СЧЕТЧИК АМПЕР-ЧАСОВ С ПЕРЕНОСНЫМ ПУЛЬТОМ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ Российский патент 2004 года по МПК G01R31/36 G01R22/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах электропитания плавучих и береговых навигационных огней, необслуживаемых железнодорожных переездов, в авиационной, космической и других отраслях, где требуется проводить контроль и обслуживание химических источников тока (ХИТ).

Известен счетчик ампер-часов (САЧ) [1], содержащий контактный преобразователь тока - шунт, включенный в контролируемую цепь, входной усилитель, интегрирующий конденсатор, сравнивающее устройство, мультивибратор, формирователь, ключ, декадный делитель и отсчетное устройство.

Напряжение, снимаемое с шунта, преобразуется входным усилителем в ток, который заряжает интегрирующий конденсатор. При достижении напряжением на конденсаторе порогового уровня, сравнивающее устройство запускает мультивибратор, включающий ключ, через который разряжается конденсатор. Цикл повторяется, получаемые импульсы через формирователь поступают на декадный делитель.

Недостатком описанного САЧ является отсутствие защиты от сбоев в декадном делителе, которые могут исказить результат измерения, а также невозможность перевода в режим пониженного потребления или “сна” без потери данных при питании от контролируемого ХИТ.

Известен счетчик ампер-часов [2], содержащий бесконтактный датчик тока, для повышения надежности работы которого вводятся регистры, устройства сравнения и управления записью, осуществляющий сравнение чисел в счетчике импульсов и регистрах и записью того из чисел, которое дало правильный результат при сравнении.

Недостатком данного устройства является сброс информации при кратковременном пропадании питания, невозможность организации режима пониженного потребления, отсутствие возможности накопления статистики работы ХИТ.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является устройство измерения расхода электрической энергии [3], которое состоит из стационарной и переносной частей. Стационарная часть состоит из преобразователя тока и напряжения, множительного блока, пропорционального усилителя, фильтра низких частот, преобразователя напряжение - частота, электронного счетчика импульсов и механического счетчика импульсов. Переносная часть - это переносной блок считывания точного значения израсходованной энергии с электронного счетчика и переносной блок ввода начального значения в электронный счетчик. В данном устройстве питание счетчика автономно и имеет безударный переход на питание от аккумулятора, имеет точный и грубый отсчет.

Недостатками данного устройства являются:

- наличие двух переносных блоков для считывания информации и ввода начального значения счетчика;

- отсутствие возможности организации накопления статистики о режимах работы и параметрах контролируемого химического источника тока (ХИТ);

- невозможность перевода в режим пониженного потребления или “сна” без потери данных.

Задачей изобретения является

- снижение энергопотребления при питании от ХИТ ограниченной емкости путем перевода САЧ в режим пониженного потребления или режим “сна” с программируемым временем пробуждения;

- передача информации в канал телеметрии по заданному протоколу;

- контроль потребления электрической энергии на собственные нужды и запись информации в энергонезависимую память;

- контроль температуры с записью в энергонезависимую память максимальных и минимальных значений;

- контроль напряжения;

- пародированный доступ при калибровке каналов измерения тока нагрузки, тока собственного потребления и напряжения.

