CN202994897U - 一种数字式中高频导线电流检测模块 - Google Patents

Abstract

一种数字式中高频导线电流检测模块，包括：平面螺旋电感线圈，将导线电流产生的中高频电磁场转换为交流电信号；放大电路，接平面螺旋电感线圈的输出，将交流电信号进行放大；整流模块，接放大电路将放大后的交流电信号转换为直流电压信号；幅值测量模块，接整流模块，将整流模块输出的直流电压信号进行模数转换；频率测量模块，接放大电路将放大后的交流电压信号通过过零检测电路转换为同频率的方波；信号采集模块，接放大电路控制放大倍数，接频率测量模块的输出对其进行计数并将结果通过UART串口传输，本实用新型可实现宽频率范围和宽幅值范围的交流电流测量，精度高，功耗低。

Description

一种数字式中高频导线电流检测模块

技术领域

本实用新型属于工业测量控制领域，涉及小信号采集、电磁屏蔽技术，特别涉及一种数字式中高频导线电流检测模块。

背景技术

工业涡流加热设备或者磁感应热疗等设备由于需要对感应线圈载流进行实时的测量和控制等需求，需要频率测量范围为1kHz~1MHz的强电流测量传感器。目前多采用电流互感器进行交流电流测量，电流互感器采用导电线圈缠绕在铁磁材料磁芯上构成。但是高频强电流情况下磁芯材料可能由于次级回路中的阻抗、初级导体中的非时变电流的存在导致磁饱和，因此电流互感器的应用范围为频率低于100kHz的电流测量。而通过采样电阻测量电流的方法由于强电流情况下功耗过大，并且需要隔离采集等要求导致在高频电流测量中无法使用。本实用新型采用电磁感应法对中高频强电流进行测量，实现了电流的隔离采集。电磁感应法以电磁感应定律为基础，探测核心元件为电感线圈。由于导线中流过的中高频交流电流会在导线周围产生同频率的交变磁场，该交变磁场在探测线圈中感生出交流电压信号，通过对交流电压信号的采集可以得到导线载流频率和强度。由于测量的磁场按照正弦规律变化：

B=B₀sin(ωt)

其中B₀是磁感应强度的最大值，ω是磁场的角频率，那么每个探测线圈的感生电动势：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{\mathrm{\Δt}}=\underset{1}{\overset{n}{\∑}}{S}_i\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}=S_{\mathrm{total}}{B}_0\mathrm{\ω}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)$

因此可以设计不同结构的感应线圈来探测不同频率和幅度的交变磁场。

目前，交流电流检测多为中低频电流检测，并且电流测量范围有限。

专利201080036079.3公布了一种“电流传感器”，主要实现了导体中时变电流的检测，其采用成对的感应线圈对导体中时变电流产生的磁场进行测量，利用成对线圈输出信号的运算来降低误差，可获得较高的精度，但是采用了多组传感器后体积增大，并且该专利未对传感器输出的信号进行处理，无法实现宽量程测量，同时由于线圈距离导线间距不确定，导致直接转换计算误差较大。

专利00808302.9公布了一种“电流测量传感器”，以表面场测量的原理为基础，采用成对的霍尔传感器作为敏感元件，可消除外部干扰的影响，由于霍尔元件的频率范围较窄，无法实现中高频电流的测量。

专利201010196451.9公布了“一种电流测量器”，其电流测量元件为圆形互感器，所需测量的载流电线从互感器圆形中穿过，即可将所测电流以一定的比例进行转化，然后以模拟量的形式发送出去，该专利主要针对低频大电流设计。

专利201110048626.6公布了一种“电流传感器”，实现了宽范围高精度并且低功耗的电流传感器。其敏感元件采用一对磁电阻效应元件，其缺陷也是无法实现测量频率的提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种数字式中高频导线电流检测模块，实现了宽频率、宽量程测量。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种数字式中高频导线电流检测模块，包括：

