一种数字式单相智能电测量变送器的制作方法

1.本实用新型涉及电参数测量仪表技术领域，尤其涉及一种数字式单相智能电测量变送器。


背景技术：

2.传统电测量变送器通过内部传感器检测被测电信号，根据检测结果变送输出标准直流信号，标准直流信号是指dc电流信号4ma
‑‑
20ma或dc电压信号1v
‑‑
5v，是一次仪表的重要组成部分，在电力及工业自动化系统中的占据重要位置。
3.电测量变送器的性能直接影响被测电信号的采集准确度、灵敏度及稳定度，变送器输出测量结果的方式直接影响整个自动化测试系统的构成，从而影响整个自动化测试系统的信号检测、计量能力及控制效率。
4.然而传统电测量变送器存在无论怎样提高检测精度，但是仍然克服不了它固有的工作特性，例如从信号输入到检测结果变送过程产生多次累积误差；变送输出的标准直流信号属于模拟小信号，不能远距离传输；被测电信号的信息不能全部提取，不能同步检测单相电力系统中的电压、电流信号以及衍生的其它电量信息；不能满足当前一次仪表输出检测结果的多样化、实时性及智能化要求，是目前电测量变送器亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了解决背景技术中提到的问题，为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
6.一种数字式单相智能电测量变送器，其包括信号检测模块、信号转换模块、主控制器模块、变送输出模块、供电电源模块；其中：
7.信号检测模块包括用于同步检测被测单相负载中的电压及电流信号的电路
①
，所述电路
①
包括两路电信号输入检测电路和两路信号周期检测接口电路；
8.信号转换模块包括电路
②
，所述电路
②
为信号调理电路及模数转换电路；
9.主控制器模块包括电路
③
、电路
④
、电路
⑤
，所述电路
③
为变送器主控制器及存储电路；电路
④
为参数设置及工作状态辅助接口电路；电路
⑤
为开关量数字信号隔离输入检测及输出控制接口电路；
10.变送输出模块包括电路
⑥
、电路
⑦
，所述电路
⑥
为变送隔离输出标准直流信号接口电路；电路
⑦
为变送隔离输出数字信号通讯接口电路；
11.供电电源模块包括电路
⑧
，所述电路
⑧
为反激式高频变压器开关电源供电接口电路。
12.进一步，所述电信号输入检测电路用于将高电压及大电流的电信号线性转换为变送器模块可以直接处理的低压mv级模拟信号；信号周期检测电路通过将mv级模拟信号放大整形后处理为信号周期对应的方波脉冲信号，实时提供给变送器主控制器，辅助识别原始信号的一个完整周期。
13.进一步，信号调理电路及模数转换电路：采用集成电路芯片cs5464，所述芯片集成了3路差分信号调理及iir数字低通滤波电路，同时集成了3路同步采样高精度低温漂的ad模数转换电路，其中2路ad实时采集信号周期检测电路产生的mv级信号，另外1路ad实时采集cs5464芯片的基准电压，3路信号经过模数转换后，每秒钟共产生30000个瞬时值数据。
14.进一步，所述变送器主控制器及存储电路采用32位mcu作为变送器主控制器，电路
①
输出的方波脉冲信号，通过定时器的捕获中断获得信号周期数据，同时辅助变送器主控制器判断另外2路信号的过零时间；电路
②
输出的24位高精度数字信号，通过4线spi高速串行总线实时输入到变送器主控制器，每秒钟捕获30000个瞬时值数据。
15.进一步，所述参数设置及工作状态辅助接口电路的辅助接口与电路
③
的变送器主控制器采用io口直连，采用动态扫描io口进行交互通信。
16.进一步，开关量隔离数字信号输入检测及输出控制接口电路采用光电耦合器隔离检测数字信号的输入状态或脉冲数量，主控制器做出响应处理，同时将此状态通过电路
⑤
传送给上级设备或本地终端。
