CN117825795A - 一种多功能电量在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多功能电量在线监测装置,涉及电源技术领域。多功能电量在线监测装置包括:盖板、外壳以及PCB板;其中,PCB板设置在盖板和外壳构成的密闭腔体中;对盖板和外壳构成的密闭腔体的外表面做黑色阳极氧化处理;PCB板上设置有雷电间接效应防护电路、冲击电流抑制电路、浪涌抑制电路、EMC滤波电路、电压转换电路、电压传感器采集电路、电流传感器采集电路以及数据处理电路。本发明提供的一种多功能电量在线监测装置,可有效提高电量监测的准确性并进行电量的可视化显示。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域,特别是涉及一种多功能电量在线监测装置。
背景技术
在现有的电源电量供应技术领域中,对用电设备工作参数的要求越来越高,而电源电量的正常供应,成为了后续用电设备正常工作的基础保障。现代社会信息化程度不断提高,利用信息化技术实现电量实时监测的需求也不断增加。目前很多电量监测仪在电力电子行业中广泛应用。但是,大部分电量监测仪只能实现对电量的监测功能,当监测信号存在干扰信号时不能正确对所监测的电量信号进行数据处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能电量在线监测装置,可有效提高电量监测的准确性并进行电量的可视化显示。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种多功能电量在线监测装置,包括:盖板、外壳以及PCB板;
所述PCB板设置在所述盖板和所述外壳构成的密闭腔体中;对所述盖板和所述外壳构成的密闭腔体的外表面做黑色阳极氧化处理;
所述PCB板上设置有雷电间接效应防护电路、冲击电流抑制电路、浪涌抑制电路、EMC滤波电路、电压转换电路、电压传感器采集电路、电流传感器采集电路以及数据处理电路;所述雷电间接效应防护电路的输入端连接直流电源信号,用于将直流电源信号两端电压钳位在安全范围内;所述冲击电流抑制电路的输入端连接所述雷电间接效应防护电路的输出端,用于对直流电源信号产生的冲击电流进行抑制;所述浪涌抑制电路的输入端连接所述冲击电流抑制电路的输出端,用于将直流电源信号两端电压限制在预设范围内;所述EMC滤波电路的输入端连接所述浪涌抑制电路的输出端,用于抑制直流电源信号产生的干扰信号;所述EMC滤波电路的输出端通过母线连接负载;
所述电压转换电路的输入端连接所述EMC滤波电路的输出端,用于提供所述电压传感器采集电路和所述电流传感器采集电路所需的电压;所述电压传感器采集电路用于实时采集母线上的电压信号;所述电流传感器采集电路用于实时采集流经负载的负载电流信号;所述数据处理电路分别连接所述电压传感器采集电路和所述电流传感器采集电路;所述数据处理电路用于将电压信号和负载电流信号转换处理为数字信号并进行电量的可视化显示。
可选地,所述盖板和所述外壳的材料均为铝材。
可选地,所述雷电间接效应防护电路包括:双向TVS管D1和双向TVS管D2;
所述双向TVS管D1的一端连接正直流电源信号Vin+;所述双向TVS管D2的一端连接负直流电源信号Vin-;所述双向TVS管D1的另一端和所述双向TVS管D2的另一端均接机壳地Earth;所述双向TVS管D1的一端产生信号Vin1+;所述双向TVS管D2的一端产生信号Vin1-。
可选地,所述冲击电流抑制电路包括:电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、单向TVS管D3以及NMOS管Q1;
所述电阻R1的一端以及所述电容C2的一端均连接所述信号Vin1+;所述电阻R1的另一端分别连接所述电容C1的一端、所述单向TVS管D3的阴极以及所述电阻R2的一端;所述电容C1的另一端、所述单向TVS管D3的阳极、所述NMOS管Q1的源极以及所述电阻R3的一端均连接所述信号Vin1-;所述电阻R2的另一端连接所述NMOS管Q1的栅极;所述电阻R3的另一端以及所述电容C2的另一端均与所述NMOS管Q1的漏极连接;所述电容C2两端产生信号Vin2+和信号Vin2-。
可选地,所述浪涌抑制电路包括:浪涌抑制芯片U1、电阻R4、电阻R5、电容C8、NMOS管Q2以及NMOS管Q3;
所述浪涌抑制芯片U1的引脚8、引脚9、引脚10以及所述NMOS管Q2的漏极均连接所述信号Vin2+;所述浪涌抑制芯片U1的引脚11和所述电容C8的一端均连接所述信号Vin2-;所述电容C8的另一端连接所述浪涌抑制芯片U1的引脚15;所述浪涌抑制芯片U1的引脚6连接所述NMOS管Q2的栅极;所述浪涌抑制芯片U1的引脚5分别连接所述NMOS管Q2的源极和所述NMOS管Q3的源极;所述浪涌抑制芯片U1的引脚4连接所述NMOS管Q3的栅极;所述NMOS管Q3的漏极分别与所述浪涌抑制芯片U1的引脚2、引脚1以及所述电阻R4的一端连接;所述电阻R4的另一端分别连接所述浪涌抑制芯片U1的引脚16和所述电阻R5的一端;所述电阻R5的另一端连接所述电容C8的一端,连接点信号为Vin3-;所述浪涌抑制芯片U1的引脚1处信号为Vin3+。
