CN101949988A - 一种电平型信号断线故障的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电平型信号断线故障的检测装置，包括：被测电平型信号通过顺向二极管D1、分压电阻R1、限流电阻R3连接到所述NPN型三极管的基极上，分压电阻R1和限流电阻R3之间设置采样参考点，采样参考点通过分压电阻R2接地，所述采样参考点还通过抗干扰电容C1接地，NPN型三极管的基极通过补偿电阻R4接地，NPN型三极管的发射极接地，所述NPN型三极管的集电极通过电阻R5连接外接电源，NPN型三极管的集电极作为检测输出端，还包括判断单元，用于接收从NPN型三极管的集电极端输出的电压信号，判断NPN型三极管集电极端电压信号是否大于预设的第一阈值，如果大于，则输出电平型信号发生断线故障的结果。

Description

一种电平型信号断线故障的检测装置

技术领域

本发明属于电平型信号的故障检测技术，尤其涉及一种电平型信号断线故障的检测装置。

背景技术

对于输出信号为电平型信号的工业控制系统中，有时会因控制系统内部发生断线等故障，导致电平型信号的输出不正常，例如低于预定的电压值等。为此，需要对电平型信号进行断线检测。电平型信号的断线检测是各类检测系统的重要安全指标，在工业控制系统中，断线检测是最基本也是最重要的技术指标，在自动化行业和其他检测系统中，对电平型信号和触点传感器的配电电压信号的断线检测比较普遍。

目前对电平型信号的检测主要采用AD采样和使用集成电路等技术。AD采样技术采集速度较慢，而且成本偏高，不适合大范围推广使用。为了降低成本，现有技术中采用集成比较器电路的电平型信号检测电路，但是比较器的处理速度也很慢，而且在临近比较值比较时容易产生振荡，检测结果的可靠性低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电平型信号的断线故障检测装置，该装置检测速度快，而且可靠性高。

为实现上述目的，本发明提供一种电平型信号断线故障的检测装置，包括：被测电平型信号通过顺向二极管D1、分压电阻R1、限流电阻R3连接到所述NPN型三极管的基极上，所述分压电阻R1和限流电阻R3之间设置采样参考点，所述采样参考点通过分压电阻R2接地，所述采样参考点还通过抗干扰电容C1接地，所述NPN型三极管的基极通过补偿电阻R4接地，所述NPN型三极管的发射极接地，所述NPN型三极管的集电极通过电阻R5连接外接电源，所述NPN型三极管的集电极作为检测输出端，还包括判断单元，用于接收从所述NPN型三极管的集电极端输出的电压信号，判断所述NPN型三极管集电极端电压信号是否大于预设的第一阈值，如果大于，则输出电平型信号发生断线故障的结果。

优选地，所述电平型信号的断线检测装置的采样参考点处电平幅值是根据实际情况自行设定的。

优选地，所述电平型信号的断线检测装置的第一阈值可根据实际情况自行设定，但必须大于NPN型三级管集电极-发射极饱和曲线电压V_CE的最大值。

优选地，所述顺向二极管的正向导通电压是根据选择的二极管的技术指标进行确定的。

优选地，正常时所述待测电平型信号幅值设定为5V，断线时所述电平型信号幅值设定为小于2.5V；所述第一阈值设定为0.8V。

优选地，正常时所述待测电平型信号幅值设定为12V，断线时所述电平型信号幅值设定为小于9V；所述第一阈值设定为0.8V。

优选地，正常时所述待测电平型信号幅值设定为24V，断线时所述电平型信号幅值设定为小于15V；所述第一阈值设定为0.8V。

优选地，正常时所述待测电平型信号幅值设定为48V，断线时所述电平型信号幅值设定为小于30V；所述第一阈值设定为0.8V。

优选地，正常时所述待测电平型信号幅值设定为110V，断线时所述电平型信号幅值设定为小于70V；所述第一阈值设定为0.8V。

本发明实施例提供的断线故障检测装置相对于现有技术中采用A/D采样和集成比较器电路的方案，结构相对简单，而且采用的如二极管、电阻等常规元器件的可靠性和灵敏度都很高，这就使得本发明实施例提供的断线故障检测装置在检测速度和可靠性方面相对于现有技术都得到了极大的改善。另外，与现有技术中断线检测装置都采用结构复杂、成本昂贵的器件相比，本发明实施例中的断线检测装置由成本较低的常规器件组成，降低了整个装置的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种电平型信号的断线检测装置的示意图；

