CN109541291A - 宽温高精度多路电流采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了宽温高精度多路电流采集系统，主要包括壳体、电源输入插座、输出插座、继电器、n个传感模块、控制电路板和前面板。电源输入插座连通电源，电源的电流流经继电器、n个传感模块后通过输出插座输出到外接设备中。输出插座连接n个外接设备。霍尔传感器分别测量n个外接设备当前工作电流的感应电压值，并发送给控制电路板。温度传感器测量霍尔传感器的温度值，并发送给控制电路板。控制电路板根据接收到的温度值和电压值，计算出外接设备当前电流值。本专利采用温度传感器、集成的霍尔电流采集器以及高精度A/D转换器等手段，实现在‑40℃～+55℃宽温范围内，电流精度达到0.1A并对多个设备同时检测的处理系统。

Description

宽温高精度多路电流采集系统

技术领域

本发明涉及设备用电监测领域，具体是宽温高精度多路电流采集系统。

背景技术

目前侦察车内用于监测各侦察设备用电电流情况的仪器设备，多采用电流互感器的方式对用电线上感应电流进行采集经处理运算后得出电流值，这种采集方式较为粗糙，不精确，在一些对电流值精度要求高的场合不适用。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，宽温高精度多路电流采集系统，主要包括壳体、电源输入插座、输出插座、继电器、n个传感模块、控制电路板和前面板。

所述壳体为箱体，6个外表面分别记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁、第五侧壁和第六侧壁。且第一侧壁和第三侧壁相对，第二侧壁和第四侧壁相对，第五侧壁和第六侧壁相对。

电源输入插座和输出插座设置在壳体的第一侧壁上。

电源输入插座连通电源，电源的电流流经继电器、n个传感模块后通过输出插座输出到外接设备中。

输出插座连接n个外接设备。

所述继电器、n个传感模块和控制电路板集成在壳体的内部。

任一传感模块由一个霍尔传感器和一个紧贴霍尔传感器表面的温度传感器组成。

n个霍尔传感器分别测量n个外接设备当前工作电流的感应电压值，并发送给控制电路板。

温度传感器测量霍尔传感器的温度值，并发送给控制电路板。

控制电路板根据接收到的温度值和电压值，计算出外接设备当前电流值。

控制电路板主要包括低通滤波器、AD转换器和ARM处理器。

所述低通滤波器对电压值进行滤波，并传递给AD转换器。

所述AD转换器对电压值进行AD转换，得到数字电压信号，并发送给ARM处理器。

所述ARM处理器接收数字电压信号和温度传感器测量得到的温度值，计算出外接设备当前电流值。

控制电路板计算外接设备当前电流值的主要步骤如下：

1)计算霍尔传感器测量的电流值y，即：

式中，x为AD转换器输出的数字电压信号。a_i为线性补偿系数。N为计算系数。

2)AD转换器在常温下输出的数字电压信号记为U₀，即：

U₀＝a₀+b₀I。 (2)

式中，a₀为常温下AD转换器的零位。b₀为常温下AD转换器的灵敏度。I为当前外接设备的电流值。

3)在温度为t且无补偿时AD转换器输出的数字电压信号U_t如下所示：

U_t＝a_t+b_tI。 (3)

式中，a_t为温度t时温度参数。b_t为温度t时AD转换器的灵敏度参数。

其中，a_t和b_t分别如下所示：

a_t＝a₀+α(t-t₀)Y(FS)。 (4)

式中，α为零位温度系数。Y(FS)为量程。t为当前温度。t₀为常温。

b_t＝b₀+β(t-t₀)Y(FS)。 (5)

式中，β为灵敏度温度系数。

零位温度系数α如下所示：

α＝Δa/(ΔT×Y(FS))。 (6)

式中，Δa为在温度变化范围内，零位自动最大改变量。ΔT为采集模块系统工作温度的变化范围。

灵敏度温度系数β如下所示：

β＝Δb/(ΔT×Y(FS))。 (7)

