CN103808404B - 远距离自检式振动信号变送电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远距离自检式振动信号变送电路，包括通道自检控制电路、电荷-电压变换电路、带通滤波和电压-电流变换电路，具体包括正弦波芯片IC1、输入连接件CN1、继电器K1、转换电容C2、跟随器IC2、滤波运放IC3、放大器IC4、隔直电容C3、隔直电阻R4、高频电阻R5、高频电容C4、正端电阻R8、负端电阻R9、反馈电阻R10、偏置电阻R11、转换电阻R12、综合连接件CN2等。本发明在外控信号的作用下，工作于正常的信号处理变送状态，工作于监测通道的自检状态，利用正弦波作为通道自检的测试信号，且该变送电路可同时输出电压信号和电流信号，本发明电路实时性强、成本低、通用性好、可靠性高。

Description

远距离自检式振动信号变送电路

技术领域

本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种远距离自检式振动信号变送电路，适用于对振动信号进行远距离变送传输及自检的应用场合，特别是核电设备中进行松动件监测的场合。

背景技术

在核电站反应堆设备及其他生产设备中，常需监测生产设备中机械部件的松动情况，以确保生产设备的安全运行。目前，常用的方案是：在需要被监测的生产设备上安装加速度传感器，并将其输出信号连接到安装在其附近的电荷放大器中，再将电荷放大器的输出信号传输到控制室。现有方案的不足之处在于：一是此类生产设备运行时处于振动状态，传感器连线等出现断路等故障后难以及时诊断、维护；二是常规的电荷放大器输出的是电压信号，经长距离传输易产生畸变。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种远距离自检式振动信号变送电路。该电路采用基于通道自检、电荷-电压变换、带通滤波、电压-电流变换等处理方案，当处于自检状态时，则输出预设的正弦波信号，使后续的监控系统可据此判定该变送通道的正常与否。

本发明包括通道自检控制电路、电荷-电压变换电路、带通滤波和电压-电流变换电路。

通道自检控制电路包括输入连接件CN1、综合连接件CN2、正弦波芯片IC1、振荡电阻R1、振荡电容C1、正弦电阻R2、继电器K1、三极管Q1、二极管D1、基极电阻R3、负电源电容C5和正电源电容C6，输入连接件CN1的地端GND端接地，CN1的输入端IN端与继电器K1中的一个触点开关K1-1的常闭触点NC端连接，触点开关K1-1的公共端COM端与继电器K1中的另一个触点开关K1-2的公共端COM端、转换电容C2的一端及跟随器IC2的正输入端+IN端连接，触点开关K1-2的常开端ON端与正弦电阻R2的一端连接，正弦电阻R2的另一端与正弦波芯片IC1的输出端OUT端连接，正弦波芯片IC1的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，正弦波芯片IC1的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接，正弦波芯片IC1的地端GND端接地，正弦波芯片IC1的波形选择端A0、A1端分别与电路正电源端VCC端和地端连接，正弦波芯片IC1的参考端REF端与振荡电阻R1的一端连接，振荡电阻R1的另一端与正弦波芯片IC1的输入端IN端连接，正弦波芯片IC1的振荡端COSC端与振荡电容C1的一端连接，振荡电容C1的另一端接地，综合连接件CN2的自检控制端UC端与基极电阻R3的一端连接，基极电阻R3的另一端与三极管Q1的基极b端连接，三极管Q1的射极e端接地，三极管Q1的集电极c端与继电器K1线圈的一端、二极管D1的阳极连接，继电器K1线圈的另一端与二极管D1的阴极、电路正电源端VCC端连接，综合连接件CN2的正电源端+V端与电路正电源端VCC端、正电源电容C6的一端连接，综合连接件CN2的负电源端-V端与电路负电源端VSS端、负电源电容C5的一端连接，综合连接件CN2的地端GND端同时与负电源电容C5的另一端、正电源电容C6的另一端相连接，且接地。

电荷-电压变换电路包括转换电容C2、跟随器IC2，转换电容C2的另一端接地，跟随器IC2的负输入端-IN端与IC2的输出端OUT端、隔直电容C3的一端连接，跟随器IC2的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，跟随器IC2的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接。

