CN102636680B - 一种电信号测量装置及蓄电池浮充电流在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明所提出的电信号测量装置采用对信号进行定时积分的方法放大信号，这种方法能有效地采集微弱信号；本发明采用两次积分差值技术，完成一次测量必须进行两次相等时间的积分放大，第一次积分时积分电路加入待测的信号，第二次积分时短路屏蔽掉待测的信号，然后用两次的结果相减，这样可消除系统的零点漂移引起的测量误差，提高采样的精度；本发明为了满足宽范围高精度的要求，要求测量系统的信号放大器的增益是可变的，且是自动调节的。这样，本发明提出的测量技术不仅可以采集极其微弱的电压信号，允许大跨度的测量范围，而且在整个测量范围内可以保持高的测量精度。

Description

一种电信号测量装置及蓄电池浮充电流在线监测装置

技术领域

本发明涉及一种新颖的、能满足信号微弱、测量范围要求宽、测量精度要求高的电信号检测需求的电子测量技术，以及该技术在各种不间断电源系统中作后备能源的蓄电池的在线监测应用，属于电子测量技术领域。

背景技术

铅酸蓄电池大量地使用于电力直流操作电源系统、通信行业基础直流电源系统、UPS不间断交流电源系统等各种不间断交、直流电源系统中，铅酸蓄电池（以下统称蓄电池）作为这些电源系统的后备能源，当交流停电时，由蓄电池继续为负载供电。凡是需要使用后备电源系统的负荷，就表明了它的重要性，例如在变电站、发电厂、核电、冶金、矿山、化工、地铁等行业都有广泛使用的电力直流操作电源系统，它主要是为这些行业中的发电、供电、配电的电气、热工中的测量、控制、保护、信号及继电保护装置，断路器中的合闸机构，各种直流电机，交流不间断电源装置、远动及通信装置、事故照明提供电源。电力直流操作电源系统失电将使上述设备无法工作，往往会引起大的供电事故，且经常是火烧连营的大面积事故，因此它的可靠性对于这些行业的供电安全极为重要。又例如：广泛应用于银行业、电信数据服务业的UPS电源系统，它为这些行业的信息数据设备提供高质量的交流电源，是保障这些行业业务数据、信息的质量及安全的重要手段。

而作为这些不间断电源系统的后备能源的蓄电池是保证电源系统供电可靠性的最后一道防线，如果它的可靠性、可用性得不到保证，就无法保证不间断电源系统的供电安全。因此产生了单节电池电压在线监测、电池内阻在线监测等多种在线监测技术来监测和发现蓄电池可能存在的问题，以避免当需要蓄电池组提供能源时，因为蓄电池组存在问题而无法提供所需的能源。另外这些技术还为监测、发现蓄电池组运行的环境条件是否存在会影响蓄电池组寿命的不良因素，例如环境温度是否合适、浮充电充电电压是否合适、是否存在与其他蓄电池一致性不好的电池等。如有就应尽快排出，毕竟蓄电池组本身是价格昂贵的元件。后备蓄电池组在后备时是处于一种浮充电的充电状态，浮充电的目的是为了补充蓄电池自放电损失的容量。浮充电电压是否合适对蓄电池的寿命至关重要，浮充电压偏高将造成蓄电池过充电而失水，进而引起电池发热，热积聚，而损坏蓄电池；浮充电压偏低则会造成蓄电池欠充，蓄电池长期欠充会因硫酸铅析出晶体而硫化，硫化造成蓄电池容量的下降、内阻的增加。而监测浮充电流的大小是判断浮充电压是否合理最有效的手段，浮充电流比正常值偏大说明浮充电压偏高，浮充电流偏小说明浮充电压偏低。

铅酸蓄电池的正常浮充电流在0.01~0.03I10(注：I10是以10小时的放电率放电的电流，比如10小时放电率容量C10为800Ah的蓄电池的I10为80A），均衡充电限流值为1.0I10，最大放电电流为5.5I10，即蓄电池回路电流的测量范围至少需要满足0.01~5.5I10的范围，跨度很大，接近4个数量级，而且在浮充电流范围时测量的精度至少要达到≤±5%才有实际应用的价值，这又进一步加大了测量的难度，常规的测量方法很难做到。例如800Ah的蓄电池（800Ah蓄电池是广东省电网公司500kV变电站直流电源系统的标准配置），按上述蓄电池电流测量实际需要的范围为0.8A~440A，但按电力行业标准：《DL/T5044-2004 电力工程直流电源系统设计技术规范》的规定，800Ah的蓄电池组的蓄电池回路的电流测量范围要达到600A。0.8A时还要满足小于±5%的精度，则此时的测量允许绝对误差要小于±40mA，±40mA与最大测量值600A相差15000倍。

