專利名稱:一種4-20mA專用模擬采集模塊的制作方法
一種4-20mA專用模擬采集模塊技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電力設(shè)備及其工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域,涉及一種4-20mA專用模擬采集模塊,特別運(yùn)用于高壓GIS SF6氣體的狀態(tài)檢測,將高壓GIS的傳感器傳輸?shù)母?-20mA 的模擬量進(jìn)行采集、輸出,并且判斷高壓GIS SF6氣體的狀態(tài)情況。
背景技術(shù):
隨著電力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代數(shù)字化變電站技術(shù)已運(yùn)用于電力電網(wǎng)輸配電各環(huán)節(jié),現(xiàn)代數(shù)字化變電站技術(shù)采用新型的GIS (氣體隔離開關(guān))替代以往的AIS (空氣隔離開關(guān)),因此SF6絕緣氣體的應(yīng)用就不可避免并將發(fā)揮重大作用。
SF6具有優(yōu)異的電氣絕緣和滅弧性能,其特性是采用使得它作為絕緣滅弧介質(zhì)的電氣設(shè)備具有絕緣強(qiáng)度高、滅弧能力強(qiáng)、開端容量大、防護(hù)防爆、體積小、占地面積和占用空間小、重量輕、噪音小、運(yùn)行溫度低、安裝方便、全密封電器安全可靠、無氧化問題、維修周期長等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此,對SF6氣體的狀態(tài)檢測直接關(guān)系到數(shù)字化變電站的正常運(yùn)行,甚至關(guān)系到整個(gè)電力電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
雖然SF6氣體作為電氣絕緣、滅弧介質(zhì)具有很大的優(yōu)越性,但是SF6氣體狀態(tài)的變化對設(shè)備電氣性能及人的生存環(huán)境有很大影響。具體體現(xiàn)在壓力、溫度、濕度、密度、空氣、 電弧分解物等對電氣設(shè)備的電氣特性的影響。因此,SF6氣體的電氣特性與電氣的狀態(tài)緊密相關(guān),為了保證SF6氣體的穩(wěn)定可靠運(yùn)行,需要對SF6氣體的狀態(tài)進(jìn)行檢測。高壓GIS包含高精度的傳感器,將SF6氣體的狀態(tài)檢測并轉(zhuǎn)換成4-20mA的模擬量。所以,本發(fā)明將該傳感器的輸出模擬量4-20mA進(jìn)行采集并發(fā)送到后臺控制模塊。
在本發(fā)明技術(shù)提出之前,對高壓設(shè)備SF6氣體檢測基本采用離線技術(shù)。然而本發(fā)明主要將4-20mA的模擬量進(jìn)行在線檢測采集,通過CPLD可編程器件輸出,達(dá)到穩(wěn)定、可靠、 智能的現(xiàn)代在線檢測效果。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種準(zhǔn)確、可靠、智能的4_20mA專用模擬采集模塊。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種4_20mA專用模擬采集模塊,包括I/V轉(zhuǎn)換單元、V/F轉(zhuǎn)換單元、光耦隔離單元、 CPLD核心控制單元、多路供電單元,4-20mA的模擬量首先通過I/V轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成1-5V電壓信號,該電壓信號再經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成10K-50KHZ的頻率信號,頻率信號經(jīng)過光耦隔離單元和CPLD核心控制單元隔離,CPLD核心控制單元對采集的頻率脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)、采集和運(yùn)算,最后通過CPLD核心控制單元的I/O 口和后臺設(shè)備相連,將CPLD采集的信息上傳, 多路供電單元向該模擬采集模塊供電,其中將+5V電源轉(zhuǎn)換成+3. 3V,士 12V向該模塊供電。
優(yōu)選地,所述I/V調(diào)理單元包括并聯(lián)在4_20mA模擬量兩端的電阻R2和防雷管 ⑶T,分別連接在4-20mA模擬量兩端的電阻Rl和電阻R4,其中,電阻Rl的另一端分為兩路,一路經(jīng)電阻R3接地,另一路連接在放大器0P97的輸入端管腳3上,電阻R4的另一端連接在放大器0P97的另一個(gè)輸入端管腳2上;
