CN1155787A - 模拟量/脉冲周期(a/t)变送器 - Google Patents

Abstract

一种新型的模拟量/脉冲周期(A/T)变送器，是用于工业生产过程自动化测量和电力调度自动化测量变送器，其作用是将待测的电压、电流、功率、温度、流量、压力、相位等参量转换为线性输出的周期脉冲信号，通过数据采集装置测量脉冲信号的周期，就可以计算出与脉冲周期对应的输入被测量。其优点是以A/T转换取代常规的A/D转换，测量准确度高、抗干扰能力强；并将集中方式变成分散方式，提高了系统的可靠性，便于用光电方式实现隔离，降低了成本。

Description

模拟量/脉冲周期(A/T)变送器

模拟量/脉冲周期(A/T)变送器是用于工业生产过程自动化测量和电力调度自动化及远动系统的基础测量仪器设备，其作用是将待测的电压、电流、温度、流量、压力、相位等参量变换为周期脉冲信号，脉冲周期与被测量成比例关系。这样只要测量出脉冲信号的周期，就可以计算出与脉冲周期对应的被测量。从原理上区别于现有的技术。目前现有的各种变送器都是将输入的各种被测量转换成线性输出的直流模拟电量，经过A/D转换，将模拟量转换成数字量由计算机进行处理。

从检索到的“86200648--多功能远动变送器”等相关文献中查实，现有技术均采用A/D转换的原理。

本发明的目的：

为提高测量精度，提高抗干扰能力，将集中方式变成分散方式。提高系统的可靠性，便于用光电方式实现隔离，取消A/D转换，多路电子开关，简化系统，降低系统的成本，而发明模拟量/脉冲周期(A/T)变送器。

本发明的原理框图：如图1所示：

被测量经V/F转换，使输出脉冲频率与输入的被测量成正比，然后通过逻辑控制单元，在一段时间内(如交流量N个周期(N＝1.2.3……))。把V/F输出的频率作为计数器的输入，使计数器有一初始值，在N个周期后，改由晶振产生的固定频率作为计数器的输入继续计数，使计数器计满到翻转，由此，在计数器的输出端产生一个脉冲作为变送器的输出。

技术指标：

1.准确度：0.2％

2.被测量标准输入：交变的电压、电流信号或直流信号

3.标准输出：周期脉冲信号，脉冲周期T＞500ms

4.被测量的频率：1--1000Hz

本发明的优点：

模拟量/脉冲周期(A/T)变送器与现有的各种变送器相比有如下优点：

a.测量准确度高：模拟量/脉冲周期(A/T)变送器电路中，采用的V/F，电压频率转换线性度可达3/10000，脉冲周期测量的分辨率可达1/10000。这样模拟量/脉冲周期(A/T)变送器的测量准确度很容易达到0.2％以上。

b.抗干扰能力强：一般直流变送器输出的电信号与通道的噪声信号叠加在一起，影响测量的准确度，需要采取很多措施：比如传输线尽可能短，并且要求很好的屏蔽，在电路上采取很复杂的滤波网络来消除干扰。而噪声信号对脉冲周期测量没有影响，因此，只要用普通的传输线即可进行远距离传输。

C.便于光电隔离：模拟量要采用线性隔离放大器进行隔离，成本很高，而脉冲量隔离只需普通光隔，成本很低，而且电路简单、可靠性高。

D.分散采集方式：其他类型的采集方式，无论是直流还是交流，大多都是集中方式，比如，直流变送器需要多路电子转换开关，用一个A/D转换器测量；交流采样也是一个CPU通过多路电子转换开关和一个A/D转换器，对多路进行测量，一旦出故障整个系统瓦解。而A/T采集方式，每路都有独立的V/F转换器，其输出脉冲通过脉冲周期采集电路测出脉冲周期，互不干扰，提高了系统的可靠性。

由V/F产生的脉冲经分频器输出的原理电路如图2所示：

但此电路存在如下两个问题：

①当被测量为交变量时，不能按整数周期测量，因而产生很大的误差

②当输入量为零时，没有脉冲输出，当输入量很小时，输出的脉冲周期很长，往往超出采样周期，满足不了实际需要。

为此，设计了如图3所示电路。

图3图面说明：(1)为过零检测单元把交变的正弦信号检成方波，作为与门(2)的输入端；与门(2)的另一输入端为门控信号，与门(2)的输出同时作为D触发器(5)和计数器(6)的输入时钟信号；D触发器(5)由输入的时钟信号在过零点置位，其Q端输出为1，Q端输出为0；Q端、Q端分别接与门(7)和与门(8)作为与门的门控信号；当Q为1、Q为0时，与门(7)打开，由V/F产生的脉冲信号通过或门(13)，作为计数器(14)的计数输入，此时，与门(8)关闭，由晶振产生的信号被封锁。计数器(6)的计数输入端接收由过零检测发出的脉冲信号，计数器(6)的最大计数值为N，N为整数，计数器(6)计满翻转时，Q端输出经(9)、(10)、(11)、(12)组成的微分电路使D触发器(5)复位，此时，D触发器的Q端为0、Q端为1、与门(7)关闭、与门(8)打开，由晶振产生的脉冲通过或门(13)，作为计数器(14)的计数输入值，到计数器(14)计满翻转，计数器(14)Q端产生一个脉冲信号，这个脉冲信号作为变送器的输出，同时经过(15)、(16)、(17)、(18)组成的微分电路输给计数器(5)，使计数器(6)清零，计数器(6)Q端输出经反相器(9)输给与门(2)便与门(2)打开，开始下一个周期。该电路适用于被测量为交变量，当被测量为直流时，D触发器(5)的CLK端接反相器(9)的输出端，计数器(6)的CLK端接晶振输出端，取消过零检测(1)和与门(2)。输入的被测量与输出的脉冲周期之间的对应关系如下： $V=\frac{\mathrm{Vm}}{\mathrm{NTfm}}\[M-(t-\mathrm{NT})F\]$ 式中：V——  被测量的输入值

