CN1031165A

CN1031165A - 信号鉴别器及信号鉴别方法

Info

Publication number: CN1031165A
Application number: CN88104897A
Authority: CN
Inventors: 乡晃; 前泽重成; 荫山知章; 石藏敬三郎; 漱良昭雄; 末宏润次
Original assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsui Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1987-08-07
Filing date: 1988-08-06
Publication date: 1989-02-15
Also published as: KR910001385B1; CN1016033B; CA1294014C; DE3888750D1; KR890004483A; US4897561A; DE3888750T2; EP0302746A2; EP0302746A3; EP0302746B1

Abstract

一种信号鉴别器和信号鉴别方法。在第一种电路构成中，在第一线圈中一个初级绕组的始端和另一个初级绕组的终端之间流过由两个以上频率互不相同的电流分量迭加成的电流时，从第一线圈中次级绕组的两端子上和第二线圈中次级绕组的两端子上可分别得到已鉴别出的个别频率成分的检出信号。在第二种电路构成中，对于在穿通环形磁心的被检测信号线中流动的信号电流，可从上述的第二绕组端子上得出其高频成分。

Description

本发明涉及从频率相互不同的两个以上电流分量叠加的电流中鉴别出特定频率信号的一种信号鉴别器及信号鉴别方法。

从频率相互不同的两个以上电流分量叠加的电流中得出所需电流分量的信号检出装置，以往一般采用变压器或分流器作为检出器，并在后级使用滤波电路等。

但是，上述的、以往采用的信号鉴别器，在通过变压器或分流器的信号中，除信号成分外还混有噪声成分，因而信噪比不够好，要求后级连接的滤波器必须具有高的性能。

因此，这种装置的缺点不仅是体积大，而且成本也高。此外，在采用分流器的情况下，由于被测电路和检出器输出间的电绝缘不够良好，所以具有难以适用于高压电路和适用范围受到限制等的问题。

本发明的目的在于提供如下的信号鉴别器：它具有较高的信噪比，可实现小型化，与电力传输线等被检测电路有良好的电绝缘。

（Ⅰ）第一种电路，它提供出具有以下特征的信号鉴别器：具有由圈数相同并沿同一方向缠绕的二个初级绕组（11）、（12）和一个次级绕组（13）构成的第1线圈（1），其磁心使磁动势和磁通密度间具有大致正比的关系;具有由初级绕组（21）和次级绕组（22）构成的第2线圈（2），其磁心使磁动势和磁通密度间具有大致正比的关系;并具有阻抗电路（3）;第2线圈（2）中初级绕组（21）的端子（21-a）、（21-b）连接在第1线圈（1）中初级绕组（11）的终端（11-b）和初级绕组（12）的终端（12-b）上;阻抗电路（3）连接在第1线圈（1）中初级绕组（11）的终端（11-b）和初级绕组（12）的始端（12-a）上;当频率相互不同的两个以上电流分量叠加的电流通过第1线圈（1）中初级绕组（11）的始端（11-a）和初级绕组（12）的始端（12-a）之间时，可分别从第1线圈（1）中次级绕组（13）的两端（13-a）、（13-b）和第2线圈（2）中次级绕组（22）的两端（22-a）、（22-b）上得到不同频率的检出信号。

（Ⅱ）第二种电路，它提供出以下的信号鉴别器，其环形磁心31使磁动势和磁通密度大致成正比关系，即具有准线性的B-H特性曲线，且磁心对低频段到高频段的导磁率大致是恒定的，在该环形磁心31上缠绕有两端短路的第1绕组32和信号检出用的第2绕组33;应用该信号鉴别器可提供出以下的检出方法，即对于前述的环形磁心1上穿绕的被检出信号线4内流通的信号，可从上述的第2绕组33中得到其高频成分。

