CN113514718B - 一种模拟信号的隔离监测装置以及电气设备的控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种模拟信号的隔离监测装置，包括：电压电流转换器、恒流源、基准源、运算放大器、光耦、电流电压转换器和控制器；当电压电流转换器接收到目标模拟信号时，则获取电流电压转换器中的第一采样数据；根据第一采样数据、目标特征参数和光耦的电流传输比对目标模拟信号进行计算，以对目标模拟信号进行监测。由于使用该监测装置来对目标模拟信号进行监测，可以免去现有技术中由于两个光耦特性差异所导致的模拟信号传输偏差问题，由此就能够显著提高对模拟信号的监测精度。并且，在该监测装置中只需要使用单极性电源进行供电就可以达到对目标模拟信号进行监测的目的，这样也可以极大的降低该监测装置所需要的设计成本。

Description

一种模拟信号的隔离监测装置以及电气设备的控制系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种模拟信号的隔离监测装置以及一种电气设备的控制系统。

背景技术

在供电要求大于60V安全电压的电气设备中，通常需要对其外部供电线路的模拟信号进行实时监测，请参见图1，图1为专利申请CN201220426456.0对模拟信号进行监测的电路图。利用该电路虽然可以对供电线路的模拟信号进行监测，但是，该电路中两个光耦U2和U3的特性差异会加剧模拟信号的传输偏差，并且，由于光耦自身制造工艺的限制也很难保证这两个光耦的特性保持一致，这样就会使得该监测电路对模拟信号的监测精度较低。另外，由于该电路还需要使用两组彼此隔离的双极性12V电源才能保证电路的正常运行，这样也会显著增加模拟信号监测电路所需要的设计成本。目前，针对上述技术问题，还没有较为有效的解决办法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟信号的隔离监测装置以及一种电气设备的控制系统，以在提高对模拟信号监测精度的同时，也可以降低监测装置所需要的设计成本。其具体方案如下：

一种模拟信号的隔离监测装置，包括：电压电流转换器、恒流源、基准源、运算放大器、光耦、电流电压转换器和控制器；

其中，所述电压电流转换器的输入端用于接收目标模拟信号，所述电压电流转换器的输出端与所述运算放大器的负输入端相连，所述恒流源的供电端、所述基准源的供电端和所述运算放大器的供电端分别与第一VCC相连，所述恒流源的输出端分别与所述运算放大器的负输入端和所述光耦的第一端相连，所述基准源的参考端和所述运算放大器的参考端分别接地，所述基准源的输出端与所述运算放大器的正输入端相连，所述运算放大器的输出端与所述光耦的第二端相连，所述光耦的第三端与第二VCC相连，所述光耦的第四端与所述电流电压转换器的电流输入端相连，所述电流电压转换器的电压输出端和所述控制器相连，所述电流电压转换器的参考端接地；

所述控制器执行的逻辑动作为：

当所述电压电流转换器接收到所述目标模拟信号时，则获取所述电流电压转换器中的第一采样数据；

根据所述第一采样数据、目标特征参数和所述光耦的电流传输比对所述目标模拟信号进行计算，以对所述目标模拟信号进行监测；其中，所述目标特征参数包括所述电压电流转换器的特征参数、所述恒流源的特征参数、所述基准源的特征参数、所述运算放大器的特征参数、所述电流电压转换器的特征参数和第一VCC的特征参数。

