CN106199143A - 电介质绝缘诊断中微电流检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明展示了在电介质绝缘检测中一种微电流检测系统，包括I‑V转换放大电路，温漂抑制电路，仪表放大电路以及电源滤波电路，并为上述电路设置一个接地金属屏蔽盒。其特征为通过I‑V转换放大电路将微电流转换为电压并初级放大，后经仪表放大电路进一步放大并输出，温漂抑制电路抵消I‑V转换电路中运算放大器的温度漂移，提高检测精度，电源滤波电路可降低电源波动与谐波对检测精度的影响，接地金属屏蔽盒能够减小外界电磁环境的影响。所述I‑V转换放大电路包括T型反馈电路和量程切换电路，从而提高输入阻抗并使检测量程扩大。本模块微电流检测精度较高，检测量程较为宽泛。本发明具有很高的应用价值。

Description

电介质绝缘诊断中微电流检测系统

技术领域

本发明专利涉及一种在电介质绝缘检测中使用的微电流检测系统。

背景技术

电介质绝缘检测中，需要对电介质施加高电压，然后检测电介质中流过的微弱电流，并对该电流进行频域或时域分析。由于该电流经常为微安或皮安级别，因此对微电流的无失真检测与放大极为重要，目前微电流检测的方法主要有。

大电阻负反馈检测法，使微弱电流流过阻值很大的电阻，从而在电阻两端产生可测电压，实现微电流检测。但此方法对电阻精确度要求过高，而阻值越大的电阻其稳定性越差，因此，该测量方法的误差不易控制。

电容积分法，采用电容积分法时，由于电容漏电流的存在，故不可避免存在一定的误差，另外由于电路板上杂散电容的存在，交流微电流测量时常常附加不可控的相移。

采样电阻差分检测法，采样电阻差分检测法具有结构简单、能有效去除共模干扰的优点，但采样电阻与容性试样串联在电路中，测量损耗曲线时需进一步转换结果，给测试带来不便。

上述方法均有明显不足之处，为弥补现有测量方法的不足，提出一种新的微电流检测电路。

发明内容

本发明专利为弥补现有测量方法的不足提出一种新的微电流检测电路。

上述的目的通过以下的技术方案实现：一种在电介质绝缘检测中使用的微电流检测电路，包括I-V转换放大电路、温漂抑制电路、仪表放大电路以及电源滤波电路。所述I-V转换放大电路的输入作为微电流的输入，I-V转换放大电路的输出和温漂抑制电路的输出作为仪表放大电路的输入与其相连接，仪表放大电路的输出为最终输出。

所述I-V转换放大电路以一个静电级运算放大器为核心，还包括T型负反馈电路，量程切换电路以及电源电路，其将微电流转换为电压并进行初级放大。所述温漂抑制电路由一个静电级运算放大器和电源电路构成，该运算放大器应选择与所述I-V转换放大电路中相同的运算放大器，该电路对I-V转换放大电路中运算放大器的温漂进行抑制。所述仪表放大电路包括仪表放大器，调节电阻以及电源电路，对I-V转换放大电路的输出和温漂抑制电路的输出之差进行放大。

附图说明

附图1是本发明专利的结构示意图。

附图2是本发明专利量程切换与I-V转换放大电路原理图。

附图3是本发明专利温漂抑制电路原理图。

附图4是本发明专利仪表放大电路模块。

附图5是本发明专利各档位检测量程。

附图6是本发明专利实验结果。

图中，1、T型反馈电路，2、量程切换电路。

具体实施方式：为能详细说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明专利进行详细阐述。

如附图1所示，一种微电流检测系统，包括I-V转换放大电路，温漂抑制电路，仪表放大电路以及电源滤波电路，同时为上述电路设置一个金属屏蔽盒并将其接地。I-V转换放大电路的输出和温漂抑制电路的输出作为仪表放大电路的输入与之连接，电源滤波电路为模块中的运算放大器等有源器件提供稳定电源，接地金属屏蔽盒对外界电磁干扰进行屏蔽。

所述I-V转换放大电路做为初级放大电路，包括静电级运算放大器U1，T型反馈电路，量程切换电路以及电源电路，如附图2。进行微电流检测时，应将被测电流信号通过放大器及电阻转换为电压信号，要求选用的运算放大器应具有高输入阻抗和共模抑制比；考虑到减小输出误差电压，还应具备输入失调电压及偏置电流低的特点。因此所述静电级运算放大器U1选用超低偏置电流运算放大器OPA129，该运放输入采用静电级隔离场效应管技术，最大偏置电流为250fA，最大失调电压5m V，共模抑制比120dB。U1同相输入端接地，反相输入端通过T型反馈电路与输出相连构成负反馈。在对微电流测量过程中，被测对象多为绝缘材料，电阻的阻值极高，在这种输入电阻很大的情况下，为达到放大的目的增益电阻R_f也应较大。为减小误差在反馈回路中采用T型网络，所述T型反馈电路由电阻R1、R2、R3构成其三条支路，分别于U1反相输入端、U1的输出、地相连，如1。附图2中增益电阻为：

