CN109975591B - 一种交流钳形多用表及其线圈绕线方法 - Google Patents

一种交流钳形多用表及其线圈绕线方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交流钳形多用表，包括表体、测量电路和LCD显示屏；所述表体的上端左右对称设置的左钳头和右钳头，所述左钳头和右钳头内均设置有一绕线骨架，所述绕线骨架外壁上间隔开设有复数个内凹的绕线槽，导线绕设于各所述绕线槽内形成感应线圈，两所述绕线骨架上的线圈相配合形成电流互感器；所述绕线骨架远离钳口的尾端还开设有一误差调整槽，所述误差调整槽用于绕设导线以补偿两所述感应线圈间的测量误差；所述测量电路包括DSP数字处理器、ADC转换器、积分电路、放大电路和电源供给电路；本发明通过设置绕线，方便线圈绕设以及定位，使线圈绕组均匀分布，大大降低万用表的实际位置测量误差。

Description

一种交流钳形多用表及其线圈绕线方法
技术领域
本发明涉及一种交流钳形多用表及其线圈绕线方法，属于交流钳形表技术领域。
背景技术
市面上现有的数字式交流钳形多用表，其工作原理是：建立在电流互感器工作原理的基础上，当握紧钳形电流表扳手时，电流互感器的铁芯张开，被测电流的导线进入钳口内部作为电流互感器的一次绕组。放松扳手后铁芯闭合，根据互感器的原理可在其二次绕组上产生感应电流，经过内部电路转换显示被测电流值。然而对于一定形状和体积的铁芯来说都存在着磁饱和现象，即当测试电流较高时即会存在非线性失真，因此市面上的交流钳表最大测式电流基本只能测到1000A,再者作为测量交流电流的钳形表铁芯必须可以开合，在开合处结构上很难使铁芯完全封闭，使用者测试时，如果测试导线靠近开合处就会存在较大的漏磁现象，因此这类产品都存在较大的位置误差问题，很多产品在说明书上都有要求测试导线必须置于测试钳头的中心位置，有的产品说明书会具体说明如测试导线不在中心位置须增加2.5％的附加位置误差(如：产品MS2033A)，再者电子产品在制程中的安规要求有爬电距离即：—带电导体之间沿绝缘表面的最短距离的设计标准。
对于安全等级较高的产品，因为铁芯的存在使得结构上的设计增加了很多难度。由于线圈上感应到的电压与实测导线上的电流频率成正比例关系，如果不对电压进行频率补偿或补偿不当必定会影响到产品的测量准确度及频率适用范围，对于可测量大电流的交流钳形表，目前市面的产品可测量的电流频率范围基本上都在50～60Hz的范围内，有较大的局限性，尽管价格昂贵的FLUKE产品频率上限可做到400Hz。
但是频率超过60Hz后测量误差也高达3％了(如：FLUKE321产品)。
专利文献104101775公开了一种电流测量电路，由于缺少铁芯的导磁作用，此类产品在钳头开口处的位置误差必将很大，该专利中并没有对这个问题提出处理方案，在对线圈感应到的微弱电信号进行处理方面，也只有简单的放大和滤波，同样有频率适应性较差的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种交流钳形多用表，设置塑料制成的绕线骨架，绕线骨架上开设复数个绕线槽，方便线圈绕设以及定位，使线圈绕线组相对均匀分布于类似于圆环的绕线骨架内，弥补因钳头没有铁芯的导磁作用及因应安全要求在距离开口处一定范围内不能有线圈绕制引起的实际测量时上下端的位置误差比较大的缺陷，大大降低万用表的实际位置测量误差。
本发明的技术方案如下：