優(yōu)選地,所述V/F轉(zhuǎn)換單元包括AD6M轉(zhuǎn)換芯片,其管腳4與I/V調(diào)理單元的輸出端相連,管腳1與光耦隔離單元相連,管腳6和管腳7之間連接有調(diào)節(jié)電容C4,該調(diào)節(jié)電容 C4和管腳1上連接的串聯(lián)電阻R6構(gòu)成該轉(zhuǎn)換單元的調(diào)理電路;
優(yōu)選地,所述調(diào)理電路的轉(zhuǎn)換公式為盡=lQJcxR,其中,F(xiàn)om為V/F轉(zhuǎn)換單元的輸出頻率,Vin為V/F轉(zhuǎn)換單元的輸入電壓;
優(yōu)選地,所述調(diào)節(jié)電容和串聯(lián)電阻的取值為C4 = 0. OOluF, R6 = 1ΚΩ ;
優(yōu)選地,所述光耦隔離單元包括光耦隔離器HCPL0601將頻率信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換成TTL 電平并輸出給CPLD核心控制單元;
本發(fā)明4_20mA專用模擬采集模塊與現(xiàn)有技術(shù)相比,至少具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用可編程器件CPLD對高頻信號進(jìn)行采集、運(yùn)算、輸出,具有精度高、實(shí)時(shí)響應(yīng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。本發(fā)明在研制的過程中,對組成單元的硬件進(jìn)行了充分的設(shè)計(jì)、選型和計(jì)算,既考慮了實(shí)用性,又兼顧經(jīng)濟(jì)性,使得本發(fā)明具有較高的使用價(jià)值。本發(fā)明避免了現(xiàn)有計(jì)數(shù)器的諸多缺點(diǎn),可以實(shí)時(shí)的采集4-20mA的模擬量。本專用4-20mA模擬采集模塊的電流輸入和頻率輸出是線性的關(guān)系,通過實(shí)驗(yàn)對本發(fā)明的采集模塊進(jìn)行最小二乘法數(shù)據(jù)擬合,得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻率和電流的線性關(guān)系,克服了硬件系統(tǒng)帶來的數(shù)據(jù)誤差,使得采集結(jié)果滿足電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集要求。
圖1是本發(fā)明4_20mA專用模擬采集模塊的原理框圖2是本發(fā)明采集模塊中I/V調(diào)理單元的電路圖3是本發(fā)明采集模塊中V/F轉(zhuǎn)換單元的電路圖4是本發(fā)明采集模塊中光耦隔離單元的電路圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明4_20mA專用模擬采集模塊做詳細(xì)描述
本發(fā)明提供了一種4_20mA專用模擬采集模塊,主要由I/V轉(zhuǎn)換單元、V/F轉(zhuǎn)換單元、光耦隔離單元、CPLD核心控制單元、供電單元等5部分組成。該4-20mA專用模擬采集模塊將傳感器采集的4-20mA模擬量轉(zhuǎn)換成CPLD可編程采集實(shí)現(xiàn)的10KHz-50KHz的頻率信號,通過CPLD可編程芯片發(fā)送出去,交由其他處理模塊。其中IOKHz對應(yīng)4mA,50KHz對應(yīng) 20mA,電流和頻率之間有著線性的關(guān)系Fqut = 2500IIN (其中Fqut為V/F模塊輸出的頻率信號,Iin為該專用采集模塊的輸入4-20mA的模擬電流)。
工作中,傳感器將采集的4_20mA的模擬量輸入到本發(fā)明的專用模擬采集模塊,先經(jīng)過Ι/ν轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成電壓信號1-5V,再通過運(yùn)算放大器將電壓信號放大穩(wěn)壓,達(dá)到V/F 轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍;經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換輸出10-50KHZ的頻率信號;CPLD核心控制模塊的I/O 口接到頻率脈沖,通過計(jì)數(shù)器的方式記下頻率的參數(shù),經(jīng)過運(yùn)算發(fā)送到CPLD和外圍芯片接連的輸出口,供外圍芯片采集和處理。
