CN113740586B - 一种电流测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流测试装置及方法，电流测试装置包括感应电容设备、第一电阻、第二电阻和电压检测设备；第一电阻的一端与信号源连接，另一端与感应电容设备连接；感应电容设备远离第一电阻的一端与信号源的另一端电性连接；第一电阻、感应电容设备与电流测试设备构成测试回路；感应电容设备的中间端与第二电阻的一端电性连接，第二电阻的另一端接地连接；电压检测设备与第二电阻的两端连接，用于测量第二电阻两端电压。本发明的电流测试装置能够应用在高频大电流的交流电检测中，测量的频率范围极宽，可测试的电流范围较大，测量灵敏、准确度高，本发明的电流测试方法步骤简单、结果准确。

Description

一种电流测试装置及方法

技术领域

本发明属于电流检测领域，特别涉及一种电流测试装置及方法。

背景技术

目前现有电流测试装置主要针对直流电进行检测，对交流电进行测试时限制较多，尤其是高频率的交流电。目前的交流测试装置只能测试较小的电流如100A左右以及以下的电流，而对于100MHz以上的交流电，没有有效的电流测试装置。目前交流电测试装置无法使用在高频段的电流检测中，现有电流测试装置的性能如下表所示，均存在测量频率高但电流范围小，或测量电流范围大但电流频率小的问题。

	检测电阻或分流器	夹合式电流探头	罗氏线圈电流探头
				交流或交/直流	交/直流	交流或交/直流	交流
带宽	直流至GHz	高达150MHz	高达30MHz
				最佳电流范围	uA-A's	mA-100A	A至>kA
噪声	低	低到中	中到高
				磁饱和	无	是	无
机头/传感器尺寸	小	中到大	小
				插入阻抗	无	中等	无
非侵入性、绝缘测量	否	是	是
				需要消磁和偏移消除	否	是	否
定价	低到中	高	中

以电流探头品牌Tektronix在售产品为例，A621型探头可测得的最大等效电流为1000A，可其带宽仅有50kHz；而带宽最大为200MHz的CT2型，可测得的最大等效电流仅为2.5A。在工程测试中，现有探头对瞬时产生的高频大电流如弓网离线放电电弧，无法检测或检测不准，使用者也无法根据检测结果分析高频大电流的规律。因此，需要一种能够准确测试高频大电流的装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种电流测试装置及方法。

一种电流测试装置，所述电流测试装置包括感应电容设备、第一电阻、第二电阻和电压检测设备；

所述第一电阻的一端与信号源连接，另一端与感应电容设备连接；

所述感应电容设备远离第一电阻的一端与信号源的另一端电性连接；

所述第一电阻、感应电容设备与电流测试设备构成测试回路；

所述感应电容设备的中间端与第二电阻的一端电性连接，第二电阻的另一端接地连接；

所述电压检测设备与第二电阻的两端连接，用于测量第二电阻两端电压。

进一步地，所述感应电容设备包括感应棒和感应套筒，所述感应棒设置在感应套筒内，且所述感应棒与感应套筒的任一处均不接触。

进一步地，所述感应套筒内径大于感应棒直径。

进一步地，所述感应棒与感应套筒之间通过紧固件连接，所述紧固件为绝缘材质。

进一步地，所述感应棒与感应套筒采用同一导电金属材质。

进一步地，所述感应棒的长度大于所述感应套筒。

进一步地，所述感应棒的两端设置有固定棒，所述固定棒远离感应棒的一端设置有挡线块，所述固定棒及挡线块的材质与感应棒材质相同；

所述感应棒与挡线块之间形成以所述固定棒为中心的环形安装槽，所述安装槽用于固定测试电线。

进一步地，所述紧固件包括固定环和支撑筋；

所述感应套筒的侧端嵌置在固定环内；

所述支撑筋设置有多个，多个所述支撑筋等距环形分布在固定环的内层，所述支撑筋的一端固定在固定环的内层，另一端抵触在感应棒表面。

一种利用电流测试装置进行电流测试的方法，包括：

将信号源连接在所述电流测试装置中；

获取所述电流测试装置的测试电流转换系数；

将所述电流测试装置与未知信号源连接，并记录第二电阻的电压值；

通过所述测试电流转换系数与第二电阻的电压值确定未知信号源的电流值。

进一步地，所述获取所述电流测试装置的测试电流转换系数包括：

以预设频率间隔不断调整信号源的信号频率；

通过电流检测设备获取每次频率调整后流经第一电阻的电流值；

通过电压检测设备获取每次频率调整后的第二电阻电压值；

确定不同频率下第一电阻的电流值与第二电阻电压值的比例关系，所述比例关系即为测试电流转换系数。

本发明的电流测试装置能够应用在高频大电流的交流电检测中，测量的频率范围极宽，可测试的电流范围较大，测量灵敏、准确度高，本发明的电流测试方法步骤简单、结果准确。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的电流测试装置结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的感应电容设备结构示意图。