可选地,所述EMC滤波电路包括:差模电感电路和共模电感电路;所述差模电感电路包括差模电感L1、差模电感L3以及电容C3;所述共模电感电路包括共模电感L2以及电容C4;
所述电容C3的一端以及所述差模电感L1的一端均与信号Vin3+连接;所述电容C3的另一端以及所述差模电感L3的一端均与信号Vin3-连接;所述差模电感L1的另一端以及所述电容C4的一端均与所述共模电感L2的第一引脚连接;所述差模电感L3的另一端以及所述电容C4的另一端均与所述共模电感L2的第二引脚连接;所述共模电感L2的第三引脚和第四引脚分别产生信号Vin4+和信号Vin4-。
可选地,所述电压转换电路包括:第一电源模块、第二电源模块以及第三电源模块;
所述第一电源模块的输入端和所述第二电源模块的输入端均与所述EMC滤波电路的输出端信号Vin4连接;所述第一电源模块用于将信号Vin4的电压转换为±15V电源电压;所述第二电源模块用于将信号Vin4的电压转换为+5V电源电压;所述第三电源模块的输入端连接所述第二电源模块的输出端;所述第三电源模块用于将+5V电源电压转换为+3.3V电源电压。
可选地,所述电压传感器采集电路包括:电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、运算放大器U5、第一磁环以及第一磁敏芯片;
所述电阻R6的一端连接所述信号Vin4+;所述电阻R6的另一端连接所述电阻R7的一端;所述电阻R8的一端连接所述信号Vin4-;所述电阻R8的另一端连接所述电阻R7的另一端;所述电阻R6、所述电阻R7和所述电阻R8将信号Vin4+按预设比例线性转换为电流信号I1,所述电流信号I1穿过所述第一磁环;所述第一磁敏芯片垂直放置于所述第一磁环的气隙中;所述第一磁敏芯片的一端连接所述电阻R9的一端;所述第一磁敏芯片的另一端连接所述电阻R10的一端;所述电阻R9的另一端分别与所述电阻R12的一端以及所述运算放大器U5的第一输入端连接;所述电阻R12的另一端连接所述运算放大器U5的输出端;所述电阻R10的另一端分别与所述电阻R11的一端以及所述运算放大器U5的第二输入端连接;所述电阻R11的另一端接地;所述运算放大器U5的正电源端连接+15V电源电压;所述运算放大器U5的负电源端连接-15V电源电压;所述运算放大器U5的输出端产生信号VPA0。
可选地,所述电流传感器采集电路包括:电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、运算放大器U6、第二磁环以及第二磁敏芯片;
所述负载电流信号穿过所述第二磁环;所述第二磁敏芯片垂直设置在所述第二磁环的气隙中;所述第二磁敏芯片与所述电阻R13的一端连接;所述电阻R13的另一端连接所述运算放大器U6的正相输入端;所述电阻R16的一端连接+5V电源电压;所述电阻R16的另一端分别与所述电阻R14的一端以及所述电阻R15的一端连接;所述电阻R15的另一端接地;所述电阻R14的另一端以及所述电阻R17的一端均与所述运算放大器U6的反相输入端连接;所述电阻R17的另一端连接所述运算放大器U6的输出端;所述运算放大器U6的正电源端连接+15V电源电压;所述运算放大器U6的负电源端连接-15V电源电压;所述运算放大器U6的输出端产生信号VPA1。
可选地,所述数据处理电路包括:A/D数据转换电路以及通信电路;
所述A/D数据转换电路的输入端分别连接信号VPA1和信号VPA0;所述A/D数据转换电路用于将信号VPA1和信号VPA0转换处理为数字信号;所述A/D数据转换电路的输出端连接所述通信电路的输入端;所述通信电路用于将数字信号进行可视化显示。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供了一种多功能电量在线监测装置,包括盖板、外壳以及PCB板;通过PCB板上设置的雷电间接效应防护电路、冲击电流抑制电路、浪涌抑制电路、EMC滤波电路、电压转换电路、电压传感器采集电路、电流传感器采集电路以及数据处理电路使得本发明提供的多功能电量在线监测装置能够实时测量电压信号以及负载电流信号,并具有全面可靠的抗干扰能力以及通信功能。因此,本发明提供的多功能电量在线监测装置可有效提高电量监测的准确性并进行电量的可视化显示。
