IT8448654A1 - Circuito bifilare con campo regolabile - Google Patents
Circuito bifilare con campo regolabileInfo
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- IT8448654A1 IT8448654A1 ITRM1984A048654A IT4865484A IT8448654A1 IT 8448654 A1 IT8448654 A1 IT 8448654A1 IT RM1984A048654 A ITRM1984A048654 A IT RM1984A048654A IT 4865484 A IT4865484 A IT 4865484A IT 8448654 A1 IT8448654 A1 IT 8448654A1
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- G08C19/00—Electric signal transmission systems
- G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage
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Description
DOCUMENTAZIONE
RILEGATA
J\ SIB 85079
\ ?+8654 &84 RII.13-0521-Italy I DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:
"CIRCUITO BIFILARE CON CAMPO REGOLABILE"
della ditta statunitense
ROSEMOUNT INC.
con sede in EDEN PRAIRIE, Minnesota (U.S.A.)
RIASSUNTO
Viene illustrato un circuito bifilare che presenta un segnale di corrente totale continua, tt , proporzionale ad un segnale di sensore che ? rispondente ad un parametro da rilevare. It passa attraverso un primo terminale che ? accoppiato ad una sorgente di potenza e ad un carico esterni e poi attraverso un secondo terminale. Un regolatore di corrente ? accoppiato al sensore ed ai capi del primo e secondo terminale per regolazione di It. Un amplificatore retroazionato amplifica un segnale di retroazione che ? rispondente a It fornendo un segnale amplificato di retroazione. Una regolazione di campo ? collegata all'amplificatore retroazionato ed al regolatore di corrente per ricevere il segnale amplificato di retroazione regolando il segnale amplificato di retroazione in modo che It ? controllato dal regolatore di corrente in funzione del segnale di sensore e del segnale regolato e amplifica
to di retroazione.
DESCRIZIONE
FONDAMENTO DELL'INVENZIONE
La?presente?invenzic .rcuito bifilare e pi? in particoilare un circuito bifilare avente regolazione di campo in un anello retroazionato di controllo di corrente totale-
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
Un circuito bifilare presenta un segnale di corrente totale continua It rappresentativo di un segnale di sensore che ? rispondente ad un parametro da rilevare. I-t passa attraverso un primo terminale collegato ad una sorgente di potenza e ad un carico esterni e poi attraverso un secondo terminale. Un mezzo di regolazione di corrente ? collegato al primo ed al secondo terminale ed al sensore per regolare una componente variabile di 1-j-, la quale componente ? rispondente al parametro da rilevare. Un mezzo ad amplificatore retroazionato amplifica un segnale di retroazione rappresentativo di i-j- fornendo un segnale amplificato di retroazione. Mezzi di campo collegati al mezzo ad amplificatore retroazionato ricevono -il segnale amplificato di retroazione e regolano il segnale amplificato di retroazione nel modo desiderato per cui It viene regolato dai mezzi di regolazione di corrente in funzione almeno del segnale di sensore e del segnale amplificato regolato di retroazione^ Un mezzo di sommatura ? collegato al -sensore-ed-ai mezzi di?campo per sommare"?? segnale di sensore ed il segnale regolato amplificato di retroazione fornendo un segnale sommato ai mezzi di regolazione di corrente.
Nella realizzazione preferita, l'amplificatore retroazionato ? costituito da un amplificatore operazionale retroazionato. I mezzi di campo sono un potenziometro collegato all?uscita dell'amplificatore il quale regola il segnale amplificato di retroazione. Poich? uno dei segnali sommati in corrispondenza del sommatore ? variato* i mezzi di regolazione di corrente regolano allora la porzione variabile It in modo che il campo di segnale di sensore ? una funzione del segnale regolato amplificato di retroazione. In maniera efficace poi il segnale ' di sensore viene espanso fino ad una desiderata corrente continua.
Un vantaggio di regolare il segnale amplificato di retroazione invece di regolare il segnale di retroazione per ottenere controllo di campo di segnale di sensore ? che il segnale di retroazione presenta un campo stabile che non varia con la regolazione di campo del segnale di sensore. Gli scarti d'ingresso dell?amplificatore retroazionato nonch? coefficienti di deriva e di temperatura presentano una relazione . - - sostanzia Imen te'? ripe trbxlre ~ e~f'i'3s_a~ idn iT?se g hai e stabile di retroazione. Quando, come in circuiti della tecnica anteriore, il segnale di retroazione viene regolato prima dell'amplificazione per ottenere controllo di campo, ne risultano segnali pi? piccoli di retroazione quando il campo viene ridotto. Di conseguenza L scarti di amplificatore retroazionato nonch? coefficienti di deriva e.di temperatura non presentano una relazione fissa con il segnale di retroazione quando il campo viene regolato e sostanzialmente influiscono sull'amplificazione del segnale di retroazione per segnali bassi di retroazione. In questo modo, nel presente circuito, la relazione fissa di scarti di amplificatore retroazionato,coefficienti di deriva q di temperatura rispetto al segnale di retroazione, aumenta la precisione del circuito per differenti campi di segnale di sensore.
Un altro vantaggio della presente invenzione, risultante dal segnale stabile di retroazione rispetto a It, ? che per un preciso funzionamento del circuito si richiede meno segnale di retroazione. Poich? il segnale di retroazione non varia quando viene variata l'ampiezza di segnale del sensore, il segnale di retroazione viene ridotto ad un livello di segnale ancora sufficiente per funzionamento preciso del circuito. La riduzione nel segnale di retroazione riduce le esigenze totali di tensione del circuito bifilare consentendo l'impiego di un'alimentazione di potenza praticamente non superiore ^ 10 volte, permettendo lunghi conduttori dalla sorgente di potenza oltre al simultaneo impiego di dispositivi multipli di uscita.