优选的，所述电压电流转换器具体为第一电阻。

优选的，所述基准源包括第二电阻和第三电阻；

其中，所述第二电阻的第二端和所述第三电阻的第二端相连；

相应的，所述第二电阻的第一端为所述基准源的供电端，所述第三电阻的第二端为所述基准源的输出端，所述第三电阻的第一端为所述基准源的参考端。

优选的，所述电流电压转换器具体为第四电阻。

优选的，所述恒流源具体为第五电阻。

优选的，还包括：

当监测到所述目标模拟信号不满足预设条件时，则提示预警信息。

优选的，还包括：

预先将所述光耦的电流传输比和所述目标特征参数存储至所述控制器。

优选的，所述光耦的电流传输比的获取过程包括：

当所述电压电流转换器无模拟信号输入时，则获取所述电流电压转换器中的第二采样数据；

利用所述第二采样数据和所述目标特征参数计算所述光耦的电流传输比。

相应的，本发明还公开了一种电气设备的控制系统，包括如前述所公开的一种模拟信号的隔离监测装置。

可见，在本发明中，控制器在对目标模拟信号进行计算的过程中，首先是在电压电流转换器接收到目标模拟信号时，获取电流电压转换器中的第一采样数据，之后，再根据第一采样数据、隔离监测装置中所有电子元器件的目标特征参数和光耦的电流传输比来对目标模拟信号进行计算，并由此达到对目标模拟信号进行实时监测的目的。显然，相较于现有技术而言，由于使用该监测装置来对目标模拟信号进行监测，可以免去现有技术中由于两个光耦特性差异所导致的模拟信号传输偏差问题，由此就能够显著提高对模拟信号的监测精度。并且，在该监测装置中只需要使用单极性电源进行供电就可以达到对目标模拟信号进行监测的目的，这样也可以极大的降低该监测装置所需要的设计成本。相应的，本发明所提供的一种电气设备的控制系统，同样具有上述有益效果。

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为专利申请CN201220426456.0对模拟信号进行监测的电路图；

图2为本发明实施例所提供的一种模拟信号的隔离监测装置的结构图；

图3为本发明实施例所提供的另一种模拟信号的隔离监测装置的结构图。

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。

请参见图2，图2为本发明实施例所提供的一种模拟信号的隔离监测装置的结构图，该隔离监测装置包括：电压电流转换器1、恒流源2、基准源3、运算放大器4、光耦5、电流电压转换器6和控制器7；

其中，电压电流转换器1的输入端用于接收目标模拟信号，电压电流转换器1的输出端与运算放大器4的负输入端相连，恒流源2的供电端、基准源3的供电端和运算放大器4的供电端分别与第一VCC相连，恒流源2的输出端分别与运算放大器4的负输入端和光耦5的第一端相连，基准源3的参考端和运算放大器4的参考端分别接地，基准源3的输出端与运算放大器4的正输入端相连，运算放大器4的输出端与光耦5的第二端相连，光耦5的第三端与第二VCC相连，光耦5的第四端与电流电压转换器6的电流输入端相连，电流电压转换器6的电压输出端和控制器7相连，电流电压转换器6的参考端接地；

控制器7执行的逻辑动作为：

当电压电流转换器1接收到目标模拟信号时，则获取电流电压转换器6中的第一采样数据；

根据第一采样数据、目标特征参数和光耦5的电流传输比对目标模拟信号进行计算，以对目标模拟信号进行监测；

其中，目标特征参数包括电压电流转换器1的特征参数、恒流源2的特征参数、基准源3的特征参数、运算放大器4的特征参数、电流电压转换器6的特征参数和第一VCC的特征参数。

在本实施例中，是提供了一种模拟信号的隔离监测装置，利用该隔离监测装置对模拟信号进行监测时，不仅能够提高对模拟信号的监测精度，而且，还能够降低对模拟信号进行监测时所需要的设计成本。

请参见图2所示的模拟信号隔离监测装置，该隔离监测装置包括电压电流转换器1、恒流源2、基准源3、运算放大器4、光耦5、电流电压转换器6和控制器7。

当电压电流转换器1接收到目标模拟信号时，首先会利用电压电流转换器1将目标模拟信号转换为目标电流信号，恒流源2为光耦5提供静态电流信号，该静态电流信号与目标电流信号一起输入至光耦5的第一端；与此同时，恒流源2和基准源3会产生基准信号，并将基准信号传输至运算放大器4的正输入端，运算放大器4将目标电流信号和基准信号进行比较放大之后，会得到目标放大信号，并将目标放大信号输入至光耦5的第二端。其中，目标电流信号和目标放大信号经过光耦5的耦合传输之后，会得到目标光耦信号，目标光耦信号经过电流电压转换器6的转换之后，会转换为目标电流信号，并将目标电流信号传输至控制器7。

