CN111458615A - 选频放大检测电路及安全检测设备 - Google Patents

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CN111458615A CN202010371030.9A CN202010371030A CN111458615A CN 111458615 A CN111458615 A CN 111458615A CN 202010371030 A CN202010371030 A CN 202010371030A CN 111458615 A CN111458615 A CN 111458615A
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吕颜
叶紫权
陈金玲
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Abstract

本发明公开了一种选频放大检测电路及安全检测设备，所述电路包括依次连接的电流传感器、放大电路、第一谐振电路以及比较检测模块；电流传感器用于检测交流电源的交流电流；放大电路用于放大电流传感器输出的交流电流；第一谐振电路用于对放大后的交流电流进行过滤得到第一频段的交流信号；比较检测模块用于在第一频段的交流信号达到预设阈值时进行计数，并根据计数值发出报警信号。本发明通过设置第一谐振电路，将交流信号中的第一频段信号进行选频输出，比较检测模块则对达到预设阈值的交流信号进行计数以检测电弧并及时发出报警信号进行提示。

Description

选频放大检测电路及安全检测设备
技术领域
本发明涉及电路电子领域，尤其涉及选频放大检测电路及安全检测设备。
背景技术
在现有的交流电负载运行过程中，通常会产生各种电弧，而电弧是引发电气火灾的一个重要因素。因此，为保障产品安全，需要在线路中进行电弧信号的检测。由于在不同的负载，例如电阻负载、电感负载或电容负载中产生的电弧信号并不相同，在线路中的传输距离也会导致电弧信号发生改变，因此现有的电弧检测设备无法对各种不同的负载进行有效检测，即产品多样化时会影响到检测性能。
目前，常用的技术手段是对电弧信号进行放大，再对放大后的信号进行电弧检测，以在发生电气故障时及时定位。然而，在实际检测过程中，有较大的可能在检测放大后的交流信号时发生误报或漏报现象，即检测到不属于电弧的交流信号或遗漏部分电弧信号，严重降低了电弧检测准确性。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种选频放大检测电路及安全检测设备，旨在解决现有的电弧检测准确性不高的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种选频放大检测电路，包括：
电流传感器、放大电路、第一谐振电路以及比较检测模块；
所述电流传感器与交流电源连接，所述放大电路的输入端与所述电流传感器的输出端连接，所述放大电路的输出端与所述第一谐振电路的输入端连接，所述第一谐振电路的输出端与所述比较检测模块连接；
所述电流传感器用于检测所述交流电源的交流电流；
所述放大电路用于放大所述电流传感器输出的交流电流；
所述第一谐振电路用于对放大后的所述交流电流进行过滤得到第一频段的交流信号；
所述比较检测模块用于在第一频段的交流信号达到预设阈值时进行计数，并根据计数值发出报警信号。
可选地，所述放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、放大电阻和第一运算放大器；
所述第一电阻的第一端与所述电流传感器的第一端连接，所述第二电阻的第一端与所述电流传感器的第二端连接，所述第一电阻的第二端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述第二电阻的第二端与所述第一运算放大器的同相输入端连接，所述第三电阻的第一端与基准电平连接，所述第三电阻的第二端与所述第二电阻的第二端连接，所述放大电阻的第一端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述放大电阻的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接。
可选地，所述第一谐振电路包括第一偏置电阻、第二偏置电阻、第三偏置电阻、第四偏置电阻、第一开关管和第一电感；
