一種交流電動態檢測裝置及方法與流程

本發明涉及一種交流電檢測裝置，特別是涉及一種交流電動態檢測裝置及方法。

背景技術：

交流電的測量在電的測量計量中是很重要的測量對象，傳統測量交流電流的方法有以下幾種：用萬用表的串聯電阻分壓法、運用互感器的電磁轉換法、相位互感器檢測，以及臥輪電鍍表的電-磁-測量法。其中，萬用表和專用表的電阻分壓法，其最高分辨(以四位半為例)100微伏，傳統測量電阻的方法則為200Ω。

以上的方法在各種儀表和工業、家庭運用中都具有較成熟的產品，并其使用規模很大。若要更科學、長久節能、持續在線式測量，特別是大批量、大范圍分布式地監測，以上方法都存在這些不可避免的缺陷：就是測量范圍小、靈敏度低、不科學、體大、體重、耗材、耗能、造價高的問題。因為不論是高阻分壓的外接式分壓電阻，還是電磁轉換裝置，都必然地需要一個鋪助的耗能部件來進行采樣，才能對交流電流進行測量，如此一來，必然造成持續測量范圍小、靈敏低、體重、體大、耗材、耗能、高成本；另方面，資源的損耗也很明顯，比如電磁轉換器需要的矽鋼片、絕緣材料、銅材材料等。

技術實現要素：

本發明提供了一種交流電動態檢測裝置及方法，其克服了現有技術的交流電檢測裝置及方法所存在的不足之處。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種交流電動態檢測裝置，包括第一直流供電電路、供電電壓低于第一直流供電電路的第二直流供電電路、穩壓基準電路、微電位取樣電路、至少進行兩級放大的工頻交流放大電路、檢波電路、校準電路、信號顯示器；第一直流供電電路的電壓輸出端接工頻交流放大電路的電源輸入端，第二直流供電電路的電壓輸出端接信號顯示器的電源輸入端，穩壓基準電路的電壓輸入端接第二直流供電電路，穩壓基準電路的電壓輸出端接信號顯示器的基準電壓輸入端；微電位取樣電路連接被測交流電，且其取樣電壓信號輸出端接工頻交流放大電路的輸入端，工頻交流放大電路的輸出端依次通過檢波電路、校準電路接信號顯示器的輸入端；

還包括電磁轉換COSΦ放大取樣測量電路，用于測量流經微電位取樣電路的交流電的電鍍、相位信號，其在微電位取樣電路與工頻交流放大電路未連接或斷開連接時，連接工頻交流放大電路。

進一步的，所述微電位取樣電路包括一段取樣導線；所述電磁轉換COSΦ放大取樣測量電路包括相位表和小型互感器，小型互感器的線圈的一端接地，在取樣導線的取樣電壓信號輸出端與工頻交流放大電路的輸入端未連接或斷開連接時，小型互感器的線圈另一端接工頻交流放大電路的輸入端，且取樣導線穿入小型互感器的線圈中；所述相位表的輸入端連接所述工頻交流放大電路的輸出端。

進一步的，所述第一直流供電電路取自工頻電，包括降壓電容、泄放電阻、整流濾波電路，降壓電容和泄放電阻并聯連接，且其一端通過插頭連接220V交流電的火線，另一端接整流濾波電路的輸入端，整流濾波電路的電壓正輸出端接工頻交流放大電路的電源正輸入端，整流濾波電路的電壓負輸出端接工頻交流放大電路的電源負輸入端。

進一步的，所述第二直流供電電路取自工頻電，包括降壓電容、泄放電阻、整流濾波電路、降壓電容和泄放電阻并聯連接，且其一端通過插頭連接220V交流電的火線，另一端接整流濾波電路的輸入端，整流濾波電路的電壓正輸出端接信號顯示器的電源正輸入端，整流濾波電路的電壓負輸出端接信號顯示器的電壓負輸入端；所述穩壓基準電路的電壓輸入端接整流濾波電路的電壓正輸出端。

進一步的，所述工頻交流放大電路包括第一運算放大器和第二運算放大器，二者分別由所述第一直流供電電路進行供電，且二者的反饋電阻分別為10MΩ；第一運算放大器的輸入端構成工頻交流放大電路的輸入端，第一運算放大器的輸出端接第二運算放大器的輸入端，第二運算放大器的輸出端構成工頻交流放大電路的輸出端。