图2是采用电平型信号直接作为输入的接线配置电路与本发明实施例提供的电平型信号断线检测装置的连接示意图；

图3是采用触点型传感器的配电信号作为电平型信号输入的接线配置电路与本发明实施例提供的电平型信号的断线检测装置的连接示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种电平型信号的断线检测装置，当被检测的电路电压低于一定幅值时，即认为被检测电平型信号断路，可以根据被测电平型信号跌落幅度来判断被测电路的通断情况。本发明检测电路可以应用于各种以电平型信号为输入信号的系统中，也可应用于各种以触点型传感器为输入信号的系统中。在前一种系统中，可检测待测电平型信号低于第一幅值时即认为电平型信号断线，在后一种系统中，可检测触点型传感器配电信号电压值低于一定幅值时即认为触点型传感器配电断线。

图1示出了本发明实施例提供的电平型信号断线故障检测装置的示意图。在图1中，点A为输入待测电平型信号的采样参考点，该采样参考点设置在分压电阻R1和限流电阻R3之间。该检测装置具体包括：一NPN型三极管Q1，该NPN型三极管Q1的基极通过限流电阻R3连接至采样参考点，采样参考点通过分压电阻R2接地，采样参考点还通过抗干扰电容C1接地。NPN型三极管Q1的发射极接地。NPN型三极管Q1的基极通过补偿电阻R4接地，NPN型三极管Q1的发射极接地，NPN型三极管Q1的集电极通过电阻R5连接外接电源；另外，NPN型三极管Q1的集电极作为检测输出端，另外，本实施例中的故障检测装置还包括判断单元101，该判断单元101用于接收从NPN型三极管Q1的集电极端输出的电压信号，判断NPN型三极管Q1的集电极端电压信号是否大于预设的第一阈值，如果大于，则输出电平型信号发生断线故障的结果。

另外，为了防止被检测电平型信号反接时损坏被检测电路，在采样参考点与被检测电路之间还串联设置顺向二极管D1和分压电阻R1，其中顺向二极管D1的输入端为二极管的阳极，也是被检测的电平型信号的输入端，顺向二极管D1的输出端为二极管的阴极，顺向二极管D1的输出端连接分压电阻R1的一端，分压电阻R1的另一端连接采样参考点。

根据被检测的电平型信号的来源不同，即被检测电路的类型不同，将采用不同的接线配置电路。图2示出了采用电平型信号直接作为输入的接线配置电路与本发明实施例提供的电平型信号断线检测装置的连接示意图。图3示出了采用触点型传感器的配电信号作为电平型信号输入情况下接线配置电路与本发明实施例提供的电平型信号的断线检测装置的连接示意图。

在实际应用中，根据被检测电路的实际情况，可以对本实施例中的电平型信号断线故障检测装置的电路参数进行设计和选择，包括各个电阻的阻值、电容的电容值、二极管和三极管的具体性能参数。

以下详细说明本发明实施例的检测装置对电平型信号的断线故障检测的原理。

请同时参见图2和图3，在被检测电路正常工作时，图2和图3中的三极管Q1处于饱和状态，此时，即NPN型三极管Q1的集电极和基极之间正偏，基极和发射极之间也正偏，此时作为断线检测装置的检测输出端(即NPN型三极管Q1的集电极)输出的电压为V_CE(即三极管集电极-发射极饱和曲线电压)，V_CE一般很小，约为0.1V～0.3V，输出结果可以看成是低电平。当发生断线故障时，NPN型三极管Q1处于截止状态，此时作为断线检测装置的检测输出端输出的电压为V-I_CBO*R₅，其中I_CBO(即三极管集电极-基极关断电流)约为0，V为断线检测装置中的外接电源的电压，可以认为是高电平。

在图2和图3中虚线框表示的为接线配置电路。对于以电平型信号直接作为输入的情况，采用图2中所示的接线配置电路，此时V₁为电平型信号，配置电阻R，为方便描述，其阻值也表示为R。对于以触点型传感器配电信号为输入信号的情况，接线配置电路采用图3中虚线框内表示的结构，其中V₁为触点型传感器的配电电平信号，R为配置电阻，配置电阻R与触点型传感器并联。当触点型传感器为无源触点型传感器时，V₁为另外配电的电平信号；当触点型传感器为有源触点型传感器时，V₁为有源触点型传感器自带的配电电平信号。

以下说明对图2和图3中的电平型信号断线故障检测装置中的各个器件参数的设计过程。

根据实际选取顺向二极管D1和NPN型三极管Q1，则顺向二极管D1的正向压降V_D、NPN型三极管Q1的直流增益H_FE、三极管Q1的集电极最大电流I_cmax、三极管Q1基极-发射极开启电压V_BE，三极管Q1集电极-发射极饱和曲线电压V_CE、三极管Q1发射极-基极关断电流I_EBO、三极管集电极-基极关断电流I_CBO均为已知且可查询。电平型信号幅值为V₁，断线检测装置额定电流为I，采集点A的电压为V_A，三极管Q1的基极电压为V_b，三极管基极电流为I_b，三极管Q1集电极电压为V_c，三极管Q1集电极电流为I_c。对于断线检测装置，则有：