  Vm—— 被测量的满量程值

  fm—— V/F对应的最大输出频率

  N——  周期数

  T——  输入量的周期

  M——  计数器满码值

  t——  测量脉冲周期

  F——  晶振频率

由V/F变换原理，输入的被测量与输出值的线性关系有： $\frac{V}{f}=\frac{\mathrm{Vm}}{\mathrm{fm}}----\left(1\right)$

由上述测量原理可得出： $t=\frac{M-\mathrm{NTf}}{F}+\mathrm{NT}----\left(2\right)$

由(2)式可得： $f=\frac{\[M-(t-\mathrm{NT})F\]}{\mathrm{NT}}----\left(3\right)$

将(3)式代入(1)式可得： $V=\frac{\mathrm{Vm}}{\mathrm{NTfm}}\[M-(t-\mathrm{NT})F\]$

上面的f为对应某一输入值时V/F的输出频率。

在某些场合，例如：测量电流、电压相位差，如果用一般的异或门电路，将相位差转换成方波直接输出，存在如下问题：

1.脉宽短，一般为毫秒级甚至更小，测量误差很大。

2.一般的采样周期为秒级，而上述脉冲的周期为0.02秒左右，如果计算机对每一个脉冲都要响应处理，机时开销很大，甚至响应不过来。

如果能够把这些反映相位差的脉宽累加起来，变成与采样周期同步(相近)的脉冲，就可解决上述问题，为此设计了相位变送器其原理电路如图4所示：图4图面说明：(1)为电流过零检测；(2)为电压过零检测，通过异或门(3)输出的脉冲宽度与电流、电压的相位相同，同时交变的电压信号经过过零检测(2)检成方波作为与门(4)的输入信号，与门(4)的另一输入端为门控信号；与门(4)的输出同时作为D触发器(6)和计数器(7)的输入时钟信号；D触发器(6)由输入的时钟信号在过零点置位，其Q端输出为1， Q端输出为0；Q端和 Q端分别接与门(5)和与门(10)；此时，与门(5)打开，与门(10)关闭，使通过异或门(3)的脉冲信号通过与门(5)进入与门(8)，使与门(8)打开，由晶振(9)产生的脉冲通过或门(15)，使计数器(16)开始计数。当计数器(7)的计数输入端接收由电压过零检测(2)发出的脉冲信号，使计数器(7)计满翻转时，Q端输出经(11)、(12)、(13)、(14)组成的微分电路，使D触发器(6)复位；此时，D触发器(6)的Q端为0， Q端为1，使与门(5)关闭与门(10)打开；由晶振产生的脉冲通过或门(15)，使计数器(16)继续计数，计满翻转时，计数器(16)Q端产生一个脉冲信号，这个信号作为相位变送器的输出，同时经过(17)、(18)、(19)、(20)组成的微分电路输给计数器(7)，使计数器(7)清零，输出端Q输出的信号经反相器(11)输给与门(4)，使与门(4)打开，开始下一个周期。实现了相位差(时间)的累加。

Claims (4)

1.本发明是一种模拟量/脉冲周期(A/T)变送器，其特征是将被测量经逻辑控制单元，在一段时间内(如交变量的N个周期(N＝1.2.3……))，通过V/F转换成与输入的被测量成比例关系的脉冲，作为计数器的输入，使计数器有一个初始值，N个周期后改由晶振产生的固定频率作为计数器的输入继续计数，直到计数器计满翻转，由此在计数器的输出端产生一个脉冲，脉冲的周期与输入的被测量成比例关系，其数学表达式为： $V=\frac{\mathrm{Vm}}{\mathrm{NTfm}}\[M-(t-\mathrm{NT})F\]$

其中：V—— 被测量的数值

      Vm-   被测量的满量程值

      fm-   V/F对应Vm的输出频率

      N—— 交变量的周期数(N＝1.2.3……)

      T—— 被测量的周期

      M—— 计数器满码值

      F—— 晶振频率

      t—— 脉冲周期

2.其特征在于通过计数器、过零检测、触发器、与门、或门等电路实现对

交变量按整数周期测量。

3.其特征在于转换器输出的脉冲周期t由两部分组成

即：t＝t₀＋t₁

  上式中的t₀有两种情况

1).当被测量为交变量时

  t₀＝NT N为交变量的周期数，T为交变量的周期。

2).当被测量为直流时

  t₀＝常数

  t₁等于计数器在以V/F产生脉冲作为计数输入得到一累加值的基础上，改由晶振产生的脉冲作为计数输入继续计数，直到计数器计满翻转所需的时间。

4.其特征在于可以实现一些非连续量的累加，如相位差(时间)的累加，从而提高了测量精度。

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