專利名稱：電流型變送信號輸入通道快速繼電器保護方法和電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的涉及的領域為工業(yè)自動化檢測和控制，以及航空航天測控領域，具體為對電流型變送信號的ADC輸入通道的保護。
背景技術：
在電力、石油、化工、冶金及航空航天等領域的自動化技術中，傳感器和變送器的信號傳輸廣泛采用二線制電流信號的方式以增加傳輸距離，二線制電流型變送器信號傳輸方式包括(Γ20πιΑ、Γ20πιΑ以及HART總線等形式。但是，在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，干擾很多，傳輸線較長甚至跨越多個廠房或車間，人為因素較為復雜，使得在傳輸中極易造成過流甚至信號回路短路，這樣就會造成控制器信號接收端的輸入通道的損壞。在航空航天測控領域，對各種參數(shù)的測量可靠性提出了更高的要求，絕對不允許各種原因造成檢測系統(tǒng)的損壞而對整個系統(tǒng)工作造成危險。所以，在工程實際設計領域需要在控制器電流型信號輸 入通道加一些保護措施和電路，以保障輸入通道不被損壞。實用新型“4 20mA傳感器接口保護電路”(專利號200620133724. 4)給出一種傳統(tǒng)的電流型信號的輸入通道的保護電路，它采用自恢復保險絲和穩(wěn)壓二極管來實現(xiàn)Γ20πιΑ電流輸入通道的保護。但是，在實際工業(yè)應用中，現(xiàn)場環(huán)境溫度復雜多變，自恢復保險絲采用的是PTC材料制成，如果環(huán)境溫度不適宜即使過流也不會立即產(chǎn)生保護作用，降低了保護的實時性和快速性；再次，實踐發(fā)現(xiàn)在工業(yè)場合中，由于情況復雜，在流過電路電流過大的情況下穩(wěn)壓二極管本身也極易損壞，這樣不但起不了保護作用反而降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；另一個問題是取樣電阻上并接穩(wěn)壓二極管，當信號正常但是較大時二極管阻抗減小，造成二極管分流較大而對精密檢測系統(tǒng)帶來誤差。鑒于這樣的背景，引入基于反饋控制原理的保護回路，采用繼電器快速保護的方法來保障系統(tǒng)的可靠性和保護的快速性。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題解決工業(yè)自動化檢測與控制、以及航空航天測控領域電流型變送信號輸入通道的快速、可靠保護問題。技術方案一種對電流型變送信號輸入通道進行快速保護的方法，對于二線制電流型變送器信號傳輸方式，先在電流取樣電阻和ADC輸入端之間的環(huán)路中串接一個信號繼電器的常閉觸點K ；然后將取樣電阻上采集得到的電壓與安全電壓進行比較a、當采集得到的電壓超過安全電壓時，則驅動信號繼電器斷開常閉觸點K，使環(huán)路斷開；b、當采集得到的電壓沒有超過安全電壓時，則驅動信號繼電器閉合觸點K，使環(huán)路恢復；所述信號繼電器的動作時間在3ms以下的高速繼電器，優(yōu)選動作時間為2ms的高速繼電器.本方法的實現(xiàn)電路去除了穩(wěn)壓二極管和自恢復保險絲等其它保護器件，選用動作時間在3ms以下(約2ms)的高速繼電器，提高實時性和快速性；避免了因為器件本身的易損壞性和環(huán)境溫度等因素而影響整個系統(tǒng)的可靠性，故本方法適用于對二線制(T20mA、4 20mA及HART總線等電流輸入信號的過流或短路保護。