CN106249093A - 自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置及其方法。该装置包括多个信号采集通道、通道选择电路以及控制器；各信号采集通道的输入端用于连接预埋传感器的信号输出端，各信号采集通道的输出端与通道选择电路的输入端相连；通道选择电路用于选择性地将控制器连接至多个信号采集通道中的一者。本发明能够自动分辨电气设备中的预埋传感器的型号，并检测出预埋传感器与外部接口连线是否存在断路或短路故障。

Description

自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置及其方法
技术领域
本发明涉及自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置及方法。
背景技术
电机等电气设备在持续运行中，会产生大量的热量，一种做法是在电机生产时预埋某种特定型号的温度传感器，进行实时温度监测以保护电机。但在现场应用中，如果不知道预埋的温度传感器的具体型号，在使用时将很难保证检测精度及调试便捷性。主要原因是不同型号的温度传感器对应的物理量差别较大，为保证不同温度传感器型号的采样检测精度，不同型号的温度传感器需要连接不同的参数调理电路。另外，在使用中，如果发生连线异常或者温度传感器型号搞错，还会造成变频器对当前***状态判断失误，继而做出错误的控制，从而导致较大的损失。而现有的检测电路不能以简单的方式分辨出温度传感器的型号，并且也无法检测出温度传感器与外部接口连线断路或短路的故障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够自动分辨电气设备中的预埋传感器的型号、并检测出预埋传感器与外部接口连线是否存在断路或短路故障的装置，本发明电路结构简单，使用器件的成本低，检测准确。
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够自动分辨电气设备中的预埋传感器的型号、并检测出预埋传感器与外部接口连线是否存在断路或短路故障的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置，包括多个信号采集通道、通道选择电路以及控制器；
各信号采集通道的输入端用于连接预埋传感器的信号输出端，各信号采集通道的输出端与通道选择电路的输入端相连；
通道选择电路用于选择性地将控制器连接至多个信号采集通道中的一者；
控制器预先存储有分别与多个信号采集通道一一对应的多个电压检测范围以及分别与多个信号采集通道一一对应的预埋传感器型号名称；多个信号采集通道分别与一种已知类型的预埋传感器相对应，每一信号采集通道的电压放大系数被设置成只有当与信号采集通道相对应的预埋传感器连接于信号采集通道时，通道选择电路输出信号的电压幅值才位于与该信号采集通道相对应的电压检测范围内，而在与信号采集通道不对应的预埋传感器连接于信号采集通道时，通道选择电路输出信号的电压幅值超出与该信号采集通道相对应的电压检测范围；
控制器用于将通道选择电路的输出信号的电压幅值与预先存储的所选通道的电压检测范围进行比较，如果通道选择电路输出信号的电压幅值位于所选通道的电压检测范围之内，则判断与所选通道相连的预埋传感器的型号名称为预先存储的与所选通道相对应的预埋传感器型号名称；如果通道选择电路输出信号的电压幅值超出所选通道的电压检测范围，则控制通道选择电路切换至另一信号采集通道；如果通道选择电路输出信号的电压幅值高于与电压放大系数最小的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的上限值，则判断预埋传感器连线开路；如果通道选择电路输出信号的电压幅值小于与电压放大系数最大的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的下限值，则判断预埋传感器连线短路。
本发明还公开了自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的方法，包括：
将待测预埋传感器连接至多个信号采集通道的输入端，控制器通过通道选择电路先选通其中的一路信号采集通道；
