CN102506909A - 一种4-20mA专用模拟采集模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种4-20mA专用模拟采集模块，包括I/V转换单元、V/F转换单元、光耦隔离单元、CPLD核心控制单元、多路供电单元，4-20mA的模拟量首先通过I/V转换单元转换成1-5V电压信号，该电压信号再经过V/F转换单元转换成10K-50KHz的频率信号，频率信号经过光耦隔离单元和CPLD核心控制单元隔离，CPLD核心控制单元对采集的频率脉冲进行计数、采集和运算，最后通过CPLD核心控制单元的I/O口和后台设备相连，将CPLD采集的信息上传，多路供电单元向该模拟采集模块供电，其中将+5V电源转换成+3.3V，±12V向该模块供电。
Description
技术领域
本发明属于电力设备及其工业设备数据采集领域，涉及一种4-20mA专用模拟采集模块，特别运用于高压GIS SF6气体的状态检测，将高压GIS的传感器传输的各4-20mA的模拟量进行采集、输出，并且判断高压GIS SF6气体的状态情况。
背景技术
随着电力系统技术的发展，现代数字化变电站技术已运用于电力电网输配电各环节，现代数字化变电站技术采用新型的GIS(气体隔离开关)替代以往的AIS(空气隔离开关)，因此SF6绝缘气体的应用就不可避免并将发挥重大作用。
SF6具有优异的电气绝缘和灭弧性能，其特性是采用使得它作为绝缘灭弧介质的电气设备具有绝缘强度高、灭弧能力强、开端容量大、防护防爆、体积小、占地面积和占用空间小、重量轻、噪音小、运行温度低、安装方便、全密封电器安全可靠、无氧化问题、维修周期长等诸多优点。因此，对SF6气体的状态检测直接关系到数字化变电站的正常运行，甚至关系到整个电力电网的安全运行。
虽然SF6气体作为电气绝缘、灭弧介质具有很大的优越性，但是SF6气体状态的变化对设备电气性能及人的生存环境有很大影响。具体体现在压力、温度、湿度、密度、空气、电弧分解物等对电气设备的电气特性的影响。因此，SF6气体的电气特性与电气的状态紧密相关，为了保证SF6气体的稳定可靠运行，需要对SF6气体的状态进行检测。高压GIS包含高精度的传感器，将SF6气体的状态检测并转换成4-20mA的模拟量。所以，本发明将该传感器的输出模拟量4-20mA进行采集并发送到后台控制模块。
在本发明技术提出之前，对高压设备SF6气体检测基本采用离线技术。然而本发明主要将4-20mA的模拟量进行在线检测采集，通过CPLD可编程器件输出，达到稳定、可靠、智能的现代在线检测效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种准确、可靠、智能的4-20mA专用模拟采集模块。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种4-20mA专用模拟采集模块，包括I/V转换单元、V/F转换单元、光耦隔离单元、CPLD核心控制单元、多路供电单元，4-20mA的模拟量首先通过I/V转换单元转换成1-5V电压信号，该电压信号再经过V/F转换单元转换成10K-50KHz的频率信号，频率信号经过光耦隔离单元和CPLD核心控制单元隔离，CPLD核心控制单元对采集的频率脉冲进行计数、采集和运算，最后通过CPLD核心控制单元的I/O口和后台设备相连，将CPLD采集的信息上传，多路供电单元向该模拟采集模块供电，其中将+5V电源转换成+3.3V，±12V向该模块供电。
优选地，所述I/V调理单元包括并联在4-20mA模拟量两端的电阻R2和防雷管GDT，分别连接在4-20mA模拟量两端的电阻R1和电阻R4，其中，电阻R1的另一端分为两路，一路经电阻R3接地，另一路连接在放大器OP97的输入端管脚3上，电阻R4的另一端连接在放大器OP97的另一个输入端管脚2上；
优选地，所述V/F转换单元包括AD654转换芯片，其管脚4与I/V调理单元的输出端相连，管脚1与光耦隔离单元相连，管脚6和管脚7之间连接有调节电容C4，该调节电容C4和管脚1上连接的串联电阻R6构成该转换单元的调理电路；
