电量记录分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供了电量记录分析仪，包括：前置采集器和上位控制分析机的主机设置在全铝镁合金机箱内，上位控制分析机的液晶显示器与机箱呈外翻式结构设置在机箱外，该液晶显示器通过转轴与机箱的顶盖的侧棱连接，该液晶显示器通过转轴内的数据线与主机相连；机箱的顶盖的外表面设置有与主机相连接的键盘和鼠标触摸板，液晶显示器的显示屏内凹的深度大于键盘的高度；上述机箱的后侧壁设置有前置采集器对应的信号采集接口，机箱的侧壁上设置有前置采集器与主机的供电接口，以及对应主机的外联接口。本发明解决了分离式结构的电量（波形）记录分析仪存在的通讯稳定性较差，使用不方便的问题，提升了设备的性能。
【专利说明】电量记录分析仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及电路领域，具体而言，涉及电量记录分析仪。
【背景技术】
[0002]电量(波形)记录分析仪是一种综合信号处理采集分析仪器，它将被测电信号进行隔离、信号变换、经A/D转换成数字信号、按照一定的采样间隔存储转换后的数字信号，并将存储的数字信号以图形曲线的方式显示于屏幕上，最后对显示的图形曲线数据进行各种分析处理。
[0003]如图1所示的电量(波形)记录分析仪的结构示意图，该电量(波形)记录分析仪包括:信号变换模块、信号放大模块、多路模拟开关、A/D变换器、内存RAM、嵌入式工控机及逻辑控制器件、以太网接口、上位笔记本电脑等。具体工作方式如下:
[0004](I)外部信号的接入:各通道具有I对输入端子，外部信号经输入端子直接引入到各通道的信号变换模块(每个通道的信号变换关系各自固定不变);
[0005](2)信号进行(隔离)变换:信号变换模块对信号进行隔离、分压、变流等处理，将输入信号变换成一般模拟电路能处理的小信号(一般在IOV以下)。
[0006](3)信号放大:信号放大模块将信号变换成标定统一的、A/D变换器可以接受的标准信号。
[0007](4)信号多路切换:经放大处理后的各标准信号经多路模拟开关按控制要求依次切换后送给A/D变换器。
[0008](5)模数转换:将送入A/D变换器的模拟信号转换成数字信号。
[0009](6)数据暂存:将模数转换后得到的数字信号送入内存RAM，并暂时保存。
[0010]( 7 )数据的转发:将内存中的数字信号嵌入式工控机及逻辑控制器件后，再经以太网接口上送给上位笔记本电脑。
[0011](8)数据的工程化及显示:上位笔记本电脑将收到的数据按一定转换关系转换成能真实反映外部信号的工程量，并同时以波形曲线或数值的方式显示在屏幕上。
[0012](9)数据的分析处理。
[0013](10)数据的保存。
[0014]上述电量(波形)记录分析仪中，信号变换模块、信号放大模块、多路模拟开关、A/D变换器、内存RAM、嵌入式工控机及逻辑控制器件可以统称为前置采集器，而上位笔记本电脑也可以称为上位控制分析机，由图1可知，该记录分析仪的前置采集器与上位控制分析机为分离式结构，前置采集器与上位控制分析机之间需要采用以太网线或USB线连接，这样在工业现场的可靠性得不到保障，比如接口松动造成通讯中断、现场电气干扰太大造成通讯出错、接口驱动不兼容造成通讯异常等问题。对于某些需要长时间记录数据的工况(如电能质量监测、风电场功率调节能力测试等工作都需要几天时间)，一般商用电脑的持续工作稳定性无法保证，对信号的测量带来不确定性，并且将可移动的民用笔记本电脑长期放置在无人看管的工业现场，对设备的安全性也是极大的考验。[0015]针对上述分离式结构的电量(波形)记录分析仪存在的通讯稳定性较差，使用不方便的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于提供一种电量记录分析仪，以解决上述的问题。