Поставленная задача решается с помощью САЧ с переносным пультом управления и диагностики, состоящего из стационарной части, содержащей преобразователи тока и напряжения, пропорциональный усилитель и переносной части, в стационарную часть дополнительно включен бесконтактный преобразователь тока с переключаемыми диапазонами, преобразователь напряжения выполнен управляемым, инструментальный усилитель, первый микроконтроллер, часы реального времени с автономным питанием, модуль управления питанием, блок питания, причем управляемый преобразователь напряжения измерительным входом подключен к “плюсовой” клемме ХИТ, выходом соединен со входом пропорционального усилителя, управляющим входом подключен к первому выходу первого микроконтроллера, выход пропорционального усилителя подключен к первому входу первого микроконтроллера, второй вход первого микроконтроллера соединен с выходом инструментального усилителя, вход которого соединен с выходом преобразователя тока, первый вывод преобразователя тока подключен к “Общему” проводу САЧ и “минусовой” клемме контролируемого ХИТ, а второй соединен с “минусом” ХИТ питания САЧ, а “плюс” ХИТ питания САЧ подключен ко входу модуля управления питанием, выход которого соединен со входом блока питания, а первый управляющий вход модуля управления питанием соединен с выходом часов реального времени с автономным питанием, связанных с первым микроконтроллером, второй управляющий вход модуля управления питанием соединен со вторым выходом первого микроконтроллера, третий управляющий вход модуля управления питанием соединен с третьим входом первого микроконтроллера и линиями управления “канала телеметрии”, четвертый управляющий вход модуля управления питанием соединен с четвертым входом первого микроконтроллера и управляющим выходом первого модуля преобразования уровней, который с одной стороны связан с первым микроконтроллером, а с другой - с выходными клеммами R_х/Т_х стационарной части, а бесконтактный преобразователь тока с переключаемыми диапазонами управляющим входом соединен с третьим выходом первого микроконтроллера, а первым и вторым выходами подключен соответственно к пятому и шестому входам первого микроконтроллера, причем первый микроконтроллер по линиям передачи данных подключен к передатчику, выходы которого соединены с клеммами подключения канала телеметрии, а по двунаправленным линиям связи первый микроконтроллер связан с первой энергонезависимой памятью и преобразователем температуры, переносная часть, выполненная в виде переносного пульта управления с возможностью отключения/подключения к стационарной части при помощи соединительных кабелей, содержит клавиатуру, соединенную с первым входом модуля преобразования и стабилизации напряжения питания, второй вход которого соединен с клеммами для подключения внешнего источника питания, а третий - со встроенным химическим источником тока, по первым управляющим входам/выходам связан со вторым микроконтроллером, который связан с часами реального времени, подключенными к встроенному химическому источнику тока, второй энергонезависимой памятью, модулем индикации и через второй модуль преобразования уровней с выходными клеммами цепей R_х/Т_х, а по вторым входам/выходам второй микроконтроллер подключен к блоку формирования уровней канала телеметрии.

Структурная схема стационарной части САЧ представлена на фиг.1, а переносной части - на фиг.2.

Стационарная часть (фиг.1) САЧ содержит управляемый преобразователь напряжения 1, измерительный вход которого подключен к “плюсовой” клемме контролируемого ХИТ СВ, выход соединен со входом пропорционального усилителя 2, а управляющий вход подключен к первому выходу первого микроконтроллера 3, выход пропорционального усилителя 2 подключен к первому входу первого микроконтроллера 3, второй вход первого микроконтроллера 3 соединен с выходом инструментального усилителя 4, вход которого соединен с выходом преобразователя тока 5, первый вывод преобразователя тока 5 подключен к “Общему” проводу САЧ и “минусовой” клемме контролируемого ХИТ СВ, а второй соединен с “минусом” ХИТ питания САЧ GВ1, “плюс” ХИТ питания САЧ GВ1 подключен ко входу модуля управления питанием 6, выход которого соединен со входом блока питания 7, а первый управляющий вход модуля управления питанием 6 соединен с выходом часов реального времени с автономным питанием 8, связанных с первым микроконтроллером 3, второй управляющий вход модуля управления питанием 6 соединен со вторым выходом первого микроконтроллера 3, третий управляющий вход модуля управления питанием 6 соединен с третьим входом первого микроконтроллера 3 и линиями управления “канала телеметрии”, четвертый управляющий вход модуля управления питанием 6 соединен с четвертым входом микроконтроллера 3 и управляющим выходом первого модуля преобразования уровней 9, который с одной стороны связан с первым микроконтроллером 3, а с другой - с выходными клеммами R_х/Т_х стационарной части САЧ. Бесконтактный преобразователь тока с переключаемыми диапазонами 10, управляющим входом соединен с третьим выходом первого микроконтроллера 3, а первый и второй выходы подключены соответственно к пятому и шестому входам первого микроконтроллера 3. Первый микроконтроллер 3 по линиям передачи данных подключен к передатчику 11, выходы которого соединены с клеммами подключения канала телеметрии, а по двунаправленным линиям связи первый микроконтроллер 3 связан с первой энергонезависимой памятью 12 и преобразователем температуры 13.

