CN110209095B - 一种高原环境模拟平台监测系统 - Google Patents

一种高原环境模拟平台监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高原环境模拟平台监测系统，包括：测量系统、功率器件单元、电流传感器一和电流传感器二，功率器件单元设置在电流传感器一和电流传感器二之间，电流传感器一测量功率器件的输入电流I输入，电流传感器二测量功率器件的输出电流I输出，功率器件单元并联有电阻R11和电阻R12，电流传感器二并联有电阻R13和电阻R14，测量系统的输入连接在电阻R11和电阻R12之间，测量系统的输出连接在R13和电阻R14之间，且测量系统的输入和输出分别与电流传感器一和电流传感器二相连。本发明实现了对电气设备在不同海拔高度下功耗和温升的测量，能够掌握在不同海拔高度下运行参数，从而确保其在相应海拔高度下可靠运行。

Description

一种高原环境模拟平台监测系统
技术领域
本发明涉及智能监控技术领域，更具体的说是涉及一种对高原环境下电气设备运行参数的监测系统。
背景技术
随着海拔高度的上升，电气设备、功率器件等运行条件的变差，电气设备和功率器件的运行参数相对于低海拔条件出现了很大的变化，如运行温度上升、绝缘强度下降等，这使得适用于平原地区的电气设备应用到高原地区后出现了易发生故障的现象。因此，为了了解电气设备和功率器件运行参数随海拔高度的变化规律，需对其运行参数的变化进行测试，从而确保其在高原环境下可靠运行。
因此，如何提供一种高原环境模拟平台监测系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高原环境模拟平台监测系统，实现了对电气设备在不同海拔高度下功耗和温升的测量，能够掌握在不同海拔高度下运行参数，从而确保其在相应海拔高度下可靠运行。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高原环境模拟平台监测系统，包括：测量系统、功率器件单元、电流传感器一和电流传感器二，所述功率器件单元设置在所述电流传感器一和所述电流传感器二之间，所述电流传感器一测量所述功率器件的输入电流I输入，所述电流传感器二测量所述功率器件的输出电流I输出，所述功率器件单元并联有电阻R11和电阻R12，所述电流传感器二并联有电阻R13和电阻R14，所述测量系统的输入连接在所述电阻R11和所述电阻R12之间，所述测量系统的输出连接在所述R13和所述电阻R14之间，且所述测量系统的输入和输出分别与所述电流传感器一和所述电流传感器二相连。
进一步，所述测量系统包括温度测量电路、电压测量电路、电流测量电路、MCU、通讯电路和液晶屏显示电路，所述温度测量电路、所述电压测量电路、所述电流测量电路、所述通讯电路和所述液晶屏显示电路分别与所述MCU连接。
进一步，所述温度测量电路包括温度传感器，所述温度传感器连接有电阻R1和电阻R2，且所述电阻R1和所述电阻R2并联，所述电阻R2连接有第一双运算放大器LM358。
进一步，所述第一双运算放大器LM358包括反比例运算放大电路和减法器运算放大电路；
所述反比例运算放大电路包括放大器U2A，所述放大器U2A的2号管脚与所述电阻R2连接，且所述2号管脚与1号管脚之间连接有电阻R4，3号管脚连接有电阻R30；
所述减法器运算放大电路包括放大器U2B，所述放大器U2B的6号管脚通过电阻R5与所述1号管脚连接，5号管脚连接有电阻R39，所述6号管脚与7号管脚之间连接有电阻R7，且所述6号管脚连接有电阻R40，所述电阻R40与所述电阻R7并联，所述电阻R40串联有可调电阻器R37。
进一步，所述温度传感器为热敏电阻RT，阻值为RT，且电压值为U10；其中RT的计算公式为：
Figure BDA0002105194690000021
Figure BDA0002105194690000022
其中，U1为7号管脚输出电压值。
进一步，待测温度T的计算公式为：
Figure BDA0002105194690000023
其中，RT0表示温度为T0时的标称阻值；B为热敏电阻的热敏指数，一般取3950K；T0为标称阻值下的温度，取273.15±25K，此时的RT0为100K。
进一步，所述电压测量电路包括直流电压测量电路和交流电压测量电路。
进一步，所述电流测量电路包括直流电流测量电路和交流电流测量电路。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种高原环境模拟平台监测系统，利用测量系统实现了对功率器件单元的电压、电流和温度的测量，根据P损＝U输入I输入-U输出I输出，即可实现对电气设备在不同海拔高度下功耗和温升的测量，能够掌握在不同海拔高度下运行参数，从而确保其在相应海拔高度下可靠运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种高原环境模拟平台监测系统测量原理图。
