CN110988439A - 检测头及交流电压检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种检测头及交流电压检测装置，所述检测头包括绝缘外壳以及位于所述绝缘外壳内的检测电极；所述绝缘外壳上具有供待测线缆走线的走线孔，所述检测电极与所述走线孔相邻设置，且在所述绝缘外壳通过所述走线孔装配到所述待测线缆时，所述检测电极和所述待测线缆构成一个无极电容，并通过电容电极间的电场耦合将所述待测线缆上的交流电压转换为检测信号。本发明通过可与待测线缆构成一个无极电容的检测电极，将所述待测线缆上的交流电压转换为检测信号，由于检测过程与待测系统无任何直接接触，整个测量过程对待测线缆及相关系统无任何影响，安全性较高。

Description

检测头及交流电压检测装置
技术领域
本发明实施例涉及交流电检测领域，更具体地说，涉及一种检测头及交流电压检测装置。
背景技术
目前，对交流电压的检测主要由交流电压传感器实现，现有的交流电压传感器均使用直接接触方式对待测电压信号进行采样，之后送入后续处理电路；
现有的电压传感器所用的采样方式主要为电阻分压和电压互感器(PT)方式，不管是电阻分压方式还是PT互感器方式，均是将待测线路上的交流电压通过直接接触采样后转换为后续电路可处理的低压，此种方式具有方便检测、结构简单、成本低廉、检测精度高等优势，但这两种方式在其故障模式下存在不可回避的安全性问题：分压电阻可能被击穿而短路，电压互感器可能出现匝间短路等，这些故障在使用过程中较常见，最终导致传感器输入阻抗降低甚至短路，从而影响待测线路或系统的正常工作。对于类似铁路、化工、煤炭、军用等对安全性要求较高的领域，这种短路导致的影响将可能带来严重后果，甚至威胁人生和财产安全。为了降低交流电压采样器件的故障率，采样器件在使用前需要实施严苛的器件生产、质控工艺、进行大量筛选实验，使用后还需定期维护检查等，耗费大量人力物力，尽管如此仍然无法完全避免采样器件发生故障后给待测系统带来的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述采用电阻分压以及PT互感器方式检测电压容易出现故障，并影响待测线路或系统正常工作的问题，提供一种检测头及交流电压检测装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种检测头，包括绝缘外壳以及位于所述绝缘外壳内的检测电极；所述绝缘外壳上具有供待测线缆走线的走线孔，所述检测电极与所述走线孔相邻设置，且在所述绝缘外壳通过所述走线孔装配到所述待测线缆时，所述检测电极和所述待测线缆构成一个无极电容，并通过电容电极间的电场耦合将所述待测线缆上的交流电压转换为检测信号。
优选地，所述绝缘外壳上具有第一接线端子，且所述检测电极与所述第一接线端子导电连接。
优选地，所述检测头还包括屏蔽罩，且所述屏蔽罩在所述绝缘外壳内呈两端具有开口的筒形，所述检测电极位于所述屏蔽罩围合的区域内。
优选地，所述检测电极通过灌封胶装配在所述绝缘外壳内，且所述检测电极平行于所述走线孔的中心轴。
优选地，所述检测电极由圆筒形的导电材料构成，且所述检测电极环绕所述走线孔设置。
优选地，所述第一接线端子包括位于所述走线孔的侧部的插接口，且所述插接口的中心轴与所述走线孔的中心轴平行。
本发明还提供一种交流电压检测装置，用于检测待测线缆上的交流电压，所述检测装置包括信号处理电路、供电电源以及如上所述的检测头；所述信号处理电路的输入端与所述检测电极电性连接，并将所述检测电极上的检测信号转换为电压输出；所述供电电源连接到所述信号处理电路的供电输入接口，并为所述信号处理电路提供工作电压。
优选地，所述信号处理电路和供电电源集成到检测主机，且所述检测主机包括与所述信号处理电路电性连接的第二接线端子；所述信号处理电路通过连接第一接线端子和第二接线端子的线缆与所述检测电极导电连接。
优选地，所述信号处理电路包括分别由所述供电电源供电的信号放大单元、数字滤波与补偿单元以及输出变送单元，并通过所述信号放大单元将来自所述检测电极的检测信号线性放大到预设幅值，通过所述数字滤波与补偿单元对经过放大的检测信号进行滤波以及数字补偿，以及通过所述输出变送单元将经过滤波和补偿的信号转换为预设格式的电压信号输出。
