CN206411178U - 一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，包括电压信号处理电路、分相延缓电路和比较输出电路；电压信号处理电路包括仪用放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，分相延缓电路包括电容C1，由电阻R5和电阻R7组成的第一比例电阻网络，以及由电阻R6和电阻R8组成的第二比例电阻网络；比较输出电路包括比较器U2、D触发器U3和电阻R10。本实用新型电路结构简单，设计合理，实现方便且成本低，工作稳定可靠，能够快速有效的检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升，适用范围广，实用性强，具有良好的推广应用价值。
Description
技术领域
本实用新型属于电感开路电弧检测技术领域，具体涉及一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路。
背景技术
在煤矿、石化等危险环境中存在大量的易燃、易爆气体或物质，应用于这些场合的电子电器设备必须满足本质安全的要求。对于含有电感和电容等储能元件的电子设备，电感开路以及电容短路所引起的电火花将有可能引燃易燃、易爆气体或物质，对这些环境中的人身及设备构成严重威胁。安全火花试验装置是用来对在爆炸性环境中使用的带有电阻、电感、电容或混合电路的本安防爆设备进行火花试験的一种装置。电感槽的电极一为斜面铜轮，由2r/min的微型电机带动其水平旋转，另一极为12根镀锌铜丝，由30r/min的可逆电机带动其垂直旋转，两电极不断地分离，每分离一次，便产生一次火花。爆炸性本安评价是采用安全火花试验装置在特定的试验条件下对本安产品采用爆炸性试验逐一检测，其成本高、周期长，且不能指导产品的设计与制造。非爆炸性本安评价是基于能量等效原理，依据已有的电感和电容临界点燃曲线，通过理论分析与计算，实现电路本安性能的判定，而其中关键在于提取相应的放电能量。模拟电容性电路短路火花试验的等效电路已有研究，而电感性电路由于其放电过程复杂使得研究进展非常缓慢，虽然在理论的基础采用数学建模的方式建立起电感分断电弧放电的数学模型，但这些模型大多建立在电弧放电时间的基础上，而电弧放电时间是一个与电路参数相关的隐函数，因此所建立的模型存在很大的局限性。
如果能够实现对电感分断电弧放电的检测，确定电弧建立时刻和电弧熄灭时刻，建立相应的电感分断放电电弧电阻模型，在电弧建立时刻接入电弧电阻，在电弧熄灭时刻移去电弧电阻，借助于电路仿真软件提取到电感分断电弧放电的波形，即可代替安全火花试验装置对电感性电路进行本安性能的判定；此外，还可以设计出电感性电路本安保护电路，比如电弧建立时刻，在电感两端并接一个电阻或者限压器件等，因此对电感分断电弧放电的检测，更准确的是电感分断电弧放电时刻的检测很有必要。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，其电路结构简单，设计合理，实现方便且成本低，工作稳定可靠，能够快速有效的检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升，适用范围广，实用性强，具有良好的推广应用价值。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，其特征在于：包括依次连接的电压信号处理电路、分相延缓电路和比较输出电路；
所述电压信号处理电路包括仪用放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R1的一端为电压信号处理电路的取样点正极电压输入端VIN+，所述电阻R3的一端为电压信号处理电路的取样点负极电压输入端VIN-，取样点正极电压通过串联的电阻R1和电阻R2构成的分压电阻网络连接到地，所述电阻R1和电阻R2的连接端与仪用放大器U1的同相输入端连接，取样点负极电压通过串联的电阻R3和电阻R4构成的分压电阻网络连接到地，所述电阻R3和电阻R4的连接端与仪用放大器U1的反相输入端连接；
所述分相延缓电路包括电容C1，由电阻R5和电阻R7组成的第一比例电阻网络，以及由电阻R6和电阻R8组成的第二比例电阻网络；所述电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式所述电阻R5的一端与仪用放大器U1的输出端连接，所述电阻R5的另一端通过电阻R7接地，所述电阻R6的一端与仪用放大器U1的输出端连接，所述电阻R6的另一端通过电阻R8接地，所述电容C1的一端与电阻R6和电阻R8的连接端连接，所述电容C1的另一端接地；
所述比较输出电路包括比较器U2、D触发器U3和电阻R10，所述比较器U2的同相输入端与电阻R5和电阻R7的连接端连接，所述比较器U2的反相输入端与电阻R6和电阻R8的连接端连接，所述比较器U2的输出端通过电阻R10与外部供电电源的输出端VCC连接，所述D触发器U3的信号输入端D与信号输出端连接，所述D触发器U3的时钟信号输入端CP与比较器U2输出端连接，所述D触发器U3的信号输出端Q为所述比较输出电路的输出端OUT。