在本实施例中，电压电流转换器1将目标模拟信号转换为目标电流信号时，会利用光耦5的电流传输比和隔离特性在一定范围内不受输入电流影响的特点，实现对目标模拟信号的隔离传输。

需要说明的是，在本实施例中，恒流源2能够为光耦5提供可定量的工作电流，从而使得电压电流转换器1由目标模拟信号转换成的目标电流信号在一定范围内允许双向，也即，目标电流信号既可以为正向电流，也可以为负向电流，这样就规避了光耦5的输入电流必须为正向才能使得该隔离监测装置正常适配的问题。同理，与之相对应的目标模拟信号也能在一定范围内允许双向，也即，目标模拟信号既可以为正向电压，也可以为负向电压。并且，在实际应用中，基准源3所输出的输出电压需要大于光耦5的最低开启电压，因为光耦5在满足该条件时，运算放大器4就不需要双极性电源进行供电，只需要单极性电源为运算放大器4供电，即可满足该隔离监测装置的正常运行。

当电压电流转换器1接收到目标模拟信号时，控制器7就会对目标模拟信号进行实时监测。也即，当电压电流转换器1接收到目标模拟信号时，由目标模拟信号所转换成的目标电流信号就会传输至控制器7，当控制器7接收到目标电流信号时，控制器7首先会获取电流电压转换器6中的第一采样数据，之后，控制器7会根据第一采样数据、隔离监测装置中所有电子元器件的目标特征参数和光耦5的电流传输比来对目标模拟信号进行计算，并通过计算得到的数据来对目标模拟信号进行实时监测。

具体的，在实际操作过程中，控制器7包括A/D转换模块(Analog to DigitalConverter，模拟数字转换器)和CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，其中，AD转换器用于将目标电流信号转换为相应的目标数字信号，CPU用于对目标数字信号进行计算，也即，用于对目标模拟信号进行实时监测。

可以理解的是，因为在该隔离监测装置中只设置有一个光耦，这样就可以避免现有技术中使用两个光耦时，由于两个光耦特性差异会加剧模拟信号传输偏差的问题，由此就可以显著提高对模拟信号的监测精度。并且，在该隔离监测装置中，由于只需要使用单极性电源对其进行供电就可以达到对模拟信号进行监测的目的，相较于现有技术中需要使用两组彼此隔离的双极性12V电源才能保证监测装置的正常运行而言，通过此种设置方式就可以显著降低该隔离监测装置所需要的设计成本。

可见，在本实施例中，控制器在对目标模拟信号进行计算的过程中，首先是在电压电流转换器接收到目标模拟信号时，获取电流电压转换器中的第一采样数据，之后，再根据第一采样数据、隔离监测装置中所有电子元器件的目标特征参数和光耦的电流传输比来对目标模拟信号进行计算，并由此达到对目标模拟信号进行实时监测的目的。显然，相较于现有技术而言，由于使用该监测装置来对目标模拟信号进行监测，可以免去现有技术中由于两个光耦特性差异所导致的模拟信号传输偏差问题，由此就能够显著提高对模拟信号的监测精度。并且，在该监测装置中只需要使用单极性电源进行供电就可以达到对目标模拟信号进行监测的目的，这样也可以极大的降低该监测装置所需要的设计成本。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，请参见图3，图3为本发明实施例所提供的另一种模拟信号的隔离监测装置的结构图。作为一种优选的实施方式，电压电流转换器1具体为第一电阻R1。

具体的，在实际应用中，可以将电压电流转换器1设置为第一电阻R1，因为当将电压电流转换器1设置为第一电阻R1时，不仅能够达到对目标模拟信号进行信号转换的目的，而且，电阻相较于其它类型的电压电流转换器而言，还具有结构简单、造价低廉的优点，所以，当将电压电流转换器1设置为第一电阻R1时，就可以进一步降低该隔离监测装置所需要的造价成本。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，请参见图3，图3为本发明实施例所提供的另一种模拟信号的隔离监测装置的结构图。作为一种优选的实施方式，基准源3包括第二电阻R2和第三电阻R3；

