CN110907767A - 一种基于霍尔器件的电弧信号采集电路 - Google Patents

一种基于霍尔器件的电弧信号采集电路 Download PDF

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张井超
吴鹏飞
杨昌
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Abstract

本发明属于电气安全领域,涉及一种基于霍尔器件的电弧信号采集电路,包括电压信号采集调理电路和电流信号采集调理电路；本发明选用单电源供电的轨对轨运放，有效地保证信号的幅值范围，采用两极滤波有效地保证信号的频率范围，使用一个霍尔器件不仅可应用于直流电弧故障信号采集调理，还可应用于交流电弧故障信号采集调理，减少传感器的数量，从而减少体积和质量。可通过该电路实现交直流配电系统串联电弧和并联电弧的电压信号和电流信号采集。同时能够按照分析需要选择电弧信号的交流分量和原始信号，保证电弧故障信号的精确放大，减小外在干扰带来的影响，通过采用霍尔器件的采集电路设计，可实现交直流电弧故障的检测。

Description

一种基于霍尔器件的电弧信号采集电路
技术领域
本发明涉及航空电气系统故障，为航空配电系统电弧故障检测保护，属于电气安全领域。具体涉及一种基于霍尔器件的电弧信号采集电路。
背景技术
随着航空电力电子技术的不断发展，多电飞机和全电飞机的逐渐普及，飞机的电气化程度越来越高，电路保护也越来重要。航空配电系统电弧故障是由于航空线缆绝缘外皮在高温、严寒、辐射、振动环境下出现老化、磨损、腐蚀以及由于长期振动产生的接线柱松动等现象，导致线路相邻导线之间，接线柱之间或导线和地之间产生电流击穿空气现象，形成电弧故障。该故障产生时配电系统中某些线路的电流幅值会出现较大变化，信号频率增加，出现高频信号。导致负载工作异常。同时电弧温度可能在几个微秒内达到大约2000～4000℃的高温，产生大量的热，加速周围电缆绝缘层的老化和损坏，使触头和绝缘材料烧损，危及飞机线路和设备安全；严重时将引燃周围的易燃易爆物，发生火灾和爆炸。
航空电弧故障检测在航空配电领域，一些设备供应商和科研院所进行了相关研究，大部分飞机上暂无实际应用。大部分的研究停留在理论方面，在实际应用中存在不同的缺陷，尤其在电弧信号采集方面，所用的采集电路采样频率低，精度低，信号干扰多，无法保证电弧信号的准确性和完整性，导无法准确对电弧故障特征进行提取。
航空电弧故障检测在航空配电领域，在已有的电弧信号采集电路中，交流和直流电弧信号采集电路分开设计，不能通用，造成电路设计周期长，增加原器件采购时间。本发明电路适合交直流电弧故障信号的采集，同时实现串联电弧信号采集和并联电弧信号采集。
发明内容
本发明的目的是为航空交直流配电系统的电弧故障检测提供一种信号采集及故障检测调理的电路，以解决航空交直流配电系统中电弧故障采集电路采样率及精度不足问题，同时适应电弧信号交直流采集。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现的：
一种基于霍尔器件的电弧信号采集电路，其特征在于，包括电压信号采集调理电路和电流信号采集调理电路，可以采集交流配电系统和直流配电系统中的串联或并联电弧电压和电流信号；采集的电压或电流信号可以按需要选择其交流分量或原始信号进入调理电路；
所述电压信号采集调理电路，包含电压采集信号和电压信号调理两部分，通过霍尔电压传感器采集交流或直流配电系统发生电弧时的电压信号，并经过电压调理电路处理后送入处理器中进行分析运算；
所述电流信号采集调理电路，包含电流信号采集和电流信号调理两部分，通过霍尔电流传感器采集交流或直流配电系统发生电弧时的电流信号，并经过电流调理电路处理后送入处理器中进行分析运算。
所述电流信号采集调理电路，包含电流信号采集和电流信号调理两部分；
电流信号采集由霍尔电流传感器LA1、电压转换电阻R10、信号选择电阻C5、R9以及霍尔电流传感器LA1供电电源VCC、VSS，电源滤波电容C2、C3组成；霍尔电流传感器LA1采集电弧电流信号，经转换电阻R10转换为电压信号后，通过信号选择电容C5可以采集电弧信号交流分量；通过信号选择电阻R9可采集电弧信号的原始信号；电容C5和电阻R9连接霍尔电流传感器LA1信号输出和运放M1A的同向比例输入端比例电阻R7；