控制器将通道选择电路的输出信号的电压幅值与预先存储的所选通道的电压检测范围进行比较，如果通道选择电路输出信号的电压幅值位于所选通道的电压检测范围之内，则判断与所选通道相连的预埋传感器的型号名称为预先存储的与所选通道相对应的预埋传感器型号名称；如果通道选择电路输出信号的电压幅值超出所选通道的电压检测范围，则控制器控制通道选择电路切换至下一信号采集通道，直至通道选择电路输出的信号幅值位于所选通道的电压检测范围之内；
控制器如果检测到通道选择电路输出信号的电压幅值高于与电压放大系数最小的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的上限值，则直接判断预埋传感器连线断路；控制器如果检测到通道选择电路输出信号的电压幅值小于与电压放大系数最大的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的下限值，则判断预埋传感器连线短路。
采用上述技术方案后，本发明至少具有以下技术效果：
1、本发明可以自动分辨出电机等电气设备中预埋的预埋传感器的型号，在不影响采样精度等的同时还可以判断预埋传感器连线是否断路和短路，避免由于搞错传感器型号带来的***状态检测错误，从而造成异常动作；
2、本发明的装置电路结构简单，制造成本低，检测准确。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施例的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置的原理框图。
图2示出了根据本发明一实施例的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置的电路原理图(图中未示出控制器)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图1。根据本发明一实施例的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置，包括多个信号采集通道、通道选择电路2以及控制器4。
各信号采集通道的输入端用于连接预埋传感器6的信号输出端，各信号采集通道的输出端与通道选择电路2的输入端相连。各信号采集通道包括信号调理电路11。
通道选择电路2用于选择性地将控制器4连接至多个信号采集通道中的一者。在图1所示的实施例中，该通道选择电路2为一个多选一模拟开关，在其它实施例中，该通道选择电路2也可以由多个模拟开关组合而成。
控制器4预先存储有分别与多个信号采集通道一一对应的多个电压检测范围以及分别与多个信号采集通道一一对应的预埋传感器型号名称。多个信号采集通道分别与一种已知类型的预埋传感器相对应，每一信号采集通道的电压放大系数被设置成只有当与信号采集通道相对应的预埋传感器连接于信号采集通道时，通道选择电路输出信号的电压幅值才位于与该信号采集通道相对应的电压检测范围内，而在与信号采集通道不对应的预埋传感器连接于信号采集通道时，通道选择电路输出信号的电压幅值会超出与该信号采集通道相对应的电压检测范围。
控制器4用于将通道选择电路2的输出信号的电压幅值与预先存储的所选通道的电压检测范围进行比较，如果通道选择电路2输出信号的电压幅值位于所选通道的电压检测范围之内，则判断与所选通道相连的预埋传感器的型号名称为预先存储的与所选通道相对应的预埋传感器型号名称；如果通道选择电路2输出信号的电压幅值超出所选通道的电压检测范围，则控制器4控制通道选择电路2切换至另一信号采集通道；如果通道选择电路2输出信号的电压幅值高于与电压放大系数最小的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的上限值，则判断预埋传感器6连线开路；如果通道选择电路2输出信号的电压幅值小于与电压放大系数最大的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的下限值，则判断预埋传感器6连线短路。
在本实施例中，所述的预埋传感器6为温度传感器；所述的自动分辨并检测电气设备中的温度传感器的装置为变频器。所述的电气设备为电机。控制器4为带有模数转换功能的MCU。
请参阅图2。图2示出了两个信号采集通道，上方的信号采集通道为1#通道，下方的信号采集通道为2#通道。图2中，CN1的1脚和2脚连接到待测温度传感器的两端。U1A、U1B、U2A、U2B均为运算放大器。U3为双路模拟开关，D1为双开关二极管，用于过压保护。
每一个信号采集通道的信号调理电路均包括电压转换电路、比例放大电路和差分放大电路。电压转换电路用于根据温度传感器检测的温度产生并输出电压信号。在本实施例中，电压转换电路为分压电路，在其它实施例中，电压转换电路也可采用恒流源电路。以下仅以1#通道举例说明信号调理电路的工作原理。
