CN105448073A - 一种单相数字电量变送器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单相数字电量变送器，包括依次连接的信号采集单元、信号处理单元以及单片机处理单元；所述信号处理单元包括计量芯片和退耦电路；所述计量芯片分别与所述信号采集单元、退耦电路以及信号处理单元连接；信号采集单元，用于实时采集单相交流电信号，并输出至所述信号处理单元；退耦电路，用于消除单相交流电信号变化所产生的耦合；计量芯片，用于对接收到的单相交流电信号进行运算和计量，获取电参数以及电能脉冲信号，并输出至所述单片机处理单元；单片机处理单元，用于控制所述电参数以及电能脉冲信号的输出。本发明显著提高检测计量精度；同时具备一路脉冲输出、两路报警输出、异地送显、本地送显以及通信功能。

Description

一种单相数字电量变送器

技术领域

本发明涉及变送器领域，具体说的是一种单相数字电量变送器。

背景技术

电量变送器是一种将被测电量参数(如电流、电压、功率、频率、功率因数等信号)转换成直流电流、直流电压并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。电量变送器在供电网络中的应用越来越广泛，目前市场上的多数单相电量变送器虽然能够测量电压、电流、功率、功率因数、频率等电参数，并计量获得电能脉冲信号；但测量精度不高，当工况存在噪声干扰时，易产生耦合作用使测量值出现偏差影响计量；进一步的，其功能也不完善，存在调试复杂、显示观察不方便、成本高等缺陷。

申请号为201020655416.4的授权专利公开一种智能单相全电量变送器，具体公开了依次相互连接的信号采集电路、单片机处理器、PWM输出电路、信号整理电路及变送输出电路，在单片机处理器的RS485接口还连接有RS485输出电路与上位机进行通讯检测，信号采集电路包括电压信号采集电路、频率信号采集电路和电流信号采集电路，电压信号采集电路一路直接输送给单片机处理器，另一路经过频率信号采集电路对采集的电压信号进行频率采集后输送给单片机处理器。实现对单相交流回路上的电量参数进行测量，并通过RS485通讯接口进行后台监测，选择对应回路内电量参数进行变送输出。

上述专利以及现有技术的单相电量变送器还是无法克服工况复杂情况下测量值被干扰而导致测量精度偏低的问题，且功能单一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种单相数字电量变送器，实现对单相交流电信号的高精度测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种单相数字电量变送器，包括依次连接的信号采集单元、信号处理单元以及单片机处理单元；所述信号处理单元包括计量芯片和退耦电路；所述计量芯片分别与所述信号采集单元、退耦电路以及信号处理单元连接；

所述信号采集单元，用于实时采集单相交流电信号，并输出至所述信号处理单元；

所述退耦电路，用于消除单相交流电信号变化所产生的耦合；

所述计量芯片，用于对接收到的单相交流电信号进行运算和计量，获取电参数以及电能脉冲信号，并输出至所述单片机处理单元；

所述单片机处理单元，用于控制所述电参数以及电能脉冲信号的输出。

本发明的有益效果在于：区别于现有技术的单相数字电量变送器测量精度不高，功能单一的不足；本发明提供一种单相数字电量变送器，设置有退耦电路，能够在单相交流电信号的实时采集过程中，消除由于单相交流电信号的大小起伏变化和噪声干扰而产生的耦合，从而提高检测计量精度，实现对单相交流回路的单相交流电信号进行高精确地测量。

附图说明

图1为本发明一种单相数字电量变送器的结构示意图；

图2为本发明实施例二的单相数字电量变送器的结构示意图。

标号说明：

1、信号采集单元；2、信号处理单元；3、单片机处理单元；

4、脉冲输出电路；5、变送输出模块；6、报警输出模块；7、通信模块；

8、按键显示模块；9、存储模块；

21、计量芯片；22、退耦电路。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：能够通过退耦电路在单相交流电信号的实时采集过程中，消除由于单相交流电信号的大小起伏变化以及噪声干扰而造成的耦合，从而提高检测计量精度。

