CN204855644U - 一种低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置，包括单片机控制模块、Rx/V0转换模块、第一A/D转换模块、Cx/V0转换模块、检波模块、第二A/D转换模块、正弦波发生器模块；Rx/V0转换模块与低压电涌保护器相连、用于将低压电电涌保护器的晶界电阻值转换为电压值，Cx/V0转换模块与低压电涌保护器相连、用于将低压电涌保护器晶界电容值转换为电压值。本实用新型采用在线测试的“电隔离”技术，能够在线获得低压电涌保护器的电阻和电容值，与以往将低压电涌保护器拆下的离线方式相比，大大提高了测试效率状态，有效节约人力以及时间，并可以及时检测出器件的老化状态，保护配电系统安全运行，应用前景广阔。

Description

一种低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置

技术领域

本实用新型属于电变量测量装置技术领域，具体涉及一种低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置。

背景技术

低压电涌保护器作为一种过电压保护装置，被广泛使用于低压配电系统的过电压以及雷电防护领域。ZnO压敏电阻是低压电涌保护器的核心元件，由于其取消了放电间隙且直接并联于被保护设备的两端，会长期承受雷电流的冲击以及系统过电压的作用，最终导致器件本身产生老化劣化。而器件的老化劣化将直接导致泄漏电流的增大，由于泄漏电流存在热效应，还有可能导致器件发热起火，严重时甚至会引起整个配电系统的爆炸。为了避免上述危险的发生，根据相关国标GB50057以及GB10082中的规定，需要定期对低压电涌保护器的老化状态进行检测，从而保证器件的安全运行。如今广泛采用的检测方法是进行停电的离线检测，而该方法存在一定的缺陷：由于每栋建筑的低压电涌保护器数量众多，且器件通过连接端子固定在配电柜中，采取离线检测的方法需要针对每个低压电涌保护器断电后再行检测，较为费时费力，检测效率极其低下。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型公开了一种低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置。由于低压电涌保护器的核心元件ZnO压敏电阻属于多晶半导体材料，根据相关研究，该元件可以对外等效为一个晶界电阻同一个晶界电容并联的器件，本实用新型旨在通过带有量程自动转换功能的电阻电容测量电路，在线测量并确定晶界电阻同晶界电容的值。

为了达到以上目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置，包括单片机控制模块、Rx/V0转换模块、第一A/D转换模块、Cx/V0转换模块、检波模块、第二A/D转换模块、正弦波发生器模块；所述Rx/V0转换模块与低压电涌保护器相连、用于将低压电电涌保护器的晶界电阻值转换为电压值，Rx/V0转换模块通过第一A/D转换模块向单片机控制模块传输信号；所述Cx/V0转换模块与低压电涌保护器相连、用于将低压电涌保护器晶界电容值转换为电压值，Cx/V0转换模块依次通过检波模块和第二A/D转换模块向单片机控制模块传输信号。

进一步的，还包括量程开关选择模块，量程开关选择模块包括模拟电子开关，量程开关选择模块分别与单片机控制模块、Rx/V0转换模块和Cx/V0转换模块相连，用于根据单片机控制模块的输出指令选择量程。

进一步的，还包括正弦波发生器模块，所述正弦波发生器模块分别与单片机控制模块和Cx/V0转换模块相连，用于在单片机控制模块的控制下向Cx/V0转换模块传输信号从而对被测低压电涌保护器提供高频的交流源。

进一步的，所述Rx/V0转换模块包括连接在低压电涌保护器晶界电阻两端的等效电阻、以及测量电阻、虚拟开关和运算放大器。

进一步的，所述Cx/V0转换模块包括连接在低压电涌保护器晶界电阻和晶界电容两端的等效阻抗、以及测量电阻和运算放大器。

进一步的，所述单片机控制模块包括单片机芯片以及分别与单片机芯片连接的LCD显示器、锁存器、频率控制器、拓展器和存储器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

采用在线测试的“电隔离”技术，能够在线获得低压电涌保护器的电阻和电容值，与以往将低压电涌保护器拆下的离线方式相比，大大提高了测试效率状态，有效节约人力以及时间，并可以及时检测出器件的老化状态，保护配电系统的安全运行，应用前景广阔。此外，通过增加量程开关选择模块，能够拓宽测试的量程范围；采用正弦波发生器模块，进一步提高了测试精度。