一种交流钳形多用表，包括表体、测量电路和LCD显示屏；所述表体的上端左右对称设置的左钳头和右钳头，所述左钳头和右钳头内均设置有一绕线骨架，所述绕线骨架外壁上间隔开设有复数个内凹的绕线槽，导线绕设于各所述绕线槽内形成感应线圈，两所述绕线骨架上的线圈相配合形成电流互感器；所述绕线骨架远离钳口的尾端还开设有一误差调整槽，所述误差调整槽用于绕设导线以补偿两所述感应线圈间的测量误差；所述测量电路包括DSP数字处理器、ADC转换器、积分电路、放大电路和电源供给电路；所述积分电路的输入端与所述电流互感器电连接，输出端与放大电路的输入端电连接，用于变换电流互感器电压的波形；所述放大电路对积分电路的电信号进行放大，并输出至ADC转换器；所述ADC转换器将模拟信号转化为数字信号并输出至DSP数字处理器；所述DSP数字处理器对数字信号进行处理，并输出至所述LCD显示屏显示对应数据。
进一步的，所述积分电路包括运算放大器U1A、电阻R2、电阻R15、电阻R16和电容C12；所述电容R12与电阻R16并联后两端分别与所述运算放大器U1A的反向输入端和输出端电连接，所述运算放大器U1A的正向输入端接地；所述电阻R2与所述电流互感器并联后，一端接地，另一端与所述电阻R15的串联，所述电阻R15的另一端与所述电容R12与电阻R16并联后回路电连接。
进一步的，所述放大电路包括运算放大器U1B、电阻R18、电阻R19、电阻R43、电阻R45和电容C14；所述运算放大器U1B的反向输入端经所述电阻R19与所述运算放大器U1A的输出端电连接，正向输入端接地，输出端依次与所述电阻R43、电阻R45串联后接地；所述电阻R19和电容C14并联后，两端分别与所述运算放大器U1B的反向输入端和输出端电连接。
进一步的，所述ADC转换器和DSP数字处理器集成于一万用表自动量程转换芯片IC1中。
进一步的，所述电源供给电路包括电池BAT、电阻R29、电阻R31、三极管Q4和三极管Q5；所述电池BAT的正极通过开关K1连接至所述万用表自动量程转换芯片IC1的电源端VDD，电池BAT的负极作为电源负端V-，所述万用表自动量程转换芯片IC1的地端VSS与所述电源负端V-电连接；所述万用表自动量程转换芯片IC1的电源模拟端AVDDR经电阻R29与所述三极管Q4的基极电连接，所述三极管Q4的发射极与电源负端V-电连接，集电极经电阻R31与所述三极管Q5的基极电连接，所述三极管Q5的发射极与所述电源端VDD电连接，集电极作为运算放大器U1A和运算放大器U1B的供电端VDD1。
进一步的，所述绕线骨架由塑料制成。
根据上述技术方案中的一种交流钳形多用表，本发明还提供一种交流钳形多用表的线圈绕线方法，具体如下：
一种交流钳形多用表的线圈绕线方法，包括以下步骤：
在第一个所述绕线骨架上饶设线圈；取一段导线，定义线头为起始端，线头预留一段长度，从靠近所述绕线骨架尾端的所述绕线槽开设绕设线圈；
在第一个绕设线圈的绕线槽从沿顺时针方向绕设N匝线圈，然后往上到下一个绕线槽以相同方向绕设N匝线圈，依次以上述绕设方式绕设至倒数第二个绕线槽，在最后一个绕线槽以相同方向绕设2N匝线圈，再依次以相同方向、N匝线圈的绕设方式依次从倒数第二个绕线槽绕设至第一个绕线槽，结束第一个绕线骨架的绕制；
以上述绕设线圈的方式，在第二个绕线骨架上绕设线圈；
误差调整，将两绕制完线圈的绕线骨架上的导线线尾相连接，并进行测量，若测量参数偏大，则将导线线头预留的一端沿逆时针方向在所述误差调整槽上绕设一匝或N匝，若测量参数偏小，则将导线线头预留的一端沿顺时针方向在所述误差调整槽上绕设一匝或N匝；
完成误差调整后，将两绕线骨架分别安装至所述左钳头和右钳头内；
其中，所述N表示大于等于1的自然数，2N表示N的两倍。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明一种交流数字钳形表，设置塑料制成的绕线骨架，绕线骨架上开设复数个绕线槽，方便线圈绕设以及定位，使线圈绕线组相对均匀分布于类似于圆环的绕线骨架内，弥补因钳头没有铁芯的导磁作用及因应安全要求在距离开口处一定范围内不能有线圈绕制引起的实际测量时上下端的位置误差比较大的缺陷，大大降低万用表的实际位置测量误差。