请参照图1，本发明提供一种单相数字电量变送器，包括依次连接的信号采集单元1、信号处理单元2以及单片机处理单元3；所述信号处理单元2包括计量芯片21和退耦电路22；所述计量芯片21分别与所述信号采集单元1、退耦电路22以及信号处理单元2连接；

所述信号采集单元1，用于实时采集单相交流电信号，并输出至所述信号处理单元2；

所述退耦电路22，用于消除单相交流电信号变化所产生的耦合；

所述计量芯片21，用于对接收到的单相交流电信号进行运算和计量，获取电参数以及电能脉冲信号，并输出至所述单片机处理单元3；

所述单片机处理单元3，用于控制所述电参数以及电能脉冲信号的输出。

进一步的，所述退耦电路22包括第一电容和第二电容，所述第一电容与第二电容并联后连接所述信号采集单元1的供电端；

所述退耦电路22，具体用于通过第一电容和第二电容在所述信号采集单元1的供电端形成高低频脉冲的消耦效应。

由上述描述可知，本发明的退耦电路22由高频电容和低频电容构成，当所述单相数字电量变送器的测量对象为复杂工况环境下的单相交流电信号，实时采集获取的电流信号和电压信号的变化差异较大时，便能够通过第一电容和第二电容形成的高低频脉冲消除信号大小变化时产生的耦合，从而有效消除信号零点，在单相交流电信号较弱时也可以被采集，而不被耦合；提高检测计量的精度。

进一步的，所述第一电容为电容值在0.1-0.5UF的低频电容；所述第二电容为电容值在10-50UF的高频电容。

由上述描述可知，本发明采用上述范围构成的退耦电路22，所形成的高低频脉冲，能够获取最佳的消耦效果。

进一步的，所述单相电流电信号包括单相交流电流信号和单相交流电压信号；所述信号采集单元1包括电压互感器、电流互感器和滤波电路；所述电压互感器和电流互感器分别与所述滤波电路连接；

所述电流互感器，用于依据电流互感器的变比，将采集到的单相交流电流信号转换成与所述信号处理单元2匹配的电流范围；

所述电压互感器，用于依据电压互感器的变比，将采集到的单相交流电压信号转换成与所述信号处理单元2匹配的电压范围；

所述滤波电路，用于将经过所述电流互感器或电压互感器转换处理后的单相交流电流信号或单相交流电压信号进行滤波处理，并输出至所述信号处理单元2。

由上述描述可知，本发明先将采集到的单相交流电信号转换成能够被所述信号处理单元2接收的范围，然后再经过一阶RC滤波处理，消除干扰信号，从而提高单相交流电信号的采集精度。

进一步的，还包括脉冲输出电路4，所述脉冲输出电路4与所述计量芯片21连接；

所述脉冲输出电路4，用于输出所述计量芯片21发送过来的电能脉冲信号。

由上述描述可知，本发明提供一路电能脉冲信号的本地输出功能，以实时掌握所述单相数字电量变送器的计量结果。

进一步的，还包括变送输出模块5，所述变送输出模块5与所述单片机处理单元3连接；

所述变送输出模块5，用于将所述单片机处理单元3发送过来的一电参数转变为对应的模拟电参数信号后输出。

由上述描述可知，本发明还支持异地送显功能。单片机依据预先设定，控制输出指定的一电参数至变送输出模块5，然后通过变送输出模块5将其转变为模拟电信号的模拟量形式变送至其他工况下的信号采集设备中，实现同步的异地显示。

进一步的，还包括报警输出模块6，所述报警输出模块6包括第一路输出和第二路输出；所述报警输出模块6与所述单片机处理单元3连接；

所述单片机处理单元3，还用于对应所述报警输出模块6的一路输出设定对应一电参数的阈值，并将接收到的所述一电参数与所述阈值进行比较，依据比较结果控制是否输出一预设的控制信号至所述报警输出模块6；

所述报警输出模块6，用于接收所述单片机处理单元3发送过来的控制信号，并发送至对应的第一路输出或第二路输出。

由上述描述可知，本发明还提供两路独立的警报输出功能。能够针对一路的输出，对应预设对应一电参数的报警阈值；通过单片机处理单元3的逻辑运算，在接收到的电参数超过或者小于报警阈值时，输出一预先设定的控制信号至报警输出模块6，通过报警输出模块6在对应的一路输出，用于控制阈值连接的外部设备。

