专利名称：荷重电量传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种荷重电量传感器，摒弃了传统的物理接触式方式来测量物体 实际的载荷重量，通过采集电参数来进行实时的计算，拟合出物体的重量，实现了对电动机 在工作过程中的实时监测。
背景技术：
根据国标的规定，起重设备2008年起5年内所有设备必须安装起重设备的荷重过 载保护装置。目前常用的采用把钢绳张力转化为传感器承受压力的方式测试电机荷重进行 过载保护，如徐州淮海电子研究所生产的荷重开度仪就是利用了压力传感器和开度仪表两 个模块，压力传感器即是采用的接触式压力原理来采集载荷重量，该方式存在现场安装难、 维护成本高、室外安装易受外部环境干扰以及准确度低等问题。
发明内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种荷重电量传感器。本实用新型的传感器 体积小巧，分体式模块，可拔插端子和可开启互感器，并无需外接线缆的电参数监测用电量 传感器，实现简化测量的连接操作，提高设备运行中产品故障的可维护性。本实用新型的荷重电量传感器，包括电量采集模块和显示控制模块；电量采集模块包括电磁隔离采集单元、电能转换单元、MCUl单元、通讯单元；显示 控制模块包括MCU2单元、配置单元、电源供电单元。电磁隔离采集单元将输入的电压电流信号进行隔离采样，将高电压和大电流转换 为弱电信号，使输出到下一单元的电压信号在合适的范围内，电磁隔离采集单元主要包括 了可开启互电流感器和电压互感器；电能转换单元对电磁隔离采集单元送给的采集信号进行采样并转换计算，输出电 压、电流、功率等的数字信号，电能转换单元主要包括电能转换芯片；MCUl单元将从电能转换单元读到的数字信号进行处理，并把处理后的信号传输给 通讯单元，MCUl单元主要包括MCUl芯片；通讯单元是把MCUl单元发出的信号通过该单元再传输给下一个单元，通讯单元 主要包括了通讯芯片；MCU2单元是把通讯单元传输过来的信号经过处理，再加上功率法拟合的数学模 型，得到荷重力的曲线传输给下一个单元，MCU2单元主要包括MCU2芯片；配置单元通过RS485总线实现对荷重电量传感器在具体使用环境中的网络参数 的配置，配置单元内部包含RS485转换电路和接口电路；电源供电单元是通过隔离模块对输入的电压进行转换，将其转换为一个稳定的工 作电压为电量采集模块和显示控制模块内部电路进行供电；荷重电量传感器的被测信号输入到电磁隔离采集单元，经过信号变换后传输到电 能转换单元，经过电能转换单元转换计算传输到MCUl单元，该单元把读到的信号处理后经过通讯单元把信号传输给MCU2单元，MUC2单元经过处理和数学模型的计算，所得数据通过 配置单元输出，电源供电单元是对荷重电量传感器的所有单元提供稳定的工作电源。所述电能转换单元2采用中国四川绵阳市维博公司的电能转换芯片。所述MCU2单元5采用美国ATMEL公司的ATMEGA64芯片。本实用新型的优点在于采用了在配电柜上采集电参数信号，结合功率法拟合载荷 的数学模型计算得到荷重力的方案，解决了在工业现场不具备布线条件或布线繁琐的难 题，在现场的安装维护困难，以及测量精度很低的问题。
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的电路框图。图2为本实用新型的结构图。图3为本实用新型的输入隔离采集电路原理图。图4为本实用新型的电能转换电路原理图。图5为本实用新型的微处理电路的原理图。
具体实施方式
