CN214041554U - 一种适用范围广的数字接地电阻测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，通过设置差分放大电路，利用差分放大电路抑制共模干扰和放大差模信号的特性，滤除有用电压信号中包含的干扰信号，提高数字接地电阻测试仪的测量精度；通过设置调零电路，消除差分放大电路因外界干扰和电阻温漂的影响产生的零点漂移，使差分放大电路输入为0时输出也为0，保证差分放大电路完全滤除钳形电流传感器输出的有用电压信号中包含的干扰信号，消除信号调理电路输出的电压信号存在的误差，提高数字接地电阻测试仪的测量精度；通过设置RC滤波电路，滤除差分放大电路产生的高频干扰信号，进一步提高数字接地电阻测试仪的测量精度。

Description

一种适用范围广的数字接地电阻测试仪

技术领域

本实用新型涉及电阻测试仪技术领域，尤其涉及一种适用范围广的数字接地电阻测试仪。

背景技术

表征接地装置电气性能的参数为接地电阻，接地电阻的数值等于接地装置无穷远处零点电位的电压与通过接地装置流入地中电流的比值，接地电阻越小，保护性能越好。由于接地网接地电阻大小是衡量接地系统好坏的重要指标，因此，接地网接地电阻的大小对电力系统的安全运行意义重大。

目前，常采用数字接地电阻测试仪对接地电阻的阻值来进行测量，其中，接地电阻电流和电压的结果的精确性，决定接地电阻的测试结果的精确性。基于钳形电流传感器的稳定性，现有的数字接地电阻测试仪中常采用钳形电流传感器对接地电阻的电流进行采集，采集输出的电压信号需要经过信号调理电路进行放大滤波等处理后才输入至数字接地电阻测试仪的CPU芯片进行处理并得到电流值，但是现有的信号调理电路在处理钳形电流传感器输出的电压信号时，受外界磁场的干扰导致钳形电流传感器输出有用电压信号中存在大量的干扰信号，因此，现有信号调理电路通常设置差分放大电路对有用电压信号中存在大量的干扰信号进行处理，利用差分放大电路抑制共模干扰的特性虽然能够很好的滤除干扰信号，但是现有的差分放大电路在外界干扰和电阻温漂的影响下存在零点漂移，导致差分放大电路输入为0时输出不为0，而无法将钳形电流传感器输出的有用电压信号中包含的干扰信号完全滤除，导致信号调理电路输出的电压信号存在误差，使数字接地电阻测试仪的测量精度降低。

因此，为了解决上述问题，本实用新型提出了一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，通过优化现有处理钳形电流传感器输出电压信号的信号调理电路的结构，将受外界磁场的干扰产生的干扰信号完全滤除，提高数字接地电阻测试仪的测量精度。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出了一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，通过优化现有处理钳形电流传感器输出电压信号的信号调理电路的结构，将受外界磁场的干扰产生的干扰信号完全滤除，提高数字接地电阻测试仪的测量精度。

本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，其包括CPU芯片、钳形电流传感器和信号调理电路，信号调理电路包括差分放大电路、RC滤波电路、调零电路和放大电路；

钳形电流传感器采集接地电阻的电流，并将采集的电流转换为电压信号输出，钳形电流传感器的正极和调零电路的输出端均与差分放大电路的第一输入端电性连接，钳形电流传感器的负极与差分放大电路的第二输入端电性连接，差分放大电路的输出端通过RC滤波电路与放大电路的输入端电性连接，放大电路的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，放大电路还包括增益可调放大器和低通滤波器；

差分放大电路的输出端通过顺次连接的RC滤波电路、增益可调放大器和低通滤波器与CPU芯片的模拟输入端电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，差分放大电路包括电源、电阻R1-R4、电容C51、电容C52和第一运算放大器OP291；

钳形电流传感器的正极通过电阻R1分别与电阻R2的一端和第一运算放大器OP291的同相输入端电性连接，电阻R2的另一端接地，调零电路的输出端与第一运算放大器OP291的同相输入端电性连接，钳形电流传感器的负极通过电阻R3分别与电阻R4的一端、电容C51的一端和第一运算放大器OP291的反相输入端电性连接，电阻R4的另一端和电容C51的另一端均与第一运算放大器OP291的输出端电性连接，第一运算放大器OP291的输出端通过顺次连接的RC滤波电路和放大电路与CPU芯片的模拟输入端电性连接，电源分别与第一运算放大器OP291的第八引脚和电容C52的一端电性连接，电容C52的另一端接地。

