CN111030658B - 基于声场变压器零相位触发电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于声场变压器零相位触发电路及方法，其包括非接触式的声波传感器、保护电路、滤波放大电路、锁相整形电路、以及零相位TLL输出电路；声波传感器A1，采用非接触方式耦合变压器发出的声波信号，并将声波信号转换为电信号的能量转换器件；声波传感器A1为电容式，膜片采用聚全氟乙丙烯；保护电路包括与声波传感器A1电连接的气体放电管Z1以及阻抗匹配电路；气体放电管Z1保护电路由气体放电管Z1进行前级保护，并将耦合的声波感应电压信号幅值限制到设定安全范围内保护后级电路；阻抗匹配电路将保证声波传感器的高阻抗特性降低到设定欧姆值；本发明设计合理、结构紧凑且使用方便。

Description

基于声场变压器零相位触发电路

技术领域

本发明涉及基于声场变压器零相位触发电路及方法。

背景技术

在变压器运行中需要获取多种监测参量进行变压器状态评估，多种检测仪器进行带电测量需要进行数据同步，并且同步信号为过零点触发信号，目前获取过零点触发信号的装置比较少，有的从铁心的工频电流信号中获取，有的从附近电源获取，这些方式不能获取良好的过零点触发信号，有时现场无法接线，获取信号困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种基于声场变压器零相位触发电路及方法。本发明利用变压器本体振动发出的声波，采用非接触方式获取声波信号作为激励源，经过信号带通滤波放大，锁相整形，输出标准TTL脉冲，将零相位信息传输给变压器带电检测设备。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于声场变压器零相位触发电路，包括非接触式的声波传感器、保护电路、滤波放大电路、锁相整形电路、以及零相位TLL输出电路；

声波传感器A1，采用非接触方式耦合变压器发出的声波信号，并将声波信号转换为电信号的能量转换器件；声波传感器A1为电容式，膜片采用聚全氟乙丙烯；

保护电路包括与声波传感器A1电连接的气体放电管Z1以及阻抗匹配电路；气体放电管Z1保护电路由气体放电管Z1进行前级保护，并将耦合的声波感应电压信号幅值限制到设定安全范围内保护后级电路；阻抗匹配电路将保证声波传感器的高阻抗特性降低到设定欧姆值；

阻抗匹配电路包括场效应管Q1、电阻R9、以及电阻R10；场效应管Q1栅极分别接气体放电管Z1负极与电阻R9，电阻R9另一端与气体放电管Z1正极接GND端；场效应管Q1源极接电源Vcc，场效应管Q1漏极通过电阻R10接GND端；

滤波放大电路包括一次放大电路模块、带通滤波器以及二次放大电路模块；

一次放大电路模块，对保护电路输入信号进行幅值放大，其包括低噪声放大器U2、电阻R4、电阻R6、电阻R11；低噪声放大器U2输入端脚3通过电阻R6接电源Vcc，低噪声放大器U2输入端脚3通过电阻R11接GND端；低噪声放大器U2输出端脚1通过电阻R4接电阻R2一端，低噪声放大器U2输入端脚2接电阻R2一端，电阻R2另一端接GND端；

带通滤波器包括电阻R12、电容C4、电容C6、以及电阻R7，带通滤波器的截止频率为10kHz-100kHz；低噪声放大器U2输出端脚1通过电容C4输出两路，一路通过电阻R12接GND端，另一路接电阻R7；

二次放大电路模块包括低噪声放大器U3、电容C7、以及电阻R1、R3、R8；

电阻R7另一端一路通过电容C6接低噪声放大器U3输出端脚7，另一路接电阻R8；电阻R8一端接低噪声放大器U3输入端脚5，低噪声放大器U3输入端脚5通过电容C7接GND端；

低噪声放大器U3输入端脚6通过电阻R1接GND端，低噪声放大器U3输出端脚7通过电阻R3后，再次通过电阻R1接GND端；

锁相整形电路，包括进行锁相且输入端与低噪声放大器U3输出端脚7电连接的集成电路U5以及整形单元；整形单元包括集成电路U6、电容C20、电容C21、电阻R17、以及电容C22；

集成电路U6脚7通过电容C22接地；

集成电路U6输入端脚2接集成电路U5输出端脚7，集成电路U6输入端脚2通过电容C20接GND端，集成电路U6输入端脚5通过电容C21接GND端；

集成电路U6输出端脚7通过电阻R17接集成电路U6输入端脚4以及脚1；集成电路U6将方波信号整形为前沿陡峭、宽度不变的脉冲信号；

零相位TLL输出电路包括集成电路U7、电容C15、电容C19、电阻R18、电容C16、电容C17、以及电容C18；

集成电路U7输入端脚6一路通过电阻R18接地，另一路接集成电路U6输出端脚3；集成电路U7输入端脚5与脚4分别通过电容C19、C15接GND端；

集成电路U7输出端脚1输出TTL标准电平；电容C16、电容C17、以及电容C18并联在集成电路U7输出端脚2与脚3之间；集成电路U7输出端脚2接GND端，集成电路U7端脚3接输入设定电压。