2、本发明一种交流数字钳形表，设置有误差调整槽，可以通过测量调整电流互感器的测量误差，进一步降低万用表的测量误差。
3、本发明一种交流数字钳形表，绕线骨架采用塑料制成，防止磁饱和现象。
附图说明
图1为本发明绕线骨架的结构示意图；
图2为本发明表体整体结构示意图；
图3为本发明测量电路的模块框图；
图4为本发明的测量电路的电路原理图；
图5为积分电路的电路原理图；
图6为放大电路的电路原理图；
图7为电源供给电路的电路原理图；
图8为本发明的测量数据表。
图中附图标记表示为：
1、表体；10、绕线骨架；101、绕线槽；102、误差调整槽；11、左钳头；12、右钳头；21、DSP数字处理器；22、ADC转换器；23、积分电路；24、放大电路；25、电源供给电路；3、LCD显示屏。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
实施例一
参见图1至图7，一种交流钳形多用表，包括表体1、测量电路和LCD显示屏3；所述表体1的上端左右对称设置的左钳头11和右钳头12，所述左钳头11和右钳头12内均设置有一绕线骨架10，所述绕线骨架10外壁上间隔开设有复数个内凹的绕线槽101，导线绕设于各所述绕线槽101内形成感应线圈，两所述绕线骨架10上的线圈相配合形成电流互感器20；所述绕线骨架10远离钳口的尾端还开设有一误差调整槽102，所述误差调整槽102用于绕设导线以补偿两所述感应线圈间的测量误差；所述测量电路包括DSP数字处理器21、ADC转换器22、积分电路23、放大电路24和电源供给电路25；所述积分电路23的输入端与所述电流互感器20电连接，输出端与放大电路24的输入端电连接，用于变换电流互感器20电压的波形；所述放大电路24对积分电路23的电信号进行放大，并输出至ADC转换器22；所述ADC转换器22将模拟信号转化为数字信号并输出至DSP数字处理器21；所述DSP数字处理器21对数字信号进行处理，并输出至所述LCD显示屏3显示对应数据。
进一步的，具体参见图5，所述积分电路23包括运算放大器U1A、电阻R2、电阻R15、电阻R16和电容C12；所述电容R12与电阻R16并联后两端分别与所述运算放大器U1A的反向输入端和输出端电连接，所述运算放大器U1A的正向输入端接地；所述电阻R2与所述电流互感器20并联后，一端接地，另一端与所述电阻R15的串联，所述电阻R15的另一端与所述电容R12与电阻R16并联后回路电连接；由法拉第电磁感应定律和安培环路定律,当被测电流沿轴线通过测量钳头的中心位置时,在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，强度为H,由安培环路定律得:
∮H·dl＝I(t)
由B＝μH，e(t)＝dΦ/dt，Ф＝N∫B·dS，e(t)＝M·di/dt，得：
其截面为矩形时，互感系数M
M＝μ0Nhln(b/a)/2π
上式中，H为线圈内部的磁场强度，B为线圈内部的磁感应强度，μ0为真空磁导率，N为线圈匝数，e(t)为线圈两端的感应电压，a,b分别为线圈横截面的内外径,h为截面高度。由此可见，线圈一定时，M为定值，线圈的输出电压与di/dt成正比。若想准确还原测量的交流电流i,必须加一个反相积分电路。积分器的积分时间常数τ＝C12*R15R16是积分漂移泄漏电阻，用来防止积分漂移所造成的饱和或截止现象。
进一步的，具体参见图6，所述放大电路24包括运算放大器U1B、电阻R18、电阻R19、电阻R43、电阻R45和电容C14；所述运算放大器U1B的反向输入端经所述电阻R19与所述运算放大器U1A的输出端电连接，正向输入端接地，输出端依次与所述电阻R43、电阻R45串联后接地；所述电阻R19和电容C14并联后，两端分别与所述运算放大器U1B的反向输入端和输出端电连接；放大电路的放大倍数A＝R19/R18,电容C14起高频补偿作用，电阻R45为取样电阻。
