CN104614569A - 一种自适应变送器电流平均值装置和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应变送器电流平均值装置，由取样电路、平均值计算电路、电流变送电路组成，设有多个电流输入端，一个平均值电流变送输出端。所述装置能够将各电流输入端的输入电流分别与阈值电流比较，判断输入是否有效，将有效的输入端电流的平均值计算出来，并从平均值电流变送输出端输出，可以用在需要计算多个变送器电流的平均值并输出的场合。

Description

一种自适应变送器电流平均值装置和实现方法

技术领域

本发明涉及一种变送器信号处理技术，尤其是一种自适应变送器电流平均值装置和实现方法。

背景技术

在很多情况下，同一参数测量的结果需要使用多点测量值的平均值。当测量系统的传感器输入通道数量不够，特别是测量系统在设计之初是使用单个参数测量变送器进行参数测量与变送，需要增加参数测量变送器的数量，改成使用多点测量值的平均值方案时，测量系统将面临需要重新设计的情况。

发明内容

本发明的目的是为多点测量值的平均值计算提供一种解决方案，即能够自动判断、计算多个变送器电流的平均值并输出的装置。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种自适应变送器电流平均值装置，由取样电路、平均值计算电路、电流变送电路、电源电路组成。

所述电源电路由双极性电源电路和变送器输出电源电路组成；所述双极性电源电路输入直流供电电源，输出双极性电源；所述变送器输出电源电路输入直流供电电源，输出变送器输出电源。双极性直流电源与直流供电电源共地；变送器输出电源地端与公共地不连接且相互电气隔离。

所述取样电路有n条结构与参数相同的取样支路，包括取样支路1－n，n为大于等于2的整数；每条取样支路设有1个电流输入端，每个电流输入端都可以接入1个变送器电流环路；

设i为大于等于1、小于等于n的整数，取样支路i设有电流输入端Ii和取样电压输出端Vi、开关控制信号输出端SWi。

所述平均值计算电路由和反相加法电路、反相比例电路组成。

所述反相加法电路由运放F01、加法器输入电路、加法器反馈电路组成。

所述加法器输入电路共有n条结构与参数相同的加法器输入支路，包括加法器输入支路1－n；所述加法器反馈电路共有n条结构与参数相同的加法器反馈支路，包括加法器反馈支路1－n。

所述加法器输入支路i由电阻RiA、电阻RiB、可控开关SWiA组成；电阻RiA、电阻RiB、可控开关SWiA的一端联结为结点，电阻RiA的另外一端连接至取样电压输出端Vi，电阻RiB的另外一端连接至运放F01的负输入端，可控开关SWiA的另外一端连接至公共地。

所述加法器反馈支路i由电阻RiC、电阻RiD、可控开关SWiB组成；电阻RiC、电阻RiD、可控开关SWiB的一端联结为结点，电阻RiC的另外一端连接至运放F01的负输入端，电阻RiD的另外一端连接至运放F01的输出端，可控开关SWiB的另外一端连接至公共地。

所述可控开关SWiA设有控制端CiA，可控开关SWiB设有控制端CiB。

所述运放F01的正输入端连接至公共地。

所述反相比例电路的输入端连接至运放F01的输出端，所述反相比例电路的输出端设为平均值电压输出端。

所述电流变送电路设有变送电压输入端和平均值电流变送输出端；所述变送电压输入端连接至平均值电压输出端。

所述运放F01由双极性电源供电。

所述反相比例电路由比例运放F02和电阻R01、电阻R02组成；所述比例运放F02由双极性电源供电。

所述取样支路由取样电阻Ri、运放FiA、运放FiB组成；取样电阻Ri串联在输入电流Ii回路中，其电流Ii流出端连接至公共地；运放FiA的负输入端与输出端连接；取样电阻Ri的电流Ii流入端连接至运放FiA的正输入端；运放FiA的输出端设为取样电压输出端Vi；运放FiB的正输入端连接至比较电压阈值输入端VREF，负输入端连接至取样电压输出端Vi，输出端设为开关控制信号输出端SWi；所述运放FiA、运放FiB由双极性电源供电。

