本发明涉及模拟量采集通道保护电路及模拟量采集系统，特别适用于直流输电换流阀水冷控制系统过程检测传感器采样保护。
背景技术：
由于高压直流输电(HVDC)具有超长距离和大容量输电、造价低、损耗小等优点，目前在我国及其它国家得到广泛运用。换流阀是直流输电的核心设备，而高压大功率晶闸管又是换流阀的核心设备部件，承担着整流（送端）、逆变（受端）大功率电能的传输，换流阀在传输电能同时，自身也会产生较大的功率损耗，发热量大，需要可靠的冷却设备进行冷却，以使换流阀和直流输电可以稳定运行。作为换流阀冷却最有效的冷却方式，换流阀水冷系统随着直流输电项目也得到广泛应用，目前已完全实现了国产化。
换流阀水冷系统是一套结构复杂、控制精度很高的控制系统，其核心设备为CPU和过程检测传感器。需要许多测量精度高的传感器，把系统中的温度、压力、流量、液位、频率等参数转化为低电压信号（如4-20mA电流信号），该信号送至专用的模拟量输入采集模块进行采样、计算、再通过通信方式送至集中监控单元和装置，用来操作和控制系统可靠、稳定运行，同时可在人机接口界面显示参数。
传感器输出电压信号，易于受强电压或浪涌电压信号干扰，可能引起采样信号不稳定。
传感器输出恒流信号不易受干扰，而目前对于大部分的传感器一般采用4-20mA恒流信号作为输出信号，尤其在需要精密控制的系统中得到广泛应用。采用恒流输出的传感器和信号采集信号如下图1（a），信号依次流经工作电源正端DC24V、传感器的I+、I-、模拟采集模块的AI-、AI+，到工作电源的负端GND；图1（b）接法也使传感器的I+、I-、模拟采集模块的AI-、AI+形成回路，图1（b）与图1（a）接法都使传感器与采集模块之间形成一条电流回路，本质相同。（模拟量采集模块以下简称MAI）。
4-20mA模拟量采样处理常用模式见图2（a）、（b）、（c）所示。对于图2（a），直接对传感器的输出信号进行连接，在采样端没有增加抗干扰和保护措施。图2（b），比较简单的在采样端增加防过压或吸收元件，防护等级和可靠性较低。图2（c），对每一路传感器的输出信号增加信号隔离模块，把隔离后的信号再送至模拟量采集模块进行采样。这样能起到一定的抗干扰措施，但成本较高。由于增加了信号隔离模块，传感器输出信号精度会降低，系统的控制精度、稳定可靠性也受到较大影响。
以上三种方式，在传感器故障时，均不能可靠保护，当传感器故障或其输出信号之间发生绝缘降低、短接时（如图3），传感器的工作电源（如DC24V）就有可能直接施加在模拟量采集模块的信号输入端，会烧毁模拟量采集模块，从而影响系统的稳定运行，严重时可能造成系统控制错乱和停机故障。另外，如图4，系统之间耦合和感应的强电压干扰信号也不能得到有效防护，可能造成过程检测的信号精度降低、幅值抖动，影响系统的控制精度、稳定性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种模拟量采集通道保护电路及模拟量采集系统，用以解决的现有保护电路不能在短路故障与干扰信息故障时起到保护作用的问题。
为实现上述目的，本发明的方案是：模拟量采集通道保护电路，包括：
一对传感器端子（I+、I-），传感器端子用于与一个输出恒流信号的传感器的信号输出端分别对应连接；
一对采集通道端子（AI+、AI-），采集通道端子用于与一个模拟量采集模块的信号输入端分别对应连接；
工作电源，用于形成一条使信号流经传感器端子和采集通道端子的恒流输出采样回路；
恒流输出采样回路中，串设有限流电阻（R15），采集通道端子两端连接有一个双向箝位电路，该双向箝位电路为采用反并联二极管进行箝位的双向箝位电路。
所述模拟量采集通道保护电路还包括一个故障报警支路，该故障报警支路主要由触发器件和报警器件构成，触发器件的触发端与恒流输出采样回路中故障时电压或电流的突变点对应连接。
