CN1028807C - 可移动部件位置信号传送装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一个远距离报告某设备(它能表现为具有多个分立的状态)状态的装置，包括一个在屏蔽箱内产生不受干扰的直流电源的电路。该屏蔽箱内含有第一电路用于从直流电压产生电脉冲，其持续时间与一个电感值成正比，该电感值能表现为根据设备的各种状态而具有不同的值。第二电路将电脉冲转换成光脉冲，并由光纤维持这些脉冲传送到屏蔽箱外的处理器。

Description

本发明是关于传送可移动部件位置信号的一种装置。

本装置在电力工程方面能够应用，在本说明书中描述了一个示范性实例，当然它并不具有限定性。

这个实例是关于电开关（例如电流断路器）触点位置信号的传送。对于发电厂的诸如电流断路器等设备的操作人员而言，关于每个电流断路器触点的开闭状态是至关重要的。重要的是将每个装置连接到电站的信号传送链路的任何故障都应立即报告，否则，电站接收到的信号可能给出理由使人们相信设备处于某种给定的状态，然后事实上它处于相反的状态;任何这种失误都可给操作管理部门带来不幸的后果。

由于同样的理由，执行信号传送功能的装置应该尽可能地指明它本身的故障还是它的电源失效了。这种自我监视使之有可能显著增大该设备自我监视部分的可用性（availability）。

当然，问题并不限于感知电流断路器触点的位置;在发电厂中，压力开关的状态、液压控制电路中的油压和油量（oil    level）等都可能需要利用一种传送信号的接触装置（contact）来发送有关信号。

在发电厂中大约30%严重故障是由于坏的信号传送接触装置引起;这表明了这个问题多么重大。

所以，本发明的一个目的是提供一种通过感知设备的状态并传送相应信息来报告设备装态的一种装置，它能确保正确无误地运行来提供被感知的状态，它还能及时报告它自身的故障及信号传送链路的故障。

本发明的另一个目的是提供一种装置，它能在使用没有电绝缘链路的情况下对电场或磁场及共模干扰等外界影响不敏感。

众所周知，使用光电装置、纤维光路和屏蔽（screening）为上述最后一个要求提供了一种解决办法。下一个问题便是这种装置的功耗（consumption）;所以本发明的另一个目的是提供一种装置，它为自身运行所需要的能量不超过从光电池所能得到的能量。

美国专利4，626，621号描述了一种确定目标位置的电路，它由两个LR电路组成，由来自脉冲信号发生器的方波信号驱动。其他部分包括一个感应线圈，其电感值随着目标位置的变化而变化。在这两个电路中根据不同的指数规律（exponential law）从时刻t₁起开始在电路中建立电压，测量在每个电路中电压达到给定值V₀的各自时刻t₂和t₃。比值（t₃-t₁）/（t₂-t₁）提供了对应于有关位置的值。

这类电路是复杂的，因为它包括两个LR电路，两个运算放大器，两个计数器，等等，而且它不能检测出自身的故障。

本发明的一个目的是提供一种电路，它由最小数量的元件组成，而且如前所述能够报告它自身的故障。

本发明在于一种远距离报告某设备（它能表现为具有多个分立的状态）的状态的装置，该装置的组成的：

-在一个屏蔽内产生一个不受干扰的直流电压的手段，所述屏蔽箱内含有：

-第一手段，用于从所述直流电压产生电脉冲，电脉冲的持续时间与一个电感值成正比，该电感能表现为根据（被监视）设备的各种状态而具有不同的值，

-第二手段，用于将所述电脉冲转换成光及脉冲，还有一个光纤维用于将所述脉冲传送到所述屏蔽箱外面的处理器。

在一个实施例中，所述产生直流电压的手段包括一个光电池放在所述屏蔽箱内，并适于通过屏蔽箱的一个窗口接受光源照射。所述产生直流电压手段的另一种构成是在屏蔽箱内装一集成电池并带有一个光纤由一激光二极管来供光。