优选地，所述交流电压检测装置包括分别安装到不同相的待测线缆的多个检测头，所述检测主机包括多个分别与所述信号处理电路电性连接的第二接线端子，且所述信号处理电路通过分别连接在多个第二接线端子上的多根线缆与所述多个检测头的第一接线端子电性连接。
本发明的检测头及交流电压检测装置，通过可与待测线缆构成一个无极电容的检测电极，将所述待测线缆上的交流电压转换为检测信号，由于检测过程与待测系统无任何直接接触，整个测量过程对待测线缆及相关系统无任何影响，安全性较高。并且，通过在绝缘外壳设置第一接线端子，使得无需断开待测线缆即可进行检测。此外，本发明还在检测头设置屏蔽罩屏蔽同频干扰，使得测量下限可达50mV，配合绝缘外壳，大大提高了测量范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的检测头的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的检测头的端部结构示意图；
图3是本发明实施例提供的检测头的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例提供的交流电压检测装置的示意图；
图5是本发明实施例提供的交流电压检测装置用于单线缆电压检测的示意图；
图6是本发明实施例提供的交流电压检测装置用于两相线缆电压检测的示意图；
图7是本发明实施例提供的交流电压检测装置用于三相线缆电压检测的示意图；
图8是本发明实施例提供的交流电压检测装置用于另一三相线缆电压检测的示意图；
图9是本发明实施例提供的交流电压检测装置中信号处理电路的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，是本发明实施例提供的检测头的结构示意图，该检测头可用于辅助进行待测线缆上的交流电压检测。本实施例的检测头包括绝缘外壳11以及检测电极12，且上述检测电极12位于绝缘外壳11内，其中绝缘外壳11可由ABS、PC、ABS+PC、陶瓷等绝缘材料加工而成，检测电极12具体可为铜、铜合金或其他类型的导电材料。上述绝缘外壳11上具有供待测线缆走线的走线孔13，且检测电极12与走线孔13相邻设置(走线孔13的内部空间与检测电极12之间通过绝缘层相隔)，且在绝缘外壳11通过走线孔13装配到待测线缆(即待测线缆穿过走线孔13)时，检测电极12和待测线缆构成一个无极电容(检测电极12和待测线缆各构成该电容的一个电极)，并通过电容电极间的电场耦合将待测线缆上的交流电压转换为检测信号(即待测线缆上的交流电压通过电容电极之间的电场被耦合到检测电极12上)，从而实现待测线缆电压的辅助检测。并且，为提高检测信号的强度，以实现高精度检测，上述检测电极12可具有较大的表面积。
上述检测头通过绝缘外壳11使待测线缆与检测电极形成一个无极电容，从而可将待测线缆上的交流电压转换为检测信号，以实现待测线缆上交流电压的检测，由于检测过程与待测系统无任何直接接触，整个测量过程对待测线缆及相关系统无任何影响，安全性较高。由于电容的“隔直通交”的特性，上述检测头只能测量交流电压信号，而无法测量直流电压信号。
此外，通过选取合适的材料以及对结构进行设计，可确保在现场使用环境下，检测头的电容的容值可在一定范围内可控的变化，从而可得到相对稳定的、可补偿的采样电压信号。
在本发明的一个实施例中，上述检测头的绝缘外壳11上可具有第一接线端子14，且检测电极12与第一接线端子14导电连接，例如该第一接线端子14可包括一个插接口，从而便于连接。通过连接到第一接线端子14，可实现与检测电极12的电性连接，以获取检测电极12上的检测信号。具体地，检测电极12的端部可焊接到一个印制电路板(PrintedCircuit Board，PCB)15，相应地，第一接线端子14中的导电部分也焊接到该印制电路板15，从而实现与检测电极12的导电连接。