图1是荷重电量传感器的电路框图。从图中可以看出，当荷重电量传感器连接到 被测设备的电压电流信号上后，接通电源供电单元开始工作，供电单元产生的电压经过隔 离转换，变换为各个单元电路所需要的工作电源。电量采集模块里的电磁隔离采集单元1 将输入的电压电流信号进行隔离采样，将高电压和大电流转换为弱电信号，使输出到下一 单元的电压信号在合适的范围内。电能转换单元2对电磁隔离采集单元1送给的采集信号 进行采样并转换计算，输出电压、电流、功率等的数字信号。MCUl单元3将从电能转换单元 2读到的数字信号进行处理，并通过通讯单元4传输给显示控制模块的MCU2单元5。MCU2 单元5把接收到的数据作基础，把数据拟合进数学模型进行计算，实时的换算出荷重力。配 置单元6用于配置口对MCU2单元输出电路进行参数的配置，通过RS485总线输出。本实用新型荷重电量传感器的工作过程为当荷重电量传感器接通电源供电单元7，该电路单元通过电源转换模块、隔离模 块、稳压模块，分别将供电单元输入的AC220V电压通过多层转换变为+12V、+5V、+3. 3V以便 各个内部单元所需要的工作电压。电量采集模块里面的电磁隔离采集单元将输入的电压电流信号进行隔离采样，将 高电压和大电流转换为弱电信号，使输出到下一单元的电压信号在合适的范围内。电能转换单元对电磁隔离采集单元送给的采集信号进行采样并转换计算，输出电 压、电流、功率等的数字信号。MCUl单元将从电能转换单元读到的数字信号进行处理，同时再通过通讯单元传输 到显示控制模块里，再结合功率法拟合载荷的数学模型MCU2单元，最终由配置单元传到上 位机。结合功率法拟合载荷的数学模型MCU2单元是由两个不同状态下的数学方程为主 要的基础，加上电量采集模块采集后运算得到的电参数值，计算分析处理后得到的荷重力。[0030]图2为本实用新型的结构图。从图中可以看出，本实用新型由电量采集模块和显 示控制模块组成。电量采集模块被封装在一个128mmX80mmX67mm ABS阻燃材料外壳内， 显示控制模块被封装在一个96mmX96mmX90mm ABS阻燃材料外壳内。电量采集模块与被 测的电压信号通过端子连接，为可拔插式端子，与被测的电流信号通过开启式互感器连接。 电压与电流接入方式都不需要断开被测信号主回路，方便故障检修时的带电维修。图3为本实用新型的输入隔离采集电路原理图。从图中可以看出，电磁隔离采集 单元是由隔离采集电路构成。三相交流电压接入，通过电阻R25，R26,对A相电压进行限流， 通过电阻R35，R36对B相电压进行限流，通过电阻R37，R48,对C相电压进行限流，分别通 过电压互感器转化为三路ImA的电流信号，这三路电流信号通过电压互感器TR1，TR2，TR3 进行隔离转换，在R27上得到A相采样电压，在R38上得到B相采样电压，在R51上得到C 相采样电压。三相交流电流穿芯通过开启式电流互感器TR4，TR5，TR6，由电磁感应在电阻 R28,产生A项电流采样电压，在R29产生B项电流采样电压，R40产生C项电流采样电压。图4为本实用新型的电能转换电路原理图。从图中可以看出，电能转换单元是由 电能转换电路构成。Ni，N2, N3为电能计算芯片，是在一个芯片上包含2个Δ Σ模拟一数字 转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的ΔΣ模拟一数字转换器。可 以精确测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率等，还具有与单片机通讯的双向串口。m，N2，N3 的串行接 口包括 6 个控制线即/CSPl，/CSP2，/CSP3, SCK，SDO 和 SDI。/CSP1，/CSP2，/CSP3 为片选信号，是允许访问串口的控制线，低电平有效；SDI为串行数据输入端，用来把从微 处理器的数据传输到m，N2，N3 ；SDO为串行数据输出端，用来将数据输出到微处理器；SCK 是控制数据输入或输出的串行位时钟。