一种高压隔离变送器全自动校准方法及系统
阅读说明：本技术 一种高压隔离变送器全自动校准方法及系统 (Full-automatic calibration method and system for high-voltage isolation transmitter ) 是由 管怀军 吕华平 吴圣帆 郭志奇 于 2020-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高压隔离变送器全自动校准方法及系统,该方法由主处理器控制高压隔离变送器全自动校准装置对高压隔离变送器各档量程进行零点偏移校准和增益校准。高压隔离变送器全自动校准检测系统由高压隔离变送器全自动校准装置、高压隔离变送器组成。高压隔离变送器全自动校准装置由DC/DC高压电源模块、第一高精度直流电源、第二高精度直流电源、高压闭环实时调节电路、高压取样电路、主处理器、数字隔离电路、ADC电路、输入/输出取样选择电路、电压/电流取样电路组成。(The invention provides a full-automatic calibration method and a full-automatic calibration system for a high-voltage isolation transmitter. The full-automatic calibration and detection system of the high-voltage isolation transmitter consists of a full-automatic calibration device of the high-voltage isolation transmitter and the high-voltage isolation transmitter. The full-automatic calibration device of the high-voltage isolation transmitter comprises a DC/DC high-voltage power supply module, a first high-precision direct-current power supply, a second high-precision direct-current power supply, a high-voltage closed-loop real-time adjusting circuit, a high-voltage sampling circuit, a main processor, a digital isolation circuit, an ADC circuit, an input/output sampling selection circuit and a voltage/current sampling circuit.)
技术领域
本发明涉及高压隔离变送器校准检测装置，特别涉及一种高压隔离变送器全自动校准方法及系统。
背景技术
变送器(transmitter)是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号(或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源)的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等等。
电压变送器是一种能将被测交、直流电压转换成按线性比例输出的交、直流电流或电压的仪器。配以相应的指示仪表或装置，可在电力系统交、直流电路中实现对电压、电流的测量和控制。
在轨道交通、电力电网、工业控制、新能源等大功率设备中，为了优化能源效率都采用了较高电压驱动模式。对于这些高压系统的检测和控制，隔离电压必须很高，以保障人身安全，如地铁的牵引系统要求工作电压达3.6kV，隔离电压15kV以上。这就必须要有一种高隔离、高可靠性、高精度的监测装置-高电压隔离变送器。
在轨道交通高电压牵引系统中，高电压隔离变送器电压信号输入量程范围较宽为：±60mV~±3600V的单极性或双极性的电压，经过高压隔离后输出转化为±20mA、4~20mA、±10V标准电流、电压量程。
目前，高电压隔离变送器的校准检测没有专用检测设备，是采用高电压电源、高压表、电流表及很多连接件连线后进行人工校准检测。现有的校准检测方式，操作复杂且校验精度差对检测人员要求高。特别是进行多量程高压隔离变送器校准检测时，需花费许多人力和时间。高压隔离变送器检测电压很高，稍有疏忽即会造成严重事故，不利于安全、快速、高效的生产。