圖1為本發(fā)明4_20mA專用模擬采集模塊的原理框圖,主要包括I/V轉(zhuǎn)換單元、V/F 轉(zhuǎn)換單元、光耦隔離單元、CPLD核心控制單元、多路供電單元。該專用模擬采集模塊運(yùn)行過程按圖首先將4-20mA的模擬量采集到I/V轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成1-5V電壓信號;電壓信號經(jīng)過 V/F轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成10K-50KHZ的頻率信號;頻率信號經(jīng)過光耦隔離單元和后面的CPLD核心控制單元隔離;CPLD核心控制單元對采集的頻率脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)、采集、運(yùn)算,通過CPLD的 I/O 口和后臺設(shè)備相連,將CPLD的采集信息上傳;供電單元向該模擬采集模塊供電,其中將 +5V電源轉(zhuǎn)換成+3. 3V,士 12V向該模塊供電。
圖2為本發(fā)明4_20mA專用采集模塊I/V調(diào)理單元原理圖。包括并聯(lián)在4_20mA模擬量兩端的電阻R2和防雷管GDT,分別連接在4-20mA模擬量兩端的電阻Rl和電阻R4,其中,電阻Rl的另一端分為兩路,一路經(jīng)電阻R3接地,另一路連接在放大器0P97的輸入端管腳3上,電阻R4的另一端連接在放大器0P97的另一個(gè)輸入端管腳2上,其中,所述放大器 0P97的管腳4和管腳13分別通過電容C2和電容Cl接地,所述放大器0P97的管腳1為輸出端,在該管腳1和管腳2之間還連接有電阻R5。
4-20mA的模擬量電流經(jīng)過電阻R2變成1_5V的電壓信號,此時(shí)電壓信號和防雷管 GDT并聯(lián),電壓信號經(jīng)過電阻Rl和R3分壓得到輸入電壓,使得放大器0P97的輸入端電壓范圍1-5V ;0P97放大器的管腳2和管腳3是電壓輸入端,管腳4和管腳13分別用0. IuF的電容接地,管腳1為放大器0P97的輸出端,其接IOK電阻和輸入的電流地端相連;放大器在本轉(zhuǎn)換單元中起到隔離放大穩(wěn)壓作用。
圖3為本發(fā)明4_20mA專用采集模塊V/F轉(zhuǎn)換單元原理圖。其中AD6M芯片的管腳4為電壓輸入端,接I/V調(diào)理單元的輸出電壓;管腳1為頻率輸出端,和光耦隔離單元相連;管腳6和管腳7之間連接調(diào)節(jié)電容C4,調(diào)節(jié)電容和管腳1上串聯(lián)的串聯(lián)電阻&組成該轉(zhuǎn)換單元的調(diào)理電路,其轉(zhuǎn)換公式為盡=l0Jc xR,其中,F(xiàn)om為V/F轉(zhuǎn)換單元的輸出頻率,Vin為V/F轉(zhuǎn)換單元的輸入電壓;管腳2接地,管腳5和8分別接供電電壓??梢?,該轉(zhuǎn)換單元的輸入電壓為1-5V,通過V/F轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成10K-50KHZ頻率信號。輸出頻率和輸入的電壓成正比,并且和R6、C4成反比,為了使得輸出的頻率范圍為10K-50KHZ,本發(fā)明特設(shè)定 C4 = 0. OOluF, K= IK Ω。
圖4為本發(fā)明4_20mA專用模擬采集模塊的光耦隔離單元,其中器件HCPL0601芯片的管腳3為頻率信號輸入端,和V/F調(diào)節(jié)單元的輸出端相連;管腳6為光耦隔離單元的輸出端,CPLD核心控制單元的輸入端相連,其輸出端口的頻率信號需要5. IK電阻的上拉;管腳2、管腳7和管腳8分別接供電電源。HCPL0601芯片將輸出的頻率進(jìn)行隔離和信號增強(qiáng), 進(jìn)而將隔離的頻率脈沖信號轉(zhuǎn)換成TTL電平輸出到CPLD的I/O 口,CPLD核心控制單元將采集的頻率信號進(jìn)行計(jì)數(shù)、計(jì)算、輸出到后臺設(shè)備。
本發(fā)明采用可編程器件CPLD對高頻信號進(jìn)行采集、運(yùn)算、輸出,具有精度高、實(shí)時(shí)響應(yīng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。本發(fā)明在研制的過程中,對組成單元的硬件進(jìn)行了充分的設(shè)計(jì)、選型和計(jì)算,既考慮了實(shí)用性,又兼顧經(jīng)濟(jì)性,使得本發(fā)明具有較高的使用價(jià)值。本發(fā)明避免了現(xiàn)有計(jì)數(shù)器的諸多缺點(diǎn),可以實(shí)時(shí)的采集4-20mA的模擬量。本專用4-20mA模擬采集模塊的電流輸入和頻率輸出是線性的關(guān)系,通過實(shí)驗(yàn)對本發(fā)明的采集模塊進(jìn)行最小二乘法數(shù)據(jù)擬合,得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻率和電流的線性關(guān)系,克服了硬件系統(tǒng)帶來的數(shù)據(jù)誤差,使得采集結(jié)果滿足電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集要求。