更进一步优选的，调零电路包括偏置电源、电阻R6-R8和可调电阻R9；

偏置电源的正极与可调电阻R9的第一引脚电性连接，偏置电源的负极与可调电阻R9的第二引脚电性连接，可调电阻R9的第三引脚通过电阻R8分别与电阻R7的一端和电阻R6的一端电性连接，电阻R7的另一端接地，电阻R6的另一端与第一运算放大器OP291的同相输入端电性连接。

更进一步优选的，RC滤波电路包括电阻R5和电容C53；

第一运算放大器OP291的输出端通过电阻R5分别与电容C53的一端和放大电路的输入端电性连接，电容C53的另一端接地。

更进一步优选的，低通滤波器包括电阻R20-R23、电容C54、电容C55和第二运算放大器OP07；

差分放大电路的输出端通过顺次连接的RC滤波电路、增益可调放大器和电阻R20分别与电阻R21的一端和电容C54的一端电性连接，电容C54的另一端与第二运算放大器OP07的输出端电性连接，电阻R21的另一端分别与第二运算放大器OP07的同相输入端和电容C55的一端电性连接，电容C55的另一端接地，第二运算放大器OP07的反相输入端通过电阻R22接地，电阻R23并联在第二运算放大器OP07的反相输入端及其输出端之间，第二运算放大器OP07的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括电压传感器；

电压传感器采集接地电阻的电压，并将电压信号输入至CPU芯片的模拟输入端。

本实用新型的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过设置差分放大电路，一方面，对钳形电流传感器输出的有用电压信号进行放大处理；另一方面，利用差分放大电路抑制共模干扰和放大差模信号的特性，滤除有用电压信号中包含的干扰信号，提高数字接地电阻测试仪的测量精度；

(2)通过设置调零电路，消除差分放大电路因外界干扰和电阻温漂的影响产生的零点漂移，使差分放大电路输入为0时输出也为0，保证差分放大电路完全滤除钳形电流传感器输出的有用电压信号中包含的干扰信号，消除信号调理电路输出的电压信号存在的误差，提高数字接地电阻测试仪的测量精度；

(3)通过设置RC滤波电路，滤除差分放大电路产生的高频干扰信号，进一步提高数字接地电阻测试仪的测量精度；

(4)通过设置低通滤波器，再次滤除增益可调放大器产生的高频干扰信号，更进一步提高数字接地电阻测试仪的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪的系统结构图；

图2为本实用新型的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪中偏置电源、差分放大电路、RC滤波电路和调零电路的电路图；

图3为本实用新型的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪中低通滤波器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，其包括CPU芯片、钳形电流传感器和信号调理电路。

钳形电流传感器，采集接地电阻的电流，并将电流转换为电压信号输入至信号调理电路进行放大滤波处理。钳形电流传感器的正极和负极均通过信号调理电路与CPU芯片的模拟输入端电性连接。优选的，本实施例中，钳形电流传感器选用ETCR007。

信号调理电路，对钳形电流传感器输出电压信号进行放大滤波处理。优选的，本实施例中，信号调理电路包括差分放大电路、RC滤波电路、调零电路和放大电路。具体的，钳形电流传感器采集接地电阻的电流，并将采集的电流转换为电压信号输出，钳形电流传感器的正极和调零电路的输出端均与差分放大电路的第一输入端电性连接，钳形电流传感器的负极与差分放大电路的第二输入端电性连接，差分放大电路的输出端通过RC滤波电路与放大电路的输入端电性连接，放大电路的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。差分放大电路，一方面，对钳形电流传感器输出的有用电压信号进行放大处理；另一方面，由于钳形电流传感器输出的有用电压信号中包含因外界磁场产生的干扰信号，但是现有的信号调理电路在处理钳形电流传感器输出的电压信号时，无法将有用电压信号中包含的干扰信号完全滤除，导致信号调理电路输出的电压信号存在误差，使数字接地电阻测试仪的测量精度降低；因为钳形电流传感器的正极和负极输出的有用电压信号相位相反，而有用电压信号中包含的磁场干扰信号相位相同，利用差分放大电路抑制共模干扰和放大差模信号的特性，滤除有用电压信号中包含的干扰信号，提高数字接地电阻测试仪的测量精度。

