CN217425517U - 一种自适应通用型验电器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种自适应通用型验电器，它包括探测器和接收器，探测器左侧设置有识别模块，识别模块内部设置有工频电场传感器，识别模块右侧设置有接口电路，接口电路右侧设置有差分放大电路，差分放大电路下方设置有带通滤波电路，带通滤波电路左侧设置有倍压整流电路，倍压整流电路下方设置有AD转换电路，AD转换电路右侧设置有第一MCU，第一MCU右侧从上至下分别设置有报警灯、第一射频通信电路和蜂鸣器；接收器中部设置有第二MCU，第二MCU上下两侧分别设置有操作按键和供电模块，第二MCU左右两侧分别设置有第二射频通信电路和显示模块；本实用新型具有使用方便、提高工作效率、可对多种电压等级线路验电、降低劳动强度、节约时间成本的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于验电器技术领域，具体涉及一种自适应通用型验电器。
背景技术
随着电力行业的发展，变电站数量也日益增多，为了保障供电系统的安全可靠运行，需不定期对变电站内设备进行维护和检修，而在检修作业之前，应先验证设备是否带电，以保障工作人员的人身安全，目前，电力工作人员多采用验电器进行验电，现有验电器均为单一电压等级专用，对不同电压等级设备进行验电时，需要配备220kV、110kV、35kV、10kV等多种不同电压等级验电器，导致工作人员作业时需要携带多种型号的验电器，携带和使用不方便，且易漏带进而影响作业进度，同时维护量较大，导致工作强度大，降低工作效率；因此，提供一种使用方便、提高工作效率、可对多种电压等级线路验电、降低劳动强度、节约时间成本的一种自适应通用型验电器是非常有必要的。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种使用方便、提高工作效率、可对多种电压等级线路验电、降低劳动强度、节约时间成本的一种自适应通用型验电器。
本实用新型的目的是这样实现的：一种自适应通用型验电器，它包括探测器和接收器，所述的探测器左侧设置有识别模块，所述的识别模块内部设置有工频电场传感器，所述的识别模块右侧设置有接口电路，所述的接口电路内部设置有电压跟随器，所述的接口电路右侧设置有差分放大电路，所述的差分放大电路下方设置有带通滤波电路，所述的带通滤波电路左侧设置有倍压整流电路，所述的倍压整流电路下方设置有AD转换电路，所述的AD转换电路右侧设置有第一MCU，所述的第一MCU右侧从上至下分别设置有报警灯、第一射频通信电路和蜂鸣器；所述的接收器中部设置有第二MCU，所述的第二MCU上下两侧分别设置有操作按键和供电模块，所述的第二MCU左右两侧分别设置有第二射频通信电路和显示模块。
所述的探测器与接收器通过第一射频通信电路、第二射频通信电路建立通信连接。
所述的工频电场传感器包括导电平行板、压敏电阻、共模电感，所述的工频电场传感器左侧上下两侧均设置有导电平行板，所述的导电平行板右侧设置有两个压敏电阻，所述的压敏电阻内侧设置有共模电感。
所述的导电平行板的极板材料采用材料、大小均相同的铜箔。
所述的电压跟随器采用LM110J－8型双电压跟随器，所述的差分放大电路采用AD629ARZ-R7型差分放大电路，所述的带通滤波电路采用中心频率50Hz、频带为40Hz到60Hz的FN520-8-29型有源带通滤波电路，所述的倍压整流电路采用2CL15KV/30mA型倍压整流电路，所述的AD转换电路采用AD7714型AD转换电路，所述的第一MCU和第二MCU均采用ATmega128型单片机，所述的第一射频通信电路和第二射频通信电路均采用CC1101型低于1GHz的无线射频通信芯片。
本实用新型的有益效果：本实用新型为自适应通用型验电器，在使用中，识别模块的工频电场传感器基于导体在交流电场中的电荷感应效应，对不同电压等级的自动识别；识别模块的工频电场传感器检测出电压等级后，第一 MCU控制切换到相适应电压等级的档位；显示模块显示设备是否带电以及识别出来的电压等级，以便工作人员进行确认；电源模块为装置提供电源，保证验电器的正常运行；作业时，只需将装置通电，置于待测带电设备上，装置即可自动检测识别电压，并在显示模块上显示相应电压等级，待作业人员比对无误后，即可完成作业，替代传统单一电压等级的验电器，实现一根验电器可对多种电压等级的线路进行验电，方便携带和使用，提高工作效率，实现对多种电压等级的自动识别、档位切换及自保持验电功能，降低维运成本，降低劳动强度，节约时间成本；本实用新型具有使用方便、提高工作效率、可对多种电压等级线路验电、降低劳动强度、节约时间成本的优点。