常用的直流电流测量元件有分流器之类的康铜电阻和霍尔电流传感器之类的电流传感器两种。康铜电阻测电流是利用欧姆定律，把电流信号转变为电压信号。康铜电阻的电阻率的温度特性非常稳定，电阻值基本不受温度影响，因此是理性的电流采样元件。标准的分流器都是按照额定电流对应75mV的电压设计电阻值的，按上述800Ah的电池案例，需要选用额定电流600A的分流器，0.8A时分流器输出信号为100μV，40mA对应0.5μV的信号，信号非常的微弱。极宽的测量范围、微弱的待测信号，使得采用一个分流器的常规的测量方法，很难完成满足具备浮充电流在线监测要求的蓄电池回路电流测量的要求。采用霍尔电流传感器之类的电流传感器能实现这个功能吗？有电流就存在磁场，霍尔电流传感器之类电流传感器的基本物理原理就是测量电流产生的磁场的大小来检测电流的，传感器有开环的和闭环的，闭环的测量精度、线性度、零点偏移和响应速度要好于开环的，但无论是开环的还是闭环的，由于测量磁场的霍尔元件的输出信号都存在0.2%~1%量程大小的零点偏移，且这个零点偏移会随环境温度、环境磁场、时间而发生1%~2.5%量程大小漂移，600A量程的1%误差就是6A，远大于40mA的要求，因此使用一个电流传感器的常规的测量方法也无法满足上述要求。

现有的蓄电池浮充电流监测技术、专利及其应用的情况如下：（为了便于说明问题，以下内容将结合附图进行说明）

①　现已公知的技术，有分别采用如图1、图2、图3所示的三种方案来进行蓄电池充放电电流的测量：

1.                                接触式浮充电电流测量装置 

见图1，用一只小量程的电流表A1与一只大量程电流表A2同时串接在蓄电池回路，分别进行测量。这种方法从建国以来沿用至今，还在继续被使用。为避免大电流损坏小电流表A1，一般情况下用一只大容量的直流接触器的常闭触点将A1短路，当需要测量浮充电流时，人工操作按钮AN,直流接触器ZJ打开，使A1串入主回路进行测量。

这一方案存在以下4个缺陷：

1)             原理性缺陷

当进行浮充电流测量时，若负载放电电流突然增大,则浮充电流表必然损坏，且造成蓄电池回路中断的严重事故。

2)             检测不连续，不能实时在线监测 

显然，这种方案不能连续检测蓄电池的浮充电流，以便对不正常的浮充电流及时报警，提醒运行人员及早消除缺陷。连续检测，实时在线监测正是该系统所希望的。

3)             体积大，安装不方便  

直流接触器ZJ体积大，造成直流屏结构设计与安装的困难，同时也造成维修的困难。

4)             对大容量蓄电池系统，无相应规格的直流接触器供货，此方案实施困难。如：我国目前和今后相当一段时期的主力火电机组——300MW大型机组，电力设计规范要求1400AH以上的蓄电池，其配套用的直流接触器至少要达到700A,而目前配套直流接触器最大容量仅600A。                                                                   

2.                                二极管式浮充电测量方案

见图2，这种方法系70年代中后期才开始在国内应用，但并不很普遍。

正常运行时整流器Z的输出电压经却换开关K的3-1节点接入母线向负载供电，二极管D截止，浮充电流由B到A，全部通过小量程的浮充电流表A1直接测量。当负载电流突然增大时，当负载电流突然增大时，二极管D导通，蓄电池放电电流经D流向负载。由于UAB<1V，恰当选择A1参数和R的数值，使A1的指针仅指示在最大值附近，不致损坏。当蓄电池充电池，却换开关3-2接通，整流器Z经K的3-2向蓄电池充电。

此方案的缺陷在于：

1)    切换开关K的体积也很不小，还是存在结构上的困难，而且使系统的主接线复杂，运行不便，降低了可靠性。

2)    旁路二极管在事故放电时要流过很大的电流，大容量的二极管需水冷或风冷，又增加了结构上的复杂和困难，且降低了系统的可靠性。

3)    也不能对不正常的浮充电流报警。

3.                                不测浮充电流的直流系统

鉴于以上方案的缺陷，为了保证系统的可靠性，干脆取消上述不可靠地浮充电流测量装置，这是原电力部审定通过的大型发电厂、大型变电站典型直流系统设计方案中优先推荐的方案，也是80年代中后期许多电站直流系统实际采用的方案，见图3，并已正式编入电力设计手册。

不过要指出这实在是一种没有办法的办法，是很不合理的一种回避矛盾的方案，编入电力设计手册的该典型设计方案也没有指出浮充电流无测量必要性的理由。

浮充电流测量的重要性及必要性，之前已从保证蓄电池寿命及电源系统供电的可靠性的角度进行了阐述，另外后备蓄电池目前广泛采用的恒流恒压充电方式，其充电过程是否完成的依据之一，就是末期充电电流的数值变化率是否在规定的范围之内，而末期充电电流的数值为0.1I10，恰好处于浮充电电流的数量级附近。由于无法准确结束充电过程，使人们耽心这种充电制度在实施过程中存在过充和欠充的很大可能性，从而影响大恒流恒压充电方式的正确推广应用。所以，对于确保蓄电池按照厂家规定的规范准确充电和浮充运行，为确保直流系统的可靠性，浮充电流数量级的小电流的可靠测量装置对于直流系统是必不可少的部件，取消是不合理的。