优选的，本实施例中，如图2所示，差分放大电路包括电源、电阻R1-R4、电容C51、电容C52和第一运算放大器OP291；具体的，钳形电流传感器的正极通过电阻R1分别与电阻R2的一端和第一运算放大器OP291的同相输入端电性连接，电阻R2的另一端接地，调零电路的输出端与第一运算放大器OP291的同相输入端电性连接，钳形电流传感器的负极通过电阻R3分别与电阻R4的一端、电容C51的一端和第一运算放大器OP291的反相输入端电性连接，电阻R4的另一端和电容C51的另一端均与第一运算放大器OP291的输出端电性连接，第一运算放大器OP291的输出端通过顺次连接的RC滤波电路和放大电路与CPU芯片的模拟输入端电性连接，电源分别与第一运算放大器OP291的第八引脚和电容C52的一端电性连接，电容C52的另一端接地。如图2所示，Vi1表示钳形电流传感器的正极输出的正向电压信号；Vi2表示钳形电流传感器的负极输出的负向电压信号；U1表示第一运算放大器OP291；第一运算放大器OP291的同相输入端对应表示差分放大电路的第一输入端；第一运算放大器OP291的反相输入端对应表示差分放大电路的第二输入端；第一运算放大器OP291的输出端对应表示差分放大电路的输出端。

其中，电阻R1和电阻R3为负载电阻，防止钳形电流传感器输出电压信号过大击穿第一运算放大器OP291；电阻R2为平衡电阻，用于消除第一运算放大器OP291的低频电压漂移；电阻R4为负反馈电阻，用于减小第一运算放大器OP291的非线性漂移，稳定第一运算放大器OP291的静态工作点；电容C51为相位补偿电容，补偿第一运算放大器OP291由于高频干扰信号引起的相位漂移，使第一运算放大器OP291工作在线性工作区；电梯C52为退偶电容，滤除电源的纹波干扰；电源、电阻R1-R4、电容C51、电容C52和第一运算放大器OP291构成差分放大电路，一方面，对钳形电流传感器输出的有用电压信号进行放大处理；另一方面，利用差分放大电路抑制共模干扰和放大差模信号的特性，滤除有用电压信号中包含的干扰信号，提高数字接地电阻测试仪的测量精度。

调零电路，由于差分放大电路在外界干扰和电阻温漂的影响下存在零点漂移，导致差分放大电路输入为0时输出不为0，而无法将钳形电流传感器输出的有用电压信号中包含的干扰信号完全滤除，导致信号调理电路输出的电压信号存在误差，使数字接地电阻测试仪的测量精度降低，因此，为了解决上述问题，本实施设置调零电路消除差分放大电路的零点漂移，使差分放大电路输入为0时输出也为0，保证差分放大电路完全滤除钳形电流传感器输出的有用电压信号中包含的干扰信号，消除信号调理电路输出的电压信号存在的误差，提高数字接地电阻测试仪的测量精度。优选的，本实施例中，如图2所示，调零电路包括偏置电源、电阻R6-R8和可调电阻R9；具体的，偏置电源的正极与可调电阻R9的第一引脚电性连接，偏置电源的负极与可调电阻R9的第二引脚电性连接，可调电阻R9的第三引脚通过电阻R8分别与电阻R7的一端和电阻R6的一端电性连接，电阻R7的另一端接地，电阻R6的另一端与第一运算放大器OP291的同相输入端电性连接。

其中，偏置电源，给调零电路提供偏置电压。本实施例中，不涉及对偏置电源电路结构的改进，因此在此不再累述偏置电源的电路结构。优选的，本实施例中，偏置电源为15V的偏置电源；偏置电源给可变电阻R9提供偏置电压，电阻R7和电阻R8组成高比例分压器，防止电路电压过大击穿第一运算放大器OP291，通过调节可变电阻R9的阻值，给R6提供可变电位，从而消除第一运算放大器OP291的零点漂移，使第一运算放大器OP291输入为0时输出也为0，保证差分放大电路完全滤除钳形电流传感器输出的有用电压信号中包含的干扰信号，提高数字接地电阻测试仪的测量精度；相比于现有采用单个调零电阻构成的调零电路，采用电阻R6-R8组成T型电阻网络构成的调零电路，电路噪声低，调零精度高，进一步提高数字接地电阻测试仪的测量精度。

RC滤波电路，滤除差分放大电路产生的高频干扰信号，进一步提高数字接地电阻测试仪的测量精度。优选的，本实施例中，如图2所示，RC滤波电路包括电阻R5和电容C53；具体的，第一运算放大器OP291的输出端通过电阻R5分别与电容C53的一端和放大电路的输入端电性连接，电容C53的另一端接地。如图2所示，Vo1表示RC滤波电路滤波处理后输出的电压信号。