电流信号调理由第一级放大由运放M1A、比例调节电阻R2、R5、R7、R8组成，进行放大运算；运放M1A的同相端接比例调节电阻R8的一端，R5接运放M1A的反相端，比例调节电阻R2的另一端接运放M1A输出端，电容C6和电容C7为电源滤波，第二级放大由运放M1B、比例调节电阻R1、R4、R6组成，进行同相放大调理，R6接运放M1B的反相端和M1A的输出端，运放M1B的同相端接比例调节电阻R6的一端，比例调节电阻R1的另一端接运放M1A输出端，电阻R2和电容C1组成第一级滤波，电阻R3和电容C4组成第二级滤波。
所述电压信号采集调理电路，包含电压信号采集和电压信号调理两部分；
电压信号采集由霍尔电压传感器LV1、信号选择电容C14、信号选择电阻R21以及霍尔电压传感器LV1供电电源VCC、VSS，电源滤波电容C12、C13组成；霍尔电压传感器LV1采集电弧电压信号，通过信号选择电容C14可以采集电弧信号交流分量；通过信号选择电阻R21可采集电弧信号的原始信号，电容C14和电阻R21连接霍尔电压传感器LV1信号输出和运放M3A的同向比例输入端比例电阻R7；
电压信号调理由第一级放大由运放M3A、比例调节电阻R15、R19、R12、R20组成，电阻R19连接霍尔电压传感器LV1信号输出和运放M3A的同向比例输入端进行调理，R15接运放M3A的反相端，运放M3A的同相端同时还接比例调节电阻R20的一端，比例调节电阻R12的另一端接运放M3A输出端，运放M3A输出端接R18，第二级放大由运放M3B、比例调节电阻R11、R14、R17组成，进行同相放大调理，R14接运放M3B的反相端，运放M3B的同相端接比例调节电阻R18的一端，比例调节电阻R11的另一端接运放M3A输出端，电阻R12和电容C8组成第一级滤波，电阻R13和电容C9组成第二级滤波。
所述电弧信号采集电路可以采集交流配电系统或直流配电系统的电弧电压信号或电流信号。
所述电弧信号采集电路可通过该电路实现串联电弧信号的电流和电压信号或并联电弧的电压和电流信号。
所述电流信号调理包含两极滤波，第一级为位于M1A两端并联的电阻和电容，第二极为位于M1B输出端的并联的电阻和电容。
所述电压信号调理均包含两极滤波，第一级为位于M3A两端并联的电阻和电容，第二极为位于M3B输出端的并联的电阻和电容。
所述运放M1A，M3A的供电端还接有滤波电容。
本发明有益效果：
本发明的一种基于霍尔器件的电弧信号采集电路，选用单电源供电的轨对轨运放，可有效地保证信号的幅值范围，采用两极滤波，可有效地保证信号的频率范围，霍尔器件的输出具有补偿，可以减小复杂线路带来的干扰，准确度高。使用一个霍尔器件不仅可应用于直流电弧故障信号采集调理，还可应用于交流电弧故障信号采集调理，减少传感器的数量，从而减少体积和质量。可通过该电路实现交直流配电系统串联电弧和并联电弧的电压信号和电流信号采集。同时能够按照分析需要选择电弧信号的交流分量和原始信号，保证电弧故障信号的精确放大，减小外在干扰带来的影响，通过采用霍尔器件的采集电路设计，可实现交直流电弧故障的检测。
附图说明
图1是本发明霍尔器件电弧信号采集电路原理框图
图2是本发明霍尔电流传感器电弧电流信号采集调理电路
图3是本发明霍尔电压传感器电弧电压信号采集调理电路
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1霍尔器件电弧信号采集电路原理框图，系统中线路某处发生电弧故障，它的一端与汇流条连接，另一端与负载相连，是系统中的主要线路。
霍尔电流传感器采集线路上的电弧电流信号，霍尔电压传感器采集电弧发生两端的电压信号，经霍尔器件采集的电弧故障信号进入两极滤波两极放大调理电路中调理。
如图2所示，霍尔电流传感器电弧电流信号采集调理电路，电流传感器输出信号经采集电阻进行电压转化后进入两极滤波两级放大电路中进行调理。调理电路由单电源供电的轨对轨运放和采集电阻构成。第一级放大由运放M1A、比例调节电阻R2、R5、R7、R8组成，进行调理。电容C5和电阻R9连接传感器信号输出和运放的同向比例输入端的比例电阻R7，运放M1A的同相端同时还接比例调节电阻R8的一端，R5接运放的反相端，比例调节电阻R2的另一端接运放M1A输出端，电阻R2和电容C1组成第一级滤波。电容C6和电容C7为电源滤波。第二级放大由运放M1B、比例调节电阻R1、R4、R6组成，进行同相放大调理。R6接运放M1B的反相端和M1A的输出端，运放M1B的同相端接比例调节电阻R6的一端，比例调节电阻R1的另一端接运放M1A输出端，电阻R3和电容C4组成第二级滤波。
