大器的输入电流。由于这些高阻抗,布线和电路组件呈现的杂散电容不再可忽略不计,并且这些杂散电容的值在这两条线路之间任何不对称性会导致涉及共模干扰抑制的电路特性的显著降级。此外,用于衰减雷电波所需的滤波器截止频率通常难以与工作需求相协调。此外,滤波器电路的部件是针对高电压来确定尺寸的,这相当大地增加了它们的成本以及它们所占的面积。
第二种解决方案包括在偏置电阻器上游将每条线路连接到限压器组件,这些限压器组件能够将滤波器电路输入端的电压保持在几伏到几十伏量级的最大电压。作为示例,限制器组件可以是Transil类型的瞬态电压抑制器二极管,其吸收过量的电流以便降低电压。因此,用于滤波器电路的组件是不昂贵并且相对较少地干扰采集的标准组件。相反,由于其漏电流和其杂散电容,限制器组件使采集精度降级,干扰故障的检测,如果在上游形成阻抗会使共模抑制比降级,并且使输入阻抗降级(对于直流电(DC)是由于漏电流而对于交流电(AC)是由于杂散电容)。最后,如果传感器呈现电感性阻抗,则这些限制器组件的杂散电容会在测量电路中引起通常不可接受的谐振。第二种解决方案特别在文献“A Designer's Guide to Instrumentation Amplifiers(仪表放大器的设计者指南),Charles Kitchin和Lew Counts,第3版,Analog Devices(模拟器件),www.analog.com/inamps中有描述,该文献包括有关保护包含差分放大器的采集电路的章节。
发明内容
本发明的目的是为了提供用于保护测量采集设备免于雷击而不会使其性能降级的装置。
为此,本发明提供了一种用于从传感器采集信号的设备,该设备包括:
·具有第一输入端和第二输入端的差分放大器,其第一输入端连接到第一线路,并且第二输入端连接到第二线路,第一线路和第二线路各自用于连接到传感器的相应输出端;
·两个偏置电阻,用于偏置测量设备,并分别连接到第一线路和第二线路;
·共模和差模滤波器电路,其连接到第一线路和第二线路;以及
·两个雷电限制器组件,其分别连接到第一线路和第二线路。
差分放大器属于“高共模范围”类型,取决于制造商和型号,该放大器接受几百伏的输入电压,通常约在100伏到500伏的范围中。以如下方式来选择这样的运算放大器:限制器组件的尺寸被确定为将雷电电压限制为该最大值。滤波器电路和偏置电阻器的尺寸应能承受受限电压的最大值。虽然,给定要被测量的电压和输入到电路的电压,选择常规类型的差分放大器是可能的,但是在本发明中,选择了“高共模范围”类型的放大器,以限制在雷击的情况下必需的电压限制的量。具体地,通过背离“高共模范围”类型的放大器的传统使用,创建了可能被雷击的类型的采集电路,其中约为100伏特的量级的最大电压在放大器的输入端处是可接受的成为可能,从而使得减少电压限制期间消耗的能量,从而降低电压限制的功率。间接地,由于电压限制器,这也对杂散干扰值具有有益的影响。具体地,限制器组件的杂散电容和漏电流与限制器组件的功率成正比,并且与限制器组件的限制电压成反比。通过增加限制电压并通过降低限制器组件的功率,将那些杂散电容和电流减小到较低的值,并且不会进一步使电路的性能降级是可能的。阻抗和共模和差模滤波器的特性不会受到限制器组件的存在的影响。
本发明还提供了一种为用于从传感器采集信号的设备提供雷电保护的方法,该设备包括各自用于连接到传感器的相应输出端的第一线路和第二线路、用于对测量设备进行偏置的两个偏置电阻器、以及分别连接到第一线路和第二线路的两个雷电限制器组件、以及分别连接到第一线路和第二线路的共模和差模滤波器电路。该方法包括以下步骤:
·使用“高共模范围”类型的差分放大器来代替和替换常规的差分放大器,将差分放大器的第一输入端连接到第一线路,并将第二输入端连接到第二线路;以及
·确定限制器组件的尺寸,以将雷电电压降低到约100至300伏的最大电压值,并将滤波器电路和偏置电阻器的尺寸确定为承受住该最大电压值。
在阅读了下面的对本发明的特定、非限制性实施例的描述之后,本发明的其他特征及优点将变得显而易见。
附图说明
参照唯一的附图,该附图是本发明的采集设备的示意图。
具体实施方式
参考该图,用于从传感器100采集信号的设备1包括差分放大器10、滤波器电路20、偏置电路30和保护电路40。
差分放大器10具有第一输入端和第二输入端,第一输入端连接到第一线路11.1,而第二输入端连接到第二线路11.2。第一线路11.1将传感器100的第一输出端连接到放大器10的第一输入端,并且第二线路将传感器100的第二输出端连接到放大器10的第二输入端。
放大器10是“高共模范围”类型的。
滤波器电路20被布置为以共模和差模提供滤波,以便在不使有用频带中的测量精度降级的情况下减少高频干扰。滤波器电路20包括:
·在第一线路11.1和第二线路11.2的每一者上,首先连接到放大器10的第一电阻器21.1、21.2,并且其次连接到采集设备1的相应输入端的第二电阻器22.1、22.2;
·第一电容器23,其在第一电阻器21.1、21.2和放大器10之间将第一线路11.1连接到第二线路11.2;以及
·第二电容器24,其第一端子在第一电阻器21.1与第二电阻器22.1之间连接到第一线路11.1,并且第二端子连接到第三电容器25的第一端子,第三电容器25的第二端子在第一电阻器21.2与第二电阻器22.2之间连接到第二线路11.2。
第二电容器24的第二端子和第三电容器25的第一端子一起被连接至接地。
