一種有源微弱工頻電流感應線圈的製作方法
2023-07-09 03:54:46
一種有源微弱工頻電流感應線圈的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種有源微弱工頻電流感應線圈，包括柔性感應線圈、取樣及積分電路、有源差分放大電路和電壓跟隨器；其中，柔性感應線圈，用於將耦合到的磁場轉換為交流電流信號並輸出至取樣及積分電路；取樣及積分電路，用於對接收的交流電流信號進行取樣，獲得工頻電壓信號並輸出至有源差分放大電路；有源差分放大電路，用於將接收的工頻電壓信號進行放大後輸出至電壓跟隨器；電壓跟隨器，用於隔離、緩衝放大後的工頻電壓信號，輸出電壓信號。本實用新型採用非接觸的方法，方便地檢測電湧保護器件的工頻漏電流，廣泛地應用於防雷裝置電湧保護器的工頻漏電流的檢測項目。
【專利說明】—種有源微弱工頻電流感應線圈
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及雷電科學與【技術領域】，特別是一種有源微弱工頻電流感應線圈。
【背景技術】
[0002]雷電流是一種典型的瞬態電流脈衝，雷擊發生在輸電線路上常造成輸電線路的開路、短路以及絕緣性能的變化等現象。根據建築物防雷設計規範GB50057-2010的設計要求，在輸電線路中安裝電湧保護器用於釋放和抑制雷電波的能量。電湧保護器在釋放和抑制雷電波能量的同時，自身將雷電波的一定能量轉換成熱能，使其自身的性能發生劣變現象。劣變的出現常常表現為器件的開路、短路以及器件的工頻漏電流變大。前兩種現象比較容易檢測，現象比較明顯。但是，器件的工頻漏電流變大現象不容易檢測，都是它卻會對輸電線路造成一定的影響，由於漏電流大導致輸電線漏電流保護裝置跳閘，使輸電線路不能正常工作。漏電流變大還會導致器件發熱，引起火災等事故。
[0003]因此，根據建築物防雷裝置檢測要求，應對安裝在輸電線路的電湧保護器件進行定期檢測。目前，在檢測的項目中，電湧保護器件的工頻漏電流檢測常用常規的方法將交流電流表串聯在電湧保護器件線路中進行測量。但是，這種檢測方法操作不方便，檢測也不安全。
[0004]如何克服現有技術的不足已成為現有雷電科學與【技術領域】亟待解決的重點難題。
【發明內容】
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提供一種有源微弱工頻電流感應線圈，本實用新型用於檢測安裝在輸電線路中電湧保護器件的漏電流，實現對防雷裝置中電湧保護器的定期性能檢測。
[0006]本實用新型為解決上述技術問題採用以下技術方案:
[0007]根據本實用新型提出的一種有源微弱工頻電流感應線圈，包括柔性感應線圈、取樣及積分電路、有源差分放大電路和電壓跟隨器；其中，
[0008]柔性感應線圈，用於將耦合到的磁場轉換為交流電流信號並輸出至取樣及積分電路；
[0009]取樣及積分電路，用於對接收的交流電流信號進行取樣，並獲得工頻電壓信號輸出至有源差分放大電路；
[0010]有源差分放大電路，用於將接收的工頻電壓信號進行放大後輸出至電壓跟隨器；
[0011]電壓跟隨器，用於隔離、緩衝放大後的工頻電壓信號，輸出電壓信號。
[0012]作為本實用新型的一種有源微弱工頻電流感應線圈進一步的優化方案，所述柔性感應線圈包括柔性骨架、穿插在柔性骨架中的銅柱和在柔性骨架上密繞兩層的導線；柔性感應線圈有兩個輸出端:第一輸出端和第二輸出端。
[0013]作為本實用新型的一種有源微弱工頻電流感應線圈進一步的優化方案，所述柔性骨架是絕緣矽橡膠管，所述導線為柔軟的高溫導線。
[0014]作為本實用新型的一種有源微弱工頻電流感應線圈進一步的優化方案，所述取樣及積分電路包括第一電阻、第二電阻和電容；其中，