其中，第二电阻R2的第二端和第三电阻R3的第二端相连；

相应的，第二电阻R2的第一端为基准源3的供电端，第三电阻R3的第二端为基准源3的输出端，第三电阻R3的第一端为基准源3的参考端。

可以理解的是，当利用第二电阻R2和第三电阻R3来搭建基准源3时，不仅可以降低基准源3的结构复杂度，而且，也可以使得该模拟信号隔离监测装置的电路结构更加稳定与可靠。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，请参见图3，图3为本发明实施例所提供的另一种模拟信号的隔离监测装置的结构图。作为一种优选的实施方式，电流电压转换器6具体为第四电阻R4。

在本实施例中，可以将电流电压转换器6设置为第四电阻R4，因为电阻的造价低廉、功能稳定、结构简单，并且，它还能够达到对光耦5输出信号进行电流转换目的，所以，在本实施例中是将电流电压转换器6设置为第四电阻R4，并以来进一步降低该模拟信号隔离监测装置的结构复杂度和其所需要的造价成本。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，请参见图3，图3为本发明实施例所提供的另一种模拟信号的隔离监测装置的结构图。作为一种优选的实施方式，恒流源2具体为第五电阻R5。具体的，在实际操作过程中，可以将恒流源2设置为第五电阻R5，因为电阻的造价成本低廉，所以，当将恒流源2设置为电阻时，就可以进一步降低该模拟信号隔离监测装置的设计成本。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，上述模拟信号的隔离监测装置还包括：

当监测到目标模拟信号不满足预设条件时，则提示预警信息。

可以理解的是，如果电气设备的供电线路能够保持稳定、可靠的运行状态，那么，利用该模拟信号隔离监测装置所监测得到的目标模拟信号必定会处于预设范围之内。

因此，在实际应用中，如果监测出目标模拟信号不满足预设条件时，则说明电气设备的供电线路出现了异常，在此情况下，为了避免意外事故的发生，则需要提示预警信息，以引起工作人员的注意。

显然，通过本实施例所提供的技术方案，就可以进一步保证人们在使用该模拟信号隔离监测装置时的安全性与可靠性。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，上述模拟信号的隔离监测装置还包括：

预先将光耦的电流传输比和目标特征参数存储至控制器。

在实际应用中，为了对目标模拟信号的监测过程提供必要的计算数据，还可以预先将光耦的电流传输比和目标特征参数存储至控制器当中，这样控制器在对目标模拟信号进行监测时，就可以直接从其内部调用光耦的电流传输比和目标特征参数来对目标模拟信号进行计算，并由此达到对目标模拟信号进行实时监测的目的。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，光耦的电流传输比的获取过程包括：

当电压电流转换器无模拟信号输入时，则获取电流电压转换器中的第二采样数据；

利用第二采样数据和目标特征参数计算光耦的电流传输比。

在本实施例中，是提供了一种光耦电流传输比的计算方法。也即，在计算光耦的电流传输比时，首先是在电压电流转换器为无模拟信号输入的情况下，利用第一VCC和第二VCC为该模拟信号隔离监测装置进行供电，从而保证该隔离监测装置的正常运行；然后，再从电流电压转换器中获取电流电压转换器的第二采样数据，之后，再根据第二采样数据和目标特征参数来计算光耦的电流传输比。

基于前述实施例所公开的技术内容，本实施例以图2所示的模拟信号隔离监测装置为例，对目标模拟信号进行监测的具体过程进行详细说明。假设在图2所示的模拟信号的隔离监测装置中，电压电流转换器的转换特性可等效为电阻特性，其阻值R₁＝200KΩ；恒流源的输出电流可等效为电阻特性的结果，具体为R₂＝1KΩ；基准源的输出电压为Ref＝0.5×VCC₁，其中，VCC₁相对于地的电压为5V；电流转换器的转换特性可等效为电阻特性，其阻值R₆＝100Ω，VCC₂相对于地的电压为5V。

