CN100492031C

CN100492031C - 基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统

Info

Publication number: CN100492031C
Application number: CNB2006100427676A
Authority: CN
Inventors: 姚学玲; 陈景亮; 孙伟
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2006-04-30
Filing date: 2006-04-30
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2026-04-30
Also published as: CN1858605A

Abstract

基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，包括与脉冲电流发生电路相连的电压传感器、具有差动输入的脉冲电压测试单元(包括脉冲峰值电压表、示波器等)，同时也包含以上所述单元和计算机组成的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，或由电压传感器、采集卡和计算机组成的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统。电压传感器将脉冲电流试验中浪涌保护器或浪涌保护装置两端的残余电压信号分别接至具有差动输入的脉冲电压测试单元，脉冲电压测试单元首先对模拟脉冲信号进行模数转换，然后由CPU单元对数字信号进行处理，计算并显示带有长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置的瞬态保护水平，具有具有操作方便、可靠性强、效率高，测量精度高等特点。

Description

基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统

技术领域

本发明涉及一种浪涌保护器SPD脉冲电流电气性能测试装置，特别涉及一种基于差动输入的浪涌保护器或浪涌保护装置的瞬态保护水平测量系统。

背景技术

目前电子设备、控制调节电路系统以及通信装置等对于过电压非常敏感，特别是随着科学技术的飞速发展，各种过电压出现的强度和频度都有所增加。瞬间过电压对电力、通信、建筑、气象等系统已构成了严重的危害。

浪涌保护器或浪涌保护装置中至少要包含一个浪涌保护元件，并在某已确定的浪涌电压时动作，避免浪涌电压出现在此浪涌保护器或浪涌保护装置的保护区域之内，此浪涌电压必须大于浪涌保护器或浪涌保护装置的动作电压。

IEC和国标规定：浪涌保护器或浪涌保护装置必须经过冲击电流试验以确定其瞬态保护水平(即冲击残压)，其中的冲击电流试验包括8/20μs冲击电流试验和10/350μs冲击电流试验。8/20μs冲击电流试验的测试参数包括冲击电流峰值、冲击残压等；10/350μs冲击流试验的测试参数主要指冲击电流峰值，冲击残压及冲击电荷量和比能量等。

为了精确测量浪涌保护器或浪涌保护装置的瞬态保护水平，电压传感器的连接应尽量接近浪涌保护器引脚的根部或浪涌保护器输出端的根部。当浪涌保护器或浪涌保护装置含有较长的连接引线时，会出现如下情形：冲击电流试验系统的接地点距浪涌保护器引线的根部或浪涌保护装置输出端的根部距离较长，当强冲击电流流过时，浪涌保护器下引线的根部或浪涌保护装置输出端的下端根部带有较高的电位U＝Ldi/dt，其中L为下引线根部到冲击电流系统接地点的等效电感，i为通过浪涌保护器或浪涌保护装置的冲击电流。这就给冲击电流试验中浪涌保护器或浪涌保护装置的瞬态保护水平的测试带来如下问题：

1)如果将瞬态保护水平测试装置连接于浪涌保护器引线根部或浪涌保护装置输出端的根部，瞬态保护水平测试装置(包括示波器等)处于悬浮测试，其机壳上将带有很高的感应电位，其值与冲击电流试验的电流幅值有关。这个很高的悬浮电位对瞬态保护水平测试装置内的弱电电子元件威胁性很大，严重影响测量装置运行的可靠性。

2)如果将瞬态保护水平测试装置连接于浪涌保护器上引线根部和冲击电流系统的接地点或浪涌保护装置输出端上端的的根部与冲击电流试验系统接地点，浪涌保护器或浪涌保护装置的瞬态保护水平的测试将存在较大偏差，浪涌保护器或浪涌保护装置的正常瞬态保护水平和浪涌保护器引线下端根部或浪涌保护装置输出端下端根部到冲击电流试验系统接地点间的电压之和。

