CN101334430B - 一种高精确度电流检测和温度在线检测装置及其采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高精确度电流检测和温度在线检测装置及其采样方法，所述装置包括：信号采样单元，采集被测通电导体的电流信号及温度信号；温度补偿单元，具有第1放大器及热电偶冷端温度补偿电路；电流信号放大单元，具有第2放大器，接收信号采样单元输出的电流采样信号，同时通过场效应管接收温度补偿单元输出的温度采样信号进行放大处理；所述方法包括：在被测通电导体上沿电流方向选取两点作为电流信号接至电流信号放大单元的输入端；在被测通电导体的同一等电位线上选取另外两点作为温度信号通过两个不同材质的导体分别接至温度补偿单元的输入端及热电偶冷端补偿电路。本发明电流检测精确度高，同时实现了温度在线检测，结构灵活，方法多样。

Description

一种高精确度电流检测和温度在线检测装置及其采样方法
技术领域
本发明涉及电气技术领域中电流及温度检测的装置及方法，具体地说是一种高精确度电流检测和温度在线检测装置及其采样方法。 
背景技术
通常，同一导体在不同环境温度中的电阻值不同，在同样的温度环境下通以不同的电流时，导体的温度不同，其导体的电阻值也不同，这样使相同的电流通过同一导体时，在不同的温度环境下会产生不同的电压降，这个现象即为温度漂移。 
当选取一段通电导体的电压降作为检测电流的采样信号时，温度漂移现象对电流检测的准确度影响很大。所以在利用一段导体的电压降来进行电流测量时，必须对温度漂移进行同步温度补偿，目的是保证导体在温度变化时，其输出信号不受温度变化的影响，准确跟踪被检测的输入电流。为解决这个问题，通常在被测量回路中，采用附加热敏元件做温度补偿，利用热敏元件组成反馈电路，修正由温度造成的温度漂移量，以提高信号输出的准确度。 
温度补偿的效果如何，对高精度电流检测的准确度起着决定性的作用。目前采用热敏元件进行温度补偿的响应速度较差，原因在于这些热敏元件存在着热惯性。当所测通电导体的温度发生变化时，这些热敏元件须经过一定的时间，才能达到相应的稳态值。所以对短时间内温度变化大的场合，这种温度补偿的效果很不理想。 
通电时的导体温度检测，也称为温度在线检测，通常在电力发电系统、输变电系统、供电系统采用隔离检测方法，即红外线检测。红外线温度在线检测装置成本高、体积大；也有采用附加的专用热电偶采样，即热电偶隔离温度检测，经相关处理后，将温度信号隔离输出，附加专用热电偶的检测装置，不仅成本高，而且检测信号存在滞后现象。 
通电导体电流的精确检测和快速反应的温度在线检测在电力系统的智能化管理中是两个非常重要的环节。目前电力系统中的通电导体电流检测和温度在线检测，均采用单一功能的检测，尚无两者功能同时具备的检测装置。 
发明内容
针对现有技术中尚无具备对通电导体同时实施电流检测及温度在线检测的方法及装置，本发明的目的在于提供一种同时实现上述两种检测的高精确度电流检测和温度在线检测装置及其采样方法。 
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 
本发明装置包括以下部分：信号采样单元，采集被测通电导体的电流信号及温度信号；温度补偿单元，具有第1放大器及热电偶冷端温度补偿电路，对上述采集到的温度信号进行放大；电流信号放大单元，具有第2放大器，接收上述信号采样单元输出的电流采样信号，同时通过场效应管(M)接收温度补偿单元输出的温度采样信号进行放大处理。 
所述温度补偿单元及电流信号放大单元的输出端分别经各自的调制解调单元接至处理控制单元，该处理控制单元对接收的信号数据进行处理，并输出显示；所述信号采样单元、电流信号放大单元、温度补偿单元均设于壳体内，其中信号采样单元具有采样点，凸出于壳体，分布于同一平面上，与被测通电导体为点接触；所述信号采样单元具有四个采样点，其中两个采样点为电流信号采样点，沿被测通电导体的电流方向与被测通电导体接触设置，该电流信号采样点分别接至电流信号放大单元中第2放大器的正、负输入端；另外两个采样点为温度信号采样点，其在被测通电导体包括电流信号采样点在内的任一等电位线上与被测通电导体接触设置，该温度信号采样点通过两个不同材质的导体分别接至温度补偿单元的输入端及热电偶冷端温度补偿电路；所述温度信号采样点可为重合一点；所述两个不同材质的导线可以为直接接触设置于被测通电导体上的热电偶，即将该热电偶的热端接触设置于被测通电导体上，热电偶接线端的一端接至温度补偿单元中的第1放大器的负输入端，另一端接至温度补偿单元中的热电偶冷端补偿电路；所述被测通电导体与壳体固化为一体，或者被测通电导体与壳体通过固紧装置连接为一体；被测通电导体与壳体以及壳体内部各单元通过环氧树脂固化。 