图1～图4示出本发明的第一种具体例子。图1示出本发明的信号鉴别器的原理构成图。图2示出本发明的信号鉴别器的一个实施例。图2-1示明从主电路电流i₁中鉴别出低频电流i_L和高频电流i_H各个分量的作用原理。图2-2示出主电路电流i₁、由低频电流i_L形成的检出信号电压e_L和由高频电流i_H形成的检出信号电压e_H的波形图。图3示出一类似于图2的构成例子，主电路电流i₁为正弦波的i_L上叠加了脉冲性的i_H信号，图中示出了信号鉴别结果。图4示出从基波上叠加脉冲信号或高频信号的电流中检出信号分量的信号接收装置的应用例子。

还有，图5至图12示出本发明的第二种具体例子，图5为说明基本原理的线圈构成图，图6表明信号鉴别器实施例的构成图，图7（A）示明环形磁心所用磁性材料的B-H特性曲线，图7（B）为环形磁心所用磁性材料的频率特性曲线，图7（C）为被检出信号的波形和从该波形中鉴别出的高频成分的波形图，图7（D）示明在正弦波上叠加脉冲波的被检出信号的波形图，以及从该波形中鉴别出的脉冲成分的波形图，图8为信号鉴别器的其他实施例的构成图，图9为采用本信号鉴别器的电力传输线绝缘劣化检测装置电路示意图，图10为采用本信号鉴别器的电力传输线绝缘劣化检测装置的其他电路构成法示意图，图11（A）、（B）为试验电路适用例子的方框图，图12（A）、（B）是对于利用电力线构成通信装置T的适用例子方框图。

本发明的第一种信号鉴别器的原理构成如图1所示。

线圈1和2分别具有磁心1A和2A，这种磁心具有高的导磁率，且从低频段到高频段导磁率大致恒定，其剩磁和矫顽磁力都较小，并且B-H曲线具有准线性的特性。

3是由电容器、电阻、电抗器、半导体器件等单独或组合构成的阻抗电路。

4是流动有被检出电流的主电路。

11、12都是线圈1的初级绕组，它们的圈数相同，并且在磁心1A上沿同一方向缠绕。

13为线圈1的次级绕组。

21为线圈2的初级绕组。

22为线圈2的次级绕组。

11-a为线圈1的初级绕组11的始端，11-b为终端。

12-a为线圈1的初级绕组12的始端，12-b为终端。

21-a、21-b为线圈2的初级绕组21的端子。

22-a、22-b为线圈2的次级绕组22的端子。

端子11-b和21-a及12-b和21-b与外部配线相连接;此外，阻抗电路3连接在端子11-b和12-a之间。

端子11-a和12-a与主电路4连接，被检出电流在主电路4上流动。

于是，可从线圈1的次级绕组13的两端13-a、13-b和线圈2的次级绕组22的两端22-a、22-b上得到鉴别出的信号输出。根据用途的不同，鉴别出的信号输出可以使用其某一路，也可以两路都使用。

当频率相互不同的两个以上电流分量叠加的电流流过主电路4时，在线圈1的初级绕组11中流过主电路的全部电流，但在初级绕组12中流过的电流是主电路的全部电流与阻抗电路3中的电流两者的矢量差。该电流串联流过线圈2的初级绕组21。

这时，磁心1A的磁动势是初级绕组11中的电流感生的磁动势和初级绕组12中的电流感生的磁动势的矢量和。绕组11和12是沿同一方向缠绕的，由于流过绕组11的电流和流过绕组12的电流的方向对于两绕组的始端和终端互为反向，所以磁心1A的磁动势等于初级绕组11中的电流感生的磁动势和初级绕组12中的电流感生的磁动势之矢量差。在线圈1的次级绕组13中，产生出由磁心1A的磁动势变化引起的电压。

此外，磁心2A的磁动势是由主电路的全部电流与流过阻抗电路3的电流两者的矢量差电流引起的，在线圈2的次级绕组22中产生出由此磁动势变化引起的电压。

因此，通过适当地选定磁心1A和磁心2A的尺寸、形状和各线圈的圈数等的磁路参数，以及适当地选定阻抗电路3中的阻抗种类和特性常数等，可从线圈1的次级绕组13和线圈2的次级绕组22中得到主电路电流中叠加的信号分量，作为鉴别出的信号电压。