带通滤波和电压-电流变换电路包括滤波运放IC3、放大器IC4、隔直电容C3、隔直电阻R4、高频电阻R5、高频电容C4、接地电阻R6、输出电阻R7、正端电阻R8、负端电阻R9、反馈电阻R10、偏置电阻R11、变换电阻R12，隔直电容C3的另一端与隔直电阻R4的一端、高频电阻R5的一端连接，隔直电阻R4的另一端接地，高频电阻R5的另一端与高频电容C4的一端、滤波运放IC3的正输入端+IN端连接，高频电容C4的另一端接地，滤波运放IC3的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，滤波运放IC3的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接，接地电阻R6的一端接地，接地电阻R6的另一端与滤波运放IC3的负输入端-IN端、输出电阻R7的一端连接，输出电阻R7的另一端与滤波运放IC3的输出端OUT端、综合连接件CN2的电压输出端U0端及正端电阻R8的一端连接，正端电阻R8的另一端与放大器IC4的正输入端+IN端、偏置电阻R11的一端连接，偏置电阻R11的另一端与变换电阻R12的一端、综合连接件CN2的电流输出端I0端连接，负端电阻R9的一端接地，负端电阻R9的另一端与放大器IC4的负输入端-IN端、反馈电阻R10的一端连接，反馈电阻R10的另一端与放大器IC4的输出端OUT端、变换电阻R12的另一端连接，放大器IC4的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，放大器IC4的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接。

本发明的有益效果如下：

本发明利用正弦波作为通道自检的测试信号，易于判断该通道的正常与否，且该变送电路可同时输出电压信号和电流信号，以适应不同传输距离的应用选择，该方法实时性强、成本低、通用性好、可靠性高。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，远距离自检式振动信号变送电路，包括通道自检控制电路、电荷-电压变换电路、带通滤波和电压-电流变换电路。

通道自检控制电路包括输入连接件CN1、综合连接件CN2、正弦波芯片IC1、振荡电阻R1、振荡电容C1、正弦电阻R2、继电器K1、三极管Q1、二极管D1、基极电阻R3、负电源电容C5和正电源电容C6，输入连接件CN1的地端GND端接地，CN1的输入端IN端与继电器K1中的一个触点开关K1-1的常闭触点NC端连接，触点开关K1-1的公共端COM端与继电器K1中的另一个触点开关K1-2的公共端COM端、转换电容C2的一端及跟随器IC2的正输入端+IN端连接，触点开关K1-2的常开端ON端与正弦电阻R2的一端连接，正弦电阻R2的另一端与正弦波芯片IC1的输出端OUT端连接，正弦波芯片IC1的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，正弦波芯片IC1的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接，正弦波芯片IC1的地端GND端接地，正弦波芯片IC1的波形选择端A0、A1端分别与电路正电源端VCC端和地端连接，正弦波芯片IC1的参考端REF端与振荡电阻R1的一端连接，振荡电阻R1的另一端与正弦波芯片IC1的输入端IN端连接，正弦波芯片IC1的振荡端COSC端与振荡电容C1的一端连接，振荡电容C1的另一端接地，综合连接件CN2的自检控制端UC端与基极电阻R3的一端连接，基极电阻R3的另一端与三极管Q1的基极b端连接，三极管Q1的射极e端接地，三极管Q1的集电极c端与继电器K1线圈的一端、二极管D1的阳极连接，继电器K1线圈的另一端与二极管D1的阴极、电路正电源端VCC端连接，综合连接件CN2的正电源端+V端与电路正电源端VCC端、正电源电容C6的一端连接，综合连接件CN2的负电源端-V端与电路负电源端VSS端、负电源电容C5的一端连接，综合连接件CN2的地端GND端同时与负电源电容C5的另一端、正电源电容C6的另一端相连接，且接地。

电荷-电压变换电路包括转换电容C2、跟随器IC2，转换电容C2的另一端接地，跟随器IC2的负输入端-IN端与IC2的输出端OUT端、隔直电容C3的一端连接，跟随器IC2的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，跟随器IC2的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接。

带通滤波和电压-电流变换电路包括滤波运放IC3、放大器IC4、隔直电容C3、隔直电阻R4、高频电阻R5、高频电容C4、接地电阻R6、输出电阻R7、正端电阻R8、负端电阻R9、反馈电阻R10、偏置电阻R11、变换电阻R12，隔直电容C3的另一端与隔直电阻R4的一端、高频电阻R5的一端连接，隔直电阻R4的另一端接地，高频电阻R5的另一端与高频电容C4的一端、滤波运放IC3的正输入端+IN端连接，高频电容C4的另一端接地，滤波运放IC3的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，滤波运放IC3的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接，接地电阻R6的一端接地，接地电阻R6的另一端与滤波运放IC3的负输入端-IN端、输出电阻R7的一端连接，输出电阻R7的另一端与滤波运放IC3的输出端OUT端、综合连接件CN2的电压输出端U0端及正端电阻R8的一端连接，正端电阻R8的另一端与放大器IC4的正输入端+IN端、偏置电阻R11的一端连接，偏置电阻R11的另一端与变换电阻R12的一端、综合连接件CN2的电流输出端I0端连接，负端电阻R9的一端接地，负端电阻R9的另一端与放大器IC4的负输入端-IN端、反馈电阻R10的一端连接，反馈电阻R10的另一端与放大器IC4的输出端OUT端、变换电阻R12的另一端连接，放大器IC4的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，放大器IC4的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接。