[0017]在本发明的实施例中提供了电量记录分析仪，前置采集器与上位控制分析机为一体结构，其中，前置采集器和上位控制分析机的主机设置在全铝镁合金机箱内，上位控制分析机的液晶显示器与机箱呈外翻式结构设置在机箱外，该液晶显示器通过转轴与机箱的顶盖的侧棱连接，该液晶显示器通过转轴内的数据线与主机相连；机箱的顶盖的外表面设置有与主机相连接的键盘和鼠标触摸板，液晶显示器的显示屏内凹的深度大于键盘的高度；上述机箱的后侧壁设置有前置采集器对应的信号采集接口，机箱的侧壁上设置有前置采集器与主机的供电接口，以及对应主机的外联接口。
[0018]本发明实施例提供的电量记录分析仪采用将前置采集器与上位控制分析机一体化设计，同时采用全铝镁合金机箱，显示器采用上翻盖式，并机箱内设置有上位控制分析机的主机和前置采集器，从而将信号处理及采集部分与图形显示、数据处理及存储部分有机的整合为一个整体，取消了可能引起接触不良的外接网线或USB连线，解决了分离式结构的电量(波形)记录分析仪存在的通讯稳定性较差，使用不方便的问题，提升了设备的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1示出了相关技术中的电量(波形)记录分析仪的结构示意图；
[0020]图2示出了本发明实施例提供的电量记录分析仪的主视图；
[0021]图3a示出了本发明实施例提供的电量记录分析仪的结构示意图；
[0022]图3b示出了本发明实施例提供的档位控制回路的结构示意图；
[0023]图4示出了本发明实施例提供的档位控制回路中继电器组驱动若干分压电阻的电路原理图；
[0024]图5示出了本发明实施例提供的电量记录分析仪的结构示意图；
[0025]图6示出了本发明实施例提供的电量记录分析仪的结构示意图；
[0026]图7示出了本发明实施例提供的过压保护回路的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0028]如图2所示的电量记录分析仪(也可以称为电量(波形)记录分析仪)的主视图，前置采集器与上位控制分析机为一体结构，其中，前置采集器和上位控制分析机的主机设置在全铝镁合金机箱10内，上位控制分析机的液晶显示器12与机箱10呈外翻式结构(即上翻盖式，类似于笔记本的显示屏)设置在机箱外，液晶显示器12通过转轴14与机箱10的顶盖16的侧棱连接，液晶显示器12通过转轴14内的数据线与上述主机相连；
[0029]机箱10的顶盖16的外表面设置有与主机相连接的键盘18和鼠标触摸板19 (例如=Touchpad触摸板)，液晶显示器12的显示屏13内凹的深度大于键盘18的高度；
[0030]机箱10的后侧壁设置有前置采集器对应的信号采集接口，机箱10的侧壁上设置有前置采集器与主机的供电接口，以及对应主机的外联接口。其中信号采集接口和外联接口的具体数量可以根据实际需要配置，例如:外联接口可以包括:2个自适应以太网接口(如,适合10/100/1000Mbps的接口)、5个USB接口、I个RS485接口和I个差分式B码对时
接口等。
[0031]本实施例的电量记录分析仪采用将前置采集器与上位控制分析机一体化设计，同时采用全铝镁合金机箱，显示器采用上翻盖式，并机箱内设置有上位控制分析机的主机和前置采集器，从而将信号处理及采集部分与图形显示、数据处理及存储部分有机的整合为一个整体，取消了可能引起接触不良的外接网线或USB连线，解决了分离式结构的电量(波形)记录分析仪存在的通讯稳定性较差，使用不方便的问题，提升了设备的性能。
[0032]其中，本实施例的主机可以是配置较高的主机，例如配置高性能CPU、大容量固态硬盘等，基于此，上述主机可以包括'2.4GB的双核CPU (例如Intel Core2Duo2.4GHz)、4GB内存(例如:4GBDDR2800MHz)、256GB硬盘(例如:SATA的工业级固态硬盘)等。考虑到户外作业的环境较差，上述键盘可以是防水键盘(例如:88键硅胶防水键盘)。