以下，进一步具体地说明第一种信号鉴别器。

图2示出第一种信号鉴别器的一个实施例的构成图。磁心100和200是由钴非晶质合金制成的高导磁率磁心，从低频段到高频段具有大致恒定的导磁率，并具有大致线性的B-H特性，它们例如可采用真空熔化公司（バケ-ムシユリルツ工社）的VATROVAC-6025F等的产品。在磁心100中，初级绕组101、102沿同一方向穿通1圈，并有信号检出用的次级绕组103，它们构成了线圈104。在磁心200中，有初级绕组201和次级绕组202，它们构成了线圈203。C为构成阻抗电路的电容器。300为防止外部杂散磁场侵入用的磁屏蔽外壳。

现在，当主电路电流i₁为低频电流i_L和高频电流i_H的叠加电流时，线圈104的初级绕组101中流过主电路电流i₁。线圈203的初级绕组201对于高频电流呈现较大的感抗，对于低频电流呈现较小的感抗;而电容器C对于高频电流呈现较小的容抗，对于低频电流呈现较大的容抗。因此，高频电流i_H流经电容器C，低频电流i_L通过线圈203的初级绕组201流经线圈104的初级绕组102。

于是，磁心100的磁动势中，没有由低频电流i_L引起的分量，只有由高频电流i_H引起的分量，可以从线圈104的次级绕组103上得到由高频电流i_H引起的信号电压e_H。

