專利名稱：用于與接地無關(guān)地提供傳感器信號的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域大體涉及傳感器隔離電路，且更具體地涉及用于與接地無關(guān)地提供傳感器信號的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪發(fā)動機組件經(jīng)常被用作各種應用如發(fā)電設(shè)備或飛行器內(nèi)的功率源。至少一些公知的燃氣渦輪發(fā)動機系統(tǒng)包括多個傳感器，以監(jiān)測燃氣渦輪發(fā)動機系統(tǒng)的各種狀況/運行。例如，燃氣渦輪發(fā)動機組件可包括速度傳感器，以提供指示渦輪軸的轉(zhuǎn)速的信號。傳感器可基于例如控制、反饋和/或監(jiān)測的目的而連接到燃氣渦輪發(fā)動機組件內(nèi)的多個電路上。當傳感器聯(lián)接到多于一個電路時，經(jīng)常要求隔離，以避免可不利地影響傳感 器的精度和/或使電路性能下降的接地回路。至少一些公知的燃氣渦輪發(fā)動機組件對連接到傳感器上的各電路采用獨立的電源?？蛇x地，其它公知的燃氣渦輪發(fā)動機組件使用一個或多個變壓器來將傳感器與電路電氣隔離。然而，變壓器通常笨重并且可提供僅僅有限的頻率響應。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，提供了一種用于與接地無關(guān)地提供傳感器信號的隔離電路。該隔離電路包括用于聯(lián)接到運行傳感器上的分壓器電路、連接到分壓器電路上的箝位電路和連接到箝位電路上的增益電路。分壓器電路配置成分割從傳感器接收的信號的幅度。箝位電路配置成限制來自分壓器電路的電壓。增益電路包括輸出。隔離電路根據(jù)傳感器信號并且與接地無關(guān)地將單端輸出信號提供給增益電路的輸出。另一方面，提供了一種燃氣渦輪發(fā)動機組件。燃氣渦輪發(fā)動機組件包括速度傳感器和隔離電路，該速度傳感器用于生成指示構(gòu)件的運行速度的差分信號，該隔離電路用于聯(lián)接到速度傳感器上，以接收來自速度傳感器的差分信號。該隔離電路配置成根據(jù)差分信號并且與接地無關(guān)地生成單端輸出信號。又一方面，提供了一種用于與接地無關(guān)地提供傳感器信號的方法。該方法包括提供隔離電路以將傳感器聯(lián)接到燃氣渦輪發(fā)動機組件的控制系統(tǒng)。該隔離電路包括分壓器電路、連接到分壓器電路上的箝位電路和連接到箝位電路上的增益電路。該方法包括從傳感器接收差分輸入信號，在分壓器電路的電阻網(wǎng)絡(luò)分割差分傳感器信號的幅度，以及在增益電路的運算放大器處根據(jù)差分傳感器信號并且與接地無關(guān)地生成單端輸出信號。


圖I是示范性燃氣渦輪發(fā)動機組件的框圖。圖2是與圖I中所示的燃氣渦輪發(fā)動機組件一起使用的示范性隔離電路的框圖。圖3是圖2中所示的隔離電路的示范性示意圖。圖4是用于與接地無關(guān)地提供傳感器信號的示范性方法的流程圖。
部件列表
10 燃氣渦輪發(fā)動機組件 12 壓縮器 14 燃燒器 16 渦輪 18 控制系統(tǒng)
20輸入管道
21輸入導葉
22轉(zhuǎn)子軸
24燃料控制組件 26 傳感器 28 傳感器 30 傳感器 32 傳感器 34 傳感器 36 傳感器 38 負載 40 監(jiān)測模塊 42 控制模塊 44 隔離電路
102分壓器電路 104 箝位電路
106增益電路
108輸出端
200隔離電路
202分壓器電路 204 箝位電路
206增益電路
207電阻網(wǎng)絡(luò)
208端子 210端子
212瞬態(tài)電壓衰減(TVS)裝置
214 運算放大器
216正極輸入
218負極輸入
220輸出
300方法
302提供
304 接收306 分割 308 生成。