附图说明
图1为本实用新型一种自适应通用型验电器的结构组成框图。
图2为本实用新型一种自适应通用型验电器的工作流程示意图。
图3为本实用新型一种自适应通用型验电器的工频电场传感器的结构示意图。
图4为本实用新型一种自适应通用型验电器的差分放大电路示意图。
图5为本实用新型一种自适应通用型验电器的带通滤波电路示意图。
图6为本实用新型一种自适应通用型验电器的倍压整流电路示意图。
图7为本实用新型一种自适应通用型验电器的AD转换电路示意图。
图8为本实用新型一种自适应通用型验电器的MCU引脚图。
图9为本实用新型一种自适应通用型验电器的射频通信电路示意图。
图10为本实用新型一种自适应通用型验电器的流程图。
图中：1、探测器 2、接收器 21、第二MCU 22、第二射频通信电路 23、操作按键 24、显示模块 25、供电模块 3、识别模块 31、工频电场传感器 311、导电平行板 312、压敏电阻313、共模电感 4、接口电路 41、电压跟随器 5、差分放大电路 6、带通滤波电路 7、倍压整流电路 8、AD转换电路 9、第一MCU 10、报警灯 11、第一射频通信电路 12、蜂鸣器。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。
实施例1
如图1-10所示，一种自适应通用型验电器，它包括探测器1和接收器2，所述的探测器1左侧设置有识别模块3，所述的识别模块3内部设置有工频电场传感器31，所述的识别模块3右侧设置有接口电路4，所述的接口电路4内部设置有电压跟随器41，所述的接口电路4右侧设置有差分放大电路5，所述的差分放大电路5下方设置有带通滤波电路6，所述的带通滤波电路6左侧设置有倍压整流电路7，所述的倍压整流电路7下方设置有AD转换电路8，所述的AD 转换电路8右侧设置有第一MCU 9，所述的第一MCU 9右侧从上至下分别设置有报警灯10、第一射频通信电路11和蜂鸣器12；所述的接收器2中部设置有第二MCU 21，所述的第二MCU 21上下两侧分别设置有操作按键23和供电模块25，所述的第二MCU 21左右两侧分别设置有第二射频通信电路22和显示模块24。
所述的工频电场传感器31包括导电平行板311、压敏电阻312、共模电感 313，所述的工频电场传感器31左侧上下两侧均设置有导电平行板311，所述的导电平行板311右侧设置有两个压敏电阻312，所述的压敏电阻312内侧设置有共模电感313。
本实用新型为自适应通用型验电器，在使用中，使用时，探测器悬挂于待测电路上，工频电场传感器用于探测输电导线或带电体的电场大小，完成电场信号的采集和识别，接口电路、放大滤波电路及倍压整流电路将双路差分放大电路浮动电势转换成一路电压输出，AD转换电路对该信号进行采集并转换成数字信号，第一MCU根据AD转换电路对电场值进行计算并识别带电体电压等级，触发蜂鸣器和报警灯发出声光信号，同时通过第一射频通信电路向接收机发送检测数据，接收机可随身携带，通过第二射频通信电路接收探测器发送的数据并由显示模块显示带点线路电压，便于验电人员做进一步判别，具体为：识别模块的工频电场传感器基于导体在交流电场中的电荷感应效应，对不同电压等级的自动识别；识别模块的工频电场传感器检测出电压等级后，第一MCU控制切换到相适应电压等级的档位；显示模块显示设备是否带电以及识别出来的电压等级，以便工作人员进行确认；电源模块为装置提供电源，保证验电器的正常运行；作业时，只需将装置通电，置于待测带电设备上，装置即可自动检测识别电压，并在显示模块上显示相应电压等级，待作业人员比对无误后，即可完成作业，替代传统单一电压等级的验电器，实现一根验电器可对多种电压等级的线路进行验电，方便携带和使用，提高工作效率，实现对多种电压等级的自动识别、档位切换及自保持验电功能，降低维运成本，降低劳动强度，节约时间成本；本实用新型具有使用方便、提高工作效率、可对多种电压等级线路验电、降低劳动强度、节约时间成本的优点。
实施例2
如图1-10所示，一种自适应通用型验电器，它包括探测器1和接收器2，所述的探测器1左侧设置有识别模块3，所述的识别模块3内部设置有工频电场传感器31，所述的识别模块3右侧设置有接口电路4，所述的接口电路4内部设置有电压跟随器41，所述的接口电路4右侧设置有差分放大电路5，所述的差分放大电路5下方设置有带通滤波电路6，所述的带通滤波电路6左侧设置有倍压整流电路7，所述的倍压整流电路7下方设置有AD转换电路8，所述的AD 转换电路8右侧设置有第一MCU 9，所述的第一MCU 9右侧从上至下分别设置有报警灯10、第一射频通信电路11和蜂鸣器12；所述的接收器2中部设置有第二MCU 21，所述的第二MCU 21上下两侧分别设置有操作按键23和供电模块25，所述的第二MCU 21左右两侧分别设置有第二射频通信电路22和显示模块24。