同样，可以从线圈203的次级绕组202上得到由低频电流i_L引起的信号电压e_L。

以下，根据图2-1，用数学式子表明从主电路电流i₁中鉴别出低频电流i_L和高频电流i_H的各个分量的作用原理。

现在，设主电路电流i₁为

i₁＝I_osin（2πft+Φ_o）+I_nsin（2πfnt

+Φn）

设线圈203的初级绕组201的阻抗对于频率f为

_L，对于频率f_n为 _Ln，电容器C的阻抗对于频率f为 _H，对于频率f_n为

_Hn，则

iL＝｛

_H/（

_H+ _L）｝·I_osin（2πft+

Φ₀₁）+｛ _Hn/（ _Hn+

_Ln）｝·Insin

（2πf_nt+Φ_n1）＝i_Lf+i_Lf_n……（1）

i_H＝｛

_L/（

_H+

_L）｝·I_osin（2πft+Φ₀₁）

+｛

_Ln/（ _Hn+

_Ln）｝·Insin（2πf_nt

+Φ_n1）＝i_Hf+i_Hf_n……（2）

这里，当频率为f时，由于

i_Lf＝I_osin（2πft+Φ₀₁）

所以由式（1）可假定有

（｜ _L/

_H｜）＜＜1……（3）

此时，在线圈104的绕组103上产生的电压分量的增益G₁₀₀是由i_H引起的。由于由式（3）得到

｜ _H｜＞＞｜

_L｜

所以i_Hf成分不造成影响，只有i_Hfn成分起作用。由式（2）得到

G₁₀₀∝i_H＝i_Hf_n∝｜

_Ln｜/（｜

_Hn+

_Ln｜）

……（4）

式中，若设

_L、

_Ln为纯电感L， _H、 _Hn为纯电容C，则

（｜ _L/

_H｜）＝4π²LC·f²

（｜ _Hn/ _Ln｜）＝1/（4π²LC·f² _n）

若设f_n/f＝n，则

（｜ _L/

_H｜）＝4π²LC·f²

（｜

_Hn/

_Ln｜）＝1/（4π²LC·f²·n²）

例如，当n＝10³、频率为f时，若设计成（｜Z_L/Z_H｜）＝10^-5，则

（｜

_Hn/ _Ln｜）＝1/10……（5）

此外，

（Φ_o-Φ₀₁）＝角度｛（

_L）/（ _H+

_L）｝＝O（弧度）

……（6）

式（6）表示由频率为f的电流感生的磁动势，在磁心100中被抵消。

此外，式（5）表明，磁心100内由f_n成分感生的磁动势几乎没有减少。

因此，在此情况下，f_n成分的增益不会降低，而f成分的增益减少100dB左右。

再者若设计成（｜

_L/ _H｜）＝10^-6，则

_Ln＝- _Hn，即成为谐振条件。由于G₁₀₀变得非常大，所以只要从谐振条件上偏移一点，就能容易地使信噪比达到120dB左右。

图2-2示出主电路电流i₁、由低频电流i_L引起的检出信号电压e_L和由高频电流i_H引起的检出信号电压e_H的波形图。

图3示出类似于图2的一种构成例子，表明主电路电流i₁为正弦波上叠加脉冲波时的信号鉴别结果。

图4示出从基波上叠加有脉冲信号或高频信号的电流中检出信号分量的信号接收装置的应用例子。500为本发明的信号鉴别器，600为信号接收装置。图2中的初级绕组101、102可用同轴电缆505来代替。在信号接收装置600中，601为信号波输入电路，602为基波输入电路，603、604为放大器，605为相位比较器，606为输出电路。

当基波为低频、信号为高频时，将信号鉴别器500的次级绕组103的端子501、502连接到信号接收装置600的信号波输入电路的端子511、512上，将次级绕组202的端子503、504连接到基波输入电路的端子513、514上;当基波为高频、信号为低频时，可将信号鉴别器500的端子501、502连接到信号接收装置600的端子513、514上，将信号鉴别器500的端子503、504连接到信号接收装置600的端子511、512上。该装置还可作为频率多重收信装置使用。

为了从叠加有信号波的主电路电流i₁中真实地检出信号波，信号接收装置600就基波的特定相位进行如下的处理：即由信号鉴别器500进行鉴别，将次级绕组202和103中分别产生的基波和信号波经由基波输入电路602和信号波输入电路601取出来，通过放大器604、603分别进行放大后加到相位比较器605上。在相位比较器605上，就基波的特定相位逐次检测信号波的有无，将其结果输出到输出电路606。

这样，可将外来的噪声信号与需要检出的信号波区别开来，从而可从输出电路606上真实地检出信号波。

另外，在图2和图4中，当主电路电流值大而磁心100或磁心200有发生磁饱和的可能时，在各磁心上加绕第3绕组（图中未示出），接入适当的阻抗，这样就不必将各磁心的尺寸选定得较大。

在这种场合，如果不加第3绕组而在次级绕组103和202上连接适当的阻抗，也可得到同样的结果。

在图2的构成中，当磁心100和200采用前述真空熔化公司的VATROVAC-6025F的钴非晶质磁心时，可容易地得到120dB左右的信噪比。

这样，可以在简单的构成中做出具有高信噪比、廉价、小型、轻量的信号鉴别器。

上述的钴非晶质合金由钴（C_o）、铁（Fe）、硅（Si）、硼（B）、钼（M_o）、镍（Ni）组成，组成式为（Co）a（Fe）b（Si）c（B）d（Mo）e（Ni）f式中，a～f表示各元素成分的原子百分率，a＝50～90，b＝1～10，c＝5～20，d＝0～20，e＝0～20，f＝1～5;a～f的和为100。

磁心100和200的制作是将扁平带形式的这种钴非晶质合金卷绕多圈，成型成例如为环状的环形磁心。这种钴非晶质合金环形磁心在做成环状之后，在150～450℃的温度中进行5～180分钟的热处理，由此可得到所期望的导磁率。热处理时若放在直流磁场或交流磁场中进行，可使其性能均匀化;若进一步放在氮气环境中进行，可以得到更稳定的性能。

如上所述，对于由频率相互不同的两个以上电流分量叠加成的主电路电流，采用本发明的第一种信号鉴别器可以以简单的构成、高的信噪比从主电路中得到电气上绝缘的检出信号，并且信号鉴别器是廉价、小型和轻量的。

参照图5所示的原理图，现说明本发明的第二种信号鉴别器和采用该信号鉴别器的信号鉴别方法。

这是在缠绕第1绕组32和第2绕组33的环形磁心31上，缠绕上流动被检出信号电流的线圈34作为初级线圈，而第1绕组32和第2绕组33是相对于初级线圈的次级线圈。

在被检出信号线34上有低频电流和高频电流流动时，环形磁心31中产生磁动势。由此，在第1绕组32和第2绕组33中产生电动势，但由于第1绕组32两端短路，所以其中有抑制环形磁心31内磁通变化的电流流动。