也就是说，对于带有较长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置的瞬态保护水平的测试，瞬态保护水平测试仪运行的可靠性和测量精度之间存在矛盾，而目前国内外的冲击电流测试装置(包括国际知名的Haefely峰值电压测试仪表)对这一问题都没有很好的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种操作方便、高效、高可靠性，且能够在大生产中快速、准确地对带有较长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置的基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括脉冲电流发生电路和与脉冲电流发生电路相连的浪涌保护器，其特点是，浪涌保护器的输出端连接有第一、第二电压传感器，第一电压传感器的高压输入端与浪涌保护器的上端根部连接，第一电压传感器的低压输入端与脉冲电流发生回路的接地点连接；第二电压传感器的高压输入端与浪涌保护器的下端根部连接，第二电压传感器的低压输入端与脉冲电流发生回路的接地点连接，第一、第二电压传感器的输出分别与冲击电压测试单元相连接并将脉冲试验的电压引入冲击电压测试单元，所说的冲击电压测试单元均包括衰减电路、极性判别电路、脉冲信号模拟调理电路、模数转换电路、动态数据存储电路、CPU数据处理与控制电路以及显示电路，衰减电路和极性判别电路的输入端分别与第一、第二电压传感器的输出端相连接，衰减电路和极性判别电路的输出端通过脉冲信号模拟调理电路和模数转换电路的输入端相连接，模数转换电路的输出端通过动态数据存储电路与CPU数据处理与控制电路相连接，CPU数据处理与控制电路的输出端还与显示电路相连接。

本发明的冲击电压测试单元的输出端还与工业控制计算机相连接；极性判别电路包括控制开关K1、与控制开关K1串联的继电器J1，通过继电器J1的触点将电阻R1分别与串连的电阻R2和电位器R4或电阻R3和电位器R5连接；脉冲信号模拟调理电路中含有集成运算放大器IC2、IC3、R6和R7，模数转换电路包括A/D转换器IC4，精密电源稳压集成电路IC1的输出端与A/D转换器IC4的基准电源及通过电阻R1与集成运算放大器IC3的输入端相连接，IC2的输出端通过电阻R6接至集成运算放大器IC3的反向输入端，集成运算放大器IC3的反向输入端与集成运算放大器IC3的输出端之间跨接有电阻R7，IC3的输出端与IC4的模拟输入端电连接；动态数据存储电路中包含两个八位双向总线发送器/接收器IC5、IC6以及数字信号储存器件IC7，其中IC5的动作由脉冲信号同步触发，IC5数字信号输入IC5的A0-A7端口与模数转换电路的IC4的D0-D7端口分别对应相连，IC5的输出信号IC5的B0-B7端口与IC7的数据信号端IC7的D0-D7端口以及IC6数字信号输入IC6的A0-A7端口对应连接，IC6的输出信号IC6的B0-B7端口将输出到CPU数据处理与控制电路的对应数据端口上；显示电路包括参数显示单元以及与参数显示单元相连接的复位与光标移动单元和功能设置单元。

本发明的另一个解决方案是：包括脉冲电流发生电路和与脉冲电流发生电路相连的浪涌保护器，其特点是，浪涌保护器的输出端连接有电压传感器，第一电压传感器的高压输入端与浪涌保护器的上端根部连接，第一电压传感器的低压输入端与脉冲电流发生回路的接地点连接；第二电压传感器的高压输入端与浪涌保护器的下端根部连接，第二电压传感器的低压输入端与脉冲电流发生回路的接地点连接，电压传感器的输出分别与示波器的CH1和CH2通道相连接并将脉冲试验的电压引入示波器；示波器的输出端还与工业控制计算机相连接。

本发明的第三个解决方案是：包括脉冲电流发生电路和与脉冲电流发生电路相连的浪涌保护器，其特点是，浪涌保护器的输出端连接有电压传感器，第一电压传感器的高压输入端与浪涌保护器的上端根部连接，第一电压传感器[3]的低压输入端与脉冲电流发生回路的接地点连接；第二电压传感器的高压输入端与浪涌保护器的下端根部连接，第二电压传感器的低压输入端与脉冲电流发生回路的接地点连接，电压传感器的输出分别与数据采集卡相连接并将脉冲试验的电压引入数据采集卡；数据采集卡的输出端还与工业控制计算机相连接。

本发明在保证冲击电流测试装置可靠运行和冲击电流试验中瞬态保护水平的测量精度的基础上，本发明采用具有差动输入的脉冲电压测量单元，其输入信号分别取自两个独立的电压传感器，两个电压传感器的低压臂连接在一起，一并接于冲击电流试验系统的参考接地点上，准确地对带有长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置进行瞬态保护水平的测量。本发明能够根据冲击电压测试信号波形自动判定被试品的试验结果，若试品通过试验，则试验继续进行；反之输出被试品损坏信息给执行机构，或切断高压回路，中止试验。该测量系统具有操作方便、可靠性强、效率高，能够快速、

附图说明

图1是冲击电压保护水平测试的连接电路；

图2是本发明的整体结构框图；

图3是本发明的整体结构框图二；

图4是本发明的整体结构框图三；

图5(a)是本发明冲击电压测试单元5、6的结构框图，图5(b)是本发明冲击电压测试单元的极性判别电路12、脉冲信号模拟调理电路13和模数转换电路14的电路原理图；图5(c)是本发明动态数据存储电路15的电路原理图；