上述的一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，其特征在于：所述仪用放大器U1的型号为AD623。
上述的一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，其特征在于：所述比较器U2的型号为LM2903。
上述的一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，其特征在于：所述D触发器U3的型号为74HC75。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、本实用新型的电路结构简单，设计合理，实现方便且成本低，工作稳定可靠。
2、本实用新型能够准确的检测出电感开路电弧建立电压突升起始时刻和电感开路电弧熄灭电压突升终止时刻，是其他设计所不能达到的。
3、本实用新型通过选用的仪用放大器能够实现对电感电路中任意分断的两点之间电压的取样，且对所采样的电路自身干扰较小。
4、本实用新型选用的仪用放大器、比较器和D触发器响应速度非常快，可以检测到微秒级别以上的电压突变情况，能够实时的检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升，实时检测效果明显。
5、本实用新型能够适用于各种电感电路电感开路电弧放电试验中，与安全火花试验装置相配合，较好地模拟电感开路电弧放电的过程，所模拟的电感开路电弧放电过程与实际火花试验较为接近，特别是电感开路电弧放电能量的误差较小，借助于仿真软件，能够方便快速地提取电感开路电弧放电波形，对电感性电路进行非爆炸性本安判定能够提供有力的支持，其适用范围广。
6、本实用新型的实用性强，具有良好的推广应用价值。
综上所述，本实用新型的电路结构简单，设计合理，实现方便且成本低，工作稳定可靠，能够快速有效的检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升，适用范围广，实用性强，具有良好的推广应用价值。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型的电路原理框图。
图2为本实用新型的电路原理图。
图3为本实用新型的应用实例图。
附图标记说明:
1—电感电路； 2—电压信号处理电路； 3—分相延缓电路；
4—比较输出电路。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，包括依次连接的电压信号处理电路2、分相延缓电路3和比较输出电路4；
如图2所示，所述电压信号处理电路2包括仪用放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R1的一端为电压信号处理电路2的取样点正极电压输入端VIN+，所述电阻R3的一端为电压信号处理电路2的取样点负极电压输入端VIN-，取样点正极电压通过串联的电阻R1和电阻R2构成的分压电阻网络连接到地，所述电阻R1和电阻R2的连接端与仪用放大器U1的同相输入端连接，取样点负极电压通过串联的电阻R3和电阻R4构成的分压电阻网络连接到地，所述电阻R3和电阻R4的连接端与仪用放大器U1的反相输入端连接；
如图2所示，所述分相延缓电路3包括电容C1，由电阻R5和电阻R7组成的第一比例电阻网络，以及由电阻R6和电阻R8组成的第二比例电阻网络；所述电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式所述电阻R5的一端与仪用放大器U1的输出端连接，所述电阻R5的另一端通过电阻R7接地，所述电阻R6的一端与仪用放大器U1的输出端连接，所述电阻R6的另一端通过电阻R8接地，所述电容C1的一端与电阻R6和电阻R8的连接端连接，所述电容C1的另一端接地；
如图2所示，所述比较输出电路4包括比较器U2、D触发器U3和电阻R10，所述比较器U2的同相输入端与电阻R5和电阻R7的连接端连接，所述比较器U2的反相输入端与电阻R6和电阻R8的连接端连接，所述比较器U2的输出端通过电阻R10与外部供电电源的输出端VCC连接，所述D触发器U3的信号输入端D与信号输出端连接，所述D触发器U3的时钟信号输入端CP与比较器U2输出端连接，所述D触发器U3的信号输出端Q为所述比较输出电路4的输出端OUT。
具体实施时，所述仪用放大器U1的电源端与外部供电电源的输出端VCC连接，所述仪用放大器U1的接地端接地；所述比较器U2的电源端与外部供电电源的输出端VCC连接，所述比较器U2的接地端接地。所述外部供电电源的输出端VCC输出的电压为5V。
本实施例中，所述仪用放大器U1的型号为AD623。
本实施例中，所述比较器U2的型号为LM2903。
本实施例中，所述D触发器U3的型号为74HC75。