图2附图为本发明提供的测量系统结构图。
图3附图为本发明提供的直流电压测量电路。
图4附图为本发明提供的交流电压测量电路。
图5附图为本发明提供的直流电流测量电路。
图6附图为本发明提供的交流电流测量电路。
图7附图为本发明提供的温度测量电路。
图8附图为本发明热敏电阻负温度系数温度范围为-50℃-+150℃时的非线性拟合结果曲线。
图9附图为本发明热敏电阻负温度系数温度范围为-50℃--25℃时的非线性拟合结果曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种高原环境模拟平台监测系统，如图1所示，包括：测量系统、功率器件单元、电流传感器一和电流传感器二，功率器件单元设置在电流传感器一和电流传感器二之间，电流传感器一测量功率器件的输入电流I输入，电流传感器二测量功率器件的输出电流I输出，功率器件单元并联有电阻R11和电阻R12，电流传感器二并联有电阻R13和电阻R14，测量系统的输入连接在电阻R11和电阻R12之间，测量系统的输出连接在R13和电阻R14之间，且测量系统的输入和输出分别与电流传感器一和电流传感器二相连。
其测量原理为：电流传感器一测量功率器件单元的输入电流I输入，根据电流的变比n1，可知I输入＝nII1，电流传感器二测量功率器件单元的输出电流I输出，根据电流的变比n2，可知I输出＝n2I2，测量系统通过采集I1和I2实现对输入电流I输入和输出电流I输出的测量，由于输入、输出电压较高，故采用电阻分压器对其实施测量，
Figure BDA0002105194690000041
测量系统通过采集U1和U2实现对输入电流U输入和输出电流U输出的测量。
具体的，如图2所示，测量系统包括温度测量电路、电压测量电路、电流测量电路、MCU、通讯电路、液晶显示屏、存储芯片等。
其中，温度测量电路、电压测量电路、电流测量电路分别用于测量功率器件的温度、电压和电流，液晶显示屏用于数据的显示，存储芯片用于存储数据，通讯电路用于与上位机进行连接。
电压测量电路包括直流电压测量电路和交流电压测量电路。
其中，对于直流电压测量电路可以直接使用分压电阻串联分压的方法，本发明选用高精密RJ711型分压电阻100KΩ/1KΩ串联，对0～400V直流电压进行测量，输出电压控制在0～4VDC之间，可将采集到的直流电压信号通过电压跟随电路直接送至STC89C51单片机外部ADC转换芯片进行信号转换，实现对其测量，直流电压测量电路如图3所示。
对于交流电压测量电路，采用AD637有效值芯片对CHV-25P型霍尔电压传感器输出信号进行测量，交流电压测量系统的测量方法为：首先通过CHV-25P型电压传感器对通信电源中输入交流、逆变电路环节中输出的交流电压进行测量，由于传感器输出的为电流信号，则利用电阻将电流转化成电压信号，然后通过AD637芯片对测量电压进行有效值提取，最后将转换后的待测电压输入多路模拟开关通道，进行单片机的数据采集，实现模拟量的数字化转化，整个交流电压测量电路如图4所示。
整个交流电压测量过程为：通过CON2端口对交流电压进行测量，经CHV-25P型电压传感器变换为0～25mA测量电流，由并联电阻R137～R139进行I/U转换，输出交流0～5V电压信号，再由AD637提取测量电压有效值，最后将测量电压值U0经RMS OUT输出接入16路选择开关，经A/D转换器转换为二进制数字信号送入单片机，进行测量数据处理，实现对交流电压有效值的测量。
电流测量电路包括直流电流测量电路和交流电流测量电路。
对于直流电流信号采用霍尔电流传感器CHB-100P进行测量，在测量过程中由于直流信号无需进行有效值转换，电流传感器输出端连接有电阻R118，电阻R118串联有第二双运算放大器LM358，且电阻R118并联有电阻R115和电阻R114。第二双运算放大器LM358的电路结构与第一双运算放大器LM358相同。最后将输出电流信号转换成0～5V电压信号，故电流测量电路设计如图5所示。
交流电流测量电路与交流电压测量电路类似，本实施例选取CHB-25NP型传感器作为系统测量元件，其测量过程为：将霍尔传感器测量获得的0～25mA电流值，经过I/U变换电路变换为C51可以接收的0～5V电压值即可，然后经AD637真-有效值转换芯片转换为直流信号，最后将测量电压值U0经RMS OUT输出接入16路选择开关，经A/D转换器转换为二进制数字信号送入单片机，进行测量数据处理，实现叫交流电流有效值的测量，整个交流电流测量电路如图6所示。
对于功率器件的运行温度采用KG-D43-1型的负温度系数热敏电阻进行测量，其电路设计原理如图7所示。
包括温度传感器，温度传感器连接有电阻R1和电阻R2，且电阻R1和电阻R2并联，电阻R2连接有第一双运算放大器LM358。