图6为本发明的参数设置与显示的结构框图；

图7为本发明浪涌保护器或浪涌保护装置的冲击电压保护水平测试的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明的电压传感器3将冲击电流试验的冲击电压信号U_r1引入冲击电压测试单元，其中U_r1为浪涌保护器或浪涌保护装置输出端上端的的根部与冲击电流试验系统接地点之间的电位；电压传感器4将冲击电流试验的冲击电压保护水信号U_r2引入冲击电压测试单元，其中U_r2为浪涌保护器或浪涌保护装置输出端下端的的根部与冲击电流试验系统接地点之间的电位；被试品(浪涌保护器或浪涌保护装置)的瞬态保护水平为U_r＝U_r1—U_r2。

参见图2，本发明由冲击电流发生电路1、被试品2、两个电压传感器3和4、峰值电压测试仪7和计算机10组成浪涌保护器或浪涌保护装置2的瞬态保护水平自动化测量系统，两个电压传感器3、4将两个电压信号分别引入冲击电压测试单元5和冲击电压测试单元6，经过峰值电压测试仪7的差动运算，即可求出带有长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置2的瞬态保护水平。

参见图3，本发明包括冲击电流发生电路1、浪涌保护器或浪涌保护装置2、与浪涌保护器或浪涌保护装置相连的冲击电压传感器3和4、示波器8。两个电压传感器3、4将两个电压信号同时接入示波器8的CH1和CH2通道，利用示波器8的“减”运算功能“CH1-CH2”，实现两个电压信号的差动运算，即可求出带有长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置2的瞬态保护水平，示波器8还与工业控制计算机10相连接，也可通过工业控制计算机10计算并输出带有长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置2的瞬态保护水平。

参见图4，本发明包括冲击电流发生电路1、被试品2、两个电压传感器3和4、高速数据采集卡9和计算机10组成虚拟浪涌保护器或浪涌保护装置2的瞬态保护水平测量自动化系统。

参见图5a，本发明的峰值电压测试仪7为精确测试被试品的瞬态保护水平，采用了具有差动关系的两个冲击电压测试单元5和6，其中冲击电压测试单元5和6构成相同，均分别包括冲击信号衰减电路11与11’、冲击极性判别电路12与12’、冲击信号模拟调理电路13和13’、模数转换电路14和14’、动态数据存储电路15和15’、CPU数据处理与控制电路16以及显示电路17。冲击信号衰减电路11与11’的输入端分别与电压传感器3和电压传感器4相连接，冲击极性判别电路12与12’的输入端由控制开关K1自动控制，冲击信号衰减电路11与11’的输出端通过冲击信号模拟调理电路13和13’以及模数转换电路14和14’的输入端相连接，模数转换电路14和14’的输出端分别通过动态数据存储电路15和15’与CPU差动数据处理与控制电路16相连接，CPU差动数据处理与控制电路16的输出端还与显示电路17、动态数据存储电路15和15’及模数转换电路14和14’的控制端和信号输入与输出端相连接。其工作原理如下：从冲击电压传感器3或冲击电压传感器4过来的信号经过衰减电路11与11’、脉冲极性判别电路12与12’以及冲击信号模拟调理电路13和13’处理后，输入到模数转换电路14和14’，经过模数转换14和14’后的数字数据首先存储在动态数据存储电路15和15’中，模数转换电路14和14’工作结束，CPU差动数据处理与控制电路16读取动态数据存储电路15和15’中的数据信号，对其进行差动处理，并将处理的结果在显示电路17进行显示。

参见图5b，冲击极性判别电路12中含有控制开关K1、继电器J1和电阻R1、R2、R3以及电位器R4、R5；冲击信号模拟调理电路13中含有IC2(AD8041)、IC3(AD8041)。模数转换电路13包含IC4(AD9057)；控制开关K1的动作由可编程控制器或计算机单元控制；IC1(MC1403)为精密电源稳压集成电路，输入电压从IC1(1)输入，输出2.5V的电源，一方面与IC4(3)相连，作为A/D转换器IC4(AD9057)的参考输入电压；另一方面通过电阻R1与IC3(3)相连，为集成运算放大器IC3提供电压。需要测试的冲击信号从IC2(3)输入，IC2射极跟随电路的输出端IC2(6)通过一电阻R6接至反向比例运算电路IC3的反向输入端IC3(2)，反向输入端IC3(2)与IC3输出端IC3(6)之间跨接有电阻R7。当冲击信号为正极性时，控制开关K1接通，继电器J1得电，其触头J1(6)与J1(8)接通，IC1(2)输出的基准电压通过电阻R1、R3和电位器R5分压，其电压Va接至反向比例运算电路IC3的同向输入端IC3(3)。运放电路IC3的输出端IC3(6)接至A/D转换电路IC4的模拟信号输入端IC4(7)，A/D转换电路IC4的输出数字信号D0-D7与动态数据存储电路中IC5的A0-A7相连接。

