CN110926520A - 低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统 - Google Patents

低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统 Download PDF

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Abstract

一种低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，包括电源模块和数据采集模块；电源模块包括蓄电池、外界电源和电源管理单元；蓄电池连接数据采集模块；电源管理单元配置为根据系统的工作状态选择性地控制数据采集模块与外界电源的连接，以及控制蓄电池的充放电；数据采集模块包括通道切换电路和多个数据采集通道，每个数据采集通道至少对应一个振弦传感器；通道切换电路配置为分时控制数据采集通道的连通状态，以获取相应振弦传感器采集的数据。本发明提高了自动化测量的准确性和稳定性问题。

Description

低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统
技术领域
本发明涉及数据采集系统，具有涉及一种低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统。
背景技术
在水利工程中，对安全监测仪器的测量一般采用两种测量方式。一种是人工测量，人工测量因测量方式灵活，受工地现场条件限制小，适用于水利工程施工期测量；另一种是自动化测量，自动化测量因工作效率高，但受供电、通讯等条件限制，适用于水利工程运行期。
但在实际工作时，一般采用振弦传感器进行测量，在振弦传感器自身处于绝缘值较低的“亚健康”状态时，自动化测量的数据偏差较大，出现的测值不可信的情况。并且，振弦传感器本身质量、电缆接续质量、电缆芯线接入自动化采集设备等都会随时间的推移造成整个线路的绝缘度下降，从而会影响到自动化采集的结果，经常会发生采集错误或者无法采集的情况。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决如何提高采用振弦传感器对安全监测仪器自动化测量的准确性和稳定性问题，本发明提供一种低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，该系统包括电源模块和数据采集模块；所述电源模块包括蓄电池、外界电源和电源管理单元；所述蓄电池连接所述数据采集模块；
所述电源管理单元配置为根据系统的工作状态选择性地控制所述数据采集模块与所述外界电源的连接，以及控制所述蓄电池的充放电；
所述数据采集模块包括通道切换电路和多个数据采集通道，每个所述数据采集通道至少对应一个振弦传感器；所述通道切换电路配置为分时控制所述数据采集通道的连通状态，以获取相应所述振弦传感器采集的数据。
在一些实施例中，所述电源管理单元进一步配置为：
在所述系统进行数据采集时，切断所述数据采集模块与所述外部电源的连接，所述蓄电池放电；
在所述系统处于待机状态时，所述数据采集模块与所述外部电源连接，所述蓄电池充电。
在一些实施例中，所述电源模块还包括双刀双掷继电器，所述双刀双掷继电器的一端连接外界电源，另一端连接所述数据采集模块；所述电源管理单元通过驱动所述双刀双掷继电器使能，使所述数据采集模块与所述外界电源连接或关断。
在一些实施例中，所述振弦传感器包括振弦钢丝、热敏电阻以及金属壳体；所述振弦钢丝与所述热敏电阻位于所述金属壳体内。
在一些实施例中，所述数据采集通道设有4个接入端子，分别对应连接所述振弦钢丝以及所述热敏电阻的两端。
在一些实施例中，所述接入端子之间设有隔断继电器。
在一些实施例中，所述数据采集通道通过线缆连接所述振弦传感器，所述线缆包括护套、屏蔽层以及4个线芯，所述屏蔽层连接所述振弦传感器的金属外壳，所述4个线芯分别对应连接所述振弦钢丝以及所述热敏电阻的两端。
在一些实施例中，还包括通信模块，所述通信模块配置为在所述系统进行数据采集时，关闭所述系统与外界的数据通信；在所述系统处于待机状态时，所述系统可与外界进行数据通信。
在一些实施例中，所述通信模块包括双刀双掷继电器，通过控制所述双刀双掷继电器的开关状态，以开启或关闭所述通信模块。
在一些实施例中，每个所述数据采集通道对应一个所述振弦传感器。
本发明的优点是：
本发明提供的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，在数据采集时，利用蓄电池供电，防止电源对振弦传感器的频率干扰，提高测测的准确性和稳定性。再者，各个通道之间分时测量、完全隔离，能够更加精准读取振弦传感器信息，进一步提高测量的准确性和稳定性。
