CN104714587A - 一种求变送器电流平均值的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种求变送器电流平均值的装置，由取样电路、平均值计算电路、电流变送电路、电源电路组成，设有2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2个电流输入端的输入的变送器电流的平均值计算出来，并从平均值电流变送输出端输出。所述装置采用继电器做控制开关，开关断开时电阻大，导通时电阻小，电流平均值计算结果准确，可以用于需要计算变送器输入电流的平均值并输出的场合。

Description

一种求变送器电流平均值的装置

技术领域

本发明涉及一种变送器输出信号处理技术，尤其是一种求变送器电流平均值的装置。

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，即能够计算2个变送器输入电流的平均值并输出的装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种求变送器电流平均值的装置，由取样电路、平均值计算电路、电流变送电路、电源电路组成。

所述电源电路的输入为直流供电电源，输出双极性直流电源和变送器输出电源；双极性直流电源包括有正电源端、负电源端、公共地；直流供电电源与双极性电源共地，变送器输出电源地端与公共地不连接且相互电气隔离。

所述取样电路包括第一取样支路、第二取样支路和比较电压阈值电路；比较电压阈值电路设有比较电压阈值端。

所述第一取样支路由第一取样电阻R11、第一电压跟随器、第一电压比较器、第一继电器线圈、第一二极管组成；第一取样电阻R11串联在第一输入电流回路中；第一输入电流是来自于四线制变送器的电流输出时，第一输入电流的流出端连接至公共地；第一输入电流是来自于二线制变送器的电流输出时，第一输入电流的流出端连接至直流供电电源的正端；第一取样电阻R11的第一输入电流流入端连接至第一电压跟随器的输入端，第一电压跟随器的输出端设为第一取样电压输出端；第一电压比较器的正输入端连接至第一取样电压输出端、负输入端连接至比较电压阈值端；第一继电器线圈的两端分别连接至正电源端和电第一压比较器的输出端；第一二极管的阴极、阳极分别连接至正电源端和电第一压比较器的输出端。

所述第二取样支路由第二取样电阻R21、第二电压跟随器、第二电压比较器、第二继电器线圈、第二二极管组成；第二取样电阻R21串联在第二输入电流回路中；第二输入电流是来自于四线制变送器的电流输出时，第二输入电流的流出端连接至公共地；第二输入电流是来自于二线制变送器的电流输出时，第二输入电流的流出端连接至直流供电电源的正端；第二取样电阻R21的第二输入电流流入端连接至第二电压跟随器的输入端，第二电压跟随器的输出端设为第二取样电压输出端；第二电压比较器的正输入端连接至第二取样电压输出端、负输入端连接至比较电压阈值端；第二继电器线圈的两端分别连接至正电源端和第二电压比较器的输出端；第二二极管的阴极、阳极分别连接至正电源端和电第二压比较器的输出端。

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，设有第一取样电压输入端、第二取样电压输入端、平均值电压输出端。

所述反相加法电路由第一运放、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包括第一加法器输入支路和第二加法器输入支路。

所述第一加法器输入支路由第一输入电阻R13、第二输入电阻R14、第一继电器开关一组成；第一输入电阻R13、第二输入电阻R14、第一继电器开关一的一端联结为结点，第一输入电阻R13的另外一端为第一取样电压输入端且连接至第一取样电压输出端，第二输入电阻R14的另外一端连接至第一运放的负输入端，第一继电器开关一的另外一端连接至公共地。

所述第二加法器输入支路由第三输入电阻R23、第四输入电阻R24、第二继电器开关一组成；第三输入电阻R23、第四输入电阻R24、第二继电器开关一的一端联结为结点，第三输入电阻R23的另外一端为第二取样电压输入端且连接至第二取样电压输出端，第四输入电阻R24的另外一端连接至第一运放的负输入端，第二继电器开关一的另外一端连接至公共地。

所述加法器反馈电路包括第一加法器反馈支路和第二加法器反馈支路。

所述第一加法器反馈支路由第一反馈电阻R15、第二反馈电阻R16、第一继电器开关二组成；第一反馈电阻R15、第二反馈电阻R16、第一继电器开关二的一端联结为结点，第一反馈电阻R15的另外一端连接至第一运放的负输入端，第二反馈电阻R16的另外一端连接至第一运放的输出端，第一继电器开关二的另外一端连接至公共地。