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一些实施例,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,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的多功能电量在线监测装置的结构示意图;
图2为本发明提供的PCB板上各电路连接关系示意图;
图3为本发明提供的电源预处理电路框图;
图4为本发明提供的雷电间接效应防护电路连接关系示意图;
图5为本发明提供的冲击电流抑制电路连接关系示意图;
图6为本发明提供的浪涌抑制电路连接关系示意图;
图7为本发明提供的EMC滤波电路连接关系示意图;
图8为本发明提供的电压转换电路框图;
图9为本发明提供的传感器电路组成框图;
图10为本发明提供的电压传感器采集电路连接关系示意图;
图11为本发明提供的电流传感器采集电路连接关系示意图;
图12为本发明提供的数据处理电路框图。
符号说明:
盖板—1,外壳—2,PCB板—3,连接器A—4,连接器B—5,连接器C—6。
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。
本发明的目的是提供一种多功能电量在线监测装置,可有效提高电量监测的准确性并进行电量的可视化显示。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的多功能电量在线监测装置的结构示意图。如图1所示,本发明公开的一种多功能电量在线监测装置,包括:盖板1、外壳2以及PCB板3。其中,PCB板3设置在盖板1和外壳2构成的密闭腔体中,且盖板1和外壳2采用铝材加工成型,二者通过12颗沉头螺钉紧密固定,由此构成全封闭结构,有效提高了本发明多功能电量在线监测装置的电磁兼容性。此外还对盖板1和外壳2构成的密闭腔体的外表面做黑色阳极氧化处理。
具体地,本发明多功能电量在线监测装置整体采用PCB印制板集成安装,PCB板3与外壳2之间通过螺钉固定,并采用连接器输出方式。所述外壳2上还设置有连接器A4、连接器B5和连接器C6,其中,连接器A4用于连接输入的直流电源信号,连接器B5用于连接负载的负载电流信号,连接器C6用于进行终端显示。
图2为本发明提供的PCB板上各电路连接关系示意图。如图2所示,PCB板3上设置有雷电间接效应防护电路、冲击电流抑制电路、浪涌抑制电路、EMC滤波电路、电压转换电路、电压传感器采集电路、电流传感器采集电路以及数据处理电路。其中,雷电间接效应防护电路的输入端连接直流电源信号,用于将直流电源信号两端电压钳位在安全范围内。冲击电流抑制电路的输入端连接雷电间接效应防护电路的输出端,用于对直流电源信号产生的冲击电流进行抑制。浪涌抑制电路的输入端连接冲击电流抑制电路的输出端,用于将直流电源信号两端电压限制在预设范围内。EMC滤波电路的输入端连接浪涌抑制电路的输出端,用于抑制直流电源信号产生的干扰信号。EMC滤波电路的输出端通过母线连接负载。电压转换电路的输入端连接EMC滤波电路的输出端,用于提供电压传感器采集电路和电流传感器采集电路所需的电压。电压传感器采集电路用于实时采集母线上的电压信号。电流传感器采集电路用于实时采集流经负载的负载电流信号。数据处理电路分别连接电压传感器采集电路和电流传感器采集电路。数据处理电路用于将电压信号和负载电流信号转换处理为数字信号并进行电量的可视化显示。
图3为本发明提供的电源预处理电路框图。如图3所示,本发明提供的电源预处理电路主要由雷电间接效应防护电路、冲击电流抑制电路、浪涌抑制电路、EMC滤波电路等组成。本发明提供的多功能电量在线监测装置结构简单,稳定性高。
所述多功能电量在线监测装置的工作原理如下:直流电源信号通过连接器A4供电,经过雷电间接效应防护电路、冲击电流抑制电路、浪涌抑制电路、EMC滤波电路后为后级负载供电。经过上述电源预处理电路处理后的直流电源信号分为两路,主路为后级负载供电提供功率,辅路通过电压转换电路将直流电源信号的电压转换为±15V、+5V、+3.3V等稳定的低压电源电压,为后级电压传感器采集电路、电流传感器采集电路以及数据处理电路等供电。具体地,±15V电源电压为电压传感器采集电路和电流传感器采集电路供电。本发明采用高精度、低温漂、低线性误差的电流、电压传感器,用以实时采集母线上的电压信号和流经负载的负载电流信号后输出低电压模拟信号。数据处理电路中的A/D数据转换电路将低电压模拟信号转换处理为数字信号,数字信号经由485接口芯片组成的通信电路转化为相应电压值和电流值并将其可视化显示在屏幕上,实现电量的在线监测功能。作为一种优选实施例,数字信号亦可通过RS485协议或者其他协议与上位机进行通信上报。
图4为本发明提供的雷电间接效应防护电路连接关系示意图。如图4所示,所述雷电间接效应防护电路包括:双向TVS管D1和双向TVS管D2。其中,双向TVS管D1的一端连接正直流电源信号Vin+;双向TVS管D2的一端连接负直流电源信号Vin-;双向TVS管D1的另一端和双向TVS管D2的另一端均接机壳地Earth;双向TVS管D1的一端产生信号Vin1+;双向TVS管D2的一端产生信号Vin1-。