作为上述技术方案的进一步改进：

其中Mos管Q1采用2SK301场效应管，集成电路U2采用AD8031芯片，集成电路U3采用AD8031芯片，集成电路U5采用NE-555芯片，集成电路U6采用LM111芯片，集成电路U7采用MIICRF113芯片。

一种基于声场变压器零相位触发方法，借助于权利要求1所述的基于声场变压器零相位触发电路；该方法包括以下步骤，

步骤一，首先，搭建基于声场变压器零相位触发电路，变压器零相位触发电路依次电连接的声波传感器、保护电路、滤波放大电路、锁相整形电路、以及零相位TLL输出电路；其次，将声波传感器置于变压器本体的振动辐射范围内；

步骤二，首先，变压器硅钢片的磁致伸缩引起铁芯振动，铁芯振动引起变压器本体振动；然后，变压器本体振动向外辐射声波，声波传感器接收声波信号；其次，声波传感器将声波信号转换为电信号的能量转换器件；

步骤三，声波传感器将耦合到的声波信号送至保护电路；首先，气体放电管Z1进行前级保护，并将耦合的声波感应电压信号幅值限制到设定安全范围内保护后级电路；然后，阻抗匹配电路将保证声波传感器的高阻抗特性降低到设定欧姆值；

步骤四，滤波放大电路将变压器本体发出的声波信号带通滤波、放大，滤波放大后的声波信号进入锁相整形电路；首先，通过一次放大电路模块将步骤三输入的信号进行设定倍幅值放大；然后，通过带通滤波器将空间中的干扰的声波信号滤除，获得由变压器本体发出的声波信号；其次，通过二次放大电路模块将将滤波后的信号进行设定倍幅值放大；

步骤五，锁相整形电路以声波过零点时刻为触发，整形成脉冲信号；首先，集成电路U5对步骤四输出的放大信号进行过零点比较，从声波信号中提取过零点方波信号；然后，整形单元将方波信号整形为前沿陡峭、宽度不变的脉冲信号；

步骤六，脉冲信号经过零相位输出模块输出占比为30％的TTL标准电平，标准TTL电平提供零相位触发信号。

本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。

附图说明

图1是本发明基本的结构示意图。

图2是本发明的原理示意图。

图3是本发明的整形输出原理图。

具体实施方式

本发明涉及一种基于声场变压器零相位触发电路及方法。如图1-3所示，该电路主要由五部分组成，包括非接触的声波传感器、保护电路、滤波放大电路、锁相整形电路、以及零相位TLL输出电路；

如图1，变压器硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动，铁芯振动引起变压器本体振动，由于变压器本体的振动会向外辐射声波，本发明利用声波传感器接收声波信号，耦合到的声波信号经过保护电路，保护电路防止装置受到过压冲击，滤波放大电路将变压器本体发出的声波信号带通滤波、放大，滤波放大后的声波信号进入锁相整形电路，锁相整形电路以声波过零点时刻为触发，整形成脉冲信号，脉冲信号经过零相位输出模块输出占比为30％的TTL标准电平，标准TTL电平为带电检测仪器提供零相位触发信号。

如图2所示，A1为声波传感器，声波传感器采用非接触方式耦合变压器发出的声波信号，声波传感器是将声波信号转换为电信号的能量转换器件。

本发明采用电容式声波传感器，电容式声波传感器的膜片多采用聚全氟乙丙烯，其湿度性能好，产生的表面电荷多，无方向型，对各个方向的声波有相同的灵敏度，提高了接收变压器发出的声波信号的灵敏度。

Z1为气体放电管，保护电路由气体放电管Z1进行前级保护，将耦合的声波感应电压信号幅值限制到安全范围内有效保护后级电路。

Q1为场效应管，Q1、R9、R10组成阻抗匹配电路，保证声波传感器的高阻抗特性降低到50欧姆，与后级运算放大器达到良好的匹配效果，U2低噪声放大器与R4、R6、R11实现将前级微弱的信号进行100倍幅值放大。

R12、C4、R7、C6组成带通滤波器，截止频率为10kHz-100kHz,将空间中的干扰的声波信号滤除，获得真正由变压器本体发出的声波信号。

U3低噪声放大器与R3、R1实现将滤波后的信号进行50倍幅值放大。

如图3所示，滤波放大后的声波信号经U5进行过零点比较，从声波中提取过零点方波信号，U6、C20、C21、R17、C22组成整形电路，将方波信号整形为前沿陡峭、宽度不变的脉冲信号。