所述第二加法器反馈支路由第三反馈电阻R25、第四反馈电阻R26、第二继电器开关二组成；第三反馈电阻R25、第四反馈电阻R26、第二继电器开关二的一端联结为结点，第三反馈电阻R25的另外一端连接至第一运放的负输入端，第四反馈电阻R26的另外一端连接至第一运放的输出端，第二继电器开关二的另外一端连接至公共地。

所述第一运放的正输入端连接至公共地。

所述第一继电器线圈、第一继电器开关一、第一继电器开关二同属第一继电器；所述第二继电器线圈、第二继电器开关一、第二继电器开关二同属第二继电器。

所述反相比例电路由第二运放、第一电阻R01、第二电阻R02组成；所述反相比例电路的输入端连接至第一运放的输出端、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，变送电压输入端连接至平均值电压输出端。所述电流变送电路由电流变送器和第一三极管、第一电容、第三电阻R03组成；电流变送器选择电流环路发送器XTR115。

所述装置的参数选择满足

                                                      。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：可以计算2个输入范围为4－20mA的变送器电流的平均值并输出；当2个输入中有1个输入变送器电流环路开路时，所述装置能够直接将另外一个输入的变送器电流作为平均值输出；控制开关采用继电器，继电器开关断开时电阻大，导通时电阻小，电流平均值计算结果准确。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的四线制变送器电流输入取样电路图。

图3为本发明的二线制变送器电流输入取样电路图。

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，一种求变送器电流平均值的装置，由取样电路、平均值计算电路、电流变送电路、电源电路组成。

取样电路如图2所示。

第一取样支路由第一取样电阻R11、第三运放F11、第一电压比较器F12、第一继电器线圈J11组成；第三运放F11的输出端连接至其负输入端构成第一电压跟随器。第一输入电流I1流经第一取样电阻R11。

第二取样支路由第二取样电阻R21、第四运放F21、第二电压比较器F22、第二继电器线圈J21组成；第四运放F21的输出端连接至其负输入端构成第二电压跟随器。第二输入电流I2流经第二取样电阻R21。

比较电压阈值电路为第一分压电阻RW1、第二分压电阻RW2组成的串联分压电路；比较电压阈值端VREF连接至分压输出端，两个分压输入端分别连接至正电源端+VCC和公共地。

D1、D2是续流二极管。

第三运放F11、第四运放F21选择LM358；第一电压比较器F12、第二电压比较器F22选择集电极开路的LM393。

在图2中，第一输入电流I1、第二输入电流I2是来自于四线制变送器的电流输出。当第一输入电流I1、第二输入电流I2是来自于二线制变送器的电流输出时，第一输入电流I1、第二输入电流I2的二线制环路供电电源为直流供电电源VDD，连接方式如图3所示，第一输入电流I1和第二输入电流I2的流出端连接至直流供电电源的正端。

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。

反相加法电路由第一运放F01、加法器输入电路、加法器反馈电路组成。

加法器输入电路包括第一加法器输入支路和第二加法器输入支路。

第一加法器输入支路由第一输入电阻R13、第二输入电阻R14、第一继电器开关一J11-1组成；第一输入电阻R13、第二输入电阻R14、第一继电器开关一J11-1的一端联结为结点，第一输入电阻R13的另外一端连接至第一取样电压输出端V1，第二输入电阻R14的另外一端连接至第一运放F01的负输入端，第一继电器开关一J11-1的另外一端连接至公共地。

第二加法器输入支路由第三输入电阻R23、第四输入电阻R24、第二继电器开关一J21-1组成，电路结构与第一加法器输入支路相同。

加法器反馈电路包括第一加法器反馈支路和第二加法器反馈支路。

第一加法器反馈支路由第一反馈电阻R15、第二反馈电阻R16、第一继电器开关二J11-2组成；第一反馈电阻R15、第二反馈电阻R16、第一继电器开关二J11-2的一端联结为结点，第一反馈电阻R15的另外一端连接至第一运放F01的负输入端，第二反馈电阻R16的另外一端连接至第一运放F01的输出端，第一继电器开关二J11-2的另外一端连接至公共地。

第二加法器反馈支路由第三反馈电阻R25、第四反馈电阻R26、第二继电器开关二J21-2组成，电路结构与第一加法器反馈支路相同。

第一运放F01的正输入端连接至公共地。

反相比例电路由第二运放F02、第一电阻R01、第二电阻R02组成。其输入端连接至第一运放F01的输出端、输出端设为平均值电压输出端VOUT。

第一运放F01、第二运放F02选择LM358。第一继电器线圈J11、第一继电器开关一J11-1、第一继电器开关二J11-2同属第一继电器，第二继电器线圈J21、第二继电器开关一J21-1、第二继电器开关二J21-2同属第二继电器；第一继电器、第二继电器都选择欧姆龙小型继电器G5V-2。