BREVE DESCRIZIONE DEL DISEGNO
L'unica figura ? una rappresentazione schematica di un circuito bifilare avente un campo regolabile ottenuto secondo la presente invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA REALIZZAZIONE PREFERITA
Nell'unica figura il circuito bifilare ? indicato genericamente in 10. Descrivendo genericamente il funzionamento del circuito 10, un sensore 12 per esempio un sensore capacitivo come mostrato nel brevetto USA 4370 890 di Frick fornisce un segnale di sensore rispondente ad un parametro rilevato, ad esempio pressione, su una linea 14 ad un sognatore o nodo 18.-Il nodo sommatore 18 ? mostrato integrale con ed ? accoppiato ad un mezzo di regolazione di corrente indicato in 20 da una linea 21. Il mezzo 20 di regolazione di corrente controlla una porzione di
una corrente totale continua It in funzione di segnali presenti al nodo sonunatore 18. Una corrente tota-l-e~It'?pass priuro termina1'e?2'2~ett?uO econdo terminale 24. 1^. ? rappresentativo del segnale di sensore sulla linea 14. L'energia per il circuito viene prelevata da una sorgente esterna 28 collegata tra il primo terminale 22 ed il secondo terminale 24. Un carico esterno 30, ad esempio un dispositivo di lettura, ? collegato tra la sorgente 28 di energia ed il primo terminale 22. Una porzione di It ? un segnale di corrente di retroazione che viene retroalimentato, tramite unaconnessione 32 in comune di circuito del dispositivo 20 di regolazione di corren- t te, ad una connessione 34 in comune di circuito di un amplificatore retroazionato 38. L'amplificatore retroazionato 38 fornisce un segnale amplificato di retroazione su una linea 40 ad un dispositivo di regolazione di campo chiamato regolazione 42 ii campo.
La regolazione 42 di campo di preferenza ? un potenziometro 43 attraverso il quale il segnale amplificato di retroazione passa al comune di circuito tramite il connettore 45 ed un cursore 44 fornendo in questo modo un segnale regolato, amplificato di retroazione al nodo sonunatore 18. Il nodo sommatore 18 somma almeno il segnale di sensore sulla linea 14 ed il segnale regolato, amplificato di retroazione proveniente dal cursore 44 fornendo un segnale sommato sulla linea 21. La regolazione 42 di campo regol?L unica-_ _ mente il segnale amplificato di retroazione e non il segnale di sensore. Il regolatore 20 di corrente regola poi It rispondente al segnale sommato.
Pi? dettagliatamente l'amplificatore retroazionatp 38 comprende inoltre un amplificatore operazionale retroazionato 48 avente un primo ingresso 50, un secondo ingresso 52 ed una uscita 54. Il primo ingresso 50 dell'amplificatore retroazionato 48*? collegato mediante una linea 58 alla connessione 34 di comune di circuito per ricevere il segnale di retroazione. Il segnale di corrente di retroazione passa attraverso la linea 58^attraverso ad un resistore retroazionato 60 fornendo in questo modo un segnale di tensione di retroazione al secondo ingresso 52 dell'amplificatore retroazionato 48 che ? collegato ad una linea 64 e ad una linea 62. La linea 64 ? collegata aduna, rete di sottrazione di corrente costituita da resistor! 66, 68 e 70. I resistori 68 e 70 sono collegati tra la linea 64 e rispettivamente una coppia di riferimenti. Il resistore 66 ? collegato tra la linea . 64 e la linea 62. Il segnale di corrente di retroazione attraverso il resistore 60 ed una corrente sottratta tramite il resistore 66 si combinano sulla linea 62. La linea 62 ? collegata, tramite - un-diodo?72 a?~polarizzazione diretta/'al?primo terminale 22. It ? di preferenza un segnale di corrente continua di 4-20 milliampere. Altri segnali di standard industriale, come ad esempio segnale da 10-50 milliampere, rientrano nell'ambito della presente invenzione. In regolazione,la tensione in corrispondenza del primo ingresso 50 e del secondo ingresso 52 dell'amplificatore retroazionato 48 vengono ottenute sostanzialmente uguali. Per esempio, quando ? 4 milliampere si desidera che il segnale di retroazione poco oppure per niente amplificato sia presente alla uscita 54 dell'amplificatore retroazionato 48. I resistor! 68 e 70 in combinazione con le loro ?rispettive tensioni di riferimento funzionano per egualizzare le tensioni ai capi dei resistor! 60 e 66 alimentando una corrente tarata attraverso il resistore 66. Quando aumenta il segnale di sensore, I-t aumenta in risposta ad esso in modo che pi? corrente passa dalla connessione 44 di comuh? di circuito attraverso il resistore retroazionato 60. Un resistore retroazionato amplificatore 72 ? collegato tra l'uscita 54 ed un secondo ingresso 52 dell'amplificatore retroazionato 48 fornendo un corrispondente aumento nella tensione ai capi del resistore 66. La corrente di 4 milliampere viene ancora sottratta in modo che l'amplificatore retroazionato 38 fornisce un segnale di retroazione sulla linea 40 rispondente al segnale di sensore.
Il mezzo di regolazione di corrente comprende un amplificatore 80 di regolazione avente un primo ingresso 82, un secondo ingresso 84 ed una uscita 88. Ilprimo ingresso 82 ? collegato ad una connessione 90 di comune di circuito. Il secondo ingresso 84 ? collegato, mediante una linea 92 attraverso un condensatore 94, alla uscita 88 dell'amplificatore 80 di regolazione su una linea 98. La linea 92 collega pure il secondo ingresso 84 dell'amplificatore 80, tramite un *. resistore 112 ed un potenziometro 114, alnodo sommatore 18. Un cursore 118 di potenziometro 114 ? collegato, tramite un condensatore 120, al cursore 44 del potenziometro 42 di regolazione di campo.Il cursore 44 ? collegato alnodo sommatore 18 tramite un resistore 121. Il condensatore 120, il potenziometro 114, il resistore 112 ed il condensatore 94 forniscono un filtro regolabile per aggiustare la costante di tempo del circuito IO come desiderato in risposta a segnali variabili di sensore.
