一种用于矿用设备的开停检测电路的制作方法

1.本发明一般地涉及设备运行监控技术领域。更具体地，本发明涉及一种用于矿用设备的开停检测电路。


背景技术：

2.矿用设备有很多种，包括电气设备(电动机、综合保护装置、潜水电泵和其他防爆产品等)、钻孔机具及附件(钻机、锚机等)、提升运输设备(刮板输送机、防坠设备、液力耦合器)、通风设备(风机、风筒等)、环境监测仪器(粉尘监测仪、气体检测仪等)以及其他安全生产设备。在全矿井监测系统中，为随时了解各矿用设备的工况、实现自动监测和统一调度指挥，必须借助于各种传感器以监测工况信息。各类工况信息中，开停状态是确保矿井安全、实时监测矿井生产及工作状况的关键因素，也是统计各种机电设备运转好坏、运转时间长短及设备利用率的有效依据。


技术实现要素：

3.本发明通过将传感器监测的设备电缆中的电流信号转换成表示矿用设备开停状态的不同方向的电流信号，实现矿用设备开停状态自动监控的功能。通过本发明中的开停检测电路解决了目前的设备开停检测方式给矿井安全、高效生产带来不便的问题。
4.为了至少解决上述技术问题，本发明提供了一种用于矿用设备的开停检测电路，包括：传感器电路，用于检测设备电缆的电流以输出对应的电信号；信号处理电路，其与所述传感器电路连接，用于对所述电信号进行处理并输出用于表征设备电缆是否带电的开关量信号；驱动电路，其与所述信号处理电路连接，用于根据所述开关量信号生成若干个驱动信号；桥式输出电路，其桥臂上的开关管的控制端与所述驱动电路连接，用于根据所述驱动信号控制对应开关管导通或关断，以输出至少两个方向的电流信号。
5.在一个实施例中，所述传感器电路包括压接于所述设备电缆上的电流互感器。
6.在一个实施例中，所述信号处理电路包括信号放大电路，以对所述传感电路输出的电信号进行放大。
7.在一个实施例中，所述信号处理电路还包括信号转换电路，以将所述电信号转换为直流信号。
8.在一个实施例中，所述桥式输出电路包括四个桥臂，每个桥臂上均包括至少一个开关管，各开关管由所述驱动信号驱动，使得桥式输出电路的输出不同的电流。
9.在一个实施例中，所述四个桥臂包括第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂和第二下桥臂；第一上桥臂和第一下桥臂的连接点为第一连接点，第二上桥臂和第二下桥臂的连接点为第二连接点，第一连接点、第二连接点用于电流信号输出；所述第一上桥臂和第二下桥臂流过第一方向的电流信号，所述第二上桥臂和第一下桥臂流过第二方向的电流信号。
10.在一个实施例中，所述驱动电路包括下驱动电路，用于驱动所述第一下桥臂上的开关管和所述第二下桥臂上的开关管互补导通；所述下驱动电路至少包括第一驱动管。
11.在一个实施例中，所述驱动电路还包括上驱动电路，所述上驱动电路包括第一电阻分压电路、第二电阻分压电路、第二驱动管和第三驱动管；所述第一电阻分压电路与所述第二驱动管串联，用于在所述第二驱动管导通时产生第一分压信号；所述第二电阻分压电路与所述第三驱动管串联，用于在所述第三驱动管导通时产生第二分压信号；所述第一驱动管连接所述第二驱动管和所述第三驱动管，用于控制所述第二驱动管和所述第三驱动管互补导通；所述第一电阻分压电路的分压点连接所述第一上桥臂上的开关管的控制端，所述第二电阻分压电路的分压点连接所述第二上桥臂上的开关管的控制端，以根据所述第一分压信号或第二分压信号控制所述第一上桥臂上的开关管和所述第二上桥臂上的开关管互补导通。
12.在一个实施例中，还包括恒流源，所述恒流源连接所述桥式输出电路，以提供恒定的电流信号。
13.在一个实施例中，所述桥式输出电路还包括指示灯，所述指示灯连接所述桥式输出电路的输出端，以对设备的开启或关停的状态进行显示。
14.本发明通过设计一种用于矿用设备的开停检测电路，利用传感器电路监测电缆中的电流并输出对应的电信号，然后通过信号处理电路对该电信号进行处理并输出用于表征设备电缆是否带电的开关量信号，该开关量信号通过驱动电路转换为若干个驱动信号，利用驱动信号驱动桥式输出电路中的开关管导通或关断，使该桥式输出电路根据设备电缆中的带电情况输出对应不同方向的电流信号，从而准确表示该矿用设备的开停状态。本发明的开停检测电路，能够实时、自动地监控矿用设备的开停状态，使得全矿井监测系统能够根据实时监测到的矿用设备开停状态信息，统计各种机电设备运转好坏、运转时间长短及设备利用率等信息，并根据这些信息及时对生产工况进行调整，以保证全矿井的高效生产；而且工作人员无需再进入现场进行设备检测，有效保证了生产过程的安全性。