进一步的，所述ADC转换器22和DSP数字处理器21集成于一万用表自动量程转换芯片IC1(可以采用SD7830A或其它型号的芯片)中；万用表自动量程转换芯片可通过标定的方式对测量准确度进行校准，并在标定的过程中，没测量信号输入时LCD显示屏3如有显示几个字的读数也可以清除掉，因此双运放U1不必选用价格昂贵的低失调高精度的器件，而选用价格适中的器件(如两粒OPA336单运放)即可。
进一步的，所述电源供给电路25包括电池BAT、电阻R29、电阻R31、三极管Q4和三极管Q5；所述电池BAT的正极通过开关K1连接至所述万用表自动量程转换芯片IC1的电源端VDD，电池BAT的负极作为电源负端V-，所述万用表自动量程转换芯片IC1的地端VSS与所述电源负端V-电连接；所述万用表自动量程转换芯片IC1的电源模拟端AVDDR经电阻R29与所述三极管Q4的基极电连接，所述三极管Q4的发射极与电源负端V-电连接，集电极经电阻R31与所述三极管Q5的基极电连接，所述三极管Q5的发射极与所述电源端VDD电连接，集电极作为运算放大器U1A和运算放大器U1B的供电端VDD1；供电端VDD1由芯片IC1控制，当芯片进入休眠状态时，使得运算放大器U1A和运算放大器U1B停止供电，以便节省电源。。
进一步的，所述绕线骨架10由塑料制成。
实施例二
一种交流钳形多用表的线圈绕线方法，包括以下步骤：
在第一个所述绕线骨架10上饶设线圈；取一段Φ0.15mm漆包线，定义线头为起始端，线头预留一段长度，从靠近所述绕线骨架10尾端的所述绕线槽101开设绕设线圈；
在第一个绕设线圈的绕线槽101从沿顺时针方向绕设11匝线圈，然后往上到下一个绕线槽101以相同方向绕设11匝线圈，依次以上述绕设方式绕设至倒数第二个绕线槽101，在最后一个绕线槽101以相同方向绕设22匝线圈，再依次以相同方向、11匝线圈的绕设方式依次从倒数第二个绕线槽101绕设至第一个绕线槽101，结束第一个绕线骨架10的绕制；
以上述绕设线圈的方式，在第二个绕线骨架10上绕设线圈；
误差调整，将两绕制完线圈的绕线骨架10上的导线线尾相连接，并进行测量，若测量参数偏大，则将导线线头预留的一端沿逆时针方向在所述误差调整槽102上绕设一匝或N匝，若测量参数偏小，则将导线线头预留的一端沿顺时针方向在所述误差调整槽102上绕设一匝或N匝；
完成误差调整后，将两绕线骨架10分别安装至所述左钳头11和右钳头12内。
本实施例的绕线方法可使线圈绕组相对均匀分布于类似于圆环的绕线骨架10上，用于弥补因钳头没有铁芯的导磁作用及因应安全要求在距离开口处一定范围内不能有线圈绕制引起的实际测量时上下端的位置误差比较大的缺陷，采用此方法进行调试后可使产品的实际位置测量误差控制在0.5％之内优于市面上的产品。
请参见图8，经过测试，本发明交流钳形多用表的测量误差小于0.5％。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种交流钳形多用表，包括表体(1)、测量电路和LCD显示屏(3)；其特征在于：所述表体(1)的上端左右对称设置的左钳头(11)和右钳头(12)，所述左钳头(11)和右钳头(12)内均设置有一绕线骨架(10)，所述绕线骨架(10)外壁上间隔开设有复数个内凹的绕线槽(101)，导线绕设于各所述绕线槽(101)内形成感应线圈，两所述绕线骨架(10)上的线圈相配合形成电流互感器(20)；所述绕线骨架(10)远离钳口的尾端还开设有一误差调整槽(102)，所述误差调整