專利名稱：一種電信號測量裝置及蓄電池浮充電流在線監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新穎的、能滿足信號微弱、測量范圍要求寬、測量精度要求高的電信號檢測需求的電子測量技術(shù)，以及該技術(shù)在各種不間斷電源系統(tǒng)中作后備能源的蓄電池的在線監(jiān)測應(yīng)用，屬于電子測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鉛酸蓄電池大量地使用于電力直流操作電源系統(tǒng)、通信行業(yè)基礎(chǔ)直流電源系統(tǒng)、UPS不間斷交流電源系統(tǒng)等各種不間斷交、直流電源系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池(以下統(tǒng)稱蓄電池)作為這些電源系統(tǒng)的后備能源，當交流停電時，由蓄電池繼續(xù)為負載供電。凡是需要使用后備電源系統(tǒng)的負荷，就表明了它的重要性，例如在變電站、發(fā)電廠、核電、冶金、礦山、化工、地鐵等行業(yè)都有廣泛使用的電力直流操作電源系統(tǒng)，它主要是為這些行業(yè)中的發(fā)電、供電、配電的電氣、熱工中的測量、控制、保護、信號及繼電保護裝置，斷路器中的合閘機構(gòu)，各種直流電機，交流不間斷電源裝置、遠動及通信裝置、事故照明提供電源。電力直流操作電源系統(tǒng)失電將使上述設(shè)備無法工作，往往會引起大的供電事故，且經(jīng)常是火燒連營的大面積事故，因此它的可靠性對于這些行業(yè)的供電安全極為重要。又例如廣泛應(yīng)用于銀行業(yè)、電信數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)的UPS電源系統(tǒng)，它為這些行業(yè)的信息數(shù)據(jù)設(shè)備提供高質(zhì)量的交流電源，是保障這些行業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、信息的質(zhì)量及安全的重要手段。而作為這些不間斷電源系統(tǒng)的后備能源的蓄電池是保證電源系統(tǒng)供電可靠性的最后一道防線，如果它的可靠性、可用性得不到保證，就無法保證不間斷電源系統(tǒng)的供電安全。因此產(chǎn)生了單節(jié)電池電壓在線監(jiān)測、電池內(nèi)阻在線監(jiān)測等多種在線監(jiān)測技術(shù)來監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)蓄電池可能存在的問題，以避免當需要蓄電池組提供能源時，因為蓄電池組存在問題而無法提供所需的能源。另外這些技術(shù)還為監(jiān)測、發(fā)現(xiàn)蓄電池組運行的環(huán)境條件是否存在會影響蓄電池組壽命的不良因素，例如環(huán)境溫度是否合適、浮充電充電電壓是否合適、是否存在與其他蓄電池一致性不好的電池等。如有就應(yīng)盡快排出，畢竟蓄電池組本身是價格昂貴的元件。后備蓄電池組在后備時是處于一種浮充電的充電狀態(tài)，浮充電的目的是為了補充蓄電池自放電損失的容量。浮充電電壓是否合適對蓄電池的壽命至關(guān)重要，浮充電壓偏高將造成蓄電池過充電而失水，進而引起電池發(fā)熱，熱積聚，而損壞蓄電池；浮充電壓偏低則會造成蓄電池欠充，蓄電池長期欠充會因硫酸鉛析出晶體而硫化，硫化造成蓄電池容量的下降、內(nèi)阻的增加。而監(jiān)測浮充電流的大小是判斷浮充電壓是否合理最有效的手段，浮充電流比正常值偏大說明浮充電壓偏高，浮充電流偏小說明浮充電壓偏低。鉛酸蓄電池的正常浮充電流在O. 0Γ0. 03110(注110是以10小時的放電率放電的電流，比如10小時放電率容量ClO為800Ah的蓄電池的IlO為80A)，均衡充電限流值為I. 0110，最大放電電流為5. 5110，即蓄電池回路電流的測量范圍至少需要滿足
O.Of 5. 5110的范圍，跨度很大，接近4個數(shù)量級，而且在浮充電流范圍時測量的精度至少要達到< ±5%才有實際應(yīng)用的價值，這又進一步加大了測量的難度，常規(guī)的測量方法很難做到。例如800Ah的蓄電池(800Ah蓄電池是廣東省電網(wǎng)公司500kV變電站直流電源系統(tǒng)的標準配置)，按上述蓄電池電流測量實際需要的范圍為O. 8A140A，但按電力行業(yè)標準((DL/T5044-2004電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，800Ah的蓄電池組的蓄電池回路的電流測量范圍要達到600A。O. 8A時還要滿足小于±5%的精度，則此時的測量允許絕對誤差要小于±40mA，±40mA與最大測量值600A相差15000倍。常用的直流電流測量元件有分流器之類的康銅電阻和霍爾電流傳感器之類的電流傳感器兩種。康銅電阻測電流是利用歐姆定律，把電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘??？点~電阻的電阻率的溫度特性非常穩(wěn)定，電阻值基本不受溫度影響，因此是理性的電流采樣元件。標準的分流器都是按照額定電流對應(yīng)75mV的電壓設(shè)計電阻值的，按上述800Ah的電池案例，需要選用額定電流600A的分流器，O. 8A時分流器輸出信號為100 μ V, 40mA對應(yīng)O. 5 μ V的信號，信號非常的微弱。