其中，电阻R5为限流电阻，防止第一运算放大器OP291输出电压过大击穿放大电路；电容C53为滤波电容，由于电容C53对于高频信号的容抗很小，因此差分放大电路产生的高频干扰信号会直接经过电容C53输入到地，进一步提高数字接地电阻测试仪的测量精度。

放大电路，对RC滤波电路滤波处理后输出的有用电压信号进行放大处理。优选的，本实施例中，如图1所示，放大电路包括增益可调放大器和低通滤波器；具体的，差分放大电路的输出端通过顺次连接的RC滤波电路、增益可调放大器和低通滤波器与CPU芯片的模拟输入端电性连接。

增益可调放大器，进一步放大经过差分放大电路放大滤波处理后输出的有用电压信号，当使用不同的CPU芯片时，增益可调放大器通过调节增益放大倍数即可满足不同CPU芯片的AD采样量程要求，而不需要针对不同CPU芯片设计不同的放大电路。本实施例中，不涉及对增益可调放大器结构的改进，因此，在此不再累述增益可调放大器的结构。优选的，本实施例中，增益可调放大器选用TL048。

低通滤波器，再次滤除增益可调放大器产生的高频干扰信号，更进一步提高数字接地电阻测试仪的测量精度。优选的，本实施例中，如图3所示，低通滤波器包括电阻R20-R23、电容C54、电容C55和第二运算放大器OP07；具体的，差分放大电路的输出端通过顺次连接的RC滤波电路、增益可调放大器和电阻R20分别与电阻R21的一端和电容C54的一端电性连接，电容C54的另一端与第二运算放大器OP07的输出端电性连接，电阻R21的另一端分别与第二运算放大器OP07的同相输入端和电容C55的一端电性连接，电容C55的另一端接地，第二运算放大器OP07的反相输入端通过电阻R22接地，电阻R23并联在第二运算放大器OP07的反相输入端及其输出端之间，第二运算放大器OP07的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。如图3所示，Vo2表示增益可调放大器进行放大处理后输出的电压信号；Vo_P1.1表示低通滤波器滤波处理后输出的电压信号；U2表示第二运算放大器OP07。

其中，电阻R20、电容C54、电阻R32和电容C55组成两阶RC滤波电路，再次滤除增益可调放大器产生的高频干扰信号，更进一步提高数字接地电阻测试仪的测量精度；电阻R22为调零电阻，用于抑制第二运算放大器OP07的零点漂移；电阻R23为负反馈电阻，用于消除第二运算放大器OP07的非线性漂移。

电压传感器，采集接地电阻的电压，并将电压信号输入至CPU芯片的模拟输入端。本实施例中，不涉及对电压传感器结构的改进，因此，在此不再累述电压传感器的结构。优选的，本实施例中，电压传感器选用50102-G-03。

CPU芯片，接收低通滤波器输出的电压信号，并进行处理得出电压信号对应的电流值；同时接收电压传感器输出的电压信号，并进行处理得出电压信号对应的电压值，通过接地电阻的电流值和电压值，最终得到接地电阻的阻值。具体的，差分放大电路的输出端通过顺次连接的RC滤波电路、增益可调放大器和低通滤波器与CPU芯片的模拟输入端电性连接；电压传感器采集接地电阻的电压，并将电压信号输入至CPU芯片的模拟输入端。本实施例中，不涉及对CPU芯片内部算法的改进，因此，在此不再累述CPU芯片的内部算法。本实施例不限定CPU芯片的型号，优选的，选用ADSP-BF504F；P1.1引脚表示与低通滤波器连接的CPU芯片的模拟输入端，P1.2引脚表示与电压传感器连接的CPU芯片的模拟输入端。

本实用新型的工作原理是：钳形电流传感器，采集接地电阻的电流，并将电流转换为电压信号输入至差分放大电路进行处理，同时，调零电路消除差分放大电路因外界干扰和电阻温漂的影响产生的零点漂移，差分放大电路利用差分放大电路抑制共模干扰和放大差模信号的特性，完全滤除钳形电流传感器输出的有用电压信号中包含的干扰信号，经差分放大电路处理后的有用电压信号输入至RC滤波电路，RC滤波电路，滤除差分放大电路产生的高频干扰信号并将处理后的有用电压信号输入至增益可调放大器，增益可调放大器将输入的有用电压信号进行放大处理后，将有用电压信号输入至低通滤波器再次滤除增益可调放大器产生的高频干扰信号，最终经低通滤波器处理后的有用电压信号输入至CPU芯片处理得到有用电压信号对应的电流值；同时电压传感器采集接地电阻的电压，并将电压信号输入至CPU芯片处理得到电压信号对应的电压值，通过接地电阻的电流值和电压值，最终得到接地电阻的阻值。

