СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G01R19/165 G01R19/257 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к измерению и контролю параметров в автоматике, и может быть использовано для непрерывного автоматического диагностирования вторичных источников питания систем автоматического управления, регулирования и контроля в различных отраслях промышленности.

Из уровня техники известным является устройство для контроля напряжения, содержащее источник опорного напряжения, подключенный к входу компаратора, светоизлучающий диод, делитель напряжения, три пороговых элемента, ключевой элемент, транзистор, конденсатор и резисторы (патент РФ №2022274, кл. G01R 19/165, опубликовано 30.10.1994). Недостатками известного устройства являются большое число элементов, снижающих надежность устройства, и отсутствие контроля переменной составляющей измеряемого напряжения.

Известно автоматическое устройство для контроля напряжения, содержащее задатчик моментов измерения, аналого-цифровой преобразователь, задатчик номинальных значений напряжения, блок управления, блоки выделения максимального и минимального кодов, квадраторы, два арифметических блока, суммирующий счетчик, блок извлечения квадратного корня, блок элементов или логометр и блок индикации (патент РФ №2026559, кл. G01R 19/00, опубликовано 10.01.1995). Недостатками данного устройства являются его сложность и избыточность элементов, приводящих к погрешностям вычислений значений параметров напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является контроллер диагностирования n вторичных источников питания, содержащий электронный блок, включающий узел предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, блок энергонезависимой памяти, генератор тактовой частоты, делитель частоты, интерфейс, исполнительное реле, кнопку, индикатор, причем узел предварительного масштабирования выполнен с возможностью сохранения линейной характеристики во всем диапазоне измеряемых величин, а сам электронный блок снабжен источником питания (патент РФ №2353938, кл. G01R 19/165, опубликовано 27.04.2009 в бюл. №12). Недостатком данного устройства является большая длительность цикла измерения и контроля уровня и размаха пульсации напряжения одного канала, обусловленная затратами времени на измерение и преобразование в цифровые коды пиковых (максимального и минимального) уровней напряжения, вычисление разницы этих кодов (C_max-C_min) и кода усредненного уровня напряжения C_mj.

Целью предлагаемого способа диагностирования вторичного источника питания и устройства для его осуществления является сокращение длительности цикла измерения и контроля уровня и размаха пульсации напряжения, повышение точности, достоверности и оперативности диагностирования вторичного источника питания путем измерения и контроля основных параметров его выходного напряжения: уровня (постоянной составляющей) и размаха пульсации (переменной составляющей).

Указанная цель достигается способом диагностирования вторичного источника питания, включающего опрос выходного напряжения вторичного источника питания, нормализацию напряжения к необходимому уровню для преобразования в цифровой код, преобразования в аналого-цифровом преобразователе уровня нормализованного напряжения в цифровой код и вычисления в микропроцессоре кодов уровней напряжения: максимального C_max, усредненного C_mj и минимального C_min - в течение 128 циклов, сравнение кода усредненного уровня напряжения C_mj с кодами максимального уровня напряжения K_max и минимального уровня напряжения K_min, разницы кодов (C_max-C_min) с кодом предельного значения размаха пульсаций K_pp, переход по результатам сравнения в режим обнаружения неисправного вторичного источника питания.

В отличие от прототипа, измеряемое напряжение с выхода вторичного источника питания одновременно подают на узел масштабирования напряжения и узел преобразования пульсации, с выхода узла масштабирования напряжения нормализованное и отфильтрованное напряжение подают на вход аналого-цифрового преобразователя, где значение нормализованного и отфильтрованного напряжения усредняют в течение 64-х циклов и преобразовывают в цифровой код усредненного уровня напряжения, вес которого сравнивают в микропроцессоре с весом кодов пороговых значений, и при весе кода усредненного уровня напряжения больше (меньше) веса кода максимального (минимального) порогового значения формируют сигнал признака неисправности на индикатор единичный "ВЫШЕ" ("НИЖЕ"), в узле преобразования пульсации через разделитель конденсаторный на усилитель операционный подают только переменную составляющую входного напряжения, которую после наложения на опорное напряжение, формируемое источником опорного напряжения, усиливают в усилителе операционном, преобразовывают в удвоителе напряжения в напряжение постоянного тока, которое через повторитель напряжения подают на первый вход аналогового компаратора микроконтроллера, сравнивают с опорным напряжением внутреннего источника опорного напряжения, поступающим на второй вход аналогового компаратора микроконтроллера, и при превышении значения напряжения постоянного тока значения опорного напряжения внутреннего источника опорного напряжения формируют сигнал признака неисправности на индикатор единичный "ПУЛЬС".