一種實現(xiàn)所述方法的電路，包括直流電源、變送器和ADC ;所述直流電源的“ + ”極端與變送器的“ + ”極端連接，變送器的極端接控制器的信號輸入端，其特征是還包括電壓采樣電阻R、信號繼電器、電壓比較器和繼電器驅動電路；所述電壓采樣電阻R串聯(lián)在電流信號輸入回路中作為電壓取樣電阻，取樣電阻一端接地作為電壓基準，另一端經(jīng)過信號繼電器的觸點K接在ADC輸入通道的正端，且ADC輸 入通道負端也接地；所述電壓采樣電阻R兩端的電壓信號輸入到電壓比較器的一個輸入端，電壓比較器的另一個輸入端給定安全閾值電壓；電壓比較器的輸出端連接繼電器驅動電路的輸入端；繼電器驅動電路的輸出端連接信號繼電器的線包；所述信號繼電器為常閉觸點繼電器，該常閉觸點連接在取樣電阻和ADC的輸入通道的正端之間。所述ADC的輸入通道的正、負端之間連接有電容C ;所述常閉觸點的位置也在電容C與電壓采樣電阻R之間。本電路作為航空航天領域的被動型星載氫鐘超真空泵壓力檢測的二線制變送器電流信號輸入通道的保護電路。所述變送器為電流型變送器，其工作電流為的Γ20Π1Α ;所述電壓采樣電阻R為120 Ω的取樣電阻R5，取樣電阻R5將電流信號轉換為O. 48疒2. 4V的電壓信號；所述ADC為16位ADC芯片，該ADC芯片的輸入極限電壓為3. 3V ;所述安全電壓的閾值取2. 8V ;所述電壓比較器為響應時間約為200ns的高速電壓比較器；還包括調(diào)節(jié)電位器Rl和分壓電阻R2，所述Rl的一端連接電源VCC，另一端通過R2接地；所述電壓比較器的正相端連接在Rl與R2之間；所述繼電器驅動電路的驅動器件采用PNP型三極管Q1，電壓比較器的輸出端連接Ql的基極，Ql的發(fā)射極連接繼電器線包端，繼電器線包的“+”端接電源VCC，Q1的集電極接地；所述Ql的發(fā)射極與電源VCC之間還連接有發(fā)光二級管D1，在Dl與Ql的發(fā)射極之間連接有限流電阻R4 ；所述Ql的發(fā)射極與電源VCC之間還連接有蜂鳴器BI和續(xù)流二極管D2 ；所述Dl與R4并聯(lián)后再與BI和D2分別并聯(lián)，同時信號繼電器的線包兩端分別連接Ql的發(fā)射極與電源VCC。本發(fā)明采用如圖I所示的技術方案，工程上采用二線制電流傳輸傳感器信號，且多采用+24V直流電源供電，電源接入變送器輸入正端，變送器負端經(jīng)過長傳輸線接入控制器信號的輸入端，在輸入端接入取樣電阻R將電流信號轉化為電壓信號，然后將電壓信號接入ADC的輸入通道，并且接入電容C用以濾除傳輸線引入的干擾信號。不同于傳統(tǒng)的輸入保護方案，該方案采用了反饋控制回路作為保護方法。方案在取樣電阻和ADC輸入通道之間增加一個常閉型快速信號繼電器的觸點作為保護方案的執(zhí)行元件，將取樣電阻上的電壓反饋給保護電路中的電壓比較器，并將一個安全基準輸入給電壓比較器，比較器作比較運算，當輸入電壓高于保護的安全電壓閾值后，比較器輸出電平發(fā)生翻轉，并將翻轉電壓輸入給繼電器驅動器件，最終驅動信號繼電器，繼電器線圈得電后常閉觸點斷開，使得過高的電壓不會輸入到控制器的ADC輸入端，同時產(chǎn)生聲光報警信號，提示操作人員可能因為設備故障或者人為原因造成控制器輸入通道的不正常。當短路或者過流信號消失時，輸入電壓小于安全閾值，繼電器驅動信號消失，繼電器線圈失電，常閉型保護開關閉合，系統(tǒng)工作得到恢復，電容C濾除了機械開關閉合過程中產(chǎn)生的高頻干擾信號，保證了系統(tǒng)能夠可靠地恢復，不會給AD轉換帶來大的波動。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有的保護措施相比有明顯的優(yōu)點和有益效果，主要優(yōu)點如下I、采用反饋控制的方法，采用繼電器觸點對電流型變送信號輸入通道進行保護，避免了環(huán)境溫度、濕度等外界因素對保護器件的影響，大大提高過流保護和自恢復的靈敏·度。2、去除了傳統(tǒng)保護方法中的穩(wěn)壓二極管，避免了因為在短路故障或者過電流時穩(wěn)壓二極管本身的損壞而造成系統(tǒng)可靠性的降低。3、采用高速信號繼電器，合理配置元器件的參數(shù)，可以使故障保護的時間控制在50ms以內(nèi)，提高了保護的實時性和快速性。4、保護回路還具有聲光報警功能，使得現(xiàn)場操作人員知曉故障點和故障線路，必要時可以人工干預、緊急處理。5、繼電器機械式觸點阻抗極小，相比ADC的輸入阻抗可以忽略，正常工作時，無論輸入電流大小都不會因為保護電路的阻抗而對精密檢測系統(tǒng)帶來誤差。