[0033]另外，液晶显示器还可以采用3mm厚的铝镁合金外壳，以及高分辨率、耐低温、高亮度的大液晶显示器，其指数:尺寸为15.4英寸、分辨率为1280*800、亮度为700流明，强光下可视；正常工作范围在_30°C?+50°C，耐低温且宽温型。
[0034]当然，上述机箱还设置有通风口、机箱底部还可以设置底垫，以减小机箱的磨损度
坐寸ο
[0035]该结构的仪器既可以单独使用，也可以通过以太网与远方的电脑配合使用，并可以多台仪器并联使用，并联使用保证各台仪器同步采集。仪器提供多种通讯协议，以便在进行风电场功率跟踪能力测试时，能方便的与风电场的控制系统接口并获得调度发送的有功、无功遥设值。
[0036]基于上述电量记录分析仪，本实施例还对其前置采集器进行了改进，如图3a所示的电量记录分析仪的结构示意图，其每条通道上均设置有档位控制回路22，其设置有一对输入端子221，该输入端子接收的外部信号经档位控制回路传输至信号变换回路24 ;如图3b所示的档位控制回路的结构示意图，每个档位控制回路22均包括:依次相连的可编程逻辑控制器22a、三极管阵列22b、继电器组22c及若干分压电阻，用于根据上位控制分析机20下发的档位控制信号，将所在通道上的档位切换至对应的档位。其中，可编程逻辑控制器22a可以采用GAL16V8，三极管阵列22b可以采用MC1413，继电器组22c中的继电器可以采用DSP2A。其中，上述若干分压电阻在图3中未示意，在图4中示意的R1、R1A、R2、R2A、R3、R3A即为这些分压电阻。
[0037]本实施例以三个继电器为例，分别为图3b中的J1:DSP2A、J2:DSP2A和J3:DSP2A ；图中的CHn_H及CHn_L是通道η的两位档位控制输入控制字的高位及低位，当CHn_H=0，CHn_L=0时为最高档，CHn_Jl、CHn_J2、CHn_J3输出均为低，继电器Jl、J2、J3均不励磁。如图4所示的档位控制回路中继电器组驱动若干分压电阻的电路原理图，其是档位控制回路的最终执行部分，即通过继电器组的不同状态组合来确定各分压电阻是否投入，最终确定具体的分压比及档位；其中，R1=2MQ、R2=l.6ΜΩ、R3=360MQ、R1A=2MQ、R2A=1.6ΜΩ、R3A=360MQ、R4=80K Ω ;以所有继电器的节点均不闭合，以交直流2000V、1000V、200V、20V的通道为例，此时为2000V档；[0038]当CHn_H=0，CHn_L=l时为次高档，CHn_Jl输出为高，CHn_J2、CHn_J3输出均为低，继电器Jl励磁，J2、J3均不励磁，图4中Jl继电器的节点Jl.1、Jl.2闭合，J2、J3继电器的节点均不闭合，以交直流2000V、1000V、200V、20V的通道为例，此时为1000V档；
[0039]当CHn_H=l，CHn_L=0时为次低档，CHn_Jl、CHn_J2输出为高，CHn_J3输出均为低，继电器Jl、J2均励磁，J3不励磁，图4中Jl继电器的节点Jl.1、Jl.2、J2继电器的节点J2.1、J2.2均闭合，J3继电器的节点均不闭合，以交直流2000V、1000V、200V、20V的通道为例，此时为200V档；
[0040]当CHn_H=l，CHn_L=l 时为最低档，CHn_Jl、CHn_J2、CHn_J3 输出均为高，继电器 Jl、J2、J3均励磁，图4中Jl继电器的节点Jl.1、Jl.2、J2继电电器的节点J2.1、J2.2、J3继电器的节点J3.1、J3.2均闭合，以交直流2000V、1000V、200V、20V的通道为例，此时为20V档。
[0041]图3b中的TRIPn为过压保护信号(可选项)，当过压保护信号TRIPn为高时，CHn_Jl、CHn_J2、CHn_J3输出均被强制为低，继电器J1、J2、J3均不励磁，图4中所有继电器的节点均不闭合，以交直流2000V、1000V、200V、20V的通道为例，此时为被强制为2000V档。
[0042]本实施例中的信号变换回路24具体可以包括:对信号进行隔离、分压、变流等处理的信号变换模块和对信号进行放大处理的信号放大模块。