所述第一偏置电阻的第一端接高电平，所述第一偏置电阻的第二端分别与所述第二偏置电阻的第一端以及所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二偏置电阻的第二端接地，所述第一开关管的基极与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第一开关管的集电极通过所述第三偏置电阻接高电平，所述第一开关管的发射极通过所述第四偏置电阻接地，所述第一电感与所述第三偏置电阻并联，所述第一开关管的集电极为所述第一谐振电路的输出端。
可选地，所述第一谐振电路还包括第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容为耦合电容；
所述第一运算放大器的输出端通过所述第一电容与所述第一开关管的基极连接，所述第一开关管的集电极通过所述第二电容与所述比较检测模块连接。
可选地，所述第一谐振电路还包括第三电容和第四电容，所述第三电容与所述第三偏置电阻并联，所述第四电容与所述第四偏置电阻并联。
可选地，所述比较检测模块包括比较模块和控制芯片；
所述比较模块的第一输入端与所述第一谐振电路的输出端连接，所述比较模块的第二输入端接预设电平，所述比较模块的输入端与所述控制芯片的计数器连接；
所述比较模块，用于在第一频段的交流信号达到预设电平时输出脉冲信号；
所述控制芯片，用于在计数器接收到所述脉冲信号时进行计数，并在计数值达到报警阈值时发出报警信号。
可选地，所述比较模块包括第四电阻、第五电阻、第六电阻以及第一比较器；
所述第一比较器的第一输入端与所述第一谐振电路的输出端连接，所述第一比较器的第二输入端通过所述第四电阻与高电平连接以及通过所述第五电阻接地，所述第一比较器的输出端通过第六电阻与所述控制芯片连接。
可选地，所述比较模块还包括第五电容，所述第六电阻靠近所述控制芯片的一端通过所述第五电容接地。
可选地，所述选频放大检测电路还包括第二谐振电路和第三谐振电路；
所述第二谐振电路的输入端与所述放大电路的输出端连接，所述第二谐振电路的输出端与所述比较检测模块连接；
所述第三谐振电路的输入端与所述放大电路的输出端连接，所述第三谐振电路的输出端与所述比较检测模块连接；
所述第二谐振电路和所述第三谐振电路分别用于对放大后的所述交流电流进行过滤得到第二频段和第三频段的交流信号。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种安全检测设备，所述安全检测设备包括与交流电源连接的选频放大检测电路，所述选频放大检测电路被配置为如上所述的选频放大检测电路。
本发明通过设置第一谐振电路，能够将放大电路放大输出的交流信号进行选频输出，使得在谐振点附近的信号频率正常输出，而不在谐振点附近的信号则被抑制。电流传感器可以将检测到的交流电流经过放大电路的放大以及第一谐振电路的选频输出后发送至比较检测模块，比较检测模块可以在每当选频后的交流信号值达到预设阈值时进行计数，并根据计数值确定是否发生电弧，从而能够准确地在交流线路发生电弧时检测到电弧并及时发出报警信号进行提示。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明选频放大检测电路一实施例的模块示意图；
图2为图1实施例中以第一谐振电路为例的电路结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 电流传感器 Rf 放大电阻
20 放大电路 Rb1 第一偏置电阻
31 第一谐振电路 Rb2 第二偏置电阻
32 第二谐振电路 Rc 第三偏置电阻
33 第三谐振电路 Re 第四偏置电阻
40 比较检测模块 Q1 第一开关管
A1 第一运算放大器 L 第一电感
P1 第一比较器 C1 第一电容
R1 第一电阻 C2 第二电容
R2 第二电阻 C3 第三电容
R3 第三电阻 C4 第四电容
R4 第四电阻 C5 第五电容
R5 第五电阻 MCU 控制芯片
R6 第六电阻
具体实施方式
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。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种选频放大检测电路，应用于安全检测设备中，以检测电弧的发生并定位。
参见图1，在一实施例中，所述选频放大检测电路包括电流传感器10、放大电路20、第一谐振电路31以及比较检测模块40。电流传感器10与交流电源连接，放大电路20的输入端与电流传感器10的输出端连接，放大电路20的输出端与第一谐振电路31的输入端连接，第一谐振电路31的输出端与比较检测模块40连接。其中，电流传感器10可以为罗氏线圈，套设于市电线路的火线或零线上。电流传感器10也可以为锰铜电阻，串在市电线路的火线或零线上。