平面螺旋电感线圈，将导线电流产生的中高频电磁场转换为交流电信号；

放大电路，接平面螺旋电感线圈的输出，将交流电信号进行放大；

整流模块，接放大电路将放大后的交流电信号转换为直流电压信号；

幅值测量模块，接整流模块，将整流模块输出的直流电压信号进行模数转换；

频率测量模块，接放大电路将放大后的交流电压信号通过过零检测电路转换为同频率的方波；

信号采集模块，接放大电路控制放大倍数，接频率测量模块的输出对其进行计数并将结果通过UART串口传输。

所述平面螺旋电感线圈为交变磁场敏感元件，由多层电路板铜层蚀刻平面同心线圈构成，同心线圈为圆形或者多边形，对称分布于电路板的正反面。

所述放大电路采用仪表运放AD620或INA116作为放大器。

所述整流模块包括一个精密整流电路，该精密整流电路包括一个与输入信号连接的隔直电容C7，隔直电容C7通过电阻R8与二极管D3的负极及前级运放OP27的负输入端相连，前级运放OP27的输出与二极管D3的正极、二极管D4的负极相连，二极管D4的正极通过电阻R9接二极管D3的负极，通过电阻R11和电阻R10接隔直电容C7，后级运放OP27的负输入端分别与电阻R11、电阻R12相连，后级运放OP27的输出分别连接至电阻R12、电阻R7，电阻R7与电容C6组成LC滤波电路并连接至信号输出端。

所述频率测量模块包括由三个电阻R1、R2、R3和2个运放OP27组成的双限比较器电路，其中两个运放OP27的负输入端和正输入端相连并和输入信号连接在一起，两个运放OP27的另一个输入端分别与电阻R1、电阻R2相连，电阻R1与参考电平VS1相连，电阻R2与参考电平VS2相连，两个运放OP27的输出端和频率输出信号端相连并通过上拉电阻R3接至电源端

信号采集模块以AVR单片机ATMEGA8为核心。

所述放大电路、整流模块、幅值测量模块、频率测量模块以及信号采集模块均设置在电磁屏蔽外壳中。

所述电磁屏蔽外壳上设置航空插头，用航空插头实现电源的引入和输出信号的引出。

与现有技术相比，本实用新型优点是可实现宽频率范围和宽幅值范围的交流电流测量，精度高，功耗低。

附图说明

图1为导线电流检测模块安装示意图。

图2为本实用新型原理框图。

图3为平面螺旋电感线圈示意图。

图4为整流模块电路示意图。

图5为频率测量模块电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行更详尽的说明。

如图1所示，本实用新型数字式中高频导线电流检测模块包括平面螺旋电感线圈1，平面螺旋电感线圈1连接的信号处理单元设置在电磁屏蔽外壳3内部，信号处理单元包括放大电路、整流模块、幅值测量模块、频率测量模块以及信号采集模块，电磁屏蔽外壳3上在平面螺旋电感线圈1两侧分别设置一个导线安装孔2，导线安装孔2高于平面螺旋电感线圈1，当导线安装在导线安装孔2中时，平面螺旋电感线圈1位于导线下方，实现对导线磁场的检测。电磁屏蔽外壳3上设置航空插头4，用以实现电源的引入和输出信号的引出。

如图2所示，本实用新型功能单元包括：

平面螺旋电感线圈1，将导线电流产生的中高频电磁场转换为交流电信号；

放大电路，采用仪表运放AD620或INA116作为放大器，接平面螺旋电感线圈的输出，将交流电信号进行放大；

整流模块，接放大电路将放大后的交流电信号转换为直流电压信号；

幅值测量模块，接整流模块，将整流模块输出的直流电压信号进行模数转换

频率测量模块，接放大电路将放大后的交流电压信号通过过零检测电路转换为同频率的方波；

信号采集模块，以AVR单片机ATMEGA8为核心，接放大电路控制放大倍数，接频率测量模块的输出对其进行计数并将结果通过UART串口传输。

如图3所示，平面螺旋电感线圈1为交变磁场敏感元件，由多层电路板铜层5蚀刻平面同心线圈6构成，同心线圈为圆形或者多边形，对称分布于电路板的正反面。

如图4所示，整流模块包括一个精密整流电路，该精密整流电路包括一个与输入信号连接的隔直电容C7，隔直电容C7通过电阻R8与二极管D3的负极及前级运放OP27的负输入端相连，前级运放OP27的输出与二极管D3的正极、二极管D4的负极相连，二极管D4的正极通过电阻R9接二极管D3的负极，通过电阻R11和电阻R10接隔直电容C7，后级运放OP27的负输入端分别与电阻R11、电阻R12相连，后级运放OP27的输出分别连接至电阻R12、电阻R7，电阻R7与电容C6组成LC滤波电路并连接至信号输出端。