所述的工频电场传感器31包括导电平行板311、压敏电阻312、共模电感 313，所述的工频电场传感器31左侧上下两侧均设置有导电平行板311，所述的导电平行板311右侧设置有两个压敏电阻312，所述的压敏电阻312内侧设置有共模电感313。
为了更好的效果，所述的探测器1与接收器2通过第一射频通信电路11、第二射频通信电路22建立通信连接。
为了更好的效果，所述的导电平行板311的极板材料采用材料、大小均相同的铜箔。
为了更好的效果，所述的工频电场传感器31基于导体在交流电场中的电荷感应效应，取上下极板的电压信号作为感应信号，建立与外加电场强度的关系。假设工频电场传感器31上极板的上下表面电荷密度分别为σ1和σ2。应用高斯定理，取上下极板两个圆柱形的高斯面S1和S2，其上下底面与极板平行，面积分别为ΔS1和ΔS2，分别对高斯面应用高斯定理，有
则有：
由上式可得，工频电场传感器31内部电场与外部电场成正比，则工频电场传感器31两极板电压u为：
式中，ξ1为上下极板外表面绝缘介质的介电常数，ξ2为上下极板间绝缘材料的介电常数，E为电场强度，E1为上下极板外表面所处的电场强度，E2为上下极板间的电场强度，d为上下极板间的距离；因此，当工频电场传感器31填充介质，极板距离一定时，工频电场传感器 31的导电平行板311两极板间感应电压与所处的交变电场成比例关系，因此可以通过测量工频电场传感器31两极板间的感应电压u，转换为工频电场传感器 31所处电场环境的电场强度E1，从而达到检测带电状态的目的。
为了更好的效果，所述的电压跟随器41采用LM110J－8型双电压跟随器，所述的差分放大电路5采用AD629ARZ-R7型差分放大电路，所述的带通滤波电路6采用中心频率50Hz、频带为40Hz到60Hz的FN520-8-29型有源带通滤波电路，所述的倍压整流电路7采用2CL15KV/30mA型倍压整流电路，所述的AD转换电路8采用AD7714型AD转换电路，所述的第一MCU 9和第二MCU 21均采用 ATmega128型单片机，所述的第一射频通信电路11和第二射频通信电路22均采用CC1101型低于1GHz的无线射频通信芯片。
本实用新型为自适应通用型验电器，在使用中，使用时，探测器悬挂于待测电路上，工频电场传感器用于探测输电导线或带电体的电场大小，完成电场信号的采集和识别，接口电路、放大滤波电路及倍压整流电路将双路差分放大电路浮动电势转换成一路电压输出，AD转换电路对该信号进行采集并转换成数字信号，第一MCU根据AD转换电路对电场值进行计算并识别带电体电压等级，触发蜂鸣器和报警灯发出声光信号，同时通过第一射频通信电路向接收机发送检测数据，接收机可随身携带，通过第二射频通信电路接收探测器发送的数据并由显示模块显示带点线路电压，便于验电人员做进一步判别，具体为：识别模块的工频电场传感器基于导体在交流电场中的电荷感应效应，对不同电压等级的自动识别；识别模块的工频电场传感器检测出电压等级后，第一MCU控制切换到相适应电压等级的档位；显示模块显示设备是否带电以及识别出来的电压等级，以便工作人员进行确认；电源模块为装置提供电源，保证验电器的正常运行；作业时，只需将装置通电，置于待测带电设备上，装置即可自动检测识别电压，并在显示模块上显示相应电压等级，待作业人员比对无误后，即可完成作业，替代传统单一电压等级的验电器，实现一根验电器可对多种电压等级的线路进行验电，方便携带和使用，提高工作效率，实现对多种电压等级的自动识别、档位切换及自保持验电功能，降低维运成本，降低劳动强度，节约时间成本；本实用新型具有使用方便、提高工作效率、可对多种电压等级线路验电、降低劳动强度、节约时间成本的优点。
下面结合附图3-10对本实用新型做进一步的说明：
工频电场传感器选用平板电容型电场传感器作为感应探头，它由上下导电平行板组成，类似一个电容，利用两个材料和大小均相同的铜箔作为极板材料，由于验电器用于高压设备的测量，很容易受到雷击，为了防止雷击事故的发生，加上压敏电阻作为传感器的保护，压敏电阻的特性就是其拥有一个阈值电压，在正常的情况下，若它两端的电压小于阈值电压时，压敏电阻相当于开路，但是若有雷击或者是放电时，其两端的电阻就会变小，这样就可以抑制电路中过大的电压，保护后面的元件，同时，在两个压敏电阻之间加上了共模电感起到滤除信号线上的共模信号的作用，本实用新型所设计的平行板电容式工频电场采传感单元的结构参数有：感应极板半径r、两感应极板间距d。在生产制作时，利用双层PCB印制电路板制作，将一对圆铜盘作为导电平行板，中间的绝缘材料为环氧树脂，能够保证各单元具有较好的一致性和稳定性；