槽(102)用于绕设导线以补偿两所述感应线圈间的测量误差；所述测量电路包括DSP数字处理器(21)、ADC转换器(22)、积分电路(23)、放大电路(24)和电源供给电路(25)；所述积分电路(23)的输入端与所述电流互感器(20)电连接，输出端与放大电路(24)的输入端电连接，用于变换电流互感器(20)电压的波形；所述放大电路(24)对积分电路(23)的电信号进行放大，并输出至ADC转换器(22)；所述ADC转换器(22)将模拟信号转化为数字信号并输出至DSP数字处理器(21)；所述DSP数字处理器(21)对数字信号进行处理，并输出至所述LCD显示屏(3)显示对应数据；
其中，所述积分电路(23)包括运算放大器U1A、电阻R2、电阻R15、电阻R16和电容C12；所述电容R12与电阻R16并联后两端分别与所述运算放大器U1A的反向输入端和输出端电连接，所述运算放大器U1A的正向输入端接地；所述电阻R2与所述电流互感器(20)并联后，一端接地，另一端与所述电阻R15的串联，所述电阻R15的另一端与所述电容R12与电阻R16并联后回路电连接；
其中，所述放大电路(24)包括运算放大器U1B、电阻R18、电阻R19、电阻R43、电阻R45和电容C14；所述运算放大器U1B的反向输入端经所述电阻R19与所述运算放大器U1A的输出端电连接，正向输入端接地，输出端依次与所述电阻R43、电阻R45串联后接地；所述电阻R19和电容C14并联后，两端分别与所述运算放大器U1B的反向输入端和输出端电连接；
其中，所述ADC转换器(22)和DSP数字处理器(21)集成于一万用表自动量程转换芯片IC1中；
其中，所述电源供给电路(25)包括电池BAT、电阻R29、电阻R31、三极管Q4和三极管Q5；所述电池BAT的正极通过开关K1连接至所述万用表自动量程转换芯片IC1的电源端VDD，电池BAT的负极作为电源负端V-，所述万用表自动量程转换芯片IC1的地端VSS与所述电源负端V-电连接；所述万用表自动量程转换芯片IC1的电源模拟端AVDDR经电阻R29与所述三极管Q4的基极电连接，所述三极管Q4的发射极与电源负端V-电连接，集电极经电阻R31与所述三极管Q5的基极电连接，所述三极管Q5的发射极与所述电源端VDD电连接，集电极作为运算放大器U1A和运算放大器U1B的供电端VDD1；
其中，所述绕线骨架(10)由塑料制成。
2.根据权利要求1所述的一种交流钳形多用表的线圈绕线方法，其特征在于，包括以下步骤：
在第一个所述绕线骨架(10)上饶设线圈；取一段导线，定义线头为起始端，线头预留一段长度，从靠近所述绕线骨架(10)尾端的所述绕线槽(101)开设绕设线圈；
在第一个绕设线圈的绕线槽(101)从沿顺时针方向绕设N匝线圈，然后往上到下一个绕线槽(101)以相同方向绕设N匝线圈，依次以上述绕设方式绕设至倒数第二个绕线槽(101)，在最后一个绕线槽(101)以相同方向绕设2N匝线圈，再依次以相同方向、N匝线圈的绕设方式依次从倒数第二个绕线槽(101)绕设至第一个绕线槽(101)，结束第一个绕线骨架(10)的绕制；
以上述绕设线圈的方式，在第二个绕线骨架(10)上绕设线圈；
误差调整，将两绕制完线圈的绕线骨架(10)上的导线线尾相连接，并进行测量，若测量参数偏大，则将导线线头预留的一端沿逆时针方向在所述误差调整槽(102)上绕设一匝或N匝，若测量参数偏小，则将导线线头预留的一端沿顺时针方向在所述误差调整槽(102)上绕设一匝或N匝；
完成误差调整后，将两绕线骨架(10)分别安装至所述左钳头(11)和右钳头(12)内；
其中，所述N表示大于等于1的自然数，2N表示N的两倍。
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