采用本实用新型进行电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测的方法，包括以下步骤：
步骤一、检测电路连接：将需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1的取样点正极与电压信号处理电路2的取样点正极电压输入端VIN+连接，将需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1的取样点负极与电压信号处理电路2的取样点负极电压输入端VIN-连接；并将安全火花试验装置G接在需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1的取样点正极与负极之间；
步骤二、电压信号处理：需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1工作过程中，电压信号处理电路2对需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1的取样点正极与负极电压的双端输入差分信号进行放大处理后，转换成单端电压信号输出给分相延缓电路3；
步骤三、电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测，具体过程为：
当安全火花试验装置G的两个电极处于闭合状态时，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1正常工作，此时，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1中的电感充电储能，直到电感电流到达最大值时，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1的取样点正极与取样点负极之间的电压为零，电压信号处理电路2中仪用放大器U1的输出电压也为零；电压信号处理电路2输出的电压分为两路,一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，由于电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式因此比较器U2的同相输入端的电压小于其反相输入端的电压，比较器U2输出低电平，使得D触发器U3处于锁存状态，D触发器U3没有检测到变化的电压信号，输出低电平；
当利用安全火花试验装置G进行开闭爆炸性试验时，安全火花试验装置G的两个电极由闭合开始分离，由于需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1的回路电流不能突变，致使分断点发生电压突变，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1开始产生电弧放电；电压信号处理电路2输出的电压分为两路,一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，虽然电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式但由于电容C1延缓了所述第二比例电阻网络分压后输出的电压的变化，使得比较器U2的同相输入端的电压大于其反相输入端的电压，比较器U2输出高电平，由于D触发器U3为上升沿触发，因此，D触发器U3输出高电平；将D触发器U3开始输出高电平的时刻记录为电感开路电弧建立电压突升起始时刻；
随着时间的推进，安全火花试验装置G的两个电极分离的程度逐渐增大，电弧电流近似线性衰减，此时分断处的电弧电压缓慢上升，电压信号处理电路2输出的电压分为两路,一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，由于电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式因此比较器U2的同相输入端的电压小于其反相输入端的电压，比较器U2输出维持低电平，D触发器U3输出保持高电平；
随着安全火花试验装置G的两个电极距离进一步加大，电弧电流突然下降为零，此时,安全火花试验装置G的两个电极彻底分离，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1再次产生了一个突变的电压信号，电压信号处理电路2输出的电压分为两路，一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，虽然电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式但由于电容C1延缓了所述第二比例电阻网络分压后输出的电压的变化，使得比较器U2再次输出高电平，D触发器U3检测到这一从低到高变化的电压信号，输出状态逻辑翻转为低电平，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1电弧放电结束；将D触发器U3的输出逻辑状态翻转产生下降沿的时刻记录为电感开路电弧熄灭电压突升终止时刻。