$I=\frac{V_1-V_D-V_A}{R_1}$ (式子1)

$V_A=\frac{(V_1-V_D)*R_2}{R_1+R_2}$ (式子2)

当

时，三极管Q1处于饱和状态，V_b＝V_BE，

V_c＝V_CE，应用时判断三极管Q1的集电极端输出电压为低电平，此时输入电平型信号处于正常状态。

当

时，三极管Q1处于截止状态，

I_b＝I_EBO≈0，I_c＝I_CBO≈0，V_c＝V-I_C*R₅≈V，应用时判断三极管Q1的集电极端输出电压为高电平，此时输入电平型信号处于断线状态。

假设待测电平型信号正常电压幅值为V₁，用户设定待测电平型信号电压幅值跌落到V_x即认为断线，此时跌落幅度为V₁-V_x。设正常电压幅值为额定工作状态，断线检测装置的额定电流为I，当电压幅值为V_x时，检测电路电流为I_x。根据待测电平型信号幅值V₁、额定电流I选择合适的V_A，根据(1)式确定合适的R₁、R₂。

另外，根据式子1有：

$R+R_1=\frac{V_X-V_D-V_A}{I_X}$ (式子3)；

由于根据式子1和式子2可以确定R1和R2，所以根据式子3可以确定配置电阻阻值R，根据式子3可知当检测到电流大于I_x时，电平型信号幅值大于V_x。

根据RC滤波原理，有式子4和式子5成立：

$R_c=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×f\×C_1}$ (式子4)

$\frac{R_2\left|\right|R_c}{R+R_1+\left(R_2\right|\left|R_c\right)}\≈0.7$ (式子5)

其中，Rc为电容C1的容抗，R2||Rc为R2与Rc的并联阻抗，f为被测电平型信号的最大开关频率，也是RC滤波电路的中的截止频率，RC滤波电路包含R1、R2和C1。

由于已经确定了R、R1和R2的值，根据式子4和式子5可确定C1。因电容本身的误差较大，因此实际选取电容C1时应保留足够余量，以保证断线故障检测电路在电容最大偏差内能正常工作。

根据三极管Q1的集电极最大电流I_c以及H_FE，有以下两式成立：

$I_b\≤\frac{I_c}{H_{\mathrm{FE}}}$ (式子6)

$R_3>\frac{V_{\mathrm{BE}}}{I_b}$ (式子7)

当

时，三极管Q₁的基极有小电流I_b的存在，但是由于R₃、R₄的分压作用，V_b将更低，因此R₄可防止三极管Q₁的误动作。根据上述推导确定的R₃以及分压关系，从而确定R₄，R₄的合适选取决定输入断线检测误差的大小。

根据三极管Q₁的最大I_c确定R₅。R₅取值偏大有助于提高对被测信号的检测精度。R₅取值满足下式：

$R_5>\frac{V-V_{\mathrm{BE}}}{I_c}$ (式子8)

这样，通过以上过程，各个电阻的阻值就确定了。

以下为几个通过上述推导过程计算、确定出的实施例的电路器件参数，实施例中各项指标均为设定参考值。但具体使用时不限于设定的参考指标，可根据上述推导过程重新计算、确定。

实施例一

本实施例中的电平型信号断线故障的检测装置应用于5V电平型信号故障诊断，即正常工作时，待测电平型信号幅值为5V，假设待测电平型信号的幅值跌到2.5V以下即认为断线，并设定断线时电路电流小于或等于1mA。设定但不限于，从三极管Q1的集电极输出的电压V_c＞1.7V时，判断单元判断为高电平；当V_c＜0.8V时，判断单元判断为低电平。顺向二极管D₁的正向压降V_D为0.7V，三极管Q1的基极-发射极开启电压V_BE为0.7V，三极管Q1的集电极-发射极饱和曲线电压V_CE为0.1V～0.3V。根据上述推导过程计算、确定后，各个电阻和其他器件的参数参见如下列表：