附图说明
图1是本发明低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统的主要结构示意图。
图2是本发明电源模块的电路原理示意图。
图3是常规振弦传感器的结构框图。
图4是本发明振弦传感器的结构示意图。
图5是本发明线缆的主要结构。
图6是本发明频率正和频率负信号之间连接的通道继电器原理示意图。
图7是本发明温度正和温度负信号之间连接的通道继电器原理示意图。
图8是本发明通信模块的双刀双掷继电器示意图。
图9是本发明另一实施例的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统的主要结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
在实际工作中，自动化测量的数据较人工测量的数据偏差较大。其中一个主要原因是人工测量与自动化测量原理不同，造成这种“亚健康”状态的监测传感器在人工测量时表现正常，但在自动化测量时出现的测值不可信的情况。人工测量与自动化测量测量原理有以下几个方面不一样：
人工测量是由测量人员携带便携式测量读数仪进行测量，便携式测量仪自带蓄电池；而自动化采集设备一般是通过交流电通过适配器转化成直流电进行测量，适配器质量较差，传感器的绝缘度不高会对测量结果尤其是频率传感器的测量造成不利影响。
人工测量时，测量人员使用便携式读数仪夹取一支监测传感器进行测量。测量过程中，便携式读数仪与大地是绝缘的；而常规的自动化采集设备属于电气设备，必须要进行永久接地处理，与大地是不绝缘的。
人工测量时，测量人员使用便携式读数仪对监测传感器逐个进行测量。测量完成一支传感器后，移除测量夹再去夹取另一支传感器进行测量，每次都仅测量一支传感器。测量过程中，各个传感器之间也无相互影响；而常规的自动化采集设备是已经把多支传感器的电缆芯线按照要求对应的顺序连接在通道端子上。测量时仅做了通道跳转，不在测量状态的传感器芯线并未从采集设备上拆除，这就造成了如果有多支绝缘度不高的“亚健康”状态的传感器直接相互影响。
通过以上分析，正是因为两种测量方式原理的差异，造成绝缘度较差的传感器在使用自动化采集设备时，可能出现测值不准的情况。尤其是一些以电阻变化来换算物理量的传感器，例如温度，影响远大于其他传感器。
同理，如果都是完好的“健康”的传感器，测量的结果则应该都是准确的，以上两种测量方式的不同并不会对测量结果造成较大影响。
但在实际工程中，传感器本身质量、电缆接续质量、电缆芯线接入自动化采集设备等都会随时间的推移造成整个线路的绝缘度下降，而这个绝缘度则会影响到自动化采集的结果。再者，因为现场环境复杂，受制于材料，施工，以及环境影响，经常会遇到传感器线路出现开路，断路，浸水等现象，导致传感器无法正常工作。例如，屏蔽线是连接传感器外壳与测量模组之间的线路，用于平衡仪表与传感器之间的零电位，屏蔽线断路或者因浸水氧化生锈后，引起零电位不平衡，受干扰引起测量数据产生畸变。又例如，当传感器频率与温度信号出现短路，测量将会造成错误。
由此，从上述问题出发，本发明提出了一种低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，尽可能使自动化采集设备模拟人工测读环境。下面结合附图，对发明提供的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统进行说明。
参阅附图1，图1示例性示出了低绝缘振弦传感器数据采集系统的主要结构，如图1所示，本实施例提供的低绝缘振弦传感器数据采集系统可以包括：电源模块1、数据采集模块2以及通信模块3。
电源模块1包括蓄电池11、外界电源12和电源管理单元13，蓄电池11连接数据采集模块2，电源管理单元13配置为根据系统的工作状态选择性地控制数据采集模块2与外界电源12的连接，以及控制蓄电池11的充放电。
具体地，在系统进行数据采集时，切断数据采集模块2与外部电源12的连接，蓄电池11放电，采用蓄电池11为系统供电。在系统处于待机状态时，数据采集模块2与外部电源12连接，蓄电池充电11。即在系统待机时，采用外界电源12为系统供电，同时也为蓄电池11充电。在一些实施例中，电源模块1还包括双刀双掷继电器14，双刀双掷继电器14的一端连接外界电源12，另一端连接数据采集模块2；电源管理单元13通过驱动双刀双掷继电器14使能，使数据采集模块2与外界电源12连接或关断。