圖I :電流型變送信號輸入通道快速繼電保護原理示意圖。圖2 電流型變送信號輸入通道快速繼電保護電路示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本技術方案進一步說明如下如圖2所示為采用基于反饋控制原理的快速繼電保護的實例，即具體實施電路。該實例電路是一個用于航空航天領域的被動型星載氫鐘超真空泵壓力檢測的二線制變送器電流信號輸入通道的保護電路。電流型變送器的Γ20πιΑ電流從Jl輸入到控制電路的采集板上，R5為120 Ω的取樣電阻，將電流信號轉換為O. 48疒2. 4V的電壓信號，再通過信號繼電器的開關輸入到16位ADC芯片ADS8320EB的模擬電壓輸入通道，供給AD轉換。該ADC芯片的輸入極限電壓為3. 3V，超過3. 3V則可能損壞輸入通道，又因為正常輸入的最大電壓為2. 4V，所以輸入保護的安全閾值取2. 8V。比較運算器Ul由工業(yè)級高速電壓比較器LMlll來實現(xiàn)，由Rl和R2來產(chǎn)生安全閾值電壓，調(diào)節(jié)電位器Rl可以產(chǎn)生2. 8V安全閾值電壓輸入到比較芯片的正相端。取樣電壓(PR0TECT_K2)直接反饋到比較器的反相端。使用PNP型三極管S8550來驅動保護繼電器RLYl和聲光報警器件。高速繼電器RLYl采用歐姆龍的快速信號繼電器G6H-2/DC12V，Dl為發(fā)光二級管，而BI為蜂鳴器，D2為續(xù)流二極管1N4148，C用來濾去觸點接通、斷開時的高頻干擾。電路工作過程如下(I)正常情況下反饋電壓小于2. 8V，比較器的輸出管不導通，相應的PNP三極管也不導通，繼電器線圈不得電而常逼型觸點接通，ADC可以正常采集電壓；(2)當輸入電流過大或者短路時，一旦取樣電壓超過2. 8V，電壓比較器立即發(fā)生翻轉使得其輸出管導通，PNP型三極管也相應導通，驅動繼電器、蜂鳴器和LED燈，使得線圈得電觸點斷開，從而高壓不會加載在ADC輸入通道，起到了對輸入通道的保護作用，并產(chǎn)生了聲光報警，整個保護過程的動作時間小于50ms。當故障過去電流降低，取樣電壓低于閾值電壓后保護系統(tǒng)又按(I)原理恢復到正常工作狀態(tài)，實現(xiàn)了系統(tǒng)自恢復。本發(fā)明方法采用了基于反饋控制原理的保護回路，采用常閉型快速信號繼電器和比較器來實現(xiàn)快速繼電保護，當取樣電壓超過安全閾值，繼電器快速動作，斷開輸入回路，并有聲光報警輸出；當故障過去，輸入電壓小于安全閾值時，繼電器能夠再接通回路，具有自恢復性。·對于二線制(Γ20πιΑ、Γ20πιΑ及HART總線等電流輸入信號起到對過流或短路現(xiàn)象采用反饋控制和快速繼電器進行實時保護。本方法不光適用于工業(yè)自動化控制，也適用于航空航天測控系統(tǒng)中。本方法的實現(xiàn)電路去除了穩(wěn)壓二極管和自恢復保險絲等其它保護器件，避免了因為器件本身的易損壞性和環(huán)境因素而影響整個系統(tǒng)的可靠性。
權利要求