表1

实施例二

本实施例中的电平型信号断线故障检测装置应用于12V的电平型信号故障诊断，即正常工作时，待测电平型信号幅值为12V，假设待测电平型信号的幅值跌到9V以下即认为断线，并设定断线时电路电流小于或等于1mA。设定但不限于，从三极管Q1的集电极输出的电压V_c＞1.7V时，判断单元判断为高电平；当V_c＜0.8V时，判断单元判断为低电平。顺向二极管D₁的正向压降V_D为0.7V，三极管Q1的基极-发射极开启电压V_BE为0.7V，三极管Q1的集电极-发射极饱和曲线电压V_CE为0.1V～0.3V。根据上述推导过程计算、确定后，各个电阻和其他器件的参数参见如下列表：

表2

实施例三

本实施例中的电平型信号断线故障检测装置应用于24V的电平型信号故障诊断，即正常工作时，待测电平型信号幅值为24V，假设待测电平型信号的幅值跌到15V以下即认为断线，并设定断线时电路电流小于或等于1mA。设定但不限于，从三极管Q1的集电极输出的电压V_c＞1.7V时，判断单元判断为高电平；当V_c＜0.8V时，判断单元判断为低电平。顺向二极管D₁的正向压降V_D为0.7V，三极管Q1的基极-发射极开启电压V_BE为0.7V，三极管Q1的集电极-发射极饱和曲线电压V_CE为0.1V～0.3V。根据上述推导过程计算、确定后，各个电阻和其他器件的参数参见如下列表：

表3

实施例四

本实施例中的电平型信号断线故障检测装置应用于48V的电平型信号故障诊断，即正常工作时，待测电平型信号幅值为48V，假设待测电平型信号的幅值跌到30V以下即认为断线，并设定断线时电路电流小于或等于1mA。设定但不限于，从三极管Q1的集电极输出的电压V_c＞1.7V时，判断单元判断为高电平；当V_c＜0.8V时，判断单元判断为低电平。顺向二极管D₁的正向压降V_D为0.7V，三极管Q1的基极-发射极开启电压V_BE为0.7V，三极管Q1的集电极-发射极饱和曲线电压V_CE为0.1V～0.3V。根据上述推导过程计算、确定后，各个电阻和其他器件的参数参见如下列表：

表4

实施例五

本实施例中的电平型信号断线故障检测装置应用于110V的电平型信号故障诊断，即正常工作时，待测电平型信号幅值为110V，假设待测电平型信号的幅值跌到70V以下即认为断线，并设定断线时电路电流小于或等于1mA。设定但不限于，从三极管Q1的集电极输出的电压V_c＞1.7V时，判断单元判断为高电平；当V_c＜0.8V时，判断单元判断为低电平。顺向二极管D₁的正向压降V_D为0.7V，三极管Q1的基极-发射极开启电压V_BE为0.7V，三极管Q1的集电极-发射极饱和曲线电压V_CE为0.1V～0.3V。根据上述推导过程计算、确定后，各个电阻和其他器件的参数参见如下列表：

表5

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电平型信号断线故障的检测装置，其特征在于，被测电平型信号通过顺向二极管D1、分压电阻R1、限流电阻R3连接到所述NPN型三极管的基极上，所述分压电阻R1和限流电阻R3之间设置采样参考点，所述采样参考点通过分压电阻R2接地，所述采样参考点还通过抗干扰电容C1接地，所述NPN型三极管的基极通过补偿电阻R4接地，所述NPN型三极管的发射极接地，所述NPN型三极管的集电极通过电阻R5连接外接电源，所述NPN型三极管的集电极作为检测输出端，还包括判断单元，用于接收从所述NPN型三极管的集电极端输出的电压信号，判断所述NPN型三极管集电极端电压信号是否大于预设的第一阈值，如果大于，则输出电平型信号发生断线故障的结果。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电平型信号的断线检测装置的采样参考点处电平幅值是根据实际情况自行设定的。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电平型信号的断线检测装置的第一阈值可根据实际情况自行设定，并且大于NPN型三级管集电极-发射极饱和曲线电压V_CE的最大值。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述顺向二极管的正向导通电压是根据选择的二极管的技术指标进行确定的。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，正常时所述待测电平型信号幅值设定为5V，断线时所述电平型信号幅值设定为小于2.5V；所述第一阈值设定为0.8V。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，正常时所述待测电平型信号幅值设定为12V，断线时所述电平型信号幅值设定为小于9V；所述第一阈值设定为0.8V。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，正常时所述待测电平型信号幅值设定为24V，断线时所述电平型信号幅值设定为小于15V；所述第一阈值设定为0.8V。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，正常时所述待测电平型信号幅值设定为48V，断线时所述电平型信号幅值设定为小于30V；所述第一阈值设定为0.8V。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，正常时所述待测电平型信号幅值设定为110V，断线时所述电平型信号幅值设定为小于70V；所述第一阈值设定为0.8V。

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