②　近期公开的有关蓄电池浮充电流在线检测的专利

1.    图4是中国专利CN92102238.7及CN9220589.1提出的一种具有浮充电流检测功能的蓄电池充放电电流的测量技术。该技术用一个是分流器作为电流探测元件，基本的原理与普通的用分流器测量电流方法一致，不同的是：该技术利用一个型号为PGA102的增益可编程的运算放大器对分流器的信号大小进行分段测量，不同的测量段采用不同比例进行信号放大，并用单片机根据采集到的数据判断并自动切换运算放大器的不同增益，来满足宽范围的电流测量的需要。这个专利的原理看起来是可行的，但实际实现起来存在以下问题需要解决：

1)    PGA102的增益有：×1、×10、×100三档，专利说明书中没具体提及这三档在整个测量范围中怎么分配，但从原理及目的可以推测×100档用于信号最小的浮充电流这一段，×10档用于限流充电这一段，×1档用于信号最大的冲击放电电流这一段。查阅PGA102的技术手册，设为×100档增益时，运放的输入偏移电压Vio为：50~200μV，Vio还会受到温度的影响，它的温漂系数：为0.5~3μV/℃，也即：在浮充电流测量段，PGA102自身的零点偏移误差与有效信号的大小相当，即使采用片外调零的措施，但由于Vio会随温度变化而改变，PGA102的输出零点会受到温度影响，而且大小接近有效的信号，温度每变化1度引起的零点漂移就已经超出了浮充电流的5%，因此这个技术不能有效地测量浮充电流的微弱信号。

2)    根据上面提到的800Ah蓄电池的案例，测量范围的最大值600A和最小值0.8A，相差750倍，PGA102的最大固定增益是100倍，显然不能满足要求，但可通过外部电阻增加100档增益。但上述专利的说明书及附图里都没有体现这一点。

3)    PGA102之后是一个增益为2的精密整流放大器电路，在最大电流时分流器应输出75mV额定信号，根据图3及设计意图推测，这时PGA102应选择×1档,经过精密整流放大器放大后为150mV，这是给后面的VF转换器LM311的最大输入信号，LM311推荐的标尺满度电压为10V，显然150mV的信号无法优化LM311的工作范围，而影响整个测量系统的可靠性及测量精度。

4)    现代的直流电源系统基本上都是采用的高频开关技术了，高频开关技术会产生比较大的干扰，分流器电流信号采集装置应具备可靠有效的信号滤波环节，但上述专利的说明书及附图里都没有体现这一点。

2.    中国专利CN1016737613中也提到一种浮充电流在线检测的技术，该技术的方案是在蓄电池电流回路另外单独加入一种采用磁调制技术的小电流传感器来专门检测电流较小的浮充电流，均衡充电电流及放电电流还是用公知的技术测量。这种小电流传感器也是一种检测电流产生的磁场的闭环传感器，传感器中有一个补偿线圈，补偿线圈用于产生一个补偿电流去抵消待检测电流产生的磁场，因此正常工作时传感器里的磁芯的磁通始终为零，但如果待检测电流很大，产生的磁场超出了补偿线圈的补偿能力，补偿线圈无法完全抵消信号电流产生的磁场，磁芯就会留下剩磁，从而改变传感器的输出零点。蓄电池回路的电流是个宽范围的信号，小电流传感器可以较准确地检测浮充电流的小信号，但在冲击放电的大电流来时，很容易使得传感器进入磁饱和，并产生剩磁，从而改变传感器的输出零点，由此引起的输出零点偏移量可以到达传感器的满度输出，如此整个测量系统将无法正常工作。该专利说明书中没提到这个问题，也没提到如何解决这个问题。

综上所述，有浮充电流在线监测要求的蓄电池回路电流的监测应用具有：信号微弱、测量范围宽、要求较高的测量精度等特点，用常规的测量方法难以满足要求。现今还没有可以有效地、可靠地解决问题，很好地满足该应用要求的技术和产品。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新颖的、能满足微弱信号、宽测量范围，在整个宽测量范围内都有较高精度要求的电信号测量技术，并将该技术应用于蓄电池在线监测上，提供一种能满足蓄电池浮充电流在线监测要求的智能直流电流监测装置，解决前述提到的问题。当然，该技术不应被局限于蓄电池浮充电流在线监测的应用，也可用于有类似技术要求的温度监测、湿度监测等应用。