设放大输出为V1，则输入输出关系表达式为：

所述量程切换电路，是在T型反馈电路对R1通过开关进行切换，分别将电阻切换为10KΩ-100GΩ之间的8个档位，原理图如2。其中1GΩ以上的电阻采用真空玻璃釉高阻值电阻，精度为5%。

所述温漂抑制电路，如附图3，包含电源电路以及与I-V转换放大电路中完全相同的静电级运算放大器U2，选用OPA129。U2反相输入端接输出端，同相输入端接地，构成一个电压跟随器。抑制温漂的原理如下：设U1输出为V _out1 =V1+∆u,其中V1为放大输出，∆u为由温漂导致的扰动输出；则U2的输出也为V _d =∆u，则对U3的输入来说,其输入为U _in =V _out1 -V _d =V1，即温漂对I-V转换放大电路的输出没有影响。

所述仪表放大电路做为次级放大电路，如附图4，由仪表放大器U3，电阻R8和电源电路组成。所述仪表放大器U3选择AD620，其优点是功耗低，精度高，可以通过调节电阻R_k的值来实现调节该放大器放大倍数K。AD620中放大倍数K满足的关系式为：

其中R_k即为R8的值。U3的反相输入端接I-V转换放大电路的输出，同相输入端接温漂抑制电路的输出，因此U3的输入输出关系式为：

经过两级放大,附图1中最终的输入输出关系为：

根据上述分析，当R8选择49.4kΩ时各个档位放大增益倍数与量程如附图5所示。

所述电源滤波电路采用+15V/-15V的供电方式，附图2-4中所有电源均采用低通滤波的方式滤除电源中的高次谐波，避免电源的谐波污染，提高检测精度。同时，在测量的过程中，要避免周围有其他的大功率电器工作，从而对测量结果造成干扰。

所述接地金属屏蔽盒采用长10cm、宽7cm、高10cm的铁屏蔽外壳，外壳同时连接信号地与大地电极系统，从而达到屏蔽外界干扰的目的。在屏蔽盒上有调节测量档位的档位切换开关，通过对测量档位调节，来转换屏蔽盒内电阻 ，实现切换量程目的，屏蔽盒的前端下方位置处有被测电流输入同轴电缆接口与测量极电路相连。在电路中的导线长度尽量短，尽量减小暴露在屏蔽盒外导线由于受外界影响而引入的干扰。

其他提高检测精度的措施：（1）对线路的布置：测量回路的走线尽量避开供电电源线，信号输入端靠近地线，电源线也靠近地线，三者的关系保证地线>电源线>信号线；为保证可靠的地，采用敷铜方法提高地的有效面积。

（2）PCB板选用漏电流小于pA级的材料，例如聚四氟乙烯板。信号输入端的接线柱采用绝缘好、无静电、具有良好吸湿性的聚四氟乙烯材料。

实验验证上述设计可以大幅减少电磁信号与电路板内其他元件的干扰。附图6所示为微电流检测电路的输出电压波形。

采用本实验新型的微电流检测系统，其原理电路清晰易懂，检测的方法简单易用，检测量程较宽，方便技术人员操作及维修并且适用于多种检测场合。检测过程中未使用电容等原件，因此检测结果无相移。由于采用T型反馈电路大大提高输入阻抗，简单高效的温漂抑制电路避免了运算放大器的自身干扰，多种屏蔽措施使得检测精度得到进一步提高。同时本发明所没有进行叙述之处，都是本领域中实验人员都知道的内容。通过以上叙述，本领域的使用者知道了此发明的较佳之处；应该进行声明的是，在不脱离发明的核心的情况下，任何形式的比较容易的变形和修改都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种微电流检测系统，其特征在于：包括I-V转换放大电路，温漂抑制电路，仪表放大电路以及电源滤波电路；在I-V转换电路输入端进行输入，I-V转换放大电路的输出与仪表放大电路的一个输入相连接，温漂抑制电路的输出与仪表放大电路的另一个输入相连接，仪表放大电路的输出为最终输出。

2.根据权利要求1所述的电介质绝缘诊断中微电流检测系统其特征在于：所述的I-V转换放大电路包括运算放大器U1，T型负反馈电路，量程切换电路；所述T型反馈电路由电阻R1、R2、R3构成三条支路，三条支路分别与U1反向输入端、U1的输出、地相连；所述量程切换电路是通过电阻R1与开关S相串联构成一个单元，再将多个上述单元进行并联；所述的温漂抑制电路包含与I-V转换放大电路中完全相同的静电级运算放大器U2，且构成一个电压跟随电路；所述的仪表放大电路采用放大倍数可调的仪表运算放大器U3，对I-V转换放大电路的输出与温漂抑制电路的输出之差进行二次放大；所述的电介质绝缘诊断中微电流检测系统其特征在于：电源滤波电路采用+15V/-15V电源、电阻、电容等构成低通滤波电路，并为模块中所有有源器件供电；采用接地金属屏蔽盒将I-V转换放大电路，温漂抑制电路，仪表放大电路以及电源滤波电路置于其中。