1.一種電流型變送信號輸入通道快速繼電器保護方法，其特征是對于二線制電流型變送器信號傳輸方式，先在電流取樣電阻和ADC輸入端之間的環(huán)路中串接一個信號繼電器的常閉觸點K ； 然后將取樣電阻上采集得到的電壓與安全電壓進行比較 a、當采集得到的電壓超過安全電壓時，則驅動信號繼電器斷開常閉觸點K，使環(huán)路斷開； b、當采集得到的電壓沒有超過安全電壓時，則驅動信號繼電器閉合觸點K，使環(huán)路恢復； 所述信號繼電器的動作時間在3ms以下。
2.一種實現(xiàn)權利要求I所述方法的電路，包括直流電源、變送器和ADC ;所述直流電源的“ + ”極端與變送器的“ + ”極端連接，變送器的極端接控制器的信號輸入端，其特征是還包括電壓采樣電阻R、信號繼電器、電壓比較器和繼電器驅動電路； 所述電壓采樣電阻R串聯(lián)在電流信號輸入回路中作為電壓取樣電阻，取樣電阻一端接地作為電壓基準，另一端經(jīng)過信號繼電器的觸點K接在ADC輸入通道的正端，且ADC輸入通道負端也接地； 所述電壓采樣電阻R兩端的電壓信號輸入到電壓比較器的一個輸入端，電壓比較器的另一個輸入端給定安全閾值電壓；電壓比較器的輸出端連接繼電器驅動電路的輸入端；繼電器驅動電路的輸出端連接信號繼電器的線包；所述信號繼電器為常閉觸點繼電器，該常閉觸點連接在取樣電阻和ADC的輸入通道的正端之間。
3.根據(jù)權利要求2所述的電路，其特征是所述ADC的輸入通道的正、負端之間連接有電容C ;所述常閉觸點的位置也在電容C與電壓采樣電阻R之間。
4.根據(jù)權利要求2所述的電路，其特征是本電路作為航空航天領域的被動型星載氫鐘超真空泵壓力檢測的二線制變送器電流信號輸入通道的保護電路。
所述變送器為電流型變送器，其工作電流為的Γ20πιΑ;所述電壓采樣電阻R為120 Ω的取樣電阻R5，取樣電阻R5將電流信號轉換為O. 48疒2. 4V的電壓信號；所述ADC為16位ADC芯片，該ADC芯片的輸入極限電壓為3. 3V ;所述安全電壓的閾值取2. 8V ;所述電壓比較器為響應時間約為200ns的高速電壓比較器； 還包括調(diào)節(jié)電位器Rl和分壓電阻R2，所述Rl的一端連接電源VCC，另一端通過R2接地；所述電壓比較器的正相端連接在Rl與R2之間； 所述繼電器驅動電路的驅動器件采用PNP型三極管Q1，電壓比較器的輸出端連接Ql的基極，Ql的發(fā)射極連接繼電器線包端，繼電器線包的“+”端接電源VCC，Q1的集電極接地； 所述Ql的發(fā)射極與電源VCC之間還連接有發(fā)光二級管Dl，在Dl與Ql的發(fā)射極之間連接有限流電阻R4 ； 所述Ql的發(fā)射極與電源VCC之間還連接有蜂鳴器BI和續(xù)流二極管D2 ； 所述Dl與R4并聯(lián)后再與BI和D2分別并聯(lián)，同時信號繼電器的線包兩端分別連接Ql的發(fā)射極與電源VCC。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于工業(yè)自動化及航空航天測控領域對4~20mA或0~20mA電流型變送信號的輸入通道進行快速繼電保護的方法及其電路。該方法不同于傳統(tǒng)使用穩(wěn)壓二極管和自恢復保險絲的電流輸入信號保護方法，引入了基于反饋控制的保護回路，在電流信號輸入取樣電阻前的環(huán)路中串接一個高速信號繼電器的常閉觸點，并將取樣電阻上的電壓反饋給電壓比較器，當輸入電壓超過系統(tǒng)安全基準時比較器產(chǎn)生信號繼電器驅動信號，繼電器線圈得電，使得電流環(huán)斷開，并產(chǎn)生聲光報警，這樣對輸入的ADC通道起到了快速保護作用，防止輸入通道因為過流或短路損壞ADC，這種方法較傳統(tǒng)方法更加快速、可靠。
文檔編號H02H3/20GK102931629SQ20121039260
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權日2012年10月16日
發(fā)明者王勇, 邱實, 方正, 李建清 申請人:東南大學