附图说明
15.通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
16.图1是示意性示出根据本发明实施例的开停检测电路示意图；
17.图2是示意性示出根据本发明实施例的传感器电路示意图；
18.图3是示意性示出根据本发明实施例的信号处理电路的示意图；
19.图4是示意性示出根据本发明实施例的桥式输出电路示意图；
20.图5是示意性示出根据本发明实施例的输出电流方向示意图；
21.图6是示意性示出根据本发明实施例的驱动电路示意图；
22.图7是示意性示出根据本发明实施例的恒流源示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，
都属于本发明保护的范围。
24.下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。
25.图1是示意性示出本发明的开停检测电路100的示意图。
26.如图1所示，根据本发明的方案，该用于矿用设备(以下简称设备)的开停检测电路100可以包括依次连接的传感器电路101、信号处理电路102、驱动电路103和桥式输出电路104。其中的传感器电路101可以设置在前述设备电缆处，用于检测设备电缆中的电流以输出对应的电信号。该设备电缆可以是连接设备电源和设备之间的电缆，当设备电源开启时，设备电缆将处于带电状态，本发明以此来检测矿用设备的开停状态。信号处理电路102，其与前述的传感器电路101连接，可以用于对前述的传感器电路101输出的电信号进行处理并输出用于表征设备电缆是否带电的开关量信号。驱动电路103，其与前述的信号处理电路102连接，可以用于根据前述的信号处理电路102输出的开关量信号生成若干个驱动信号，该若干个驱动信号可以分别用于驱动不同的开关管。该开停检测电路100还包括桥式输出电路104，其桥臂上的开关管的控制端可以与前述的驱动电路103连接，以根据前述的若干个驱动信号控制对应开关管导通或关断，从而输出至少两个方向的电流信号。
27.在一个实现场景中，首先，传感器电路101检测到设备电缆中存在设定大小的电流，则输出相应的电信号。接着，信号处理电路102接收到该传感器电路101传输的电信号，并对该电信号进行放大、滤波等处理过程，输出对应的开关量信号。然后，驱动电路103根据该开关量信号生成若干个驱动信号，该驱动信号的大小足以驱动开关管进行导通或关断。最后，桥式输出电路104根据该若干个驱动信号，控制其桥臂上的开关管分别导通或关断，从而输出第一方向的电流信号，以该第一方向的电流信号表示该设备电缆中带电，确定该设备处于开状态。相对应地，设备处于停状态时的检测过程与上述过程同理，故此处不再重复说明；其中，最终输出第二方向的电流信号与第一方向的电流信号不同。以上是对本发明中的开停检测电路100实现的功能的简要描述，下面将分别对其中的各电路模块及其实现的功能进行详细的说明。
28.图2是示意性示出根据本发明实施例的传感器电路101示意图。可以理解的是图2中所示出的传感器电路101在设备电缆中的设置可以在图1中所示出的示例性场景中实施，因此关于图1所描述内容也同样适用于图2。
29.如图2中所示，前述的传感器电路101可以包括靠近设备电缆上用于检测的感应线圈。在一个实现场景中，可以将该感应线圈压于电缆上，例如图2中从1到2的区段表示设备电缆，3到4的区段表示该感应线圈，将该感应线圈通过外部压接装置压于该设备电缆上，并利用电磁感应原理对电缆中的电流进行检测。根据电磁感应原理，长直导线有电流通过，其周围就会有磁力线产生。磁力线从该长直导线的圆心向外由密到疏分布，磁场也由强变弱。因此，当电缆中流过电流(即设备处于开状态)时，该电缆周围将产生磁力线，随着电缆中电流的变化(设备电缆中通常流过交流电流)，电流产生的磁场也发生变化，该感应线圈便能够感应出交流电，从而可以生成用于判定设备开停状态的电信号。