本发明采用的技术方案可以描述为：

一种电信号测量装置，包括信号放大电路、单片机、共模干扰抑制电路和电流信号采集电路电流信号采集电路，其中电流信号采集电路对电流信号进行采样以将电流信号转换为需要的电压信号，其输出端连接共模干扰抑制电路的输入端，以将信号中的共模干扰滤除；共模干扰抑制电路的输出接连接信号放大电路的输入端，信号放大电路由一个或者多个采用积分原理进行信号放大的信号放大单元级联而成，其增益自动可变，以将接收的信号进行差模干扰滤除后对信号进行积分放大；单片机与信号放大电路的输出端连接，在一次测量周期中，单片机执行以下步骤：

1）单片机首先控制信号放大电路完成第一次带待测信号的积分放大；

2） 单片机对信号放大电路的输出信号进行采集及A/D转换，然后分析判断并选择其中一个放大单元的信号作为第一次采样的结果，在信号放大电路只有1个信号放大单元的情况下直接采用其输出作为第一次采样的结果；

3）完成步骤2后，单片机控制信号放大电路屏蔽掉待测信号，然后完成第二次不带待测信号的积分放大，直接对第一次选定的放大单元的信号进行A/D转换；

4）完成步骤3后，用第一次的结果减去第二次的结果，得出的差就是最终的测量数据。

作为以上技术方案的改进，信号放大电路采用多个信号放大单元时，所述信号放大单元的数目n≦10。

作为以上技术方案的改进，信号放大电路采用多个信号放大单元时，把测量范围分段，不同的测量段采用具有不同增益的信号放大单元，多个信号放大单元进行级联，每个信号放大单元负责整个测量范围中的一段范围的测量。

作为以上技术方案的改进，信号放大电路采用单个信号放大单元时，通过改变积分的时间来自动连续地调节信号放大器的增益，利用A/D转换时间捕捉信号发生电路捕捉A/D转换的时间点和积分时间。。

一种基于以上所述的电信号测量装置的蓄电池浮充电流在线监测装置，所述装置还包括：用于给装置输入信息、修改信息和输入指令输入按键电路，用于显示相关信息的LCD显示屏，用于指示设备通电、通信状态、告警指示等信息的LED指示灯，用于把系统与外部的接口电路进行隔离以提高装置可靠性的光耦隔离电路，用于没有通信条件的情况下实现远程控制装置功能的两路开关量输入电路，用于没有通信条件的情况下实现远程告警功能的两路开关量输出电路，用于与上级监控装置进行通信的RS485通信接口电路，以及为整个装置提供工作电源、兼容AC、DC两种输入的、采用高频开关电源的工作电源。

本发明的有益效果是：

1.   提供了一种电信号测量技术，这种技术与其它技术相比有以下优点：

①　采用定时积分放大技术，信号放大电路的增益可很大，理论上可以达到无穷大，因此可检出很微弱的信号。因为输出结果是积分后的平均值，偶发干扰对测量结果影响小，因此不易受干扰，适用于恶劣的电磁环境。

②　因为积累作用，积分放大电路的输出零点漂移受运放的偏移输入电压、偏置输入电流及它们的温漂等因素影响显著，本发明采用“两次积分差值技术”自动消除这些影响。测量结果不受测量系统零点漂移的影响，免去定期调零的工作，适用各种气候环境。

③　采用变增益技术，根据输入信号的大小自动改变放大电路的增益，实现宽范围测量。测量范围宽，理论上可做到无穷宽。

④　采用多信号放大单元的自动改变增益技术时，各测量单元的测量范围及测量精度可以根据实际需要灵活设置，各级之间可以是等倍数宽度也可以是不同倍数宽度，可以设置成相同的测量精度也可设为不同的测量精度。可以根据实际的需要灵活配置，突出测量范围中最关心的一段或几段的精度。

⑤　另外该技术还设计了完善的干扰抑制电路，信号完整性得以保证。

⑥　以上几点综合起来保证宽范围的微弱信号的测量仍能达到要求的测量精度（测量精度理论上可以满足任意的要求）和测量的稳定性及可靠性。

2.   利用本发明的核心技术设计了一种带浮充电流在线监测的智能数字直流电流监测装置，这种装置具有以下特点：

1)    解决现有公知技术及已公开的专利技术中存在或可能存在的各种技术问题，提供一种能真正满足实际应用的产品。

2)    测量范围宽，测量精度在0~100%的测量范围内都满足±(0.5%+12d)的测量精度要求，可以满足现行国家及行业技术标准及蓄电池浮充电流在线监测应用的要求，如有需要还可以进一步提高各段的测量精度。