Il nodo sommatore 18 ? pure collegato tramite una linea 122 ad un circuito di azzeramento comprendente un resistere 124 collegato al cursore 126 di un potenziometro 128. Il potenziometro 128 di preferenza presenta una prima estremit? 130 collegata ad un ri-- f erimento positivo- ed u na~ second a- est r entit? 132 cdTT?gata ad un riferimento negativo in modo che alnodo somm?tore 18 pu? venire alimentata corrente positiva oppure negativa come desiderato.
L'amplificatore 80 di regolazione di corrente fornisce un segnale di regolazione di corrente sulla linea 98, tramite un resistere 134 limitatore di carico ad un circuito di regolazione di corrente costituito di preferenza da una coppia Darlington di transistori 136 e 138. Il transistore 136 ha una base 140, un collettore 142 ed un emettitore 144. Il transisto- t re 138 ha una base 148, un collettore 150 ed un emettitore 152. La base 140 del transistore 136 ? collegata al segnale di regolazione di corrente sulla linea 98. Il collettore 142 del transistore 136 ? col-' legato ad una linea 154 che ? collegata al collettore 150 del transistore 138 ed ? pure collegata al secondo terminale 24 tramite un diodo 156 a polarizzazione diretta. L'emettitore 144 del transistore 136 e la base 148 del transistore 138 sono collegati mediante una linea 158. La linea 158 ? collegata ad un resistore 160 il quale a sua volta ? collegato, mediante una linea 158A, all'emettitore 152 del transistore 138.La linea 158A ? pure collegata, attraverso un resistore 162 limitatore di corrente, al connet-_ tore -32?d-i-comune di circuitrov Una~~p'?rz?one proveniente dal secondo terminale 24, passa attraverso il diodo 156 fino alla linea 154 dove una ulteriore porzione I?- passa nel collettore 142 del transistore 136 ed un'altra porzione ancora It.passa nel collettore 150 del transistore 138. Il rimante It entra in un regolatore 164 di tensione che fornisce tensioni regolate per funzionamento di circuito. Il regolatore 164 di tensione ? collegato al comune di circuito tramite una connessione 166 di comune di circuito.
Il segnale di sensore sulla linea 14, in una realizzazione, ? un segnale raddrizzato che rappresenta pressione, il segnale di sensore avendo un valore di campo inferiore ed un valore di campo superiore ed un'ampiezza di segnale di sensore definita come differenza tra i valori superiore ed inferiore di campo. Il mezzo 20 di regolazione di corrente regola una porzione di Ifc in modo che It varia in risposta all'intera ampiezza di segnale di sensore nel campo desiderato, per esempio un campo di 4-20 milliampere od altro campo accettabile. In base al segnale sommato, il mezzo di regolazione di corrente regola It in modo che I?- ? 4 milliampere quando il segnale di sensore si trova nel suo-valore inferiore di campo e It ?
20 milliampere quando il segnale di sensore si trova nel suo valore superiore di campo. L'aggiustamento del cursore 44 del potenziometro 43 varia il segnale sommato sulla linea 21 in modo di selezionare il valore superiore di campo. L'aggiustamento del cursore 126 del potenziometro 128 varia il segnale sommato in modo che entrambi i valori superiore ed inferiore di campo vengono selettivamente variati in modo sostanzialmente uguale. Pertanto il potenziometro 43 ? un aggiustamento indipendente d.'ampiezza di segnale , di sensore mentre il potenziometro 128 ? un aggiustamento indipendente di zero di segnale di sensore.
Un vantaggio della presente invenzione deriva dal fatto di avere un segnale- di retroazione ai capi del resistore retroazionato 60 che ? lo stesso per date correnti totali I-j- indipendentemente dall'ampiezza di segnale di sensore. Quando il segnale di retroazione ? aggiustato prima dell'amplificazione per aggiustare l'ampiezza di segnale di sensore, il segnale di retroazione viene apprezzabilmente diminuito per minori ampiezze di segnale di sensore in modo che gli scarti di amplificatore retroazionato 48, coefficiente di temperatura e rumore sono importanti a confronto del segnale ridotto di retroazione con il risultato di perdita di precisione. La presente-invenzione aggiusta il segnale amplificato di retroazione sulla linea 40 invece di aggiustare il segnale di retroazione che non ? stato amplificato in modo che il segnale di retroazione rimane grande a confronto degli scarti di amplificatore retroazionato 48, coefficiente di temperatura e rumore. Di conseguenza il segnale amplificato di retroazione ed il segnale amplificato aggiustato di retroazione sono pi? precisi e di conseguenza forniscono un segnale pi? preciso di regolazione al mezzo 20 di regolazione di corrente.