式中，Δb为温度变化后灵敏度的变化量。

3)结合公式2至公式4，计算得到电流I，即：

4)将公式8带入公式2,中，得到温度在t℃时经温度补偿后的电压修正量U'_t，即：

5)将公式4得到的电压修正量U'_t和温度值带入公式8，计算得到外接设备当前电流值I'。

所述前面板镶嵌在壳体的第三侧壁上。

所述前面板具有n个输入开关、总开关和显示屏。

n个输入开关控制分别控制n个外接设备电流的导通和关断。

总开关控制所有外接设备电流的导通和关断。

输入开关穿过前面板的通孔，固定在前面板上。

所述显示屏镶嵌在前面板上。

所述显示屏显示外接设备当前电流值。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明集成度高，电流精度高，温度范围宽并且体积小、重量轻，可以准确地检测多个设备用电情况。本专利采用温度传感器、集成的霍尔电流采集器以及高精度A/D转换器等手段，实现在-40℃～+55℃宽温范围内，电流精度达到0.1A并对多个设备同时检测的处理系统。

附图说明

图1为带有温度补偿修正的电流采集系统流程图；

图2为宽温高精度多路电流采集系统组成图；

图3为前面板结构示意图；

图4为宽温高精度多路电流采集电路原理图；

图中：壳体1、电源输入插座2、输出插座3、继电器4、传感模块5、控制电路板6、前面板7、输入开关701、总开关702和显示屏703。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图3，宽温高精度多路电流采集系统，主要包括壳体1、电源输入插座2、输出插座3、继电器4、n个传感模块5、控制电路板6和前面板7。n＝7。

所述壳体1为箱体，6个外表面分别记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁、第五侧壁和第六侧壁。且第一侧壁和第三侧壁相对，第二侧壁和第四侧壁相对，第五侧壁和第六侧壁相对。

电源输入插座2和输出插座3设置在壳体1的第一侧壁上。

电源输入插座2连通电源，电源的电流流经继电器4、n个传感模块5后通过输出插座3输出到外接设备中。

电源输入插座2的个数为3，输出插座3的个数为1。

输出插座3连接n个外接设备。

所述继电器4、n个传感模块5和控制电路板6集成在壳体1的内部。

任一传感模块5由一个霍尔传感器和一个紧贴霍尔传感器表面的温度传感器组成。

n个霍尔传感器分别测量n个外接设备当前工作电流的感应电压值，并发送给控制电路板6。

温度传感器测量霍尔传感器的温度值，并发送给控制电路板6。

控制电路板6根据接收到的温度值和电压值，计算出外接设备当前电流值。

控制电路板6主要包括低通滤波器、AD转换器和ARM处理器。

所述低通滤波器对电压值进行滤波，并传递给AD转换器。

所述AD转换器对电压值进行AD转换，得到数字电压信号，并发送给ARM处理器。

所述ARM处理器接收数字电压信号和温度传感器测量得到的温度值，计算出外接设备当前电流值。

控制电路板6计算外接设备当前电流值的主要步骤如下：

1)计算霍尔传感器测量的电流值y，即：

式中，x为AD转换器输出的数字电压信号。a_i为线性补偿系数。N为计算系数，本实施例中N＝2。

2)AD转换器在常温下输出的数字电压信号记为U₀，即：

U₀＝a₀+b₀I。 (2)

式中，a₀为常温下AD转换器的零位。b₀为常温下AD转换器的灵敏度。I为当前外接设备的电流值。

3)在温度为t且无补偿时AD转换器输出的数字电压信号U_t如下所示：

U_t＝a_t+b_tI。 (3)

式中，a_t为温度t时温度参数。b_t为温度t时AD转换器的灵敏度参数。

其中，a_t和b_t分别如下所示：

a_t＝a₀+α(t-t₀)Y(FS)。 (4)

式中，α为零位温度系数。Y(FS)为量程。t为当前温度。t₀为常温。

b_t＝b₀+β(t-t₀)Y(FS)。 (5)