本发明采集方法包括以下步骤： 
在被测通电导体上沿电流方向选取两点作为电流信号采样点，通过导线接至高精确度电流检测和温度在线检测装置的电流信号放大单元的输入端；在被测通电导体包括电流信号采样点在内的任一等电位线上选取两点作为温度信号采样点，在该两点上通过两个不同材质的导体分别接至高精确度电流检测和温度在线检测装置温度补偿单元的输入端及热电偶冷端补偿电路。 
所述温度信号采样点重合为一点；所述两个不同材质的导线为直接接触设置于被测通电导体上的热电偶。 
本发明具有以下有益效果及优点： 
1.电流检测精确度高。本发明在电流检测中，对导体的温度变化采用以热电偶的温差电势作为温度补偿的方法，它不同于通常采用的附加热敏元件，没有热惯性的存在，而是取导体自身的两个点或一个点所形成的热电偶或直接在导体上放置热电偶的温差电势，通过与相应的电子电路连接，形成了利用热电偶的温差电势进行温度补偿由于通电导体因温度变化产生的温度漂移量，无任何滞后现象，其温度变化与温度补偿具有同步性，响应速度快，实现了高精度的电流检测。 
2.同时实现了温度在线检测。由于本发明中，作为温度补偿的热电偶的电势变化直接反映了导体的温度变化，因此该热电偶的温差电势可作为温度检测信号输出，可以迅速、准确地反映通电导体的温度变化，实现温度在线检测。 
3.工作效率高。现有技术中不论是电流检测，还是温度在线检测都属于各自独立进行，自成体系，其装置相互独立，而本发明装置及方法是将两者有机的融为一体，既减小了相应检测装置的体积，又提高了检测装置的工作效率。 
4.检测方法多样。本发明方法中，可以在导体上直接接触设置热电偶，也可以巧妙地利用被测通电导体的本体直接形成热电偶，其温差热电势仅与被测通电导体的温度有关，而与被测通电导体的电流大小无关； 
5.装置结构具有灵活性。本发明装置具有一体式或分体式两种形式，一体式结构为所测的通电导体与信号采样的四点、三点或两点的相对位置固定不变；分体式结构为所测的通电导体与信号采样的四点、三点或两点可以分离，即所测的通电导体与信号采样的四点、三点或两点的相对位置可以不同，随机可变，一经安装，其相对位置将同时被确定，因此安装灵活，提高了本发明装置的实用性。 
附图说明
图1为本发明电流检测及温度在线检测信号采样的四点结构示意图； 
图2A为本发明电信号采样的三点结构示意图(一)； 
图2B为本发明信号采样的三点结构示意图(二)； 
图2C为本发明信号采样的三点结构示意图(三)； 
图3为本发明电流检测及温度在线检测信号采样的两点结构示意图； 
图4为本发明装置结构框图； 
图5为本发明装置电路原理图； 
图6为本发明装置外部结构示意图。 
具体实施方式
 如图4、5所示，本发明装置包括以下部分：信号采样单元，采集被测通电导体1的电流及温度信号；温度补偿单元，具有第1放大器IC1，对上述采集到的温度信号进行放大；电流信号放大单元，具有第2放大器IC2，接收上述信号采样单元输出的电流采样信号，同时通过场效应管M接收温度补偿单元输出的温度采样信号进行放大处理；所述温度补偿单元及电流信号放大单元的输出端分别经各自的调制解调单元接至处理控制单元，该处理控制单元对接收的信号数据进行处理，并输出显示；温度补偿单元输出的信号也可以接至温度表进行温度显示，电流信号放大单元输出的信号也可以接至电流表或万用表进行电流显示，这种显示方式适合于实验时采 用。 