微处理器就是通过这6条控制线来实现与m，N2, N3 的数据交换。G2为晶振，决定了系统的时钟频率。图5为本实用新型的微处理电路的原理图。从图中可以看出，微处理器单元由微 处理器电路构成。其中微处理器MCUl为ARM系列的LPC2131芯片，Dl为微处理器MCU2单 元，MCU2单元采用美国ATMEL公司的ATMEGA64芯片，在微处理器端口中，Gl为晶振，C8, C9 为晶振的匹配电容，XTALl和XTAL2为单片机的晶振信号口，决定了 Dl微处理器的时钟频 率。D2为液晶显示器，是金鹏公司生产的0CM12864液晶屏，直接和单片机接口，可以显示各 种字符和图形。D3为时钟模块，Ql为电池。与单片机的端口相连，用来计时和控制。微处 理器的RXDl和TXDl为通讯口，它把数字信号传输进来进行微处理，加上功率法拟合载荷的 数学模型一起计算出荷重力。微处理器的RXDO和TXDO为输出通讯口，可以通过它与上位 机通讯，传输和下载数据，荷重力就是通过这个口以RS-485总线的形式传输出去。G3为时 钟模块的晶振，Cll为晶振的匹配电容。V5，V6为防反二极管，防止电流倒灌。
权利要求一种荷重电量传感器，其特征在于所述的传感器包括电量采集模块和显示控制模块；电量采集模块包括电磁隔离采集单元、电能转换单元、MCU1单元、通讯单元；显示控制模块包括MCU2单元、配置单元、电源供电单元；电磁隔离采集单元主要包括可开启互电流感器和电压互感器；电磁隔离采集单元将输入的电压电流信号进行隔离采样，将高电压和大电流转换为弱电信号，使输出到下一单元的电压信号在合适的范围内；电能转换单元主要包括电能转换芯片，电能转换单元对电磁隔离采集单元送给的采集信号进行采样并转换计算，输出电压、电流、功率等的数字信号；MCU1单元主要包括MCU1芯片，MCU1单元将从电能转换单元读到的数字信号进行处理，并把处理后的信号传输给通讯单元；通讯单元主要包括了通讯芯片，通讯单元是把MCU1单元发出的信号通过该单元再传输给下一个单元；MCU2单元主要包括MCU2芯片，MCU2单元是把通讯单元传输过来的信号经过处理，再加上功率法拟合的数学模型，得到荷重力的曲线传输给下一个单元；配置单元内部包含RS485转换电路和接口电路，配置单元通过RS485总线实现对荷重电量传感器在具体使用环境中的网络参数的配置；电源供电单元是通过隔离模块对输入的电压进行转换，将其转换为一个稳定的工作电压为电量采集模块和显示控制模块内部电路进行供电。
2.根据权利要求1所述的荷重电量传感器，其特征在于所述电能转换单元采用中国 四川绵阳市维博公司的电能转换芯片。
3.根据权利要求1所述的荷重电量传感器，其特征在于所述MCU2单元采用美国 ATMEL公司的ATMEGA64芯片。
专利摘要本实用新型提供了一种荷重电量传感器，该传感器由电量采集模块和显示控制模块组成，电量采集模块分为电磁隔离单元、电能转换单元、MCU1单元、通讯单元、MCU2单元、配置单元以及电源供电单元。由电量采集模块通过电磁隔离采集单元分别隔离采集三相异步电动机的电压、电流信号，处理后的信号传输至电能转换单元进行计算，再送至MCU1单元处理，处理后的信号通过模块通讯单元传输给显示控制模块里面的MCU2单元，MCU2单元结合功率拟合载荷的数学模型计算出电动机在工作过程中实际的载荷重量，最终由配置单元经RS485总线输出。本实用新型可用于对三相异步电动机电压、电流、功率等电量的实时监测，并拟合出启闭机电机工作时的实时载荷重量。
文档编号G01G7/00GK201765038SQ201020545719
公开日2011年3月16日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者倪伟, 景小军, 马娟 申请人:绵阳市维博电子有限责任公司