附图说明

图1为实施例一提供的低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置原理框图；

图2为Rx/V0转换模块电路结构示意图；

图3为Cx/V0转换模块、检波模块和正弦波发生器模块的电路结构示意图；

图4为第一和第二A/D转换模块的电路结构示意图；

图5为实施例二提供的低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置原理框图；

图6为量程开关选择模块的电路结构示意图；

图7为实施例三提供的低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例一：

请参阅图1，其中为本例提供的低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置原理框图，包括单片机控制模块、Rx/V0转换模块、第一A/D转换模块、Cx/V0转换模块、检波模块、第二A/D转换模块、正弦波发生器模块。其中，单片机控制模块依次与第一A/D转换模块、Rx/V0转换模块连接，单片机控制模块还依次与第二A/D转换模块、检波模块、Cx/V0转换模块相连。单片机控制模块包括MSP430单片机以及分别与之连接的EPROM（也可以用其他存储器代替）、8155拓展器、锁存器、频率控制器，前述单片机、扩展器也可以根据需要采用其他型号。Rx/V0转换模块用于测量低压电涌保护器中晶界电阻值，而Cx/V0转换模块用于测量低压电涌保护器中晶界电容值。

图2为Rx/V0转换模块的电路结构图，其中，Rx为低压电涌保护器中待测的晶界电阻值，R1和R2分别为Rx两端的等效电阻，IC1为LM358高增益双运算放大器，R3~R6为测量电阻，Rx/V0转换模块中还包括虚拟开关0～3。Rx跨接在集成运放IC1的负输入端以及输出端之间，IC1的正输入端以及R1、R2的公共端接地，测量电阻R3~R6分别与虚拟开关0~3串联，并连接于参考电压Uref以及集成运放IC1的负输入端之间，R3~R6的取值分别为10Ω，1kΩ，100kΩ，1MΩ，集成运放IC1的输出端输出电压V01。

在实际工作时，根据理想运放“虚短”原理可知，R1上的电压为零，因而没有电流通过该电阻，又根据深度负反馈时理想运放输出电阻为零的特性，作为负载的电阻R2不影响其输出电压。因此，当基准电压VREF和测量电阻的值确定后，V01只取决于Rx，与R1与R2的电阻值无关，从而实现了对Rx的“电隔离”，同时被测晶界电阻Rx的值直接转换为相应的直流输出电压V01，因此，V01能够表征晶界电阻的大小。

图3为Cx/V0转换模块和检波模块的电路结构图，其中，Rx为低压电涌保护器的晶界电阻，Cx为低压电涌保护器的晶界电容，Z1和Z2分别为电容Cx两端的等效旁路电抗，IC2同样为LM358高增益双运算放大器，R7为测量电阻。R7与集成运放IC2的负输入端相连；Rx和Cx相互并联、跨接在IC2的负输入端以及输出端之间；Z1和Z2相互串联，连接在集成运放IC2的负输入端以及输出端之间，其公共端接地；集成运放IC2的输出端输出电压V02。

由于理想运放“虚短”原理以及深度负反馈时输出电阻为零的特性，可有效消除Z1和Z2的影响，因此能够实现对Cx和Rx并联电抗Zx的“电隔离”。从而使得输出电压UO2能够表征晶界电容值。

图3中，检波模块由整流桥D1以及滤波电容C1组成，检波模块用于将Cx/V0转换模块输出的电压V02转化为规定极性的电压并输入第二A/D转换模块。

请参阅图4，第一A/D转换模块由A/D转换芯片ADC0804以及保护电阻R8组成，第一A/D转换模块用于将Rx/V0转换模块获取的模拟电压信号V01转变为数字信号后输入单片机控制模块进行后续处理。第二A/D转换模块与第一A/D转换模块结构相同，第二A/D转换模块用于将Cx/V0转换模块获取的模拟电压信号V02转变为数字信号后输入单片机控制模块进行后续处理。

上述在线测量装置的工作原理如下：

Rx/Vo转换模块将低压电涌保护器的晶界电阻Rx转换为直流输出电压V01后送入第一A/D转换模块，第一A/D转换模块将模拟电压转换为数字信号后再送入单片机控制模块，即获得晶界电阻值；Cx/Vo转换模块将低压电涌保护器晶界电容Cx的数值转换为交流输出电压V02后送入检波模块，检波模块对接收到的信号进行整流后再送入第二A/D转换模块，第二A/D转换模块将模拟电压转换为数字信号后再送入单片机控制模块，即获得晶界电阻值；单片机控制模块中的单片机芯片获得的晶界电阻值和晶界电容值后输出至LCD显示器进行显示。单片机还可以控制Rx/Vo转换模块和Cx/Vo转换模块进行多次采样测试，并取平均值，以获得更为精确的结果。单片机控制多次采样过程为常规设计，可参见以下网址中单片机基础程序设计部分：

http://max.book118.com/html/2013/1230/5414508.shtm。

实施例二：

为了拓宽实施例一中在线测量装置的量程范围，如图5所示，在实施例一结构的基础上，还可以增加量程开关选择模块，量程开关选择模块分别与单片机控制模块、Rx/V0转换模块和Cx/V0转换模块连接。