如图1所示，所述信号采样单元、电流信号放大单元、温度补偿单元均设于壳体4内，其中信号采样单元具有采样点，凸出于壳体4，分布于同一平面上，与被测通电导体1为点接触。信号采样单元的采样点为4个，其中两个采样点为电流信号采样点A、B，沿被测通电导体1的电流方向与被测通电导体1接触设置，该电流信号采样点A、B分别接至电流信号放大单元中第2放大器IC2的正、负输入端；另外两个采样点为温度信号采样点C、D，其在被测通电导体的同一电压等位线(即与电流方向垂直)上与被测通电导体1接触设置，该温度信号采样点C、D通过两个不同材质的导体分别接至温度补偿单元的输入端及热电偶冷端温度补偿电路。 
如图2A所示，所述温度信号采样点C、D可为重合一点，此时两个不同材质的导线可以为直接接触设置于被测通电导体1上的热电偶，即将该热电偶的热端接触设置于被测通电导体1上，热电偶接线端的一端接至温度补偿单元中的第1放大器IC1的负输入端，另一端接至温度补偿单元中的热电偶冷端补偿电路。 
如图2B、2C所示，为在线检测信号采样的三点结构示意图，图3为在线检测信号采样的两点结构示意图，可见本发明装置存在A与C(或A与D)、A与C、D以及B与C(或B与D)、B与C、D重合的情况。 
如图6所示，被测通电导体1与壳体4以及壳体4内部各单元通过环氧树脂5固化为一体，或者被测通电导体1与壳体4通过固紧装置2连接为一体。本发明装置包括一体式结构及分体式结构，所述一体式结构为被测通电导体1与壳体的相对位置是固定不变的，也就是说装置中带有一段与壳体4固化成一体的被测通电导体1，使用安装时，将该段被测通电导体1与所测线路导体串联连接即可。 
所述分体式结构是指被测通电导体1与壳体4可以是分离的形式，即被测通电导体1与壳体4的相对位置可以变化，而壳体4与其内部线路板3(信号采样单元、温度补偿单元及电流信号放大单元均安装于其上)通过环氧树脂浇注为一体，由固紧装置2将壳体直接安装于被测现场线路中。 
本发明方法是指信号采样单元在被测通电导体1上选取四个点作为采样点，如图1所示，其中两点用来检测电流，另外两点用来做温度补偿和温度在线检测，具体为： 
在被测通电导体1的电流方向选取两点作为电流信号采样点A、B，通过同一种材质的导线分别接至电流信号放大单元的正、负输入端；在被测通电导体1的同一电压等电位线上取两点作为温度信号采样点C、D，通过不同材质的导线作为引线，接至温度补偿单元的负输入端；A、B两点的连线与通电导体的电流同向，作为电流检测用；C、D两点取导体电流流向的垂直方向，也就是同一等电位线方向，两点间距离最短可以为零，利用这两点引出的导线形成的热电偶作温度补偿，同时该C、D两点作为温度在线 检测的测量点。 
上述电流信号采样点A、B及温度信号采样点C、D可以这样定位：在被测通电导体1的电流流向上取A、B两点；A、B是不垂直于所测通电导体电流流向的两点；在所测通电导体电压的同一等位线上取C、D两点，该两点的连线垂直于被测通电导体电流方向；由于在被测通电导体1包括电流信号采样点A、B在内的任一等电位线上选取两点作为温度信号采样点C、D，而温度信号采样点C、D可以重合为一点，因此存在A与C(或A与D)、A与C、D以及B与C(或B与D)、B与C、D重合的情况，具体如图2A～2C以及图3所示。 
本发明方法通过在被测通电导体1上取一段导体的阻值，即在通电导体沿电流方向上截取任意A、B两点，直接进行电流检测。该段导体的电压降，与通过导体的电流大小成正比，变化规律符合欧姆定律。 
本发明工作原理如下： 
电流信号取自被测通电导体1上的A、B两点，电压降为UAB，温度信号取自由不同材质的导体与被测通电导体1上的C、D两点相连形成的热电偶或独立的热电偶温差电势UCD，当电流信号在不同的温度下，产生相应的温度漂移，温度补偿电路中温差电势UCD随导体温度也发生变化，其变化的温差电势UCD经第1放大器IC1放大后形成温度补偿电势VF，温度补偿电势VF与电流检测信号的电压降UAB随温度产生的漂移量成比例变化，方向相反，在MOS场效应管M的作用下，改变电流信号放大单元中第2放大器IC2负输入端的阻值以控制信号放大系数，用温度补偿电压VF为导体温度变化的漂移量进行补偿，以消除温度变化对输出信号的影响。补偿后的信号输入放大器IC2放大，输出高精度的电流信号U0。在不同材质的导线的引出端或热电偶的接线端接有冷端桥式补偿电路。本实施例中，该冷端桥式补偿电路由接于第1放大器IC1正、负输入端之间的第1～5电阻R1～R5及温度补偿电阻RT组成，经过冷端补偿后，温度或电流的检测精度会进一步提高。 