極寬的測量范圍、微弱的待測信號，使得采用一個分流器的常規(guī)的測 量方法，很難完成滿足具備浮充電流在線監(jiān)測要求的蓄電池回路電流測量的要求。采用霍爾電流傳感器之類的電流傳感器能實現(xiàn)這個功能嗎？有電流就存在磁場，霍爾電流傳感器之類電流傳感器的基本物理原理就是測量電流產(chǎn)生的磁場的大小來檢測電流的，傳感器有開環(huán)的和閉環(huán)的，閉環(huán)的測量精度、線性度、零點偏移和響應(yīng)速度要好于開環(huán)的，但無論是開環(huán)的還是閉環(huán)的，由于測量磁場的霍爾元件的輸出信號都存在O. 29Tl%量程大小的零點偏移，且這個零點偏移會隨環(huán)境溫度、環(huán)境磁場、時間而發(fā)生19Γ2. 5%量程大小漂移，600Α量程的1%誤差就是6Α，遠大于40mA的要求，因此使用一個電流傳感器的常規(guī)的測量方法也無法滿足上述要求?，F(xiàn)有的蓄電池浮充電流監(jiān)測技術(shù)、專利及其應(yīng)用的情況如下(為了便于說明問題，以下內(nèi)容將結(jié)合附圖進行說明)
①現(xiàn)已公知的技術(shù)，有分別采用如圖I、圖2、圖3所示的三種方案來進行蓄電池充放電電流的測量
I.接觸式浮充電電流測量裝置
見圖1，用一只小量程的電流表Al與一只大量程電流表A2同時串接在蓄電池回路，分別進行測量。這種方法從建國以來沿用至今，還在繼續(xù)被使用。為避免大電流損壞小電流表Al，一般情況下用一只大容量的直流接觸器的常閉觸點將Al短路，當需要測量浮充電流時，人工操作按鈕AN，直流接觸器ZJ打開，使Al串入主回路進行測量。這一方案存在以下4個缺陷
I)原理性缺陷
當進行浮充電流測量時，若負載放電電流突然增大，則浮充電流表必然損壞，且造成蓄電池回路中斷的嚴重事故。2)檢測不連續(xù)，不能實時在線監(jiān)測
顯然，這種方案不能連續(xù)檢測蓄電池的浮充電流，以便對不正常的浮充電流及時報警，提醒運行人員及早消除缺陷。連續(xù)檢測，實時在線監(jiān)測正是該系統(tǒng)所希望的。3)體積大，安裝不方便
直流接觸器ZJ體積大，造成直流屏結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝的困難，同時也造成維修的困難。4)對大容量蓄電池系統(tǒng)，無相應(yīng)規(guī)格的直流接觸器供貨，此方案實施困難。如我國目前和今后相當一段時期的主力火電機組一300麗大型機組，電力設(shè)計規(guī)范要求1400AH以上的蓄電池，其配套用的直流接觸器至少要達到700A，而目前配套直流接觸器最大容量僅600A。
2.二極管式浮充電測量方案
見圖2，這種方法系70年代中后期才開始在國內(nèi)應(yīng)用，但并不很普遍。正常運行時整流器Z的輸出電壓經(jīng)卻換開關(guān)K的3-1節(jié)點接入母線向負載供電，二極管D截止，浮充電流由B到A，全部通過小量程的浮充電流表Al直接測量。當負載電流突然增大時，當負載電流突然增大時，二極管D導(dǎo)通，蓄電池放電電流經(jīng)D流向負載。由于UAB〈1V，恰當選擇Al參數(shù)和R的數(shù)值，使Al的指針僅指示在最大值附近，不致?lián)p壞。當蓄電池充電池，卻換開關(guān)3-2接通，整流器Z經(jīng)K的3-2向蓄電池充電。
此方案的缺陷在于
I)切換開關(guān)K的體積也很不小，還是存在結(jié)構(gòu)上的困難，而且使系統(tǒng)的主接線復(fù)雜，運行不便，降低了可靠性。2)旁路二極管在事故放電時要流過很大的電流，大容量的二極管需水冷或風冷，又增加了結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜和困難，且降低了系統(tǒng)的可靠性。3)也不能對不正常的浮充電流報警。3.不測浮充電流的直流系統(tǒng)
鑒于以上方案的缺陷，為了保證系統(tǒng)的可靠性，干脆取消上述不可靠地浮充電流測量裝置，這是原電力部審定通過的大型發(fā)電廠、大型變電站典型直流系統(tǒng)設(shè)計方案中優(yōu)先推薦的方案，也是80年代中后期許多電站直流系統(tǒng)實際采用的方案，見圖3，并已正式編入電力設(shè)計手冊。不過要指出這實在是一種沒有辦法的辦法，是很不合理的一種回避矛盾的方案，編入電力設(shè)計手冊的該典型設(shè)計方案也沒有指出浮充電流無測量必要性的理由。浮充電流測量的重要性及必要性，之前已從保證蓄電池壽命及電源系統(tǒng)供電的可靠性的角度進行了闡述，另外后備蓄電池目前廣泛采用的恒流恒壓充電方式，其充電過程是否完成的依據(jù)之一，就是末期充電電流的數(shù)值變化率是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)，而末期充電電流的數(shù)值為O. 1110，恰好處于浮充電電流的數(shù)量級附近。由于無法準確結(jié)束充電過程，使人們耽心這種充電制度在實施過程中存在過充和欠充的很大可能性，從而影響大恒流恒壓充電方式的正確推廣應(yīng)用。所以，對于確保蓄電池按照廠家規(guī)定的規(guī)范準確充電和浮充運行，為確保直流系統(tǒng)的可靠性，浮充電流數(shù)量級的小電流的可靠測量裝置對于直流系統(tǒng)是必不可少的部件，取消是不合理的。②近期公開的有關(guān)蓄電池浮充電流在線檢測的專利