本发明另一方面提供了一种自适应变送器电流平均值实现方法，包括：

所述比较电压阈值对应一个电流阈值，电流阈值与比较电压阈值是正比例关系。

所述取样支路i的取样输出电压Vi与输入电流Ii之间为正比例关系。

所述取样支路i的输入电流Ii大于电流阈值时，开关控制信号SWi有效；输入电流Ii小于等于电流阈值时，开关控制信号SWi无效。

所述开关控制信号SWi有效时，可控开关SWiA、可控开关SWiB断开；所述开关控制信号SWi无效时，可控开关SWiA、可控开关SWiB导通。

所述电流输入端接入的输入电流有效范围是4-20mA。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：需要计算平均值的变送器电流数量，可以是所述装置最大输入端子数量之内的任意值；需要计算平均值的多个变送器电流，可以任意选择输入端接入；所述装置采用电路运算方式计算多个变送器电流的平均值并直接输出，输出响应快；当有输入变送器电流环路开路时，所述装置能够自动计算剩余有效工作的变送器电流的平均值。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的取样电路实施例1。

图3为本发明的取样电路实施例2。

图4为本发明的平均值计算电路图。

图5为本发明的电流变送电路图。

图6为本发明的电源电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的结构框图如图1所示，一种自适应变送器电流平均值装置，由取样电路、平均值计算电路、电流变送电路、电源电路组成。

取样电路实施例1如图2所示。

取样电路共有n条取样支路，n为大于等于2的整数。每条取样支路设有1个电流输入端，每个电流输入端都可以接入1个变送器电流环路。电流输入端接入电流的有效范围是4-20mA。所述取样电路共有n个电流输入端，即所述装置有n个电流输入端。

图2中仅画出取样支路1、取样支路2和取样支路n。取样支路i设有电流输入端Ii和取样电压输出端Vi、开关控制信号输出端SWi，i为大于等于1、小于等于n的整数。例如，取样支路1设有电流输入端I1和取样电压输出端V1、开关控制信号输出端SW1。

取样电路还包括有比较电压阈值电路，比较电压阈值电路设有比较电压阈值端VREF。

所有取样支路的结构与参数均相同。以取样支路1为例：取样支路1由取样电阻R1、运放F1A、运放F1B组成；取样电阻R1串联在输入电流I1回路中，其电流I1流出端连接至公共地；运放F1A的负输入端与输出端连接，构成跟随器；取样电阻R1的电流I1流入端连接至运放F1A的正输入端，运放F1A的输出端设为取样电压输出端V1；运放F1B是比较器，其正输入端连接至比较电压阈值端VREF，负输入端连接至取样电压输出端V1，输出端设为开关控制信号输出端SW1；运放F1A、运放F1B由双极性电源供电。

在图2中，取样电阻Ri直接连接至电流输入端Ii的变送器电流流入端子和电流流出端子，适合电流输入端接入的变送器电流环路是采用四线制或三线制供电的情况。

取样电路实施例2如图3所示。

图3适合电流输入端接入的变送器电流环路采用二线制供电的情况。取样支路i的取样电阻Ri与直流供电电源VDD串联后，分别连接至电流输入端Ii的电流流入端子和电流流出端子。图2与图3中，取样电阻Ri都串联在输入电流Ii回路中。

平均值计算电路如图4所示。

平均值计算电路由和反相加法电路、反相比例电路组成。

反相加法电路由运放F01、加法器输入电路、加法器反馈电路组成。

加法器输入电路共有n条结构与参数相同的加法器输入支路，包括加法器输入支路1－n。以加法器输入支路1为例：其由电阻R1A、电阻R1B、可控开关SW1A组成；电阻R1A、电阻R1B、可控开关SW1A的一端（A）联结为结点11，电阻R1A的另外一端连接至取样电压输出端V1，电阻R1B的另外一端连接至运放F01的负输入端，可控开关SW1A的另外一端（B）连接至公共地；可控开关SW1A还设有控制端C1A（C）。

加法器反馈电路共有n条结构与参数相同的加法器反馈支路，包括加法器反馈支路1－n。以加法器反馈支路1为例：其所述加法器反馈支路由电阻R1C、电阻R1D、可控开关SW1B组成；电阻R1C、电阻R1D、可控开关SW1B的一端（A）联结为结点12，电阻R1C的另外一端连接至运放F01的负输入端，电阻R1D的另外一端连接至运放F01的输出端，可控开关SW1B的另外一端（B）连接至公共地；可控开关SW1B还设有控制端C1B（C）。