在一个具体实施例中，所述第一手段包括一个产生具有常数持续时间的方波的电路，这些方波以等时间间隔分开，一个积分器接收所述脉冲，第一反相器接收所述积分器的输出信号并在其输出端提供被标定脉冲，一个时间常数电路由一个电阻和所述电感组成，该第一反相器的输出信号被加到所述时间常数电路的输入端及第二反相器，该时间常数电路和该第二反相器的输出部都被送到第三反相器的输入端，该第三反相器与驱动所述第二手段的放大器相连。

上述第二手段最好使用一个光二极管。

处理中心最好由解调电路和自监视电路组成。

在一个具体实施例中，所述解调器包括一个接收来自光纤信号的光电转换器、斯密特触发器和一个D-型触发器（flip-flop）。

自监视电路最好由一个二极管泵电路构成，它驱动一个输出三极管。

在另一个实施例中，所述自监视电路包括一个导或（exclusive-OR）门，以其第一输入端连到所述D-型触发器的输入侧，它还有一个第二输入端连到一个微控制器，该微控制器适用于向所述第二输入端发出一个持续时间超过所述矩形脉冲持续时间的检验脉冲，所述微控制器与所述D-型触发器相连并被编程使其在系统空闲时观察所述周期内位置信息的变化。

通过下文中参考附图对一个实施例（只作为非限定性举例）的描述，将会更好地理解本发明。

图1是根据本发明的一个装置的框图。

图2是产生其持续时间与一个电感值成正比的脉冲的电路实施例的电路图。

图3包括若干个图来解释图2电路的运行。

图4是监视器和自监视电路框图。

图5包括若干个图来解释图4电路的运行。

图6给出自监视电路的另一个实施例。

参考图1，光电池1被电灯型式的光源2照射，该电灯与电池3相连。光电池放在屏蔽箱4内，光线通过窗口4A进入屏蔽相;光电池提供一个电压V_cc，例如是5伏，并能发出20毫安的峰值电流;电子电路5天屏蔽箱内并由电池1供电，它产生代表装置状态的信号;为了这个目的，电路中包括一个电感6，它有线圈6A和一个可动铁心6B与需要知道其位置的装置可动部件相连;电感6根据铁心6B是在线圈6A内部或外部而取两个不同的值，而电感6的其他值介于这两个值之间，其变化与铁心插入线圈的程度成正比。电路5的输出电信号由光电装置8转换成光信号并由光纤9传送到信号处理器10。在这里光电装置11将光信号转换成电信号由处理器12接收，供给发送信号装置13和（例如）报警器14。

由于屏蔽、使用光电池供电以及光纤传输，使得测量避免了任何可能的干扰（特别是，在电绝缘以外没有任何直接连系避免了在位置换能器处的任 何共模电压）。

作为对此的另一种安排，如图1中虚线所示，由屏蔽箱内的集成光电池1A产生直流电压（例如SPECTEC    ASGA电池）集成光电池1A由光纤4B通过屏蔽箱壁连到箱外，由激光二极管3A供光。

参考图2，电路5的组成是：一个斯密特触发器20接收电压V_cc并含有一个反相器21、一个可变电阻22和一个电容23;该斯密特触发器在输出端A发生矩形脉冲，它们的上升沿例如是100微秒，其持续时间例如是40毫秒（见图3A）。