4 Un altro vantaggio che proviene dall'aggiustamento del segnale di retroazione amplificato a differenza dell'aggiustamento del segnale di retroazione ? che non essendo il segnale di retroazione ridotto quando varia l'ampiezza di segnale di sensore, il segnale di retroazione pu? venire diminuito globalmente riducendo la resistenza del resistore retroazionato 60 ed aumentando l'amplificazione dell'amplificatore retroazionato 48mediante diminuzione della resistenza del resistore 66. Si ? trovato che, poich? il segnale di retroazione non diminuisce quando diminuisce . l'ampiezza di segnale di sensore,il segnale di retroazione pu? venire diminuito globalmente senza influire in modo apprezzabile sulla precisione del circuito 10. Il risultante vantaggio ? una riduzione nelle richieste sorgenti di potenza da 12 volt a non sostanzialmente oltre 10 volt. Questo risultato non ? stato finora ottenuto con prestazione tecnicamente accettabile. Questo risultato viene meglio visto dal seguente esempio in cui i valori dei componenti di circuito 10 comprendono:
Resistore 68 600.000 ohm regol.fine 4:1 Resistore 70 379.000 ohm
Resistore 72 1 5 , 800 ohm
Resistore 66 10.000 ohm
Resistore 60 50 ohm
Potenziometro 43 2 ,000 ohm
Resistore 121 30,100 ohm Condensatore 120 2 microfarad Potenziometro 114 500.000 ohm
Resistore 124 63,600 ohm Potenziometro 128 50.000 ohm
Resistore 112 10.000 ohm Condensatore 94 0,001 microfarad Amplificatore LM 246
retroazionato 48
primo ingresso 50 ingresso non invertente secondo ingresso 52 Ingresso invertente Amplificatore di regola- LM 246
zione 80 _ _ _ _
primo ingresso 82 Ingresso non invertente secondo ingresso 84 Ingresso invertente Resistore 134 4 .700 ohm Transistorer 136 2N5551
Transistore 138 MJE340
Resistore 160 10 .OOO ohm
Resistore 162 249 ohm
Diodo 156 IN4004
Diodo 72 1N4002
Carico 30 250 ohm
.Rintracciando le cadute di pressione dal secondo terminale 24 al primo terminale 22 dove It ? 20 milliampere ha luogo una caduta di tensione di 0,7 volt ai capi del diodo 156. Il regolatore 164 di tensione fornisce 7 volt al comune di circuito con una caduta interna di 0,2 volt. Rintracciando il comune 34 di circuito fino al primo terminale 24, con It a
20 milliampere, la caduta di tensione attraverso il resistore 60 ? all?incirca 1 volt ed una ulteriore caduta di tensione di 0,7 volt si verifica ai capi del diodo 72. Il resistore 30 di carico a 250 ohm riduce ulteriormente la tensione di 5 volt per una
caduta totale di 7,6 volt. Il vantaggio di una caduta di soltanto 7,6 volt ? che un altro mezzo di lettura pu? venire collegato al circuito 10. Anche li-- nee di alimentarzicme^sostanzialmentlT pi'?rTuhgh??non influiranno negativamente sulla prestazione del circuito 10 adoperando alimentazione di tensione industriali standard.
RIVENDICAZIONI
1. Circuito bifilare avente un segnale totale in corrente continua 1^ una porzione almeno del quale ? rappresentativa di un segnale di sensore e che ? rispondente ad un parametro da rilevare, in cui 1^ attraversa un primo terminale collegato ad una sorgente ? di energia ed un carico esterni e poi un secondo terminale, ed in cui il circuito comprende:
mezzi di regolazione di corrente collegati al primo ed al secondo terminale ed al sensore per regolare la porzione It rappresentativa del segnale di sensore;
mezzi di retroazione collegati ai mezzi di regolazione di corrente per fornire un segnale di retroazione che ? una funzione di 1^;
mezzi ad amplificatore retroazionato collegati ai mezzi di regolazione di corrente per amplificare il segnale di retroazione onde fornire un segnale di retroazione amplificato; e
mezzi di campo accoppiati ai mezzi di amplificatore retroazionato ed ai mezzi di regolazione di corrente unicamente per regolare~T? segnale amplificato di retroazione in modo che It ? regolato dai mezzi di regolazione di corrente almeno in funzione del segnale di sensore e del segnale di retroazione regolato e amplificato.
2. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi di regolazione di corrente comprendono;
mezzi di sommatura collegati al sensore ed ai mezzi di campo per sommare il segnale di sensore ed il segnale di retroazione regolato ed amplificato.
3. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui ? i mezzi di sommatura forniscono un segnale sommato, il segnale sommato essendo la somma di almeno il segnale di sensore e il segnale di retroazione regolato e amplificato.
4. Circuito secondo la rivendicazione 3, in cui i mezzi di regolazione di corrente regolano almeno una porzione di I-j- in funzione del segnale sommato.
5. Circuito secondo la rivendicazioine 4, in cui il segnale di sensore presenta un campo che ? funzione del segnale sommato.
6. Circuito secondo la rivendicazione 5, in cui i mezzi di regolazione di corrente regolano almeno una porzione It per cui il segnale di sensore viene espanso ad un livello desiderato.
7. Circuito secondo la rivendicazione l,in cui -?~mezzi ad"ampri^ cator?^retroazzonato-comprendono : un primo amplificatore avente un ingresso per ricevere il segnale di retroazione ed un'uscita per fornire il segnale di retroazione amplificato.
8. Circuito secondo la rivendicazione 7, in cui i mezzi ad amplificatore comprendono inoltre:
un primo mezzo ad impedenza collegato all'ingresso del primo amplificatore e ad 1^ per fornire il segnale di retroazione in funzione dell'impedenza di detto primo mezzo ad impedenza per quanto l'impedenza riguarda It.
9. Circuito secondo la rivendicazione 8, in cui l'impedenza del primo mezzo ad impedenza ? scelta in modo tale che il circuito ? operativo quando la sorgente di potenza ? non sostanzialmente minore di 10 volt.