附图标记：1、感应套筒；2、感应棒；3、固定环；4、支撑筋；5、固定棒；6、挡线块；7、支撑架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。

一种电流测试装置，如图1所示，图1示出了根据本发明实施例的电流测试装置结构示意图，包括感应电容设备、第一电阻、第二电阻和电压检测设备，其中，第一电阻的一端与信号源连接，另一端与感应电容设备连接。感应电容设备远离第一电阻的一端与信号源的另一端电性连接。信号源、第一电阻和感应电容设备构成测试回路。感应电容设备的中间端与第二电阻的一端电性连接，第二电阻的另一端接地连接。电压检测设备连接在第二电阻的两端，用于测量第二电阻两端电压值。

感应电容设备如图2所示，包括感应棒2和感应套筒1，感应棒2设置在感应套筒1内，感应棒2与感应套筒1之间通过紧固件连接，紧固件将感应棒2固定在感应套筒1中间，感应棒2与感应套筒1的任一处均不接触。

感应棒2与感应套筒1采用同种材质的高导电率的金属材质。示例性的，均采用黄铜材质制备。

感应棒2用于流经测试电流，感应棒2的长度大于感应套筒1，即感应棒2的两端设置在感应套筒1的外部，感应棒2的两端设置有固定棒5，固定棒5的直径小于感应棒2直径。固定棒5远离感应棒2的一端设置有挡线块6，挡线块6的直径大于固定棒5的直径。由于感应棒2的直径与挡线块6的直径均大于固定棒5的直径，形成以固定棒5为中心的环形安装槽，安装槽用于安装固定测试电线，固定棒及挡线块的材质与感应棒材质相同。

具体的，感应棒的直径依据测试电流值范围选用，感应棒直径越大，能够承载的电流值越大。示例性的，测试120A电流，感应棒横截面积至少为25mm²。

采用黄铜材质制备的感应棒2能够承受上千安培的电流通过。

感应套筒1用于产生对应流经感应棒2电流的感应电流，感应套筒1套设在感应棒2外部，感应套筒1的内直径大于感应棒的直径，感应套筒1的厚度为4～10mm。

感应套筒1的长度小于感应棒2的长度，感应棒2的两端能位于感应套筒的外部。

示例性的，感应棒2的两端位于感应套筒1外部的长度为1～5cm。

通过感应棒2和感应套筒1组合的感应电容设备的设置，以及通过改进感应棒的直径设置，能够测量常见频率的交电流，测量的频率范围宽，能够达到GHz级别。

感应套筒1的中部套设有电流传输套，电流传输套用于固定电流传输线，电流传输套能够通过电流传输线与第二电阻电连接设置。

电流传输套可以采用电阻值较小的高电导率金属材料制备，为减少电流传输套的电阻值，电流传输套采用小体积设置。示例性的，采用宽度的为5mm的黄铜制备。

电流传输套还可以采用与感应套筒相同材质的圆环状、勾状等，可与感应套筒一体成型设置。

紧固件包括固定环3和支撑筋4，固定环3为内外双层设置，感应套筒1的侧端嵌置在固定环3的内层与外层之间，固定环3的外层包覆在感应套筒1外侧，固定环3的内层则贴覆在感应套筒1的内侧。支撑筋4设置有多个，多个支撑筋4等距环形分布在固定环3的内层上，支撑筋4的一端固定在固定环3的内层，另一端抵触在感应棒2表面。通过支撑筋4的抵接设置，将感应棒2固定在感应套筒1中间，保证感应棒2与感应套筒1不接触，同时支撑筋4能够保证空气在感应套筒1内部流通，实现感应棒2与感应套筒1之间的介质为空气。

固定环3和支撑筋4可以一体成型制备，固定环3和支撑筋4均采用绝缘耐热材料，如聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、陶瓷等材质。

固定环3的底部还设置有支撑架7，支撑架7便于固定环3的放置及使用。

电压检测设备为示波器或频谱仪，示波器具有能够进行快速傅里叶变换(FFT)的功能，能够显示感应电流的波形，快速获取通过第二电阻的电流频率，通过第二电阻的电流频率即为测试电流的频率，同时获取通过第二电阻的电压值。频谱仪能够同时获取通过第二电阻的电流频率和电压值。