進一步的，所述第一直流供電電路的供電電壓為±9V，所述第二直流供電電路的供電電壓為±5V，所述穩壓基準電路的供電電壓為2.5V。

進一步的，所述小型互感器用外徑2.3cm、內徑1cm、高1.2cm的磁芯或薄膜合金的環狀體，在環狀體上撓上Φ0.5mm的紫銅線一百多圈后，包好絕緣和固定；和/或，還包括單刀雙擲開關，所述取樣導線的取樣電壓信號輸出端和小型互感器的線圈另一端通過該單刀雙擲開關連接工頻交流放大電路的輸入端。

進一步的，所述信號顯示器包括數碼管驅動電路和與之匹配的多位數碼管顯示模塊。

一種交流電動態檢測方法，包括以下步驟：

沿長度方向，將兩個采樣點固定連接于一段取樣導線上，并使所述取樣導線及采樣點處于被測交流電回路中；

將兩個采樣點的電壓差通過工頻交流放大電路進行至少兩級放大，并將工頻交流放大電路的輸出依次通過檢波電路和校準電路連接信號顯示器的輸入端，由信號顯示器顯示采樣點間交流電流的測量值；所述工頻交流放大電路的供電電壓大于信號顯示器的供電電壓；

用標準儀器測量兩個采樣點間交流電流的大小，獲得參考值；

將所述測量值與參考值進行比較，并調節校準電路，直至所述測量值與參考值吻合；

用電磁轉換COSΦ放大取樣測量電路測量采樣點間交流電流的電鍍、相位信號。

進一步的，所述電磁轉換COSΦ放大取樣測量電路包括小型互感器和相位表，將小型互感器的線圈一端接地，在取樣導線的取樣電壓信號輸出端與所述工頻交流放大電路的輸入端斷開連接時，將小型互感器的線圈另一端接工頻交流放大電路的輸入端，將取樣導線穿入小型互感器的線圈中，將相位表的輸入端連接所述工頻交流放大電路的輸出端，使相位表獲得電鍍、相位信號。

相較于現有技術，本發明具有以下有益效果：

1、本發明采用第一直流供電電路對工頻交流放大電路單獨供電，采用供電電壓低于第一直流供電電路的第二直流供電電路對信號顯示器單獨供電，不僅能夠滿足工頻交流放大電路和信號顯示器各自的工作所需，還得以顯著提高工頻交流放大電路的放大倍數，使工頻交流放大電路的放大倍數≥10000倍，從而使本發明能夠檢測取樣電阻更低(毫微歐姆級及以下)的交流電，從中擴大了本發明的測量范圍，也大大提高了本發明的測量靈敏度，減少溫度效應；本發明相比現有技術的測量裝置，其更加節能減排、安全性好、成本低、體積小、質輕、測量更直接方便。

2、本發明還包括電磁轉換COSΦ放大取樣測量電路，用于測量交流電的電鍍、相位信號，能夠實現低電阻在線動態檢測交流電，使交流電的有功功率與無功功率得以鑒別。

3、電磁轉換COSΦ放大取樣測量電路包括所述相位表和小型互感器，能夠測量電鍍、相位，并具有電路結構簡單、操作簡便、成本低等特點。

4、所述第一直流供電電路和第二直流供電電路分別取自工頻電，通過對工頻電進行降壓整流濾波獲得可使用的直流電，使用方便。

以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明；但本發明的一種交流電動態檢測裝置及方法不局限于實施例。

