CN218213374U - 一种用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于漏电检测技术领域，具体提供了一种用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，包括：方波发生器、相敏检波器、励磁绕组、检测绕组及感应芯环；所述励磁绕组与检测绕组对称绕制在感应芯环上，所述方波发生器用于产生方波并传输至励磁绕组，所述检测绕组测得感应电流信号后传输至相敏检波器。采用磁调制式原理进行漏电流检测，通过测量正在运行的电气线路的电流大小，在不断开回路的情况下就能监测和记录mA级别的直流电流信号，帮助排除回路故障。具有灵敏度和可靠性高，适合长时间连续工作；低零漂，测试可重复性高；抗干扰能力强，可以在强磁的环境下正常工作；受温度影响小，减小恶劣环境等其他因素造成的误差。
Description
技术领域
本实用新型涉及漏电检测技术领域，更具体地，涉及一种用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构。
背景技术
在电力电子设备中，经常需要对直流绝缘状态进行实时检测，检测防止漏电，以保护电子设备以及人身安全。因此，研制一款微小电流，高精度，抗干扰，便于携带的仪表成为目前电流测量行业的重要研究方向。
目前市场上对电力电子设备或电气设备漏电流有非常严苛的要求，使得电流检测仪广泛地应用于科研、电力、计量检测部门。尤其是需要能检测出mA级别的直流漏电流的检测仪，甚至包含各种谐波的复杂波形的漏电流检测仪器。而市面上能检测如此微弱电流信号且要保证精度的检测传感器非常昂贵，而且难以采购；另一方面，需要用到的传感器成本也极高，且结构设计很难匹配仪器设备尺寸大小的要求，增加了检测仪的设计成本和复杂度。
目前市场上对电流的测量方法有很多种，传统上检测方法有电阻取样法，电磁式电流检测法、霍尔效应电流法和罗氏线圈等。其中电阻取样方法需要将采样电阻串联接入电路回路，对原有电路会产生一定干扰；电磁式互感器因不能检测直流分量而无法对直流漏电流进行有效检测。
罗氏线圈是将铜线绕在环型非铁磁骨架上制成的，罗氏线圈是一种简易可行的测试快速变化的大电流的幅值和波形的元件，但是在低频时，罗氏线圈性能较差，对于直流测量无法满足。并且不具备漏电检测数据保护和数据报警功能，整体结构较大，不便携带，同时功能性不足。
霍尔电流检测方法可以解决直流电流检测问题，其基本原理是在铁芯上加了反馈绕组(次边线圈)，把霍尔元件检测的电压驱动反馈绕组，使反馈绕组中的电流所产生的磁场抵消原边线圈产生的磁场。这样反馈绕组的电流与初次绕组的电流成对应的等安匝关系，反馈绕组中注过的电流就可以反映初次线圈电流大小和波形。但其互感器铁芯存在气隙，容易受到负荷电流的影响而造成较大测量误差，而且精度一般，零点失调较大，温漂系数差，线性度一般等方面原因满足不了微小电流的检测。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术中存在的漏电流检测仪无法对直流漏电流进行有效监测或检测精度较低的技术问题。
本实用新型提供了一种用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，包括：方波发生器、相敏检波器、励磁绕组、检测绕组及感应芯环；
所述励磁绕组与检测绕组对称绕制在感应芯环上，所述方波发生器用于产生方波并传输至励磁绕组，所述检测绕组测得感应电流信号后传输至相敏检波器。
优选地，所述感应芯环为环状铁芯。
优选地，所述方波发生器包括方波振荡电路及功率放大器TS922；
所述方波振荡电路包含电压基准芯片LM385D及运放器TLC2262，电压基准芯片LM385D产生2.5V电压至至运放器TLC2262放大后输出电压信号±3.6V至电子开关芯片CD4053的Y0引脚，所述电子开关芯片CD4053的Y引脚输出方波信号至所述功率放大器TS922放大后再传输至励磁绕组。