雷雨天气会使多功能电量在线监测装置产生雷电效应,对设备的安全造成威胁。常用的雷电间接效应防护器件有:气体放电二极管、压敏电阻、电压箝位型瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor,TVS)等。由于TVS管响应速度极快、非线性特性高,因此本发明将TVS管应用在防护电路中。如图4所示,在直流电源信号与设备机壳之间串接双向TVS管D1和双向TVS管D2。当直流电源信号输入存在瞬态的高能量冲击时,双向TVS管迅速从高阻抗状态变为低阻抗状态,从而将巨大的能量泄放到大地,保证将直流电源信号两端电压钳位在安全范围内。
图5为本发明提供的冲击电流抑制电路连接关系示意图。如图5所示,所述冲击电流抑制电路包括:电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、单向TVS管D3以及NMOS管Q1。其中,电阻R1的一端以及电容C2的一端均连接信号Vin1+。电阻R1的另一端分别连接电容C1的一端、单向TVS管D3的阴极以及电阻R2的一端。电容C1的另一端、单向TVS管D3的阳极、NMOS管Q1的源极以及电阻R3的一端均连接信号Vin1-。电阻R2的另一端连接NMOS管Q1的栅极。电阻R3的另一端以及电容C2的另一端均与NMOS管Q1的漏极连接。电容C2两端产生信号Vin2+和信号Vin2-。
冲击电流抑制电路分为瞬态和稳态两种工作状态。电源启动过程属于瞬态工作状态,随后属于稳态工作状态。当冲击电流抑制电路处于瞬态工作状态时,电阻R1和电容C1形成充电回路,电容C1缓慢充电,电容C1两端电压为NMOS管Q1的驱动电压。由于RC电路具备充电延时功能,此时NMOS管Q1的驱动电压VGS缓慢上升,即NMOS管Q1延迟导通,其延迟时间由电阻R1和电容C1决定。NMOS管Q1缓慢导通的过程中,电源经过电容C2与电阻R3形成的回路对电容C2缓慢充电,并对冲击电流进行抑制,其限流值由电阻R3决定。当冲击电流抑制电路处于稳态工作状态时,电阻R1与单向TVS管D3分压,电阻R2作为驱动电阻,单向TVS管D3两端的电压与NMOS管Q1的驱动电压VGS相等,达到NMOS管Q1导通条件,NMOS管Q1完全导通,此时后级电路能够正常工作。
图6为本发明提供的浪涌抑制电路连接关系示意图。如图6所示,所述浪涌抑制电路包括:浪涌抑制芯片U1、电阻R4、电阻R5、电容C8、NMOS管Q2以及NMOS管Q3。其中,浪涌抑制芯片U1的引脚8、引脚9、引脚10以及NMOS管Q2的漏极均连接信号Vin2+。浪涌抑制芯片U1的引脚11和电容C8的一端均连接信号Vin2-。电容C8的另一端连接浪涌抑制芯片U1的引脚15。浪涌抑制芯片U1的引脚6连接NMOS管Q2的栅极。浪涌抑制芯片U1的引脚5分别连接NMOS管Q2的源极和NMOS管Q3的源极。浪涌抑制芯片U1的引脚4连接NMOS管Q3的栅极。NMOS管Q3的漏极分别与浪涌抑制芯片U1的引脚2、引脚1以及电阻R4的一端连接。电阻R4的另一端分别连接浪涌抑制芯片U1的引脚16和电阻R5的一端。电阻R5的另一端连接电容C8的一端,连接点信号为Vin3-。浪涌抑制芯片U1的引脚1处信号为Vin3+。
瞬态过电压、开关的打开闭合操作以及电磁干扰等都会引起浪涌现象,为了防止设备因异常电压造成损坏,本发明设置了浪涌抑制电路,将输入电压限制在+18V~+35V范围内。浪涌抑制电路以浪涌抑制芯片U1为核心,能够精确地监控输入电源电压的浪涌情况。在正常工作条件下,浪涌抑制芯片U1将浪涌抑制器NMOS管Q2驱动至完全导通,同时将理想二极管NMOS管Q3的漏极和源极之间的电压VDS调至30mV,减小了信号Vin2+与信号Vin3+之间的压降,使得信号Vin2的电压与信号Vin3的电压大小一致。
在输入过压浪涌期间,浪涌抑制芯片U1通过调节HGATE脚(引脚6)调节VDS电压,NMOS管Q2工作于可变电阻区,对输出电压进行箝位,从而把FB脚(引脚16)电压保持在1.25V,OUT脚(引脚1)的电压Vout箝位至Vout=1.25V×(R4+R5)/R5;其中R4为电阻R4的阻值,R5为电阻R5的阻值。后级电路继续正常工作,且信号Vin3的电压和OUT脚的电压均为35V。当输入短路或者掉电瞬间产生反向电流时,浪涌抑制芯片U1检测到反向电流后立即将DGATE脚(引脚4)电压拉低至SOURCE脚(引脚5)电压,此时NMOS管Q3关断,负载电路与输入电路断开。电阻R4和电阻R5构成输出反馈电路,当FB脚电压为1.25V时,通过反馈电路控制输出电压箝位于35V,此时NMOS管Q2和NMOS管Q3的漏极和源极两端承受输入与输出之间的电位差。电容C8用于设定箝位时间。