所述触发器件包括稳压管（Z1）和三极管（V1），稳压管（Z1）一端连接到传感器端子的负端（I-）或者限流电阻（R15）的正端，另一端连接三极管（V1）的控制极，三极管的输出极与所述报警器件对应连接；所述限流电阻（R15）的正端为限流电阻（R15）的信号流入端。
本发明还提供一种模拟量采集系统，包括至少两个模拟量采集通道，每个模拟量采集通道均设有模拟量采集通道保护电路，任一个模拟量采集通道保护电路包括：
一对传感器端子（I+、I-），传感器端子用于与对应通道的输出恒流信号的传感器的信号输出端分别对应连接；
一对采集通道端子（AI+、AI-），采集通道端子用于与对应通道的模拟量采集模块的信号输入端分别对应连接；
工作电源，用于形成一条使信号流经对应通道的传感器端子和采集通道端子的恒流输出采样回路；
恒流输出采样回路中，串设有限流电阻（R15），采集通道端子两端连接有一个双向箝位电路，该双向箝位电路为采用反并联二极管进行箝位的双向箝位电路。
所述模拟量采集系统还包括一个故障报警支路，该故障报警支路主要由触发器件和报警器件构成，触发器件的触发端用于分别与各通道的恒流输出采样回路中故障时电压或电流的突变点连接。
所述各通道的恒流输出采样回路中故障时电压或电流的突变点为传感器端子的负端（I-）或者限流电阻（R15）的正端；所述限流电阻（R15）的正端为限流电阻（R15）的信号流入端。
所述触发器件包括稳压管（Z1）和三极管（V1），稳压管（Z1）一端连接到所述各通道的恒流输出采样回路中故障时电压或电流的突变点，另一端连接三极管（V1）的控制极，三极管的输出极与所述报警器件对应连接。
所述各通道的恒流输出采样回路中故障时电压或电流的突变点与稳压管（Z1）之间均串设有发光二极管。
本发明的模拟量采集通道保护电路使用了双向箝位电路以及限流电阻，在短路故障和干扰信号故障时均能够起到保护作用，具有成本小、保护和动做可靠等优点。
进一步的，本发明还具有通道信号故障检测功能，当过程检测的传感器发生故障或信号回路发生短路现象，在保护功能运行的同时，还能报出发生故障的传感器回路（LED指示），并有集中故障接点输出，以便控制系统及时响应和设备维护，极大程度上提高了控制系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1（a）、图1（b）分别是2线制传感器和4线制传感器常用接法；
图2（a）、图2（b）、图2（c）分别是过程检测传感器三种常用接法；
图3是短路或短接故障示意图；
图4是干扰信号故障示意图；
图5（a）、图5（b）分别是采用本发明电路的2线制接法和4线制接法；
图6是八路模拟量输入通道保护电路原理图；
图7是本发明的模拟量采集通道保护电路电路原理图；
图8是传感器短路故障时的保护功能原理示意图；
图9是4线制传感器回路电气原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
模拟量采集通道保护电路实施例1
如图5（a）与图7所示，本实施例中采用2线制的传感器。模拟量采集通道保护电路，包括：一对传感器端子（I+、I-），传感器端子用于与一个输出恒流信号的传感器的信号输出端分别对应连接；一对采集通道端子（AI+、AI-），采集通道端子用于与一个模拟量采集模块的信号输入端分别对应连接；工作电源，工作电源与传感器端子、采集通道端子串联，形成一条信号依次流经工作电源正端、传感器端子、采集通道端子、工作电源负端的恒流输出采样回路；恒流输出采样回路中，串设有限流电阻R15，采集通道端子两端连接有一个双向箝位电路，该双向箝位电路为采用反并联二极管进行箝位的双向箝位电路。本实施例中采用两个二极管串联形成一路单向箝位，另一路采用二个二极管反向串联。
上述模拟量采样保护电路，是专门针对直流输电换流阀水冷控制系统，对过程检测传感器模拟量信号通道和4-20mA信号模拟量采集模块，进行设计，可以对整个信号采集回路进行限流、过压保护，能有效防止系统中的感应过电压或耦合干扰电压信号的干扰，可对干扰电压进行吸收、箝位限制。原理分析如下：