10. Circuito bifilare avente un segnale totale I, in corrente continua,una porzione almeno del quale ? rappresentativa di un segnale di sensore che ? rispondente ad un parametro da rilevare, in cui I attraversa un primo terminale collegato ad una sorgente di energia e ad un carico esterni e poi un secondo terminale, ed in cui il circuito comprende:
mezzi di regolazione di corrente collegati al primo ed al secondo terminale ed al sensore per regolare la porzione di I rappresentativa del segnale di seri'sor?-; ~
mezzi a retroazione collegati ai mezzi di regolazione di corrente per fornire un segnale di retroazione che ? una funzione di I;
mezzi ad amplificatore retroazionato collegati ai mezzi di regolazione di corrente per amplificare il segnale di retroazione rappresentativo di I onde fornire un segnale amplificato di retroazione; e mezzi di campo collegati ai mezzi ad amplificatore retroazionato ed ai mezzi di regolazione di corrente per ricevere il segnale di retroazione amplificato e regolare il segnale di retroazione amplificato; e mezzi di sommatoria collegati al sensore ed ai mezzi di campo per sommare il segnale di sensore ed il segnale di retroazione amplificato onde fornire un segnale sommato ai mezzi di regolazione di corrente in modo che I ? regolato dai mezzi di regolazione di corrente in funzione del segnale sommato.
11. Circuito secondo la rivendicazione IO, in cui i mezzi di campo regolano soltanto il segnale di retroazione amplificato.
12. Circuito secondo la rivendicazione 11 comprendente inoltre:
mezzi collegati ai mezzi di sommatoria per fornire un segnale di azzeramento ai mezzi di sommatoria, il segnale ?sommato^essendo la somma di almeno il segnale di sensore, il segnale di retroazione regolato e amplificato e il segnale di azzeramento.
13. Circuito secondo la rivendicazione 12, in cui il segnale di sensore presenta uno zero che ? funziopne del segnale sommato.
14. Circuito secondo la rivendicazione 13, in cui il segnale di sensore presenta un campo che ? funzione del segnale sommato.
15. Circuito secondo la rivendicazione 14, in cui i mezzi di regolazione di corrente regolano almeno una / porzione di I tale che il segnale di sensore ? allargato ed azzerato ai livelli desiderati,
p.p. ROSEMOUNT INC.
Gilberto Tonon
(Societ? Brevetti S.p.A.)
(KM.
? Ctrcc/t h 6 f fibre av&n& ?//> co m fio
FONDAMENTO DELL'INVENZIONE
La presente invenzione riguarda un Circuito bifilare e pi? in particoilare un circuito bifilare avente regolazione di campo in un anello retroazionato di controllo di corrente totale*
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
Un circuito bifilare presenta un segnale di corrente totale continua It rappresentativo di un segnale di sensore che ? rispondente ad un parametro da rilevare. It passa attraverso un primo terminale collegato ad una sorgente di potenza e ad un carico esterni e poi attraverso un secondo terminale. Un mezzo di regolazione di corrente ? collegato al primo ed al secondo terminale ed al sensore per regolare una componente variabile di It? la quale componente ? rispondente al parametro da rilevare. Un mezzo ad amplificatore retroazionato amplifica un segnale di retroazione rappresentativo di It fornendo un segnale amplificato di retroazione. Mezzi di campo collegati al mezzo ad amplificatore retroazionato ricevono ;il segnale amplificato di retroazione e regolano il segnale amplificato di retroazione nel modo desiderato per cui It viene regolato dai mezzi di regolar
zione di corrente in funzione almeno del segnale di sensore e del segnale amplificato regolato di retroazione.- Un mezzo di sommatura ? collegato al -sensore?ed-ai-mezzi di'campz?-per sommare il segnale di sensore ed il segnale regolato amplificato di retroazione fornendo un segnale sommato ai mezzi di regolazione di corrente.
Nella realizzazione preferita, l'amplificatore retroazionato ? costituito da un amplificatore operazionale retroazionato. I mezzi di campo sono un potenziometro collegato all'uscita dell'amplificatore il quale regola il segnale amplificato di retroazione. Poich? uno dei segnali sommati in corrispondenza del seminatore ? variato, ? i mezzi di regolazione di corrente regolano allora la porzione variabile It in modo che il campo di segnale di sensore ? una funzione del segnale regolato amplificato di retroazione. In maniera efficace poi il segnale ' di sensore viene espanso fino ad una desiderata corrente continua.
Un vantaggio di regolare il segnale amplificato di retroazione invece di regolare il segnale di retroazione per ottenere controllo di campo di segnale di sensore ? che il segnale di retroazione presenta un campo stabile che non varia con la regolazione di f
campo del segnale di sensore. Gli scarti d'ingresso dell'amplificatore retroazionato nonch? coefficienti di deriva e di temperatura presentano una relazione sostanzi-a-kiente? rrpetrbrle e fissa cori il segnale-~ stabile di retroazione. Quando, come in circuiti della tecnica anteriore, il segnale di retroazione viene regolato prima dell'amplificazione per ottenere controllo di campo, ne risultano segnali pi? piccoli di retroazione quando il campo viene ridotto. Di conseguenza . scarti di amplificatore retroazionato nonch? coefficienti di deriva e:.di temperatura non presentano una relazione fissa con il segnale di retroazione quando il campo viene regolato e sostanzialmente influiscono sull'amplificazione del segnale di retroazione per segnali bassi di retroazione. In questo modo, nel presente circuito, la relazione fissa di scarti di amplificatore retroazionato,coefficienti di deriva q di temperatura rispetto al segnale di retroazione, aumenta la precisione del circuito per differenti campi di segnale di sensore.
Un altro vantaggio della presente invenzione, risultante dal segnale stabile di retroazione rispetto a 1^, ? che per un preciso funzionamento del circuito si richiede meno segnale di retroazione. Poich? il segnale di retroazione non varia quando viene va/
riata l'ampiezza di segnale del sensore, il segnale di retroazione viene ridotto ad un livello di segnale ancora sufficiente per funzionamento preciso del circuito. La riduzione nel segnale di retroazione riduce le esigenze totali di tensione del circuito bifilare consentendo l'impiego di un'alimentazione di potenza praticamente non superiore ^ 10 volte, permettendo lunghi conduttori dalla sorgente di potenza oltre al simultaneo impiego di dispositivi multipli di uscita.