进一步的，还包括通信模块7，所述通信模块7与所述单片机处理单元3连接；

所述通信模块7，用于建立所述单片机处理单元3与外部设备的联机通讯关系。

由上述描述可知，本发明的单相数字电量变送器还具备与外部设备的联机通讯功能，能够实现信息的交互。

进一步的，还包括按键显示模块8，所述按键显示模块8与所述单片机处理单元3连接；

所述按键显示模块8，用于展示所述电参数和电能脉冲信号，以及系统参数的设定。

由上述描述可知，本发明的单相数字电量变送器还具备本地查看计量结果和测量结果，以及通过按键对参数进行设置的功能，方便现场调试。

进一步的，还包括存储模块9，所述存储模块9与所述单片机处理单元3连接；

所述存储模块9，用于存储所述单相数字电量变送器的系统参数和电能参数。

由上述描述可知，本发明的单相数字电量变送器还能够对相关参数进行备份处理，有效防止意外情况下数据的丢失。

实施例一

请参照图1，本实施例提供一种单相数字电量变送器，能够对包括电压、电流、功率、功率因素、频率等电参数进行高精度测量，累计电能输出；同时有效消除复杂工况下，由于耦合效应对测量结果造成的影响。

本实施例的单相数字电量变送器具体包括信号采集单元1、信号处理单元2以及单片机处理单元3；所述信号采集单元1、信号处理单元2以及单片机处理单元3依次电连接；

所述信号采集单元1包括电压互感器、电流互感器和滤波电路；所述电压互感器和电流互感器分别与所述滤波电路连接；

所述信号处理单元2包括计量芯片21和退耦电路22；所述计量芯片21分别连接所述信号采集单元1、退耦电路22以及信号处理单元2；所述退耦电路22包括低频的第一电容和高频的第二电容，所述第一电容与第二电容并联后连接所述信号采集单元1的供电端。

本实施例的单相数字电量变送器的工作原理为：

通过信号采集单元1对采集到的单相交流电信号进行变比处理，转换成所述信号处理单元2能够接收的电压和电流范围；输出变比处理后的单相交流电信号至所述信号处理单元2。具体的，所述信号采集单元1由电压采集和电流采集两部分组成，先将采集到的单相交流电压信号和单相交流电流信号分别经过电压互感器和电流互感器进行变比处理，从而将接收到的大电压信号和大电流信号分别转换成信号处理单元2能够接收的小电压信号和小电流信号；然后经过滤波电路进行一阶RC滤波处理，抑制和消除其中的干扰信号，最后输出至信号处理单元2。

在单相交流电信号的实时采集过程中，若处于较为复杂的工况环境下，不断输入的单相交流电信号的大小可能不断的发生变化，同时也会受到噪声干扰；所采集到的单相交流电信号很容易产生耦合作用，使测量值出现偏差，影响测量精度。因此，在信号采集单元1的供电端外设置退耦电路22，通过在信号处理单元2的供电端形成高低脉冲的消耦效应，以消除信号耦合，提高检测计量精度。

信号处理单元2接收到经过消耦处理的单相交流小电压信号和单相交流小电流信号后，首先依据变比分别还原成单相交流电压信号和单相交流电流信号，确保信号的精确度。然后通过所述计量芯片21将对接收到的单相交流电信号进行电能累计，获取包括正向有功电能，反向有功电能，正向无功电能，反向无功电能的四象限电能脉冲数据，转换成对应的电能脉冲信号，以及直接精确地计算电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、频率等电参数；输出所述电参数和电能脉冲信号供所述单片机处理单元3实时读取。单片机处理单元3依据预先设定，对接收到的电参数和电能脉冲信号进行形态转换，然后控制输出。

请参照图2，本发明的实施例二为：

本实施例为实施例一的延伸，相同部分不再累述，区别在于，本实施例提供的一种单相数字电量变送器还包括脉冲输出电路4、变送输出模块5、报警输出模块6、通信模块7、按键显示模块8以及存储模块9；