本发明所使用的包括正弦波芯片IC1、跟随器IC2、滤波运放IC3、放大器IC4及三极管Q1、二极管D1、继电器K1、输入连接件CN1和综合连接件CN1等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：正弦波芯片采用MAX038，跟随器、滤波运放、放大器均用TLC2254，三极管采用C8050，二极管采用IN4001，继电器采用DS2Y系列，输入连接件采用CH2.54-2，综合连接件采用CH2.54-6等。

带通滤波和电压-电流变换电路包括滤波运放IC3、放大器IC4、隔直电容C3、隔直电阻R4、高频电阻R5、高频电容C4、接地电阻R6、输出电阻R7、正端电阻R8、负端电阻R9、反馈电阻R10、偏置电阻R11、变换电阻R12，

本发明中的主要电路参数及输入输出关系如下：

图1中的正弦波芯片IC1的输出端输出的正弦波频率f_sin（单位：Hz），与振荡电阻R1、振荡电容C1间的关系如式（1）所示。

$f_{\sin }=\frac{5}{R_1{C}_1}---\left(1\right)$

在带通滤波中，当高频电阻R5远大于隔直电阻R4时，该电路环节中的低频截止频率f_L（单位：Hz）、高频截止频率f_H（单位：Hz）与电路器件参数间的关系分别如式（2）、（3）所示。

$f_L=\frac{1}{{2\mathrm{\πR}}_4{C}_3}---\left(2\right)$

$f_H=\frac{1}{{2\mathrm{\πR}}_5{C}_4}---\left(3\right)$

其中，C₃为隔直电容C3的参数，R₄为隔直电阻R4的参数，R₅为高频电阻R5的参数，C₄为高频电容C4的参数；

在电压-电流变换电路中的参数配合关系如式（4）-（6）所示，其中，u₀、i₀分别是本发明电路输出的电压信号、电流信号。

R₈＝R₉（4）

R₁₀＝R₁₁（5）

$i_0=\frac{R_{10}}{R_9{R}_{12}}{u}_0---\left(6\right)$

其中，R₈为正端电阻R8的参数，R₉为负端电阻R9的参数，R₁₀为反馈电阻R10的参数，R₁₁为偏置电阻R11的参数，R₁₂为变换电阻R12的参数；

本发明工作过程如下：

（1）在正常工作时，经综合连接件CN2的自检控制端UC端输入的控制信号为低电平信号，三极管Q1截止，继电器K1线圈不得电，则其触点开关K1-1、K1-2均处于常闭触点NC端。用于检测振动信号的加速度传感器输出的电荷信号经输入连接件CN1的输入端IN端及转换电容C2后转换成电压信号，经跟随器IC2进行阻抗变换，再经带通滤波环节后输出电压信号u₀,而该电压信号u₀经电压-电流变换电路后输出电流信号i₀以适于远距离传输，后续的监控系统据此可判别生产设备中的机械部件有无松动、脱落；

（2）当需进行通道自检时，经综合连接件CN2的自检控制端UC端输入的控制信号为高电平信号，三极管Q1导通，继电器K1线圈得电，则其触点开关K1-1、K1-2均处于常开触点ON端。这样，在切断加速度传感器信号的同时，将正弦波芯片IC1的输出正弦波信号连接到跟随器IC2的正输入端+IN端，此后，经带通滤波及电压-电流变换电路即输出预设的正弦波电压或电流信号，后续的监控系统据此可判别该监测通道是否正常。

Claims (3)