式中，β为灵敏度温度系数。

零位温度系数α如下所示：

α＝Δa/(ΔT×Y(FS))。 (6)

式中，Δa为在温度变化范围内，零位自动最大改变量。ΔT为采集模块系统工作温度的变化范围。

灵敏度温度系数β如下所示：

β＝Δb/(ΔT×Y(FS))。 (7)

式中，Δb为温度变化后灵敏度的变化量。

3)结合公式2至公式4，计算得到电流I，即：

4)将公式8带入公式2,中，得到温度在t℃时经温度补偿后的电压修正量U'_t，即：

采集模块零点随温度变化数据和采集模块灵敏度随温度变化数据分别如表1和表2所示。

表1采集模块零点随温度变化数据

t/℃	-20	21	40
				a	6.379	19.261	-2.164

对上述数据进行二次拟合，a_t＝19.8499-0.7345t+0.0052t²。

表2采集模块灵敏度随温度变化数据

t/℃	-20	21	40
				b	18.165	17.654	18.046

在温度为21℃时，对其进行最小二乘拟合，得出输出结果

U₀＝a₀+b₀×I＝6.379+18.165I

当温度为T＝-20℃时，

U_t＝a_t+b_t×I＝19.261+17.654I

当温度为T＝40摄氏度时，

U_t＝a_t+b_t×I＝-2.164+18.046I

对上述数据进行二次拟合，b_t＝19.996-0.1122t+0.0011t²。

把拟合出的a_t和b_t代入公式(9)，可得出

从而得出修正后的采集模块输出量。

所述前面板7镶嵌在壳体1的第三侧壁上。

所述前面板7具有n个输入开关701、总开关702和显示屏703。

n个输入开关701控制分别控制n个外接设备电流的导通和关断。

总开关702控制所有外接设备电流的导通和关断。

输入开关701穿过前面板7的通孔，固定在前面板7上。

所述显示屏703镶嵌在前面板7上。

所述显示屏703显示外接设备当前电流值。

宽温高精度多路电流采集系统工作原理：首先通过集成的霍尔传感器得到较稳定的电流值，其次针对霍尔传感器和AD转换器存在的温度漂移进行相应的补偿修正，这里把霍尔传感器和AD转换器组合看成一个采集模块，通过在每路霍尔和AD转换器上采集温度，对采集模块的输出进行修正，使之更加接近于真实值，精度更高。

实施例2：

参见图4，宽温高精度多路电流采集系统的电路结构为下所示：

输入电流通过7个输入开关输入到7个外接设备中，输入电流分别记为I1、I2、I3、I4、I5、I6和I7。

7个传感模块分别测量7个外接设备的电压值和对应的温度值。

电压值分别记为Vin1、Vin2、Vin3、Vin4、Vin5、Vin6和Vin7。

温度值分别记为t1、t2、t3、t4、t5、t6和t7。

电压Vin1流经电阻R1。电压Vin2流经电阻R2。电压Vin3流经电阻R3。电压Vin4流经电阻R4。电压Vin5流经电阻R5。电压Vin6流经电阻R6。电压Vin7流经电阻R7。

电阻R1和电容C1串联后接地。电阻R1接入AD转换器的VIN0端口。

电阻R2和电容C2串联后接地。电阻R2接入AD转换器的VIN1端口。

电阻R3和电容C3串联后接地。电阻R3接入AD转换器的VIN2端口。

电阻R4和电容C4串联后接地。电阻R4接入AD转换器的VIN3端口。

电阻R5和电容C5串联后接地。电阻R5接入AD转换器的VIN4端口。

电阻R6和电容C6串联后接地。电阻R6接入AD转换器的VIN5端口。

电阻R7和电容C7串联后接地。电阻R7接入AD转换器的VIN6端口。

AD转换器的VDD端口串联电容C9后接地。AD转换器的CS端口串联电容C10后接地。AD转换器的RESET端口、Vdirve端口和CONVST端口、SD0端口和SCLK端口输出数字电压信号。AD转换器的SD0端口串联电阻R10后接入电容C10。AD转换器的GND端口接地。