[0043]图3a所示的电量记录分析仪除了包括上述器件外，还可以采用相关技术中的其它器件实现其对电路记录分析的功能，例如，在信号变换回路24之后连接多路模拟开关25、A/D变换器26和缓存器27，各个器件的功能与图1中的功能相同，这里不再赘述。当然，该电量记录分析仪也可以采用其它类似结构实现。
[0044]本实施例的电量记录分析仪的每条通道上均设置有档位控制回路22，该档位控制回路22通过其内部的可编程逻辑控制器22a、三极管阵列22b和继电器组22c可以按照当前的档位控制信号，将所在通道上的档位切换至对应的档位，这样每个通道的输入信号范围不需要再是单一固定的，可以在各个档位内变换，扩展了电量记录分析仪应用场景，且该结构简单，易于实现。
[0045]考虑到图1和图3a所示结构中，各通道信号在进行A/D转换前，需要经过模拟多路开关的切换控制，采集速率很难提高，且不能实现真正的同步，同时也出现了采集通道的多少可能直接影响最高采样速率，如只采集一个通道信号时可以达到100kHz，但采集16个通道时就只能以6kHz左右的速率采集。基于此，本实施例对上述电量记录分析仪进行了改进，具体如图5所示的电量记录分析仪的结构示意图，该电量记录分析仪除了包括上述档位控制回路22和信号变换回路24之外，还包括在每条通道的信号变换回路24的输出端均连接有A/D变换器32，用于将所在通道上接收的模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号发送给缓存器34，各通道采集频率可达409.6kHz。
[0046]上述采用每通道设置一个A/D变换器的方式能够使单通道与多通道的采集速率保持一致，这样给使用者带来了极大的方便，在设置采集速率时不再需要考虑通道的多少，而只要考虑试验的需要就行。
[0047]对于小信号(如:发电机转子电流分流器输出电压额定值在75mV以下)输入通道，由于输入阻抗较低(一般小于1000欧姆)，如果出现信号接错(如接入PT100伏电压等)，电量记录分析仪很容易就被烧毁了，安全性得不到保障。基于此，在图5所示的电量记录分析仪基础上，图6提供了一种电量记录分析仪的结构示意图，该图中，每条通道上均设置有过压保护回路42，该过压保护回路的输入端与信号变换回路24相连，以接收经信号变换回路24放大的信号，根据该放大的信号产生过压保护信号；过压保护回路42的输出端与档位控制回路22相连，该档位控制回路22还用于在过压保护信号为高电平时，强制将所在通道上的档位切换至最高档位。
[0048]上述过压保护回路的具体结构可以参考图7所示，包括:与信号变换回路相连的第一电阻R5 ；
[0049]与第一电阻R5的另一端相连的比较器62 ；
[0050]与第一电阻R5和比较器62间导线相连的第二电阻R6，第二电阻R6的另一端接地。该结构中，假设各通道的信号变换回路的额定输出(输入等于设定档位的额定值时的输出)为5V，R5为5ΚΩ，R6为IOKΩ ;实际输入对应的信号变换回路输出信号经电阻R5、R6分压至其自身的2/3,分压后的信号与5V进行比较，当信号小于5V时比较器62输出为低电平，表明输入信号未超过档位额定值的1.5倍、保护不动作，当此信号大于5V时比较器62输出为高电平，表明输入信号超过了档位额定值的1.5倍、保护动作，此信号输出到图3b中的可编程逻辑控制器22a (具体可以为GAL16V8)中，其将本通道的档位直接强制为最高档位。该过压保护方式中，当输入电压的值超过所设定档位的1.5倍时，保护动作，并强制将档位切换至本通道的最高档位，这样，即使信号接错通道也不会被烧毁，保证了仪器的安全性。
[0051]图6所示的电量记录分析仪可以实现以下功能:
[0052](I)外部信号的接入:各通道具有I对输入端子，外部信号经输入端子直接引入到各通道的档位控制回路。