霍尔电流传感器输出信号为直流电流信号Iout,，检测交流信号时，输出为有效值，也为直流。Iout最大50mA，电路中GND可看做零电势，采集电阻R10将电流信号转换为电压信号，R10两端电压为VR10＝Iout×R10。
传感器输出信号经R10转换为电压信号后，最大输出电压为0.5V。电容C5和电阻R9连接传感器信号输出，通过电容C5可以采集电弧信号交流分量；电阻R9为0R电阻作为信号选择电阻，通过选择R9可采集电弧信号的原始信号。
运放同相输入端电压经R7/R8分压电组对分压后，M1A同属输入端输入电压为：
Figure BDA0002261157940000041
由运放的电特性可知，第一级运放M1A输出不能超过运放的供电正负电压，调理电路选用单电源供电的运放，运放的同反相端和输出不能小于0V和大于5V，运放M1A输出VM1A:
Figure BDA0002261157940000042
第一级运放M1A输出经比例电阻R6进入第二级运放M1B，其输出Vout：
Figure BDA0002261157940000043
电阻R2和电容C1组成电流信号采集调理电路的第一级RC滤波，根据滤波原理公式可得截止频率为:
Figure BDA0002261157940000044
电阻R3和电容C4组成电流信号采集调理电路的第二级RC滤波，截止频率为:
Figure BDA0002261157940000045
如图3所示，霍尔电流传感器电弧电压信号采集调理电路，电压传感器输出信号为电压信号，进入两极滤波两级放大电路中进行调理。调理电路由单电源供电的轨对轨运放和采集电阻构成。电压调理电路由第一级放大由运放M3A、比例调节电阻R15、R19、R12、R20组成，电阻R19连接电压传感器信号输出和运放M3A的同向比例输入端进行调理。R15接运放的反相端，运放M3A的同相端同时还接比例调节电阻R20的一端，比例调节电阻R12的另一端接运放M3A输出端，M3A输出端接R18，电阻R12和电容C8组成第一级滤波。第二级放大由运放M3B、比例调节电阻R11、R14、R17组成，进行同相放大调理。R14接运放的反相端，运放M3A的同相端接比例调节电阻R8的一端，比例调节电阻R11的另一端接运放M3A输出端，电阻R13和电容C9组成第二级滤波。
霍尔电压传感器输出信号为直流电压信号Vout或者经过采集电阻将电流信号转换为电压信号，检测交流信号时，输出为有效值，也为直流。Vout最大10V，电路中GND可看做零电势。
传感器输出信号经R19/R20分压后，最大输出电压为0.5V。电容C5和电阻R9连接传感器信号输出，通过电容C5可以采集电弧信号交流分量；电阻R9为0R电阻作为信号选择电阻，通过选择R9可采集电弧信号的原始信号。
运放同相输入端电压经R7/R8分压电组对分压后，M1A同属输入端输入电压为Vin＝Vout×[R20/(R19+R20)]＝1/10Vout：
由运放的电特性可知，第一级运放M1A输出不能超过运放的供电正负电压，调理电路选用单电源供电的运放，运放的同反相端和输出不能小于0V和大于5V，运放M3A输出VM3A:
Figure BDA0002261157940000051
第一级运放M3A输出经比例电阻R7、R18进入第二级运放M1B，比例调节电阻R11/14，R11为0R电阻，作为电压跟随输出，也可作为可变电阻，输出不同放大等级的电压，其输出Vout：
Figure BDA0002261157940000052
电阻R12和电容C8组成电流信号采集调理电路的第一级RC滤波，根据滤波原理公式可得截止频率为:
Figure BDA0002261157940000053
电阻R13和电容C9组成电流信号采集调理电路的第二级RC滤波，截止频率为:
Figure BDA0002261157940000054
调理电路不仅可应用于直流电弧故障信号采集调理，还可应用于交流电弧故障信号采集调理，可通过该电路实现串联电弧信号采集和并联电弧信号采集。电弧故障信号经调理电路处理后送入处理器中进行电弧故障识别和保护。