优选地，所述调理电路的转换公式为
其中，FOUT为V/F转换单元的输出频率，VIN为V/F转换单元的输入电压；
优选地，所述调节电容和串联电阻的取值为：C4＝0.001uF，R6＝1KΩ；
优选地，所述光耦隔离单元包括光耦隔离器HCPL0601将频率信号进行转换成TTL电平并输出给CPLD核心控制单元；
本发明4-20mA专用模拟采集模块与现有技术相比，至少具有以下优点：本发明采用可编程器件CPLD对高频信号进行采集、运算、输出，具有精度高、实时响应、稳定性好等特点。本发明在研制的过程中，对组成单元的硬件进行了充分的设计、选型和计算，既考虑了实用性，又兼顾经济性，使得本发明具有较高的使用价值。本发明避免了现有计数器的诸多缺点，可以实时的采集4-20mA的模拟量。本专用4-20mA模拟采集模块的电流输入和频率输出是线性的关系，通过实验对本发明的采集模块进行最小二乘法数据拟合，得出实验数据的频率和电流的线性关系，克服了硬件系统带来的数据误差，使得采集结果满足电力系统数据采集要求。
附图说明
图1是本发明4-20mA专用模拟采集模块的原理框图；
图2是本发明采集模块中I/V调理单元的电路图；
图3是本发明采集模块中V/F转换单元的电路图；
图4是本发明采集模块中光耦隔离单元的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明4-20mA专用模拟采集模块做详细描述：
本发明提供了一种4-20mA专用模拟采集模块，主要由I/V转换单元、V/F转换单元、光耦隔离单元、CPLD核心控制单元、供电单元等5部分组成。该4-20mA专用模拟采集模块将传感器采集的4-20mA模拟量转换成CPLD可编程采集实现的10KHz-50KHz的频率信号，通过CPLD可编程芯片发送出去，交由其他处理模块。其中10KHz对应4mA，50KHz对应20mA，电流和频率之间有着线性的关系FOUT＝2500IIN(其中FOUT为V/F模块输出的频率信号，IIN为该专用采集模块的输入4-20mA的模拟电流)。
工作中，传感器将采集的4-20mA的模拟量输入到本发明的专用模拟采集模块，先经过I/V转换单元转换成电压信号1-5V，再通过运算放大器将电压信号放大稳压，达到V/F转换单元的输入范围；经过V/F转换单元的转换输出10-50KHz的频率信号；CPLD核心控制模块的I/O口接到频率脉冲，通过计数器的方式记下频率的参数，经过运算发送到CPLD和外围芯片接连的输出口，供外围芯片采集和处理。
图1为本发明4-20mA专用模拟采集模块的原理框图，主要包括I/V转换单元、V/F转换单元、光耦隔离单元、CPLD核心控制单元、多路供电单元。该专用模拟采集模块运行过程按图首先将4-20mA的模拟量采集到I/V转换单元转换成1-5V电压信号；电压信号经过V/F转换单元转换成10K-50KHz的频率信号；频率信号经过光耦隔离单元和后面的CPLD核心控制单元隔离；CPLD核心控制单元对采集的频率脉冲进行计数、采集、运算，通过CPLD的I/O口和后台设备相连，将CPLD的采集信息上传；供电单元向该模拟采集模块供电，其中将+5V电源转换成+3.3V，±12V向该模块供电。
图2为本发明4-20mA专用采集模块I/V调理单元原理图。包括并联在4-20mA模拟量两端的电阻R2和防雷管GDT，分别连接在4-20mA模拟量两端的电阻R1和电阻R4，其中，电阻R1的另一端分为两路，一路经电阻R3接地，另一路连接在放大器OP97的输入端管脚3上，电阻R4的另一端连接在放大器OP97的另一个输入端管脚2上，其中，所述放大器OP97的管脚4和管脚13分别通过电容C2和电容C1接地，所述放大器OP97的管脚1为输出端，在该管脚1和管脚2之间还连接有电阻R5。
4-20mA的模拟量电流经过电阻R2变成1-5V的电压信号，此时电压信号和防雷管GDT并联，电压信号经过电阻R1和R3分压得到输入电压，使得放大器OP97的输入端电压范围1-5V；OP97放大器的管脚2和管脚3是电压输入端，管脚4和管脚13分别用0.1uF的电容接地，管脚1为放大器OP97的输出端，其接10K电阻和输入的电流地端相连；放大器在本转换单元中起到隔离放大稳压作用。
