Счетчик ампер-часов с переносным пультом управления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах электропитания плавучих и береговых навигационных огней, обслуживании химических источников тока (ХИТ) и т. д. Технический результат заключается в снижении энергопотребления при питании от контролируемого ХИТ и т. д. Для этого устройство содержит преобразователи тока и напряжения, пропорциональный усилитель и переносную часть, при этом в стационарную часть дополнительно введены второй преобразователь тока, два инструментальных усилителя, первый микроконтроллер, часы реального времени с автономным питанием, модуль управления питанием, блок питания, первый модуль преобразования уровней и гальванической развязки, контролируемый химический источник тока, первая энергонезависимая память и датчик температуры, а переносная часть выполнена в виде переносного пульта управления с возможностью отключения/подключения к стационарной при помощи соединительного кабеля и содержит клавиатуру, модуль преобразования и стабилизации напряжения питания, встроенный химический источник тока, второй микроконтроллер, часы реального времени, вторую энергонезависимую памятью, модуль индикации и второй модуль преобразования уровней и гальванической развязки. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах электропитания плавучих и береговых навигационных огней, необслуживаемых железнодорожных переездов, в авиационной, космической и других отраслях, где требуется проводить контроль и обслуживание химических источников тока (ХИТ).

Известен счетчик ампер-часов (САЧ) [1], содержащий контактный преобразователь тока - шунт, включенный в контролируемую цепь, входной усилитель, интегрирующий конденсатор, сравнивающее устройство, мультивибратор, формирователь, ключ, декадный делитель и отсчетное устройство.

Напряжение, снимаемое с шунта, преобразуется входным усилителем в ток, который заряжает интегрирующий конденсатор. При достижении напряжением на конденсаторе порогового уровня сравнивающее устройство запускает мультивибратор, включающий ключ, через который разряжается конденсатор. Цикл повторяется, получаемые импульсы через формирователь поступают на декадный делитель.

Недостатком описанного САЧ является отсутствие защиты от сбоев в декадном делителе, которые могут исказить результат измерения, а также невозможность перевода в режим пониженного потребления или “сна” без потери данных при питании от контролируемого ХИТ.

Известен счетчик ампер-часов [2], для повышения надежности работы которого вводятся регистры, устройства сравнения и управления записью, осуществляет сравнение чисел в счетчике импульсов и регистрах и записью того из чисел, которое дало правильный результат при сравнении.

Недостатком данного устройства является сброс информации при кратковременном пропадании питания, невозможность организации режима пониженного потребления, отсутствие возможности накопления статистики работы ХИТ.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является устройство измерения расхода электрической энергии [3], которое состоит из стационарной и переносной частей. Стационарная часть состоит из преобразователя тока и напряжения, множительного блока, пропорционального усилителя, фильтра низких частот, преобразователя напряжение - частота, электронного счетчика импульсов и механического счетчика импульсов. Переносная часть - это переносной блок считывания точного значения израсходованной энергии с электронного счетчика и переносной блок ввода начального значения в электронный счетчик. В данном устройстве питание счетчика автономно и имеет безударный переход на питание от аккумулятора, имеет точный и грубый отсчет.

Недостатками данного устройства являются:

- наличие двух переносных блоков для считывания информации и ввода начального значения счетчика;

- отсутствие возможности организации накопления статистики о режимах работы и параметрах контролируемого химического источника тока (ХИТ);

- невозможность перевода в режим пониженного потребления или “сна” без потери данных при питании от контролируемого ХИТ.

Задачей изобретения является:

- снижения энергопотребления при питании от контролируемого ХИТ путем перевода САЧ в режим пониженного потребления или режим “сна” с программируемым временем пробуждения;

- накопление в энергонезависимой памяти информации об израсходованной энергии с нарастающим итогом и отдельно - за каждый последний год, за каждый месяц последнего года, за каждый день последнего месяца, за каждый час последнего дня;

- контроль температуры с записью в энергонезависимую память максимальных и минимальных значений;

- контроль напряжения;

- паролированный доступ при калибровке каналов измерения тока нагрузки, тока собственного потребления и напряжения.