第一双运算放大器LM358包括反比例运算放大电路和减法器运算放大电路；
反比例运算放大电路包括放大器U2A，放大器U2A的2号管脚与电阻R2连接，且2号管脚与1号管脚之间连接有电阻R4，3号管脚连接有电阻R30；
减法器运算放大电路包括放大器U2B，放大器U2B的6号管脚通过电阻R5与1号管脚连接，5号管脚连接有电阻R39，6号管脚与7号管脚之间连接有电阻R7，且6号管脚连接有电阻R40，电阻R40与电阻R7并联，电阻R40串联有可调电阻器R37。
温度传感器为热敏电阻RT，阻值为RT，且电压值为U10；其中RT的计算公式为：
Figure BDA0002105194690000061
Figure BDA0002105194690000062
其中，U1为7号管脚输出电压值。
待测温度T的计算公式为：
Figure BDA0002105194690000063
其中，RT0表示温度为T0时的标称阻值；B为热敏电阻的热敏指数，一般取3950K；T0为标称阻值下的温度，取273.15±25K，此时的RT0为100K。
利用温度传感器对功率器件运行过程中温度信号转换成0～5V电压信号。
由于MCU外部的A/D转换器只能对小电压信号进行测量，无法对功率器件运行过程中的电压、电流和温度进行直接测量，根据所选择的A/D器件输入信号0～5V的要求，系统利用电流传感器将输入、输出电流信号转换成0～5V电压信号，利用温度传感器对功率器件运行过程中温度信号转换成0～5V电压信号，利用分压器将输入、输出电压信号进行分压，将其也转换成0～5V电压信号。
这里需要说明的是，针对不同的功率器件，可能需要测量直流信号或交流信号，所以，电压测量电路和电流测量电路均分为直流和交流测量电路。
因此，本发明测量系统可实现对功率器件的温度、电流、电压的测量，实现了对电气设备在不同海拔高度下功耗和温升的测量，能够掌握在不同海拔高度下运行参数，从而确保其在相应海拔高度下可靠运行。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种高原环境模拟平台监测系统，其特征在于，包括：测量系统、功率器件单元、电流传感器一和电流传感器二，所述功率器件单元设置在所述电流传感器一和所述电流传感器二之间，所述电流传感器一测量所述功率器件单元的输入电流I输入，所述电流传感器二测量所述功率器件单元的输出电流I输出，所述功率器件单元并联有电阻R11和电阻R12的串联支路，所述电流传感器二并联有电阻R13和电阻R14的串联支路，所述测量系统的输入连接在所述电阻R11和所述电阻R12之间，所述测量系统的输出连接在所述电阻R13和所述电阻R14之间，且所述测量系统的输入和输出分别与所述电流传感器一和所述电流传感器二相连；
所述测量系统包括温度测量电路、电压测量电路、电流测量电路、MCU、通讯电路和液晶屏显示电路，所述温度测量电路、所述电压测量电路、所述电流测量电路、所述通讯电路和所述液晶屏显示电路分别与所述MCU连接；
所述温度测量电路包括温度传感器，所述温度传感器连接有电阻R1和电阻R2，且所述电阻R1和所述电阻R2并联，所述电阻R2连接有第一双运算放大器LM358；
所述第一双运算放大器LM358包括反比例运算放大电路和减法器运算放大电路；
所述反比例运算放大电路包括放大器U2A，所述放大器U2A的2号管脚与所述电阻R2连接，且所述2号管脚与1号管脚之间连接有电阻R4，3号管脚连接有电阻R30；
所述减法器运算放大电路包括放大器U2B，所述放大器U2B的6号管脚通过电阻R5与所述1号管脚连接，5号管脚连接有电阻R39，所述6号管脚与7号管脚之间连接有电阻R7，且所述6号管脚连接有电阻R40，所述电阻R40与所述电阻R7并联，所述电阻R40串联有可调电阻器R37。
2.根据权利要求1所述的一种高原环境模拟平台监测系统，其特征在于，所述温度传感器为热敏电阻RT，阻值为RT，且电压值为U10；其中RT的计算公式为：
Figure FDA0003013512300000011
Figure FDA0003013512300000012
其中，U1为7号管脚输出电压值。
3.根据权利要求2所述的一种高原环境模拟平台监测系统，其特征在于，待测温度T的计算公式为：
Figure FDA0003013512300000021
其中，RT0表示温度为T0时的标称阻值；B为热敏电阻的热敏指数，一般取3950K；T0为标称阻值下的温度，取273.15±25K，此时的RT0为100K。
4.根据权利要求1所述的一种高原环境模拟平台监测系统，其特征在于，所述电压测量电路包括直流电压测量电路和交流电压测量电路。
5.根据权利要求1所述的一种高原环境模拟平台监测系统，其特征在于，所述电流测量电路包括直流电流测量电路和交流电流测量电路。
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