电流传感器10可以检测交流电源或市电线路上的交流电流，在电流传感器10将检测到的交流电流传输至放大电路20后，放大电路20可以对交流电流的电流信号进行放大，并将放大后的交流信号发送至第一谐振电路31。第一谐振电路31可以通过调整电路器件的数值实现选频输出，将第一谐振电路31对应的第一频段内的交流信号进行过滤并输出，而交流信号中不处于第一频段内的信号则被滤除。比较检测模块40可以将第一谐振电路31选频输出的交流信号与预先设置的阈值信号进行比较，在选频后的交流信号达到预设阈值信号时进行计数，并在计数值达到预设值时确定交流线路中发生电弧现象并发出报警信号进行提示。可以理解的是，在电弧现象发生时，将会附带有较高频率的高频信号，通过对交流线路中某个频段内的交流信号进行高频信号的检测，能够准确检测电弧。
在本实施例中，通过设置第一谐振电路31，能够使得在谐振点附近的信号频率正常输出，而不在谐振点附近的信号则被抑制，从而实现选频输出。电流传感器10可以将检测到的交流电流经过放大电路20的放大以及第一谐振电路31的选频输出后发送至比较检测模块40，比较检测模块40可以在每当选频后的交流信号值达到预设阈值时进行计数，并根据计数值确定是否发生电弧，从而准确检测交流线路上的电弧，并在检测到电弧时及时发出报警信号进行提示。
优选地，一并参照图1和图2，上述放大电路20可以包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、放大电阻Rf和第一运算放大器A1。电流传感器10在检测到交流电源的交流电流后，可以通过两个输出端将交流信号输出至放大电路20。第一电阻R1的第一端与电流传感器10的第一端连接，第二电阻R2的第一端与电流传感器10的第二端连接，第一电阻R1的第二端与第一运算放大器A1的反相输入端连接，第二电阻R2的第二端与第一运算放大器A1的同相输入端连接，第三电阻R3的第一端与基准电平连接，第三电阻R3的第二端与第二电阻R2的第二端连接，放大电阻Rf的第一端与第一运算放大器A1的反相输入端连接，放大电阻Rf的第二端与第一运算放大器A1的输出端连接。该交流信号可以在经过第一电阻R1、放大电阻Rf的放大后输出，放大倍数为放大电阻Rf与第一电阻R1的电阻比值。需要说明的是，在本实施例中，电流传感器10可以为罗氏线圈，输出的交流信号为周期信号，而第一运算放大器A1在采用单电源供电时，无法放大负半周期的交流信号，因此通过第三电阻R3接入基准电平可以为交流信号提供一个正向偏置电压，使得交流信号的正负半周信号均大于0，以实现完整周期的信号放大。优选地，基准电平可以设置为第一运算放大器A1的电源电压的二分之一。
进一步地，上述第一谐振电路31可以包括第一偏置电阻Rb1、第二偏置电阻Rb2、第三偏置电阻Rc、第四偏置电阻Re、第一开关管Q1、第三电容C3、第四电容C4和第一电感L。第一偏置电阻Rb1的第一端接高电平，第一偏置电阻Rb1的第二端分别与第二偏置电阻Rb2的第一端以及第一运算放大器A1的输出端连接，第二偏置电阻Rb2的第二端接地，第一开关管Q1的基极与第一运算放大器A1的输出端连接，第一开关管Q1的集电极通过第三偏置电阻Rc接高电平，第一开关管Q1的发射极通过第四偏置电阻Re接地，第一电感L与第三偏置电阻Rc并联，第一开关管Q1的集电极为第一谐振电路31的输出端。第三电容C3与第三偏置电阻Rc并联，第四电容C4与第四偏置电阻Re并联。通过设置第一偏置电阻Rb1、第二偏置电阻Rb2、第三偏置电阻Rc和第四偏置电阻Re的阻值即可调整第一谐振电路31的静态工作点。而第一谐振电路31的谐振点则由电路中的总回路电容C以及第一电感L决定。具体地，第一开关管Q1可以为NPN型三极管，第一谐振电路31的谐振频率为：
Figure BDA0002484485330000071
在放大后的交流信号经过第一谐振电路31时，谐振频率附近的高频信号，即第一频段内的交流信号能够通过第一谐振电路31，而第一频段外的交流信号则被阻隔。通过调整第一谐振电路31的总电容和电感值，即可调整谐振频率，也即调整第一频段。