其中，分压电路111的信号输入端用于连接待测温度传感器的信号输出端，分压电路111的信号输出端与比例放大电路112的信号输入端电连接。分压电路由电阻R1和R2组成，在另一实施例中，也可以不设置电阻R2。图2中所示出的分压电路111为两个信号采集通道所共用。比例放大电路112的输出端与差分放大电路113的第一输入端电连接，差分放大电路113的第二输入端与参考电压VREF相连，差分放大电路113的输出端与通道选择电路的信号输入端电连接。比例放大电路112由运算放大器U1A组成，差分放大电路113由运算放大器U1B组成。比例放大电路112的电压放大系数为K1，差分放大电路113的电压放大系数为K3。
输入信号幅值计算方法如下：预设温度传感器等效电阻为Rin，电源为VCC,第一级运算放大器U1A的输入信号为等效温度传感器输入源，模拟开关U3只是对输入信号进行选择，不参与运算，故模拟开关U3的输入信号即为控制器检测到的输入信号幅值Vout。在1#通道中，分压电路111的信号输出电压(即温度传感器的信号输出电压)为而以要检测的温度范围为依据，选择合适的电阻参数，调节增益，使得Vin*K1略大于VREF,通过差分电路减去采集温度的比较下限值，在第二级运算放大器电阻中，再通过增益K3放大控制器的ADC采集范围，保证检测精度。
优选地，各信号采集通道的比例放大电路的电压放大系数被设置成将与该信号采集通道相对应的温度传感器的检测温度范围内的最小输出电压放大在参考电压VREF与120％VREF之间；各信号采集通道的差分放大电路的电压放大系数被设置成将经过所述比例放大电路放大的、与该信号采集通道相对应的温度传感器的检测温度范围内的最大输出电压放大为预设电压Vn与95％Vn预设电压Vn小于控制器4允许采集的电压上限，并大于控制器允许采集的电压上限的85％，从而提高检测的精度。
根据本发明一实施例的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置通过合理设置各级运算放大器的放大增益，选取合适的参考电压VREF，通过差分放大电路可将信号调理范围放大，保证数据的精度。该装置还具有预埋传感器连线故障识别功能：温度传感器连线断路时，信号由分压电阻R1、R2确定，经过二级调理，控制器4接收到的信号幅值超过了正常检测范围的上限，故判定为温度传感器连线断线开路；温度传感器连线短路时，信号为0，与分压电阻R1、R2无关，经过二级调理，控制器4接收到的信号幅值超过了正常检测范围的下限，故判定为温度传感器连线短路。
根据本发明一实施例的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的方法，包括以下步骤：
将待测预埋传感器连接至多个信号采集通道的输入端，控制器4通过通道选择电路2先选通其中的一路信号采集通道；
控制器4将通道选择电路2的输出信号的电压幅值与预先存储的所选通道的电压检测范围进行比较，如果通道选择电路2输出信号的电压幅值位于所选通道的电压检测范围之内，则判断与所选通道相连的预埋传感器的型号名称为预先存储的与所选通道相对应的预埋传感器型号名称；如果通道选择电路2输出信号的电压幅值超出所选通道的电压检测范围，则控制器4控制通道选择电路2切换至下一信号采集通道，直至通道选择电路2输出的信号幅值位于所选通道的电压检测范围之内；
控制器4如果检测到通道选择电路2输出信号的电压幅值高于与电压放大系数最小的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的上限值，则直接判断预埋传感器连线断路；控制器4如果检测到通道选择电路2输出信号的电压幅值小于与电压放大系数最大的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的下限值，则判断预埋传感器连线短路。上述的方法中，控制器4在分辨出电气设备中的预埋传感器的型号后，通过通道选择电路2选通与该型号的预埋传感器相对应的数据采集通道，对预埋传感器的输出信号进行采集。
上述的方法中，控制器4默认连接的信号采集通道为电压放大系数最小或最大的信号采集通道，然后在检测过程中，按照信号采集通道的电压放大系数从小到大或从大到小的顺序依次选通信号采集通道，以达到提高检测效率的目的。