发明内容
本发明是针对目前对高压隔离变送器校准检测存在的问题以及高电压会对人身安全造成的安全隐患，提供一种高压隔离变送器全自动校准方法及系统。
本发明实现高压隔离变送器全自动化校准检测，测试过程中无需人工干预，大大降低对检测人员素质的要求。
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种高压隔离变送器全自动校准方法，对高压隔离变送器各量程进行零点偏移校准和增益校准；包括以下步骤：
步骤1、设置高压隔离变送器量程档位的步骤；
步骤2、DC/DC高压电源模块产生0V电压加入到高压隔离变送器的检测输入端的步骤；
步骤3、对高压隔离变送器隔离输出端的信号进行AD转换获得零点偏移误差的步骤；
步骤4、若零点误差小于设定的第一阀值，则转向步骤5，否则进行零点偏移粗调，转向步骤3；
步骤5、若零点偏移误差小于设定的第二阀值，转向步骤6，否则进行零点微调，转向步骤3；
步骤6、DC/DC高压电源模块产生高压隔离变送器在该量程档位中的标准电压送到高压隔离变送器的检测输入端的步骤；
步骤7、对高压隔离变送器隔离输出端的信号进行AD转换并与标准电压值比较产生增益误差的步骤；
步骤8、若增益误差小于设定的第三阀值时，转向步骤9，否则进行增益粗调，转向步骤7；
步骤9、若增益误差小于设定的第四阀值时，完成该档位校准，否则进行增益微调，转向步骤7。
进一步的，上述的全自动校准方法中：所述的第一阀值为1%，所述的第二阀值为0.05%，第三阀值为1%，第四阀值为0.05%。
本发明还提供一种高压隔离变送器全自动校准装置，对高压隔离变送器各量程进行零点偏移校准和增益校准；
包括：
主处理器；
在所述的主处理器控制下产生标准电压信号接高压隔离变送器的输入端的DC/DC高压电源模块；
与高压隔离变送器输入端信号相对应高压隔离变送器输出端的模拟信号进行AD转换的ADC，所述的ADC与主处理器；
所述的主处理器还产生控制信号控制高压隔离变送器MCU进行零点偏移粗调、零点偏移微调、增益粗调和增益微调。
进一步的，上述的全自动校准装置中：所述的DC/DC高压电源模块包括型号为KDHM-E-12S5000P-2的高压电源模块U3，在主处理器控制的高压闭环实时调节电路控制下产生标准电压输出。
进一步的，上述的全自动校准装置中：所述的高压闭环实时调节电路包括粗调电路、微调电路、闭环比较电路；
所述的粗调电路包括由主处理器控制的数字电位器U1，由运算放大器U2A组成的跟随器，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R6和电容C2；由主处理器控制的数字电位器U1的输出端（W1）通过电阻R2接运算放大器U2A的同相输入端，运算放大器U2A的异相输入端通过电容C2接输出端；运算放大器U2A的输出端通过电阻R3和电阻R4串连形成粗调电路的输出端，在电阻R3和电阻R4相连的公共端通过电阻R6接运算放大器U2A的异相输入端；
所述的微调电路由主处理器产生的PWM信号控制产生，包括由运算放大器U2B组成的跟随器、电阻R7、电阻R9、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R17、电阻R18、电容C6和电容C5；由主处理器产生的PWM信号经过电阻R13、电阻R12、电阻R11接运算放大器U2B的同相端；电容C5设置在电阻R13和电阻R12相连的公共端与地之间；在电阻R12和电阻R11相连的公共端通过电阻R9接+5V工作电源，通过电阻R17接地；电容C6设置在运算放大器U2B的异相输入端与输出端之间，运算放大器U2B通过电阻R14和电阻R7串连形成微调电路的输出端，在电阻R14和电阻R17相连的公共端通过电阻R18接运算放大器U2B的异相输入端；
所述的闭环比较电路将粗调电路和微调电路输出端信号合成后与取样的DC/DC高压电源模块的输出进行比较产生控制DC/DC高压电源模块输出的控制信号；包括由运算放大器U4组成的比较器、电阻R5、电阻R1、电容C1；粗调电路的输出端和微调电路的输出端分别接运算放大器U4的同相端，取样的DC/DC高压电源模块的输出经电阻R5接运算放大器U4的异相端，电阻R1和电容C1串连的运算放大器U4的异相端与输出端之间。