参阅附图2，图2示例性示出了电源模块的电路原理图，如图2所示，蓄电池11的负极接地，正极连接“V+”，“V+”为主电路供电，外界电源12可以是市电、太阳能发电、风力发电等能源，但不以此为限。外界电源12的正极和负极分别连接双刀双掷继电器14一端的两个接头，双刀双掷继电器14另一端的两个接头，其中一个接头连接蓄电池11的充电电路15，另一接头接地。该充电电路15用于控制蓄电池11的充电管理，充电电路15的另一端连接蓄电池11的正极。双刀双掷继电器14的继电驱动通过电源管理单元13控制，该电源管理单元13可以集成到系统的主电路的控制器中。在系统上电后外界电源12经过常闭式的双刀双掷继电器14给蓄电池11充电，并将电力输出到“V+”和“GND”为主电路供电。在测量时，“继电器驱动”使能，双刀双掷继电器14开路，蓄电池11单独为系统的主电路供电。
数据采集模块2包括通道切换电路21和多个数据采集通道22，每个数据采集通道22至少对应一个振弦传感器23。本实施中，每个数据采集通道22对应一个振弦传感器23。通道切换电路21配置为分时控制数据采集通道22的连通状态，以获取相应振弦传感器23采集的数据。本实施中振弦传感器23包括振弦钢丝231、热敏电阻232以及金属壳体233。振弦钢丝231与热敏电阻232位于金属壳体233内，数据采集通道22设有4个接入端子，分别对应连接振弦钢丝231以及热敏电阻233的两端。数据采集通道22通过线缆24连接振弦传感器23。线缆24包括护套241、屏蔽层242以及4个线芯243，屏蔽层242连接振弦传感器23的金属外壳233，4个线芯分别对应连接振弦钢丝231以及热敏电阻232的两端。
参阅附图3，图3示例性示出了常规振弦传感器的结构框图，如图3所示，振弦钢弦231两端固定在金属壳体233上，测量时采集板234发出激励信号，通过导线235传输到线圈236，线圈236产生与振弦钢丝231共振频率，使振弦钢丝231起振后反向激励线圈236，使传感器输出振弦钢丝231的振动信号，采集板234获取到信号后通过调理电路即可计算出振弦钢丝231的频率值。
参阅附图4，图4示例性示本实施例中的振弦传感器的结构，如图4所示，本实施中振弦传感器23包括振弦钢丝231、热敏电阻232以及金属壳体233。振弦钢丝231与热敏电阻232位于金属壳体233内，且互补干涉。数据采集通道22通过线缆24连接振弦传感器23。参阅附图5，线缆的线芯1(红色)连接振弦钢丝231的一端，线缆的线芯2(黑色)连接振弦钢丝231的另一端。线芯3(绿色)连接热敏电阻232的一端，线芯4(白色)连接热敏电阻232的另一端。屏蔽层242包裹在上述4个线芯的外围并被护套241包裹，而连接于振弦传感器23的金属外壳233。振弦传感器23信号定义为频率正、频率负、温度正、温度负、屏蔽，分别对应代号为F+、F-、T+、T-、G。每个数据采集通道的接入端子定义4芯，分别对应F+、F-(G)、T+、T-。每个数据采集通道22设置继电器开关，以控制通道的开关状态。
数据采集通道22的开关状态由通道继电器控制，可以在接入端子之间设置隔断继电器，参阅附图6和图7，可以在频率正和频率负信号之间连接通道继电器25，同时在温度正和温度负信号之间连接通道继电器26。即传感器F+连接线芯1，传感器F-连接线芯2，传感器T+连接线芯3，传感器T-连接线芯4。通道继电器25的另两个端口分别相应为激励/采集频率正信号、激励/采集频率负信号。通道继电器26的另两个端口分别相应为激励/采集电阻正信号、激励/采集电阻正信号。本实施例中，接入端子间增设隔断继电器后再接入系统，这样在测量时，通过控制通道跳转和隔离继电器的起合，可以实现每次只测量一支振弦传感器，且该支振弦传感器与其他振弦传感器无相互影响。
通信模块3配置为在系统进行数据采集时，关闭系统与外界的数据通信；在系统处于待机状态时，系统可与外界进行数据通信。具体地，通信模块可以设置双刀双掷继电器31，双刀双掷继电器31与系统的主电路电连接，通过控制双刀双掷继电器31的开关状态，以开启或关闭通信模块3。参阅附图8，通信模块使用RS485通信，系统的主电路上电后RS485信号经过常闭式的双刀双掷继电器31通信，在测量时“继电器驱动”使能，双刀双掷继电器31开路，通信完全断开。至此，通信模块3与外部通信完全断开，系统的主电路处于浮地状态。
本领域技术人员能够理解的是，电源模块1和数据采集模块2的物理形式可以是彼此独立的，当然也可以是部分功能集成到一个物理模块的功能单元。如，该低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统包括控制器4，电源管理单元13集成到该控制器4中。
参阅附图9，图9示例性示出了另一实施例的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统的主要结构，在系统启动后，市电开关连通，主控器4开始运行，部分电源为蓄电池11充电，关闭各个数据采集通道22的开关，连接通信模块3的通信开关，以进行数据通信。未测量时，每个数据采集通道22的振弦传感器23之间完全隔离，并与主电路之间也完全隔离。测量时，每个数据采集通道22之间分时测量，每个通道的不同传感器之间也分时测量，从而保证在单一时间，只有唯一一个传感器处于联通测量状态。