I.圖4是中國專利CN92102238. 7及CN9220589. I提出的一種具有浮充電流檢測功能的蓄電池充放電電流的測量技術(shù)。該技術(shù)用一個是分流器作為電流探測元件，基本的原理與普通的用分流器測量電流方法一致，不同的是該技術(shù)利用一個型號為PGA102的增益可編程的運算放大器對分流器的信號大小進行分段測量，不同的測量段采用不同比例進行信號放大，并用單片機根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷并自動切換運算放大器的不同增益，來滿足寬范圍的電流測量的需要。這個專利的原理看起來是可行的，但實際實現(xiàn)起來存在以下問題需要解決
1)PGA102的增益有Χ1、ΧΙΟ、X 100三檔，專利說明書中沒具體提及這三檔在整個測量范圍中怎么分配，但從原理及目的可以推測X 100檔用于信號最小的浮充電流這一段，X 10檔用于限流充電這一段，X I檔用于信號最大的沖擊放電電流這一段。查閱PGA102的技術(shù)手冊，設(shè)為X 100檔增益時，運放的輸入偏移電壓Vio為5(Γ200μν，Vio還會受到溫度的影響，它的溫漂系數(shù)為O. 5 3yV/°C，也即在浮充電流測量段，PGA102自身的零點偏移誤差與有效信號的大小相當，即使采用片外調(diào)零的措施，但由于Vio會隨溫度變化而改變，PGA102的輸出零點會受到溫度影響，而且大小接近有效的信號，溫度每變化I度引起的零點漂移就已經(jīng)超出了浮充電流的5%，因此這個技術(shù)不能有效地測量浮充電流的微弱信號。2)根據(jù)上面提到的800Ah蓄電池的案例，測量范圍的最大值600Α和最小值O. 8A，相差750倍，PGA102的最大固定增益是100倍，顯然不能滿足要求，但可通過外部電阻增加 100檔增益。但上述專利的說明書及附圖里都沒有體現(xiàn)這一點。3)PGA102之后是一個增益為2的精密整流放大器電路，在最大電流時分流器應(yīng)輸出75mV額定信號，根據(jù)圖3及設(shè)計意圖推測，這時PGA102應(yīng)選擇X I檔，經(jīng)過精密整流放大器放大后為150mV，這是給后面的VF轉(zhuǎn)換器LM311的最大輸入信號,LM311推薦的標尺滿度電壓為10V,顯然150mV的信號無法優(yōu)化LM311的工作范圍，而影響整個測量系統(tǒng)的可靠性及測量精度。4)現(xiàn)代的直流電源系統(tǒng)基本上都是采用的高頻開關(guān)技術(shù)了，高頻開關(guān)技術(shù)會產(chǎn)生比較大的干擾，分流器電流信號采集裝置應(yīng)具備可靠有效的信號濾波環(huán)節(jié)，但上述專利的說明書及附圖里都沒有體現(xiàn)這一點。2.中國專利CN1016737613中也提到一種浮充電流在線檢測的技術(shù)，該技術(shù)的方案是在蓄電池電流回路另外單獨加入一種采用磁調(diào)制技術(shù)的小電流傳感器來專門檢測電流較小的浮充電流，均衡充電電流及放電電流還是用公知的技術(shù)測量。這種小電流傳感器也是一種檢測電流產(chǎn)生的磁場的閉環(huán)傳感器，傳感器中有一個補償線圈，補償線圈用于產(chǎn)生一個補償電流去抵消待檢測電流產(chǎn)生的磁場，因此正常工作時傳感器里的磁芯的磁通始終為零，但如果待檢測電流很大，產(chǎn)生的磁場超出了補償線圈的補償能力，補償線圈無法完全抵消信號電流產(chǎn)生的磁場，磁芯就會留下剩磁，從而改變傳感器的輸出零點。蓄電池回路的電流是個寬范圍的信號，小電流傳感器可以較準確地檢測浮充電流的小信號，但在沖擊放電的大電流來時，很容易使得傳感器進入磁飽和，并產(chǎn)生剩磁，從而改變傳感器的輸出零點，由此引起的輸出零點偏移量可以到達傳感器的滿度輸出，如此整個測量系統(tǒng)將無法正常工作。該專利說明書中沒提到這個問題，也沒提到如何解決這個問題。綜上所述，有浮充電流在線監(jiān)測要求的蓄電池回路電流的監(jiān)測應(yīng)用具有信號微弱、測量范圍寬、要求較高的測量精度等特點，用常規(guī)的測量方法難以滿足要求?，F(xiàn)今還沒有可以有效地、可靠地解決問題，很好地滿足該應(yīng)用要求的技術(shù)和產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種新穎的、能滿足微弱信號、寬測量范圍，在整個寬測量范圍內(nèi)都有較高精度要求的電信號測量技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用于蓄電池在線監(jiān)測上，提供一種能滿足蓄電池浮充電流在線監(jiān)測要求的智能直流電流監(jiān)測裝置，解決前述提到的問題。當然，該技術(shù)不應(yīng)被局限于蓄電池浮充電流在線監(jiān)測的應(yīng)用，也可用于有類似技術(shù)要求的溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測等應(yīng)用。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案可以描述為
一種電信號測量裝置，包括信號放大電路、單片機、共模干擾抑制電路和電流信號采集電路電流信號采集電路，其中電流信號采集電路對電流信號進行采樣以將電流信號轉(zhuǎn)換為需要的電壓信號，其輸出端連接共模干擾抑制電路的輸入端，以將信號中的共模干擾濾除；共模干擾抑制電路的輸出接連接信號放大電路的輸入端，信號放大電路由一個或者多個采用積分原理進行信號放大的信號放大單元級聯(lián)而成，其增益自動可變，以將接收的信號進行差模干擾濾除后對信號進行積分放大；單片機與信號放大電路的輸出端連接，在一次測量周期中，單片機執(zhí)行以下步驟