Claims (3)

1.宽温高精度多路电流采集系统，其特征在于：主要包括壳体(1)、电源输入插座(2)、所述输出插座(3)、继电器(4)、n个传感模块(5)、控制电路板(6)和前面板(7)。

所述壳体(1)为箱体，6个外表面分别记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁、第五侧壁和第六侧壁；且第一侧壁和第三侧壁相对，第二侧壁和第四侧壁相对，第五侧壁和第六侧壁相对；

电源输入插座(2)和输出插座(3)设置在壳体(1)的第一侧壁上。

电源输入插座(2)连通电源，电源的电流流经继电器(4)、n个传感模块(5)后通过输出插座(3)输出到外接设备中；

输出插座(3)连接n个外接设备；

所述继电器(4)、n个传感模块(5)和控制电路板(6)集成在壳体(1)的内部；

任一传感模块(5)由一个霍尔传感器和一个紧贴霍尔传感器表面的温度传感器组成；

n个霍尔传感器分别测量n个外接设备的当前工作电流的感应电压值，并发送给控制电路板(6)；

温度传感器测量霍尔传感器的温度值，并发送给控制电路板(6)；

控制电路板(6)根据接收到的温度值和电压值，计算出外接设备当前电流值；

所述前面板(7)镶嵌在壳体(1)的第三侧壁上；

所述前面板(7)具有n个输入开关(701)、总开关(702)和显示屏(703)；

n个输入开关(701)控制分别控制n个外接设备电流的导通和关断；

总开关(702)控制所有外接设备电流的导通和关断；

输入开关(701)穿过前面板(7)的通孔，固定在前面板(7)上；

所述显示屏(703)镶嵌在前面板(7)上；

所述显示屏(703)显示外接设备当前电流值。

2.根据权利要求1所述的宽温高精度多路电流采集系统，其特征在于：控制电路板(6)主要包括低通滤波器、AD转换器和ARM处理器；

所述低通滤波器对电压值进行滤波，并传递给AD转换器；

所述AD转换器对电压值进行AD转换，得到数字电压信号，并发送给ARM处理器；

所述ARM处理器接收数字电压信号和温度传感器测量得到的温度值，计算出外接设备当前电流值。

3.根据权利要求1或2所述的宽温高精度多路电流采集系统，其特征在于，控制电路板(6)计算外接设备当前电流值的主要步骤如下：

1)计算霍尔传感器测量的电流值y，即：

式中，x为AD转换器输出的数字电压信号；a_i为线性补偿系数；N为计算系数；

2)AD转换器在常温下输出的数字电压信号记为U₀，即：

U₀＝a₀+b₀I； (2)

式中，a₀为常温下AD转换器的零位；b₀为常温下AD转换器的灵敏度；I为当前外接设备的电流值；

3)在温度为t且无补偿时AD转换器输出的数字电压信号U_t如下所示：

U_t＝a_t+b_tI； (3)

式中，a_t为温度t时温度参数；b_t为温度t时AD转换器的灵敏度参数；

其中，a_t和b_t分别如下所示：

a_t＝a₀+α(t-t₀)Y(FS)； (4)

式中，α为零位温度系数；Y(FS)为量程；t为当前温度；t₀为常温；

b_t＝b₀+β(t-t₀)Y(FS)； (5)

式中，β为灵敏度温度系数；

零位温度系数α如下所示：

α＝Δa/(ΔT×Y(FS))； (6)

式中，Δa为在温度变化范围内，零位自动最大改变量；ΔT为采集模块系统工作温度的变化范围；

灵敏度温度系数β如下所示：

β＝Δb/(ΔT×Y(FS))； (7)

式中，Δb为温度变化后灵敏度的变化量；

3)结合公式2至公式3，计算得到电流I，即：

4)将公式8带入公式2,中，得到温度在t℃时经温度补偿后的电压修正量U'_t，即：

5)将公式4得到的电压修正量U'_t和温度值带入公式8，计算得到外接设备当前电流值I'。