附圖說明

圖1是本發明的原理框圖；

圖2是本發明的電路結構示意圖。

具體實施方式

實施例，請參見圖1、圖2所示，本發明的一種交流電動態檢測裝置，包括第一直流供電電路1、供電電壓低于第一直流供電電路1的第二直流供電電路2、穩壓基準電路3、微電位取樣電路4、至少進行兩級放大的工頻交流放大電路5、檢波電路6、校準電路7、信號顯示器8；第一直流供電電路1的電壓輸出端接工頻交流放大電路5的電源輸入端，第二直流供電電路2的電壓輸出端接信號顯示器8的電源輸入端，穩壓基準電路3的電壓輸入端接第二直流供電電路2，穩壓基準電路3的電壓輸出端接信號顯示器8的基準電壓輸入端；微電位取樣電路4連接被測交流電，且其取樣電壓信號輸出端接工頻交流放大電路5的輸入端，工頻交流放大電路5的輸出端依次通過檢波電路6、校準電路7接信號顯示器8的輸入端。所述信號顯示器8的型號為tc7106或tc7107或tc7129。本發明還包括電磁轉換COSΦ放大取樣測量電路，用于測量流經微電位取樣電路4的交流電的電鍍、相位信號，其在微電位取樣電路4與工頻交流放大電路5未連接或斷開連接時，連接工頻交流放大電路5。

本實施例中，所述微電位取樣電路4包括一段取樣導線R2，該取樣導線R2可以是橫截面為圓形的銅質導線。測試時，該取樣導線R2的一端與通過插頭P3連接工頻電11的插座T1的零線N相接，另一端與工頻交流放大電路5輸入端處的電阻R3、R4(該兩個電阻為保護電阻)相接，電阻R4的一端接地，電阻R3的另一端接下述第一運算放大器的3腳(即第一運算放大器的同向輸入端)。

電磁轉換COSΦ放大取樣測量電路包括相位表9和小型互感器10，小型互感器10的線圈一端接地，在取樣導線R2的取樣電壓信號輸出端與工頻交流放大電路5的輸入端未連接或斷開連接時，小型互感器10的線圈另一端接工頻交流放大電路5的輸入端(即與工頻交流放大電路5輸入端處的電阻R3、R4相接)，且取樣導線R2穿入小型互感器10的線圈中；所述相位表9連接所述工頻交流放大電路5的輸出端。作為一種優選方式，所述取樣導線R2的取樣電壓信號輸出端和小型互感器10的線圈另一端通過單刀雙擲開關12連接工頻交流放大電路5的輸入端，具體為單刀雙擲開關12的動端連接工頻交流放大電路5的輸入端，單刀雙擲開關12的其中一個不動端連接小型互感器10的線圈另一端，單刀雙擲開關12的另一個不動端連接取樣導線R2的取樣電壓信號輸出端。

本實施例中，所述第一直流供電電路1取自工頻電11，并形成±(8-15)V的供電電壓，取較佳值±9V。第一直流供電電路1包括降壓電容C1、泄放電阻R2、整流濾波電路，降壓電容C1和泄放電阻R2并聯連接，且其一端通過插頭P3連接220V交流電的火線，另一端接整流濾波電路的輸入端，整流濾波電路的電壓正輸出端接工頻交流放大電路5的電源正輸入端，整流濾波電路的電壓負輸出端接工頻交流放大電路5的電源負輸入端。具體，整流濾波電路包括二極管D1、D2、電容C2、C3、穩壓二極管D3、D4。二極管D1的正極接降壓電容C1和泄放電阻R2共點的另一端，二極管D1的負極與電容C2的正極和穩壓二極管D3的負極相接，形成+9V的充電穩壓，并提供給下述第一運算放大器和第二運算放大器的8腳(即電源正輸入端)；電容C2的負極和穩壓二極管D3的正極接地。二極管D2的負極接降壓電容C1和泄放電阻R2共點的另一端，二極管D2的正極與電容C3的負極和穩壓二極管D4的正極相接，形成－9V的充電穩壓，并提供給下述第一運算放大器和第二運算放大器的4腳(即電源負輸入端)；電容C3的正極和穩壓二極管D4的負極接地。