1)單片機首先控制信號放大電路完成第一次帶待測信號的積分放大；
2)單片機對信號放大電路的輸出信號進行采集及A/D轉(zhuǎn)換，然后分析判斷并選擇其中一個放大單元的信號作為第一次采樣的結(jié)果，在信號放大電路只有I個信號放大單元的情況下直接采用其輸出作為第一次采樣的結(jié)果； 3)完成步驟2后，單片機控制信號放大電路屏蔽掉待測信號，然后完成第二次不帶待測信號的積分放大，直接對第一次選定的放大單元的信號進行A/D轉(zhuǎn)換；
4)完成步驟3后，用第一次的結(jié)果減去第二次的結(jié)果，得出的差就是最終的測量數(shù)據(jù)。作為以上技術(shù)方案的改進，信號放大電路采用多個信號放大單元時，所述信號放大單元的數(shù)目η含10。作為以上技術(shù)方案的改進，信號放大電路采用多個信號放大單元時，把測量范圍分段，不同的測量段采用具有不同增益的信號放大單元，多個信號放大單元進行級聯(lián)，每個信號放大單元負責整個測量范圍中的一段范圍的測量。作為以上技術(shù)方案的改進，信號放大電路采用單個信號放大單元時，通過改變積分的時間來自動連續(xù)地調(diào)節(jié)信號放大器的增益，利用A/D轉(zhuǎn)換時間捕捉信號發(fā)生電路捕捉A/D轉(zhuǎn)換的時間點和積分時間。。一種基于以上所述的電信號測量裝置的蓄電池浮充電流在線監(jiān)測裝置，所述裝置還包括用于給裝置輸入信息、修改信息和輸入指令輸入按鍵電路，用于顯示相關(guān)信息的LCD顯示屏，用于指示設(shè)備通電、通信狀態(tài)、告警指示等信息的LED指示燈，用于把系統(tǒng)與外部的接口電路進行隔離以提高裝置可靠性的光耦隔離電路，用于沒有通信條件的情況下實現(xiàn)遠程控制裝置功能的兩路開關(guān)量輸入電路，用于沒有通信條件的情況下實現(xiàn)遠程告警功能的兩路開關(guān)量輸出電路，用于與上級監(jiān)控裝置進行通信的RS485通信接口電路，以及為整個裝置提供工作電源、兼容AC、DC兩種輸入的、采用高頻開關(guān)電源的工作電源。本發(fā)明的有益效果是
I.提供了一種電信號測量技術(shù)，這種技術(shù)與其它技術(shù)相比有以下優(yōu)點
①采用定時積分放大技術(shù)，信號放大電路的增益可很大，理論上可以達到無窮大，因此可檢出很微弱的信號。因為輸出結(jié)果是積分后的平均值，偶發(fā)干擾對測量結(jié)果影響小，因此不易受干擾，適用于惡劣的電磁環(huán)境。②因為積累作用，積分放大電路的輸出零點漂移受運放的偏移輸入電壓、偏置輸入電流及它們的溫漂等因素影響顯著，本發(fā)明采用“兩次積分差值技術(shù)”自動消除這些影響。測量結(jié)果不受測量系統(tǒng)零點漂移的影響，免去定期調(diào)零的工作，適用各種氣候環(huán)境。③采用變增益技術(shù)，根據(jù)輸入信號的大小自動改變放大電路的增益，實現(xiàn)寬范圍測量。測量范圍寬，理論上可做到無窮寬。④采用多信號放大單元的自動改變增益技術(shù)時，各測量單元的測量范圍及測量精度可以根據(jù)實際需要靈活設(shè)置，各級之間可以是等倍數(shù)寬度也可以是不同倍數(shù)寬度，可以設(shè)置成相同的測量精度也可設(shè)為不同的測量精度?？梢愿鶕?jù)實際的需要靈活配置，突出測量范圍中最關(guān)心的一段或幾段的精度。⑤另外該技術(shù)還設(shè)計了完善的干擾抑制電路，信號完整性得以保證。⑥以上幾點綜合起來保證寬范圍的微弱信號的測量仍能達到要求的測量精度(測量精度理論上可以滿足任意的要求)和測量的穩(wěn)定性及可靠性。2. 利用本發(fā)明的核心技術(shù)設(shè)計了一種帶浮充電流在線監(jiān)測的智能數(shù)字直流電流監(jiān)測裝置，這種裝置具有以下特點
I)解決現(xiàn)有公知技術(shù)及已公開的專利技術(shù)中存在或可能存在的各種技術(shù)問題，提供一種能真正滿足實際應(yīng)用的產(chǎn)品。2)測量范圍寬，測量精度在(Γ100%的測量范圍內(nèi)都滿足土(O. 5%+12d)的測量精度要求，可以滿足現(xiàn)行國家及行業(yè)技術(shù)標準及蓄電池浮充電流在線監(jiān)測應(yīng)用的要求，如有需要還可以進一步提高各段的測量精度。3)不需要在蓄電池主回路增加額外的元件，只需從蓄電池回路的分流器引出信號線即可，體積小、重量輕、對電源系統(tǒng)運行的可靠性無影響。4)只需要一個分流器即可完成整個范圍的測量，一種裝置即可與各種規(guī)格的分流器搭配使用，只需要在裝置上修改搭配的分流器額定電流值設(shè)置項即可，通用性強。5)可以很方便地安裝于已經(jīng)運行的電源系統(tǒng)上，預(yù)留有通訊接口及開入、開出接口，易于改造在運行的電源系統(tǒng)，為其增加蓄電池浮充電流在線監(jiān)測功能。6)使用的都是常規(guī)元件，沒使用儀表運算放大器、增益可編程運算放大器等價格昂貴的器件，因此產(chǎn)品還有成本低的優(yōu)勢。


下面結(jié)合附圖對發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明。圖I為現(xiàn)有的接觸器式浮充電流測量電路；