所述脉冲输出电路4与所述信号处理单元2电连接；所述变送输出模块5、报警输出模块6、通信模块7、按键显示模块8以及存储模块9分别与所述单片机处理单元3电连接。

具体的，所述脉冲输出电路4，用于输出所述计量芯片21发送过来的电能脉冲信号；所述变送输出模块5，用于将所述单片机处理单元3发送过来的一电参数转变为对应的模拟电参数信号后输出；所述单片机处理单元3，还用于对应所述报警输出模块6的一路输出设定对应一电参数的阈值，并将接收到的所述一电参数与所述阈值进行比较，依据比较结果控制是否输出一预设的控制信号至所述报警输出模块6；所述报警输出模块6，用于接收所述单片机处理单元3发送过来的控制信号，并发送至对应的第一路输出或第二路输出；所述通信模块7，用于建立所述单片机处理单元3与外部设备的联机通讯关系；所述按键显示模块8，用于展示所述电参数和电能脉冲信号，以及系统参数的设定；所述存储模块9，用于存储所述单相数字电量变送器的系统参数和电能参数。

本实施例的一种单相数字电量变送器的工作原理为：

当信号处理单元2的所述计量芯片21计量得到电能脉冲信号后，能够通过脉冲输出电路4输出，实现电能脉冲数据的本地展示。

单片机处理单元3接收电能脉冲信号和电参数后，依据设置，可以将指定的一电参数控制发送至变送输出模块5；再通过变送输出模块5将这一电参数转变为模拟量4-20mA的方式变送输出给其他工况下的信号采集设备实现同步的异地显示。

单片机处理单元3还可以对所接收的电参数中的任一电参数设置对应的一路警报输出，优选可以同时设置两路独立的输出。通过预先设置对应一电参数的警报阈值，存储在存储模块9中；在接收到这一电参数后，将其与警报阈值进行判断，当超过或者小于警报阈值时，可以控制输出一预设的控制信号至警报输出模块，再通过警报输出模块从对应的一路输出，实现对外部设备的控制。可选的，所述电参数可以是电流或电压参数，所述控制信号为接通或断开的接电信号，用于控制外部设备的启动和停止；本实施例实现了依据不同的电参数，对同一外部设备或者不同的外部设备进行控制的功能。

单片机处理单元3还可以通过通信模块7的总线接口与外部设备通过标准MODBUS-RTU协议组网通信，实现数据的交互。

单片机处理单元3还可以通过按键显示单元对所获取的电参数以及电能脉冲信号进行本地显示，以及通过按键实现通信参数、报警参数以及变送参数等的设置，如更改报警阈值；可选的，所述按键显示单元包括4个按键和5位数码管。

单片机处理单元3还可以将系统参数、电能参数等重要参数保存在存储模块9，通过备份防止参数掉电丢失。

本实施例提供的一种单相数字电量变送器在能够对交流电信号进行高精度测量的基础上，同时具备一路脉冲输出、两路报警输出、异地送显、本地送显以及通信功能。

实施例三

本实施例是对实施例一和实施例二的进一步限定，具体的，所述单片机处理单元3为ARM平台STM8单片机处理器，采用STM8S207S8的单片机处理器作为数据和逻辑处理中心，STM8S207S8是8位MCU，最高运行主频高达24MHz，基于哈弗结构并带有3级流水线，并具有丰富的片上资源，降低了系统硬件设计成本；