具體實施例方式圖I是示范性燃氣渦輪發(fā)動機組件10的示意圖。在該示范性實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機組件10包括壓縮器12、燃燒器14、經(jīng)由轉(zhuǎn)子軸22驅(qū)動地聯(lián)接到壓縮器12上的渦輪
16、控制系統(tǒng)18和燃料控制組件24。燃燒器14聯(lián)接 到壓縮器12，使得燃燒器14與壓縮器12流動連通。燃料控制組件24聯(lián)接到燃燒器14上，用于將燃料引入燃燒器14中。輸入管道20將外界空氣引至壓縮器12。在一個實施例中，所噴射的水和/或其它加濕劑也經(jīng)輸入管道20被引至壓縮器12。輸入管道20可包括對經(jīng)輸入管道20流入壓縮器12中的一個或多個輸入導葉21的外界空氣的壓損有貢獻的多個管道、過濾器、篩網(wǎng)和/或吸聲裝置。在運行期間，輸入管道20將空氣引向壓縮器12，該壓縮器12將輸入空氣壓縮到更高的壓力和溫度。壓縮器12朝燃燒器14排出壓縮空氣，壓縮空氣在燃燒器14中與燃料混合并點燃，以生成流向渦輪16的燃燒氣體，渦輪16驅(qū)動壓縮器12。燃燒器14將燃燒氣體引至渦輪16，在渦輪16中氣流熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能。在示范性實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機組件10可用于驅(qū)動負載38，例如聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸22上的發(fā)生器(未示出)。在可選實施例中，負載38可聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸22的前延伸部(未示出)上。在更多其它實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機組件10可在諸如飛行器的運載工具中采用。燃氣渦輪發(fā)動機組件10的運行可由探測渦輪16、負載38和/或外界環(huán)境的各種運行狀況的若干傳感器26-36監(jiān)測。例如，傳感器26-36還可包括流量傳感器、速度傳感器、火焰探測器傳感器、閥位置傳感器、導葉角度傳感器和/或感測與燃氣渦輪發(fā)動機組件10的運行相關(guān)的各種參數(shù)(例如在限定位置處的溫度、壓力和氣體流量等)的其它傳感器。在示范性實施例中，傳感器34是用于生成指示轉(zhuǎn)子軸22轉(zhuǎn)速的差速信號的速度傳感器。在示范性實施例中，控制系統(tǒng)18包括監(jiān)測模塊40和控制模塊42。速度傳感器34聯(lián)接到監(jiān)測模塊40并且聯(lián)接到控制模塊42上。然而，監(jiān)測模塊40經(jīng)由隔離電路44聯(lián)接到速度傳感器34上。速度傳感器34和隔離電路44組合而形成渦輪數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。應該認識到，圖I中所示的傳感器26-36中的任何一個或多個可經(jīng)由隔離電路聯(lián)接到控制系統(tǒng)18 (包括其中的一個或多個模塊)上。此外，在其它實施例中，隔離電路可被包括在控制模塊內(nèi)，而不是被包括在監(jiān)測模塊內(nèi)。并且，在更多其它實施例中，監(jiān)測模塊和控制模塊可各包括隔離電路。圖2是隔離電路44的框圖。在示范性實施例中，隔離電路44包括用于聯(lián)接到傳感器34上的分壓器電路102。分壓器電路102分割來自傳感器34的傳感器信號的幅度。隔離電路44包括聯(lián)接到分壓器電路102的箝位電路104和聯(lián)接到箝位電路104的增益電路106。箝位電路104限制來自分壓器電路102的電壓，并且增益電路106包括輸出108。隔離電路44根據(jù)速度傳感器34的差分傳感器信號并且與接地無關(guān)地將單端輸出信號提供到增益電路106的輸出108。