运放F01的正输入端连接至公共地。

反相比例电路由比例运放F02、电阻R01、电阻R02组成，其输入端连接至运放F01的输出端、输出端设为平均值电压输出端VOUT。

运放F01、运放F02由双极性电源供电。

电流变送电路设有变送电压输入端VIN和平均值电流变送输出端IOUT，变送电压输入端VIN连接至平均值电压输出端VOUT。

电流变送电路如图5所示，由电流变送器XTR和三极管V01、电容C01、电阻R03组成，电流变送器XTR选择电流环路发送器XTR117。

电阻R03的一端是变送电压输入端VIN且连接至平均值电压输出端VOUT，另外一端连接至电流变送器XTR的电流输入端Iin；电流变送器XTR的输入电流返回端IRET连接至公共地GND；三极管V01的集电极、基极、发射极分别连接至电流变送器XTR的电压输入端U+、基极端B、发射极端E；电容C01的两端并联至电流变送器XTR的电压输入端U+、变送电流输出端Iout；电流变送器XTR的电压输入端U+连接至变送器输出电源VDD1；电流变送器XTR的变送电流输出端Iout和变送器输出电源地端GND1构成平均值电流变送输出端IOUT。

取样支路i的电流输入端为Ii，电压输出端为Vi，开关控制信号输出端为SWi；加法器输入支路i的可控开关为SWiA，相应的控制端为CiA；加法器反馈支路i的可控开关为SWiB，相应的控制端为CiB。

可控开关SWiA、可控开关SWiB可以使用各种控制开关，如模拟开关、继电器等，优选方案是选择CMOS器件CD4066中的独立模拟开关。当可控开关SWiA、可控开关SWiB选择CD4066中的独立模拟开关时，相应的控制端CiA、控制端CiB均直接连接至开关控制信号输出端SWi；SWi为低电平可控开关SWiA、可控开关SWiB关断，为高电平则可控开关SWiA、可控开关SWiB导通。

所述所有CD4066都由双极性电源供电。运放FiB选择轨到轨输出器件，输出的开关控制信号SWi的幅值接近双极性电源电压。当采用幅值接近双极性电源电压的开关控制信号SWi控制CD4066中的独立模拟开关时，能够可靠地导通与关断双极性电源电压范围内的信号。

所述比较电压阈值电路，最简单的电路形式为电位器或者分压电路。在图1、图2中，提供比较电压阈值VREF的电路为电位器RW，比较电压阈值端VREF连接至电位器RW的移动端；RW的两个固定端分别连接至正电源端和公共地。

所述自适应变送器电流平均值装置还包括有电源电路。电源电路的实施例如图6所示。

所述电源电路由双极性电源电路和变送器输出电源电路组成。

所述双极性电源电路由双路直流电压斩波器件DC/DC01和电容C02、电容C03、电容C04组成，输入直流供电电源VDD，输出双极性电源±VCC；双路直流电压斩波器件DC/DC01型号为DCP022405D，输入的直流供电电源VDD是24V，输出双极性电源±VCC为±5V。直流供电电源VDD与双极性电源±VCC共地至公共地GND。

所述变送器输出电源电路由直流隔离电源器件DC/DC02和电容C05、电容C06组成，输入直流供电电源VDD，输出变送器输出电源VDD1；直流隔离电源器件DC/DC02器件DC/DC02型号为DCP022424，输入的直流供电电源VDD是24V，输出的变送器输出电源VDD1也是24V。变送器输出电源地端GND1与公共地GND不连接且相互电气隔离。

上述自适应变送器电流平均值装置的工作原理是：

电流输入端接入的输入电流有效范围是4-20mA。设一个判断输入电流Ii是否有效的电流阈值IREF，其取值范围大于0mA，小于4mA；电流阈值IREF的取值是2mA，也可以取值为1mA、1.8mA、3mA等。电流阈值IREF由比较电压阈值VREF决定，两者之间为正比例关系。

如图1 或图2，取样输出电压Vi与输入电流Ii之间为正比例关系，                                                。取样电阻Ri的取值不宜超过250Ω，例如，以Ri取值100Ω为例，与2mA电流阈值IREF相应的比较电压阈值VREF等于0.2V。

开关控制信号SWi与可控开关SWiA、可控开关SWiB之间的控制关系为：开关控制信号SWi有效，可控开关SWiA、可控开关SWiB断开；开关控制信号SWi无效，可控开关SWiA、可控开关SWiB导通。

可控开关SWiA、可控开关SWiB选择CD4066时，SWi是低电平有效，高电平无效。

当第i条取样支路的输入电流Ii大于电流阈值IREF时，相应的开关控制信号SWi有效且控制可控开关SWiA和可控开关SWiB都断开；输入电流Ii小于等于电流阈值IREF时，相应的开关控制信号SWi无效且控制可控开关SWiA和可控开关SWiB都导通。