此外,在电路的一般应用中,防反接保护功能通常使用二极管实现,但二极管导通存在压降,会损失部分电压。因此本发明防反接保护功能采用NMOS管实现。利用NMOS管的隔离特性,实现电路的单向导通,此时通过电流时几乎不产生压降。如图6所示,在输入的电压信号Vin2正确接入时,NMOS管Q3导通,电路可正常工作;在输入的电压信号反接时,浪涌抑制芯片U1检测到反向电流后立即将DGATE脚电压拉低至SOURCE脚电压,此时NMOS管Q3关断,反向输入电压无法流入后端电路,负载电路与输入电路断开,因而保护后端电路。
图7为本发明提供的EMC滤波电路连接关系示意图。如图7所示,所述EMC滤波电路包括:差模电感电路和共模电感电路;差模电感电路包括差模电感L1、差模电感L3以及电容C3;共模电感电路包括共模电感L2以及电容C4。其中,电容C3的一端和差模电感L1的一端均与信号Vin3+连接。电容C3的另一端和差模电感L3的一端均与信号Vin3-连接。差模电感L1的另一端和电容C4的一端均与共模电感L2的第一引脚连接。差模电感L3的另一端和电容C4的另一端均与共模电感L2的第二引脚连接。共模电感L2的第三引脚和第四引脚分别产生信号Vin4+和信号Vin4-。
为了保证本发明多功能电量在线监测装置具有良好的电磁兼容性,在输入端增加了EMC滤波电路。该EMC滤波电路由两级共模滤波构成。其中,差模电感的电感量越大,对交流信号的阻碍能力就越大;若差模电感的电感量一定,交流电频率越高,其对交流电的阻碍能力也就越大。当共模干扰信号流经共模电感时,差模电感L1和共模电感L2中磁环磁通叠加,从而具有相当大的电感量,对干扰信号起到了抑制作用,从而有效地降低了电源高频工作产生的高频噪声对其他设备的干扰,并且为通过EMC标准提供了保障。
图8为本发明提供的电压转换电路框图。如图8所示,所述电压转换电路包括:第一电源模块、第二电源模块以及第三电源模块。其中,第一电源模块的输入端和第二电源模块的输入端均与EMC滤波电路的输出端信号Vin4连接。第一电源模块用于将信号Vin4的+28V电压转换为±15V电源电压。第二电源模块用于将信号Vin4的+28V电压转换为+5V电源电压。第三电源模块的输入端连接第二电源模块的输出端。第三电源模块用于将+5V电源电压转换为+3.3V电源电压。
具体地,由于本发明提供的多功能电量在线监测装置的整体电路中需要用到的供电电量有:±15V、+5V和+3.3V。因此,在电路中采用三部分电压转换设计。首先利用第一电源模块和第二电源模块将+28V电压分别转换为±15V电源电压和+5V电源电压,再利用第三电源模块将+5V电源电压转换为+3.3V电源电压。其中,±15V电源电压作为后级电压传感器采集电路和电流传感器采集电路的供电电压,+5V电源电压作为A/D数据转换电路的供电电压为单片机芯片供电,+3.3V电源电压作为通信电路的供电电压为RS485供电。
图9为本发明提供的传感器电路组成框图。如图9所示,所述传感器电路包括电压传感器采集电路和电流传感器采集电路。由于本发明多功能电量在线监测装置需在线监测电压信号和流经负载的负载电流信号,因此,采用两部分传感器电路,分别用于采集母线电压信号和负载电流信号,并在各自的回路内将采集的信号进行转换处理输出给单片机。
图10为本发明提供的电压传感器采集电路连接关系示意图。如图10所示,所述电压传感器采集电路包括:电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、运算放大器U5、第一磁环以及第一磁敏芯片。其中,电阻R6的一端连接信号Vin4+。电阻R6的另一端连接电阻R7的一端。电阻R8的一端连接信号Vin4-。电阻R8的另一端连接电阻R7的另一端。电阻R6、电阻R7和电阻R8将信号Vin4+按预设比例线性转换为电流信号I1,电流信号I1穿过第一磁环。第一磁敏芯片垂直放置于第一磁环的气隙中。第一磁敏芯片的一端连接电阻R9的一端。第一磁敏芯片的另一端连接电阻R10的一端。电阻R9的另一端分别与电阻R12的一端以及运算放大器U5的第一输入端连接。电阻R12的另一端连接运算放大器U5的输出端。电阻R10的另一端分别与电阻R11的一端以及运算放大器U5的第二输入端连接。电阻R11的另一端接地。运算放大器U5的正电源端连接+15V电源电压。运算放大器U5的负电源端连接-15V电源电压。运算放大器U5的输出端产生信号VPA0。
如图10所示,电压传感器采集电路用于采集母线上的电压信号。运用VCR电路原理调节电阻R6、电阻R7、电阻R8阻值,将预处理后的信号Vin4+按一定比例线性转换为电流信号I1,电流信号I1穿过第一磁环,第一磁环气隙中将产生一个微弱的磁场信号,第一磁敏芯片在感应到磁场信号后输出与电流信号I1线性相关的电压信号V1,通过运算放大电路将电压信号V1通过电阻R12调节放大倍数,放大得到转换后的电压信号VPA0。