30.图3是示意性示出根据本发明实施例的信号处理电路102的示意图。可以理解的是，图3中所示出的信号处理电路102可以是图1中信号处理电路102的一种可能实现方式，因此关于图1中所描述的内容也同样适用于下文关于图3的描述。
31.如图3所示，前述的信号处理电路102可以包括信号放大电路。利用该信号放大电
路可以对前述的传感器电路101输出的电信号进行放大，从而提高检测过程的准确性。该放大电路例如可以通过电阻r1、电阻r4和运算放大器u1组成，利用电阻r4形成反馈回路连接该运算放大器的输入端和输出端，该运算放大器的反相输入端可以用于输入前述的电信号，该运算放大器的同相输入端可以直接接地。进一步地，该同相输入端也可以通过电阻r2和电阻r3形成偏压信号(基准值)，根据电阻r2和电阻r3的大小形成偏压值，从而调节该运算放大器的输出。在一个实现场景中，当传感器电路101采集电缆中的电流信号并转换为电信号后，将该电信号输入运算放大器u1的其中一个输入端(例如反相输入端)中，通过前述的电阻r1和电阻r4之间的大小关系，对该电信号进行放大，以便于提升信号处理过程中的准确性，避免信号衰减等对处理结果的干扰。
32.在一个实现场景中，前述地信号放大电路中还可以包括增益可调的反馈回路，以便于根据实际情况对该信号放大过程进行调节。如图3中所示，可以在反馈回路中连接电阻r5和电阻r6，该电阻r5和r6通过切换开关sw1控制接入该反馈回路中。进一步地，前述的信号处理电路102还可以包括信号转换电路，该信号转换电路例如可以将前述放大后的电信号转换为直流信号。在一个实现场景中，如图3所示，在前述的运算放大电路的输出端设置至少包括整流二极管d1和电阻r7的半波整流电路，利用该半波整流电路形成平稳的直流信号。可以理解的是该整流电路也可以采用全桥整流电路，本领域技术人员可以根据应用需求选择合适的配置。
33.更进一步地，前述的信号转换电路将电信号转换为直流信号后，为了输出稳定的开关量信号，还可以在信号转换电路的输出端设置对应的滤波电路。例如可以在该信号转换电路的输出端连接rc电路(resistance-capacitance circuits)作为滤波电路，以便于输出稳定的电压信号。例如可以采用如图3中示出的并联连接的电阻r8和电容c3组成的rc并联电路作为滤波电路，也可以采用rc串联电路或rc串并联电路作为滤波电路。
34.为了进一步提升前述信号处理电路102的抗干扰能力和信号处理速度，还可以在前述信号处理电路102中设置滞回比较器u2，通过对该滞回比较器u2设置正反馈电路，从而确保输出状态的快速变化。如图3所示，该滞回比较器u2设置在前述rc电路的输出端，其反相输入端连接所述rc电路的输出，其同相输入端连接偏压电路(图3中电阻r10和r9组成偏压电路)。并且在同相输入端和输出端之间连接电阻r11作为反馈回路。通过前述的滞回比较器的设置，使得该信号处理电路102能够输出稳定的开关量信号。
35.可替换的，该信号处理电路102中还可以设置其他的滤波电路，用于对传感器电路101输入的电信号中的干扰进行滤除。在一个实现场景中，该滤波电路可以设置在前述信号放大电路的输入端、输出端或反馈回路中的一种或多种位置处。例如可以在前述信号处理电路102的输入端设置电容c1，以对传感器电路101采集的电信号进行滤波处理。并且，还可以在电阻r4所在反馈回路中并联设置电容c2，从而与电阻r4组成低通滤波电路。可以理解的是，前述的滤波电路的设置是示意性的而非限制性的，本领域技术人员可以根据实际需求进行适应性设置。
36.图4是示意性示出根据本发明实施例的桥式输出电路104示意图。图5是示意性示出根据本发明实施例的输出电流方向示意图。可以理解的是图4和图5中所示出的桥式输出电路104可以在图1中所示出的示例性场景中实施，因此关于图1所描述内容也同样适用于图4和图5。
37.如图4所示，前述的桥式输出电路104可以包括四个桥臂，每个桥臂上均包括至少一个开关管，各开关管的通断需由驱动信号(驱动信号的产生下文中将详细说明)驱动，以实现在桥式输出电路104的输出电流沿不同的方向。在一个实现场景中，根据图4中所示出的桥式输出电路104的位置设置，该电流方向可以是沿第一对角线方向或者沿第二对角线方向，并以该第一对角线方向的输出电流表示设备为停状态，以第二对角线方向的输出电流表示设备为开状态。