如图5所示，频率测量模块包括由三个电阻R1、R2、R3和2个运放OP27组成的双限比较器电路，其中两个运放OP27的负输入端和正输入端相连并和输入信号连接在一起，两个运放OP27的另一个输入端分别与电阻R1、电阻R2相连，电阻R1与参考电平VS1相连，电阻R2与参考电平VS2相连，两个运放OP27的输出端和频率输出信号端相连并通过上拉电阻R3接至电源端。

本实用新型的工作过程是：平面螺旋电感线圈1将导线电流产生的中高频电磁场转换为交流mV电压信号；放大电路将电感线圈输出的交流电压信号进行放大，并通过精密整流电路转换为直流电压信号；频率测量模块将放大电路输出的交流电压信号通过过零检测电路转换为同频率的方波；信号采集模块控制放大电路的放大倍数，对频率测量模块输出进行计数并将电流幅值和频率结果通过UART串口传输，电磁屏蔽外壳保护电路不被外界电磁干扰信号干扰。

Claims (8)

1.一种数字式中高频导线电流检测模块，其特征在于，包括：

平面螺旋电感线圈，将导线电流产生的中高频电磁场转换为交流电信号；

放大电路，接平面螺旋电感线圈的输出，将交流电信号进行放大；

整流模块，接放大电路将放大后的交流电信号转换为直流电压信号；

幅值测量模块，接整流模块，将整流模块输出的直流电压信号进行模数转换；

频率测量模块，接放大电路，将放大后的交流电压信号通过过零检测电路转换为同频率的方波；

信号采集模块，接放大电路控制放大倍数，接频率测量模块的输出对其进行计数并将结果通过UART串口传输。

2.根据权利要求1所述的数字式中高频导线电流检测模块，其特征在于：所述平面螺旋电感线圈为交变磁场敏感元件，由多层电路板铜层蚀刻平面同心线圈构成，同心线圈为圆形或者多边形，对称分布于电路板的正反面。

3.根据权利要求1所述的数字式中高频导线电流检测模块，其特征在于：所述放大电路采用仪表运放AD620或INA116作为放大器。

4.根据权利要求1所述的数字式中高频导线电流检测模块，其特征在于：所述整流模块包括一个精密整流电路，该精密整流电路包括一个与输入信号连接的隔直电容C7，隔直电容C7通过电阻R8与二极管D3的负极及前级运放OP27的负输入端相连，前级运放OP27的输出与二极管D3的正极、二极管D4的负极相连，二极管D4的正极通过电阻R9接二极管D3的负极，通过电阻R11和电阻R10接隔直电容C7，后级运放OP27的负输入端分别与电阻R11、电阻R12相连，后级运放OP27的输出分别连接至电阻R12、电阻R7，电阻R7与电容C6组成LC滤波电路并连接至信号输出端。

5.根据权利要求1所述的数字式中高频导线电流检测模块，其特征在于：所述频率测量模块包括由三个电阻R1、R2、R3和2个运放OP27组成的双限比较器电路，其中两个运放OP27的负输入端和正输入端相连并和输入信号连接在一起，两个运放OP27的另一个输入端分别与电阻R1、电阻R2相连，电阻R1与参考电平VS1相连，电阻R2与参考电平VS2相连，两个运放OP27的输出端和频率输出信号端相连并通过上拉电阻R3接至电源端。

6.根据权利要求1所述的数字式中高频导线电流检测模块，其特征在于：信号采集模块以AVR单片机ATMEGA8为核心。

7.根据权利要求1所述的数字式中高频导线电流检测模块，其特征在于：所述放大电路、整流模块、幅值测量模块、频率测量模块以及信号采集模块均设置在电磁屏蔽外壳中。

8.根据权利要求7所述的数字式中高频导线电流检测模块，其特征在于：所述电磁屏蔽外壳上设置航空插头，用航空插头实现电源的引入和输出信号的引出。

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