Поставленная задача решается с помощью САЧ с переносным пультом управления, состоящего из стационарной части, содержащей преобразователи тока и напряжения, пропорциональный усилитель, переносную часть, в стационарную часть дополнительно введен второй преобразователь тока, два инструментальных усилителя, первый микроконтроллер, часы реального времени с автономным питанием, модуль управления питанием, блок питания, первый модуль преобразования уровней и гальванической развязки, причем второй преобразователь тока первым выводом подключен к минусовому выводу контролируемого химического источника тока, а вторым выводом - в цепь нагрузки, выход второго преобразователя тока через инструментальный усилитель подключен на вход первого микроконтроллера, первый вывод второго преобразователя тока подключен к первому выводу первого преобразователя тока, второй вывод которого подключен к общему проводу устройства, а выход через второй инструментальный усилитель - ко второму входу первого микроконтроллера, третий вход первого микроконтроллера подключен к выходу пропорционального усилителя, вход которого подключен к выходу управляемого преобразователя напряжения, первый вход которого подключен к плюсовому выводу контролируемого химического источника тока, а второй - к первому выходу первого микроконтроллера, который связан с часами реального времени с автономным питанием, выход которых соединен с первым управляющим входом модуля управления питанием, вход которого соединен с плюсовым выводом контролируемого химического источника тока, а выход подключен к входу блока питания, второй управляющий вход модуля управления питанием подключен к второму выходу первого микроконтроллера, первый модуль преобразования уровней и гальванической развязки с одной стороны связан с первым микроконтроллером, а с другой - с выходными клеммами стационарной части, а выход управления первого модуля преобразования уровней и гальванической развязки соединен с третьим управляющим входом модуля управления питанием и четвертым входом первого микроконтроллера, а первый микроконтроллер связан с первой энергонезависимой памятью и датчиком температуры, а переносная часть, выполненная в виде переносного пульта управления с возможностью отключения/подключения к стационарной при помощи соединительного кабеля, содержит клавиатуру, соединенную с модулем преобразования и стабилизации напряжения питания, первый вход которого соединен с клеммами для подключения внешнего источника питания, вторым - со встроенным химическим источником тока, третьим - с выходом второго микроконтроллера, а выходом соединен с первым входом второго микроконтроллера, а по управляющим входам/выходам второй микроконтроллер соединен с часами реального времени, подключенным к встроенному химическому источнику тока, второй энергонезависимой памятью, модулем индикации и через второй модуль преобразования уровней и гальванической развязки с выходными клеммами.

Структурная схема стационарной части САЧ представлена на фиг.1, а переносной части - на фиг.2.

Стационарная часть (фиг.1) САЧ содержит управляемый преобразователь напряжения 1, измерительный вход которого подключен к плюсовой клемме контролируемого ХИТ GB, выход соединен со входом пропорционального усилителя 2, а управляющий вход подключен к первому выходу первого микроконтроллера 3, выход пропорционального усилителя 2 подключен к третьему входу первого микроконтроллера 3, второй вход первого микроконтроллера 3 соединен с выходом инструментального усилителя 4, вход которого соединен с выходом первого преобразователя тока 5, второй вывод первого преобразователя тока 5 подключен к “общему” проводу САЧ, а первый соединен с первым выводом второго преобразователя тока 6 и “минусовой” клеммой контролируемого ХИТ GB, второй вывод второго преобразователя тока 6 подключен к цепи нагрузки, а выход через инструментальный усилитель 7 - к входу первого микроконтроллера 3. Первый микроконтроллер 3 связан с часами реального времени с автономным питанием 8, выход которых соединен с первым управляющим входом модуля управления питанием 9, вход которого соединен с плюсовой клеммой контролируемого ХИТ GB, выход подключен ко входу блока питания 10, а второй управляющий вход модуля управления питанием 9 подключен к второму выходу первого микроконтроллера 3. Первый модуль преобразования уровней и гальванической развязки 11 с одной стороны связан с первым микроконтроллером 3, а с другой - с выходными клеммами RX/TX стационарной части САЧ, а выход управления первого модуля преобразования уровней и гальванической развязки соединен с третьим управляющим входом первого модуля управления питанием 9 и четвертым входом первого микроконтроллера 3. Первый микроконтроллер 3 связан с первой энергонезависимой памятью 12 и датчиком температуры 13.

