一种温度自补偿的开关量信号处理方法与流程

本发明涉及开关量信号的处理方法以及应用该方法的各种装置，适用于电力自动化系统中需要开关量信号采集的保护控制及自动化装置。

背景技术：

在电力自动化系统内，存在着如断路器、隔离开关、负荷开关等以开关量形式存在的辅助接点，这些开关量通常都处在高压回路中，并且也处在一个强电磁干扰的工作环境中。因为这些原因，开关量输入的通常处理是首先采用光耦隔离的方式进行隔离处理后再进行信号的采集。而电力自动化系统内的保护控制及自动化装置一般都有满足55％-70％的动作范围的要求，传统的方法是依据光耦的温度特性参数的变化范围，有针对性的在生产环节调整与其配合的电阻阻值，使动作电压在受温度影响时尽量在55％-70％的范围内变化；还有一种方法是使用cpu的模拟采样ad通道接入光耦输出的信号，将外部开关量输入信号转成成模拟量信号进行处理以满足55％-70％的动作范围，有时会配合温度传感器采样进行一定程度上的补偿。

目前，这些开关量信号的处理方法存在如下问题：

1、依据光耦特性调整适配电阻的方法存在调试工作量大、生产效率低、处理后动作电压离散度高、无法从根本上补偿温度影响所带来的动作电压的变化等问题，并且经常会出现高温环境下动作电压超出70％的情况。

2、采用ad通道采样光耦输出的模拟量信号并配合温度传感器测温的开关量信号处理方法，其对温度变化引起的动作电压变化有一定的补偿，但未考虑不同批次光耦间的ctr的较大差异，所以在高温环境下动作电压的补偿一致性不高，也偶有超出70％的情况发生。

技术实现要素：

为了根本上解决温度补偿不足以及不一致的问题，本发明提出了一种温度自补偿的开关量信号处理方法，能够从根本上补偿温度影响所带来的动作电压的变化，不占用ad通道，并且满足55％-70％的开入电压动作范围。

为实现上述目的，本发明的解决方案是：一种温度自补偿的开关量信号处理方法，包括如下步骤：

步骤一、首先根据一个批次的光耦获取其环境温度ta＝25℃的电流传输比ctr数据，绘制电流传输比ctr-温度特性曲线，确定本批次光耦的电流传输比ctr分布区域；

如果厂家提供电流传输比ctr数据就采用厂家提供的数据，如果厂家不提供，使用测试工装按照统计理论对本批次抽样的光耦检测，并经假设检验后，绘制电流传输比ctr温度特性曲线，两条电流传输比ctr-温度特性限制曲线交叉包裹的区域便是本批次的电流传输比ctr分布区域。

步骤二、按照均分电流传输比ctr分布区域的原则，获得拟合目标曲线；

步骤三、采用最小逼近拟合算法进行拟合，确定用于连接于光耦发光管输入端的温度补偿拟合电阻阵列中正温度系数热敏电阻器ptc和负温度系数热敏电阻器ntc的数量及阻值。所述的温度补偿拟合电阻阵列是依据光耦电流传输比ctr受温度影响的特性曲线设计组合若干个具有不同阻值和温度特性的线性正温度系数热敏电阻器ptc与负温度系数热敏电阻器ntc。

当本批次光耦的电流传输比ctr-温度特性曲线有明显拐点时，根据电流传输比ctr-温度特性曲线的拐点确定用于连接于光耦输出端的调整拟合电阻阵列中正温度系数热敏电阻器ptc和负温度系数热敏电阻器ntc的数量及阻值。光耦输出端连接由非线性和线性的ptc或ntc组成的调整拟合电阻阵列对个别批次光耦电流传输比ctr的温度特性曲线有明显拐点的情况进行特定调整。

步骤一中电流传输比ctr分布区域为两条电流传输比ctr-温度特性限值曲线交叉包裹区域。

所述温度补偿拟合电阻阵列的整体阻值随温度变化的特性曲线具有与光耦电流传输比ctr受温度影响的特性曲线相似的规律，温度补偿拟合电阻阵列的整体阻值随温度变化的特性曲线拟合步骤二中所述的拟合目标曲线，温度补偿拟合电阻阵列可有效自动补偿光耦工作温度范围内受温度变化影响而引起的输出电压的变化。