17.进一步，所述变送隔离输出标准直流信号接口电路采用2路变送隔离输出标准信号，每路输出采用dac8311数模转换芯片作为da主控，转换精度14位，输出电压稳定时间10us，dac8311的高速高位宽转换保证了变送输出的快速响应；电路
③
的变送器主控制器使用3线spi接口通过光电耦合器与dac8311连接，实时将处理后的2路电信号有效值进行数模转换，配合op07与ntd3055输出dc4-20ma或dc1-5v标准信号。
18.进一步，所述变送隔离输出数字信号通讯接口电路：采用max487芯片作为数字信号通讯接口的收发器，数据通讯速率250kbps，电路
③
的变送器主控制器使用串行接口通过光电耦合器与max487连接，实现2路电信号的各种电量数据的智能化交互输出，同时可选择实时性单向输出。
19.进一步，所述反激式高频变压器开关电源供电接口电路采用tny274电源管理芯片作为本款高频开关电源电路的主控芯片，tny274电源管理芯片集成了一个700v的功率mosfet、振荡器、高压开关电流源、电流限流及芯片温度过热关断保护电路，本电源属于反激式变压器开关电源。
20.本实用新型的有益效果是：
21.1：本变送器模块减少了传统电测量变送器检测及变送过程的累积误差。
22.传统电测量变送器从高电压大电流转换成变送器可以直接识别的小信号(第1次误差)、小信号进行信号处理(第2次误差)、模数转换(第3次误差)、数模转换(第4次误差)、传送给系统设备时的线路损耗影响(第5次误差)、系统设备转换标准直流信号(第6次误差)，至少6次误差累积。本变送器模块的创新在于将第1次到第4次误差通过采用更优化的电路设计方案，比如线性转换、信号调理及模数转换采用更高精度低温漂方案、对纹波噪声及温度漂移影响通过实时动态补偿，da输出采用更高更快速响应输出电路，把这4次误差影响减到最小。针对第5次及第6次误差，本模块创新性的增加标准数字信号输出方案，采用工业标准协议完成与系统设备直接交互，检测数据原样传送给系统设备，不存在第5次及第6次误差。
23.2：本变送器模块变送输出支持远距离传输并且支持多模块级联传输。
24.标准模拟信号(dc4-20ma或dc1-5v)传输距离几米内，不支持远距离传输，并且只
能与上级系统设备一对一传输。而标准数字信号传输，采用rs485串行接口通讯，支持远距离传输，并且支持上百个变送器模块级联传输。
25.3：本变送器模块不仅变送输出标准模拟直流信号，同时支持变送输出标准数字信号。
26.4：本变送器模块不仅检测电信号的数值大小，同时检测电信号的各项电量数据。
27.比如真有效值、平均值、波形系数、波峰及波谷、频率、各次谐波、信号实时波形等电量数据，同时可以检测2路信号(单相负载的高电压、大电流)之间的各项电量数据，比如有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、信号超前滞后相位关系及电能量等电量数据。
28.5：本变送器模块支持开关量数字信号隔离输入检测及输出控制功能。
29.主控制器根据检测的开关输入状态事件做相应的处理，比如开启信号数据累计或判断或记录等；主控制器根据系统设定的判断条件做出现场响应事件，比如超限或失压提示等；配合整个自动化系统做现场响应或闭环控制，电测量变送器的应用更加智能化，符合行业发展的新要求。
30.6：本变送器模块供电范围宽，在复杂的工况下确保模块连续稳定运行，变压器初级与次级隔离绝缘电压高，各次级电源相互隔离，信号检测及转换时相互不干扰，同时确保用户使用安全，并且对其它设备无干扰。
附图说明
31.图1为本实用新型的内部电路结构示意图；
32.图2为本实用新型信号检测模块的原理示意图；
33.图3为本实用新型信号转换模块原理示意图；
34.图4为本实用新型主控制器及变送输出模块原理示意图；