38.在一个实现场景中，如图5所示，前述的四个桥臂可以包括第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂和第二下桥臂。将第一上桥臂和第一下桥臂的连接点作为第一连接点，将该第一连接点引出以形成输出接线端s+，将第二上桥臂和第二下桥臂的连接点作为第二连接点，将该第二连接点引出以形成输出接线端s-，将该输出接线端s+和s-作为输出端，用于电流信号的输出。前述的第一上桥臂和第二下桥臂中可以流过第一方向的电流信号(图5中沿着开关管q1、q4的虚线)，前述的第二上桥臂和第一下桥臂可以流过第二方向的电流信号(图5中沿着开关管q2、q3的虚线)。
39.以上图4和图5中详细说明了本发明的方案中桥式输出电路104的结构，该桥式输出电路104的桥臂中的开关管，需要相应的驱动信号驱动其处于通或断的状态，从而输出不同方向的电流信号。下面将对本发明技术方案中利用驱动电路103产生驱动信号进行详细说明。
40.驱动电路103的作用是将前述信号处理电路102处理后的开关量信号按照控制目标的要求(例如以不同的输出电流方向表示设备开或停状态)转换为加载在电力电子器件(开关管)控制端的驱动信号，以使电力电子器件开通或关断。在一个实现场景中，该驱动电路103可以根据前述的信号处理电路102输出的开关量信号生成例如s1、s2、s3和s4这四个驱动信号，这四个驱动信号可以分别对桥式输出电路104中的开关管q1、q2、q3和q4进行控制。通过驱动前述不同开关管的导通或关断的状态，输出例如两个不同方向的电流信号，以分别表示设备的开或停的状态。可以理解的是，驱动电路103的目的是将前述的信号处理电路102生成的开关量信号转换成足以驱动开关管导通或关断的驱动信号，因此，该驱动电路103的设置形式可以包括多种形式。例如该驱动电路103可以是开关管的放大电路或电阻分压电路，也可以是这两种电路的组合。
41.图6是示意性示出根据本发明实施例的驱动电路103示意图。可以理解的是图6中所示出的驱动电路103的设置可以在图1中所示出的示例性场景中实施，因此关于图1所描述内容也同样适用于图6。
42.在一个实现场景中，如图6所示，前述的驱动电路103可以包括下驱动电路103，该下驱动电路103用于驱动前述桥式输出电路104中两个下桥臂中的开关管互补导通。在一个实现场景中，该下驱动电路103可以包括第一驱动管q5，该第一驱动管q5用于驱动前述第一下桥臂上的开关管q3和第二下桥臂上的开关管q4导通或关断。该第一驱动管q5以三级管为例，该第一驱动管q5的集电极连接前述开关管q4的基极，该第一驱动管q5的基极与前述开关管q3的基极连接。当该第一驱动管q5的基极接收到前述信号处理电路102传输的开关量信号，并且该开关量信号为高电平时，该第一驱动管q5导通，此时开关管q4的基极接收到的驱动信号s4为低电平信号，控制开关管q4处于关断状态，开关管q3的基极接收到的驱动信号s3为高电平信号，控制开关管q3导通。当该开关量信号为低电平时，开关管q3的基极处的
驱动信号s3为低电平信号，控制该开关管q3处于关断状态，而由于前述的第一驱动管q5根据该低电平信号关断，此时其集电极处于高电位，则开关管q4的基极接收到高电平信号，该开关管q4导通，通过这种方式实现了开关管q3和开关管q4互补导通。以上内容说明了控制该桥式输出电路104中的两个下桥臂中的开关管互补导通的方式，接下来将说明对该桥式输出电路104中的两个上桥臂中的开关管对应的上驱动电路103。
43.在一个实现场景中，如图6所示，该上驱动电路103可以包括第一电阻分压电路、第二电阻分压电路、第二驱动管和第三驱动管。该第一电阻分压电路可以包括串联连接的电阻r12和电阻r13，第二电阻分压电路可以包括串联连接的电阻r14和电阻r15。该第一电阻分压电路与第二驱动管q6串联，以便于在第二驱动管q6导通时控制该第一电阻分压电路产生第一分压信号。前述的第二电阻分压电路与第三驱动管q7串联，以便于在第三驱动管q7导通时可以控制该第二电阻分压电路产生第二分压信号。该第一电阻分压电路的分压点(即电阻r12和电阻r13的连接点)连接前述第一上桥臂上的开关管q1的控制端，第二电阻分压电路的分压点(电阻r14和电阻r15的连接点)连接前述第二上桥臂上的开关管q2的控制端。通过这种连接方式，使得开关管q1和开关管q2中的某两极之间与分压电阻两端的压差相同，从而根据前述的第一分压信号或第二分压信号控制第一上桥臂和第二上桥臂上的开关管互补导通。另外，还可以利用前述上驱动电路中的第一驱动管q5连接该第二驱动管q6和第三驱动管q7，以控制前述两个分压电路中分压电阻两端的电压，并进一步控制该第一上桥臂上的开关管q1和第二上桥臂q2上的开关管互补导通。
