CN106383477A - 独立供电的多通道本质安全型数据采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数据采集装置的技术领域，具体涉及一种独立供电的多通道本质安全型数据采集装置，解决了煤矿井下原有部分机械、液压设备没有工况监测能力，从而带故障运行，最终导致大故障、大事故的问题。其包括经过本安处理的CPU、锂电池、电池管理器、显示屏、时钟电路、传感器组、升压电路以及多路选择器。其完成的设备科学用电管理方法，将设备的连续供电采集变更为扫描供电采集：通过测试和试验，确定各种本安型传感器的最小瞬态启动的时间并略加保持，由此设定电池用电的最短单位时间周期，以最小电能维持设备的正常工作。本发明实现了设备的工况实时监测和报警功能。
Description
技术领域
本发明属于数据采集装置的技术领域，具体涉及一种独立供电的多通道本质安全型数据采集装置。
背景技术
随着煤矿井下设备的配置和管理日趋完善，很多原来没有列入电气保护的机械设备有了配备监测保护系统的需要，其中的一部分是以机械和液压为主的关键设备。这些设备在原有条件下是没有任何检测和保护预警的，小的故障隐患不明晰，往往继续带故障继续使用，一旦损坏，由于其重量大，拆解不便，难以恢复，矿井工作面经常要停工很长时间来更换配件。
目前解决上述问题通常是在固有设备上加装电气监控设备，一般有两种方式：
第一是重新设计包含电气控制系统的新型设备，应用这种方式，每台设备都需要重新设计调试，周期长，且没有通用性。
二者是在现有装置上增加和关联独立设计的防爆监测设备，这种方式的通用性好。
防爆监测设备分两种：隔爆型、本质安全型——隔爆型需要很大的电控箱体结构，笨重不便；本安型虽然体积小巧重量轻，但也受原有供电条件的限制，大多需要重新敷设供电电缆。如果单纯的采用这种方案，在最终的实现过程中，依然有很多困难。
发明内容
本发明就是要解决煤矿井下原有部分机械、液压设备没有工况监测能力，从而带故障运行，最终导致大故障、大事故的问题，提供了一种独立供电的多通道本质安全型数据采集装置，其以一种通用性很强的方式满足不同设备配置相应的故障监测装置的需要。
本发明采用如下的技术方案实现：
独立供电的多通道本质安全型数据采集装置，包括经过本安处理的CPU、锂电池、电池管理器、显示屏、时钟电路、传感器组、升压电路以及多路选择器，传感器组和时钟电路的数据输出端连接CPU的数据输入端，CPU的数据输出端连接显示屏、电池管理器、升压电路以及多路选择器的数据输入端，锂电池的电源输出端连接电池管理器的电源输入端，电源管理器的电源输出端连接显示屏、CPU以及升压电路的电源输入端，升压电路的电源输出端连接多路选择器的电源输出端，多路选择器的电源输出端连接传感器组的电源输入端，所述传感器组包括若干传感器。
CPU内置10位A/D转换器，还有E²芯片，用来存储采集的数据，还有RS232电平转换电路，通过电平转换后可与PC机的串口相连，实现监测记录的上位机读取。
所述多路选择器采用多选一模拟开关，通过分操作可实现8通道的数据采集。
电池管理器为锂电池充电管理专用芯片，实现内置锂电池的充电管理。
所述的独立供电的多通道本质安全型数据采集装置完成的设备科学用电管理方法，
1）、将设备的连续供电采集变更为扫描供电采集：通过测试和试验，确定各种本安型传感器的最小瞬态启动的时间并略加保持，由此设定电池用电的最短单位时间周期，以最小电能维持设备的正常工作。
2、设置两种工作模式，一种为正常工作模式，在点处按键时及传感器接入的一段时间内启动：每秒测试全部传感器信号一次，并直接判断收到信号与所设置阀值的关系，并发出警报提示；另一种为半休眠工作模式，在正常模式工作一段时间后自行启动，在此模式下的传感器扫描时间为可调值，可以依据测试物理量的实效性要求预先设置和调整。这两种方式配合使用可以在保证使用效果的同时最大程度上节约有限的电能。
本发明是一种本质安全型监控设备，且内部自带符合煤矿安全要求的电池，再通过电源供电和设备用电的科学管理，降低平均功耗，延长设备的单次使用时长。连接相应的本质安全型传感器，实现了一种不依赖供电条件的独立监控预警系统，同时也是一种高兼容性的小型化电气化状态监控装置。
本发明相对现有技术具有如下有益效果：解决了煤矿井下没有工况监测系统的机械、液压设备的带故障运行从而导致可能的更大故障甚至事故的问题，实现了设备的工况实时监测和报警功能。
本发明的实现方式和方法，免去了不同设备需要重新一一开发带有电控监测系统的新设备的问题。比隔爆型设备更小巧灵活；比较单纯的本安设备，又不依赖于原有电路的敷设条件。自身可长时间独立工作，关联多种本质安全型传感器，可以直接和多种设备直接对接，兼容性强。
附图说明
图1为本发明的原理图，
图2为本发明的结构示意图。
图3为传感器信号If从I1到I2 过程中的信号变化示意图。
图中：If为传感器信号，I0T为电流/时间坐标，I1为传感器信号的初始值，I2为传感器信号的变化后的数值，T1为震荡时间，T2为改进后的保持时间，T3为原有保持时间，t0为突变点。
具体实施方式