图6为量程开关选择模块电路结构图，其中，CD4051为单8通道数字控制模拟电子开关，C2~C9为外部电路元件电容，IC3~IC6为运算放大器，R9~R12为放大电阻。CD4051芯片通过+5V的Vcc和-5V的V_EE供电，其ABC三个接口对应相应的地址码，该码由单片机处理模块中的8155拓展器提供，对应的虚拟开关接口0~3分别与Rx/V0转换模块中的测量电阻R3~R6串联。量程开关选择模块根据单片机控制模块的输出指令选择合适的量程，通过电容滤波以及集成运放放大后使得相应的虚拟开关导通来选择合适的测量电阻，从而实现量程的转换，通过改变量程能够提高电阻测量的精度。在量程转换时需要结合单片机控制，具体可参见以下网址中的程序代码：

http://zhidao.baidu.com/link?url=UlNhHurFXI-kBsFAv2O5CTgqnmxL8E_lxNH6zm0EruBB9jdVCrhdKQRiAnxIQqKyFSUEtcfArfr1M4R24d9MAZ5-sJR-aYsnP1mFwugYMSe

应用时仅需根据实际需要修改对应电压的参数即可实现。

实施例三：

为了提高在线测量装置的测量精度，如图7所示，在实施例一或实施例二的结构基础上，还可以进一步增加正弦波发生器模块，其一端与单片机控制模块中的频率发生器相连，另一端与Cx/V0转换模块的电阻R7相连。如图3所示，正弦发生器模块采用MAX038芯片。

单片机控制模块通过频率控制器模块，改变正弦波发生器模块的频率，正弦波发生器模块对被测低压电涌保护器提供高频的交流源，从而可以有效分离出电容分量。Cx/Vo转换模块在正弦波发生器模块的作用下，将低压电涌保护器晶界电容Cx的数值转换为交流输出电压VO2，经过检波模块整流后再送入A/D转换模块转换为数字信号，该数字信号送至单片机处理模块后最终在LCD显示器上显示出更为精确的电容值。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置，其特征在于：包括单片机控制模块、Rx/V0转换模块、第一A/D转换模块、Cx/V0转换模块、检波模块、第二A/D转换模块、正弦波发生器模块；所述Rx/V0转换模块与低压电涌保护器相连、用于将低压电电涌保护器的晶界电阻值转换为电压值，Rx/V0转换模块通过第一A/D转换模块向单片机控制模块传输信号；所述Cx/V0转换模块与低压电涌保护器相连、用于将低压电涌保护器晶界电容值转换为电压值，Cx/V0转换模块依次通过检波模块和第二A/D转换模块向单片机控制模块传输信号。

2.根据权利要求1所述的低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置，其特征在于：还包括量程开关选择模块，所述量程开关选择模块包括模拟电子开关，量程开关选择模块分别与单片机控制模块、Rx/V0转换模块和Cx/V0转换模块相连，用于根据单片机控制模块的输出指令选择量程。

3.根据权利要求1或2所述的低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置，其特征在于：还包括正弦波发生器模块，所述正弦波发生器模块分别与单片机控制模块和Cx/V0转换模块相连，用于在单片机控制模块的控制下向Cx/V0转换模块传输信号从而对被测低压电涌保护器提供高频的交流源。

4.根据权利要求1所述的低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置，其特征在于：所述Rx/V0转换模块包括连接在低压电涌保护器晶界电阻两端的等效电阻、以及测量电阻、虚拟开关和运算放大器。

5.根据权利要求1所述的低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置，其特征在于：所述Cx/V0转换模块包括连接在低压电涌保护器晶界电阻和晶界电容两端的等效阻抗、以及测量电阻和运算放大器。

6.根据权利要求1所述的低压电涌保护器的电阻电容在线测量装置，其特征在于：所述单片机控制模块包括单片机芯片以及分别与单片机芯片连接的LCD显示器、锁存器、频率控制器、拓展器和存储器。