在這種實施例中，隔離電路44使速度傳感器34能夠被聯(lián)接到監(jiān)測模塊40并且被聯(lián)接到控制模塊42，而無需雙重接地。因此，在傳感器34與模塊40和42之間未創(chuàng)造多個接地回路。因此，隔離電路44還可免除對(多個)變壓器和/或用于監(jiān)測模塊40和用于控制模塊42的(多個)單獨電源的需求。此外，且如下文解釋地，隔離電路44可提供對于公知變壓器的改進的頻率響應。更進一步地，在一些實施例中，隔離電路44可僅僅大致包括成品的構(gòu)件，從而與公知的變壓器和/或使用單獨的電源相比改進了成本節(jié)約和/或電路板空間節(jié)約。圖3是可用于與接地無關(guān)地提供傳感器信號的可選隔離電路200的示范性示意圖。在示范性實施例中，隔離電路200包括分壓器電路202、連接到分壓器電路202上的箝位電路204和連接到箝位電路204上的增益電路206。在示范性實施例中，分壓器電路202包括電阻網(wǎng)絡(luò)207。更具體而言，電阻網(wǎng)絡(luò)207包括三個電阻器R1、R2和R3。電阻器R1-R3在輸入端子208與210之間串聯(lián)聯(lián)接。電阻器R1-R3被聯(lián)接以根據(jù)電阻器R1-R3的比例電阻分割到端子208和210的輸入信號的幅度。具體而言，在示范性實施例中，箝位電路204與電阻器R2并聯(lián)連接。因此，在運行期間，分壓器電路202提供信號，其大致等于輸入信號乘以電阻器R2的電阻并除以電阻器R1-R3的 總電阻(即，Vlivilt K R2.(:RhlU'IU})。應該認識到，可采用各種電阻和/或任何數(shù)量的
電阻器以為箝位電路204提供期望電壓。在至少一個實施例中，分壓器電路可包括使傳感器信號的幅度能夠如本文中所述地分割的電阻器、電容器和/或感應器的任何組合。箝位電路204包括瞬態(tài)電壓衰減(TVS)裝置212。TVS裝置212與電阻器R2并聯(lián)聯(lián)接，以將橫跨電阻器R2的電壓箝位?？蛇x定TVS裝置212以將電壓箝位至期望電壓范圍。在該示范性實施例中，TVS裝置212是構(gòu)造成將電壓箝位在26VDC的雙向裝置(例如，可從Vishay Semiconductors, Microsemi Corporation 商購的構(gòu)件 SMBJ26 等)。此外，在該不范性實施例中，TVS裝置212構(gòu)造成為隔離電路200提供電磁干擾(EMI)防護和/或靜電放電(ESD)防護。如圖所示,在示范性實施例中,箝位電路204包括在TVS裝置212與節(jié)點A之間串聯(lián)聯(lián)接的電容器Cl和在TVS裝置212與節(jié)點B之間串聯(lián)聯(lián)接的電容器C2。在運行期間，電容器Cl和C2阻塞通過分壓器電路202從傳感器提供的差分傳感器信號的DC電壓分量(如果有的話)。除TVS裝置212以及電容器Cl和C2外，箝位電路204包括二極管D1-D4。更具體而言，在示范性實施例中，二極管Dl連接在負電壓源V-與節(jié)點A之間，并且二極管D2連接在正電壓源V+與節(jié)點A之間。此外，二極管D3連接在負電壓源V-與節(jié)點B之間，并且二極管D4連接在正電壓源V+與節(jié)點B之間。電阻器R4連接在節(jié)點A與節(jié)點B之間。各二極管D1-D4限定偏置電壓。因此，在運行期間，二極管D1-D4將相應節(jié)點A和B處的電壓箝位在其負電壓源V-和/或正電壓源V+的偏置電壓內(nèi)。因此，可選定二極管D1-D4以將節(jié)點A和B處的電壓箝位在期望范圍內(nèi)。例如，如果正電壓源V+為5VDC且負電壓源V-為-24VDC，則可選定二極管D1-D4以將節(jié)點A和B處的電壓箝位在大致-24VDC與5VDC之間(二極管D1-D4的土偏置電壓)。在其它實施例中可使用其它電壓或二極管的不同構(gòu)型(例如數(shù)量、類型、位置等)以將電壓箝位在一個或多個期望值之上/之下。在一些示例性實施例中，二極管可被約束在易于達到的電壓，例如監(jiān)測模塊40和/或控制模塊42的電壓源。