从工频电场传感单元中输出的电压信号十分地微弱，对后端处理电路的驱动能力不足，如果直接将工频电场传感单元输出的电压信号接入到差分放大电路中，因为差分放大电路的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，而后级信号处理电路的输入阻抗比较小时，那么工频电场传感单元输出的电压信号在前级的输出电阻中就会有所损耗，而影响传感器测量的性能，针对这个问题，基于电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，运用电压跟随器对工频电场传感单元输出的电压信号进行1:1跟随，将电压信号不失真地传输到后级电路，高输入阻抗使得它在电路中具有阻抗匹配的作用，对信号进行缓存和隔离，起到了承上启下的作用，电压跟随器提高了电路的输入阻抗，这样使得输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的取样电容提供了前提保证，本实用新型采用了双电压跟随器，分别为工频电场传感单元的上下感应极板的输出信号进行跟随，起到输入缓冲和与后级电路隔离的作用，提高电路的带负载能力；
由于工频电场传感器的尺寸较小，其两个导电平行板的极板上感应的电荷也相对较少，在获取传感单元输出的电压信号时，其间的感应电压十分微弱，即需要将传感单元的输出信号进行前置放大，由于工频电场传感器测量时所处的电场环境较为复杂，传感器两端的输入信号都会受到空间电场的的干扰，利用其干扰程度相同的特点，可以采用差分式放大电路将幅值与相位相同的共模干扰信号消除，有效地抑制共模信号的干扰，将电压跟随器中的两个输出端信号之差作为差分放大电路的有效信号，根据运算放大器的虚短与虚断原理，通过选取不同电阻的阻值，设计合理的放大倍数，对信号进行高倍率放大；
在输电线路和变电站这样复杂的电场环境下，传感单元输出信号不仅有 50Hz的工频电场信号，还存在许多不同频率的信号叠加，其中主要是工频的高次谐波信号，而且工频电场传感器在测量电场的输出信号也易受到干扰而带有差分不能消除的噪声信号，为提高验电器的稳定性，必须设计滤波器对前端放大电路输出的电压信号进行滤波处理，本实用新型工频电场传感器主要测量工频电场，因此所设计的滤波电路为以50Hz为中心频率、频带为40Hz到60Hz的有源带通滤波器，具有良好的频率选择性能，其中心频率为50Hz，上截止频率为60Hz，下截止频率为40Hz，虽在通频带内存在一定的相位偏移，但其范围都在零度附近；
倍压整流电路将交流信号转换为直流信号输入AD转换器进行采样；
AD转换是验电器最主要的功能模块之一，它的性能往往决定了验电器的整体性能，根据前文所述的电场信号的特点，本实用新型的信号采集模块使用 AD7714芯片，AD7714是利用Σ-Δ技术高达24位的无误码串行模数转换器，它的串行接口与SPI、QSPI、MICROWEIR等等接口兼容，能够大大简化对芯片的编程，并且减少对系统资源的占用；
第一MCU和第二MCU均采用适用于工业应用的ATmega128单片机，ATmega128 单片机是基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，数据吞吐率达 1MIPS/MHz，ATmega128单片机内核采用Harvard结构，具有独立的数据和程序总线，CPU在执行一条指令同时读取下一条指令，实现了指令的单时钟周期运行， ATmega128单片机有32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与ALU相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，寄存器中有6 个寄存器可以用作3个16位的间接地址寄存器指针，实现高效的地址运算，其中一个还可以作为程序存储器查询表的地址指针，这3个16位寄存器为X、Y、 Z寄存器，ATmega128单片机主要性能参数如下：
1)工作电压：4.5～5.5V(ATmega128L2.7～5.5V)
2)系统时钟：0～16MHz(ATmega128L0～8MHz)
3)133条指令：大多数指令可在1个周期内完成