本實施例中，所述第二直流供電電路2同樣取自工頻電11，并形成±5V的供電電壓，穩壓基準電路3則形成2.5V的基準電壓，供顯示用。該第二直流供電電路2包括降壓電容C8、泄放電阻R16、整流濾波電路、降壓電容C8和泄放電阻R16并聯連接，且其一端通過插頭P3連接220V交流電的火線，另一端接整流濾波電路的輸入端，整流濾波電路的電壓正輸出端接信號顯示器8的電源正輸入端，整流濾波電路的電壓負輸出端接信號顯示器8的電壓負輸入端；所述穩壓基準電路3的電壓輸入端接整流濾波電路的電壓正輸出端。具體，第二直流供電電路2的整流濾波電路包括二極管D7、D8、電容C9、C10、穩壓二極管D9、D10。二極管D8的正極接降壓電容C8和泄放電阻R16共點的另一端，二極管D8的負極與電容C9的正極和穩壓二極管D9的負極相接，形成+5V的充電穩壓，并提供給信號顯示器8的正極；電容C9的負極和穩壓二極管D9的正極接地。二極管D7的負極接降壓電容C8和泄放電阻R16共點的另一端，二極管D7的正極與電容C10的負極和穩壓二極管D10的正極相接，形成－5V的充電穩壓，并提供給信號顯示器8的負極；電容C10的正極和穩壓二極管D10的負極接地。穩壓基準電路3包括電阻R17、穩壓二極管D3，電阻R17的一端接穩壓二極管D9的負極，電阻R17的另一端接穩壓二極管D3的負極，以提供2.5V的基準電壓，供信號顯示器8顯示用。

本實施例中，所述工頻交流放大電路5包括第一運算放大器U1A和第二運算放大器U1B，二者分別由所述第一直流供電電路1進行供電，使交流得到對稱放大，且二者的反饋電阻R5、R8的阻值分別為10MΩ。第一運算放大器U1A的輸入端構成工頻交流放大電路5的輸入端，第一運算放大器U1A的輸出端接第二運算放大器U1B的輸入端，第二運算放大器U1B的輸出端構成工頻交流放大電路5的輸出端。取樣電阻R2的信號經第一運算放大器U1A的3腳進入第一運算放大器U1A進行放大，所得值經由反饋電阻R5反饋到第一運算放大器U1A的2腳，確定了第一運算放大器U1A的放大倍數，其中間信號也經電阻R0接地。第一運算放大器U1A放大后的信號經過1腳、電阻R6供給第二運算放大器U1B，做第二級放大，放大后的中間值經第二運算放大器U1B的7腳做電鍍、相位輸出，并經反饋電阻R8反饋到第二運算放大器U1B的6腳(即反向輸入端)，且其中間信號也經R7入地，整個放大結束。

所述檢波電路6包括電容C11、C6、C5、二極管D5、D6、電阻R12、R13、R10，所述校準電路7包括電阻R11、R14、R15、電位器RP4、電容C7。第二運算放大器U1B的7腳接電容C11的一端，電容C11的另一端接二極管D5的負極和二極管D6的正極，通過二極管D5、D6各自整流后，二極管D6對所整流的正電位給并聯在一起的電阻R10和電容C5積存電位，并把這電位經連接在一起的電阻R11和電容C7進一步濾波，再由電阻R14提供給電位器RP4,并由其中間抽頭作為電流的電位信號提供顯示輸出。電位器RP4的另一端還與電阻R15的一端相連，電阻R15的另一端接地。二極管D5的正極連接于并聯在一起的電阻R12和電容C6的一端，電阻R12和電容C6的另一端與并聯在一起的電阻R10、電容C5連接，并連接于電阻R13，同時通過電阻R13連接到地。還包括電阻R9和電容C4，電阻R9的一端接電阻R10和電容C5的一端，電阻R9的另一端與電容C4相連，提供給第二運算放大器U1B的6腳。電容C4用于濾波，使輸出電壓跳變變得更加平緩。

本實施例中，所述小型互感器10用外徑2.3cm、內徑1cm、高1.2cm的磁芯或薄膜合金的環狀體，在環狀體上撓上Φ0.5mm的紫銅線一百多圈后，包好絕緣和固定。所述信號顯示器8包括數碼管驅動電路和與之匹配的多位數碼管顯示模塊，采用±5V供電，耗電小，顯示準確。

在實際電流、電鍍測量時，以Φ2.4mm，長4cm的紫銅導線作為取樣導線R2來測量20安的交流電流和顯示COSΦ。經放大檢波后，其顯示值為1400，(這是經電位器RP4調整后的值)。如果計算此取樣導線R2的電阻，應是電阻率/(導線半徑的平方*π)*導線長度，即1.851*10^-8/(0.0012²*3.140)*0.04，這段取樣導線的電阻為0.0001637473Ω，當放大一萬倍后，其數顯值可升到1.637473。