例如，如图3所示，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1由直流电压源Vi、电感L和限流电阻RL串接构成，所述电感L的一端与直流电压源Vi正极输出端连接，所述电感L的另一端为电感电路1的取样点正极，所述限流电阻RL的一端与直流电压源Vi负极输出端连接且接地，所述限流电阻RL的另一端为电感电路1的取样点负极。
当安全火花试验装置G的两个电极处于闭合状态时，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1正常工作，此时，电感L1充电储能，比较器U2输出低电平，使得D触发器U3处于锁存状态，D触发器U3没有检测到变化的电压信号，输出低电平；
当利用安全火花试验装置G进行开闭爆炸性试验时，安全火花试验装置G的两个电极由闭合开始分离，由于需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1的回路电流不能突变，致使分断点发生电压突变，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1开始产生电弧放电；比较器U2输出高电平，D触发器U3检测到变化的电平，输出高电平，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1开始电弧放电；将D触发器U3开始输出高电平的时刻记录为电感开路电弧建立电压突升起始时刻；
随着时间的推进，安全火花试验装置G的两个电极分离的程度逐渐增大，电弧电流近似线性衰减，此时分断处的电弧电压缓慢上升，比较器U2输出维持低电平，D触发器U3输出保持高电平；
随着安全火花试验装置G的两个电极距离进一步加大，电弧电流突然下降为零，此时,安全火花试验装置G的两个电极彻底分离，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1再次产生了一个突变的电压信号，比较器U2再次输出高电平，D触发器U3检测到这一从低到高变化的电压信号，输出状态逻辑翻转为低电平，需要检测电感开路电弧建立与熄灭电压突升的电感电路1电弧放电结束；将D触发器U3的输出逻辑状态翻转产生下降沿的时刻记录为电感开路电弧熄灭电压突升终止时刻。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，其特征在于：包括依次连接的电压信号处理电路(2)、分相延缓电路(3)和比较输出电路(4)；
所述电压信号处理电路(2)包括仪用放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R1的一端为电压信号处理电路(2)的取样点正极电压输入端VIN+，所述电阻R3的一端为电压信号处理电路(2)的取样点负极电压输入端VIN-，取样点正极电压通过串联的电阻R1和电阻R2构成的分压电阻网络连接到地，所述电阻R1和电阻R2的连接端与仪用放大器U1的同相输入端连接，取样点负极电压通过串联的电阻R3和电阻R4构成的分压电阻网络连接到地，所述电阻R3和电阻R4的连接端与仪用放大器U1的反相输入端连接；
所述分相延缓电路(3)包括电容C1，由电阻R5和电阻R7组成的第一比例电阻网络，以及由电阻R6和电阻R8组成的第二比例电阻网络；所述电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式所述电阻R5的一端与仪用放大器U1的输出端连接，所述电阻R5的另一端通过电阻R7接地，所述电阻R6的一端与仪用放大器U1的输出端连接，所述电阻R6的另一端通过电阻R8接地，所述电容C1的一端与电阻R6和电阻R8的连接端连接，所述电容C1的另一端接地；
所述比较输出电路(4)包括比较器U2、D触发器U3和电阻R10，所述比较器U2的同相输入端与电阻R5和电阻R7的连接端连接，所述比较器U2的反相输入端与电阻R6和电阻R8的连接端连接，所述比较器U2的输出端通过电阻R10与外部供电电源的输出端VCC连接，所述D触发器U3的信号输入端D与信号输出端连接，所述D触发器U3的时钟信号输入端CP与比较器U2输出端连接，所述D触发器U3的信号输出端Q为所述比较输出电路(4)的输出端OUT。
2.按照权利要求1所述的一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，其特征在于：所述仪用放大器U1的型号为AD623。
3.按照权利要求1所述的一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，其特征在于：所述比较器U2的型号为LM2903。
4.按照权利要求1所述的一种电感开路电弧建立与熄灭电压突升检测电路，其特征在于：所述D触发器U3的型号为74HC75。
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