参见图5c，动态数据存储电路15中分别包含两个八位双向总线发送器/接收器IC5、IC6以及数字信号储存器件IC7(或IC7’)。其中IC5的动作由脉冲信号同步触发，IC5(或IC5’)数字信号输入IC5(A0-A7)与模数转换电路13的IC4(D0-D7)分别对应相连，IC5的输出信号IC5(B0-B7)与IC7的数据信号端IC7(D0-D7)以及IC6数字信号输入IC6(A0-A7)对应连接，IC7(A0-A11)为IC7的地址线。IC6的输出信号IC6(B0-B7)将输出到CPU数据处理与控制电路16的对应数据端口上。IC6的工作状态直接受冲击电压测试单元5中CPU数据处理与控制电路16的控制，其控制信号为RAM1。一次模数转换结束，CPU数据处理与控制电路16发出有效控制信号RAM1，CPU数据处理与控制电路16就可以读取IC7中储存的数据；动态数据存储电路15’的工作过程和动态数据存储电路15相同。当CPU读取动态数据存储电路15和15’的数据后，对两个测试数据进行差动数字信号处理，就可以精确求取带有长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置2的瞬态保护水平。

参见图6，显示电路17包括参数显示单元18、复位与光标移动单元19和功能设置单元20。功能设置单元20包括测量启动、测量量程设置、采样速率设置、传感器倍率设置以及设置参数存储、打印及通讯等功能设置。试验开始时，(1)通过设置测量量程、采样速率及电压传感器倍率，按存储键，上面设定的参数将自动存储在峰值测试单元的静态存储器中，下次试验时，若设置参数不变，则可跳过参数设置过程。电压传感器倍率的具体的操作是按“倍率1”设置电压传感器3的分压比，按“倍率2”设置电压传感器4的倍率；(2)按功能测量键，可自动进行脉冲电流试验参数的测量；(3)脉冲试验的测量结果若需要打印，则按功能打印键；

参见图7，浪涌保护器或浪涌保护装置的冲击电压保护水平测试的程序流程，CPU数据处理与控制电路15和15’首先读取动态数据存储电路14和14’中的一组数据，然后，采用下面两种方法求取：(1)如图7a，首先利用“冒泡法”分别求取冲击电压测试单元5和6的峰值，然后求取两个冲击电压峰值之差即为带有长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置2的瞬态保护水平。“冒泡法”求取最大值的方法是：设置电压的峰值为Ip＝0，且将数据指针指向电压传感器3数字信号区的首地址，比较第一个数据和峰值Ip的大小，若此数据小于Ip，继续比较下一个数据和Ip的大小，反之，交换第一个数据和Ip，……，如此下去，直到将全部数据比较结束为止，这时Ip的值即为电压传感器3采集到的电压峰值Ur1；同样方法，求得电压传感器4采集到的电压峰值Ur2；计算两者之差Ur＝Ur1—Ur2即得带有长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置2的瞬态保护水平Ur。(2)如图7b，首先求取两路冲击电压测试单元5和6数字信号之差ur1(ur11—ur21)、ur2(ur12—ur22)，……，urn(ur1n—ur2n)，其中ur11、ur12、……、ur1n为电压传感器3采集得到的数字信号，ur21、ur22、……、ur2n为电压传感器4采集得到的数字信号。然后，再用“冒泡法”(方法同上)求取带有长引线的浪涌保护器或浪涌保护装置2的瞬态保护水平。