BREVE DESCRIZIONE DEL DISEGNO
L&unioa figura ? una rappresentazione schematica di un circuito bifilare avente un campo regolabile ottenuto secondo la presente invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA REALIZZAZIONE PREFERITA
NellAunioa figura il circuito bifilare ? indicato genericamente in 10. Descrivendo genericamente il funzionamento del circuito IO, un sensore 12 per esempio un sensore capacitivo come mostrato nel brevetto USA 4370 890 di Frick fornisce un segnale di sensore rispondente ad un parametro rilevato, ad esempio pressione, su una linea 14 ad un sommatore o nodo 18. Il nodo sommatore 18 ? mostrato integrale con ed ? accoppiato ad un mezzo di regolazione di corrente indicato in 20 da una linea 21. Il mezzo 20 di regolazione di corrente controlla una porzione di
una corrente totale continua It in funzione di segnali presenti al nodo sonunatore 18. Una corrente tota le I-t?passa tra un primo?terminale 22 ed urF"s?C?ndo terminale 24. I?- ? rappresentativo del segnale di sensore sulla linea 14. L'energia per il circuito viene prelevata da una sorgente esterna 28 collegata tra il primo terminale 22 ed il secondo terminale 24. Un carico esterno 30, ad esempio un dispositivo di lettura, ? collegato tra la sorgente 28 di energia ed il primo terminale 22. Una porzione di If- ? un segnale di corrente di retroazione che viene retroalimentato, tramite unaconnessione 32 in comune di circuito del dispositivo 20 di regolazione di corren- t te, ad una connessione 34 in comune di circuito di un amplificatore retroazionato 38. L'amplificatore retroazionato 38 fornisce un segnale amplificato di retroazione su una linea 40 ad un dispositivo di regolazione di campo chiamato regolazione 423i campo.
La regolazione 42 di campo di preferenza ? un potenziometro 43 attraverso il quale il segnale amplificato di retroazione passa al comune di circuito tramite il connettore 45 ed un cursore 44 fornendo in questo modo un segnale regolato, amplificato di retroazione al nodo sommatore 18. Il nodo sonunatore 18 somma almeno il segnale di sensore sulla linea 14 ed il segnale regolato, amplificato di retroazione proveniente dal cursore 44 fornendo un segnale sommato sulla linea 21. La regolazione 42 di campo regola unica-_ mente il segnale amplificato di retroazione e non il segnale di sensore. Il regolatore 20 di corrente regola poi It rispondente al segnale sommato.
Pi? dettagliatamente l'amplificatore retroazionatp 38 comprende inoltre un amplificatore operazionale retroazionato 48 avente un primo ingresso 50, un secondo ingresso 52 ed una uscita 54. Il primo ingresso 50 dell'amplificatore retroazionato 48t? collegato mediante una linea 58 alla connessione 34 di comune di circuito per ricevere il segnale di retro-/ azione. Il segnale di corrente di retroazione passa attraverso ia linea 58jattraverso ad un resistore retroazionato 60 fornendo in questo modo un segnale di tensione di retroazione al secondo ingresso 52 dell'amplificatore retroazionato 48 che ? collegato ad una linea 64 e ad una linea 62. La linea 64 ? collegata aduna. rete di sottrazione di corrente costituita da resistori 66, 68 e 70. I resistor! 68 e 70 sono collegati tra la linea 64 e rispettivamente una coppia di riferimenti. Il resistore 66 ? collegato tra la linea . 64 e la linea 62. Il segnale di corrente di t
retroazione attraverso il resistore 60 ed una corrente sottratta tramite il resistore 66 si combinano sulla linea 62. La linea 62 ? collegata, tramite diodo 7-2-a-polarizzazione diretta, al primo-terminale 22. I?- ? di preferenza un segnale di corrente continua di 4-20 milliampere. Altri segnali di standard industriale, come ad esempio segnale da 10-50 milliampere, rientrano nell'ambito della presente invenzione. In regolazione,la tensione in corrispondenza del primo ingresso 50 e del secondo ingresso 52 dell'amplificatore retroazionato 48 vengono ottenute sostanzialmente uguali. Per esempio, quando I?- ? 4 milliampere si desidera che il segnale di retroazione poco oppure per niente amplificato sia presente alla uscita 54 dell'amplificatore retroazionato 48. I resistor! 68 e 70 in combinazione con le loro 'rispettive tensioni di riferimento funzionano per egualizzare le tensioni ai capi dei resistor! 60 e 66 alimentando una corrente tarata attraverso il resistore 66. Quando aumenta il segnale di sensore, It aumenta in risposta ad esso in modo che pi? corrente passa dalla connessione 44 di comuhe di circuito attraverso il resistore retroazionato 60. Un resistore retroazionato amplificatore 72 ? collegato tra l'uscita 54 ed un secondo ingresso 52 dell'amplificatore retroazionato 48 r
fornendo un corrispondente aumento nella tensione ai capi del resistore 66. La corrente di 4 milliampere viene ancora sottratta in modo che l'amplificatore retroazionato 38 fornisce un segnale di retroazione sulla linea 40 rispondente al segnale di sensore.
Il mezzo di regolazione di corrente comprende un amplificatore 80 di regolazione avente un primo ingresso 82, un secondo ingresso 84 ed una uscita 88. jlprimo ingresso 82 ? collegato ad una connessione 90 di comune di circuito. Il secondo ingresso 84 ? collegato, mediante una linea 92 attraverso un condensatore 94, alla uscita 88 dell'amplificatore 80 di regolazione su una linea 98. La linea 92 collega pure il secondo ingresso 84 dell'amplificatore 80, tramite un *, resistore 112 ed un potenziometro 114, ainodo sommatore 18. Un cursore 118 di potenziometro 114 ? collegato, tramite un condensatore 120, al cursore 44 del potenziometro 42 di regolazione di campo.Il cursore 44 ? collegato alnodo sommatore 18 tramite un resistore 121. Il condensatore 120, il potenziometro 114, il resistore 112 ed il condensatore 94 forniscono un filtro regolabile per aggiustare la costante di tempo del circuito 10 come desiderato in risposta a segnali variabili di sensore.