以上所述僅為本發(fā)明的一種實(shí)施方式,不是全部或唯一的實(shí)施方式,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換,均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種4-20mA專用模擬采集模塊,其特征在于包括I/V轉(zhuǎn)換單元、V/F轉(zhuǎn)換單元、光耦隔離單元、CPLD核心控制單元、多路供電單元,4-20mA的模擬量首先通過I/V轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成1-5V電壓信號,該電壓信號再經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成10K-50KHZ的頻率信號,頻率信號經(jīng)過光耦隔離單元和CPLD核心控制單元隔離,CPLD核心控制單元對采集的頻率脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)、采集和運(yùn)算,最后通過CPLD核心控制單元的I/O 口和后臺設(shè)備相連,將CPLD采集的信息上傳,多路供電單元向該模擬采集模塊供電,其中將+5V電源轉(zhuǎn)換成+3. 3V,士 12V 向該模塊供電。
2.如權(quán)利要求1所述的4-20mA專用模擬采集模塊,其特征在于所述I/V調(diào)理單元包括并聯(lián)在4-20mA模擬量兩端的電阻R2和防雷管GDT,分別連接在4_20mA模擬量兩端的電阻Rl和電阻R4,其中,電阻Rl的另一端分為兩路,一路經(jīng)電阻R3接地,另一路連接在放大器0P97的輸入端管腳3上,電阻R4的另一端連接在放大器0P97的另一個(gè)輸入端管腳2上。
3.如權(quán)利要求1所述的4-20mA專用模擬采集模塊,其特征在于所述V/F轉(zhuǎn)換單元包括AD6M轉(zhuǎn)換芯片,其管腳4與I/V調(diào)理單元的輸出端相連,管腳1與光耦隔離單元相連, 管腳6和管腳7之間連接有調(diào)節(jié)電容C4,該調(diào)節(jié)電容C4和管腳1上連接的串聯(lián)電阻R6構(gòu)成該轉(zhuǎn)換單元的調(diào)理電路。
4.如權(quán)利要求3所述的4-20mA專用模擬采集模塊,其特征在于所述調(diào)理電路的轉(zhuǎn)換公式為Fout = V'N ,其中,F(xiàn)out為V/F轉(zhuǎn)換單元的輸出頻率,Vin為V/F轉(zhuǎn)換單元的輸入IU X U4 X K6電壓。
5.如權(quán)利要求4所述的4-20mA專用模擬采集模塊,其特征在于所述調(diào)節(jié)電容和串聯(lián)電阻的取值為:C4 = 0. OOluF, IK Ω。
6.如權(quán)利要求1所述的4-20mA專用模擬采集模塊,其特征在于所述光耦隔離單元包括光耦隔離器HCPL0601將頻率信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換成TTL電平并輸出給CPLD核心控制單元。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種4-20mA專用模擬采集模塊,包括I/V轉(zhuǎn)換單元、V/F轉(zhuǎn)換單元、光耦隔離單元、CPLD核心控制單元、多路供電單元,4-20mA的模擬量首先通過I/V轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成1-5V電壓信號,該電壓信號再經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成10K-50KHz的頻率信號,頻率信號經(jīng)過光耦隔離單元和CPLD核心控制單元隔離,CPLD核心控制單元對采集的頻率脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)、采集和運(yùn)算,最后通過CPLD核心控制單元的I/O口和后臺設(shè)備相連,將CPLD采集的信息上傳,多路供電單元向該模擬采集模塊供電,其中將+5V電源轉(zhuǎn)換成+3.3V,±12V向該模塊供電。
文檔編號G01D5/244GK102506909SQ20111035463
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者嚴(yán)結(jié)實(shí), 盧鑫, 古海生, 張杭 申請人:中國西電電氣股份有限公司