图11为本发明提供的电流传感器采集电路连接关系示意图。如图11所示,所述电流传感器采集电路包括:电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、运算放大器U6、第二磁环以及第二磁敏芯片。其中,负载电流信号Iin穿过第二磁环。第二磁敏芯片垂直设置在第二磁环的气隙中。第二磁敏芯片与电阻R13的一端连接。电阻R13的另一端连接运算放大器U6的正相输入端。电阻R16的一端连接+5V电源电压。电阻R16的另一端分别与电阻R14的一端以及电阻R15的一端连接。电阻R15的另一端接地。电阻R14的另一端以及电阻R17的一端均与运算放大器U6的反相输入端连接。电阻R17的另一端连接运算放大器U6的输出端。运算放大器U6的正电源端连接+15V电源电压。运算放大器U6的负电源端连接-15V电源电压。运算放大器U6的输出端产生信号VPA1。
如图11所示,电流传感器采集电路用于采集流经负载的负载电流信号Iin。0A~20A的负载电流信号Iin通过电流传感器采集电路转化为2.5V~8.5V的电压信号VPA1。具体地,负载电流信号Iin穿过圆形开口第二磁环,当负载电流信号为0A时,第二磁敏芯片的输出电压为2.5V,调节参考电压VREF=5×R15/(R15+R16),其中,R15为电阻R15的阻值,R16为电阻R16的阻值,使得输出电压与参考电压的大小均为2.5V,运算放大电路输出的电压信号VPA1也为2.5V。当通入正向负载电流信号时,第二磁环气隙中将产生微弱的磁场信号,开口磁环气隙内的第二磁敏芯片(霍尔芯片)会检测到第二磁环的磁通变化,将在零点电压的基础上输出一个与磁通变化量成正比的电压值ΔV>0;同理,当通入负向负载电流信号时,ΔV<0。第二磁敏芯片的输出电压大小为2.5V+ΔV,通过运算放大器U6与电阻R13、电阻R14和电阻R17构成放大电路,将ΔV放大K倍,最终输出电压VPA1=2.5V+K×ΔV(2.5V~8.5V)。
图12为本发明提供的数据处理电路框图。如图12所示,所述数据处理电路包括:A/D数据转换电路以及通信电路。其中,A/D数据转换电路的输入端分别连接信号VPA1和信号VPA0。A/D数据转换电路用于将信号VPA1和信号VPA0转换处理为数字信号。A/D数据转换电路的输出端连接通信电路的输入端。通信电路用于将数字信号进行可视化显示。
如图12所示,电流传感器采集电路和电压传感器采集电路输出两组低压模拟信号VPA1和VPA0,经A/D数据转换电路将模拟信号转换为数字信号,得到的两组数字信号通过由RS485芯片组成的通信电路转换成与母线上的电压信号、流经负载的负载电流信号相对应的电压值和电流值,此时STM32单片机将接收到的传感器发送的两组数字信号进行简单地数字处理,通过RS485芯片将监测信号实时可视化输出,实现电量的在线监测功能。此外,本发明还预留了通信上报和USB下载功能,通过串口将单片机数据实时传输到上位机,也可以借用一个非易失性存储器将数据保存,通过USB串口实现对监测数据的下载存储功能。
综上所述,本发明多功能电量在线监测装置具体能实现的功能包括:雷电防护、冲击电流抑制、过压浪涌抑制、欠压浪涌抑制、防反接保护、EMC滤波、电压变换、电流和电压信号采集、信号A/D转换、可视化实时显示电流、电压以及通信功能。本发明多功能电量在线监测装置在实现单片机数据输出同时,能够将监测信号值显示在终端,实现监测信号可视化,并预留通信上报功能。
作为一种具体实施例,本发明多功能电量在线监测装置的直流电源信号为28V,稳态电压范围为18V~32V,当电压高于35V时能够将其钳位到35V,负载电流监测范围为0.5A~20A。其测试数据如表1所示。
表1 多功能电量在线监测装置测试数据
输入电压(Vin/VDC) | 负载电流(Iin/ADC) | 理论输出电压(Vo/VDC) | 终端显示电压(Vout/VDC) | 理论输出电流(Io/ADC) | 终端显示电流(Iout/ADC) |
18 | 0.5 | 18 | 18.0 | 0.5 | 0.5 |
18 | 10 | 18 | 18.0 | 10 | 10 |
18 | 20 | 18 | 18.0 | 20 | 20 |
28 | 0.5 | 28 | 28.0 | 0.5 | 0.5 |
28 | 10 | 28 | 28.0 | 10 | 10 |
28 | 20 | 28 | 28.0 | 20 | 20 |
32 | 0.5 | 32 | 32.0 | 0.5 | 0.5 |
32 | 10 | 32 | 32.0 | 10 | 10 |
32 | 20 | 32 | 32.0 | 20 | 20 |
≥35 | - | 35 | 35.0 | - | - |