U7,C15,C19,R18,C16,C17,C18组成TTL输出电路，TTL输出电路将过零点脉冲信号调制成TTL电平输出电路。

本发明的工作原理：

变压器在运行中会向外发出声波信号，这个声波信号是由于运行电流导致矽钢片磁致伸缩，从而引起变压器本体振动，进而发出声波信号，这个声波的零点和变压器运行电流的零点相重合，对声波进行零点提取也就完成对变压器运行电流的零点提取，实现检测装置过零点触发采集。声波传感器采用非接触方式耦合变压器发出的声波信号，将声波信号转换为电信号，耦合得到的电信号由保护电路进行前级保护，将感应电压信号幅值限制到安全范围内有效保护后级电路。滤波放大电路将声波传感器的高阻抗特性降低到50欧姆，与后级运算放大器达到良好的匹配效果，前级微弱的声波信号进行100倍幅值放大，接着进入截止频率为10kHz-100kHz的带通滤波器，将空间中的干扰的声波信号滤除，接着将滤波后的信号进行50倍幅值放大。滤波放大后的声波信号经锁相整形电路进行过零点比较，从声波中提取过零点方波信号，将方波信号整形为前沿陡峭、宽度不变的脉冲信号，零相位TTL输出电路将过零点脉冲信号调制成占空比为30％的TTL电平输出电路。其中Q1采用2SK301场效应管，U2采用AD8031芯片，U3采用AD8031芯片，U5采用NE-555芯片，U6采用LM111芯片，U7采用MIICRF113芯片。

本发明的发明点主要在于通过耦合变压器发出的声波信号，进而获得变压器运行电流的零相位触发脉冲，最终输出零相位标准的TTL电平波形。利用本发明能够保证多种检测仪器进行带电测量需要进行数据同步，零相位同步后多种检测数据具有可对比性，并对变压器故障识别提供了数据基础。以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下，对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一例举。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于声场变压器零相位触发电路，其特征在于：包括非接触式的声波传感器、保护电路、滤波放大电路、锁相整形电路、以及零相位TLL输出电路；

声波传感器A1，采用非接触方式耦合变压器发出的声波信号，并将声波信号转换为电信号的能量转换器件；声波传感器A1为电容式，膜片采用聚全氟乙丙烯；

保护电路包括与声波传感器A1电连接的气体放电管Z1以及阻抗匹配电路；气体放电管Z1保护电路由气体放电管Z1进行前级保护，并将耦合的声波感应电压信号幅值限制到设定安全范围内保护后级电路；阻抗匹配电路将保证声波传感器的高阻抗特性降低到设定欧姆值；

阻抗匹配电路包括场效应管Q1、电阻R9、以及电阻R10；场效应管Q1栅极分别接气体放电管Z1负极与电阻R9，电阻R9另一端与气体放电管Z1正极接GND端；场效应管Q1源极接电源Vcc，场效应管Q1漏极通过电阻R10接GND端；

滤波放大电路包括一次放大电路模块、带通滤波器以及二次放大电路模块；

一次放大电路模块，对保护电路输出信号进行幅值放大，其包括低噪声放大器U2、电阻R4、电阻R6、电阻R11；低噪声放大器U2输入端脚3通过电阻R6接电源Vcc，低噪声放大器U2输入端脚3通过电阻R11接GND端；低噪声放大器U2输出端脚1通过电阻R4接电阻R2一端，低噪声放大器U2输入端脚2接电阻R2一端，电阻R2另一端接GND端；

带通滤波器包括电阻R12、电容C4、C6、以及电阻R7，低噪声放大器U2输出端脚1通过电容C4输出两路，一路通过电阻R12接GND端，另一路接电阻R7；带通滤波器的截止频率为10kHz-100kHz；

二次放大电路模块包括低噪声放大器U3、电容C7、以及电阻R1、R3、R8；

电阻R7另一端一路通过电容C6接低噪声放大器U3输出端脚7，另一路接电阻R8；电阻R8一端接低噪声放大器U3输入端脚5，低噪声放大器U3输入端脚5通过电容C7接GND端；

低噪声放大器U3输入端脚6通过电阻R1接GND端，低噪声放大器U3输出端脚7通过电阻R3后，再次通过电阻R1接GND端；

锁相整形电路，包括进行锁相且输入端与低噪声放大器U3输出端脚7电连接的集成电路U5以及整形单元；整形单元包括集成电路U6、电容C20、电容C21、电阻R17、以及电容C22；

集成电路U6脚7通过电容C22接地；

集成电路U6输入端脚2接集成电路U5输出端脚7，集成电路U6输入端脚2通过电容C20接GND端，集成电路U6输入端脚5通过电容C21接GND端；

集成电路U6输出端脚7通过电阻R17接集成电路U6输入端脚4以及脚1；集成电路U6将方波信号整形为前沿陡峭、宽度不变的脉冲信号；

零相位TLL输出电路包括集成电路U7、电容C15、电容C19、电阻R18、电容C16、电容C17、以及电容C18；

集成电路U7输入端脚6一路通过电阻R18接地，另一路接集成电路U6输出端脚3；集成电路U7输入端脚5与脚4分别通过电容C19、C15接GND端；

集成电路U7输出端脚1输出TTL标准电平；电容C16、电容C17、以及电容C18并联在集成电路U7输出端脚2与脚3之间；集成电路U7输出端脚2接GND端，集成电路U7端脚3接输入设定电压。

2.根据权利要求1所述的基于声场变压器零相位触发电路，其特征在于:其中Mos管Q1采用2SK301场效应管，集成电路U2采用AD8031芯片，集成电路U3采用AD8031芯片。

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