下面分几种情况进行说明。

一是n条取样支路中，没有取样支路的输入电流大于电流阈值IREF的情况。如果所有取样支路的电流输入端都没有接入变送器电流环路，或者是接入的变送器电流环路开路，则所有取样支路输出的开关控制信号SW1至SWn全部无效，控制可控开关SW1A至可控开关SWnA、可控开关SW1B至可控开关SWnB都导通；结点11至结点n1、结点12至结点n2都接地。显然，此时的反相加法电路的输出为

     ；

电流变送电路输出的平均值电流为

      。

 二是n条取样支路中，只有1条取样支路的输入电流大于电流阈值IREF的情况。以只有取样支路1为例：当在n条取样支路中，只在取样支路1接入了变送器电流环路，其他取样支路没有接入变送器电流环路或者是接入的变送器电流环路开路时，只有输入电流I1大于电流阈值IREF，开关控制信号SW1有效且控制可控开关SW1A和可控开关SW1B都断开；而其他取样支路输出的开关控制信号SW2至SWn全部无效，控制可控开关SW2A至可控开关SWnA、可控开关SW2B至可控开关SWnB都导通；结点21至结点n1、结点22至结点n2都接地。显然，此时的反相加法电路的输出为

    ；

反相比例电路的输出为

     ；

电流环路发送器XTR117对输入电流放大100倍，电流变送电路输出的平均值电流为

      。

对于电流平均值装置而言，只有一个输入电流时，输出电流应该与该输入电流相等。即当只有开关控制信号SW1有效时，电流变送电路输出的平均值电流IOUT等于输入电流I1。因此，应该满足条件

         （1）

例如，可以电阻R1取值100Ω，电阻R01、电阻R02、电阻R03、电阻R1A、电阻R1B、电阻R1C、电阻R1D均取值10kΩ。

所述装置所有取样支路结构与参数相同，所有加法器输入支路结构与参数相同，所有加法器反馈支路结构与参数相同，即有

                            （2）

所以，当输入电流大于电流阈值IREF的1条取样支路是其他支路时，例如，当只有取样支路x的输入电流Ix大于电流阈值IREF时，装置输出的平均值电流IOUT等于输入电流Ix。

三是n条取样支路中，有2条取样支路的输入电流大于电流阈值IREF的情况。以n条取样支路中，只有取样支路1、取样支路2接入有变送器电流环路为例，此时输入电流I1、输入电流I2同时大于电流阈值IREF，开关控制信号SW1有效且控制可控开关SW1A和可控开关SW1B都断开；开关控制信号SW2有效且控制可控开关SW2A和可控开关SW2B都断开；其他取样支路输出的开关控制信号SW3至SWn全部无效，控制可控开关SW3A至可控开关SWnA、可控开关SW3B至可控开关SWnB都导通，结点31至结点n1、结点32至结点n2都接地。由于满足式（2）要求，因此，加法器反馈电路的等效电阻值为，加法器输入支路1、加法器输入支路2的等效电阻值为 ，此时的反相加法电路的输出为

    ；

反相比例电路的输出为

     ；

此时式（1）的条件同样满足，所以，此时电流变送电路输出的平均值电流为

                                。

 当输入电流大于电流阈值IREF的2条取样支路是Ix、Iy时，其中x、y都为大于等于1、小于等于n的整数且x不等于y，电流变送电路输出的平均值电流为

               。

在n条取样支路中，假设有k条取样支路的输入电流大于电流阈值IREF，k为大于等于1、小于等于n的整数；I_SUM为该k条取样支路的输入电流值之和，则电流变送电路输出的平均值电流为该k条取样支路的输入电流的平均值，即

                                 。

在n个电流输入端中，可以任意选择其中的任意个接入需要计算平均值的变送器电流环路；已经接入的变送器电流环路中，有k个电流输入端的输入电流大于电流阈值IREF时，所述电流平均值装置具有自动判断与自适应功能，电流变送电路输出的平均值电流IOUT为该k个电流输入端输入电流的平均值。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：

由取样电路、平均值计算电路、电流变送电路、电源电路组成；

所述电源电路由双极性电源电路和变送器输出电源电路组成；所述双极性电源电路输入直流供电电源，输出双极性电源；所述变送器输出电源电路输入直流供电电源，输出变送器输出电源；