Переносная часть (фиг.2) содержит клавиатуру 14, соединенную с модулем преобразования и стабилизации напряжения питания 15, первый вход которого соединен с клеммами для подключения внешнего источника питания, второй - со встроенным химическим источником тока 16, третий - с выходом второго микроконтроллера 17, а выходом соединен с первым входом второго микроконтроллера, а по управляющим входам/выходам второй микроконтроллер соединен с часами реального времени 18, подключенными к встроенному химическому источнику тока 16, а также соединен со второй энергонезависимой памятью 19, модулем индикации 20 и через второй модуль преобразования уровней и гальванической развязки 21 - с выходными клеммами цепей RX/TX.

Работает САЧ следующим образом. При отключении от клемм RX/TX переносной части включение стационарной части САЧ производится сигналом от часов реального времени с автономным питанием 8, имеющих встроенный химический источник тока и представляющих собой электронные часы с календарем и будильником. Сигнал на включение от часов реального времени с автономным питанием 8 поступает в модуль управления питанием 9, последний включается и подает напряжение от контролируемого ХИТ GB в блок питания 10. На выходе блока питания 10 формируются напряжения необходимой полярности и уровня для работы всей стационарной части САЧ. После прохождения сигнала сброса первый микроконтроллер 3 (содержащий аналоговый мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, таймеры, последовательный интерфейс) посылает сигнал управления “подхват” на вход модуля управления питанием 9 и перепрограммирует будильник часов 8 на следующее включение. После перепрограммирования часы реального времени с автономным питанием 8 снимают сигнал управления на входе модуля управления питанием 9, но стационарная часть САЧ остается включенной благодаря наличию сигнала “подхват”. Затем первый микроконтроллер 3 осуществляет преобразование аналоговых сигналов в цифровой код по каналу:

- измерения тока нагрузки - второй преобразователь тока 6, инструментальный усилитель 7;

- измерения тока собственного потребления - первый преобразователь тока 5, инструментальный усилитель 4;

- измерения напряжения контролируемого ХИТ GB - управляемый преобразователь напряжения 1, пропорциональный усилитель 2.

С помощью датчика температуры 13 осуществляется измерение температуры контролируемого ХИТ GB.

После выполнения измерений микроконтроллер рассчитывает:

- количество электричества, поступившее в нагрузку на интервале времени после последнего включения;

- количество электричества, поступившее на собственные нужды на интервале времени после последнего включения;

- извлекает из энергонезависимой памяти 12 (электрически перепрограммируемой) статистические данные об израсходованном количестве электричества, добавляет результаты вычислений, и новые значения возвращает в энергонезависимую память 12.

Затем первый микроконтроллер 3 считывает из часов реального времени с автономным питанием 8 время и дату и записывает в первую энергонезависимую память 12 значение напряжения с пометкой временем и температуру. Затем первый микроконтроллер 3 снимает сигнал “подхват”, поступающий в первый модуль управления питанием 9, и тем самым обесточивает стационарную часть, переводя ее в режим “сон”.

При подключении переносной части к клеммам RX/TX первый модуль преобразования уровней и гальванической развязки 11 формирует сигнал на включение модуля управления питанием 9. Одновременно сигнал с выхода первого модуля преобразования уровней и гальванической развязки 11 поступает на вход микроконтроллера 3, в этом случае при “старте” первый микроконтроллер 3 формирует свой сигнал “подхват” модуля управления питанием 9, анализирует откуда произошло включение, выполняет команды, поступающие по линиям RX/TX, и при отключении переносного пульта управления снимает сигнал “подхват” модуля управления питанием 9, переводя стационарную часть в режим “сон”.

Переносная часть САЧ (фиг.2) работает следующим образом. Включение переносной части САЧ осуществляется нажатием кнопки “вкл./откл.” на поле клавиатуры 14. Сигнал с клавиатуры поступает на первый вход модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15 и обеспечивает включение переносной части САЧ от встроенного химического источника тока 16, подключенному ко второму входу модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15. На выходе модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15 формируются напряжения необходимого для работы переносной части САЧ уровня полярности и формируется сигнал на первый вход второго микроконтроллера 17. После включения второй микроконтроллер 17 анализирует сигнал на этом входе, и в случае его присутствия формирует ответный сигнал “подхват”, и при отпускании кнопки “вкл./откл.” обеспечивается удержание во включенном состоянии модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15 сигналом “подхват” и снимается сигнал на первом входе второго микроконтроллера 17. При повторном нажатии кнопки “вкл./откл.” на поле клавиатуры 14 на выходе модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15 формируется сигнал на первый вход второго микроконтроллера 17, второй микроконтроллер 17 снимает сигнал “подхват”, и при отпускании кнопки “вкл./откл.” на поле клавиатуры 14, происходит отключение переносной части САЧ.