[0015]第一電阻的一端與第二電阻的一端、第一輸出端分別連接，第二電阻的另一端與電容的一端連接，第一電阻的另一端與第二輸出端、電容的另一端分別連接。
[0016]作為本實用新型的一種有源微弱工頻電流感應線圈進一步的優化方案，所述有源差分放大電路包括第三至十電阻，電壓跟隨器包括第一電壓跟隨器、第二電壓跟隨器和第三電壓跟隨器；其中，
[0017]第三電阻的一端與電容的一端連接，第三電阻的另一端與第五電阻的一端、第一電壓跟隨器的負輸入端分別連接，第一電壓跟隨器的正輸入端接地，第一電壓跟隨器的輸出端與第七電阻的一端連接，第七電阻的另一端與第九電阻的一端、第三電壓跟隨器的負輸入端分別連接，第九電阻的另一端與第三電壓跟隨器的輸出端連接；第四電阻的一端與電容的另一端連接，第四電阻的另一端與第六電阻的一端、第二電壓跟隨器的負輸入端連接，第二電壓跟隨器的正輸入端接地，第六電阻的另一端與第二電壓跟隨器的輸出端、第八電阻的一端分別連接，第八電阻的另一端與第三電壓跟隨器的正輸入端、第十電阻的一端分別連接，第十電阻的另一端接地。
[0018]本實用新型採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:
[0019](I)本實用新型的有源微弱工頻電流感應線圈的測量範圍大，測量工頻電流從I μ A?10mA，滿足電湧保護器工頻漏電流的檢測要求；
[0020](2)該感應線圈採用有源放大電路，檢測靈敏度高，顯示負載對測量精度的影響小;
[0021](3)該感應的骨架採用柔性矽橡膠材料，具有防潮溼、防水、絕緣性能好，使用安全；
[0022](4)該感應線圈測量時，與帶電體之間是非接觸的，操作方便，安全可靠；
[0023](5)該感應線圈測量精度高，誤差範圍小，測量平均誤差為±1.03% ；
[0024](6)該感應線圈應用範圍廣泛，同樣適用於感應絕緣端子工頻漏電流的檢測，該感應線圈應用範圍廣泛，同樣適用於感應絕緣端子工頻漏電流的檢測，方便地檢測電湧保護器件的工頻漏電流，廣泛地應用於防雷裝置電湧保護器的工頻漏電流的檢測項目。。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本實用新型的原理方框圖。
[0026]圖2是本實用新型中柔性感應線圈的結構圖。
[0027]圖3是本實用新型中取樣及積分電路圖。
[0028]圖4是本實用新型中有源差分放大電路及電壓跟隨器電路圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的詳細說明:
[0030]如圖1所示是本實用新型的原理方框圖，根據本實用新型提出的一種有源微弱工頻電流感應線圈，包括柔性感應線圈、取樣及積分電路、有源差分放大電路和電壓跟隨器；其中，
[0031]柔性感應線圈，用於將耦合到的磁場轉換為交流電流信號並輸出至取樣及積分電路；
[0032]取樣及積分電路，用於對接收的交流電流信號進行取樣，獲得工頻電壓信號並輸出至有源差分放大電路；
[0033]有源差分放大電路，用於將接收的工頻電壓信號進行放大後輸出至電壓跟隨器，提高感應線圈的靈敏度；
[0034]電壓跟隨器，用於隔離、緩衝放大後的工頻電壓信號，輸出電壓信號，保證輸出電壓信號強度。
[0035]圖2是本實用新型中柔性感應線圈的結構圖，所述柔性感應線圈包括柔性骨架、穿插在柔性骨架中的銅柱和在柔性骨架上密繞兩層的導線；柔性感應線圈有兩個輸出端:第一輸出端和第二輸出端。所述柔性骨架是絕緣矽橡膠管，所述導線為柔軟的高溫導線。