Переносная часть (фиг.2) содержит клавиатуру 14, соединенную с первым входом модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15, второй вход которого соединен с клеммами для подключения внешнего источника питания, а третий - со встроенным химическим источником тока 16, а по первым управляющим входам/выходам связан со вторым микроконтроллером 17, который связан с часами реального времени 18, подключенными к встроенному химическому источнику тока 16, второй энергонезависимой памятью 19, модулем индикации 20 и через второй модуль преобразования уровней 21 с выходными клеммами цепей R_х/Т_х, а по вторым входам/выходам второй микроконтроллер 17 подключен к блоку формирования уровней 22 канала телеметрии.

Работает САЧ следующим образом.

При отключенной от клемм R_х/Т_х переносной части и канала телеметрии, включение стационарной части САЧ производится сигналом от часов реального времени с автономным питанием 8, имеющих встроенный химический источник тока и представляющих собой электронные часы с календарем и будильником. Периодичность включения САЧ программируется с помощью переносной части от 10 секунд до семи суток с дискретностью 10 секунд. В этом режиме осуществляется контроль ХИТ в режиме хранения - измерение напряжения и температуры ХИТ с последующей записью в энергонезависимую память 12. Сигнал на включение от часов реального времени с автономным питанием 8 поступает в модуль управления питанием 6, последний включается и подает напряжение от вспомогательного ХИТ GВ1 в блок питания 7. На выходе блока питания 7 формируются напряжения необходимых уровней и полярности для работы всей стационарной части САЧ. После прохождения сигнала сброса первый микроконтроллер 3 (содержащий аналоговый мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, таймеры, последовательный интерфейс) на втором выходе формирует сигнал управления “подхват” на второй управляющий вход модуля управления питанием 6 и перепрограммирует будильник часов 8 на следующее включение. После перепрограммирования часы реального времени с автономным питанием 8 снимают сигнал управления на входе модуля управления питанием 6, но стационарная часть САЧ остается включенной, благодаря наличию сигнала “подхват”. Затем первый микроконтроллер 3 под управлением программы осуществляет преобразование аналоговых сигналов в цифровой код по каналу:

- измерения тока нагрузки - бесконтактный преобразователь тока с переключаемыми диапазонами 10;

- измерения тока собственного потребления - преобразователь тока 5, инструментальный усилитель 4;

- измерения напряжения контролируемого ХИТ GВ - управляемый преобразователь;

- напряжения 1, пропорциональный усилитель 2.

Бесконтактный преобразователь тока с переключаемыми диапазонами 10 представляет собой компенсационный датчик тока с элементом Холла в качестве датчика нулевого магнитного потока и выполнен с двумя коммутируемыми компенсационными обмотками, управляемыми от первого микроконтроллера 3, с целью расширения диапазона измеряемых токов.

С помощью преобразователя температуры 13 осуществляется измерение температуры контролируемого ХИТ GВ.

После выполнения измерений микроконтроллер рассчитывает:

- количество электричества, поступившее в нагрузку на интервале времени после последнего включения;

- количество электричества, поступившее на собственные нужды на интервале времени после последнего включения;

- извлекает из первой энергонезависимой памяти 12 (электрически перепрограммируемой) статистические данные об израсходованном количестве электричества;

добавляет результаты вычислений, и новые значения возвращает в первую энергонезависимую память 12.

Затем первый микроконтроллер 3 считывает из часов реального времени с автономным питанием 8 время и дату, и записывает в первую энергонезависимую память 12 значение напряжения с пометкой временем и температуру ХИТ, измеренную преобразователем температуры 13. Затем первый микроконтроллер 3 снимает сигнал “подхвата”, поступающий в модуль управления питанием 6, и тем самым обесточивает стационарную часть, переводя ее в режим “сон”.