所述计量芯片21为单相多功能计量芯片21ATT7059；所述退耦电路22由10UF的高频退耦电容与0.1UF的低频退耦电容并联组成；

所述变送输出模块5包括PWM调理电路，能够选择任一电参数作为变送输出，输出范围可在0～5V或0～20mA范围内任意设定；

所述报警输出模块6提供两路独立的报警输出出口，通过单片机进行逻辑运算，每路出口可任意设定越上限或越下限报警，并可选择任一电参数进行报警输出；

所述通信模块7采用全双工/半双工接口电路，可提供RS485总线接口或RS232总线接口，通过标准MODBUS-RTU协议组网通信。

综上所述，本发明提供的一种单相数字电量变送器，设置有退耦电路22，能够通过退耦电路22在单相交流电信号的实时采集过程中，消除由于单相交流电信号的大小变化起伏较大而形成的寄生耦合，从而提高检测计量精度；进一步的，同时具备一路脉冲输出、两路报警输出、异地送显、本地送显以及通信功能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种单相数字电量变送器，其特征在于，包括依次连接的信号采集单元、信号处理单元以及单片机处理单元；所述信号处理单元包括计量芯片和退耦电路；所述计量芯片分别与所述信号采集单元、退耦电路以及信号处理单元连接；

所述信号采集单元，用于实时采集单相交流电信号，并输出至所述信号处理单元；

所述退耦电路，用于消除单相交流电信号变化所产生的耦合；

所述计量芯片，用于对接收到的单相交流电信号进行运算和计量，获取电参数以及电能脉冲信号，并输出至所述单片机处理单元；

所述单片机处理单元，用于控制所述电参数以及电能脉冲信号的输出。

2.如权利要求1所述的一种单相数字电量变送器，其特征在于，所述退耦电路包括第一电容和第二电容，所述第一电容与第二电容并联后连接所述信号采集单元的供电端；

所述退耦电路，具体用于通过第一电容和第二电容在所述信号采集单元的供电端形成高低频脉冲的消耦效应。

3.如权利要求2所述的一种单相数字电量变送器，其特征在于，所述第一电容为电容值在0.1-0.5UF的低频电容；所述第二电容为电容值在10-50UF的高频电容。

4.如权利要求1所述的一种单相数字电量变送器，其特征在于，所述单相电流电信号包括单相交流电流信号和单相交流电压信号；所述信号采集单元包括电压互感器、电流互感器和滤波电路；所述电压互感器和电流互感器分别与所述滤波电路连接；

所述电流互感器，用于依据电流互感器的变比，将采集到的单相交流电流信号转换成与所述信号处理单元匹配的电流范围；

所述电压互感器，用于依据电压互感器的变比，将采集到的单相交流电压信号转换成与所述信号处理单元匹配的电压范围；

所述滤波电路，用于将经过所述电流互感器或电压互感器转换处理后的单相交流电流信号或单相交流电压信号进行滤波处理，并输出至所述信号处理单元。

5.如权利要求1所述的一种单相数字电量变送器，其特征在于，还包括脉冲输出电路，所述脉冲输出电路与所述计量芯片连接；

所述脉冲输出电路，用于输出所述计量芯片发送过来的电能脉冲信号。

6.如权利要求1所述的一种单相数字电量变送器，其特征在于，还包括变送输出模块，所述变送输出模块与所述单片机处理单元连接；

所述变送输出模块，用于将所述单片机处理单元发送过来的一电参数转变为对应的模拟电参数信号后输出。

7.如权利要求1所述的一种单相数字电量变送器，其特征在于，还包括报警输出模块，所述报警输出模块包括第一路输出和第二路输出；所述报警输出模块与所述单片机处理单元连接；

所述单片机处理单元，还用于对应所述报警输出模块的一路输出设定对应一电参数的阈值，并将接收到的所述一电参数与所述阈值进行比较，依据比较结果控制是否输出一预设的控制信号至所述报警输出模块；

所述报警输出模块，用于接收所述单片机处理单元发送过来的控制信号，并发送至对应的第一路输出或第二路输出。

8.如权利要求1所述的一种单相数字电量变送器，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块与所述单片机处理单元连接；

所述通信模块，用于建立所述单片机处理单元与外部设备的联机通讯关系。

9.如权利要求1所述的一种单相数字电量变送器，其特征在于，还包括按键显示模块，所述按键显示模块与所述单片机处理单元连接；

所述按键显示模块，用于展示所述电参数和电能脉冲信号，以及系统参数的设定。

10.如权利要求1所述的一种单相数字电量变送器，其特征在于，还包括存储模块，所述存储模块与所述单片机处理单元连接；

所述存储模块，用于存储所述单相数字电量变送器的系统参数和电能参数。