本实施例的有益效果为：通过设置差分放大电路，一方面，对钳形电流传感器输出的有用电压信号进行放大处理；另一方面，利用差分放大电路抑制共模干扰和放大差模信号的特性，滤除有用电压信号中包含的干扰信号，提高数字接地电阻测试仪的测量精度；

通过设置调零电路，消除差分放大电路因外界干扰和电阻温漂的影响产生的零点漂移，使差分放大电路输入为0时输出也为0，保证差分放大电路完全滤除钳形电流传感器输出的有用电压信号中包含的干扰信号，消除信号调理电路输出的电压信号存在的误差，提高数字接地电阻测试仪的测量精度；

通过设置RC滤波电路，滤除差分放大电路产生的高频干扰信号，进一步提高数字接地电阻测试仪的测量精度；

通过设置低通滤波器，再次滤除增益可调放大器产生的高频干扰信号，更进一步提高数字接地电阻测试仪的测量精度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，其包括CPU芯片、钳形电流传感器和信号调理电路，其特征在于：所述信号调理电路包括差分放大电路、RC滤波电路、调零电路和放大电路；

所述钳形电流传感器采集接地电阻的电流，并将采集的电流转换为电压信号输出，钳形电流传感器的正极和调零电路的输出端均与差分放大电路的第一输入端电性连接，钳形电流传感器的负极与差分放大电路的第二输入端电性连接，差分放大电路的输出端通过RC滤波电路与放大电路的输入端电性连接，放大电路的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。

2.如权利要求1所述的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，其特征在于：所述放大电路还包括增益可调放大器和低通滤波器；

所述差分放大电路的输出端通过顺次连接的RC滤波电路、增益可调放大器和低通滤波器与CPU芯片的模拟输入端电性连接。

3.如权利要求1所述的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，其特征在于：所述差分放大电路包括电源、电阻R1-R4、电容C51、电容C52和第一运算放大器OP291；

所述钳形电流传感器的正极通过电阻R1分别与电阻R2的一端和第一运算放大器OP291的同相输入端电性连接，电阻R2的另一端接地，调零电路的输出端与第一运算放大器OP291的同相输入端电性连接，钳形电流传感器的负极通过电阻R3分别与电阻R4的一端、电容C51的一端和第一运算放大器OP291的反相输入端电性连接，电阻R4的另一端和电容C51的另一端均与第一运算放大器OP291的输出端电性连接，第一运算放大器OP291的输出端通过顺次连接的RC滤波电路和放大电路与CPU芯片的模拟输入端电性连接，电源分别与第一运算放大器OP291的第八引脚和电容C52的一端电性连接，电容C52的另一端接地。

4.如权利要求3所述的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，其特征在于：所述调零电路包括偏置电源、电阻R6-R8和可调电阻R9；

所述偏置电源的正极与可调电阻R9的第一引脚电性连接，偏置电源的负极与可调电阻R9的第二引脚电性连接，可调电阻R9的第三引脚通过电阻R8分别与电阻R7的一端和电阻R6的一端电性连接，电阻R7的另一端接地，电阻R6的另一端与第一运算放大器OP291的同相输入端电性连接。

5.如权利要求4所述的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，其特征在于：所述RC滤波电路包括电阻R5和电容C53；

所述第一运算放大器OP291的输出端通过电阻R5分别与电容C53的一端和放大电路的输入端电性连接，电容C53的另一端接地。

6.如权利要求2所述的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，其特征在于：所述低通滤波器包括电阻R20-R23、电容C54、电容C55和第二运算放大器OP07；

所述差分放大电路的输出端通过顺次连接的RC滤波电路、增益可调放大器和电阻R20分别与电阻R21的一端和电容C54的一端电性连接，电容C54的另一端与第二运算放大器OP07的输出端电性连接，电阻R21的另一端分别与第二运算放大器OP07的同相输入端和电容C55的一端电性连接，电容C55的另一端接地，第二运算放大器OP07的反相输入端通过电阻R22接地，电阻R23并联在第二运算放大器OP07的反相输入端及其输出端之间，第二运算放大器OP07的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。

7.如权利要求1所述的一种适用范围广的数字接地电阻测试仪，其特征在于：还包括电压传感器；

所述电压传感器采集接地电阻的电压，并将电压信号输入至CPU芯片的模拟输入端。

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