本发明以传感器原理为技术核心,通过传感器将待监测的母线电压信号与负载电流信号分别转换为与之线性相关的低电压信号VPA0和VPA1传输给数据处理电路,数据处理电路首先将两组模拟信号转换为数字信号,再通过通信电路对接收到的数字信号进行数据传输处理,最终将待检测信号还原并可视化输出,同时可进行数据通信上报、存储功能。本发明将雷电间接效应防护、冲击电流抑制、抗浪涌能力、防反接保护、EMI滤波处理和可视化在线监测电压电流等功能集一体,实现一种多功能电量在线监测装置。
综上,本发明多功能电量在线监测装置可以满足GJB181-1986、GJB181A-2003、GJB181B-2012、GJB298-1987、RTCA/DO-160等相关标准中规定的雷电间接效应防护、开机瞬间冲击电流抑制、浪涌抑制、防反接保护等电源特性试验要求,以及GJB151A-97规定的相关电磁兼容试验要求;具有电压尖峰抑制吸收功能、稳压型的过电压保护功能、长时间的欠压升压续航功能、平稳上电能力、过电流及短路保护功能、防反接保护功能以及EMC滤波功能,可实时显示母线电压信号、负载电流信号,并可通过相关通信协议与系统进行数据传输。本发明多功能电量在线监测装置还可广泛应用于航天、航空、车载及地面设备,提升设备质量的安全可靠性。
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 (10)
1.一种多功能电量在线监测装置,其特征在于,包括:盖板、外壳以及PCB板;
所述PCB板设置在所述盖板和所述外壳构成的密闭腔体中;对所述盖板和所述外壳构成的密闭腔体的外表面做黑色阳极氧化处理;
所述PCB板上设置有雷电间接效应防护电路、冲击电流抑制电路、浪涌抑制电路、EMC滤波电路、电压转换电路、电压传感器采集电路、电流传感器采集电路以及数据处理电路;所述雷电间接效应防护电路的输入端连接直流电源信号,用于将直流电源信号两端电压钳位在安全范围内;所述冲击电流抑制电路的输入端连接所述雷电间接效应防护电路的输出端,用于对直流电源信号产生的冲击电流进行抑制;所述浪涌抑制电路的输入端连接所述冲击电流抑制电路的输出端,用于将直流电源信号两端电压限制在预设范围内;所述EMC滤波电路的输入端连接所述浪涌抑制电路的输出端,用于抑制直流电源信号产生的干扰信号;所述EMC滤波电路的输出端通过母线连接负载;
所述电压转换电路的输入端连接所述EMC滤波电路的输出端,用于提供所述电压传感器采集电路和所述电流传感器采集电路所需的电压;所述电压传感器采集电路用于实时采集母线上的电压信号;所述电流传感器采集电路用于实时采集流经负载的负载电流信号;所述数据处理电路分别连接所述电压传感器采集电路和所述电流传感器采集电路;所述数据处理电路用于将电压信号和负载电流信号转换处理为数字信号并进行电量的可视化显示。
2.根据权利要求1所述的多功能电量在线监测装置,其特征在于,所述盖板和所述外壳的材料均为铝材。
3.根据权利要求1所述的多功能电量在线监测装置,其特征在于,所述雷电间接效应防护电路包括:双向TVS管D1和双向TVS管D2;
所述双向TVS管D1的一端连接正直流电源信号Vin+;所述双向TVS管D2的一端连接负直流电源信号Vin-;所述双向TVS管D1的另一端和所述双向TVS管D2的另一端均接机壳地Earth;所述双向TVS管D1的一端产生信号Vin1+;所述双向TVS管D2的一端产生信号Vin1-。
4.根据权利要求3所述的多功能电量在线监测装置,其特征在于,所述冲击电流抑制电路包括:电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、单向TVS管D3以及NMOS管Q1;
所述电阻R1的一端以及所述电容C2的一端均连接所述信号Vin1+;所述电阻R1的另一端分别连接所述电容C1的一端、所述单向TVS管D3的阴极以及所述电阻R2的一端;所述电容C1的另一端、所述单向TVS管D3的阳极、所述NMOS管Q1的源极以及所述电阻R3的一端均连接所述信号Vin1-;所述电阻R2的另一端连接所述NMOS管Q1的栅极;所述电阻R3的另一端以及所述电容C2的另一端均与所述NMOS管Q1的漏极连接;所述电容C2两端产生信号Vin2+和信号Vin2-。
5.根据权利要求4所述的多功能电量在线监测装置,其特征在于,所述浪涌抑制电路包括:浪涌抑制芯片U1、电阻R4、电阻R5、电容C8、NMOS管Q2以及NMOS管Q3;
所述浪涌抑制芯片U1的引脚8、引脚9、引脚10以及所述NMOS管Q2的漏极均连接所述信号Vin2+;所述浪涌抑制芯片U1的引脚11和所述电容C8的一端均连接所述信号Vin2-;所述电容C8的另一端连接所述浪涌抑制芯片U1的引脚15;所述浪涌抑制芯片U1的引脚6连接所述NMOS管Q2的栅极;所述浪涌抑制芯片U1的引脚5分别连接所述NMOS管Q2的源极和所述NMOS管Q3的源极;所述浪涌抑制芯片U1的引脚4连接所述NMOS管Q3的栅极;所述NMOS管Q3的漏极分别与所述浪涌抑制芯片U1的引脚2、引脚1以及所述电阻R4的一端连接;所述电阻R4的另一端分别连接所述浪涌抑制芯片U1的引脚16和所述电阻R5的一端;所述电阻R5的另一端连接所述电容C8的一端,连接点信号为Vin3-;所述浪涌抑制芯片U1的引脚1处信号为Vin3+。