圖2為現(xiàn)有的二極管式浮充電流測量電路；
圖3為現(xiàn)有的不測量浮充電流的直流系統(tǒng)主接線；
圖4為現(xiàn)有技術(shù)中利用增益可編程運放PGA102及單片機系統(tǒng)測量浮充電流的技術(shù)原理 圖5為本發(fā)明的可用于微弱信號、寬測量范圍、高測量精度要求的電信號測量技術(shù)原理框 圖6為本發(fā)明的信號積分放大電路的一個實施例的原理 圖7為本發(fā)明的信號積分放大電路的另一個實施例的原理 圖8為根據(jù)本發(fā)明的帶浮充電流在線監(jiān)測功能的智能數(shù)字直流電流監(jiān)測裝置的原理框圖。
具體實施方式
如前所述，本發(fā)明提出的測量技術(shù)具有3個特點1)可采集極其微弱的電壓信號；
2)允許大跨度的測量范圍；3)在整個測量范圍內(nèi)可以保持高的測量精度。本發(fā)明采用了 3個關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)這些特點1)采用對信號進行定時積分的方法放大信號，這種方法能有效地采集微弱信號；2)采用兩次積分差值技術(shù)，完成一次測量必須進行兩次相等時間的積分放大，第一次積分時積分電路加入待測的信號，第二次積分時短路屏蔽掉待測的信號，然后用兩次的結(jié)果相減，這樣可消除系統(tǒng)的零點漂移產(chǎn)生的共模干擾引起的測量誤差，提高采樣的精度；3)為了滿足寬范圍高精度的要求，要求測量系統(tǒng)的信號放大器的增益是可變的，且是自動調(diào)節(jié)的。本發(fā)明提供兩種自動改變信號放大電路增益的方案。第一種方案把測量范圍分段，不同的測量段采用不同增益的積分放大單元，多個單元進行級聯(lián)，每個單元負責整個測量范圍中的一段范圍的測量，這樣可以提高測量的范圍，并保證整個范圍的測量精度。第二種方案只用一個積分放大單元電路，通過改變積分的時間來自動連續(xù)地調(diào)節(jié)信號放大器的增益，由于積分放大單元的增益G與積分電路的時間常數(shù)τ成反比，與實際積分時間t成正比，τ固定，只要改變t就可以改變放大器的增益。第一種方案采樣速度快，但電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高；第二種方案采樣速度較慢，尤其在測量范圍的低段時，但它電路結(jié)構(gòu)簡單，成本更低。兩種方案各有利弊，可根據(jù)具體應(yīng)用的情況選擇。圖5是本發(fā)明的核心技術(shù)的原理框圖，其以接入分流器輸出的電壓信號為例，當然，也可采用其它類型的傳感器采集其輸出電壓信號。電路的結(jié)構(gòu)大致如下電流信號由電流信號采集電路4中的分流器(FL)采集，電流信號采集電路4的輸出接共模干擾抑制電路3的輸入，共模干擾抑制電路3的輸出接信號放大電路I的輸入。信號放大電路I和單片機2構(gòu)成是本發(fā)明的技術(shù)核心。信號放大電路I由η個采用積分原理進行信號放大的信號放大單元級聯(lián)而成，見圖5中的(1-1) (I-η)，為了滿足寬范圍、高精度測量的要求，信號放大電路I的增益是自動可變的。其中η是信號放大單元的數(shù)量，采用第一種方案改變增益時，η最小值為2，最大值理論上可為無窮，實際應(yīng)用時η含10為宜，η=10已經(jīng)具有足夠的測量精度；采用第二種變增益方案時，η=ι。在采用第一種變增益方案的優(yōu)選實施例中，多個積分放大單元電路的級聯(lián)方式為η個信號放大單元的信號輸入端(圖5中in+、in-)并聯(lián)，輸出端(圖5中out)分別接到單片機2的η個A/D轉(zhuǎn)換輸入端(圖5中A/DfA/Dn)。在另外的實施例中，也可使用⑶4016之類的數(shù)據(jù)多路開關(guān)IC對單片機的I個A/D轉(zhuǎn)換輸入端進行擴展，以減少占用單片機的I/O 口，積分放大單元的輸出端接多路開關(guān)的輸入端，多路開關(guān)的輸出端并聯(lián)后接單片機的A/D轉(zhuǎn)換輸入端。每個信號放大單元還有兩個TTL電平的開入端(圖5中的drvA、drvB)分別接單片機2的兩個開出端[圖5中單片機2的drvA、drvB 口 ]。圖5中的各個功能單元電路的作用是電流信號采集電路4把電流信號轉(zhuǎn)換為測量系統(tǒng)需要的電壓信號；共模干擾抑制電路3把電流信號采集電路4采集到的信號中的共模干擾濾除；信號放大電路I把共模干擾抑制電路3處理過的信號再進行差模干擾濾除， 然后對信號進行積分放大。單片機2的功能包括把信號放大電路I放大后的信號進行A/D轉(zhuǎn)換；控制或計算信號放大電路I的積分定時時間；控制信號放大電路I的積分輸出信號的清零；判斷選擇信號放大電路I中的η個輸出中的某一個作為有效的采集信號；控制信號放大電路I完成一次測量中的兩次積分放大，對有效的采集信號進行系統(tǒng)共模誤差(零點漂移)消除處理，計算出最終結(jié)果。本發(fā)明所提出的整個技術(shù)的工作原理為電流信號經(jīng)電流信號采集電路4采樣，共模干擾抑制電路3濾除信號中的共模干擾后送到信號放大電路I中，信號放大電路I的各單元對輸入信號進行差模濾波、共模濾波、預(yù)放大、再差模濾波，對濾清干擾后的信號進行積分放大。