在更多其它實施例中，可省略連接到電壓源上的一個或多個二極管。應該認識到，箝位電路204可由一種或多種不同類型的裝置構(gòu)造，以將電壓箝位在期望水平和/或提供電磁干擾(EMI)防護和/或靜電放電(ESD)防護。例如，在可選實施例中，箝位電路204可包括兩個齊納二極管，一個額定為5VDC并且另一個額定為15VDC。5VDC齊納二極管的陽極可連接到15VDC齊納二極管的陰極上，并且5VDC齊納二極管的陰極可連接到15VDC齊納二極管的陽極上。在這種實施例中，箝位電路204可連接以將電壓箝位在大約+5V至大約-15V之間的不平衡范圍內(nèi)。如應該顯而易見地，可使用齊納二極管或其它二極管的各種組合和/或額定值以將經(jīng)分割的傳感器信號箝位在各種平衡或不平衡的電壓范圍。再次參照圖3，增益電路206包括運算放大器214。在示范性實施例中，運算放大器214是零件#LT1355 (可從Linear Technology商購)。然而可選地，應該認識到，在其它實施例中，增益電路可由不同運算放大器、多個分立式晶體管和/或其它合適的裝置構(gòu)造。運算放大器214包括正極輸入216、負極輸入218和輸出220。在運行期間，運算放大器214對從箝位電路204接收的電壓提供增益，該增益足以將單端輸出信號調(diào)節(jié)到期望水平。例如，在一個示例性實施例中，來自運算放大器214的增益為大約I. 5V/V。如應該顯而易見地，在其它實施例中，可連接運算放大器和/或選定運算放大器以提供不同增益。在至少一個實施例中，增益電路206可提供大致標定增益。 在示范性實施例中，運算放大器214經(jīng)由多個分立構(gòu)件連接到電源上、接地并連接到箝位電路204上。具體而言，電阻器R5連接在節(jié)點A與正極輸入216之間，并且電阻器R6串聯(lián)連接在節(jié)點A與負極輸入218之間。正極輸入216通過電阻器R7和電容器C3的并聯(lián)組合接地GND。負極輸入218通過電阻器R8和電容器C4的并聯(lián)組合連接到輸出220上。負極輸入218還通過電阻器R9接地GND。隔離電路200的電阻器R1-R8和/或電容器C1-C4中的一個或多個可被選定以提供期望性能，例如輸出電壓、運行帶寬、DC誤差等。在該特定的實例中，將輸出電壓表示為
'.ο ,.. -K K X、IN..XEO .. 5 X .R..R - (R-(r - R)) x ((R,(R R)) > I) x \ k.pos。在示范性實施例中，隔離電路200可提供靈活的頻率響應。具體而言，電阻器R1-R8和/或電容器C1-C4中的任何可被選擇性地調(diào)節(jié)，以改變隔離電路200的頻率響應。在一個示范性實例中，隔離電路200可限定運算放大器214的正極輸入上的大約I. 3 Hz至大約982 kHz之間的通頻帶(約-3. O dB)，以及運算放大器214的正極輸入上的約I. 5 Hz至約220 kHz之間的通頻帶(約-3. O dB)。因此，在該特定的實例中，隔離電路200的總運行帶寬(約-3. O dB)在約I. 59 Hz至約220 kHz之間。如應該顯而易見地，運行帶寬包括若干范圍，例如大約7. O Hz至大約150 kHz之間的范圍、大約10 Hz至大約150 kHz之間的范圍、大約25 Hz至大約100 kHz之間的范圍、大約35 Hz至大約100 kHz之間的范圍和/或界定運行帶寬內(nèi)的范圍的任何其它離散值等。而且，如圖3中所示，節(jié)點C通過電阻器R9接地。在各種實施例中，隔離電路200的單端輸出信號可通過經(jīng)電阻器R9將節(jié)點C連接到電源上而電平移位。具體而言，當節(jié)點C聯(lián)接到5VDC電源上時，例如，隔離電路200包括大約-9. 08VDC的名義DC偏置和在