Il nodo sommatore 18 ? pure collegato tramite una linea 122 ad un circuito di azzeramento comprenden
- 10 -
te un resistore 124 collegato al cursore 126 di un potenziometro 128. Il potenziometro 128 di preferenza presenta una prima estremit? 130 collegata ad un ri--feri-mento?positivo ecturra seconda-estremit? UTT'coTIe^ gata ad un riferimento negativo in modo che alnodo sommatore 18 pu? venire alimentata corrente positiva oppure negativa come desiderato.
L'amplificatore 80 di regolazione di corrente fornisce un segnale di regolazione di corrente sulla linea 98, tramite un resistore 134 limitatore di carico ad un circuito di regolazione di corrente costituito di preferenza da una coppia Darlington di transistori 136 e 138. Il transistore 136 ha una base 140, un collettore 142 ed un emettitore 144. Il transisto- t re 138 ha una base 148, un collettore 150 ed un emettitore 152. La base 140 del transistore 136 ? collegata al segnale di regolazione di corrente sulla linea 98. Il collettore 142 del transistore 136 ? collegato ad una linea 154 che ? collegata al collettore 150 del transistore 138 ed ? pure collegata al secondo terminale 24 tramite un diodo 156 a polarizzazione diretta. L'emettitore 144 del transistore 136 e la base 148 del transistore 138 sono collegati mediante una linea 158. La linea 158 ? collegata ad un resistore 160 il quale a sua volta ? collegato, mediante una linea 158A, all'emettitore 152 del transistore 138.La linea 158A ? pure collegata, attraverso un resistore 162 limitatore di corrente, al connet-_ _- tore 32 di comune di ?circuito'. Una porziori?-!^f proveniente dal secondo terminale 24, passa attraverso il diodo 156 fino alla linea 154 dove una ulteriore porzione It passa nel collettore 142 del transistore 136 ed un'altra porzione ancora It.passa nel collettore 150 del transistore 138. Il rimante It entra in un regolatore 164 di tensione che fornisce tensioni regolate per funzionamento di circuito. Il regolatore 164 di tensione ? collegato al comune di circuito tramite una connessione 166 di comune di circuito.
Il segnale di sensore sulla linea 14, in una realizzazione, ? un segnale raddrizzato che rappresenta pressione, il segnale di sensore avendo un valore di campo inferiore ed un valore di campo superiore ed un'ampiezza di segnale di sensore definita come differenza tra i valori superiore ed inferiore di campo. Il mezzo 20 di regolazione di corrente regola una porzione di Ifc in modo che It varia in risposta all?intera ampiezza di segnale di sensore nel campo desiderato, per esempio un campo di 4-20 milliampere od al1
tro campo accettabile. In base al segnale sommato, il mezzo di regolazione di corrente regola It in modo che It ? 4 milliampere quando il segnale di sensore ?si "trova "het-suo va?I?re_Thferiore di campo e I?- ?
20 milliampere quando il segnale di sensore si trova nel suo valore superiore di campo. L'aggiustamento del cursore 44 del potenziometro 43 varia il segnale sommato sulla linea 21 in modo di selezionare il valore superiore di campo. L'aggiustamento del cursore 126 del potenziometro 128 varia il segnale sommato in modo che entrambi i valori superiore ed inferiore di campo vengono selettivamente variati in modo sostanzialmente uguale. Pertanto il potenziometro 43 ? un aggiustamento indipendente d-'ampiezza di segnale / di sensore mentre il potenziometro 128 ? un aggiustamento indipendente di zero di segnale di sensore.
Un vantaggio della presente invenzione deriva dal fatto di avere un segnale; di retroazione ai capi del resistore retroazionato 60 che ? lo stesso per date correnti totali It indipendentemente dall'ampiezza di segnale di sensore. Quando il segnale di retroazione ? aggiustato prima dell'amplificazione per aggiustare l'ampiezza di segnale di sensore, il segnale di retroazione viene apprezzabilmente diminuito per minori ampiezze di segnale di sensore in modo che gli scarI, %
ti di amplificatore retroazionato 48, coefficiente di temperatura e rumore sono importanti a confronto del segnale ridotto di retroazione con il risultato di perdita di precisione La?presente-invenzione aggiusta il segnale amplificato di retroazione sulla linea 40 invece di aggiustare il segnale di retroazione che non ? stato amplificato in modo che il segnale di retroazione rimane grande a confronto degli scarti di amplificatore retroazionato 48, coefficiente di temperatura e rumore. Di conseguenza il segnale amplificato di retroazione ed il segnale amplificato aggiustato di retroazione sono pi? precisi e
{
di conseguenza forniscono un segnale pi? preciso di regolazione al mezzo 20 di regolazione di corrente. ?