Для реализации способа используют устройство, содержащее контроллер диагностирования вторичных источников питания, содержащий электронный блок, включающий узел предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, генератор тактовой частоты, делитель частоты, причем узел предварительного масштабирования выполнен с возможностью сохранения линейной характеристики во всем диапазоне измеряемых величин, а сам электронный блок снабжен источником питания, в отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве в узел масштабирования напряжения устройства введены делитель напряжения и фильтр помехоподавляющий, в узел преобразования пульсации введены разделитель конденсаторный, источник опорного напряжения, усилитель операционный, удвоитель напряжения и повторитель напряжения, в устройство введен микроконтроллер, включающий аналого-цифровой преобразователь, предделитель частоты, внутренний генератор частоты, внутренний источник опорного напряжения, аналоговый компаратор и микропроцессор, при этом клемма входного напряжения соединена с входом делителя напряжения, выход которого соединен с входом фильтра помехоподавляющего и первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом микропроцессора, три выхода которого соединены с входами индикаторов единичных "ВЫШЕ", "НИЖЕ" и "ПУЛЬС", второй вход микропроцессора соединен с первым выходом внутреннего генератора частоты, второй выход которого соединен с входом предделителя частоты, выход которого соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, при этом клемма входного напряжения соединена с входом разделителя конденсаторного, выход которого соединен с первым входом усилителя операционного, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход усилителя операционного соединен с входом удвоителя напряжения, выход которого соединен с входом повторителя напряжения, выход которого соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого соединен с выходом внутреннего источника опорного напряжения, а выход аналогового компаратора соединен с третьим входом микропроцессора.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа п. 1, на фиг. 2 - блок-схема алгоритма функционирования микроконтроллера устройства, на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства при поиске и обнаружении отклонения уровня входного напряжения U₁ за пороговые значения, на фиг. 4 - временные диаграммы работы устройства при поиске и обнаружении превышения значения размаха пульсации входного напряжения U₁ предельно допустимого значения.

В состав устройства (фиг. 1) входят блок 1 электронный, включающий узел 2 масштабирования напряжения, узел 3 преобразования пульсации, микроконтроллер 4, индикатор 5 единичный "ВЫШЕ", индикатор 6 единичный "НИЖЕ", индикатор 7 единичный "ПУЛЬС". В узел 2 масштабирования напряжения введены делитель 8 напряжения и фильтр 9 помехоподавляющий, в узел 3 преобразования пульсации введены разделитель 12 конденсаторный, источник 13 опорного напряжения, усилитель 14 операционный, удвоитель 15 напряжения, повторитель 16 напряжения, а в микроконтроллер 4 введены аналого-цифровой преобразователь 10, предделитель 20 частоты, внутренний генератор 19 частоты, внутренний источник 18 опорного напряжения, аналоговый компаратор 17, микропроцессор 11, и в блок 1 электронный введен источник 21 питания.

Блок-схема содержит следующие обозначения алгоритма функционирования микроконтроллера устройства (фиг. 2):

1 - выполнить инициализацию микроконтроллера;

2 - выполнить проверку исправности индикаторов единичных "ВЫШЕ", "НИЖЕ" и "ПУЛЬС";

3 - очистить регистры счетчиков, АЦП-результата, кода усредненного уровня напряжения C_avr;

4 - выполнить аналого-цифровое преобразование напряжения, вычислить код усредненного уровня напряжения C_avr и сравнить его с кодами минимального уровня напряжения C_min и максимального уровня напряжения C_max;

5 - если C_avr<C_min, то идти на 6; если C_avr>C_min, то идти на 7;

6 - включить индикатор единичный "НИЖЕ" и идти на 10;

7 - если C_avr>C_max, то идти на 8; если C_avr<C_max, то идти на 9;

8 - включить индикатор единичный "ВЫШЕ" и идти на 10;

9 - выключить индикаторы единичные "ВЫШЕ" и "НИЖЕ" и идти на 10;

10 - преобразовать переменную составляющую входного напряжения в напряжение постоянного тока и сравнить его значение со значением опорного напряжения внутреннего источника опорного напряжения;

11 - если U₆>U_вион, то идти на 12; если U₆<U_вион, то идти на 13;

12 - включить индикатор единичный "ПУЛЬС" и идти на 3;

13 - выключить индикатор единичный "ПУЛЬС" и идти на 3.