[0036]柔性感應線圈的原理是利用導體上變化的電流會產生變化的磁場的原理。當磁場耦合到線圈上時，線圈就會感應出電信號。柔性感應線圈的骨架是內徑為4mm，外徑為8mm，長度為4cm的絕緣矽橡膠管，起支撐作用，並且該骨架具有柔軟性，在其一端插入一支長2cm，直徑為4mm的銅柱並插入橡膠管的另一端即可使橡膠管環繞成一個封閉的環路。骨架上感應線圈的繞制應比較密以提高線圈的感應係數。纏繞時先按照某一個方向密集纏繞，纏繞至骨架末端以後繼續往反方向纏繞，並預留兩個接線端(第一輸出端和第二輸出端)用於取樣及積分電路連接，用於為後取樣及積分電路提供感應信號。纏繞時所用的導線應該採用適當柔軟的高溫導線。感應線圈的繞阻材料和纏繞的方式是一個決定性的因素，繞制越密則線圈的感應係數越大，線圈自感和雜散電容越大，其上限頻率會降低，這種繞制方式對工頻電流的測量不會有較大的影響。根據柔性線圈的繞線特性，選取內徑為0.5mm，夕卜徑為Imm的5芯高溫導線，內導線具有優良的耐腐蝕性、耐酸性、耐鹼性，絕緣層具有優良的電絕緣性能，能耐高壓、耐高溫，有較小的高頻損耗。根據柔性線圈的參數要求，根據經驗公式計算:
[0037]I = 2n (b-a+h+d)
[0038]S1 = 3i d2/4
[0039]r = P VS1 ；
[0040]Sc = (h+d) (b-a+d)
[0041]式中，a為矽橡膠管的內徑，b為矽橡膠管的外徑，h為繞制線圈的圈高，d為繞制導線的直徑，S1是導線的截面積，S。是線圈的截面積，P為銅材料的電阻率，I所需用到的導線長度，r是電阻；P = 17.5η Ω.m, a = 4mm, b = 8mm, h = 4.4mm。經計算繞制的阻數取460匝。繞制方式為密繞兩層，每層230匝。線圈繞制完成後，在線圈的外圍採用同樣的娃橡膠管封裝起來，娃橡膠管的內徑為1mm,外徑為14mm,長度為25cm。線圈的第一輸出端I與第二輸出端2是信號輸出埠用於與第一電阻Rl相接。
[0042]圖3是本實用新型中取樣及積分電路圖，所述取樣及積分電路包括第一電阻R1、第二電阻R2和電容C ;其中，第一電阻Rl的一端與第二電阻R2的一端、第一輸出端分別連接，第二電阻R2的另一端與電容C的一端連接,第一電阻Rl的另一端與第二輸出端、電容C的另一端分別連接。第一電阻R1、第二電阻R2和電容C這三者以π型布置。取樣及積分電路的器件參數選取應根據柔性線圈的參數計算得出:第一電阻Rl = 275Ω，其中R2 =100Ω, C = 8yF0埠 3與埠 4分別與柔性線圈埠的I埠和2埠連接，為取樣及積分電路提供信號輸入，埠 5和埠 6作為下一級有源差分放大電路及電壓跟隨器電路的信號輸入埠，與有源差分放大電路及電壓跟隨器電路的埠 7和埠 8相連。取樣及積分電路，用於對接收的交流電流信號進行取樣得到工頻電壓信號，通過第一電阻Rl即把柔性線圈耦合得到的電流信號轉化為電壓信號。取樣電阻式取樣電路裡面的R1，利用積分電路實現輸出至有源差分放大電路的電壓信號與第一電阻Rl上的電壓信號成正比。
[0043]圖4是本實用新型中有源差分放大電路及電壓跟隨器電路圖，所述有源差分放大電路包括第三至十電阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10,電壓跟隨器包括第一電壓跟隨器IC1、第二電壓跟隨器IC2和第三電壓跟隨器IC3 ;其中，