При подключении переносной части к клеммам R_х/Т_х первого модуля преобразования уровней 9 формируется сигнал на четвертом входе модуля управления питанием 6, приводящий к включению последнего Одновременно сигнал с выхода первого модуля преобразования уровней 9 поступает на четвертый вход микроконтроллера 3, в этом случае при “старте” первый микроконтроллер 3 формирует свой сигнал “подхвата” на второй вход модуля управления питанием 6, анализирует откуда произошло включение, выполняет команды, поступающие по линиям R_х/Т_х, и при отключении переносной части, снимает сигнал “подхвата” модуля управления питанием 6, переводя стационарную часть в режим “сон”.

При подключенном САЧ к “каналу телеметрии” включение осуществляется управляющим сигналом, поступающим из канала телеметрии на третий вход модуля управления питанием 6 и третий вход первого микроконтроллера 3. Последний формирует сигнал “подхват” на второй вход модуля управления питанием 6 и будет его удерживать до снятия сигнала управления на третьем входе. В этом режиме первый микроконтроллер 3 осуществляет передачу данных в канал телеметрии через передатчик 11 по определенному протоколу информацию об израсходованном количестве электричества, токе нагрузки, напряжении контролируемого ХИТ и температуре.

Переносная часть САЧ (фиг.2) работает следующим образом. Включение переносной части САЧ осуществляется нажатием кнопки “вкл./откл” на поле клавиатуры 14 Сигнал с клавиатуры 14 поступает на первый вход модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15 и обеспечивает включение переносной части САЧ от встроенного химического источника тока 16, подключенному ко второму входу модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15. На выходе модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15 формируются напряжения необходимого для работы переносной части САЧ уровня полярности и формируется сигнал на первый вход второго микроконтроллера 17. После включения второй микроконтроллер 17 анализирует сигнал на этом входе, и в случае его присутствия, формирует ответный сигнал “подхват”, что обеспечивает удержание во включенном состоянии модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15 сигналом “подхват” при отпускании кнопки “вкл./откл” снимается сигнал на первом входе второго микроконтроллера 17. При повторном нажатии кнопки “вкл./откл” на поле клавиатуры 14 на выходе модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15 формируется сигнал на первый вход второго микроконтроллера 17, второй микроконтроллер 17 снимает сигнал “подхват”, и при отпускании кнопки “вкл./откл” на поле клавиатуры 14 происходит отключение переносной части САЧ.

При включении внешнего источника питания, подключаемого к третьему входу модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15, последний включается, но сигнал на первый вход второго микроконтроллера 17 не формирует. Таким образом, второй микроконтроллер 17 распознает источник питания, и в случае питания от внешнего источника обеспечивает регулировку подсветки модуля индикации 20, связанного со вторым микроконтроллером 17. Во включенном состоянии второй микроконтроллер 17 через связанный с ним второй модуль преобразования уровней 21 обеспечивает протекание тока по цепям R_х/Т_х, соединенными кабелем с одноименными цепями стационарной части САЧ. Стационарная часть САЧ выводится из режима “сон” и по командам оператора с помощью клавиатуры 14 переносной части обеспечивает выполнение следующих функций:

- перезапись информации из первой энергонезависимой памяти 12 во вторую энергонезависимую память 19;

- калибровка канала измерения тока нагрузки;

- калибровка канала измерения тока собственного потребления;

- калибровка канала измерения напряжения контролируемого ХИТ;

- передача информации в модуль индикации переносной части о токе нагрузки, токе собственного потребления, напряжении и температуре контролируемого ХИТ;

- передача информации из переносной части в стационарную по каналу R_х/Т_х и возврат ее в переносную часть по каналу телеметрии с целью проверки канала телеметрии;

- имитация сигналов включения стационарной части из канала телеметрии с возвратом информации в переносную часть по каналу R_х/Т_х.

Имитация работы канала телеметрии осуществляется блоком формирования уровней 22.

Переносная часть САЧ имеет в своем составе часы реального времени 18, связанные со вторым микроконтроллером 17 и подключенные ко встроенному ХИТ 16.

Источники информации

1. Вайлов А.М., Эйгель Ф.П. “Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей”. М., Связь, 1975 г.