优选地，上述第一谐振电路31还包括第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2为耦合电容，第一运算放大器A1的输出端通过第一电容C1与第一开关管Q1的基极连接，第一开关管Q1的集电极通过第二电容C2与比较检测模块40连接。可以理解的是，在本实施例中需要进行放大输出以及进行谐振选频的信号均为高频交流信号，通过在第一谐振电路31的输入输出端分别设置耦合电容，可以隔离放大电路20所输出的直流信号以及避免第一谐振电路31中产生的直流信号进入比较检测模块40。第一电容C1和第二电容C2可以选用pF级电容。
进一步地，上述比较检测模块40可以包括比较模块和控制芯片MCU。比较模块的第一输入端与第一谐振电路31的输出端连接，比较模块的第二输入端接预设电平，比较模块的输入端与控制芯片MCU的计数器连接。比较模块可以将选频后处于第一频段内的交流信号与预设电平进行比较，每当第一频段的交流信号达到预设电平时输出脉冲信号。控制芯片MCU则可以通过计数器接收脉冲信号并进行计数，在计数值达到报警阈值时发出报警信号。优选地，控制芯片MCU可以将计数时间设置为秒，即在一秒内检测到14次或以上的脉冲信号时，判断交流线路中发生了电弧现象，并及时报警提示。
上述比较模块可以包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6以及第一比较器P1。第一比较器P1的第一输入端与第一谐振电路31的输出端连接，第一比较器P1的第二输入端通过第四电阻R4与高电平连接以及通过第五电阻R5接地，第一比较器P1的输出端通过第六电阻R6与控制芯片MCU连接。通过第四电阻R4和第五电阻R5对高电平进行分压，即可向第一比较器P1的第二输入端提供预设电平。比较模块还可以包括第五电容C5，第六电阻R6靠近控制芯片MCU的一端通过第五电容C5接地，以对第一比较器P1输出的脉冲信号进行滤波，避免纹波干扰。
需要说明的是，上述比较检测模块40还可以为高速模数转换器ADC，通过高速ADC对第一谐振电路31输出的第一频段内的交流信号进行采样，即可根据交流信号中达到预设电平的信号个数确定是否发生电弧。
可以理解的是，选频放大检测电路还可以包括多个谐振频段并不完全相同的谐振电路，根据待测负载产生的电弧信号的主要频段，从多个谐振电路中选择谐振频段相同或相似的谐振电路对待测负载进行电弧检测，能够提升对于该待测负载的电弧检测的准确性，使得选频放大检测电路能够应用于各种不同负载的电弧信号检测，提升电弧检测的适用性和全面性。
进一步地，参照图1，在一优选实施例中，选频放大检测电路可以包括第一谐振电路31、第二谐振电路32和第三谐振电路33。第二谐振电路32和第三谐振电路33的结构可参照上述实施例中的第一谐振电路31。第二谐振电路32的输入端与放大电路20的输出端连接，第二谐振电路32的输出端与比较检测模块40连接。第三谐振电路33的输入端与放大电路20的输出端连接，第三谐振电路33的输出端与比较检测模块40连接。第二谐振电路32和第三谐振电路33可以分别对放大后的交流电流进行过滤得到第二频段和第三频段的交流信号。
需要说明的是，经过大量实际测试可以确定的是，电弧现象发生时产生交流信号最为丰富的频段为2MHz-2.5MHz以及10MHz-12MHz频段。通过调整第一谐振电路31、第二谐振电路32和第三谐振电路33，以使对应的第一频段、第二频段和第三频段能够覆盖上述频段即可实现电弧的准确检测。具体地，可以设置第一频段为2MHz-2.5MHz，第二频段为10MHz-12MHz，第三频段为其他所需要的频段。这样即使对交流线路中的不同负载进行电弧检测，也能够通过第一谐振电路31、第二谐振电路32和第三谐振电路33对不同的负载所产生的电弧信号进行全面检测，从而提升电弧检测的适用性和全面性。
优选地，第一谐振电路31、第二谐振电路32和第三谐振电路33可以分别与第一比较器P1、第二比较器(未图示)以及第三比较器(未图示)连接，第一比较器P1、第二比较器以及第三比较器的输出端分别与控制芯片MCU的三个计数器接口连接。
本发明还提供一种安全检测设备，该安全检测设备包括与交流电源连接的选频放大检测电路，该选频放大检测电路的结构可参照上述实施例，在此不再赘述。理所应当地，由于本实施例的安全检测设备采用了上述选频放大检测电路的技术方案，因此该安全检测设备具有上述选频放大检测电路所有的有益效果。
以上仅为本发明的可选实施例，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 (10)

1.一种选频放大检测电路，其特征在于，包括：
电流传感器、放大电路、第一谐振电路以及比较检测模块；
所述电流传感器与交流电源连接，所述放大电路的输入端与所述电流传感器的输出端连接，所述放大电路的输出端与所述第一谐振电路的输入端连接，所述第一谐振电路的输出端与所述比较检测模块连接；