При включении внешнего источника питания, подключаемого к первому входу модуля преобразования и стабилизации напряжения питания 15, последний включается, но сигнал на первый вход второго микроконтроллера 17 не формирует. Таким образом второй микроконтроллер 17 распознает источник питания и в случае питания от внешнего источника обеспечивает регулировку подсветки модуля индикации 20, связанного со вторым микроконтроллером 17. Во включенном состоянии второй микроконтроллер 17 через связанный с ним второй модуль преобразования уровней и гальванической развязки 21 обеспечивает протекание тока по цепям RX/TX, соединенным кабелем с одноименными цепями стационарной части САЧ. Стационарная часть САЧ выводится из режима “сон” и по командам оператора с помощью клавиатуры 14 обеспечивает передачу накопленной информации из первой энергонезависимой памяти 12. Принятая информация записывается во вторую энергонезависимую память 19 переносной части САЧ и затем может отображаться на модуле индикации 20 переносной части как в подключенном, так и отключенном состоянии от стационарной части. Переносная часть САЧ имеет в своем составе часы реального времени 18, связанные со вторым микроконтроллером 17 и подключенные ко встроенному ХИТ 16.

Источники информации

1. Вайлов А.М., Эйгель Ф.П. Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей. - М.: Связь, 1975.

2. Патент России №2160904 C1, 20.12.2000. Счетчик ампер-часов. Беляев А.Н., Войткун В.В., Минков А.П.

3. Заявка РФ на изобретение №9301880, 20.08.1995. Устройство измерения расхода электрической энергии, Щепин B.C.

Формула изобретения

Счетчик ампер-часов с переносным пультом управления, состоящий из стационарной части, содержащей преобразователи тока и напряжения, пропорциональный усилитель, и переносной части, отличающийся тем, что в стационарную часть дополнительно введен второй преобразователь тока, два инструментальных усилителя, первый микроконтроллер, часы реального времени с автономным питанием, модуль управления питанием, блок питания, первый модуль преобразования уровней и гальванической развязки, причем второй преобразователь тока первым выводом подключен к минусовому выводу контролируемого химического источника тока, а вторым выводом в цепь нагрузки, а выход второго преобразователя тока соединен со входом инструментального усилителя, выход которого подключен на вход первого микроконтроллера, первый вывод второго преобразователя тока подключен к первому выводу первого преобразователя тока, второй вывод которого подключен к общему проводу устройства, а выход через второй инструментальный усилитель ко второму входу первого микроконтроллера, третий вход первого микроконтроллера подключен к выходу пропорционального усилителя, вход которого подключен к выходу управляемого преобразователя напряжения, первый вход которого подключен к плюсовому выводу контролируемого химического источника тока, а второй к первому выходу первого микроконтроллера, который связан с часами реального времени с автономным питанием, выход которых соединен с первым управляющим входом модуля управления питанием, вход которого соединен с плюсовым выводом контролируемого химического источника тока, а выход подключен к входу блока питания, второй управляющий вход модуля управления питанием подключен ко второму выходу первого микроконтроллера, первый модуль преобразования уровней и гальванической развязки с одной стороны связан с первым микроконтроллером, а с другой - с выходными клеммами стационарной части, а выход управления первого модуля преобразования уровней и гальванической развязки соединен с третьим управляющим входом модуля управления питанием и четвертым входом первого микроконтроллера, а первый микроконтроллер связан с первой энергонезависимой памятью и датчиком температуры, переносная часть, выполненная в виде переносного пульта управления с возможностью отключения/подключения к стационарной части при помощи соединительного кабеля, содержит клавиатуру, соединенную с модулем преобразования и стабилизации напряжения питания, первый вход которого соединен с клеммами для подключения внешнего источника питания, второй - со встроенным химическим источником тока, третий - с выходом второго микроконтроллера, а выходом соединен с первым входом второго микроконтроллера, а по управляющим входам/выходам второй микроконтроллер соединен с часами реального времени, подключенными к встроенному химическому источнику тока, а также соединен со второй энергонезависимой памятью, модулем индикации и через второй модуль преобразования уровней и гальванической развязки - с выходными клеммами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2