Claims (8)

1.一种基于霍尔器件的电弧信号采集电路，包括电压信号采集调理电路和电流信号采集调理电路，可以采集交流配电系统和直流配电系统中的串联或并联电弧电压和电流信号；采集的电压或电流信号可以按需要选择其交流分量或原始信号进入调理电路；
所述电压信号采集调理电路，包含电压采集信号和电压信号调理两部分，通过霍尔电压传感器采集交流或直流配电系统发生电弧时的电压信号，并经过电压调理电路处理后送入处理器中进行分析运算；
所述电流信号采集调理电路，包含电流信号采集和电流信号调理两部分，通过霍尔电流传感器采集交流或直流配电系统发生电弧时的电流信号，并经过电流调理电路处理后送入处理器中进行分析运算。
2.如权利要求1所述的基于霍尔器件的电弧信号采集电路，其特征在于电流信号采集调理电路，包含电流信号采集和电流信号调理两部分；
电流信号采集由霍尔电流传感器LA1、电压转换电阻R10、信号选择电阻C5、R9以及霍尔电流传感器LA1供电电源VCC、VSS，电源滤波电容C2、C3组成；霍尔电流传感器LA1采集电弧电流信号，经转换电阻R10转换为电压信号后，通过信号选择电容C5可以采集电弧信号交流分量；通过信号选择电阻R9可采集电弧信号的原始信号；电容C5和电阻R9连接霍尔电流传感器LA1信号输出和运放M1A的同向比例输入端比例电阻R7；
电流信号调理由第一级放大由运放M1A、比例调节电阻R2、R5、R7、R8组成，进行放大运算；运放M1A的同相端接比例调节电阻R8的一端，R5接运放M1A的反相端，比例调节电阻R2的另一端接运放M1A输出端，电容C6和电容C7为电源滤波，第二级放大由运放M1B、比例调节电阻R1、R4、R6组成，进行同相放大调理，R6接运放M1B的反相端和M1A的输出端，运放M1B的同相端接比例调节电阻R6的一端，比例调节电阻R1的另一端接运放M1A输出端，电阻R2和电容C1组成第一级滤波，电阻R3和电容C4组成第二级滤波。
3.如权利要求1所述的基于霍尔器件的电弧信号采集电路，其特征在于电压信号采集调理电路，包含电压信号采集和电压信号调理两部分；
电压信号采集由霍尔电压传感器LV1、信号选择电容C14、信号选择电阻R21以及霍尔电压传感器LV1供电电源VCC、VSS，电源滤波电容C12、C13组成；霍尔电压传感器LV1采集电弧电压信号，通过信号选择电容C14可以采集电弧信号交流分量；通过信号选择电阻R21可采集电弧信号的原始信号，电容C14和电阻R21连接霍尔电压传感器LV1信号输出和运放M3A的同向比例输入端比例电阻R7；
电压信号调理由第一级放大由运放M3A、比例调节电阻R15、R19、R12、R20组成，电阻R19连接霍尔电压传感器LV1信号输出和运放M3A的同向比例输入端进行调理，R15接运放M3A的反相端，运放M3A的同相端同时还接比例调节电阻R20的一端，比例调节电阻R12的另一端接运放M3A输出端，运放M3A输出端接R18，第二级放大由运放M3B、比例调节电阻R11、R14、R17组成，进行同相放大调理，R14接运放M3B的反相端，运放M3B的同相端接比例调节电阻R18的一端，比例调节电阻R11的另一端接运放M3A输出端，电阻R12和电容C8组成第一级滤波，电阻R13和电容C9组成第二级滤波。
4.如权利要求1所述的基于霍尔器件的电弧信号采集电路，其特征在于，所述电弧信号采集电路可以采集交流配电系统或直流配电系统的电弧电压信号或电流信号。
5.如权利要求1所述的基于霍尔器件的电弧信号采集电路，其特征在于，所述电弧信号采集电路可通过该电路实现串联电弧信号的电流和电压信号或并联电弧的电压和电流信号。
6.如权利要求2所述的基于霍尔器件的电弧信号采集电路，其特征在于，电流信号调理包含两极滤波，第一级为位于M1A两端并联的电阻和电容，第二极为位于M1B输出端的并联的电阻和电容。
7.如权利要求3所述的基于霍尔器件的电弧信号采集电路，其特征在于，电压信号调理均包含两极滤波，第一级为位于M3A两端并联的电阻和电容，第二极为位于M3B输出端的并联的电阻和电容。
8.如权利要求1所述的基于霍尔器件的电弧信号采集电路，其特征在于，运放M1A，M3A的供电端还接有滤波电容。
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