Claims

1、基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，包括脉冲电流发生电路[1]和与脉冲电流发生电路[1]相连的浪涌保护器[2]，其特征在于：浪涌保护器[2]的输出端连接有第一、第二电压传感器[3、4]，第一电压传感器[3]的高压输入端与浪涌保护器[2]的上端根部连接，第一电压传感器[3]的低压输入端与脉冲电流发生电路[1]的接地点连接；第二电压传感器[4]的高压输入端与浪涌保护器[2]的下端根部连接，第二电压传感器[4]的低压输入端与脉冲电流发生电路[1]的接地点连接，第一、第二电压传感器[3、4]的输出端分别与冲击电压测试单元[5、6]相连接并将脉冲试验的电压引入冲击电压测试单元[5、6]，所说的冲击电压测试单元[5、6]均包括衰减电路[11]、极性判别电路[12]、脉冲信号模拟调理电路[13]、模数转换电路[14]、动态数据存储电路[15]、CPU数据处理与控制电路[16]以及显示电路[17]，衰减电路[11]和极性判别电路[12]的输入端分别与第一、第二电压传感器[3、4]的输出端相连接，衰减电路[11]和极性判别电路[12]的输出端通过脉冲信号模拟调理电路[13]和模数转换电路[14]的输入端相连接，模数转换电路[14]的输出端通过动态数据存储电路[15]与CPU数据处理与控制电路[16]相连接，CPU数据处理与控制电路[16]的输出端还与显示电路[17]相连接。

2、根据权利要求1所述的基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，其特征在于：所说的冲击电压测试单元[5、6]的输出端还与工业控制计算机[10]相连接。

3、根据权利要求1所述的基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，其特征在于：所说的极性判别电路[12]包括控制开关K1、与控制开关K1串联的继电器J1，通过继电器J1的触点将电阻R1分别与串连的电阻R2和电位器R4或串联的电阻R3和电位器R5连接，电位器R4和电位器R5接地，脉冲信号模拟调理电路[13]中含有集成运算放大器IC2、IC3和电阻R6、R7，模数转换电路[14]包括A/D转换器IC4，精密电源稳压集成电路IC1的输出端与A/D转换器IC4的基准电源相连接以及通过电阻R1与集成运算放大器IC3的输入端相连接，IC2的输出端通过电阻R6接至集成运算放大器IC3的反向输入端，集成运算放大器IC3的反向输入端与集成运算放大器IC3的输出端之间跨接有电阻R7，IC3的输出端与IC4的模拟输入端电连接。

4、根据权利要求1所述的基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，其特征在于：所说的动态数据存储电路[15]中包含两个八位双向总线发送器/接收器IC5、IC6以及数字信号储存器件IC7，其中IC5的动作由脉冲信号同步触发，IC5数字信号输入端IC5的A0-A7端口与模数转换电路[14]的A/D转换器IC4的D0-D7端口分别对应相连，IC5的输出信号端IC5的B0-B7端口与IC7的数据信号端IC7的D0-D7端口以及IC6数字信号输入端IC6的A0-A7端口对应连接，IC6的输出信号端IC6的B0-B7端口将输出到CPU数据处理与控制电路[16]的对应数据端口上。

5、根据权利要求1所述的基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，其特征在于：所说的显示电路[17]包括参数显示单元[18]以及分别与参数显示单元[18]相连接的复位与光标移动单元[19]和功能设置单元[20]。

6、一种基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，包括脉冲电流发生电路[1]和与脉冲电流发生电路[1]相连的浪涌保护器[2]，其特征在于：浪涌保护器[2]的输出端连接有第一、第二电压传感器[3、4]，第一电压传感器[3]的高压输入端与浪涌保护器[2]的上端根部连接，第一电压传感器[3]的低压输入端与脉冲电流发生电路[1]的接地点连接；第二电压传感器[4]的高压输入端与浪涌保护器[2]的下端根部连接，第二电压传感器[4]的低压输入端与脉冲电流发生电路[1]的接地点连接，第一、第二电压传感器[3、4]的输出端分别与示波器[8]的CH1和CH2通道相连接并将脉冲试验的电压引入示波器[8]。

7、根据权利要求6所述的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，其特征在于：所说的示波器[8]的输出端还与工业控制计算机[10]相连接。

8、一种基于差动输入的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，包括脉冲电流发生电路[1]和与脉冲电流发生电路[1]相连的浪涌保护器[2]，其特征在于：浪涌保护器[2]的输出端连接有第一、第二电压传感器[3、4]，第一电压传感器[3]的高压输入端与浪涌保护器[2]的上端根部连接，第一电压传感器[3]的低压输入端与脉冲电流发生电路[1]的接地点连接；第二电压传感器[4]的高压输入端与浪涌保护器[2]的下端根部连接，第二电压传感器[4]的低压输入端与脉冲电流发生电路[1]的接地点连接，第一、第二电压传感器[3、4]的输出端分别与数据采集卡[9]相连接并将脉冲试验的电压引入数据采集卡[9]。

9、根据权利要求8所述的浪涌保护器瞬态保护水平测量系统，其特征在于：所说的数据采集卡[9]的输出端还与工业控制计算机[10]相连接。