如图1、图2所示，独立供电的多通道本质安全型数据采集装置，包括经过本安处理的CPU、锂电池、电池管理器、显示屏、时钟电路、传感器组、升压电路以及多路选择器，传感器组和时钟电路的数据输出端连接CPU的数据输入端，CPU的数据输出端连接显示屏、电池管理器、升压电路以及多路选择器的数据输入端，锂电池的电源输出端连接电池管理器的电源输入端，电源管理器的电源输出端连接显示屏、CPU以及升压电路的电源输入端，升压电路的电源输出端连接多路选择器的电源输出端，多路选择器的电源输出端连接传感器组的电源输入端，所述传感器组包括若干传感器。
CPU内置有10位A/D转换器，还有E²芯片，用来存储采集的数据，还有RS232电平转换电路，通过电平转换后可与PC机的串口相连，实现监测记录的上位机读取。多路选择器采用多选一模拟开关，通过分操作可实现8通道的数据采集。电池管理器为锂电池充电管理专用芯片，实现内置锂电池的充电管理。
独立供电的多通道本质安全型数据采集装置完成的设备科学用电管理方法，其特征在于
1）、将设备的连续供电采集变更为扫描供电采集：通过测试和试验，确定各种本安型传感器的最小瞬态启动的时间并略加保持，由此设定电池用电的最短单位时间周期，以最小电能维持设备的正常工作，
2）、设置两种工作模式，一种为正常工作模式，在点处按键时及传感器接入的一段时间内启动：每秒测试全部传感器信号一次，并直接判断收到信号与所设置阀值的关系，如信号超限，发出警报提示；另一种为半休眠工作模式，在正常模式工作一段时间后自行启动——在此模式下的传感器扫描时间为可调值，可以依据测试物理量的实效性要求预先设置和调整（如可调节为10S一次供电扫描），同时关闭屏显，只保留CPU心跳，传感器以外电气系统均处在最低能耗模式下工作。按键处于装置表面，为节点连通形式，用于实现调节各传感器信号阀值及设定扫描供电周期等功能
如图3，表示传感器信号If在从I1变化到I2 过程中 的信号变化，其中I1 可以是基本电流4mA或者是供电之前的0状态。
当If由I1变化为I2 的初始时，实际情况中If会达到一个尖峰值I3，经过T1时间段后震荡稳定至I2 ，T1称为不稳定时段，If之后回稳定到I2值直至下一次信号变化时刻，成为T3（If稳定保持时间）。
在通常情况下，传感器会持续耗电，也就是说如果以t0作为开始始供电点，则之后的T1、T3以及之后的时间均为供电时间，传感器会持续耗电。
对传感器的科学用电管理要基于在对传感器本身性能的了解上，即首先要对不同传感器的T1信号震荡时间做测试（不同性质和型号的传感器T1时间不同），在If稳定至I2后，通过保持较短时间T2，T2的时间长度为将稳定的信号传送给CPU并加以记录的时间，之后中断对传感器的供电，直至下一个供电周期的到来。由此我们只在T1+T2时间段内供电，节约了在T3-T2时间段内的传感器供电，而（T3-T2）/（T1+T2）的比值以及T2值的设定就决定了减少传感器能耗的程度。
使用普通的用电方式：整套系统（包括传感器和CPU以及显示屏）如果直接使用持续供电方式，平均电流达到94mA，以5Ah的电池电量计算，仅能维持设备2天多的用电需要。
使用本发明的用电管理爆发，保守的估计可以维持设备供电时间为近60天，甚至更长，a采用半休眠状态可以将系统核心用电降低至原有耗电量的4.3%；b采用扫描供电方式，可以将传感器耗电降低至原有耗电量的3.3%。
Claims (5)
1.一种独立供电的多通道本质安全型数据采集装置，其特征在于包括经过本安处理的CPU、锂电池、电池管理器、显示屏、时钟电路、传感器组、升压电路以及多路选择器，传感器组和时钟电路的数据输出端连接CPU的数据输入端，CPU的数据输出端连接显示屏、电池管理器、升压电路以及多路选择器的数据输入端，锂电池的电源输出端连接电池管理器的电源输入端，电源管理器的电源输出端连接显示屏、CPU以及升压电路的电源输入端，升压电路的电源输出端连接多路选择器的电源输出端，多路选择器的电源输出端连接传感器组的电源输入端，所述传感器组包括若干传感器。
2.根据权利要求1所述的独立供电的多通道本质安全型数据采集装置，其特征在于CPU内置有10位A/D转换器，还有E²芯片，用来存储采集的数据，还有RS232电平转换电路，通过电平转换后可与PC机的串口相连，实现监测记录的上位机读取。
3.根据权利要求1所述的独立供电的多通道本质安全型数据采集装置，其特征在于所述多路选择器采用多选一模拟开关，通过分操作可实现8通道的数据采集。
4.根据权利要求1所述的独立供电的多通道本质安全型数据采集装置，其特征在于电池管理器为锂电池充电管理专用芯片，实现内置锂电池的充电管理。
5.一种如权利要求1至4之一所述的独立供电的多通道本质安全型数据采集装置完成的设备科学用电管理方法，其特征在于
1）、将设备的连续供电采集变更为扫描供电采集：通过测试和试验，确定各种本安型传感器的最小瞬态启动的时间并略加保持，由此设定电池用电的最短单位时间周期，以最小电能维持设备的正常工作，
2）、设置两种工作模式，一种为正常工作模式，在点处按键时及传感器接入的一段时间内启动：每秒测试全部传感器信号一次，并直接判断收到信号与所设置阀值的关系，如信号超限，发出警报提示；另一种为半休眠工作模式，在正常模式工作一段时间后自行启动——在此模式下的传感器扫描时间为可调值，可以依据测试物理量的实效性要求预先设置和调整，同时关闭屏显，只保留CPU心跳，传感器以外电气系统均处在最低能耗模式下工作。
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