图7中，TRDU8为过程检测传感器，MAI为4-20mA模拟量采集模块，其电流信号采样电阻为25Ω，2个元件的工作电源为DC24V。传感器输出的4-20mA电流信号流经电阻R15，标号AI+的端子信号为模拟量采集模块的输入端，模拟量采集模块的负端AI-连接系统M（GND）端，二极管D36-D39并接在采样通道两端，构成一个双向箝位电路，每个二极管初始导通电压约为0.5V，2个二极管串联时的导通电压约为1.0V，这样保证模拟量采样端AI+和AI-之间的电压不大于±1.0V幅值。如果有干扰电压信号或耦合的交流杂波信号施加在模拟量采集模块的输入端，由于D36-D39二极管组成双向钳位电路,可以吸收较强的杂波信号，确保采样通道不会被较强的干扰或杂波信号损坏。
当传感器正常运行时，由于传感器输出电流最大值约为20mA，MAI模块采样通道最大电压值为20mA×25Ω=0.5V。此时采样通道上的4个箝位二极管D36-D39均处于反向阻断状态，流过二极管的漏电流为μA级电流，相对于20mA等级电流可以忽略不计，即不会影响传感器的输出信号精度。
D36-D37串联二极管反向并接在采样通道上，能有效防止MAI采样通道信号线反接对模块造成的损坏。同时也可以对在模拟量采集模块通道通过耦合或感应的交流、脉动干扰信号进行吸收和箝位。
如图8，当传感器发生短路故障或者其2根信号线短接时，电阻R15上端电压为+24V,由于有箝位二极管，约有23V的电压施加在功率电阻R15上，R15为限流电阻，这样就可以防止较高的电压施加在MAI的采样端，采样端最大电压为1V，流经MAI模块的电流为40mA，其余较大的故障电流均通过箝位二极管D38和D39旁路到电源负端。这样就避免了MAI模块长期通过较大的故障电流，不会因过流而损坏。D38和D39不仅能够箝位，还在故障时起到了旁路作用。
进一步的，为了给传感器通道配备故障检测/报警功能，还增加了一个故障报警支路。故障报警支路能够选取多种手段实现，图7给出了一种方式，包括稳压管Z1和三极管V1，稳压管Z1一端连接到传感器端子的负端I-（限流电阻R15的正端，限流电阻R15的正端为限流电阻R15的信号流入端），另一端连接三极管V1的控制极，三极管的输出极与报警器件对应连接。如果电阻R15上端电压值较高，较高的电压则会击穿稳压管Z1，继而驱动NPN三极管V1导通，并使继电器K1动作，输出告警接点。同时告警通道上的发光二极管LED8点亮，指示对应的信号通道异常。如果未发生异常现象，则稳压管Z1处于断开状态，三极管V1的C、E端处于不导通状态，不会有异常告警接点信号输出，系统处于正常状态。
模拟量采集通道保护电路实施例2
图5（b）所示的4线制的连接方式与2线制连接方式本质和原理相同，仅电源接入方式不同和相应的信号流向不同，本领域技术人员很容易进行扩展，如图9所示，由于4线制传感器和2线制传感器的工作原理和接线方式不同，4线制传感器需要独立的工作电源，其信号输出（如4-20mA）不再需要辅助电源，信号源由传感器设备本身提供。其信号输出I+、I-如果为恒电流信号（如4-20mA），在正常工作时，传感器输出通道即使出现短路现象，也不会对传感器造成损坏，信号输出始终保持为一个恒流源。如果传感器本身发生故障或异常，其输出的电流信号可能较大，模拟量采集通道保护电路同样可以具有电流保护和过电压保护功能，防止和避免模拟量采集模块损坏，保证其安全、可靠运行。
采集系统实施例1
如图6，采集系统包括八个通道，每个通道都对应有一个模拟量采集通道保护电路，各通道的保护电路共用了工作电源。电路构成不再赘述。
采集系统也设有故障报警支路，每个通道对应有发光二极管，八个通道共用一个继电器报警部分。每个通道对应电路各有一个发光二极管指示发生异常的通道状态，任何一个通道发生传感器短接故障，均会有总故障输出接点，以便系统异常告警提示和维护。继电器报警部分为八通道共用，继电器输出无源接点，可以上传至监控或PLC系统，告知系统有传感器通道故障。