所述取样电路有n条结构与参数相同的取样支路，包括取样支路1－n，n为大于等于2的整数；每条取样支路设有1个电流输入端；

设i为大于等于1、小于等于n的整数，取样支路i设有电流输入端Ii和取样电压输出端Vi、开关控制信号输出端SWi；

所述平均值计算电路由和反相加法电路、反相比例电路组成；

所述反相加法电路由运放F01、加法器输入电路、加法器反馈电路组成；

所述加法器输入电路共有n条结构与参数相同的加法器输入支路，包括加法器输入支路1－n；所述加法器反馈电路共有n条结构与参数相同的加法器反馈支路，包括加法器反馈支路1－n；

所述加法器输入支路i由电阻RiA、电阻RiB、可控开关SWiA组成；电阻RiA、电阻RiB、可控开关SWiA的一端联结为结点，电阻RiA的另外一端连接至取样电压输出端Vi，电阻RiB的另外一端连接至运放F01的负输入端，可控开关SWiA的另外一端连接至公共地；

所述加法器反馈支路i由电阻RiC、电阻RiD、可控开关SWiB组成；电阻RiC、电阻RiD、可控开关SWiB的一端联结为结点，电阻RiC的另外一端连接至运放F01的负输入端，电阻RiD的另外一端连接至运放F01的输出端，可控开关SWiB的另外一端连接至公共地；

所述可控开关SWiA设有控制端CiA，可控开关SWiB设有控制端CiB；

所述运放F01的正输入端连接至公共地；

所述反相比例电路的输入端连接至运放F01的输出端，所述反相比例电路的输出端设为平均值电压输出端；

所述电流变送电路设有变送电压输入端和平均值电流变送输出端；所述变送电压输入端连接至反相比例电路的平均值电压输出端；

所述运放F01由双极性电源供电。

2.如权利要求1所述的自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：所述反相比例电路由比例运放F02和电阻R01、电阻R02组成；所述比例运放F02由双极性电源供电。

3.如权利要求2所述的自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：所述取样支路i由取样电阻Ri、运放FiA、运放FiB组成；取样电阻Ri串联在输入电流Ii回路中，其电流Ii流出端连接至公共地；运放FiA的负输入端与输出端连接；取样电阻Ri的电流Ii流入端连接至运放FiA的正输入端；运放FiA的输出端设为取样电压输出端Vi；运放FiB的正输入端连接至比较电压阈值输入端VREF，负输入端连接至取样电压输出端Vi，输出端设为开关控制信号输出端SWi；所述运放FiA、运放FiB由双极性电源供电。

4.如权利要求1或2或3所述的自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：所述电流变送电路由电流变送器和三极管V01、电容C01、电阻R03组成；电阻R03的一端连接至平均值电压输出端，另外一端连接至电流变送器的电流输入端；电流变送器的输入电流返回端连接至公共地；三极管V01的集电极、基极、发射极分别连接至电流变送器的电压输入端、基极端、发射极端；电容C01的两端并联至电流变送器的电压输入端、变送电流输出端；电流变送器的电压输入端连接至变送器输出电源；电流变送器的变送电流输出端和变送器输出电源地端构成平均值电流变送输出端；电流变送器选择电流环路发送器XTR117。

5.如权利要求3所述的自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：所述可控开关SWiA、可控开关SWiB选择CMOS器件CD4066中的独立模拟开关；所述独立模拟开关的控制端CiA、控制端CiB均连接至开关控制信号输出端SWi；所述CD4066由双极性电源供电；所述运放FiB选择轨到轨输出器件。

6.如权利要求1所述的自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：所述双极性直流电源与直流供电电源共地，变送器输出电源地端与公共地不连接且相互电气隔离。

7.由权利要求1－6任一项所述电路的自适应变送器电流平均值实现方法，其特征在于：

所述比较电压阈值对应一个电流阈值，电流阈值与比较电压阈值是正比例关系；

所述取样支路i的取样输出电压Vi与输入电流Ii之间为正比例关系；

所述取样支路i的输入电流Ii大于电流阈值时，开关控制信号SWi有效；输入电流Ii小于等于电流阈值时，开关控制信号SWi无效；

所述开关控制信号SWi有效时，可控开关SWiA、可控开关SWiB断开；所述开关控制信号SWi无效时，可控开关SWiA、可控开关SWiB导通。

8.如权利要求7所述的自适应变送器电流平均值实现方法，其特征在于：所述电流输入端接入的输入电流有效范围是4-20mA。

9.如权利要求7所述的自适应变送器电流平均值实现方法，其特征在于：所述电流阈值为2mA。

10.如权利要求7所述的自适应变送器电流平均值实现方法，其特征在于：所述所有取样支路中，当只有取样支路1的开关控制信号SW1有效时，选择电路参数，使电流变送电路输出的平均值电流等于输入电流I1。