25±2° C處大約±24mV的DC誤差(和/或在溫度(-40至85° C)之下/之上±66mV。)。應該認識到，隔離電路200并不限于本文中公開的特定輸出特征?？扇Q于燃氣渦輪發(fā)動機組件或本文中公開的隔離電路的其它應用的要求，可改變電源、電阻器、電容器、二極管和運算放大器中的一個或多個，以提供期望輸出特征。在制造期間，隔離電路200可由普通、現(xiàn)成的構(gòu)件如電阻器、電容器、二極管和運算放大器等制成。在一些實施例中，使用普通、成品的構(gòu)件可有利于成本減少和/或所要求的構(gòu)件的方便的二次供貨。此外，在一個實施例中，隔離電路200可在不足大約I. O平方英寸的印刷電路板(未示出)上構(gòu)造。圖4圖示了根據(jù)本公開的另一示例性實施例的用于與接地無關(guān)地提供傳感器信號的示范性方法300。雖然示范性方法300可與燃氣渦輪發(fā)動機組件10(如圖I中所示)一起使用，但應該認識到，本文中所述的方法并不限于本文中所述的示范性燃氣渦輪發(fā)動機組件和隔離電路。同樣，本公開所構(gòu)想的隔離電路和/或燃氣渦輪發(fā)動機組件不應該被理解為受限于本文中所述的示范性方法。方法300包括提供302隔離電路，例如圖3中所示的隔離電路200，以將傳感器聯(lián)接到燃氣渦輪發(fā)動機組件的控制系統(tǒng)上。該隔離電路包括分壓器電路、聯(lián)接到分壓器電路 上的箝位電路和聯(lián)接到箝位電路上的增益電路。方法300還包括接收304來自傳感器的差分輸入信號，在分壓器電路的電阻網(wǎng)絡(luò)處分割306差分傳感器信號的幅度，以及在增益電路的運算放大器處根據(jù)差分傳感器信號并且與接地無關(guān)地生成308單端輸出信號。在一些實施例中，方法300可包括在箝位電路將分割的差分傳感器信號箝位在期望電壓范圍。此外，或可選地，方法300可包括在箝位電路阻塞差分傳感器信號的DC分量。上述實施例中的一個或多個可在傳感器聯(lián)接到多于一個模塊上時消除一個或多個接地環(huán)路。因此，如本文中所述的隔離電路可免除對用于監(jiān)測模塊和/或控制模塊的(多個)變壓器和/或(多個)單獨電源的需求。此外，如本文中所述的隔離電路可提供對于公知的變壓器的改進的頻率響應。更進一步地，在一些實施例中，如本文中所述的隔離電路可容許使用成品構(gòu)件，從而與公知的變壓器和/或使用單獨的電源相比改進了成本節(jié)約和/或電路板空間節(jié)約。雖然各種實施例的特定特征可能在一些附圖中被示出而未在其它附圖中示出，但這僅僅是為方便起見。根據(jù)本發(fā)明的原理，附圖的任何特征可結(jié)合任何其它附圖的任何特征進行參引和/或主張權(quán)利。本書面描述使用實例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并實施任何合并的方法。本發(fā)明的專利保護范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員所想到的其它實例。如果其它實例具有與權(quán)利要求的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件或者如果其它實例包括與權(quán)利要求的字面語言并無實質(zhì)差別的等效結(jié)構(gòu)元件，則這些其它實例預期在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于與接地無關(guān)地提供傳感器信號的隔離電路(44，200)，所述隔離電路包括 用于聯(lián)接到運行傳感器(26-36)上的分壓器電路(102，202)，所述分壓器電路配置成分割從所述運行傳感器接收的信號的幅度； 連接到所述分壓器電路上的箝位電路(104，204)，所述箝位電路配置成限制來自所述分壓器電路的電壓；和 