图3为本发明4-20mA专用采集模块V/F转换单元原理图。其中AD654芯片的管脚4为电压输入端，接I/V调理单元的输出电压；管脚1为频率输出端，和光耦隔离单元相连；管脚6和管脚7之间连接调节电容C4，调节电容和管脚1上串联的串联电阻R6组成该转换单元的调理电路，其转换公式为其中，FOUT为V/F转换单元的输出频率，VIN为V/F转换单元的输入电压；管脚2接地，管脚5和8分别接供电电压。可见，该转换单元的输入电压为1-5V，通过V/F转换单元转换成10K-50KHz频率信号。输出频率和输入的电压成正比，并且和R6、C4成反比，为了使得输出的频率范围为10K-50KHz，本发明特设定C4＝0.001uF，R6＝1KΩ。
图4为本发明4-20mA专用模拟采集模块的光耦隔离单元，其中器件HCPL0601芯片的管脚3为频率信号输入端，和V/F调节单元的输出端相连；管脚6为光耦隔离单元的输出端，CPLD核心控制单元的输入端相连，其输出端口的频率信号需要5.1K电阻的上拉；管脚2、管脚7和管脚8分别接供电电源。HCPL0601芯片将输出的频率进行隔离和信号增强，进而将隔离的频率脉冲信号转换成TTL电平输出到CPLD的I/O口，CPLD核心控制单元将采集的频率信号进行计数、计算、输出到后台设备。
本发明采用可编程器件CPLD对高频信号进行采集、运算、输出，具有精度高、实时响应、稳定性好等特点。本发明在研制的过程中，对组成单元的硬件进行了充分的设计、选型和计算，既考虑了实用性，又兼顾经济性，使得本发明具有较高的使用价值。本发明避免了现有计数器的诸多缺点，可以实时的采集4-20mA的模拟量。本专用4-20mA模拟采集模块的电流输入和频率输出是线性的关系，通过实验对本发明的采集模块进行最小二乘法数据拟合，得出实验数据的频率和电流的线性关系，克服了硬件系统带来的数据误差，使得采集结果满足电力系统数据采集要求。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种4-20mA专用模拟采集模块，其特征在于：包括I/V转换单元、V/F转换单元、光耦隔离单元、CPLD核心控制单元、多路供电单元，4-20mA的模拟量首先通过I/V转换单元转换成1-5V电压信号，该电压信号再经过V/F转换单元转换成10K-50KHz的频率信号，频率信号经过光耦隔离单元和CPLD核心控制单元隔离，CPLD核心控制单元对采集的频率脉冲进行计数、采集和运算，最后通过CPLD核心控制单元的I/O口和后台设备相连，将CPLD采集的信息上传，多路供电单元向该模拟采集模块供电，其中将+5V电源转换成+3.3V，±12V向该模块供电。
2.如权利要求1所述的4-20mA专用模拟采集模块，其特征在于：所述I/V调理单元包括并联在4-20mA模拟量两端的电阻R2和防雷管GDT，分别连接在4-20mA模拟量两端的电阻R1和电阻R4，其中，电阻R1的另一端分为两路，一路经电阻R3接地，另一路连接在放大器OP97的输入端管脚3上，电阻R4的另一端连接在放大器OP97的另一个输入端管脚2上。
3.如权利要求1所述的4-20mA专用模拟采集模块，其特征在于：所述V/F转换单元包括AD654转换芯片，其管脚4与I/V调理单元的输出端相连，管脚1与光耦隔离单元相连，管脚6和管脚7之间连接有调节电容C4，该调节电容C4和管脚1上连接的串联电阻R6构成该转换单元的调理电路。
4.如权利要求3所述的4-20mA专用模拟采集模块，其特征在于：所述调理电路的转换公式为其中，FOUT为V/F转换单元的输出频率，VIN为V/F转换单元的输入电压。
5.如权利要求4所述的4-20mA专用模拟采集模块，其特征在于：所述调节电容和串联电阻的取值为：C4＝0.001uF，R6＝1KΩ。
6.如权利要求1所述的4-20mA专用模拟采集模块，其特征在于：所述光耦隔离单元包括光耦隔离器HCPL0601将频率信号进行转换成TTL电平并输出给CPLD核心控制单元。
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