电压检测设备能够精准捕捉产生感应电流的变化频率，即能够对高频率的测试电流的频率变化准确感知，实现本发明的电流测试装置能够检测ns数量级的电流变化，检测灵敏。

感应棒2、感应套筒1以及空气介质的设置，使得感应棒2和感应套筒1组合形成电容。感应电容设备在使用时，将与信号源连接的传输线缠绕在感应棒2的固定棒5上，传输线位置限定在挡线块6与感应棒2之间，保证传输线的位置固定。感应棒2另一端也按上述方法连接，此时感应棒2两端会连接到需要测试的电路中，信号源的高频交流电时，根据感应电容设备的电容特性，感应套筒1上会激发出与感应棒2流经电流对应的感应电流。可通过示波器对感应套筒1外表面的电压进行测定，以此实现对被测设备电流的测试。

第一电阻与第二电阻的选用具体依据测试电流的检测环境设置。具体的，第一电阻的阻值要小于第二电阻的阻值。第一电阻的作用是限流，第二电阻的作用是分压。为了使对感应套筒1上的感应电压的测试更加精确，第二电阻宜选用较大的电阻值。

示例性的：对于测试频率为9kHz-3GHz的交流电第一电阻取值为300Ω，第二电阻值可以取值为15kΩ。

为保证未知信号源与电流测试装置相连接，本发明的电流测试装置中还包括两个金属连接端头。其中一个金属连接端头与第一电阻电性连接，另一个金属连接端头与感应电容设备电性连接，具体是与感应电容设备的金属棒连接。

在测试未知电源时，金属连接端头可以为金属夹、金属探头等装置。

为获得本发明电流测试装置中第二电阻电压与测试电流的对应关系，将本发明电流测试装置用于已知频率及强度的信号源的测试，获得不同频率下电压与电流的转换系数，当用于测试未知电流时，即可根据转换系数计算测试电流值。

本发明还涉及一种电流测试方法，具体采用上述电流测试装置进行测试，包括如下步骤：

步骤一：将信号源连接在电流测试装置中。

首先采用已知频率和强度的信号源对本发明的电流测试装置进行测试，将信号源作为频率已知并且可调的信号源，将第一电阻和感应电容设备分别与信号源的两端电连接，而第一电阻远离信号源的一端与感应电容设备远离信号源的一端电连接。与感应电容设备相连接的电流传输线均固定在安装槽内，缠绕在固定棒上。信号源、第一电阻和感应电容设备组成测试回路。同时在感应电容设备的电流传输套底部连接另一电流传输线，该电流传输线的另一端连接第二电阻，将第二电阻远离感应电容设备的一端通过接地线接地设置，将感应电容设备产生的感应电流接地。第二电阻安装完成后，在第二电阻两端与示波器相连接，示波器作为电压检测设备，通过示波器检测第二电阻两端的电压。由此电流测试装置与信号源安装完成。

为了明确获知通过第一电阻的电流值，在测试过程中还设置了电流检测设备，电流检测设备与测试回路电连接，电流检测设备用于检测测试回路中的电流值。电流检测设备连接在测试回路中的任意传输线上，如连接在第一电阻与感应电容设备之间、感应电容设备与测试信号源之间或第一电阻与信号源之间，具体依据检测位置确定。具体的，电流检测设备可以为电流环，电流环可设置在测试回路的任意传输线上。电流环能够简单便捷的测量测试回路中的电流值，即为流经第一电阻的电流值。

示例性的，将电流环设置在第一电阻与感应设备之间的连接线上。

步骤二：获取所述电流测试装置的测试电流转换系数；

测试过程中，不断调整信号发送器的信号频率，以预设频率间隔不断调整信号发送器的信号频率，通过电流检测设备获取每次频率调整后流经第一电阻的电流值；通过电压检测设备获取每次频率调整后的第二电阻电压值；确定不同频率下第一电阻的电流值与第二电阻电压值的比例关系，所述比例关系即为测试电流转换系数。

示例性的，以10kHz为起始测试点，将信号源的频率设置为10kHz，读取电流环检测的电流值I₁以及示波器显示的电压值U₁；每次以10kHz为频率间隔调整信号源的频率，直至调整到10MHz，记录每次调整后的电流环检测电流值与示波器电压值。

在本次测试中，若发现在9kHz-3GHz范围内容测试回路的电流值与示波器的电压值呈指数关系，且测试电流与第二电阻电压值的关系为I＝U⁶。鉴于高频(例如超过10MHz)范围的实测试验无法实现，具体由于高频会使测试结果误差较大，所以高频交流电的测试电流转换系数标定工作需要配合仿真来完成，具体在仿真软件内搭建和测试完全相同的电路。如果在低频范围内(10kHz-10MHz)测试和仿真数据对应较好，即可用仿真结果对高频段的系数进行标定。对于其他频率范围的交流电源，采用相同的测试方式，获取对应的电压与电流关系，从而获取本发明电流测试装置全频段下的电流与电压关系。