4)128KBFlash，寿命10000次写/擦除周期，具有独立锁定位和可选启动代码
5)4KBEEPROM：寿命100000次写/擦除周期
6)4KBSRAM
7)JTAG接口：对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位编程
8)2个8位定时器/计数器：带独立的预分频器和比较器
9)2个16位定时器/计数器：带预分频器、比较和捕捉功能
10)RTC实时时钟：独立的预分频器
11)2通道8位PWM，6路分辨率可编程(2～16位)PWM
12)8通道10位ADC
13)模拟比较器
14)2通道USART
15)SPI：主机/从机模式
16)TWI：兼容I2C
17)Watchdog
18)上电复位及可编程的掉电检测
19)6种省电模式：空闲、ADC噪声抑制、省电、掉电、Standby以及扩展 Standby
20)TQFP64/ML；
第一射频通信电路和第一射频通信电路均采用CC1101型低于1GHz的无线射频通信芯片，主要应用于315/433/868/915MHz波段的无线通信，具有超低功耗和价格低廉的特点，本实用新型选择433MHz的射频通信，在睡眠模式下，静态电流仅为200nA，具有快速唤醒和快速收发切换的特点，切换时间仅为240μs，第一射频通信电路与第一MCU、第一射频通信电路与第二MCU之间均分别采用SPI总线的通信方式，通过4线SPI兼容接口(SI，SO，SCLK和CSn)对射频芯片进行参数配置；
本实用新型的通用验电器的主要工作流程如下：系统上电后进入系统初始化，完成各个模块的自检并配置休眠间隔时间(Timer)，系统进入低功耗模式等待Timer唤醒，Timer唤醒系统后进行AD采样，AD采样结束后对采样数据进行处理得出电场数据，对电场数据进行打包，配置射频模块为发送状态并将打包好的电场数据发送到接收器，数据发送结束后配置射频模式为接收状态，系统进入低功耗模式，等待Timer再次唤醒，本实用新型的AD采样频率为3.2kHz，满足采样定理，为了使测量更加准确，程序中连续采样10个周期，并对10个周期的数据进行求平均值处理；本实用新型的通用型验电器利用平行板电容式工频电场传感器实现电场信号的采集，经处理后可实现多等级电压的识别，不仅能实现传统验电器的声光告警，还能实现电压显示和数据存储，方便携带和使用，提高工作效率，具有很强实用价值。
Claims (5)
1.一种自适应通用型验电器，它包括探测器和接收器，其特征在于：所述的探测器左侧设置有识别模块，所述的识别模块内部设置有工频电场传感器，所述的识别模块右侧设置有接口电路，所述的接口电路内部设置有电压跟随器，所述的接口电路右侧设置有差分放大电路，所述的差分放大电路下方设置有带通滤波电路，所述的带通滤波电路左侧设置有倍压整流电路，所述的倍压整流电路下方设置有AD转换电路，所述的AD转换电路右侧设置有第一MCU，所述的第一MCU右侧从上至下分别设置有报警灯、第一射频通信电路和蜂鸣器；所述的接收器中部设置有第二MCU，所述的第二MCU上下两侧分别设置有操作按键和供电模块，所述的第二MCU左右两侧分别设置有第二射频通信电路和显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种自适应通用型验电器，其特征在于：所述的探测器与接收器通过第一射频通信电路、第二射频通信电路建立通信连接。
3.根据权利要求1所述的一种自适应通用型验电器，其特征在于：所述的工频电场传感器包括导电平行板、压敏电阻、共模电感，所述的工频电场传感器左侧上下两侧均设置有导电平行板，所述的导电平行板右侧设置有两个压敏电阻，所述的压敏电阻内侧设置有共模电感。
4.根据权利要求3所述的一种自适应通用型验电器，其特征在于：所述的导电平行板的极板材料采用材料、大小均相同的铜箔。
5.根据权利要求1所述的一种自适应通用型验电器，其特征在于：所述的电压跟随器采用LM110J－8型双电压跟随器，所述的差分放大电路采用AD629ARZ-R7型差分放大电路，所述的带通滤波电路采用中心频率50Hz、频带为40Hz到60Hz的FN520-8-29型有源带通滤波电路，所述的倍压整流电路采用2CL15KV/30mA型倍压整流电路，所述的AD转换电路采用AD7714型AD转换电路，所述的第一MCU和第二MCU均采用ATmega128型单片机，所述的第一射频通信电路和第二射频通信电路均采用CC1101型低于1GHz的无线射频通信芯片。
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