35.图5为本实用新型供电电源模块原理示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
37.参照图1，一种数字式单相智能电测量变送器，其包括信号检测模块、信号转换模块、主控制器模块、变送输出模块、供电电源模块；其中：信号检测模块包括用于同步检测被测单相负载中的电压及电流信号的电路
①
，所述电路
①
包括两路电信号输入检测电路和两路信号周期检测接口电路；信号转换模块包括电路
②
，所述电路
②
为信号调理电路及模数转换电路；主控制器模块包括电路
③
、电路
④
、电路
⑤
，所述电路
③
为变送器主控制器及存储电路；电路
④
为参数设置及工作状态辅助接口电路；电路
⑤
为开关量数字信号隔离输入检测及输出控制接口电路；变送输出模块包括电路
⑥
、电路
⑦
，所述电路
⑥
为变送隔离输出标准直流信号接口电路；电路
⑦
为变送隔离输出数字信号通讯接口电路；供电电源模块包括电路
⑧
，所述电路
⑧
为反激式高频变压器开关电源供电接口电路。
38.信号检测模块包括2路电信号输入检测及信号周期检测接口电路：可以同时并且同步检测被测单相负载中的电压及电流信号，电信号输入检测电路用于将高电压及大电流
的电信号线性转换为变送器模块可以直接处理的低压mv级模拟信号，本检测电路不改变原始输入信号之间的同步关系，仅线性改变了信号的幅值。信号周期检测电路通过将mv级模拟信号放大整形后处理为信号周期对应的方波脉冲信号，实时提供给变送器主控制器，辅助识别原始信号的一个完整周期。
39.信号转换模块信号调理电路及模数转换电路：采用cirrus logic公司的高集成度电量专用集成电路cs5464，芯片内部不仅集成了3路差分信号调理及iir数字低通滤波电路，同时集成了3路同步采样高精度低温漂的ad模数转换电路，其中2路ad实时采集电路
①
产生的mv级信号，另外1路ad实时采集cs5464芯片的基准电压。
40.输入信号经过差分放大电路处理，不仅抑制叠加在有效信号中的共模噪声，同时对输入信号进行10倍放大，2路电信号对应放大后的信号同步输入4阶delta-sigma ad模数转换电路，1路基准信号对应放大后的信号同步输入2阶delta-sigma ad模数转换电路，同步转换为3路24位高精度的数字信号，3路数字信号同步经过内部3阶iir数字低通滤波电路，滤除信号中的3000hz以上的高次谐波及高频纹波噪声，经过iir低通滤波电路处理后的数字信号作为最终的瞬时值传送给主控制器，每秒钟共产生30000个瞬时值数据。
41.主控制器模块包括：
42.1：变送器主控制器及存储电路：采用st microelectronics公司的集成arm cortex-m3内核的32位mcu作为变送器主控制器，芯片型号为stm32f103c8t6，工作主频72mhz，集成64k片上可擦写flash，以及20k片上ram，满足本电测量变送器模块的主控需求，同时又兼顾了整个方案的成本。
43.电路
①
输出的方波脉冲信号，通过定时器的捕获中断获得信号周期数据，同时辅助变送器主控制器判断另外2路信号的过零时间。电路
②
输出的24位高精度数字信号，通过4线spi高速串行总线实时输入到变送器主控制器，每秒钟捕获30000个瞬时值数据。
44.电压基准值受到电源纹波噪声及温度漂移影响，其幅值发生变化，给电路
②
的模数转换电路产生的数字信号带来误差。本电测量变送器模块通过获得电压基准瞬时值的变化量，可以实时动态补偿另外2路电信号的瞬时值数据，将电压基准值变化对数据的影响降到最低。
45.主控制器通过对这些瞬时值分析及运算获得2路电信号的真有效值、平均值、波形系数、波峰及波谷、频率、各次谐波等电量数据。由于2路电信号从端子输入到转换成数字信号都是同步进行的，所以2路电信号之间的同步电量数据通过运算也可获得，包括各种功率数据，比如有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、信号超前滞后相位关系及电能量等电量数据。