3)    不需要在蓄电池主回路增加额外的元件，只需从蓄电池回路的分流器引出信号线即可，体积小、重量轻、对电源系统运行的可靠性无影响。

4)    只需要一个分流器即可完成整个范围的测量，一种装置即可与各种规格的分流器搭配使用，只需要在装置上修改搭配的分流器额定电流值设置项即可，通用性强。

5)    可以很方便地安装于已经运行的电源系统上，预留有通讯接口及开入、开出接口，易于改造在运行的电源系统，为其增加蓄电池浮充电流在线监测功能。

6)    使用的都是常规元件，没使用仪表运算放大器、增益可编程运算放大器等价格昂贵的器件，因此产品还有成本低的优势。

附图说明

下面结合附图对发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为现有的接触器式浮充电流测量电路；

图2为现有的二极管式浮充电流测量电路；

图3为现有的不测量浮充电流的直流系统主接线；

图4为现有技术中利用增益可编程运放PGA102及单片机系统测量浮充电流的技术原理图；

图5为本发明的可用于微弱信号、宽测量范围、高测量精度要求的电信号测量技术原理框图；

图6为本发明的信号积分放大电路的一个实施例的原理图；

图7为本发明的信号积分放大电路的另一个实施例的原理图；

图8为根据本发明的带浮充电流在线监测功能的智能数字直流电流监测装置的原理框图。

具体实施方式

如前所述，本发明提出的测量技术具有3个特点：1）可采集极其微弱的电压信号；2）允许大跨度的测量范围；3）在整个测量范围内可以保持高的测量精度。本发明采用了3个关键技术实现这些特点：1）采用对信号进行定时积分的方法放大信号，这种方法能有效地采集微弱信号；2）采用两次积分差值技术，完成一次测量必须进行两次相等时间的积分放大，第一次积分时积分电路加入待测的信号，第二次积分时短路屏蔽掉待测的信号，然后用两次的结果相减，这样可消除系统的零点漂移产生的共模干扰引起的测量误差，提高采样的精度；3）为了满足宽范围高精度的要求，要求测量系统的信号放大器的增益是可变的，且是自动调节的。

本发明提供两种自动改变信号放大电路增益的方案。第一种方案：把测量范围分段，不同的测量段采用不同增益的积分放大单元，多个单元进行级联，每个单元负责整个测量范围中的一段范围的测量，这样可以提高测量的范围，并保证整个范围的测量精度。第二种方案：只用一个积分放大单元电路，通过改变积分的时间来自动连续地调节信号放大器的增益，由于积分放大单元的增益G与积分电路的时间常数τ成反比，与实际积分时间t成正比，τ固定，只要改变t就可以改变放大器的增益。第一种方案采样速度快，但电路结构较复杂，成本较高；第二种方案采样速度较慢，尤其在测量范围的低段时，但它电路结构简单，成本更低。两种方案各有利弊，可根据具体应用的情况选择。

图5是本发明的核心技术的原理框图，其以接入分流器输出的电压信号为例，当然，也可采用其它类型的传感器采集其输出电压信号。电路的结构大致如下：电流信号由电流信号采集电路4中的分流器（FL）采集，电流信号采集电路4的输出接共模干扰抑制电路3的输入，共模干扰抑制电路3的输出接信号放大电路1的输入。信号放大电路1和单片机2构成是本发明的技术核心。信号放大电路1由n个采用积分原理进行信号放大的信号放大单元级联而成， 见图5中的（1-1）~（1-n） ，为了满足宽范围、高精度测量的要求，信号放大电路1的增益是自动可变的。其中n是信号放大单元的数量，采用第一种方案改变增益时，n最小值为2，最大值理论上可为无穷，实际应用时n≦10为宜，n=10已经具有足够的测量精度；采用第二种变增益方案时，n=1。

在采用第一种变增益方案的优选实施例中，多个积分放大单元电路的级联方式为：n个信号放大单元的信号输入端（图5中in+、in-）并联，输出端（图5中out）分别接到单片机2的n个A/D转换输入端（图5中A/D1~A/Dn）。在另外的实施例中，也可使用CD4016之类的数据多路开关IC对单片机的1个A/D转换输入端进行扩展，以减少占用单片机的I/O口，积分放大单元的输出端接多路开关的输入端，多路开关的输出端并联后接单片机的A/D转换输入端。每个信号放大单元还有两个TTL电平的开入端（图5中的drvA、drvB）分别接单片机2的两个开出端[图5中单片机2的drvA、drvB口]。

图5中的各个功能单元电路的作用是：电流信号采集电路4把电流信号转换为测量系统需要的电压信号；共模干扰抑制电路3把电流信号采集电路4采集到的信号中的共模干扰滤除；信号放大电路1把共模干扰抑制电路3处理过的信号再进行差模干扰滤除，然后对信号进行积分放大。单片机2的功能包括：把信号放大电路1放大后的信号进行A/D转换；控制或计算信号放大电路1的积分定时时间；控制信号放大电路1的积分输出信号的清零；判断选择信号放大电路1中的n个输出中的某一个作为有效的采集信号；控制信号放大电路1完成一次测量中的两次积分放大，对有效的采集信号进行系统共模误差（零点漂移）消除处理，计算出最终结果。