优选地，所述电子开关芯片CD4053的Y引脚输出方波信号，分别连接至两个功率放大器TS922的正向输入端和负向输入端，两个所述功率放大器TS922的输出端分别依次串接电阻和电感后连接至励磁绕组的两端。
优选地，所述磁调制电路结构还包括带通滤波器和运算放大器，所述检测绕组输出的感应电流信号经过带通滤波器和运算放大器进行滤波放大后，再输入至相敏检波器进行二次谐波提取。
优选地，所述带通滤波器型号为TLC2262，所述运算放大器型号同为TLC2262；
带通滤波器TLC2262的输出端与运算放大器TLC2262的负向输入端及电子开关芯片CD4053的Z0引脚连接，电子开关芯片CD4053的Z引脚与所述运算放大器TLC2262的正向输入端连接。
优选地，所述运算放大器TLC2262的输出端依次串接电阻R8和R9后输出直流信号VDC_IN，所述电阻R8和电阻R9的阻值大小分别为6.19KΩ和51.1KΩ。
有益效果：本实用新型提供的一种用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，包括：方波发生器、相敏检波器、励磁绕组、检测绕组及感应芯环；所述励磁绕组与检测绕组对称绕制在感应芯环上，所述方波发生器用于产生方波并传输至励磁绕组，所述检测绕组测得感应电流信号后传输至相敏检波器。采用磁调制式原理进行漏电流检测，通过测量正在运行的电气线路的电流大小，在不断开回路的情况下就能监测和记录mA级别的直流电流信号，帮助排除回路故障。具有灵敏度和可靠性高，适合长时间连续工作；低零漂，测试可重复性高；抗干扰能力强，可以在强磁的环境下正常工作；受温度影响小，减小恶劣环境等其他因素造成的误差。
附图说明
图1为本实用新型提供的一种基于磁调制的直流漏电流检测仪电路结构原理图；
图2为本实用新型提供的MCU电路图；
图3为本实用新型提供的磁调制电路结构电路图；
图4为图3中的方波振荡电路图；
图5为图3中的相敏检波器电路图；
图6为图3中的功率放大图；
图7为图3中的滤波图；
图8为图3中的信号调理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
图1为基于磁调制的直流漏电流检测仪电路结构，包括：报警模块、MCU、磁调制电路结构及用于夹持被测物以电连通的钳表；所述磁调制电路结构包含方波发生器、相敏检波器、励磁绕组、检测绕组及感应芯环；所述励磁绕组与检测绕组对称绕制在感应芯环上，所述钳表后端连接导线，所述导线穿过感应芯环的环圈内；所述方波发生器用于产生方波并传输至励磁绕组，所述检测绕组测得感应电流信号后传输至相敏检波器；所述相敏检波器用于提取感应电流信号的二次谐波并进行整流鉴相后得到直流信号，所述MCU对所述直流信号进行分析，若判断被测物存在漏电流，则控制报警模块报警。
如图2所示，其中，主控芯片采用是STM32F05系列MCU。单片机控制并读取各个子模块的测试结果，并且通过USB接口将结果上传到上位机。
图3为本实用新型提供的一种用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，包括：方波发生器、相敏检波器、励磁绕组、检测绕组及感应芯环；所述励磁绕组与检测绕组对称绕制在感应芯环上，所述方波发生器用于产生方波并传输至励磁绕组，所述检测绕组测得感应电流信号后传输至相敏检波器。采用磁调制式原理进行漏电流检测，通过测量正在运行的电气线路的电流大小，在不断开回路的情况下就能监测和记录mA级别的直流电流信号，帮助排除回路故障。具有灵敏度和可靠性高，适合长时间连续工作；低零漂，测试可重复性高；抗干扰能力强，可以在强磁的环境下正常工作；受温度影响小，减小恶劣环境等其他因素造成的误差。
基于磁调制原理的直流漏电流检测仪是一种用于测量正在运行的电气线路的电流大小的仪表，在不断开回路的情况下就能监测和记录mA级别的直流电流信号，帮助排除回路故障。
优选的方案，所述钳表为分离钳，所述分离钳的钳口外置，钳口后端连接导线。钳口放置在外部，可以脱离本体，导线足够长，便于夹持内部物体，这样本体在外部进行检测分析即可。便于操作和观察。