下面以本发明应用在一个预埋了型号为PT100或KTY84-130的温度传感器的电机时的工作过程进一步说明本发明的工作原理。这两种温度传感器正常使用时的检测温度范围均为－40℃～200℃。已知KTY84-130在温度从－40℃～200℃时，电阻阻值变化为359Ω～1722Ω；PT100在温度从-40℃～200℃时，电阻阻值变化为84.27Ω～175.86Ω。设置与KTY84-130相对应的信号采集通道为图2中的1#通道，与PT100相对应的信号采集通道为图2中的2#通道。在电路中VCC设置为+3.3V，VDD设置为+3.3V。R1、R2的阻值为2kΩ，R3、R4、R7、R8、R10、R11、R14、R15为1kΩ，R5的阻值为2kΩ，R6、R9的阻值为1.6kΩ，R12为11kΩ，R13、R16的阻值为1.8kΩ，R18的阻值为10kΩ，R19的阻值设置为100Ω。各级运放增益K1＝3，K2＝12，K3＝1.6，K4＝1.8。参考电压VREF为1.3V，预设电压Vn为3V，控制器4允许采集的电压上限为3.3V，下限为0V。
对于PT100时，温度从-40℃～200℃时，Vin为0.128V～0.247V，其Vout＝K4*(Vin*K2-VREF)＝1.8*(1.536～2.964-1.3)＝0.425～2.995V；对于KTY84-130时，温度从-40℃～200℃时，Vin为0.436～1.044V，其Vout＝K3*(Vin*K1-VREF)＝1.6*(1.308～3.132-1.3)＝0.0128～2.931V；断线时，控制器的ADC采样到3.0V以上；短路时，控制器的ADC采样到0V。
在该应用实例中，模拟开关U3默认选择1#通道。K1＝3，K3＝1.6，Vout＝K3*(Vin*K1-VREF)＝1.6*(3Vin-1.3)。将预埋温度传感器对应的Vin代入计算公式，若控制器4的ADC检测到的Vout在0.0128～2.931V之间，则符合假设，则判断温度传感器型号为KTY84-130，按此通道1#计算温度；若控制器4的ADC检测到3V以上，因1#通道对应的电压放大系数最小，故可直接判断温度传感器连线断线开路，报故障。
若控制器4的ADC检测到0.01V以下，则有两种可能：1、预埋的温度传感器型号不是KTY84-130，而是PT100；2、温度传感器连线短路。控制器4控制模拟开关U3选通2#通道，若控制器4的ADC检测到0.4V以下，则判断温度传感器连线断线短路，报故障；若控制器4的ADC检测到信号在0.425～2.995V之间，则判断温度传感器的型号为PT100，按通道2#计算温度。
本发明在实际使用中可以自动分辨温度传感器型号，并检测连线是否断线及短路，实现简单，检测精确，实施成本较低。

Claims (12)

1.自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置，其特征在于，包括多个信号采集通道、通道选择电路以及控制器；
各信号采集通道的输入端用于连接所述预埋传感器的信号输出端，各所述信号采集通道的输出端与通道选择电路的输入端相连；
所述通道选择电路用于选择性地将所述控制器连接至多个信号采集通道中的一者；
所述控制器预先存储有分别与所述多个信号采集通道一一对应的多个电压检测范围以及分别与所述多个信号采集通道一一对应的预埋传感器型号名称；所述多个信号采集通道分别与一种已知类型的预埋传感器相对应，每一信号采集通道的电压放大系数被设置成只有当与信号采集通道相对应的预埋传感器连接于信号采集通道时，通道选择电路输出信号的电压幅值才位于与该信号采集通道相对应的电压检测范围内，而在与信号采集通道不对应的预埋传感器连接于信号采集通道时，通道选择电路输出信号的电压幅值超出与该信号采集通道相对应的电压检测范围；
所述控制器用于将通道选择电路的输出信号的电压幅值与预先存储的所选通道的电压检测范围进行比较，如果通道选择电路输出信号的电压幅值位于所选通道的电压检测范围之内，则判断与所选通道相连的预埋传感器的型号名称为预先存储的与所选通道相对应的预埋传感器型号名称；如果通道选择电路输出信号的电压幅值超出所选通道的电压检测范围，则控制通道选择电路切换至另一信号采集通道；如果通道选择电路输出信号的电压幅值高于与电压放大系数最小的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的上限值，则判断预埋传感器连线开路；如果通道选择电路输出信号的电压幅值小于与电压放大系数最大的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的下限值，则判断预埋传感器连线短路。