44.具体地，当前述的信号处理电路102输出高电平信号时，第一驱动管q5控制第二驱动管q6关断，则该第一电阻分压电路中电阻r12的两端无压差，则开关管q1关断。同时，第三驱动管q7根据高电平的驱动信号处于导通状态，则第二电阻分压电路中电阻r14两端存在压差，该开关管q2导通。结合前述的上驱动电路103的控制过程，该桥式输出电路104中，电流的流向是通过开关管q2流向输出端s-，再由输出端s+流向开关管q3，即该桥式输出电路104的输出电流沿第一方向。同理，当前述的信号处理电路102输出低电平信号时，第一驱动管q5控制第三驱动管q6导通，则该第一电阻分压电路中电阻r12的两端存在压差，则开关管q1导通。同时，第三驱动管q7根据该低电平的驱动信号处于关断状态，则第二电阻分压电路中r14两端无压差，该开关管q2关断。结合前述的上驱动电路103的控制过程，该桥式输出电路104中，电流的流向是通过开关管q1流向输出端s+，再由输出端s-流向开关管q4，即该桥式输出电路104的输出电流沿第二方向。
45.可以理解的是，前述的驱动电路103的设置是示意性的而非限制性的，其目的是控制该桥式输出电路104中沿对角线方向(第一上桥臂和第二下桥臂、第二上桥臂或第一下桥臂)的开关管同时导通，从而输出沿不同方向的电流信号，因此，本领域技术人员可以根据需求选择合适的驱动电路103结构。
46.图7是示意性示出根据本发明实施例的恒流源示意图。可以理解的是图7中所示出的恒流源的设置可以在图1中所示出的示例性场景中实施，因此关于图1所描述内容也同样适用于图7。
47.如图7所示，该恒流源可以连接前述的第一电阻分压电路和第二电阻分压电路，以提供恒定的电流信号。在一个实现场景中，该恒流源可以包括电源vss、电压调节器ic3、电容c4、电容c5和电阻r20。该电压调节器ic3可以输出稳定的电压。其输入端vin连接外部电
源vss，输出端vout通过电阻r20连接该电压调节器的接地端，从而通过电阻r20将稳定的电压转换为稳定的电流，以实现稳定的输出(图7中箭头方向为输出电流方向)。进一步地，还可以在该电压调节器ic3的输入端和输出端连接滤波电容c4和c5，以提升其稳定性。可以理解的是前述的电阻r20是示例性的而非限制性的，本领域技术人员还可以根据需要设置为其他的形式，例如采用多个电阻并联或串联的形式或者是采用可调电阻，以便于调节输出电流值。
48.通过上述恒流源的设置，该桥式输出电路104可以输出稳定的至少两个方向的电流信号，例如该桥式输出电路104的输出端s+和s-之间流过的电流以+5ma代表设备开启(电路有电)，以-5ma代表设备关闭(电路没电)。进一步地，该恒流源也可以作为前述第一电阻分压电路和第二电阻分压电路的电源，以简化该开停检测电路中的电路连接结构。
49.在一个实施例中，为了更加直观地显示检测结果，还可以在该桥式输出电路104种设置指示灯。将前述的指示灯连接该桥式输出电路104的输出端，以对设备的开启或关停的状态进行显示。在一个实现场景中，在该桥式输出电路的输出端连接一个单向导通的指示灯，并且控制其在检测到设备处于开状态时亮起，在设备处于停状态时熄灭。进一步地，该指示灯也可以是反相并联设置的两个发光二极管，并将该反相并联连接的两个发光二极管连接在该桥式输出电路的输出端。当检测到设备处于开状态时，令其中表示设备处于开状态的发光二级管进行显示；当检测到设备处于停状态时，令其中表示设备处于停状态的发光二级管进行显示。更进一步地，也可以将前述的两个发光二极管设置成不同颜色的灯，例如以红色和绿色分别表示设备的开或停的状态。
50.在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。
52.虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。