6.根据权利要求5所述的多功能电量在线监测装置,其特征在于,所述EMC滤波电路包括:差模电感电路和共模电感电路;所述差模电感电路包括差模电感L1、差模电感L3以及电容C3;所述共模电感电路包括共模电感L2以及电容C4;
所述电容C3的一端以及所述差模电感L1的一端均与信号Vin3+连接;所述电容C3的另一端以及所述差模电感L3的一端均与信号Vin3-连接;所述差模电感L1的另一端以及所述电容C4的一端均与所述共模电感L2的第一引脚连接;所述差模电感L3的另一端以及所述电容C4的另一端均与所述共模电感L2的第二引脚连接;所述共模电感L2的第三引脚和第四引脚分别产生信号Vin4+和信号Vin4-。
7.根据权利要求6所述的多功能电量在线监测装置,其特征在于,所述电压转换电路包括:第一电源模块、第二电源模块以及第三电源模块;
所述第一电源模块的输入端和所述第二电源模块的输入端均与所述EMC滤波电路的输出端信号Vin4连接;所述第一电源模块用于将信号Vin4的电压转换为±15V电源电压;所述第二电源模块用于将信号Vin4的电压转换为+5V电源电压;所述第三电源模块的输入端连接所述第二电源模块的输出端;所述第三电源模块用于将+5V电源电压转换为+3.3V电源电压。
8.根据权利要求7所述的多功能电量在线监测装置,其特征在于,所述电压传感器采集电路包括:电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、运算放大器U5、第一磁环以及第一磁敏芯片;
所述电阻R6的一端连接所述信号Vin4+;所述电阻R6的另一端连接所述电阻R7的一端;所述电阻R8的一端连接所述信号Vin4-;所述电阻R8的另一端连接所述电阻R7的另一端;所述电阻R6、所述电阻R7和所述电阻R8将信号Vin4+按预设比例线性转换为电流信号I1,所述电流信号I1穿过所述第一磁环;所述第一磁敏芯片垂直放置于所述第一磁环的气隙中;所述第一磁敏芯片的一端连接所述电阻R9的一端;所述第一磁敏芯片的另一端连接所述电阻R10的一端;所述电阻R9的另一端分别与所述电阻R12的一端以及所述运算放大器U5的第一输入端连接;所述电阻R12的另一端连接所述运算放大器U5的输出端;所述电阻R10的另一端分别与所述电阻R11的一端以及所述运算放大器U5的第二输入端连接;所述电阻R11的另一端接地;所述运算放大器U5的正电源端连接+15V电源电压;所述运算放大器U5的负电源端连接-15V电源电压;所述运算放大器U5的输出端产生信号VPA0。
9.根据权利要求8所述的多功能电量在线监测装置,其特征在于,所述电流传感器采集电路包括:电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、运算放大器U6、第二磁环以及第二磁敏芯片;
所述负载电流信号穿过所述第二磁环;所述第二磁敏芯片垂直设置在所述第二磁环的气隙中;所述第二磁敏芯片与所述电阻R13的一端连接;所述电阻R13的另一端连接所述运算放大器U6的正相输入端;所述电阻R16的一端连接+5V电源电压;所述电阻R16的另一端分别与所述电阻R14的一端以及所述电阻R15的一端连接;所述电阻R15的另一端接地;所述电阻R14的另一端以及所述电阻R17的一端均与所述运算放大器U6的反相输入端连接;所述电阻R17的另一端连接所述运算放大器U6的输出端;所述运算放大器U6的正电源端连接+15V电源电压;所述运算放大器U6的负电源端连接-15V电源电压;所述运算放大器U6的输出端产生信号VPA1。
10.根据权利要求9所述的多功能电量在线监测装置,其特征在于,所述数据处理电路包括:A/D数据转换电路以及通信电路;
所述A/D数据转换电路的输入端分别连接信号VPA1和信号VPA0;所述A/D数据转换电路用于将信号VPA1和信号VPA0转换处理为数字信号;所述A/D数据转换电路的输出端连接所述通信电路的输入端;所述通信电路用于将数字信号进行可视化显示。
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刘阿玲主编: "电子技术 第2版", 31 August 2009, 北京理工大学出版社, pages: 272 - 273 * |
徐伟专: "变频电量测试与计量技术", 31 December 2020, 国防工业出版社, pages: 22 - 24 * |
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