本发明所提出的整个技术的工作原理为：电流信号经电流信号采集电路4采样，共模干扰抑制电路3滤除信号中的共模干扰后送到信号放大电路1中，信号放大电路1的各单元对输入信号进行差模滤波、共模滤波、预放大、再差模滤波，对滤清干扰后的信号进行积分放大。一次完整测量的过程：整个测量过程由单片机2控制，首先单片机2控制信号放大电路1完成第一次带待测信号的积分放大，并对信号放大电路1的输出信号进行采集及A/D转换，然后分析判断并选择其中一个放大单元的信号作为第一次采样的结果，如果信号放大电路1只有1个信号放大单元就不用分析判断直接以它为结果第一次采样。完成以上工作后单片机2控制信号放大电路1屏蔽掉待测信号，然后完成第二次不带待测信号的积分放大，直接对第一次选定的放大单元的信号进行A/D转换。完成后，用第一次的结果减第二次的结果，得出的差就是最终的测量数据，至此就完成了一次测量，接着开始下一次测量，周而复始。

图8是本发明的核心技术在蓄电池在线监测中的一个应用，此实施例是一种可满足蓄电池浮充电流在线监测应用的智能数字直流电流监测装置。该装置在图6的基础上增加以下单片机2的外围功能电路：输入按键电路5用于给装置输入信息、修改信息和输入指令；LCD显示屏6用于显示相关信息；LED指示灯7用于指示设备通电、通信状态、告警指示等信息；光耦隔离电路8用于把系统与外部的接口电路进行隔离，提高装置的可靠性；两路开关量输入电路9，用于没有通信条件的情况下实现远程控制装置功能；两路开关量输出电路10用于没有通信条件的情况下实现远程告警功能；RS485通信接口电路11，用于有通信条件时，装置与上级监控装置进行通信，把信息上传上级监控装置；工作电源12，它是一个兼容AC、DC两种输入的高频开关电源，为整个装置提供工作电源。图8中的电流信号采集电路4中的分流器FL不在装置内部，是装置外配的。增加的功能单元电路5~11都是单片机2的外围接口电路，功能及原理与通常的智能设备相关电路差不多，这里就不再详述。

具体上说，如图5所示，共模干扰抑制电路3由一个共模滤波电感组成，信号放大电路1与单片机2构成本技术的核心。图6是图5的信号放大电路1的电路原理图，它由输入滤波电路111、输入信号屏蔽开关112、信号前置放大电路113、信号积分放大电路114、输出信号缓冲电路115、MOSFET开关驱动电路116等六个单元组成。输入滤波电路111是由R1、R2、C1组成的低通滤波器，作用是对输入信号进行平衡滤波，滤除信号中的差模干扰；输入信号屏蔽开关112由MOS管Q1组成，它被作为一个开关使用，作用是把输入信号短路，不让信号进入信号积分放大电路114；信号前置放大电路113是由电阻R3、R4、R9、R10、U1B组成的一个增益为1的差动放电器，它的作用是进一步滤除信号中的共模干扰, 其增益也可大于1，对输入信号进行预放大；信号积分放大电路114由R11、C3、R13、C2、U1C、Q2组成，作用是把输入的信号进行积分放大，其中R11、C3组成的RC滤波电路对输入到U1C的信号再进行一级低通滤波，滤除差模干扰，R13、C2、U1C组成积分放大电路，积分放大电路的增益:G1=Vout/Vin=1+t/τ，其中，t为积分时间长度，τ为积分电路的时间常数，Vout为积分放大电路的输出电压，Vin为积分放大电路输入信号电压。G1的最大理论值可以达到无穷大，即使非常微弱的信号也可通过改变t和τ放大到需要的值，MOS管Q2在此也是作为开关使用，作用是在重新启动一次积分前给C2放电；输出信号缓冲电路115由R5、R6、R7、R8、U1D、R12、C4组成，R5、R6、R7、R8、U1D组成一个增益为1的放大电路，主要目的是消除前面一级积分放大电路的增益公式里多出的1，以使得信号放大电路的增益与积分时间t成线性比例关系，这时整个放大器的增益G=G1-1=t/τ,另外该级电路还有信号缓冲的作用。R12、C4组成RC低通滤波器在放大器的输出信号进入单片机时再进行一次滤波；MOSFET开关驱动电路116是MOS管驱动电路，用于驱动Q1、Q2开通及关断，由图5中单片机2进行控制。

为提高全范围的测量精度需要根据信号的大小自动调节信号放大电路信号放大电路1的增益，本发明提供两种自动调节增益的方案：

第一种方案的原理：n个积分信号放大单元的输入端并联，输入信号是相同的，积分时间t也相同并设为一个固定值，只要给它们设置不同的积分时间常数τ，即可赋予它们不同的增益。于是我们可按测量范围、测量精度的要求进行测量范围的分段，每段由一个信号放大单元负责，并据此设置每个信号放大单元的增益。这种方案信号放大器增益是分段阶梯调节的，每一段都有自己的增益且是固定值。

第二种技术方案的原理：只用一个积分信号放大单元，积分时间常数τ是固定值，积分时间t根据输入信号大小而自动改变，这样就可以调节信号放电器的增益。输入信号小的时候积分时间长，增益就大，输入信号大的时候积分时间短，增益就小。这种方案的增益是连续调节的。