在该隔离监测装置的生产过程中，电压电流转换器的输入端没有模拟信号输入，假设此时控制器从电流电压转换器中所采集到的数据为Out₁＝1V。在此情况下，控制器就可以依据公式K＝Out₁·R₂/(R₆·(VCC₁-Ref))来计算得到光耦的电流传输比K，也即：K＝1V×1KΩ/(100Ω·(5V-0.5×5V))＝4。

在该隔离监测装置的正常使用场景中，电压电流转换器会接收到目标模拟信号Uin的输入，假设此时控制器从电流电压转换器中所采集到的数据为Out₂＝1.5V。此时控制器就可以依据Uin＝(Out₂/R₆/K-(VCC₁-Ref)/R₂)·R₁+Ref来对目标模拟信号进行监测，也即：

Uin＝(1.5V/100Ω/4-(5V-0.5×5V)/1KΩ)·200KΩ+0.5×5V＝252.5V。

相应的，本发明实施例还公开了一种电气设备的控制系统，包括如前述所公开的一种模拟信号的隔离监测装置。

本发明实施例所提供的一种电气设备的控制系统，具有前述所公开的一种模拟信号的隔离监测装置所具有的有益效果。

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它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种模拟信号的隔离监测装置以及一种电气设备的控制系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种模拟信号的隔离监测装置，其特征在于，包括：电压电流转换器、恒流源、基准源、运算放大器、光耦、电流电压转换器和控制器；

其中，所述电压电流转换器的输入端用于接收目标模拟信号，所述电压电流转换器的输出端与所述运算放大器的负输入端相连，所述恒流源的供电端、所述基准源的供电端和所述运算放大器的供电端分别与第一VCC相连，所述恒流源的输出端分别与所述运算放大器的负输入端和所述光耦的第一端相连，所述基准源的参考端和所述运算放大器的参考端分别接地，所述基准源的输出端与所述运算放大器的正输入端相连，所述运算放大器的输出端与所述光耦的第二端相连，所述光耦的第三端与第二VCC相连，所述光耦的第四端与所述电流电压转换器的电流输入端相连，所述电流电压转换器的电压输出端和所述控制器相连，所述电流电压转换器的参考端接地；

所述控制器执行的逻辑动作为：

当所述电压电流转换器接收到所述目标模拟信号时，则获取所述电流电压转换器中的第一采样数据；

根据所述第一采样数据、目标特征参数和所述光耦的电流传输比对所述目标模拟信号进行计算，以对所述目标模拟信号进行监测；其中，所述目标特征参数包括所述电压电流转换器的特征参数、所述恒流源的特征参数、所述基准源的特征参数、所述运算放大器的特征参数、所述电流电压转换器的特征参数和第一VCC的特征参数。

2.根据权利要求1所述的隔离监测装置，其特征在于，所述电压电流转换器具体为第一电阻。

3.根据权利要求1所述的隔离监测装置，其特征在于，所述基准源包括第二电阻和第三电阻；

其中，所述第二电阻的第二端和所述第三电阻的第二端相连；

相应的，所述第二电阻的第一端为所述基准源的供电端，所述第三电阻的第二端为所述基准源的输出端，所述第三电阻的第一端为所述基准源的参考端。

4.根据权利要求1所述的隔离监测装置，其特征在于，所述电流电压转换器具体为第四电阻。

5.根据权利要求1所述的隔离监测装置，其特征在于，所述恒流源具体为第五电阻。

6.根据权利要求1所述的隔离监测装置，其特征在于，还包括：

当监测到所述目标模拟信号不满足预设条件时，则提示预警信息。

7.根据权利要求1所述的隔离监测装置，其特征在于，还包括：

预先将所述光耦的电流传输比和所述目标特征参数存储至所述控制器。

8.根据权利要求1至7任一项所述的隔离监测装置，其特征在于，所述光耦的电流传输比的获取过程包括：

当所述电压电流转换器无模拟信号输入时，则获取所述电流电压转换器中的第二采样数据；

利用所述第二采样数据和所述目标特征参数计算所述光耦的电流传输比。

9.一种电气设备的控制系统，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的一种模拟信号的隔离监测装置。