46.存储电路采用ramtron公司的fm24c04铁电存储器fram芯片存储变送器的重要数据，主要用于将主控制器的各项设置参数、运行状态及极值事件、以及对单相负载消耗的电能量数据记录下来，变送器掉电后各项数据保存。
47.2：参数设置及工作状态辅助接口电路：传统电测量变送器模块无工作状态提示及内部参数调整功能，一般模块出厂时各参数已固定，现场应用时非常不方便。本模块的辅助接口与电路
③
的变送器主控制器采用io口直连，采用动态扫描io口进行交互通信，例如通过此辅助接口可以查看并设置本模块的数字通讯接口的地址、波特率参数、主控制器的运行状态及工作模式等。
48.3：开关量隔离数字信号输入检测及输出控制接口电路：变送器主控制器采用光电耦合器隔离检测数字信号的输入状态或脉冲数量，主控制器做出响应处理，同时将此状态通过电路
⑤
传送给上级设备。变送器主控制器采用光电耦合器隔离输出数字信号，将控制器的响应事件的判断结果通过此电路输出给上级设备或本地终端。
49.变送输出模块包括：
50.1：变送隔离输出标准直流信号接口电路：本电测量变送器模块仍然保留2路变送隔离输出标准信号的能力，每路输出采用texas instruments公司的dac8311数模转换芯片作为da主控，转换精度14位，输出电压稳定时间10us，dac8311的高速高位宽转换保证了变送输出的快速响应。电路
③
的变送器主控制器使用3线spi接口通过光电耦合器与dac8311连接，实时将处理后的2路电信号有效值进行数模转换，配合op07与ntd3055输出dc4-20ma或dc1-5v标准信号。
51.2：变送隔离输出数字信号通讯接口电路：采用maxim公司的max487芯片作为数字信号通讯接口的收发器，数据通讯速率250kbps，通讯接口电平符合rs-485总线标准，通讯协议符合modbus-rtu标准串行通讯协议。电路
③
的变送器主控制器使用串行接口通过光电耦合器与max487连接，实现2路电信号的各种电量数据的智能化交互输出，同时可选择实时性单向输出。
52.供电电源模块包括：
53.反激式高频变压器开关电源供电接口电路：本电测量变送器模块采用power integrations公司的tny274电源管理芯片作为本款高频开关电源电路的主控芯片，tny274集成了一个700v的功率mosfet、振荡器、高压开关电流源、电流限流及芯片温度过热关断保护电路，本电源属于反激式变压器开关电源。
54.开关电源的供电输入范围为ac85-265v或dc100-250v，模块内部采用高频变压器隔离输出5路直流稳压源，分别是ⅰ：dc5v(主控制器电源1)、ⅱ：dc5v(变送输出数字信号通讯接口电源)、ⅲ：dc16v(变送输出标准直流信号接口电源)、ⅳ：dc3.3v(主控制器电源2)、
ⅴ
：dc-5v(主控制器电源3)，电源的初级输入侧与次级输出侧隔离耐压3000v(1分钟)。
55.其中电源ⅰ通过texas instruments公司的线性稳压器ld0芯片lm1117mpx-3.3输出电源ⅳ,电源ⅰ通过on semiconductor公司的dc-dc电源芯片max1720eutg输出电源
ⅴ
。
56.这5路直流稳压源的纹波控制在20mv pp值范围内，满足本模块各电路的供电需要。高频开关电源采用tny274电源ⅰ、ⅳ、
ⅴ
、电源ⅱ与电源ⅲ之间相互隔离，绝缘耐电压2500v(1分钟)，满足复杂工业现场对一次仪表的耐压安全要求。
57.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。