采用第一种自动调节增益方案时图5中的信号放大电路1由多个图6中的电路组成；采用第二种自动调节增益方案时图5中的信号放大电路1由1个图7中的电路组成。

图7与图6的区别在于图7还含有A/D转换时间捕捉信号发生电路117这个功能单元，由LM393比较器U2B、R14、R15、C5组成，LM393正输入端接放大器的输出，它的输出信号接到单片机的一个具有中断功能的I/O口。A/D转换时间捕捉信号发生电路117作用是当积分放大器对输入信号积分达到参考值Vad_ref时A/D转换时间捕捉信号发生电路117输出由低电平转为高电平，通知图5中的单片机2进行A/D转换采样，于此同时记下积分时间t的长度。

测量系统的一次完整测量的过程：整个测量过程由单片机2控制，首先单片机2通过drvB控制Q2导通，给C2放电，Q2导通时间长度应保证C2完全放电，C2放完电后单片机2再控制Q2关断，积分电路开始工作，于此同时单片机2开始计时，当积分时间t到时单片机2通过drvA控制Q1导通，短路输入信号不再让它进入后边的放大电路，于此同时单片机2立即进行A/D转换采样，对信号放大单元（1-1）~（1-n）的输出信号依个进行采样，然后分析、判断并选择其中一个放大单元的信号作为测量结果。单片机2完成前述任务后再重复前面步奏，给C2放电，完成一次测量中的第二次积分，第二次积分时间与第一次相同，积分时间到后直接对第一次积分选择的有效放大单元的输出进行A/D采样，然后用该通道的第一次积分A/D转换的结果减去第二次的结果，消除系统的零点漂移误差，最后得出的结果就是本次测量的结果，再按积分放大器的增益公式计算出电流值，测量完第二次积分放大的结果后，单片机2控制Q1断开，至此完成一次测量，接着重复上述过程进行下一次测量，周而复始。

采用一个图7中的信号放大单元的技术方案的工作原理与前一个方案大部分相同，不同之处在于：1）它的积分时间t不是固定的，而是在第一次积分时根据A/D转换时间捕捉信号发生电路117发出的信号来结束积分，改变t即可改变图5中信号放大电路1的增益，单片机把每次测量的第一次积分的时间t记录下来，第二次积分就按t计时；2）不用进行有效通道的判断及选择。

图6、图7中的运放U1B、U1C、U1D应选用低Vio的运放，以提高A/D转换的利用率，这里选用的是opa376，但不局限于选用opa376，也可选择其他运放；开关Q1、Q2选用低导通电阻的MOS管，但不局限于使用MOS管，也可选用继电器、三极管等作为开关使用；图7中比较器U2B采用LM393，也可采用其他型号比较器。图5中单片机2选择的是microchip的PIC16F886型单片机，这个单片机有11个10位的A/D转换通道，能满足大部分应用的要求，单片机2不局限于使用PIC16F886，也可选用其他的单片机，当单片机的A/D转换通道不够用或影响到单片机I/O口的分配时，也可用CD4016等多路数据选择开关IC进行扩展，也不局限于使用单片机自带的A/D转换器，也可使用单片机片外的转换精度更高的独立的A/D转换器。MOS管驱动电路可以用分离元件设计也可用专门的驱动芯片，这里不再详述。

将以上的所述的装置应用到蓄电池浮充电流在线监测领域，可得到蓄电池浮充电流在线监测的直流电流监测装置的一个具体实施例。

本装置希望有较快的测量速度，因此选择用本方明提供的技术的第一种调节信号放大电路增益的方案。图8中的信号放大电路1由5个图6中的单元电路组成。

为了能直观地理解我们仍以800Ah蓄电池为例，按DL/T5044-2004规定，蓄电池回路电流的监测仪表测量范围为0~600A，额定满量程为600A，浮充电流为0.8~2.4A，对应0.133%~0.4%额定满量程。我们把整个量程分为5段由积分放大单元（1-1）~(1-5)分别负责测量，（1-1）~(1-5)的分段测量范围/增益G分别设置为不同的值，以保证下面提出的测量精度指标。

单片机2选用PIC16F886型单片机，共模干扰抑制电路3是一个100~150μH的共模滤波电感，电流信号采集电路4放在装置之外不用考虑，5~11是常规电路单片机外围电路，这里不做详细说明，12是用Power Integration公司的Tny278设计的一个兼容交流/直流输入的3路输出的小功率开关电源。11这里使用的是LCD液晶显示屏，也可以选用LED数码管。