2. Патент России №2160904 С1 от 20.12.2000 г. Счетчик ампер-часов. Беляев А.Н., Войткун В.В., Минков А.П.

3. Заявка РФ на изобретение №9301880 1995.08.20. В.С.Щепин Устройство измерения расхода электрической энергии.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах электропитания, где требуется производить контроль и обслуживание химических источников тока. Стационарная часть счетчика представляет собой измерительное устройство на базе микроконтроллера, которое предназначено для измерения напряжения контролируемого источника, тока нагрузки с использованием бесконтактного преобразователя тока и тока собственного потребления от вспомогательного источника, подсчета количества электричества, израсходованного от этих источников, накопления информации в энергонезависимой памяти и передачи информации в канал телеметрии. Переносная часть представляет собой пульт управления и диагностики, который позволяет осуществлять калибровку стационарной части и считывание информации. Изобретение позволяет автоматизировать контроль химических источников тока, используя данные диагностики, оптимизировать их сроки эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Счетчик ампер-часов с переносным пультом управления и диагностики, состоящий из стационарной части, содержащей преобразователь тока и напряжения, пропорциональный усилитель, и переносной части, отличающийся тем, что в стационарную часть дополнительно введен бесконтактный преобразователь тока с переключаемыми диапазонами, преобразователь напряжения выполнен управляемым, инструментальный усилитель, первый микроконтроллер, часы реального времени с автономным питанием, модуль управления питанием, блок питания, причем управляемый преобразователь напряжения измерительным входом подключен к “плюсовой” клемме химического источника тока, выходом соединен со входом пропорционального усилителя, управляющим входом подключен к первому выходу первого микроконтроллера, выход пропорционального усилителя подключен к первому входу первого микроконтроллера, второй вход первого микроконтроллера соединен с выходом инструментального усилителя, вход которого соединен с выходом преобразователя тока, первый вывод преобразователя тока подключен к “Общему” проводу счетчика ампер-часов и “минусовой” клемме контролируемого химического источника тока, а второй соединен с “минусом” химического источника тока питания счетчика ампер-часов, а “плюс” химического источника тока питания счетчика ампер-часов подключен ко входу модуля управления питанием, выход которого соединен со входом блока питания, а первый управляющий вход модуля управления питанием соединен с выходом часов реального времени с автономным питанием, связанных с первым микроконтроллером, второй управляющий вход модуля управления питанием соединен с третьим входом первого микроконтроллера и линиями управления “канала телеметрии”, четвертый управляющий вход модуля управления питанием соединен с четвертым входом первого микроконтроллера и управляющим выходом первого модуля преобразования уровней, который с одной стороны связан с первым микроконтроллером, а с другой с выходными клеммами стационарной части, а бесконтактный преобразователь тока с переключаемыми диапазонами управляющим входом соединен с третьим выходом первого микроконтроллера, а первым и вторым выходами подключен соответственно к пятому и шестому входам первого микроконтроллера, причем первый микроконтроллер, по линиям передачи данных, подключен к передатчику, выходы которого соединены с клеммами подключения канала телеметрии, а по двунаправленным линиям связи первый микроконтроллер связан с первой энергозависимой памятью и преобразователем температуры, переносная часть, выполненная в виде переносного пульта управления с возможностью отключения/подключения к стационарной части при помощи соединительных кабелей, содержит клавиатуру, соединенную с первым входом модуля преобразования и стабилизации напряжения питания, второй вход которого соединен с клеммами для подключения внешнего источника питания, а третий со встроенным химическим источником тока, по первым управляющим входам/выходам модуль преобразования и стабилизации напряжения питания связан со вторым микроконтроллером, который связан с часами реального времени, подключенными к встроенному химическому источнику тока, второй энергонезависимой памятью, модулем индикации и через второй модуль преобразования уровней с выходными клеммами, а по вторым входам/выходам второй микроконтроллер подключен к блоку формирования уровней канала телеметрии.2. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что встроенные часы реального времени с автономным питанием представляют собой электронные часы с календарем и будильником с подключенным химическим источником тока.