这里，环形磁心31的导磁率高，从低频段到高频段导磁率大致恒定，剩磁和矫顽磁力都较小，并且有磁动势和磁通密度大致成正比关系的准线性的B-H曲线，因此，第1绕组32对于低频信号感抗小，对于高频信号感抗大。

所以，从低频成分被抵消的第2绕组33中只得到高频成分。

另外，如图6所示，被检出信号线34实际上穿过环形磁心31就可以，不必象图5那样进行缠绕。

上述环形磁心31的材料可以采用示例所说的以钴为主要成分的非晶质合金，但也可以采用其他磁性材料。

钴非晶质合金可以采用对第一种信号鉴别器的磁心方面示例说明的材料。另外，此钴非晶质合金磁心的制造方法也可以采用对第一种信号鉴别器的磁心方面示例说明的制造方法。

第1绕组32和第2绕组33可以分别缠绕，也可以如图8所示，第1绕组32和第2绕组33串绕在一起。

以下，根据图5～图12进一步具体说明本发明的第二种信号鉴别器和利用它实施的信号鉴别方法。

环形磁心31是将真空熔化公司制造的VATROVAC-6025F合金带缠绕成环状而制成的。而后，如图6所示，在该环形磁心31上分别缠绕上两端短路的第1绕组32和两端开路的第2绕组33。

上述环形磁心31的宽度为10mm，内径为150mm，高度为3mm，上述第1绕组32的圈数为3圈，第2绕组33的圈数为10圈，其B-H特性如图7（A）所示，大致呈线性。

另外，该环形磁心31的尺寸可根据它所装置的线路和所需的灵敏度等适当地予以改变。例如，安装在地电位上的磁心，采用内径30mm左右的小型磁心就可以。

采用如上所述构成的鉴别器时，将被检出信号线34穿过环形磁心31，可以检出在该被检出信号线34上流动的主电路电流i₁中的高频成分。

这里，当主电路电流i₁由高频电流i_H和低频电流i_L叠加而成时，可以用下面的数学式子表明从主电路电流i₁中鉴别出由高频电流i_H引起的信号的作用原理。

首先，设主电路电流为

i₁＝i_Lsin（2πft+φ_o）+i_Hsin（2πf_nt+φn）

如图7（B）所示，由于环形磁心1的导磁率从低频段到高频段是大致恒定，所以对于频率为f的低频电流i_L和对于频率为f_n的高频电流i_H，电感大致是相等的，并设此电感值为L。

对于频率f，第1绕组32的感抗X_L为

X_L＝2πf·L

对于频率f_n，感抗X_H为

X_H＝2πf_n·L

在第1绕组32上，频率为f时产生的感生电势大致与感抗X_L成正比，频率为f_n时的感生电势大致与感抗X_H成正比。又由于第2绕组33上产生的电势与在第1绕组32上产生的感生电势大致成正比，所以若

f_n/f＝n

则

X_H/X_L＝n

例如，当fn/f＝n＝10⁵时，相对于频率为fn的高频成分，频率为f的低频成分将减小100dB左右，因而可从第2绕组33中得到频率为fn的高频成分。

图7（C）示出主电路电流i₁为正弦波上叠加有高频电流i_H的场合下，对检出信号电压e_H进行鉴别时两信号的波形图。图7（D）示出正弦波的主电路电流i₁上叠加有脉冲时对检出信号电压e_H进行鉴别的波形图。

图9示出将上述电路构成的信号鉴别方法应用于高压电缆CA绝缘劣化监视系统中的例子。在该例子中，当主电路电流i₁是由绝缘体充电流及漏电电流的基波和作为其高次谐波的低频电流i_E，由绝缘体劣化信号的电晕放电电流、部分放电电流，以及由作为突发脉冲电流的高频电流i_P等叠加组成时，由于第2绕组33对于高频电流呈现的感抗大，对于低频电流呈现的感抗小，所以在环形磁心31内由低频电流引起的磁通变化相抵消。