在斯密特触发器的输出端是积分器30，它有一个电容31、一个电阻32和一个二极管33，它强烈衰减由于脉冲后缘造成的峰值（图3B）。

积分器后接反相器40，它有一阈值S1并在其输出端C提供标定长度为例如10微秒的脉冲（图3C）。

在C端信号被送到时间常数电路，该电路有电感6，其值为L，还有一个其值为R3的可变电阻。曲线3D的左手部分给出电感有一变值（铁心6B在线圈6A内部）时在电路LR3输出端D处的信号;曲线3D的右手部分给出当电感为低值（铁心在线圈外部）时在D处的信号。这两部分曲线的差可以由时间常数电路LR中电流i上升的控制规律来解释，这个控制规律是：

i＝Imax（1-exp-t/t＊）    （a）

这里t＊类似于L/R3，而Imax接近于V_cc/R₃，这里忽略了线圈电阻。

所相器40的输出信号被反相器50反相，在反相器50的输出端G擤的信号（图3F）与处信号同时送往反相器60，它有一门限，如图3D所示。

当电阻值L为低值（铁心在外面）时在反相器60的输出端得到短持续时间（例如3毫秒）的脉冲，而当值L为高值（铁心在里面）时则得到较长持续时间（例如大于5毫秒而小于10毫秒）的脉冲;这些脉冲分别示于图3G中的左手部分和右手部分。方程A表明，如果触发器门限是常数，则脉冲宽度与L/R3成比，因而与L成正比，因为R3实质上是一个常数。

从反相器60输出的脉冲被送到三极管61，通过电阻62来驱动一个发光二极管63（例如一个Hewlett    Packard    TI510）。LED63与光纤64相连，它穿过屏蔽4，并将信息以光脉冲形式传送给处理器。

电容C_c与电阻R3并联，用于补偿线圈内部电容。

在大多数应用中，根据本发明的装置用于提供关于触点情况的“报告”，所以只需要两个电感值来确定两个脉冲宽度。一个带有舌形铁磁心（例如磁性合金（mumetal）的线圈用作电感;其两个电感值由铁磁心在线圈内或完全在线圈外来确定。当然，并不限定只这种应用，可以考虑使用多于二个电感值，用铁磁心的中间位置来确定多于二个脉冲持续时间。

图4是监视信号触点位置电路和自监视电路的框图。

由图3中转换器63发出的光信号由光纤64传送，并被光电转换器65（例如Hewlett    Packard2501电路）转换成电信号。

在图4中转换器输出端H的信号示于图5中的5H，它表现为在图中左手部分的两个窄脉冲和右手部分的两个宽脉冲。

这些脉冲被反相器66反相;在反相器66（图4）的输出端J的信号示于图5中的5J。

在J处的信号被送到一个斯密特触发器（例如RCA4093装置），在图4中用一个电阻上和一个电容C作为符号表示;在斯密特触发器（图4）输出端L的信号如图5中的图5K中的图5K所示。

在K处的信号被送到反相器67，它有两个门限S3和S4，而且它的输出取值V_cc或值0;当输入信号穿过第一门限S3时，信号状态从V_cc切换到0，当信号穿过第二门限S4（S4＞S3）时，从0切换到V_cc。在反相器67的输出端M的信号示于图5中的图5M。

在M处在信号被送到一个D-型触发器68（例如一个Control    Data    4013装置）的“数据（DATA）”输入端，该触发器68的“时钟（CLOCK）”输入端点M相连。在M处信号的每次0-1转换，使触发器在其输出端Q提供一个反映在“数据”输入端状态的信号。这个信号示于图5中的图5Q。触点“位置”指示最好由图5中的图5Q＊所示补码（complemdnted）信号Q＊来提供。

刚才描述的解调电路伴随有根据本发明的信号发送装置的自监视电路。这个自监视电路由一个“二极管泵”组成，其传统构成是：

-一个场效应晶体管T，由经过电阻70的直流供电V_cc提供偏压。

-一个第一二极管71，与点J和晶体管门之间的电容72串联，

-一个电容73和一个电阻74并联在晶体管门和地之间，以及

-一个第二二极管75。

图5N在晶体管门（N）的电位，如果光系统在运行，那么该电位在所有时间都大于或等于V_cc，因而晶体管保持断路（turnedoff）。

如果由于任何理由（光源失灵、切断一根光纤、一个电子部件失灵、包括二极管泵本身失灵）使J处信号消失，则随着电容73向电阻74放电，在晶体管T的门处电压消失，而在晶体管T的漏极（X）出现信号。注意只有D-型触发器被部分地排除在这种自监视之处。