偏置构件30包括在第二电阻器22.1上游将第一线路11.1连接到接地的偏置电阻器31.1,以及在第二电阻器22.2上游将第二线路连接到接地的偏置电阻器31.2。
保护电路40包括:
·雷电限制器组件40.1,其在偏压构件30与传感器100之间将第一线路11.1接地;以及
·雷电限制器组件40.2,其在偏置构件30与传感器100之间将第二线路11.2接地。
作为示例,限制器组件40.1、40.2可以是Transil类型的瞬态电压抑制器二极管,其吸收过量的电流以便降低电压。取决于所使用的组件,组件40.1、40.2的尺寸被确定为将雷电电压限制在刚好足以符合可由“高共模范围”放大器以及由电路的滤波器和偏置组件能承受的最大电压的值,即约为100至300伏。限制到较低的电压将无法使得受益于为限制器组件获得的杂散电容和电流值的减小成为可能。限制到更高的电压将要求滤波器组件尺寸过大,但又不会受益于这些杂散干扰值的任何有意义的额外降低。
因此,本发明还涉及一种为用于从传感器采集信号的设备提供雷电保护的方法,该设备包括各自用于连接到传感器的相应输出端的第一线路和第二线路、用于偏置测量设备的两个偏置电阻器、以及分别连接到第一线路和第二线路的两个雷电限制器组件、以及连接到第一线路和第二线路的共模和差模滤波器电路。该方法包括以下步骤:
·使用“高共模范围”类型的差分放大器来代替和替换常规的差分放大器,将差分放大器的第一输入端连接到第一线路,并将第二输入端连接到第二线路;以及
·确定限制器组件的尺寸,以将雷电电压降低到约100到300伏的最大电压值,并将滤波器电路和偏置电阻器的尺寸确定为承受住该最大电压值。
当然,本发明不限于所描述的各实施例,而是涵盖来自如由权利要求书限定的本发明的范围内的任何变型。
特别地,只要其满足权利要求中给出的定义,该设备就可以与所描述的设备相比呈现出差异,例如,关于组件的数量。
选择在限制之后具有大约在约100伏到大约300伏范围中的任何最大电压的组件是可能的。最大电压可以在150伏到200伏的范围中,或者它可以等于大约200伏。
Claims (7)
1.一种用于从传感器采集信号的设备,所述设备包括:
·具有第一输入端和第二输入端的差分放大器,其第一输入端连接到第一线路,并且第二输入端连接到第二线路,所述第一线路和所述第二线路各自用于连接到所述传感器的相应输出端;
·共模和差模滤波器电路,其通过所述第一线路和所述第二线路连接到所述差分放大器;
·第一偏置电阻器,用于偏置测量设备,并且通过所述第一线路连接到所述共模和差模滤波器电路,以及第二偏置电阻器,用于偏置测量设备,并且通过所述第二线路连接到所述共模和差模滤波器电路;以及
·第一雷电限制器组件,其通过所述第一线路连接到所述第一偏置电阻器,以及第二雷电限制器组件,其通过所述第二线路连接到所述第二偏置电阻器;
所述设备的特征在于,所述差分放大器为“高共模范围”类型,其中所述限制器组件的尺寸被确定为将雷电电压降低至100到300伏的最大电压值,并且其中所述滤波器电路和所述偏置电阻器的尺寸被确定为承受住所述最大电压值。
2.如权利要求1所述的设备,其特征在于,所述滤波器电路包括:
·在所述第一线路和所述第二线路的每一者上,首先连接到所述放大器的第一电阻器,以及其次连接到用于采集信号的所述设备的相应输入端的第二电阻器;
·第一电容器,其在所述第一电阻器与所述放大器之间将所述第一线路连接到所述第二线路;以及
·第二电容器,其第一端子在所述第一电阻器与所述第二电阻器之间连接到第一线路,并且第二端子连接到第三电容器的第一端子,所述第三电容器的第二端子在所述第一电阻器与所述第二电阻器之间连接到所述第二线路,所述第二电容器的所述第二端子和所述第三电容器的所述第一端子接地。
3.如权利要求1或权利要求2所述的设备,其特征在于,所述最大电压值位于150伏到200伏的范围中。
4.如权利要求3所述的设备,其特征在于,所述最大电压值为200伏。
5.一种为用于从传感器采集信号的设备提供雷电保护的方法,所述设备包括各自用于连接到所述传感器的相应输出端的第一线路和第二线路、通过所述第一线路连接到所述传感器的第一雷电限制器组件和通过所述第二线路连接到所述传感器的第二雷电限制器组件、用于对测量设备进行偏置并且通过第一线路连接到所述第一雷电限制器组件的第一偏置电阻器、和用于对测量设备进行偏置并且通过所述第二线路连接到所述第二雷电限制器组件的第二偏置电阻器、以及通过所述第一线路和所述第二线路连接到所述第一偏置电阻器和所述第二偏置电阻器的共模和差模滤波器电路,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
·使用“高共模范围”类型的差分放大器来代替和替换常规的差分放大器,将所述“高共模范围”类型的差分放大器的第一输入端连接到所述第一线路,并将第二输入端连接到所述第二线路;以及
·确定所述限制器组件的尺寸,以将雷电电压降低到100至300伏的最大电压值,并将所述滤波器电路和所述偏置电阻器的尺寸确定为承受住所述最大电压值。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述最大电压值位于150伏到200伏的范围中。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述最大电压值为200伏。
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