Функционирование устройства (фиг. 1) происходит следующим образом. После подачи на устройство напряжения питания выполняется инициализация устройств микроконтроллера, затем в течение пяти секунд производится проверка исправности индикаторов 5, 6, 7 единичных, по окончании которой устройство переводится в режим поиска и обнаружения как отклонения уровня напряжения за пороговые значения, так и превышения размаха пульсации допустимого значения.

Поиск и обнаружение отклонения уровня входного напряжения U₁ за пороговые значения производится путем:

- циклического опроса входного напряжения U₁;

- нормализации напряжения - приведения с помощью делителя 8 напряжения уровня входного напряжения U₁ к необходимому уровню для преобразования его в цифровой код;

- преобразования в аналого-цифровом преобразователе 10 уровня нормализованного и отфильтрованного напряжения U₂ в цифровой код, накопление результатов 64-х аналого-цифровых преобразований и вычисление в микропроцессоре 11 кода усредненного уровня напряжения C_avr;

- сравнения кода усредненного уровня напряжения C_avr с кодами минимального уровня напряжения C_min и максимального уровня напряжения C_max;

- перехода по результатам сравнения на выполнение следующих процедур:

включение индикатора 6 единичного "НИЖЕ" при C_avr<C_min,

включение индикатора 5 единичного "ВЫШЕ" при C_avr>C_max,

выключение индикатора 6 единичного "НИЖЕ" и индикатора 5 единичного "ВЫШЕ" при C_min<C_avr<C_max,

перехода после выполнения каждой из этих процедур на поиск и обнаружение превышения значения размаха пульсации входного напряжения предельно допустимого значения.

Поиск и обнаружение превышения значения размаха пульсации входного напряжения предельно допустимого значения производится путем:

- циклического опроса входного напряжения U₁;

- выделения из входного напряжения U₁ переменной составляющей U₃ разделителем 12 конденсаторным;

- формирования необходимого уровня опорного напряжения U_ион источником 13 опорного напряжения;

- наложения переменной составляющей U₃ на уровень опорного напряжения U_ион;

- усиления переменной составляющей U₃, наложенной на уровень опорного напряжения U_ион, до переменной составляющей U₄, наложенной на уровень опорного напряжения U_ион, усилителем 14 операционным;

- преобразования усиленной переменной составляющей U₄, наложенной на уровень опорного напряжения U_ион, в напряжение постоянного тока U₅ удвоителем 15 напряжения;

- подачи напряжения постоянного тока U₆, равного напряжению постоянного тока U₅, через повторитель 16 напряжения на первый вход аналогового компаратора 17;

- подачи опорного напряжения U_вион внутреннего источника 18 опорного напряжения на второй вход аналогового компаратора 17;

- сравнения в аналоговом компараторе 17 значения напряжения постоянного тока U₆ со значением опорного напряжения U_вион внутреннего источника 18 опорного напряжения;

- перехода по результату сравнения на выполнение следующих процедур:

включение индикатора 7 единичного "ПУЛЬС" при U₆>U_вион с переходом на начало бесконечного цикла после его включения,

выключение индикатора 7 единичного "ПУЛЬС" при U₆<U_вион с переходом на начало бесконечного цикла после его выключения.

Повышение точности измерения параметров выходного напряжения вторичного источника питания: уровня (постоянной составляющей) и размаха пульсации (переменной составляющей) достигается:

- точным преобразованием прецизионными резисторами делителя 8 напряжения уровня входного напряжения U₁ в уровень нормализованного напряжения U₂;

- уменьшением фильтром 9 помехоподавляющим уровней высокочастотных импульсов, поступающих с входным напряжением U₁ в блок 1 электронный;

- точным преобразованием аналого-цифровым преобразователем 10 уровня нормализованного и отфильтрованного напряжения U₂ в цифровой код, накоплением результатов 64-х аналого-цифровых преобразований и вычислением в микропроцессоре 11 кода усредненного уровня напряжения C_avr;

- стабильностью частоты внутреннего генератора 19 частоты и предделителя 20 частоты;

- стабильностью напряжения U_пит источника 21 питания;