本發明的取樣導線R2作為采樣元件和1毫微伏測量的方式，一方面不會產生額外的功耗，另一方面也不需要在線導線以外的鋪助部件進行采樣處理，其電流測量范圍很大(無窮大)；同時，這種直接使用在線導線的方式，不用考慮輔助部件的量程和規格問題，因為測量僅采樣，采樣元件導體的極限參數限制，具有十分穩定、可靠的性能，且一致性容易保證，測量成本低。另外，直接使用在線導線的方式，由于沒有輔助部件，比如互感線圈、高阻值電阻等，避免了輔助部件的安全隱患，所以安全性好。

本發明使用兩級放大形式，這種形式一方面使來自于采樣端的交流電流首先獲得高倍率的放大，放大徑短，保證了信號放大的精度；另一方面，將檢波電路6中的放大倍率設置為受校準電路7可控制的可變倍率形式，以至于校準時不會過多影響第一級的信號穩定性，所以，其穩定性和精度較高。

本發明由于使用了低阻值的方式在線檢測交流電流，因此，易于拓展為許多檢測裝置和方法的方案，比如低阻測量儀器、電鍍表、萬用表、交流毫微伏測量、功率表、相位計、保安開關、保險絲、過流開關、高壓互感器等等；同時保持了超低能耗、高可靠性等優點。

本發明的一種交流電動態方法，包括以下步驟：

沿長度方向，將兩個采樣點固定連接于一段取樣導線上，并使所述取樣導線及采樣點處于被測交流電回路中；

將兩個采樣點的電壓差通過所述工頻交流放大電路5進行放大，并將工頻交流放大電路5的輸出依次通過所述檢波電路6和所述校準電路7連接所述信號顯示器8的輸入端，由信號顯示器8顯示采樣點間交流電流的測量值；所述工頻交流放大電路5的供電電壓大于信號顯示器8的供電電壓；

用標準儀器(例如鉗形表)測量兩個采樣點間交流電流的大小，獲得參考值；

將所述測量值與參考值進行比較，并調節校準電路6(即調節所述校準電路6的電位器RP4)，直至所述測量值與參考值吻合；

用電磁轉換COSΦ放大取樣測量電路測量采樣點間交流電流的電鍍、相位信號：所述電磁轉換COSΦ放大取樣測量電路包括小型互感器和相位表，將小型互感器的線圈一端接地，在取樣導線的取樣電壓信號輸出端與所述工頻交流放大電路的輸入端斷開連接時，將小型互感器的線圈另一端接工頻交流放大電路的輸入端，將取樣導線穿入小型互感器的線圈中，將相位表的輸入端連接所述工頻交流放大電路的輸出端，使相位表獲得電鍍、相位信號。

由于取樣導線的電阻值可以確定，同時工頻交流放大電路的放大值和總放大倍數也可以唯一確定，因此，根據這些數據，運用歐姆定律可以確定流經取樣導線的電流值，其為一估算值。考慮到實際情況，例如取樣導線兩端的歐姆接觸，放大電路的誤差，導線的材質、組分變化等，導致估算值與真實值通常存在微小差異。因此，通過調節校準電路對測量值進行修正，使其與真實值(參考值)吻合，即可反應流經取樣電阻兩端的實際電流。經過校準電路校準后，下次采用本發明的交流電動態檢測裝置進行交流電動態檢測時，無需再調節校準電路。

本實施例中，所述電阻值由所述取樣導線R2的電阻率和所述采樣點之間的幾何特征計算得到，使取樣導線R2的阻值、溫度/濕度特性易于控制，容易實現量產的一致性；并且，整個方案并不受取樣導線R2與其所在回路的歐姆接觸影響，接駁和卸載十分便利。

在其它實施例中，所述第一直流供電電路和第二直流供電電路分別直接采用直流電或電池。

上述實施例僅用來進一步說明本發明的一種交流電動態檢測裝置及方法，但本發明并不局限于實施例，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本發明技術方案的保護范圍內。