一次完整測量的過程整個測量過程由單片機2控制，首先單片機2控制信號放大電路I完成第一次帶待測信號的積分放大，并對信號放大電路I的輸出信號進行采集及A/D轉(zhuǎn)換，然后分析判斷并選擇其中一個放大單元的信號作為第一次采樣的結(jié)果，如果信號放大電路I只有I個信號放大單元就不用分析判斷直接以它為結(jié)果第一次采樣。完成以上工作后單片機2控制信號放大電路I屏蔽掉待測信號，然后完成第二次不帶待測信號的積分放大，直接對第一次選定的放大單元的信號進行A/D轉(zhuǎn)換。完成后，用第一次的結(jié)果減第二次的結(jié)果，得出的差就是最終的測量數(shù)據(jù)，至此就完成了一次測量，接著開始下一次測量，周而復(fù)始。圖8是本發(fā)明的核心技術(shù)在蓄電池在線監(jiān)測中的一個應(yīng)用，此實施例是一種可滿足蓄電池浮充電流在線監(jiān)測應(yīng)用的智能數(shù)字直流電流監(jiān)測裝置。該裝置在圖6的基礎(chǔ)上增加以下單片機2的外圍功能電路輸入按鍵電路5用于給裝置輸入信息、修改信息和輸入指令；IXD顯示屏6用于顯示相關(guān)信息；LED指示燈7用于指示設(shè)備通電、通信狀態(tài)、告警指示等信息；光耦隔離電路8用于把系統(tǒng)與外部的接口電路進行隔離，提高裝置的可靠性；兩路開關(guān)量輸入電路9，用于沒有通信條件的情況下實現(xiàn)遠程控制裝置功能；兩路開關(guān)量輸出電路10用于沒有通信條件的情況下實現(xiàn)遠程告警功能；RS485通信接口電路11，用于有通信條件時，裝置與上級監(jiān)控裝置進行通信，把信息上傳上級監(jiān)控裝置；工作電源12，它是一個兼容AC、DC兩種輸入的高頻開關(guān)電源，為整個裝置提供工作電源。圖8中的電流信號采集電路4中的分流器FL不在裝置內(nèi)部，是裝置外配的。增加的功能單元電路5 11都是單片機2的外圍接口電路，功能及原理與通常的智能設(shè)備相關(guān)電路差不多，這里就不再詳述。具體上說，如圖5所示，共模干擾抑制電路3由一個共模濾波電感組成，信號放大電路I與單片機2構(gòu)成本技術(shù)的核心。圖6是圖5的信號放大電路I的電路原理圖，它由輸入濾波電路111、輸入信號屏蔽開關(guān)112、信號前置放大電路113、信號積分放大電路114、輸出信號緩沖電路115、MOSFET開關(guān)驅(qū)動電路116等六個單元組成。輸入濾波電路111是由Rl、R2、Cl組成的低通濾波器，作用是對輸入信號進行平衡濾波，濾除信號中的差模干擾；輸入信號屏蔽開關(guān)112由MOS管Ql組成，它被作為一個開關(guān)使用，作用是把輸入信號短路，不讓信號進入信號積分放大電路114 ;信號前置放大電路113是由電阻R3、R4、R9、R10、UlB組成的一個增益為I的差動放電器，它的作用是進一步濾除信號中的共模干擾，其增益也可大于I，對輸入信號進行預(yù)放大；信號積分放大電路114由R11、C3、R13、C2、U1C、Q2組成，作用是把輸入的信號進行積分放大，其中R11、C3組成的RC濾波電路對輸入到UlC的信號再進行一級低通濾波，濾除差模干擾，R13、C2、U1C組成積分放大電路，積分放大電路的增益Gl=Vout/Vin=l+t/τ ,其中，t為積分時間長度，τ為積分電路的時間常數(shù),Vout為積 分放大電路的輸出電壓，Vin為積分放大電路輸入信號電壓。Gl的最大理論值可以達到無窮大，即使非常微弱的信號也可通過改變t和τ放大到需要的值，MOS管Q2在此也是作為開關(guān)使用，作用是在重新啟動一次積分前給C2放電；輸出信號緩沖電路115由R5、R6、R7、R8、UlD、Rl2、C4組成，R5、R6、R7、R8、UlD組成一個增益為I的放大電路，主要目的是消除前面一級積分放大電路的增益公式里多出的1，以使得信號放大電路的增益與積分時間t成線性比例關(guān)系，這時整個放大器的增益G=Gl-I=V τ，另外該級電路還有信號緩沖的作用。R12、C4組成RC低通濾波器在放大器的輸出信號進入單片機時再進行一次濾波；MOSFET開關(guān)驅(qū)動電路116是MOS管驅(qū)動電路，用于驅(qū)動Q1、Q2開通及關(guān)斷，由圖5中單片機2進行控制。為提高全范圍的測量精度需要根據(jù)信號的大小自動調(diào)節(jié)信號放大電路信號放大電路I的增益，本發(fā)明提供兩種自動調(diào)節(jié)增益的方案
第一種方案的原理η個積分信號放大單元的輸入端并聯(lián)，輸入信號是相同的，積分時間t也相同并設(shè)為一個固定值，只要給它們設(shè)置不同的積分時間常數(shù)τ，即可賦予它們不同的增益。于是我們可按測量范圍、測量精度的要求進行測量范圍的分段，每段由一個信號放大單元負責，并據(jù)此設(shè)置每個信號放大單元的增益。這種方案信號放大器增益是分段階梯調(diào)節(jié)的，每一段都有自己的增益且是固定值。 第二種技術(shù)方案的原理只用一個積分信號放大單元，積分時間常數(shù)τ是固定值，積分時間t根據(jù)輸入信號大小而自動改變，這樣就可以調(diào)節(jié)信號放電器的增益。輸入信號小的時候積分時間長，增益就大，輸入信號大的時候積分時間短，增益就小。這種方案的增益是連續(xù)調(diào)節(jié)的。采用第一種自動調(diào)節(jié)增益方案時圖5中的信號放大電路I由多個圖6中的電路組成；采用第二種自動調(diào)節(jié)增益方案時圖5中的信號放大電路I由I個圖7中的電路組成。