电流变送电路如图5所示，由电流变送器XTR01和第一三极管T01、第一电容C01、第三电阻R03组成，电流变送器XTR01选择电流环路发送器XTR115。

第三电阻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XTR01的电流输入端Iin；电流变送器XTR01的输入电流返回端IRET连接至公共地GND；第一三极管T01的集电极、基极、发射极分别连接至电流变送器XTR01的电压输入端U+、基极端B、发射极端E；第一电容C01的两端并联至电流变送器XTR01的电压输入端U+、变送电流输出端Iout；电流变送器XTR01的电压输入端U+连接至变送器输出电源VDD1；电流变送器XTR01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。

所述求变送器电流平均值的装置还包括有电源电路，由双极性电源电路和变送器输出电源电路组成，其实施例如图6所示。

所述双极性电源电路由双路直流电压斩波器DC/DC01和第二电容C02、第三电容C03、第四电容C04组成，输入直流供电电源VDD，输出双极性电源，包括正电源端+VCC、负电源端-VCC和公共地GND。双路直流电压斩波器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。

所述变送器输出电源电路由直流隔离斩波器DC/DC02和第五电容C05、第六电容C06组成，输入直流供电电源VDD，输出变送器输出电源VDD1；直流隔离斩波器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。

上述求变送器电流平均值的装置的工作原理是：

电流输入端接入的输入电流有效范围是4-20mA。判断输入电流是否有效的电流阈值IREF范围大于0mA，小于4mA；例如，电流阈值IREF的可以取值2.5mA。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。

取样输出电压与输入电流之间为正比例关系，例如，。取样电阻R11的取值不宜超过250Ω，例如，以R11取值100Ω为例，与2.5mA电流阈值IREF相应的比较电压阈值VREF等于0.25V。

当某取样支路的输入电流大于电流阈值IREF时，其取样输出电压大于比较电压阈值VREF，相应的比较器输出三极管集电极开路，继电器线圈失电，相应的继电器开关断开；反之，当某取样支路的输入电流小于电流阈值IREF时，相应的继电器开关导通。

当2条取样支路的输入电流都小于电流阈值IREF时，所有继电器开关都导通，结点11、结点21、结点12、结点22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

       。

当2条取样支路中有1条取样支路的输入电流大于电流阈值IREF时，以只有输入电流I1大于电流阈值IREF为例，第一继电器开关一J11-1、第一继电器开关二J11-2断开，第二继电器开关一J21-1、第一继电器开关二J21-2导通；结点21、结点22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XTR115对输入电流放大100倍，电流变送电路输出的平均值电流为

    ；

 对于所述装置而言，只有一个输入电流时，输出电流应该与该输入电流相等。选择电路参数，使其满足

    ；

则此时电流变送电路输出的平均值电流IOUT等于输入电流I1。

当输入电流I1、输入电流I2同时大于电流阈值IREF时，所有继电器开关都断开，加法器反馈电路的等效电阻值为 ，第一加法器输入支路与第二加法器输入支路参数相同，其等效电阻值为 ，此时反相比例电路的输出为

    ；

电流变送电路输出的平均值电流为

                             ；

电流变送电路输出的平均值电流IOUT为该2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 (7)

1.一种求变送器电流平均值的装置，由取样电路、平均值计算电路、电流变送电路、电源电路组成，其特征在于：

所述电源电路的输入为直流供电电源，输出双极性直流电源和变送器输出电源；双极性直流电源包括有正电源端、负电源端、公共地；直流供电电源与双极性电源共地至公共地，变送器输出电源地端与公共地不连接且相互电气隔离；

所述取样电路包括第一取样支路、第二取样支路和比较电压阈值电路；比较电压阈值电路设有比较电压阈值端；

所述第一取样支路由第一取样电阻R11、第一电压跟随器、第一电压比较器、第一继电器线圈、第一二极管组成；第一取样电阻R11串联在第一输入电流回路中；第一输入电流是来自于四线制变送器的电流输出时，第一输入电流的流出端连接至公共地；第一输入电流是来自于二线制变送器的电流输出时，第一输入电流的流出端连接至直流供电电源的正端；第一取样电阻R11的第一输入电流流入端连接至第一电压跟随器的输入端，第一电压跟随器的输出端设为第一取样电压输出端；第一电压比较器的正输入端连接至第一取样电压输出端、负输入端连接至比较电压阈值端；第一继电器线圈的两端分别连接至正电源端和电第一压比较器的输出端；第一二极管的阴极、阳极分别连接至正电源端和电第一压比较器的输出端；