系统在进行频率采集时，市电开关断开，系统切换由蓄电池11单独供电，通信开关断开，并把对应振弦传感器23的频率信号连通，因为，频率信号接入时采用单端输入方式，频率正F+(红色)用于激励与传输信号，频率负F-(黑色)为零电位基准。此时数据采集模块2的地信号被完全隔离，传感器F-(黑色)被接入后成为整个系统的唯一参考地。通过上述方式可以最大程度隔离因为多地，或者浮地引起的信号干扰。
系统在进行温度采集时，关闭振弦传感器23频率开关，连通温度传感器开关，保持在线传感器回路只有T+(白色)T-(绿色)线，其它所有传感器线路均无回路，此种方式可以排除因为传感器线路短路而引起的温度值错误问题。
综上所述，本实施例提供的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，在数据采集时，利用蓄电池供电，防止电源对振弦传感器的频率干扰，提高测测的准确性和稳定性。再者，各个通道之间分时测量、完全隔离，能够更加精准读取振弦传感器信息，进一步提高测量的准确性和稳定性。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，其特征在于，包括电源模块和数据采集模块；所述电源模块包括蓄电池、外界电源和电源管理单元；所述蓄电池连接所述数据采集模块；
所述电源管理单元配置为根据系统的工作状态选择性地控制所述数据采集模块与所述外界电源的连接，以及控制所述蓄电池的充放电；
所述数据采集模块包括通道切换电路和多个数据采集通道，每个所述数据采集通道至少对应一个振弦传感器；所述通道切换电路配置为分时控制所述数据采集通道的连通状态，以获取相应所述振弦传感器采集的数据。
2.如权利要求1所述的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，其特征在于，所述电源管理单元进一步配置为：
在所述系统进行数据采集时，切断所述数据采集模块与所述外部电源的连接，所述蓄电池放电；
在所述系统处于待机状态时，所述数据采集模块与所述外部电源连接，所述蓄电池充电。
3.如权利要求2所述的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，其特征在于，所述电源模块还包括双刀双掷继电器，所述双刀双掷继电器的一端连接外界电源，另一端连接所述数据采集模块；所述电源管理单元通过驱动所述双刀双掷继电器使能，使所述数据采集模块与所述外界电源连接或关断。
4.如权利要求1所述的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，其特征在于，所述振弦传感器包括振弦钢丝、热敏电阻以及金属壳体；所述振弦钢丝与所述热敏电阻位于所述金属壳体内。
5.如权利要求4所述的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，其特征在于，所述数据采集通道设有4个接入端子，分别对应连接所述振弦钢丝以及所述热敏电阻的两端。
6.如权利要求5所述的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，其特征在于，所述接入端子之间设有隔断继电器。
7.如权利要求6所述的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，其特征在于，所述数据采集通道通过线缆连接所述振弦传感器，
所述线缆包括护套、屏蔽层以及4个线芯，所述屏蔽层连接所述振弦传感器的金属外壳，所述4个线芯分别对应连接所述振弦钢丝以及所述热敏电阻的两端。
8.如权利要求1所述的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块配置为在所述系统进行数据采集时，关闭所述系统与外界的数据通信；在所述系统处于待机状态时，所述系统可与外界进行数据通信。
9.如权利要求8所述的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，其特征在于，所述通信模块包括双刀双掷继电器，通过控制所述双刀双掷继电器的开关状态，以开启或关闭所述通信模块。
10.如权利要求1所述的低绝缘振弦传感器自动化数据采集系统，其特征在于，每个所述数据采集通道对应一个所述振弦传感器。
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