结合图2至图8所示，方波发生器包括方波振荡电路及功率放大器TS922；所述方波振荡电路包含电压基准芯片LM385D及运放器TLC2262，电压基准芯片LM385D产生2.5V电压至至运放器TLC2262放大后输出电压信号±3.6V至电子开关芯片CD4053的Y0引脚，所述电子开关芯片CD4053的Y引脚输出方波信号至所述功率放大器TS922放大后再传输至励磁绕组。所述检测绕组输出的感应电流信号经过带通滤波器和运算放大器进行滤波放大后，再输入至相敏检波器进行二次谐波提取。
具体地，电子开关芯片CD4053的Y引脚输出方波信号，分别连接至两个功率放大器TS922的正向输入端和负向输入端，两个所述功率放大器TS922的输出端分别依次串接电阻和电感后连接至励磁绕组的两端。
由此可知，电压基准芯片采用的是芯片LM385D-2.5V，芯片LM385D-2.5V产生2.5V电压至运放器TLC2262放大后输出电压信号±3.6V至电子开关芯片CD4053的Y0引脚。通过电子开关芯片CD4053及运放器TLC2262构成的方波振荡电路。主控芯片控制电子开关芯片CD4053对电压信号进行处理后得到基础方波，基础方波再经过功率放大器TS922进行功率放大后形成完整方波，最后进入励磁绕组作为激励信号。
钳表用于加持被测物以形成电连接，若被测物存在漏电电流Iout，则钳表也会导电，钳表的另一端的导线也会带电，导线位于感应芯环附近或直接穿过感应芯环中心。此时，带电导线附近就会产生直流恒定磁场，经过感应芯环附近时，便会破坏原激励信号与感应电流信号的对称性平衡，进而便可以检测到是否漏电。
经过功率放大后形成完整方波进入励磁绕组作为激励信号。励磁绕组与检测绕组对称绕制在电流检测环即感应芯环即铁芯上形成磁调制电流传感器终端。磁调制电流传感器终端是在交变对称电压或电流源所形成的激磁环境中。若此时铁芯附近存在直流恒定磁场，铁芯中交变磁通的对称性就被破坏，磁通波形的正负半波相位就发生变化。相应地，检测绕组输出电压中的正负半波将发生相对位移。正负半波相位变化量的大小和方向就可以反映改直流偏置电流的大小和方向。磁调制传感器相对于霍尔直流传感器，量程更宽，精度极高，零点失调绩效，温漂系数好，线性度佳，带宽大等综合方面的优势，精确度可以达到100微安级别。
在具体的实施场景过程中：将钳表夹持在被测导线或被测器件上时，若被测导线或被测器件上存在漏电电流Iout，则该漏电电流Iout沿着钳表后端导线穿过感应芯环中间时，在激励信号的作用下，检测绕组上便会对应产生感应电流信号。其中，感应芯环为环状铁芯。
采集该检测绕组中的感应电流信号，然后提取感应电流信号的二次谐波来对被测直流信号进行检测，此二次谐波反映了直流信号的大小与方向。二次谐波的提取过程如下：
如图3至图8所示，检测绕组输出的感应电流信号在经过第一级滤波放大器TLC2262进行带通滤波和反向放大后，进入相敏检波器。具体地，检测绕组与所述带通滤波器TLC2262的负向输入端连接，所述带通滤波器TLC2262的输出端与所述运算放大器TLC2262的负向输入端及电子开关芯片CD4053的Z0引脚连接。电子开关芯片CD4053的Z引脚与运算放大器TLC2262的正向输入端连接，且该运算放大器TLC2262的负向输入端与第一级滤波放大器TLC2262的输出端连接。从电子开关芯片CD4053对感应电流信号进行二次谐波提取。从电子开关芯片CD4053的Z引脚出来的二次谐波经过信号调理模块进行平滑滤波处理后输出直流信号VDC_IN，该直流信号VDC_IN输入至下一级的ADC。
其中，通过电子开关芯片CD4053同时具备多功能，既可以当做方波发生器，又可以当做相敏检波器，通过不同的外围电路形成不同的功能，一芯多用，节约电路资源，精简电路结构，提高电信号传输效率和精度。