另一方面，由于高频电流引起的磁通变化残留下来，因而从第2绕组33上可得到由绝缘体劣化信号引起的高频脉冲信号电压。通过阻抗匹配的同轴电缆C，可在远处设置的电晕放电观测装置5中检测出主电缆CA的绝缘劣化。

图10为与上述图9所示电路相同的电缆CA绝缘劣化情况的检测装置，但高压电缆CA兼起被检出信号线34的作用。采用这样的电路构成，不仅能检测出电缆CA的绝缘体劣化情况，而且能检测出与电缆CA连接的机器等的绝缘劣化情况。

图11（A）、（B）示出适用于对直流高压和交流高压的绝缘强度进行试验的装置例子。这样地将绝缘强度试验装置37和部分放电测定装置38组合起来后，利用本发明的鉴别方法，可以连续地检测被试验物36的绝缘体劣化情况，所以在被试验物36绝缘击穿之前就能检测出其击穿症兆，从而可对被试验物的击穿破坏防止于未然。

图12（A）、（B）示出适用于利用电力线构成通信装置T的电路例子。图12（A）示出的是利用系统的对地电容Co和电力线的屏蔽线作为通信线路的构成例子。这样地采用本发明的鉴别方法，不需要新设通信线路，是特别适合于在建设现场等处进行局部通信的一种手段。

按照本发明，所采用的环形磁心31的磁动势和磁通密度间大致成正比关系，其B-H曲线大致呈线性，并且从低频段到高频段导磁率大致恒定;在该环形磁心31上缠绕第1绕组32及圈数比该第1绕组32多的第2绕组33，而后可从该第2绕组33上检出高频成分。

因此，不再需要以往那样的高精度滤波器，而可以做到小型、轻量，且制造成本低。此外，没有高频成分相位反转的危险，信噪比、灵敏度也好。特别是由于绝缘良好，安装在高压带电电线上使用也是安全的。

Claims

1、一种信号鉴别器，其特征如下：具有第一线圈(1)，其磁心使磁动势与磁通密度间大致成比例关系，它上面绕有圈数相同且绕向一致的两个初级绕组(11)和(12)，以及绕有一个次级绕组(13)；还具有第二线圈(2)，其磁心使磁动势与磁通密度间大致成比例关系，它上面绕有初级绕组(21)和次级绕组(22)；还具有阻抗电路(3)；第二线圈(2)中初级绕组(21)的端子(21-a)和(21-b)分别与第一线圈(1)中初级绕组(11)的终端(11-b)和初级绕组(12)的终端(12-b)相连接，阻抗电路(3)与第一线圈(1)中初级绕组(11)的终端(11-b)和初级绕组(12)的始端(12-a)相连接；当由两个以上频率互不相同的电流分量迭加后的电流在第一线圈(1)中初级绕组(11)的始端(11-a)和初级绕组(12)的始端(12-a)之间流动时，可从第一线圈(1)中次级绕组(13)的两端子(13-a)和(13-b)上及从第二线圈(2)中次级绕组(22)的两端子(22-a)和(22-b)上分别得到已鉴别出的各别频率成分的检出信号。

2、根据权利要求1所述的一种信号鉴别器，其特征在于，形成上述线圈（1）和（2）的磁心是由以钴为主要成分的非晶质合金制造成的。

3、一种信号鉴别器的特征在于：环形磁心（31）的磁动势与磁通密度间大致具有比例关系，其B-H特性大致呈线性，且从低频段到高频段导磁率基本恒定;在环形磁心（31）上绕有两端短路的第一绕组（32）和信号检出用的第二绕组（33）。

4、根据权利要求3所述的一种信号鉴别器，其特征在于，所述的环形磁心（31）是由以钴为主要成分的非晶质金属制造成的。

5、信号鉴别方法的特征在于：环形磁心（31）的磁动势与磁通密度间大致具有比例关系，其B-H特性大致呈线性，且从低频段到高频段导磁率基本恒定;在环形磁心（31）上绕有两端短路的第一绕组（32）和信号检出用的第二绕组（33）;从第二绕组（33）上可以得到在穿过上述环形磁心（31）的被检出信号线（34）中流动的信号电流的高频成分。