- формированием точного уровня опорного напряжения U_ион источником 13 опорного напряжения;

- точным выделением переменной составляющей U₃ из входного напряжения U₁ разделителем 12 конденсаторным;

- точным наложением выделенной переменной составляющей U₃ на уровень опорного напряжения U_ион;

- усилением переменной составляющей U₃ с точно заданным коэффициентом усиления усилителем 14 операционным;

- точным преобразованием усиленной переменной составляющей U₄ в напряжение постоянного тока U₅ удвоителем 15 напряжения;

- точным соответствием значений напряжения постоянного тока на входе U₅ и выходе U₆ повторителя 16 напряжения;

- высокой стабильностью опорного напряжения U_вион внутреннего источника 18 опорного напряжения;

Повышение достоверности диагностирования вторичного источника питания достигается:

- многократными аналого-цифровыми преобразованиями нормализованного и отфильтрованного напряжений U₂ (64 выборки) и вычислением кода усредненного уровня напряжения C_avr;

- соответствием кода усредненного уровня напряжения C_avr уровню измеренного входного напряжения U₁;

- соответствием кодов пороговых значений максимальному и минимальному предельно допустимым значениям входного напряжения U₁;

- соответствием значения напряжения U₆ с выхода узла 3 преобразования пульсации значению переменной составляющей входного напряжения U₁;

- соответствием события включения/выключения i-го индикатора единичного достижению порогового значения уровня или величине размаха пульсации входного напряжения U₁;

- проверкой исправности индикаторов единичных перед диагностированием вторичного источника питания.

Повышение оперативности диагностирования вторичного источника питания достигается:

- малым временем преобразования аналого-цифровым преобразователем 10 уровня нормализованного и отфильтрованного напряжения U₂ в цифровой код;

- высокоскоростными вычислениями в микропроцессоре 11;

- быстродействием преобразования переменной составляющей U₃ в напряжение постоянного тока U₆ в узле 3 преобразования пульсации;

- малым временем отклика аналогового компаратора 17;

- оперативным формированием микропроцессором 11 сигналов признаков неисправности "ВЫШЕ", "НИЖЕ" и "ПУЛЬС".

Особенностью предлагаемого способа диагностирования вторичного источника питания и устройства для его осуществления является дальнейший поиск отклонения значения одного параметра (например, уровня) за предельное значение при обнаружении и сигнализации отклонения значения другого параметра (например, пульсации).

Предлагаемый способ диагностирования вторичного источника питания, как вариант применения, используется при контроле технического состояния узла фильтрации электропитания преобразователей давления, установленного в блоке контроля питания, а устройство для его осуществления представляет собой контроллер, встроенный в пульт системы диагностирования блоков контроля питания установки автоматизации газоперекачивающего агрегата и имеющий следующие характеристики: погрешность измерения и контроля уровня входного напряжения - ±0,2%, погрешность измерения и контроля размаха пульсации входного напряжения - ±2%, длительность цикла измерения и контроля параметров входного напряжения при тактовой частоте 4,8 МГц внутреннего генератора частоты - 6,16 мс.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к измерению и контролю параметров в автоматике, и может быть использовано для непрерывного автоматического диагностирования вторичных источников питания систем автоматического управления, регулирования и контроля в различных отраслях промышленности. Технический результат заключается в сокращении длительности цикла измерения и контроля уровня и размаха пульсации напряжения, повышении точности, достоверности и оперативности диагностирования вторичного источника питания путем измерения и контроля основных параметров его выходного напряжения: уровня (постоянной составляющей) и размаха пульсации (переменной составляющей). Для реализации способа диагностирования вторичного источника питания измеряемое напряжение с выхода вторичного источника питания одновременно подают на узел масштабирования напряжения и узел преобразования пульсации, с выхода узла масштабирования напряжения нормализованное и отфильтрованное напряжение подают на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, где его преобразовывают в цифровой код усредненного уровня напряжения, вес которого сравнивают в микропроцессоре с весом кодов пороговых значений, и при весе кода усредненного уровня напряжения больше (меньше) веса кода максимального (минимального) порогового значения формируют сигнал признака неисправности на индикатор единичный "ВЫШЕ" ("НИЖЕ"), в узле преобразования пульсации переменную составляющую входного напряжения преобразовывают в напряжение постоянного тока, которое в аналоговом компараторе микроконтроллера сравнивают с опорным напряжением внутреннего источника опорного напряжения, и при превышении значения напряжения постоянного тока значения опорного напряжения внутреннего источника опорного напряжения формируют сигнал признака неисправности на индикатор единичный "ПУЛЬС". Контроллер диагностирования вторичных источников питания содержит электронный блок, включающий узел 2 масштабирования напряжения, узел 3 преобразования пульсации, микроконтроллер 4, индикатор 5 единичный "ВЫШЕ", индикатор 6 единичный "НИЖЕ", индикатор 7 единичный "ПУЛЬС". 2 н.п. ф-лы. 4 ил.