圖7與圖6的區(qū)別在于圖7還含有A/D轉(zhuǎn)換時間捕捉信號發(fā)生電路117這個功能單元，由LM393比較器U2B、R14、R15、C5組成，LM393正輸入端接放大器的輸出，它的輸出信號接到單片機的一個具有中斷功能的I/O 口。A/D轉(zhuǎn)換時間捕捉信號發(fā)生電路117作用是當積分放大器對輸入信號積分達到參考值VacLref時A/D轉(zhuǎn)換時間捕捉信號發(fā)生電路117輸出由低電平轉(zhuǎn)為高電平，通知圖5中的單片機2進行A/D轉(zhuǎn)換采樣，于此同時記下積分時間t的長度。測量系統(tǒng)的一次完整測量的過程整個測量過程由單片機2控制，首先單片機2通過drvB控制Q2導(dǎo)通，給C2放電，Q2導(dǎo)通時間長度應(yīng)保證C2完全放電，C2放完電后單片機2再控制Q2關(guān)斷，積分電路開始工作，于此同時單片機2開始計時，當積分時間t到時單片機2通過drvA控制Ql導(dǎo)通，短路輸入信號不再讓它進入后邊的放大電路，于此同時單片機2立即進行A/D轉(zhuǎn)換采樣，對信號放大單元(1-1) (I-η)的輸出信號依個進行采樣，然后分析、判斷并選擇其中一個放大單元的信號作為測量結(jié)果。單片機2完成前述任務(wù)后再重復(fù)前面步奏，給C2放電，完成一次測量中的第二次積分，第二次積分時間與第一次相同，積分時間到后直接對第一次積分選擇的有效放大單元的輸出進行A/D采樣，然后用該通道的第一次積分A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果減去第二次的結(jié)果，消除系統(tǒng)的零點漂移誤差，最后得出的結(jié)果就是本次測量的結(jié)果，再按積分放大器的增益公式計算出電流值，測量完第二次積分放大的結(jié)果后，單片機2控制Ql斷開，至此完成一次測量，接著重復(fù)上述過程進行下一次測量，周而復(fù)始。采用一個圖7中的信號放大單元的技術(shù)方案的工作原理與前一個方案大部分相同，不同之處在于1)它的積分時間t不是固定的，而是在第一次積分時根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換時間捕捉信號發(fā)生電路117發(fā)出的信號來結(jié)束積分，改變t即可改變圖5中信號放大電路I的增益，單片機把每次測量的第一次積分的時間t記錄下來，第二次積分就按t計時；2)不用進行有效通道的判斷及選擇。圖6、圖7中的運放U1B、U1C、UlD應(yīng)選用低Vio的運放，以提高A/D轉(zhuǎn)換的利用率，這里選用的是opa376,但不局限于選用opa376,也可選擇其他運放；開關(guān)Q1、Q2選用低導(dǎo)通電阻的MOS管，但不局限于使用MOS管，也可選用繼電器、三極管等作為開關(guān)使用；圖7中比較器U2B采用LM393，也可采用其他型號比較器。圖5中單片機2選擇的是microchip的PIC16F886型單片機，這個單片機有11個10位的A/D轉(zhuǎn)換通道，能滿足大部分應(yīng)用的要求，單片機2不局限于使用PIC16F886，也可選用其他的單片機，當單片機的A/D轉(zhuǎn)換通道不夠用或影響到單片機I/O 口的分配時，也可用CD4016等多路數(shù)據(jù)選擇開關(guān)IC進行擴展，也不局限于使用單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，也可使用單片機片外的轉(zhuǎn)換精度更高的獨立的A/ D轉(zhuǎn)換器。MOS管驅(qū)動電路可以用分離元件設(shè)計也可用專門的驅(qū)動芯片，這里不再詳述。將以上的所述的裝置應(yīng)用到蓄電池浮充電流在線監(jiān)測領(lǐng)域，可得到蓄電池浮充電流在線監(jiān)測的直流電流監(jiān)測裝置的一個具體實施例。本裝置希望有較快的測量速度，因此選擇用本方明提供的技術(shù)的第一種調(diào)節(jié)信號放大電路增益的方案。圖8中的信號放大電路I由5個圖6中的單元電路組成。為了能直觀地理解我們?nèi)砸?00Ah蓄電池為例，按DL/T5044-2004規(guī)定，蓄電池回路電流的監(jiān)測儀表測量范圍為(Γ600Α，額定滿量程為600A，浮充電流為O. 8^2. 4A，對應(yīng)O. 1339Γ0.4%額定滿量程。我們把整個量程分為5段由積分放大單元(1-1廣(1-5)分別負責測量，(1- Γ(1-5)的分段測量范圍/增益G分別設(shè)置為不同的值，以保證下面提出的測量精度指標。單片機2選用PIC16F886型單片機，共模干擾抑制電路3是一個10(Γ 50 μ H的共模濾波電感，電流信號采集電路4放在裝置之外不用考慮，5 11是常規(guī)電路單片機外圍電路，這里不做詳細說明，12是用Power Integration公司的Tny278設(shè)計的一個兼容交流/直流輸入的3路輸出的小功率開關(guān)電源。11這里使用的是LCD液晶顯示屏，也可以選用LED
數(shù)碼管。以上所述的蓄電池浮充電流在線監(jiān)測的直流電流監(jiān)測裝置具有以下主要性能參數(shù)
顯示精度為4位，測量精度為土(O. 5%+12d) @(Γ100%額定滿量程，顯示單位Α。工作電源交流85 265Vac/直流85 320Vdc 并具有以下功能
測量和顯示電流。自動切換量程及顯示。參數(shù)設(shè)置功能可在面板設(shè)置配置的分流器的額定電流、浮充電流告警上下限值、浮充過流告警延時時間、均充過流告警值、測量偏差比例校正系數(shù)；