进一步的，上述的高压隔离变送器全自动校准装置中：对DC/DC高压电源模块进行取样的取样输出电路包括电阻R16、电阻R15和电容C15；DC/DC高压电源模块的输出依次经电阻R16和电阻R15串联接地，电容C4并联在电阻R15两端，电阻R16和电阻R15相连的公共端形成取样输出电路的输出端。
进一步的，上述的高压隔离变送器全自动校准装置中：所述的高压闭环实时调节电路和ADC分别采用第一高精度直流电源和第二高精度直流电源供电。
进一步的，上述的高压隔离变送器校准装置中：还包括数字隔离电路，所述的主处理器的输出和输入信号均由所述的数字隔离电路隔离。
本发明还提供一种高压隔离变器全自动校准送系统，包括高压隔离变送器，以及高压隔离变送器全自动校准装置。高压隔离变送器全自动校准装置由DC/DC高压电源模块、第一高精度直流电源、第二高精度直流电源、高压闭环实时调节电路、高压取样电路、主处理器、数字隔离电路、ADC电路、输入/输出取样选择电路、电压/电流取样电路组成;高压隔离变送器由输入电路、高压隔离电路、输出电路、变送器MCU、量程开关组成。
本发明提供了一种高压隔离变送器全自动校准方法及系统，实现高压隔离变送器全自动化校准检测，测试过程中无需人工干预，大大降低对检测人员素质的要求。
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明进行进一步的说明。
附图说明
附图1是本发明高压隔离变送器全自动校准检测系统组成框图。
附图2是高压闭环实时调节电路对应的电路原理图。
附图3是本发明实施例1高压隔离变送器全自动校准软件流程图。
具体实施方式
实施例1，如图1所示，本实施例是一种用于校准检测输入电压高达数千伏电压的高压隔离变送器的系统，由多量程高压隔离变送器全自动校准装置和16档高压隔离变送器组成。其中多量程高压隔离变送器全自动校准装置由DC/DC高压电源模块、第一高精度直流电源、第二高精度直流电源、高压闭环实时调节电路、高压取样电路、主处理器、数字隔离电路、ADC电路、输入/输出取样选择电路、电压/电流取样电路组成。16档多量程高压隔离变送器由输入电路、高压隔离电路、输出电路、高压隔离变送器MCU、量程选择开关等组成。
高压隔离变送器的高压输入信号由DC/DC高压电源模块输出产生。高压输出由主处理器MCU对高压闭环实时调节电路粗调电路、微调电路控制，产生标准高压信号。主控制器MCU产生2路控制信号，分别经数字隔离电路后由高压闭环实时调节电路控制DC/DC高压电源模块输出高压信号和控制高压隔离变送器MCU。DC/DC高压电源输出的高压信号经高压取样电路取样后，经输入/输出取样选择电路送给ADC电路。主处理器通过ADC可以测得当前输出高压信号的幅值，从而在校准高压隔离变送器前，实现DC/DC高压电源模块输出高压信号的自校准，保障DC/DC高压电源模块输出高压信号精度。
高压闭环实时调节电路如图2所示，包括粗调电路、微调电路、闭环比较电路。闭环实时调节电路的+5V、-5V和+15V电源由第一高精度直流电源提供。
本实施例中，粗调电路包括运放U2A、数字电位器U1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R6和电容C2。数字电位器U1的1脚和2脚接地，3脚、4脚、5脚通过数字隔离电路连接到MCU1控制电路，6脚和8脚接到+5V电源，7脚连接到R2的一端。R2的另一端与运放U2A的3脚相连。运放U2A的4脚接+5V，8脚接-5V。运放U2A的2脚接电容C2的一端和电阻R6的一端，电容C2的另一端接运放U2A的1脚和电阻R3的一端，电阻R6的另一端和电阻R3的另一端相连并接到电阻R4的一端。
本实施例中，粗调电路包括由主处理器控制的数字电位器U1，由运算放大器U2A组成的跟随器，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R6和电容C2；由主处理器经过数字隔离电路控制数字电位器U1的输出端（W1）通过电阻R2接运算放大器U2A的同相输入端，运算放大器U2A的异相输入端通过电容C2接输出端；运算放大器U2A的输出端通过电阻R3和电阻R4串连形成粗调电路的输出端，在电阻R3和电阻R4相连的公共端通过电阻R6接运算放大器U2A的异相输入端。