由于在C、D两点(或重合为一点)的温度信号由不同材料的导线引出，其温差电势对应的温度值会有所不同，可以通过调整设于第1放大器IC1负输入端的电阻R3，或调整设于第1放大器IC1负输入端与输出端的电阻R6来改变第1放大器IC1的放大倍数，使检测出的温度值准确无误。 
上述热电偶温差热电势仅与被测通电导体1的温度有关，与被测通电导体1的电流大小无关；而通电导体的电压降的温度漂移量也仅与通电导体的温度有关，因此用温差电势来做通电导体的温度同步补偿，可实现对导体通电电流的精确检测，同时还可以检测导体的温度，实现通电导体的温度在线检测。 

Claims (8)

1.一种高精确度电流检测和温度在线检测装置，其特征在于包括以下部分：
信号采样单元，采集被测通电导体(1)的电流信号及温度信号；
温度补偿单元，具有第1放大器(IC1)及热电偶冷端温度补偿电路，对上述采集到的温度信号进行放大；
电流信号放大单元，具有第2放大器(IC2)，接收上述信号采样单元输出的电流采样信号，同时通过场效应管(M)接收温度补偿单元输出的温度采样信号进行放大处理；
所述信号采样单元具有四个采样点，其中两个采样点为电流信号采样点(A、B)，沿被测通电导体(1)的电流方向与被测通电导体(1)接触设置，该电流信号采样点(A、B)分别接至电流信号放大单元中第2放大器(IC2)的正、负输入端；另外两个采样点为温度信号采样点(C、D)，其在被测通电导体(1)包括电流信号采样点(A、B)在内的任一等电位线上与被测通电导体(1)接触设置，该两个温度信号采样点(C、D)通过两个不同材质的导体分别接至温度补偿单元的输入端及热电偶冷端温度补偿电路；所述温度信号采样点(C、D)为重合一点；两个电流信号采样点之一与重合设置的两个温度信号采样点(C、D)再度重合设置。
2.按权利要求1所述高精确度电流检测和温度在线检测装置，其特征在于：所述温度补偿单元及电流信号放大单元的输出端分别经各自的调制解调单元接至处理控制单元，该处理控制单元对接收的信号数据进行处理，并输出显示。
3.按权利要求1所述高精确度电流检测和温度在线检测装置，其特征在于：所述信号采样单元、电流信号放大单元、温度补偿单元均设于壳体(4)内，其中信号采样单元的四个采样点，凸出于壳体(4)，分布于同一平面上，与被测通电导体(1)为点接触。
4.按权利要求1所述高精确度电流检测和温度在线检测装置，其特征在于：所述两个不同材质的导体为直接接触设置于被测通电导体(1)上的热电偶，即将该热电偶的热端接触设置于被测通电导体(1)上，热电偶接线端的一端接至温度补偿单元中的第1放大器(IC1)的负输入端，另一端接至温度补偿单元中的热电偶冷端补偿电路。
5.按权利要求3所述高精确度电流检测和温度在线检测装置，其特征在于：所述被测通电导体(1)与壳体(4)固化为一体，或者被测通电导体(1)与壳体(4)通过固紧装置(2)连接为一体。
6.按权利要求5所述高精确度电流检测和温度在线检测装置，其特征在于：被测通电导体(1)与壳体(4)以及壳体(4)内部的信号采样单元、电流信号放大单元及温度补偿单元通过环氧树脂(5)固化。
7.按权利要求1所述高精确度电流检测和温度在线检测装置的采样方法，其特征在于包括以下步骤：
在被测通电导体(1)上沿电流方向选取两点作为电流信号采样点(A、B)，通过导线接至高精确度电流检测和温度在线检测装置的电流信号放大单元的输入端；
在被测通电导体(1)包括两个电流信号采样点(A、B)在内的任一等电位线上选取两点作为温度信号采样点(C、D)，在该两个温度信号采样点(C、D)上通过两个不同材质的导体分别接至高精确度电流检测和温度在线检测装置温度补偿单元的输入端及热电偶冷端补偿电路；所述温度信号采样点(C、D)重合为一点；两个电流信号采样点之一与重合设置的两个温度信号采样点(C、D)再度重合设置。
8.按权利要求7所述高精确度电流检测和温度在线检测装置的采样方法，其特征在于：所述两个不同材质的导体为直接接触设置于被测通电导体(1)上的热电偶。
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