以上所述的蓄电池浮充电流在线监测的直流电流监测装置具有以下主要性能参数：

显示精度为4位，测量精度为±(0.5%+12d) 0~100%额定满量程，显示单位：A。

工作电源：交流85~265Vac/直流85~320Vdc

并具有以下功能：

测量和显示电流。

自动切换量程及显示。

参数设置功能：可在面板设置配置的分流器的额定电流、浮充电流告警上下限值、浮充过流告警延时时间、均充过流告警值、测量偏差比例校正系数；

告警功能：浮充电流异常告警、均充过流告警，装置故障告警，并可通过RS485通讯或开关量上传告警信息。

数字整定功能：可在面板上输入校正系数整定测量的比例误差。

通讯功能：具备RS485通讯接口，可以上传数据及告警信息。

具有两路开入接口，可以通过开入量进行远程控制。

当然，该技术不应被局限于蓄电池浮充电流在线监测的应用，也可用于有类似技术要求的温度监测、湿度监测等应用领域。

以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制，只要是以基本相同的手段实现本发明的目的都应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种电信号测量装置，其特征在于：包括信号放大电路(1)、单片机(2)、共模干扰抑制电路(3)和电流信号采集电路(4)，其中电流信号采集电路(4)对电流信号进行采样以将电流信号转换为需要的电压信号，其输出端连接共模干扰抑制电路(3)的输入端，以将信号中的共模干扰滤除；共模干扰抑制电路(3)的输出接连接信号放大电路(1)的输入端，信号放大电路(1)由一个或者多个采用积分原理进行信号放大的信号放大单元级联而成，其增益自动可变，以将接收的信号先进行差模干扰滤波再对信号进行积分放大；单片机(2)与信号放大电路(1)的输出端连接，在一次测量周期中，单片机(2)执行以下步骤：

1)单片机(2)首先控制信号放大电路(1)完成第一次带待测信号的积分放大；

2)单片机(2)对信号放大电路(1)的输出信号进行采集及A/D转换，然后分析判断并选择其中一个放大单元的信号作为第一次采样的结果，在信号放大电路(1)只有1个信号放大单元的情况下直接采用其输出作为第一次采样的结果；

3)完成步骤2后，单片机(2)控制信号放大电路(1)屏蔽掉待测信号，然后完成第二次不带待测信号的积分放大，直接对第一次选定的放大单元的信号进行A/D转换；

4)完成步骤3后，用第一次的结果减去第二次的结果，得出的差即为最终的测量数据；

其中，信号放大电路(1)采用多个信号放大单元时，所述信号放大单元的数目n≤10；信号放大电路(1)采用多个信号放大单元时，把测量范围分段，不同的测量段采用具有不同增益的信号放大单元，多个信号放大单元进行级联，每个信号放大单元负责整个测量范围中的一段范围的测量；信号放大电路(1)采用单个信号放大单元时，通过改变积分的时间来自动连续地调节信号放大器的增益，利用A/D转换时间捕捉信号发生电路(117)捕捉A/D转换的时间点和积分时间；

其中，共模干扰抑制电路(3)由一个共模滤波电感组成，信号放大电路(1)由输入滤波电路(111)、输入信号屏蔽开关(112)、信号前置放大电路(113)、信号积分放大电路(114)、输出信号缓冲电路(115)以及MOSFET开关驱动电路(116)组成，输入滤波电路(111)为低通滤波器，对输入信号进行平衡滤波，滤除信号中的差模干扰；输入信号屏蔽开关(112)由MOS管组成，作为开关使用，作用是把输入信号短路，不让信号进入信号积分放大电路(114)；信号前置放大电路(113)为增益为1或大于1的差动放大器，进一步滤除信号中的共模干扰或对输入信号进行预放大；信号积分放大电路(114)含有对输入的信号再进行一级低通滤波以滤除差模干扰的RC滤波电路，以及积分放大电路，所述积分放大电路的增益:G1＝Vout/Vin＝1+t/τ，其中，t为积分时间长度，τ为积分电路的时间常数，Vout为积分放大电路的输出电压，Vin为积分放大电路输入信号电压；输出信号缓冲电路(115)为增益为1的放大电路，消除前面一级积分放大电路的增益公式里多出的1并进行信号缓冲，以使得信号放大电路的增益与积分时间t成线性比例关系，这时整个放大器的增益G＝G1-1＝t/τ,输出信号缓冲电路(115)还含有RC低通滤波器，在放大器的输出信号进入单片机(2)时再进行一次滤波；MOSFET开关驱动电路(116)为MOS管驱动电路，用于驱动MOS管开通及关断，由单片机(2)进行控制。

2.一种根据权利要求1所述的电信号测量装置的蓄电池浮充电流在线监测装置，所述蓄电池浮充电流在线监测装置还包括：用于给装置输入信息、修改信息和输入指令输入按键电路(5)，用于显示相关信息的LCD显示屏(6)，用于指示设备通电、通信状态、告警指示信息的LED指示灯(7)，用于把系统与外部的接口电路进行隔离以提高装置可靠性的光耦隔离电路(8)，用于没有通信条件的情况下实现远程控制装置功能的两路开关量输入电路(9)，用于没有通信条件的情况下实现远程告警功能的两路开关量输出电路(10)，用于与上级监控装置进行通信的RS485通信接口电路(11)，以及为整个装置提供工作电源并兼容AC、DC两种输入的、采用高频开关电源的工作电源(12)。