告警功能浮充電流異常告警、均充過流告警，裝置故障告警，并可通過RS485通訊或開關(guān)量上傳告警信息。數(shù)字整定功能可在面板上輸入校正系數(shù)整定測量的比例誤差。通訊功能具備RS485通訊接口，可以上傳數(shù)據(jù)及告警信息。具有兩路開入接口，可以通過開入量進行遠程控制。
當然，該技術(shù)不應(yīng)被局限于蓄電池浮充電流在線監(jiān)測的應(yīng)用，也可用于有類似技術(shù)要求的溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域以上所述只是本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，其并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限制，只要是以基本相同的手段實現(xiàn)本發(fā)明的目的都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種電信號測量裝置，其特征在于包括信號放大電路(I)、單片機(2)、共模干擾抑制電路(3 )和電流信號采集電路(4 )，其中電流信號采集電路(4 )對電流信號進行采樣以將電流信號轉(zhuǎn)換為需要的電壓信號，其輸出端連接共模干擾抑制電路(3)的輸入端，以將信號中的共模干擾濾除；共模干擾抑制電路(3)的輸出接連接信號放大電路(I)的輸入端，信號放大電路(I)由一個或者多個采用積分原理進行信號放大的信號放大單元級聯(lián)而成，其增益自動可變，以將接收的信號先進行差模干擾濾波再對信號進行積分放大；單片機(2)與信號放大電路(I)的輸出端連接，在一次測量周期中，單片機(2)執(zhí)行以下步驟 1)單片機(2)首先控制信號放大電路(I)完成第一次帶待測信號的積分放大； 2)單片機(2)對信號放大電路(I)的輸出信號進行采集及A/D轉(zhuǎn)換，然后分析判斷并選擇其中一個放大單元的信號作為第一次采樣的結(jié)果，在信號放大電路(I)只有I個信號放大單元的情況下直接采用其輸出作為第一次采樣的結(jié)果； 3 )完成步驟2后，單片機(2 )控制信號放大電路(I)屏蔽掉待測信號，然后完成第二次不帶待測信號的積分放大，直接對第一次選定的放大單元的信號進行A/D轉(zhuǎn)換； 4)完成步驟3后，用第一次的結(jié)果減去第二次的結(jié)果，得出的差即為最終的測量數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電信號測量裝置，其特征在于信號放大電路(I)采用多個信號放大單元時，所述信號放大單元的數(shù)目n ^ 10。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電信號測量裝置，其特征在于信號放大電路(I)采用多個信號放大單元時，把測量范圍分段，不同的測量段采用具有不同增益的信號放大單元，多個信號放大單元進行級聯(lián)，每個信號放大單元負責整個測量范圍中的一段范圍的測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電信號測量裝置，其特征在于信號放大電路(I)采用單個信號放大單元時，通過改變積分的時間來自動連續(xù)地調(diào)節(jié)信號放大器的增益，利用A/D轉(zhuǎn)換時間捕捉信號發(fā)生電路(117)捕捉A/D轉(zhuǎn)換的時間點和積分時間。
5.一種根據(jù)以上權(quán)利要求中任意一項所述的電信號測量裝置的蓄電池浮充電流在線監(jiān)測裝置，所述裝置還包括用于給裝置輸入信息、修改信息和輸入指令輸入按鍵電路(5)，用于顯示相關(guān)信息的LCD顯示屏(6)，用于指示設(shè)備通電、通信狀態(tài)、告警指示等信息的LED指示燈(7)，用于把系統(tǒng)與外部的接口電路進行隔離以提高裝置可靠性的光耦隔離電路(8)，用于沒有通信條件的情況下實現(xiàn)遠程控制裝置功能的兩路開關(guān)量輸入電路(9)，用于沒有通信條件的情況下實現(xiàn)遠程告警功能的兩路開關(guān)量輸出電路(10)，用于與上級監(jiān)控裝置進行通信的RS485通信接口電路(11 )，以及為整個裝置提供工作電源并兼容AC、DC兩種輸入的、采用高頻開關(guān)電源的工作電源(12 )。
全文摘要
本發(fā)明所提出的電信號測量裝置采用對信號進行定時積分的方法放大信號，這種方法能有效地采集微弱信號；本發(fā)明采用兩次積分差值技術(shù)，完成一次測量必須進行兩次相等時間的積分放大，第一次積分時積分電路加入待測的信號，第二次積分時短路屏蔽掉待測的信號，然后用兩次的結(jié)果相減，這樣可消除系統(tǒng)的零點漂移引起的測量誤差，提高采樣的精度；本發(fā)明為了滿足寬范圍高精度的要求，要求測量系統(tǒng)的信號放大器的增益是可變的，且是自動調(diào)節(jié)的。這樣，本發(fā)明提出的測量技術(shù)不僅可以采集極其微弱的電壓信號，允許大跨度的測量范圍，而且在整個測量范圍內(nèi)可以保持高的測量精度。
文檔編號G01R19/00GK102636680SQ20121012382
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
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