所述电流传感器用于检测所述交流电源的交流电流；
所述放大电路用于放大所述电流传感器输出的交流电流；
所述第一谐振电路用于对放大后的所述交流电流进行过滤得到第一频段的交流信号；
所述比较检测模块用于在第一频段的交流信号达到预设阈值时进行计数，并根据计数值发出报警信号。
2.如权利要求1所述的选频放大检测电路，其特征在于，所述放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、放大电阻和第一运算放大器；
所述第一电阻的第一端与所述电流传感器的第一端连接，所述第二电阻的第一端与所述电流传感器的第二端连接，所述第一电阻的第二端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述第二电阻的第二端与所述第一运算放大器的同相输入端连接，所述第三电阻的第一端与基准电平连接，所述第三电阻的第二端与所述第二电阻的第二端连接，所述放大电阻的第一端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述放大电阻的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接。
3.如权利要求2所述的选频放大检测电路，其特征在于，所述第一谐振电路包括第一偏置电阻、第二偏置电阻、第三偏置电阻、第四偏置电阻、第一开关管和第一电感；
所述第一偏置电阻的第一端接高电平，所述第一偏置电阻的第二端分别与所述第二偏置电阻的第一端以及所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二偏置电阻的第二端接地，所述第一开关管的基极与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第一开关管的集电极通过所述第三偏置电阻接高电平，所述第一开关管的发射极通过所述第四偏置电阻接地，所述第一电感与所述第三偏置电阻并联，所述第一开关管的集电极为所述第一谐振电路的输出端。
4.如权利要求3所述的选频放大检测电路，其特征在于，所述第一谐振电路还包括第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容为耦合电容；
所述第一运算放大器的输出端通过所述第一电容与所述第一开关管的基极连接，所述第一开关管的集电极通过所述第二电容与所述比较检测模块连接。
5.如权利要求3所述的选频放大检测电路，其特征在于，所述第一谐振电路还包括第三电容和第四电容，所述第三电容与所述第三偏置电阻并联，所述第四电容与所述第四偏置电阻并联。
6.如权利要求3所述的选频放大检测电路，其特征在于，所述比较检测模块包括比较模块和控制芯片；
所述比较模块的第一输入端与所述第一谐振电路的输出端连接，所述比较模块的第二输入端接预设电平，所述比较模块的输入端与所述控制芯片的计数器连接；
所述比较模块，用于在第一频段的交流信号达到预设电平时输出脉冲信号；
所述控制芯片，用于在计数器接收到所述脉冲信号时进行计数，并在计数值达到报警阈值时发出报警信号。
7.如权利要求6所述的选频放大检测电路，其特征在于，所述比较模块包括第四电阻、第五电阻、第六电阻以及第一比较器；
所述第一比较器的第一输入端与所述第一谐振电路的输出端连接，所述第一比较器的第二输入端通过所述第四电阻与高电平连接以及通过所述第五电阻接地，所述第一比较器的输出端通过第六电阻与所述控制芯片连接。
8.如权利要求7所述的选频放大检测电路，其特征在于，所述比较模块还包括第五电容，所述第六电阻靠近所述控制芯片的一端通过所述第五电容接地。
9.如权利要求1～8中任一项所述的选频放大检测电路，其特征在于，所述选频放大检测电路还包括第二谐振电路和第三谐振电路；
所述第二谐振电路的输入端与所述放大电路的输出端连接，所述第二谐振电路的输出端与所述比较检测模块连接；
所述第三谐振电路的输入端与所述放大电路的输出端连接，所述第三谐振电路的输出端与所述比较检测模块连接；
所述第二谐振电路和所述第三谐振电路分别用于对放大后的所述交流电流进行过滤得到第二频段和第三频段的交流信号。
10.一种安全检测设备，其特征在于，所述安全检测设备包括与交流电源连接的选频放大检测电路，所述选频放大检测电路被配置为如权利要求1～9中任一项所述的选频放大检测电路。
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