光耦元件由于其原理和制造工艺的原因，相同型号光耦的电流传输比ctr有比较大的离散性(一般在50％-600％左右)，但在直流输入电流if基本不变的情况下，电流传输比ctr的变化主要由温度变化和制造批次决定，所以可以以批次为单位进行筛选分离，并建立对应的光耦电流传输比ctr-温度特性曲线记录。当光耦工作在线性区时，其电流传输比ctr、直流输入电流if以及直流输出电流ic之间具有比例关系ic＝if*ctr。本发明即利用光耦电流传输比ctr的温度特性曲线记录，进行温度补偿拟合电阻阵列的设计。

利用线性正温度系数热敏电阻器ptc和负温度系数热敏电阻器ntc热敏电阻两种相反的随温度变化而阻值变化的特性，选择不同的阻值和温度系数，通过设计就能利用这两种斜率相反(变化方向)、步幅不同(温度系数影响)的电阻拟合出与光耦电流传输比ctr温度特性曲线基本一致的温度补偿电阻阵列。对于光耦的输出端而言，在必要的情况下可以采用线性或者非线性的正温度系数热敏电阻器ptc或者负温度系数热敏电阻器ntc与精密电阻并联，直接针对输出电压进行拐点调整。

最终经过如上补偿和调整后的电压输出连接cpu或者外围器件的ttl电平形式的输入引脚，可满足光耦全工作范围内(如-40℃～85℃)的55％～70％的动作范围而不超限。

本发明的有益效果：

1.此解决方案针对温度变化引起的动作电压的变化可做到自动补偿，不占用和依赖cpu的ad通道资源，无需软件开发，简单易用。

2.相对于传统方法，采用以批次为单位补偿和调整，补偿精度高，全工作范围(如-40℃～85℃)内满足动作范围不超限。

3.因为采用全硬件的方式解决温度补偿，对应装置的生产、调试、测试、检验各环节批量化效率高，人员技能要求低。

4.直接针对开关量信号处理环节的温度影响造成的动作电压无源补偿，成本低廉，适用广泛；软件版本升级以及cpu升级换代的兼容性高，无需再次开发。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是本发明的实现方案原理图；

图3是电流传输比ctr温度特性曲线图；

图4是温度补偿拟合电阻阵列拟合目标曲线图；

图5是温度补偿拟合电阻阵列并联后的补偿电阻数据。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种温度自补偿的开关量信号处理方式进一步详细说明。

一种温度自补偿的开关量信号处理方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、首先根据一个批次的光耦获取其环境温度ta＝25℃的电流传输比ctr数据，绘制图3中的电流传输比ctr-温度特性曲线，曲线1和曲线2为电流传输比ctr数据分布的限值曲线，由这两条曲线交叉包裹区域确定本批次光耦的电流传输比ctr分布区域；

步骤二、按照均分电流传输比ctr分布区域的原则，获得图4中的拟合目标曲线；

步骤三、采用最小逼近拟合算法进行拟合，确定用于连接于光耦发光管输入端的温度补偿拟合电阻阵列中正温度系数热敏电阻器ptc和负温度系数热敏电阻器ntc的数量及阻值。

开关量信号电平为220v，选择直流输入电流if＝1ma为环境温度ta＝25℃时的工作电流，为了便于后期温度补偿拟合电阻阵列中电阻阻值选择，预先仅设定电阻r1和温度补偿拟合电阻阵列并联电阻值之和为220k。根据图4的拟合目标曲线的目标值，设置正温度系数热敏电阻器ptc和负温度系数热敏电阻器ntc的阻值范围为50k～100k、温度系数取值范围为1000ppm～5000ppm、正温度系数热敏电阻器ptc或者负温度系数热敏电阻器ntc的器件数量最大为2、温度系数模式为线性，使用最小逼近拟合算法进行拟合。最终，综合最优的ptc和ntc方案为：1个100k阻值3000ppm的ptc电阻、1个200k阻值3000ppm的ntc电阻。采用此线性压敏电阻并联后在-50℃～100℃温度范围内即可拟合出电阻值如图5，拟合偏差为1.1％，在极限温度处最大综合理论偏差为3.4％。

根据本批次电流传输比ctr-温度的特性曲线可知，无明显拐点，无须拟合调整电阻，即光耦输出连接的电阻只需根据直流输出电流ic和电流传输比ctr确定电阻r2为2k。考虑装置生产和综合精度误差，确定电阻r1为150kω。

本发明对于开关量信号处理的实施方式是一种典型方式，本领域技术人员基于本发明构思的解决方法在本发明的保护范围之内。