图6给出自监视电路的另一种实施例。

它与图4电路的不同之处在于去除了电路中的晶体管T。

异或门90有两个输入端E1和E2及输出端S，由其输入端E1连到反相器67和D-型触发器68之间。

与触发器68输出端Q＊相连的微控制器mp接收这一信息，并在dt＜to期间向输入端E2加一个单位脉冲“1”。这个脉冲代表自监视开始，并在下文中称作检验脉冲。

异或门90的真值表如下：

E1    E2    S

0    0    0

0    1    1

1    0    0

1    1    0

如果E2＝0，异或门把输入端E1状态复制到输出端S，其结果是这个附加电路不修改原来在Q＊处提供的信息。

然而，一旦产生检验脉冲则E2＝1。软件已检测出系统处于“间”，没有执行任何指令，如果从换触器返回脉冲，则Q＊被强行由 Q＊代替，而不管Q＊的初始值如何。检验脉冲宽度稍大于脉冲传输周期t₀就足够了。

为了实现自检测，程序首先注意Q＊的值Q＊。然后在时间段dt是E2为“1”，并检验在这个dt持续时间窗内Q＊是否改变为Q1＝ Q＊。

当脉冲被截断，微控制器mp打开一个新的持续时间dt时间窗。在这第二个窗内，它验证是否Q2＝ Q1＝Q0。

通过这一过程，并通过的dt的相关选择，整个测量系统被检测，包括D-型触发器68和反相器67，它在图4电路中未被监视。

请注意异或电路90本身失灵也会被自监视器感知，因为其结果是当产生检验脉冲时Q＊不会被 Q＊代替。

自监视可以以其自己的周期来周期性地进行，或者作为信息采集的正常循环的一部分，按给定频率取样。

当然，本发明并不限于所描述和图示的实施例，它们只是作为举例，其中所描述的手段或手段组合可以等效的手段或手段组合所代替。

Claims (6)

1、远距离传送能表现为具有一组分立状态的设备所处状态信号的装置，其组成是：

-在一个屏蔽箱内产生一个不受干扰的直流电压的装置，所述屏蔽箱内含有：

-第一装置，用于从所述直流电压产生电脉冲，电脉冲的持续时间与一个电感值成正比，该电感能表现为根据被监视设备的各种状态而具有不同的值，

-第二装置，用于将所述电脉冲转换成光脉冲，还有一个光纤维用于将所述光脉冲传送到所述屏蔽箱外面的处理器，

其中，所述第一装置包括：一个产生

具有常数持续时间的方波的电路，这些方波以等时间间隔分开，一个积分器接收所述脉冲，第一反相器接收所述积分器的输出信号并在其输出端提供被波标定脉冲，一个时间常数电路由一个电阻和所述电感组成，所述第一反相器的输出信号被加到所述时间常数电路的输入端和第二反相器，所述时间常数电路和该第二反相器的输出都被送到第三反相器的输入端，该第三反相器与驱动所述第二装置的放大器相连。

2、根据权利要求1的装置，其中所述第二装置是一个光二极管。

3、根据权利要求1的装置，其中所述处理器由一个解调器和一个自监视电路组成。

4、根据权利要求3的装置，其中所述解调器包括一个接收来自所述光纤的信号的光电转换器、斯密特触发器和一个D-型触发器。

5、根据权利要求3的装置，其中所述自监视电路由一个二极管泵电路构成，它驱动一个输出三极管。

6、根据权利要求4的装置，其中所述自监视电路包括一个异或门，以其第一输入端连到D-型触发器的输入侧，它还有第二输入端连到一个微控制器，该微控制器适用于向所述第二输入端发出一个持续时间超过所述矩形脉冲持续时间的检验脉冲，所述微控制器与所述D-型触器相连并被编程，使其在系统空闲时观察所述周期内位置信息的变化。

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