2.根据权利要求1所述的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置，其特征在于，各信号采集通道包括信号调理电路。
3.根据权利要求2所述的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置，所述的预埋传感器为温度传感器。
4.根据权利要求3所述的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置，其特征在于，所述信号调理电路包括电压转换电路、比例放大电路和差分放大电路；
所述电压转换电路的信号输入端用于连接所述温度传感器的信号输出端，所述电压转换电路的信号输出端与所述比例放大电路的信号输入端电连接，所述电压转换电路用于根据所述温度传感器检测的温度产生并输出电压信号；所述比例放大电路的输出端与所述差分放大电路的第一输入端电连接，差分放大电路的第二输入端与参考电压VREF相连，差分放大电路的输出端与所述通道选择电路的信号输入端电连接。
5.根据权利要求4所述的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置，所述电压转换电路为分压电路或恒流源电路。
6.根据权利要求4所述的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的装置，其特征在于，各信号采集通道的比例放大电路的电压放大系数被设置成将与该信号采集通道相对应的温度传感器的检测温度范围内的最小输出电压放大在参考电压VREF与120％VREF之间；
各信号采集通道的差分放大电路的电压放大系数被设置成将经过所述比例放大电路放大的、与该信号采集通道相对应的温度传感器的检测温度范围内的最大输出电压放大为预设电压Vn与95％Vn之间；预设电压Vn小于控制器允许采集的电压上限，并大于控制器允许采集的电压上限的85％。
7.根据权利要求3至6中任何一项所述的自动分辨并检测电气设备中的温度传感器的装置，其特征在于，所述的电气设备为电机；所述的自动分辨并检测电气设备中的温度传感器的装置为变频器。
8.根据权利要求1所述的自动分辨并检测电气设备中的温度传感器的装置，其特征在于，所述控制器为带有模数转换功能的MCU。
9.根据权利要求1所述的自动分辨并检测电气设备中的温度传感器的装置，其特征在于，所述的通道选择电路由一个或多个模拟开关组成。
10.自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的方法，其特征在于，包括：
将待测预埋传感器连接至多个信号采集通道的输入端，控制器通过通道选择电路先选通其中的一路信号采集通道；
所述控制器将通道选择电路的输出信号的电压幅值与预先存储的所选通道的电压检测范围进行比较，如果通道选择电路输出信号的电压幅值位于所选通道的电压检测范围之内，则判断与所选通道相连的预埋传感器的型号名称为预先存储的与所选通道相对应的预埋传感器型号名称；如果通道选择电路输出信号的电压幅值超出所选通道的电压检测范围，则控制器控制通道选择电路切换至下一信号采集通道，直至通道选择电路输出的信号幅值位于所选通道的电压检测范围之内；
控制器如果检测到通道选择电路输出信号的电压幅值高于与电压放大系数最小的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的上限值，则直接判断预埋传感器连线断路；控制器如果检测到通道选择电路输出信号的电压幅值小于与电压放大系数最大的那一个信号采集通道相对应的电压检测范围的下限值，则判断预埋传感器连线短路。
11.如权利要求10所述的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的方法，其特征在于，控制器按照数据采集通道的电压放大系数从小到大或从大到小的顺序依次选通信号采集通道。
12.如权利要求10所述的自动分辨并检测电气设备中的预埋传感器的方法，其特征在于，控制器在分辨出所述电气设备中的预埋传感器的型号后，通过通道选择电路选通与该型号的预埋传感器相对应的数据采集通道，对预埋传感器的输出信号进行采集。
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