本实施例中，微调电路包括运放U2B、电阻R7、电阻R9、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R17、电阻R18、电容C6和电容C5。电阻R13的一端通过数字隔离电路连接到主处理器电路。电阻R13的另一端连接到电阻R12和电容C5，电容C5另一端接地。电阻R12另一端接电阻R9、电阻R11和电阻R17的一端，电阻R9的另一端接+5V，电阻R17的另一端接地，电阻R11的另一端接U2B的5脚。运放U2B的6脚接电容C6的一端和电阻R18的一端，电容C6的另一端接运放U2B的7脚和电阻R14的一端，电阻R18的另一端和电阻R14的另一端相连并接到电阻R7的一端。
本实施例中，微调电路由主处理器产生的PWM信号控制产生，包括由运算放大器U2B组成的跟随器、电阻R7、电阻R9、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R17、电阻R18、电容C6和电容C5；由主处理器产生的PWM信号经过数字隔离电路送到电阻R13、电容C5组成积分电路，通过电阻R12、电阻R11接运算放大器U2B的同相端；电容C5设置在电阻R13和电阻R12相连的公共端与地之间；在电阻R12和电阻R11相连的公共端通过电阻R9接+5V工作电源，通过电阻R17接地；电容C6设置在运算放大器U2B的异相输入端与输出端之间，运算放大器U2B通过电阻R14和电阻R7串连形成微调电路的输出端，在电阻R14和电阻R17相连的公共端通过电阻R18接运算放大器U2B的异相输入端。
本实施例中，闭环比较电路包括运放U4、电阻R5、电阻R1和电容C1。运放U4的4脚接-5V电源，运放U4的7脚接+5V电源。运放U4的3脚连接到电阻R4的另一端和电阻R7的另一端。运放的2脚连接到电阻R1的一端和电阻R5的一端。电阻R5的另一端连接到高压取样电路电阻R15、电容C4和电阻R16相连的一端。电阻R1的另一端连接到电容C1，电容C1的另一端连接到运放U4的6脚和DC/DC高压电源模块的2脚。
本实施例中，闭环比较电路将粗调电路和微调电路的输出端合成后信号与取样的DC/DC高压电源模块的输出进行比较产生控制DC/DC高压电源模块输出的控制信号；包括由运算放大器U4组成的比较器、电阻R5、电阻R1、电容C1；粗调电路的输出端和微调电路的输出端分别接运算放大器U4的同相端，取样的DC/DC高压电源模块的输出经电阻R5接运算放大器U4的异相端，电阻R1和电容C1串连的运算放大器U4的异相端与输出端之间。
本实施例多量程高压隔离变送器全自动校准时过程如图3所示，变送器MCU先进行相关参数初始化和串口初始化。变量N为当前多量程高压隔离变送器的档位，N初始值为0。每完成一个档位校准则N加1直到N＞16完成所有16档校准。如果N≤16则MCU根据当前N的值切换到相对应的档位。读取当前档位增益和零点偏移的数据。首先进行零点偏移校准，将DC/DC高压电源模块输出设置为0V，此时MCU读取ADC的值VADC。将VADC与该档位的标准值做比较并计算零点偏移误差，若误差≥1%则MCU发送零点偏移粗调命令，若误差≥0.05%则MCU发送零点偏移微调命令，若误差＜0.05%则零点偏移校准完成。零点偏移校准完成后进行增益校准，设置DC/DC高压电源模块输出为高压隔离变送器当前档位的满量程输入电压。此时MCU读取ADC的值VADC。将VADC与该档位的增益标准值做比较并计算增益误差，若误差≥1%则MCU发送增益粗调命令，若误差≥0.05%则MCU发送增益微调命令，若误差＜0.05%则增益校准完成。该档位校准结束，变量N加1进入下一个档位校准，直到完成所有16个量程档位校准。
在校准完成后，本系统对所有档位再逐次进行检测，复核各个档位误差并显示各档量程精度误差。
本实施例的全自动校准后的多量程高压隔离变送器可达到以下主要性能指标：
输入量程范围：±60mV~±3600V的单极性或双极性的电压，
输出量程：±20mA、4~20mA、±10V标准电流、电压量程。
零点失调：＜0.05%
增益误差：＜0.05%
采用本实施例的多量程高压隔离变送器全自动校准检测系统，实现高压隔离变送器多量程高精度高电压的自动校准，可靠性和校准效率得到了显著的提升。校准检测时间从原来的每台半小时，缩短到每台3分钟，大大提高了校准检测效率。在校准检测过程中操作人员不需要接触到高压电路部分，从根本上解决了安全隐患，本发明实现了全自动化校准检测，测试过程中无需要人工干预，大大降低对人员素质的要求。
本实施例的高压隔离变送器全自动校准检测系统与现有的高压隔离变送器校准检测技术相比较，具有以下优点：校验精度高、成本费用低、实用性强，节省了人力和时间，且操作简便，使用安全，有利于快速、高效的工作。
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