通过不同频率下电流与电压的值，可得电压与电流的关系，即可得出本发明的电流测试装置的转换系数。

步骤三：将电流测试装置与未知信号源连接，并记录第二电阻的电压值。

将电流测试装置中与未知信号源连接后，感应电容设备会流经未知电流，产生对应的未知感应电流，未知感应电流流经第二电阻后接地设置，此时与第二电阻连接的示波器上会显示未知感应电流的频率和电压值，将未知感应电流的频率作为未知信号源的电流频率。在获知信号源的电流频率后，根据该频率下的电流与电压的关系，通过未知感应电流的电压值计算此时的电流。

示例性的，将信号源的频率调整为150MHz作为未知电源，将电流测试装置的金属夹与信号源相连接，感应电容设备产生感应电流后，示波器中显示的频率也为150MHz，显示电压为3V，记录此时的第二电阻电压值。

步骤四：通过所述测试电流转换系数与第二电阻的电压值确定未知信号源的电流值。

根据示波器显示的感应电流频率，确定对应的测试电流转换系数，将测量出的第二电阻电压值代入测试电流转换系数中，计算出未知信号源的电流值。

示例性的，200MHz的测试电流位于9kHz-3GHz范围内，确定测试电流转换系数，带入第二电阻的电压值3V，则按电压与电流之间的关系计算测试出的电流值为729A。将电流环设置在第一电阻与感应电容设备之间，电流环检测的电流值同样为729A，由此通过第二电阻的电压值及电流测试装置的转换系数能够计算出未知信号源的电流值。

通过本发明电流测试装置和转换系数对未知电源进行检测，并与现有主流的电阻类电流测试装置进行对比。

通过对比结果可知本发明的电流检测装置具有以下特点：

1、与主流的电流互感测电流装置不同，本发明的电流测试装置根据电容感应原理设计，可测量的频率范围极宽，可达GHz级别。

2、本发明的电容感应式电流测试装置可测得的最大电流远高于检测电阻类电流测试装置。

3、本发明的电流测试装置测量反应灵敏，能够对测试电流的频率准确检测，可达ns数量级。

4、本发明的电流测试装置测量准确度高。

5、本发明电流测试装置所用的感应电流设备采用感应套筒及空气介质的感应设置，相比电磁感应式电流互感器，由于空气介质的存在，不存在磁场饱和的限制，能够对GHz频率范围极宽的电流进行检测。

6、本发明电流测试装置结构简单，组成部件少，性价比高。

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：其依然可以对前述各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；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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种电流测试装置，其特征在于，所述电流测试装置包括感应电容设备、第一电阻、第二电阻和电压检测设备；

所述第一电阻的一端与信号源连接，另一端与感应电容设备连接；

所述感应电容设备远离第一电阻的一端与信号源的另一端电性连接；

所述第一电阻、感应电容设备与电流测试设备构成测试回路；

所述感应电容设备的中间端与第二电阻的一端电性连接，第二电阻的另一端接地连接；

所述电压检测设备与第二电阻的两端连接，用于测量第二电阻两端电压；

所述感应电容设备包括感应棒和感应套筒，所述感应棒设置在感应套筒内，且所述感应棒与感应套筒的任一处均不接触；

所述感应套筒内径大于感应棒直径；

所述感应棒与感应套筒之间通过紧固件连接，所述紧固件为绝缘材质；

所述感应棒与感应套筒采用同一导电金属材质；

所述感应棒的长度大于所述感应套筒；

所述感应棒的两端设置有固定棒，所述固定棒远离感应棒的一端设置有挡线块，所述固定棒及挡线块的材质与感应棒材质相同；

所述感应棒与挡线块之间形成以所述固定棒为中心的环形安装槽，所述安装槽用于固定测试电线。

2.根据权利要求1所述的电流测试装置，其特征在于，所述紧固件包括固定环和支撑筋；

所述感应套筒的侧端嵌置在固定环内；

所述支撑筋设置有多个，多个所述支撑筋等距环形分布在固定环的内层，所述支撑筋的一端固定在固定环的内层，另一端抵触在感应棒表面。

3.一种利用权利要求1-2任意一项所述的电流测试装置进行电流测试的方法，其特征在于，包括：

将信号源连接在所述电流测试装置中；

获取所述电流测试装置的测试电流转换系数；

将所述电流测试装置与未知信号源连接，并记录第二电阻的电压值；

通过所述测试电流转换系数与第二电阻的电压值确定未知信号源的电流值。

4.根据权利要求3所述的电流测试方法，其特征在于，所述获取所述电流测试装置的测试电流转换系数包括：

以预设频率间隔不断调整信号源的信号频率；

通过电流检测设备获取每次频率调整后流经第一电阻的电流值；

通过电压检测设备获取每次频率调整后的第二电阻电压值；

确定不同频率下第一电阻的电流值与第二电阻电压值的比例关系，所述比例关系即为测试电流转换系数。