Un altro vantaggio che proviene dall?aggiustamento del segnale di retroazione amplificato a differenza dell'aggiustamento del segnale di retroazione ? che non essendo il segnale di retroazione ridotto quando varia l'ampiezza di segnale di sensore, il segnale di retroazione pu? venire diminuito globalmente riducendo la resistenza del resistore retroazionato 60 ed aumentando l'amplificazione dell'amplificatore retroazionato 48mediante diminuzione della resistenza del resistore 66. Si ? trovato che, poich? il segnale di retroazione non diminuisce quando diminuisce . l'ampiezza di segnale di sensore,il segnale di retroazione pu? venire diminuito globalmente senza influire in modo apprezzabile sulla precisione del circuito 10. Il risultante vantaggio ? una riduzione nelle richieste sorgenti di potenza da 12 volt a non sostanzialmente oltre 10 volt. Questo risultato non ? stato finora ottenuto con prestazione tecnicamente accettabile. Questo risul tato viene meglio visto dal seguente esempio in cui i valori dei componenti di circuito 10 comprendono:
Resistore 68 600.000 ohm regol.fine 4:1 Resistore 70 379.000 ohm
Resistore 72 1-5,800 ohm
Resistore 66 10.000 ohm
Resistore 60 50 ohm
4 Potenziometro 43 2 ,000 ohm
Resistore 121 30,100 ohm Condensatore 120 2 microfarad Potenziometro 114 500.000 ohm
Resistore 124 63,600 ohm Potenziometro 128 50.000 ohm
Resistore 112 10.000 ohm Condensatore 94 0,001 microfarad Amplificatore LM 246
retroazionato 48
primo ingresso 50 ingresso non invertente 4
secondo ingresso 52 Ingresso invertente Amplificatore di regola- LM 246
zione 80_ _ _
primo ingresso 82 Ingresso non invertente secondo ingresso 84 Ingresso invertente Resistore 134 4.700 ohm Transistorer 136 2N5551
Transistore 138 MJE340
Resistore 160 10.000 ohm
Resistore 162 249 ohm
Diodo 156 IN4004
Diodo 72 1N4002
Carico 30 250 ohm
.Rintracciando le cadute di pressione dal secondo terminale 24 al primo terminale 22 dove It ? 20 milliampere ha luogo una caduta di tensione di 0,7 volt ai capi del diodo 156. Il regolatore 164 di tensione fornisce 7 volt al comune di circuito con una caduta interna di 0,2 volt. Rintracciando il comune 34 di circuito fino al primo terminale 24, con I?. a
20 milliampere, la caduta di tensione attraverso il resistore 60 ? all*incirca 1 volt ed una ulteriore caduta di tensione di 0,7 volt si verifica ai capi del diodo 72. Il resistore 30 di carico a 250 ohm riduce ulteriormente la tensione di 5 volt per una
f
caduta totale di 7,6 volt. Il vantaggio di una caduta di soltanto 7,6 volt ? che un altro mezzo di lettura pu? venire collegato al circuito 10. Anche lidi alimentazxone SDBtairzl?lTn?hte piu-lunghe non influiranno negativamente sulla prestazione del circuito 10 adoperando alimentazione di tensione industriali standard.
C/O CHE J/ RIVENDICA ? ?
1. Circuito bifilare avente un segnale totale in corrente continua I?? una porzione almeno del quale ? rappresentativa di un segnale di sensore e che ? rispondente ad un parametro da rilevare, in cui 1^ attraversa un primo terminale collegato ad una sorgente 4 di energia ed un carico esterni e poi un secondo terminale, ed in cui il circuito comprende:
mezzi di regolazione di corrente collegati al primo ed al secondo terminale ed al sensore per regolare la porzione It rappresentativa del segnale di sensore ;
mezzi di retroazione collegati ai mezzi di regolazione di corrente per fornire un segnale di retroazione che ? una funzione di 1^;
mezzi ad amplificatore retroazionato collegati ai mezzi di regolazione di corrente per amplificare il segnale di retroazione onde fornire un segnale di f
retroazione amplificato; e
mezzi di campo accoppiati ai mezzi di amplificatore retroazionato ed ai mezzi di regolazione di_c orrente unica~merite?per regolare il segnale amplificato di retroazione in modo che It ? regolato dai mezzi di regolazione di corrente almeno in funzione del segnale di sensore e del segnale di retroazione regolato e amplificato.
2. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi di regolazione di corrente comprendono:
mezzi di sommatura collegati al sensore ed ai mezzi di campo per sommare il segnale di sensore ed il segnale di retroazione regolato ed amplificato.
3. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui * i mezzi di seminatura forniscono un segnale sommato, il segnale sommato essendo la somma di almeno il segnale di sensore e il segnale di retroazione regolato e amplificato.
4? Circuito secondo la rivendicazione 3, in cui i mezzi di regolazione di corrente regolano almeno una porzione di I?- in funzione del segnale sommato.
5. Circuito secondo la rivendicazioine 4, in cui il segnale di sensore presenta un campo che ? funzione del segnale sommato.
6. Circuito secondo la rivendicazione 5, in cui i mezzi di regolazione di corrente regolano almeno
Claims (1)
- l runa porzione I?. per cui il segnale di sensore viene espanso ad un livello desiderato.7. Circuito secondo la rivendicazione l,in cui i mezzi-ad amplificat?re?retroazTonato comprendono: un primo amplificatore avente un ingresso per ricevere il segnale di retroazione ed un'uscita per fornire il segnale di retroazione amplificato.8. Circuito secondo la rivendicazione 7, in cui i mezzi ad amplificatore comprendono inoltre:un primo mezzo ad impedenza collegato all'ingresso del primo amplificatore e ad It per fornire il segnale di retroazione in funzione dell'impedenza di detto primo mezzo ad impedenza per quanto l'impedenza riguarda It.9. Circuito secondo la rivendicazione 8, in cui l'impedenza del primo mezzo ad impedenza ? scelta in modo tale che il circuito ? operativo quando la sorgente di potenza ? non sostanzialmente minore di 10 volt.lO-c? Circuito -bifilare avente-un segnale totale Ir in corrente continua,una porzione almepo-'t?el quale ? rappresentativa di un segnale dj^-?ensore che ? rispondente ad un parametro ^da rilevare, in cui I attraversa un primo t^pmlnale collegato ad una sorgente di energiao-c?d un carico esterni e poi un secondo terminale,? ed -in oui -il circuito comprendos
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Effective date: 19970729 |