[0053](2)档位控制及切换:档位控制回路的可编程逻辑控制器接受上位控制分析机设定的档位控制命令，档位控制回路将档位切换至对应的档位，并对输入信号进行第一次信号变换。如果本通道的过压保护回路动作，则可编程逻辑控制器的输出被强制为最高档，从而控制档位控制回路强制将档位设置为最高档位。输入信号经过档位切换回路第一次信号变换后的信号送给本通道的信号变换回路。
[0054](3)信号进行(隔离)变换:信号变换回路对信号进行隔离、分压、变流等处理，将输入信号变换成一般模拟电路能处理的小信号(一般在IOV以下)。
[0055](4)信号放大:信号变换回路的信号放大单元将信号变换成标定统一的、A/D变换器可以接收的标准信号并送给本通道对应的A/D变换器及保护回路。
[0056](5.1)保护识别:输入过压保护回路的信号先缩小到本身的2/3后再与输入A/D标准信号的额定值做比较(等同于输入信号与1.5倍的额定值比较)，当输入信号小于额定值的1.5倍时保护回路输出为低，当输入信号大于额定值的1.5倍时保护回路输出为高。过压保护回路的输出信号送给档位控制回路的可编程逻辑控制器。
[0057](5.2)模数转换:将送入A/D变换器的模拟信号转换成数字信号。
[0058](6)数据暂存:将A/D转换后得到的数字信号送入缓存器(例如:内存)，并暂时保存。
[0059](7)数据的工程化及显示:上位控制分析机将收到的数据按一定转换关系转换成能真实反映外部信号的工程量，并同时以波形曲线或数值的方式显示在屏幕上。[0060](8)对上述曲线或数值进行数据的分析处理。
[0061](9)保存上述数据及分析结果。
[0062]以上实施例通过每个通道独立程控分档(例如:每通道4个档位)，很好的解决了各通道测量范围受限、信号适应能力不足的缺点，实际使用时可以根据常用的信号特点配置最合适的通道，具体通道包括:
[0063]a)交流电压通道:每个交流电压通道设计AC15V、150V、750V、1500V四档，使用者可以根据输入信号的具体情况自由设置，既可以采用150V档测量采集PT电压、采用750V档测量采集220V、380V及风电机组输出的690V电压、采用15V档测量采集发电机的残压(PT电压为3V左右)，同一个通道可以应用的场合得到了极大的提高。
[0064]b)高压交直流电压通道:每个交直流电压通道设计DC20V、200V、1000V、2000V四档(AC14V、140V、700V、1400V四档)，使用者可以根据输入信号的具体情况自由设置，既可以当交流电压通道使用，也可以当直流电压通道使用。
[0065]c)低压交直流电压通道:每个交直流电压通道设计DC200mV、2V、20V、200V四档(AC140mV、1.4V、14V、140V四档)，使用者可以根据输入信号的具体情况自由设置，既可以当交流电压通道使用，也可以当直流电压通道使用。
[0066]d)交直流电流通道:每个交直流电流通道设置档位为lH、H/5、H/25、20mA四档，其中H代表所用钳形互感器的额定量程(如5A、50A、2000A等)，交流电流采用钳形(或柔性)互感器，变送器输出的直流20mA电流直接输入。
[0067]上述实施例中，采用自动过压保护的方法解决了小量程通道容易烧毁的问题，例如:当输入电压的值超过所设定档位的1.5倍时，保护动作，并强制将档位切换至本通道的最高档位，这样，即使信号接错通道也不会被烧毁，保证了仪器的安全性。如针对发电机转子电流分流器输出电压的通道，当前同类仪器输入额定值一般为IOOmV,输入阻抗较低(一般小于1000欧姆)，采用量程为200mV、2V、20V、200V程控调档的通道，此通道的200mV档输入阻抗为2000欧姆，测量分流器输出电压时采用此档，如果接线时错误将PT的100V电压或别的较高电压接入此通道，由于超过所设档位200mV的1.5倍，本通道的保护回路动作并将档位强制为200V档，而200V档的输入阻抗为2兆欧，即使输入上千伏的电压也不会被烧毁，这样仪器的安全性得到了极大的保证。
[0068]以上实施例中，前置采集器与上位控制分析机一体化设计，具有以下优点:
[0069]1、仪器的独立使用能力得到提高，使用时不再需要跟额外的电脑连接，给使用者带来了极大的方便。
[0070]i1、仪器一体化全铝镁合金机箱的结构设计，使得仪器的坚固性得到极大的提高，可以适用于复杂的工业环境。
[0071]ii1、采用高分辨率、耐低温、高亮度大液晶显示器，使得仪器不论在北方寒冷的野夕卜(-30° )或强阳光下都可以正常工作。
[0072]iV、显示器采用上翻盖式，给使用者带来跟使用笔记本电脑一样的感觉，便利性得到了极大的提高，不使用时合上屏幕，3_厚的铝镁合金外壳给脆弱的液晶显示器提供了极好的保护。
[0073]V、内置高性能CPU (双核2.4G)、大容量内存(4GB)、大容量工业级固态硬盘(256GB)使得仪器的数据处理能力、存储能力及数据存储的安全性得到有力保障。[0074]V1、丰富的接口资源(2个lO/lOO/lOOOMbps自适应以太网接口、5个USB2.0接口、I个RS485接口、I个差分式B码对时接口 )保证了仪器与各种外部设备连接的能力，仪器既可以单独使用，也可以通过以太网与远方的电脑配合使用，并可以多台仪器并联使用，并联使用保证各台仪器同步采集。仪器提供多种通讯协议，以便在进行风电场功率跟踪能力测试时，能方便的与风电场的控制系统接口并获得调度发送的有功、无功遥设值。
[0075]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电量记录分析仪，其特征在于，前置采集器与上位控制分析机为一体结构，其中，所述前置采集器和所述上位控制分析机的主机设置在全铝镁合金机箱内，所述上位控制分析机的液晶显示器与所述机箱呈外翻式结构设置在所述机箱外，所述液晶显示器通过转轴与所述机箱的顶盖的侧棱连接，所述液晶显示器通过转轴内的数据线与所述主机相连； 所述机箱的顶盖的外表面设置有与所述主机相连接的键盘和鼠标触摸板，所述液晶显示器的显示屏内凹的深度大于所述键盘的高度； 所述机箱的后侧壁设置有所述前置采集器对应的信号采集接口，所述机箱的侧壁上设置有所述前置采集器与所述主机的供电接口，以及对应所述主机的外联接口。
2.根据权利要求1所述的电量记录分析仪，其特征在于，所述主机包括:2.4GB的双核CPU、4GB 内存、256GB 硬盘。
3.根据权利要求1所述的电量记录分析仪，其特征在于，所述外联接口包括:2个自适应以太网接口、5个USB接口、I个RS485接口和I个差分式B码对时接口。
4.根据权利要求1所述的电量记录分析仪，其特征在于，所述前置采集器的每条通道上均设置有档位控制回路，其设置有一对输入端子，该输入端子接收的外部信号经所述档位控制回路传输至信号变换回路；每个所述档位控制回路均包括:依次相连的可编程逻辑控制器、三极管阵列、继电器组及若干分压电阻，用于根据上位控制分析机下发的档位控制信号，将所在通道上的档位切换至对应的档位。
5.根据权利要求4所述的电量记录分析仪，其特征在于，每条通道的所述信号变换回路的输出端均连接有A/D变换器，用于将所在通道上接收的模拟信号转换为数字信号，然后将所述数字信号发送给缓存器。
6.根据权利要求4所述的电量记录分析仪，其特征在于，每条通道上均设置有过压保护回路，所述过压保护回路的输入端与所述信号变换回路相连，以接收经所述信号变换回路放大的信号，根据所述放大的信号产生过压保护信号；所述过压保护回路的输出端与所述档位控制回路相连，所述档位控制回路还用于在所述过压保护信号为高电平时，强制将所在通道上的档位切换至最高档位。
7.根据权利要求6所述的电量记录分析仪，其特征在于，所述过压保护回路包括: 与所述信号变换回路相连的第一电阻； 与所述第一电阻的另一端相连的比较器； 与所述第一电阻和所述比较器间相连的第二电阻，所述第二电阻的另一端接地。
【文档编号】G01R31/00GK103869196SQ201410125460
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】方春明 申请人:北京同控电力系统技术有限公司