上述绝缘外壳11具体可采用双层的圆筒形结构，即包括外层套筒和内层套筒，该外层套筒和内层套筒分别由绝缘材料构成，并可注塑一体。上述外层套筒和内层套筒可分别呈圆筒形，且走线孔13位于内层套筒内，检测电极12则装设于内层套筒和外层套筒之间的腔体内(即检测电极12与走线孔13通过内层套筒向隔)，例如检测电极12可通过灌封胶灌封在上述腔体内。并且，为了提高检测精度，检测电极12可平行于走线孔13的中心轴。当然，在选用材料允许的条件下，检测电极12也可与绝缘外壳11注塑一体。
为更好地实现与待测线缆电场耦合，提高检测信号的强度，检测电极12可由圆筒形的导电材料构成，且该检测电极12环绕走线孔13设置。具体地，检测电极12与待测线缆之间的电势差可通过以下的计算式(1)表示：
Figure BDA0002320268650000051
其中，UA为待测线缆上的电压，UB为检测电极上的电压，RA为待测线缆的半径，RB为检测电极12所在的圆柱面的半径，l为检测电极12的高(即检测电极12的长度)，λ为检测电极12的单位长度所带的电量。
在本发明的另一实施例中，上述检测头还可包括屏蔽罩(例如由金属材料构成)，且该屏蔽罩在绝缘外壳11内呈两端具有开口的筒形。检测电极12和走线孔13分别位于屏蔽罩围合的区域内，且检测电极12与屏蔽罩之间通过绝缘层分隔。相应地，第一接线端子14可包括射频接插件以及位于射频接插件内的内针(该内针可焊接到印制电路板15)，上述屏蔽罩与第一接线端子14的射频接插件连接，而检测电极12则与第一接线端子14的内针导电连接，从而可通过屏蔽罩以及射频接插件屏蔽外界的干扰信号，使得检测头的测量下限可达50mV，大大提高了检测精度。上述射频接插件可确保屏蔽罩的屏蔽性能，具体地，射频接插件可通过拔插方式或其他方式与内针同轴连接。
上述检测电极12、屏蔽罩、印制电路板15以及第一接线端子14可组成一个相对独立的模组，并装配到绝缘外壳11的外层套筒和内层套筒之间的腔体内，从而提高检测头的集成度，利于装配。
为便于与外部设备连接，在上述检测头中，第一接线端子14的插接口可位于走线孔13的侧部，且该插接口的中心轴与走线孔13的中心轴平行。
如图4所示，本发明实施例还提供一种交流电压检测装置，该交流电压检测装置用于检测待测线缆30上的交流电压，且无需在待测线缆所在的系统中增加硬件，也无需断开待测线缆所在的系统。本实施例的检测装置包括信号处理电路21、供电电源22以及如上所述的检测头10。上述信号处理电路21的输入端与检测头10的检测电极12电性连接，并将检测电极12上的检测信号转换为电压输出；供电电源22连接到信号处理电路21的供电输入接口，并为信号处理电路21提供工作电压。
在上述交流电压检测装置中，检测头10可在直接装配在待测线缆30上，即待测线缆30穿过检测头10的走线孔13；信号处理电路21和供电电源22可集成到一个检测主机20，且检测主机20包括与信号处理电路21电性连接的第二接线端子。在需要检测待测线缆30的电压时，可将上述第二接线端子通过线缆连接到第一接线端子14，从而实现信号处理电路21与检测电极12的导电连接，并从检测电极12获取检测信号。
上述信号处理电路21具体可包括信号放大单元、数字滤波与补偿单元以及输出变送单元，且上述信号放大单元、数字滤波与补偿单元以及输出变送单元分别由供电电源22供电。上述信号放大单元的输入端连接到第二接线端子，以从检测头10的检测电极12采集微弱的电压信号并进行放大，为了确保线性的采集不同幅值的交流电压信号，信号放大单元可采用电阻和集成运放等线性工作模式的器件，从而可将采样到的信号线性放大至预设的幅值。由于检测头10采集的信号量非常微弱，易受外界信号干扰，因此可通过数字滤波与补偿单元进行滤波和采集，该数字滤波与补偿单元具体可采用数字带通滤波器进行滤波。同时由于电容的频率特性、温度特性等固有特性影响，导致检测头10的电容对不同频率的电压采集量不同、环境温度变化影响电容容值等均产生测量误差，因此数字滤波与补偿单元还需要使用数字补偿的方式校正采样信号，抵消测量误差，确保测量精度。输出变送单元则用于将滤波和补偿后的电压信号变送成所需信号(即预设格式的电压信号)并输出，例如可转换成标准工业模拟信号，数字RS485/RS232/CAN等各种标准或非标传输协议、无线接口及传输到云端(包括蓝牙、NB-IOT、GPRS)等。