所述第二取样支路由第二取样电阻R21、第二电压跟随器、第二电压比较器、第二继电器线圈、第二二极管组成；第二取样电阻R21串联在第二输入电流回路中；第二输入电流是来自于四线制变送器的电流输出时，第二输入电流的流出端连接至公共地；第二输入电流是来自于二线制变送器的电流输出时，第二输入电流的流出端连接至直流供电电源的正端；第二取样电阻R21的第二输入电流流入端连接至第二电压跟随器的输入端，第二电压跟随器的输出端设为第二取样电压输出端；第二电压比较器的正输入端连接至第二取样电压输出端、负输入端连接至比较电压阈值端；第二继电器线圈的两端分别连接至正电源端和第二电压比较器的输出端；第二二极管的阴极、阳极分别连接至正电源端和电第二压比较器的输出端；

所述反相加法电路由第一运放、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包括第一加法器输入支路和第二加法器输入支路；

所述第一加法器输入支路由第一输入电阻R13、第二输入电阻R14、第一继电器开关一组成；第一输入电阻R13、第二输入电阻R14、第一继电器开关一的一端联结为结点，第一输入电阻R13的另外一端为第一取样电压输入端且连接至第一取样电压输出端，第二输入电阻R14的另外一端连接至第一运放的负输入端，第一继电器开关一的另外一端连接至公共地；

所述第二加法器输入支路由第三输入电阻R23、第四输入电阻R24、第二继电器开关一组成；第三输入电阻R23、第四输入电阻R24、第二继电器开关一的一端联结为结点，第三输入电阻R23的另外一端为第二取样电压输入端且连接至第二取样电压输出端，第四输入电阻R24的另外一端连接至第一运放的负输入端，第二继电器开关一的另外一端连接至公共地；

所述加法器反馈电路包括第一加法器反馈支路和第二加法器反馈支路；

所述第一加法器反馈支路由第一反馈电阻R15、第二反馈电阻R16、第一继电器开关二组成；第一反馈电阻R15、第二反馈电阻R16、第一继电器开关二的一端联结为结点，第一反馈电阻R15的另外一端连接至第一运放的负输入端，第二反馈电阻R16的另外一端连接至第一运放的输出端，第一继电器开关二的另外一端连接至公共地；

所述第二加法器反馈支路由第三反馈电阻R25、第四反馈电阻R26、第二继电器开关二组成；第三反馈电阻R25、第四反馈电阻R26、第二继电器开关二的一端联结为结点，第三反馈电阻R25的另外一端连接至第一运放的负输入端，第四反馈电阻R26的另外一端连接至第一运放的输出端，第二继电器开关二的另外一端连接至公共地；

所述第一运放的正输入端连接至公共地；

所述第一继电器线圈、第一继电器开关一、第一继电器开关二同属第一继电器；所述第二继电器线圈、第二继电器开关一、第二继电器开关二同属第二继电器；

所述反相比例电路由第二运放、第一电阻R01、第二电阻R02组成；所述反相比例电路的输入端连接至第一运放的输出端、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，变送电压输入端连接至平均值电压输出端；

所述电流变送电路由电流变送器和第一三极管、第一电容、第三电阻R03组成；电流变送器选择电流环路发送器XTR115；

所述装置的参数满足式

                                                 

的要求。

2.如权利要求1所述的求变送器电流平均值的装置，其特征在于：所述第一电压跟随器由第三运放的输出端连接至其负输入端构成；所述第二电压跟随器由第四运放的输出端连接至其负输入端构成。

3.如权利要求1所述的求变送器电流平均值的装置，其特征在于：所述比较电压阈值电路为第一分压电阻、第二分压电阻组成的串联分压电路；比较电压阈值端连接至分压输出端，两个分压输入端分别连接至正电源端和公共地。

4.如权利要求1所述的求变送器电流平均值的装置，其特征在于：所述第一电压比较器、第二电压比较器选择LM393。

5.如权利要求1所述的求变送器电流平均值的装置，其特征在于：所述第一继电器、第二继电器都选择欧姆龙小型继电器G5V-2。

6.如权利要求2所述的求变送器电流平均值的装置，其特征在于：所述第一运放、第二运放选择LM358。

7.如权利要求3所述的求变送器电流平均值的装置，其特征在于：所述第三运放、第四运放选择LM358。