其中，因为对二次谐波进行整流鉴相的过程中需要一个参考信号，因此将方波振荡电路输出的完整方波传输到相敏检波器，相敏检波器以该完整方波的频率为基准设定参考信号，参考信号频率为激励信号频率的两倍。对相敏检波器输出的信号进入信号调理模块进行平滑滤波，最后输出直流信号。MCU通过ADC芯片测量该直流信号即可换算成电流参数在OLED屏幕显示。ADC芯片的输入端与所述相敏检波器的输出端连接，所述ADC芯片的输出端与数艘MCU串口通信连接。在此不再赘述。
需要特别指出的是，电路图的中各芯片的型号及具体电路连接关系均在说明书附图中公开显示，本领域的技术人员是可以根据说明书附图进行电路结构的完整重现，具体各芯片型号及电路连接关系在此不再赘述。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，其特征在于，包括：方波发生器、相敏检波器、励磁绕组、检测绕组及感应芯环；
所述励磁绕组与检测绕组对称绕制在感应芯环上，所述方波发生器用于产生方波并传输至励磁绕组，所述检测绕组测得感应电流信号后传输至相敏检波器。
2.根据权利要求1所述的用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，其特征在于，所述感应芯环为环状铁芯。
3.根据权利要求1所述的用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，其特征在于，所述方波发生器包括方波振荡电路及功率放大器TS922；
所述方波振荡电路包含电压基准芯片LM385D及运放器TLC2262，电压基准芯片LM385D产生2.5V电压至至运放器TLC2262放大后输出电压信号±3.6V至电子开关芯片CD4053的Y0引脚，所述电子开关芯片CD4053的Y引脚输出方波信号至所述功率放大器TS922放大后再传输至励磁绕组。
4.根据权利要求3所述的用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，其特征在于，所述电子开关芯片CD4053的Y引脚输出方波信号，分别连接至两个功率放大器TS922的正向输入端和负向输入端，两个所述功率放大器TS922的输出端分别依次串接电阻和电感后连接至励磁绕组的两端。
5.根据权利要求4所述的用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，其特征在于，所述磁调制电路结构还包括带通滤波器和运算放大器，所述检测绕组输出的感应电流信号经过带通滤波器和运算放大器进行滤波放大后，再输入至相敏检波器进行二次谐波提取。
6.根据权利要求5所述的用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，其特征在于，所述带通滤波器型号为TLC2262，所述运算放大器型号同为TLC2262；
带通滤波器TLC2262的输出端与运算放大器TLC2262的负向输入端及电子开关芯片CD4053的Z0引脚连接，电子开关芯片CD4053的Z引脚与所述运算放大器TLC2262的正向输入端连接。
7.根据权利要求6所述的用于直流漏电流检测仪的磁调制电路结构，其特征在于，所述运算放大器TLC2262的输出端依次串接电阻R8和R9后输出直流信号VDC_IN，所述电阻R8和电阻R9的阻值大小分别为6.19KΩ和51.1KΩ。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117388557A (zh) * | 2023-10-25 | 2024-01-12 | 上海盛位电子技术有限公司 | 一种电流传感装置和磁调制方法 |
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2022
- 2022-09-10 CN CN202222405864.4U patent/CN218213374U/zh active Active
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