1.远距离自检式振动信号变送电路，包括通道自检控制电路、电荷-电压变换电路、带通滤波和电压-电流变换电路，其特征在于：

通道自检控制电路包括输入连接件CN1、综合连接件CN2、正弦波芯片IC1、振荡电阻R1、振荡电容C1、正弦电阻R2、继电器K1、三极管Q1、二极管D1、基极电阻R3、负电源电容C5和正电源电容C6，输入连接件CN1的地端GND端接地，CN1的输入端IN端与继电器K1中的一个触点开关K1-1的常闭触点NC端连接，触点开关K1-1的公共端COM端与继电器K1中的另一个触点开关K1-2的公共端COM端、转换电容C2的一端及跟随器IC2的正输入端+IN端连接，触点开关K1-2的常开端ON端与正弦电阻R2的一端连接，正弦电阻R2的另一端与正弦波芯片IC1的输出端OUT端连接，正弦波芯片IC1的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，正弦波芯片IC1的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接，正弦波芯片IC1的地端GND端接地，正弦波芯片IC1的波形选择端A0、A1端分别与电路正电源端VCC端和地端连接，正弦波芯片IC1的参考端REF端与振荡电阻R1的一端连接，振荡电阻R1的另一端与正弦波芯片IC1的输入端IN端连接，正弦波芯片IC1的振荡端COSC端与振荡电容C1的一端连接，振荡电容C1的另一端接地，综合连接件CN2的自检控制端UC端与基极电阻R3的一端连接，基极电阻R3的另一端与三极管Q1的基极b端连接，三极管Q1的射极e端接地，三极管Q1的集电极c端与继电器K1线圈的一端、二极管D1的阳极连接，继电器K1线圈的另一端与二极管D1的阴极、电路正电源端VCC端连接，综合连接件CN2的正电源端+V端与电路正电源端VCC端、正电源电容C6的一端连接，综合连接件CN2的负电源端-V端与电路负电源端VSS端、负电源电容C5的一端连接，综合连接件CN2的地端GND端同时与负电源电容C5的另一端、正电源电容C6的另一端相连接，且接地；

电荷-电压变换电路包括转换电容C2、跟随器IC2，转换电容C2的另一端接地，跟随器IC2的负输入端-IN端与IC2的输出端OUT端、隔直电容C3的一端连接，跟随器IC2的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，跟随器IC2的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接；

带通滤波和电压-电流变换电路包括滤波运放IC3、放大器IC4、隔直电容C3、隔直电阻R4、高频电阻R5、高频电容C4、接地电阻R6、输出电阻R7、正端电阻R8、负端电阻R9、反馈电阻R10、偏置电阻R11、变换电阻R12，隔直电容C3的另一端与隔直电阻R4的一端、高频电阻R5的一端连接，隔直电阻R4的另一端接地，高频电阻R5的另一端与高频电容C4的一端、滤波运放IC3的正输入端+IN端连接，高频电容C4的另一端接地，滤波运放IC3的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，滤波运放IC3的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接，接地电阻R6的一端接地，接地电阻R6的另一端与滤波运放IC3的负输入端-IN端、输出电阻R7的一端连接，输出电阻R7的另一端与滤波运放IC3的输出端OUT端、综合连接件CN2的电压输出端U0端及正端电阻R8的一端连接，正端电阻R8的另一端与放大器IC4的正输入端+IN端、偏置电阻R11的一端连接，偏置电阻R11的另一端与变换电阻R12的一端、综合连接件CN2的电流输出端I0端连接，负端电阻R9的一端接地，负端电阻R9的另一端与放大器IC4的负输入端-IN端、反馈电阻R10的一端连接，反馈电阻R10的另一端与放大器IC4的输出端OUT端、变换电阻R12的另一端连接，放大器IC4的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，放大器IC4的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接。

2.如权利要求1所述的远距离自检式振动信号变送电路，其特征在于正弦波芯片IC1的输出端输出的正弦波频率f_sin与振荡电阻R1、振荡电容C1间的关系如式(1)所示：

$f_{\sin }=\frac{5}{R_1{C}_1}---\left(1\right)$

其中R₁为振荡电阻R1的参数，C₁为振荡电容C1的参数；

在带通滤波中，当高频电阻R5远大于隔直电阻R4时，该电路环节中的低频截止频率f_L、高频截止频率f_H与电路器件参数间的关系分别如式(2)、(3)所示：

$f_L=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_4{C}_3}---\left(2\right)$

$f_H=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_5{C}_4}---\left(3\right)$

其中，C₃为隔直电容C3的参数，R₄为隔直电阻R4的参数，R₅为高频电阻R5的参数，C₄为高频电容C4的参数；

在电压-电流变换电路中的参数配合关系如式(4)-(6)所示，其中，u₀、i₀分别是输出的电压信号、电流信号：

R₈＝R₉(4)

R₁₀＝R₁₁(5)

$i_0=\frac{R_{10}}{R_9{R}_{12}}{u}_0---\left(6\right)$

其中，R₈为正端电阻R8的参数，R₉为负端电阻R9的参数，R₁₀为反馈电阻R10的参数，R₁₁为偏置电阻R11的参数，R₁₂为变换电阻R12的参数。

3.如权利要求1所述的远距离自检式振动信号变送电路，其特征在于正弦波芯片IC1、跟随器IC2、滤波运放IC3、放大器IC4及三极管Q1、二极管D1、继电器K1、输入连接件CN1和综合连接件CN2均采用现有的成熟产品；正弦波芯片采用MAX038，跟随器、滤波运放、放大器均用TLC2254，三极管采用C8050，二极管采用IN4001，继电器采用DS2Y系列，输入连接件采用CH2.54-2，综合连接件采用CH2.54-6。