上述交流电压检测装置可用于检测单根线缆的电压，结合图5所示，此时交流电压检测装置仅包括一个检测头10，且检测主机20仅包括一个第二接线端子；上述交流电压检测装置可用于检测两相线缆L、N的电压，结合图6所示，此时交流电压检测装置包括分别安装到L、N相待测线缆的两个检测头10，检测主机20则包括分别与信号处理电路电性连接的两个第二接线端子；上述交流电压检测装置可用于检测三相线缆A、B、C的电压，结合图7所示，此时交流电压检测装置包括分别安装到A、B、C相待测线缆的三个检测头10，检测主机20则包括分别与信号处理电路电性连接的三个第二接线端子；上述交流电压检测装置可用于检测三相线缆A、B、C及零线N的电压，结合图8所示，此时交流电压检测装置包括分别安装到A、B、C相待测线缆及零线N的四个检测头10，检测主机20则包括分别与信号处理电路电性连接的四个第二接线端子。
以下结合图9说明信号处理电路21中信号放大单元的拓扑结构，该信号放大单元应用于两相待测线缆电压检测信号处理。该信号放大单元包括双运放组成的精密仪表放大器，其输入端可定制成电流输入型负反馈。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种检测头，其特征在于，包括绝缘外壳以及位于所述绝缘外壳内的检测电极；所述绝缘外壳上具有供待测线缆走线的走线孔，所述检测电极与所述走线孔相邻设置，且在所述绝缘外壳通过所述走线孔装配到所述待测线缆时，所述检测电极和所述待测线缆构成一个无极电容，并通过电容电极间的电场耦合将所述待测线缆上的交流电压转换为检测信号。
2.根据权利要求1所述的检测头，其特征在于，所述绝缘外壳上具有第一接线端子，且所述检测电极与所述第一接线端子导电连接。
3.根据权利要求1所述的检测头，其特征在于，所述检测头还包括屏蔽罩，且所述屏蔽罩在所述绝缘外壳内呈两端具有开口的筒形，所述检测电极和走线孔分别位于所述屏蔽罩围合的区域内。
4.根据权利要求1所述的检测头，其特征在于，所述检测电极通过灌封胶装配在所述绝缘外壳内，且所述检测电极平行于所述走线孔的中心轴。
5.根据权利要求4所述的检测头，其特征在于，所述检测电极由圆筒形的导电材料构成，且所述检测电极环绕所述走线孔设置。
6.根据权利要求2所述的检测头，其特征在于，所述第一接线端子包括位于所述走线孔的侧部的插接口，且所述插接口的中心轴与所述走线孔的中心轴平行。
7.一种交流电压检测装置，用于检测待测线缆上的交流电压，其特征在于，所述检测装置包括信号处理电路、供电电源以及如权利要求1-6中任一项所述的检测头；所述信号处理电路的输入端与所述检测电极电性连接，并将所述检测电极上的检测信号转换为电压输出；所述供电电源连接到所述信号处理电路的供电输入接口，并为所述信号处理电路提供工作电压。
8.根据权利要求7所述的交流电压检测装置，其特征在于，所述信号处理电路和供电电源集成到检测主机，且所述检测主机包括与所述信号处理电路电性连接的第二接线端子；所述信号处理电路通过连接第一接线端子和第二接线端子的线缆与所述检测电极导电连接。
9.根据权利要求7所述的交流电压检测装置，其特征在于，所述信号处理电路包括分别由所述供电电源供电的信号放大单元、数字滤波与补偿单元以及输出变送单元，并通过所述信号放大单元将来自所述检测电极的检测信号线性放大到预设幅值，通过所述数字滤波与补偿单元对经过放大的检测信号进行滤波以及数字补偿，以及通过所述输出变送单元将经过滤波和补偿的信号转换为预设格式的电压信号输出。
10.根据权利要求7所述的交流电压检测装置，其特征在于，所述交流电压检测装置包括分别安装到不同相的待测线缆的多个检测头，所述检测主机包括多个分别与所述信号处理电路电性连接的第二接线端子，且所述信号处理电路通过分别连接在多个第二接线端子上的多根线缆与所述多个检测头的第一接线端子电性连接。
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