連接到所述箝位電路的增益電路(106，206)，所述增益電路包括輸出(108)，其中，所述隔離電路根據(jù)所述傳感器信號并且與接地無關(guān)地將單端輸出信號提供給所述增益電路的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的隔離電路(44，200)，其特征在于，所述分壓器電路(102，202)包括電阻網(wǎng)絡(luò)(207)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隔離電路(44，200)，其特征在于，所述電阻網(wǎng)絡(luò)(207)包括至少兩個電阻器，并且其中，所述箝位電路(104，204)與所述電阻網(wǎng)絡(luò)中的所述至少兩個電阻器中的至少一個并聯(lián)聯(lián)接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的隔離電路(44，200)，其特征在于，所述箝位電路(104，204)包括至少一個瞬態(tài)電壓衰減(TVS)裝置(212)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的隔離電路(44，200)，其特征在于，所述增益電路(106，206)包括運算放大器(214)，所述運算放大器(214)包括正極輸入(216)和負極輸入(218)，并且其中，所述TVS裝置橫跨所述運算放大器的所述正極輸入和負極輸入聯(lián)接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的隔離電路(44，200)，其特征在于，所述箝位電路(104，204)包括第一二極管和第二二極管，所述第一二極管聯(lián)接在所述放大器正極輸入(216)和負極輸入(218)中的一個與正電壓源之間，所述第二二極管聯(lián)接在所述放大器正極輸入(216)和負極輸入(218)中的一個與負電壓源之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的隔離電路(44，200)，其特征在于，還包括串聯(lián)連接在所述正極輸入(216)與所述TVS裝置(212)之間的第一電阻器和串聯(lián)連接在所述負極輸入(218)與所述TVS裝置之間的第二電阻器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的隔離電路(44，200)，其特征在于，所述TVS裝置(212)有利于防護所述隔離電路(44,200)使之免于電磁放電。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的隔離電路(44，200)，其特征在于，所述箝位電路(104)包括串聯(lián)連接在所述分壓器電路(102)與所述增益電路(106)之間的至少一個電容器，以阻塞在所述分壓器電路與所述增益電路之間的DC電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的隔離電路(44，200)，其特征在于，所述隔離電路(44，200)配置成提供在大約25 Hz至大約100 kHz之間的范圍內(nèi)的運行帶寬。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于與接地無關(guān)地提供傳感器信號的系統(tǒng)和方法。公開了隔離電路(44,200)、渦輪數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和有關(guān)方法。一個示例性隔離電路包括用于聯(lián)接到運行傳感器上的分壓器電路(102,202)、連接到所述分壓器電路的箝位電路(104,204)和連接到所述箝位電路的增益電路(106,206)。分壓器電路配置成分割從傳感器接收的信號的幅度。箝位電路配置成限制來自所述分壓器電路的電壓。增益電路包括輸出(108)。隔離電路根據(jù)傳感器信號并且與接地無關(guān)地將單端輸出信號提供到增益電路的輸出。
文檔編號G01D3/028GK102798400SQ20121016568
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者D.Z.阿巴維 申請人:通用電氣公司