1. Способ диагностирования вторичного источника питания, включающий опрос выходного напряжения вторичного источника питания, нормализацию напряжения к необходимому уровню для преобразования в цифровой код, преобразования в аналого-цифровом преобразователе уровня нормализованного напряжения в цифровой код и вычисления в микропроцессоре кодов уровней напряжения: максимального C_max, усредненного C_mj и минимального C_min - в течение 128 циклов, сравнение кода усредненного уровня напряжения C_mj с кодами максимального уровня напряжения K_max и минимального уровня напряжения K_min, разницы кодов (C_max- C_min) с кодом предельного значения размаха пульсаций K_pp, переход по результатам сравнения в режим обнаружения неисправного вторичного источника питания, отличающийся тем, что измеряемое напряжение с выхода вторичного источника питания одновременно подают на узел масштабирования напряжения и узел преобразования пульсации, с выхода узла масштабирования напряжения нормализованное и отфильтрованное напряжение подают на вход аналого-цифрового преобразователя, где значение нормализованного и отфильтрованного напряжения усредняют в течение 64-х циклов и преобразовывают в цифровой код усредненного уровня напряжения, вес которого сравнивают в микропроцессоре с весом кодов пороговых значений, и при весе кода усредненного уровня напряжения больше (меньше) веса кода максимального (минимального) порогового значения формируют сигнал признака неисправности на индикатор единичный "ВЫШЕ" ("НИЖЕ"), в узле преобразования пульсации через разделитель конденсаторный на усилитель операционный подают только переменную составляющую входного напряжения, которую после наложения на опорное напряжение, формируемое источником опорного напряжения, усиливают в усилителе операционном, преобразовывают в удвоителе напряжения в напряжение постоянного тока, которое через повторитель напряжения подают на первый вход аналогового компаратора микроконтроллера, сравнивают с опорным напряжением внутреннего источника опорного напряжения, поступающим на второй вход аналогового компаратора микроконтроллера, и при превышении значения напряжения постоянного тока значения опорного напряжения внутреннего источника опорного напряжения формируют сигнал признака неисправности на индикатор единичный "ПУЛЬС".

2. Контроллер диагностирования вторичных источников питания, содержащий электронный блок, включающий узел предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, внутренний генератор частоты, предделитель частоты, причем узел предварительного масштабирования выполнен с возможностью сохранения линейной характеристики во всем диапазоне измеряемых величин, а сам электронный блок снабжен источником питания, отличающийся тем, что в узел масштабирования напряжения устройства введены делитель напряжения и фильтр помехоподавляющий, в узел преобразования пульсации введены разделитель конденсаторный, источник опорного напряжения, усилитель операционный, удвоитель напряжения и повторитель напряжения, в устройство введен микроконтроллер, включающий аналого-цифровой преобразователь, предделитель частоты, внутренний генератор частоты, внутренний источник опорного напряжения, аналоговый компаратор и микропроцессор, при этом клемма входного напряжения соединена с входом делителя напряжения, выход которого соединен с входом фильтра помехоподавляющего и первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом микропроцессора, три выхода которого соединены с входами индикаторов единичных "ВЫШЕ", "НИЖЕ" и "ПУЛЬС", второй вход микропроцессора соединен с первым выходом внутреннего генератора частоты, второй выход которого соединен с входом предделителя частоты, выход которого соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, при этом клемма входного напряжения соединена с входом разделителя конденсаторного, выход которого соединен с первым входом усилителя операционного, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход усилителя операционного соединен с входом удвоителя напряжения, выход которого соединен с входом повторителя напряжения, выход которого соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого соединен с выходом внутреннего источника опорного напряжения, а выход аналогового компаратора соединен с третьим входом микропроцессора.