[0044]第三電阻R3的一端與電容C的一端連接,第三電阻R3的另一端與第五電阻R5的一端、第一電壓跟隨器ICl的負輸入端分別連接，第一電壓跟隨器ICl的正輸入端接地，第一電壓跟隨器ICl的輸出端與第七電阻R7的一端連接，第七電阻R7的另一端與第九電阻R9的一端、第三電壓跟隨器IC3的負輸入端分別連接，第九電阻R9的另一端與第三電壓跟隨器IC3的輸出端連接；第四電阻R4的一端與電容C的另一端連接，第四電阻R4的另一端與第六電阻R6的一端、第二電壓跟隨器IC2的負輸入端連接，第二電壓跟隨器IC2的正輸入端接地，第六電阻R6的另一端與第二電壓跟隨器IC2的輸出端、第八電阻R8的一端分別連接，第八電阻R8的另一端與第三電壓跟隨器IC3的正輸入端、第十電阻RlO的一端分別連接，第十電阻RlO的另一端接地。
[0045]第一電壓跟隨器IC1、第二電壓跟隨器IC2構成的放大電路增益為100倍。第三電壓跟隨器IC3構成的放大電路為增益為I倍，第一電壓跟隨器IC1、第二電壓跟隨器IC2由LM358雙向運算放大器組成，第三電壓跟隨器IC3由單運算放大器0P27組成，輸入信號接至積分電路的電容C的兩端，運算放大器的供電由±12V直流電源供電，它的工作過程是:來自積分電路的電壓信號經第一電壓跟隨器IC1、第二電壓跟隨器IC2放大後接到第三電壓跟隨器IC3構成的放大電路輸入端，由輸出埠 9輸出，電路的器件參數為:R3 = R4 =Ik Ω，R5 = R6 = 10k Ω , R7 = R8 = R9 = RlO = 1k Ω。
[0046]電壓跟隨器是將放大的信號進行緩衝輸出，後端接顯示負載，減小顯示負載裝置對有源差分放大電路的影響以提高輸出的穩定性。
[0047]本實用新型的完整工作過程是將柔性感應線繞在導線上，當導線中有電流流過時將在柔性感應線圈兩端的第一電阻Rl上感應出電壓信號，經過積分電路中的Rl恢復出導線中的電流信號，積分電路中電流兩端的電壓波形與導線中的電流波形一致，電壓的幅值與電流有一定的對應關係，經過有源差分放大電路進行放大後，輸出的信號加到電壓跟隨電路進行輸出，輸出的值可直接通過電壓表或示波器採取，通過一定的換算關係得出導線中的電流值。
[0048]顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬於本實用新型的實質精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍屬於本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種有源微弱工頻電流感應線圈，其特徵在於，包括柔性感應線圈、取樣及積分電路、有源差分放大電路和電壓跟隨器；其中， 柔性感應線圈，用於將耦合到的磁場轉換為交流電流信號並輸出至取樣及積分電路； 取樣及積分電路，用於對接收的交流電流信號進行取樣，獲得工頻電壓信號並輸出至有源差分放大電路； 有源差分放大電路，用於將接收的工頻電壓信號進行放大後輸出至電壓跟隨器； 電壓跟隨器，用於隔離、緩衝放大後的工頻電壓信號，輸出電壓信號。
2.根據權利要求1所述的一種有源微弱工頻電流感應線圈，其特徵在於，所述柔性感應線圈包括柔性骨架、穿插在柔性骨架中的銅柱和在柔性骨架上密繞兩層的導線；柔性感應線圈有兩個輸出端:第一輸出端和第二輸出端。
3.根據權利要求2所述的一種有源微弱工頻電流感應線圈，其特徵在於，所述柔性骨架是絕緣矽橡膠管，所述導線為柔軟的高溫導線。
4.根據權利要求2所述的一種有源微弱工頻電流感應線圈，其特徵在於，所述取樣及積分電路包括第一電阻、第二電阻和電容；其中， 第一電阻的一端與第二電阻的一端、第一輸出端分別連接，第二電阻的另一端與電容的一端連接，第一電阻的另一端與第二輸出端、電容的另一端分別連接。
5.根據權利要求4所述的一種有源微弱工頻電流感應線圈，其特徵在於，所述有源差分放大電路包括第三至十電阻，電壓跟隨器包括第一電壓跟隨器、第二電壓跟隨器和第三電壓跟隨器；其中， 第三電阻的一端與電容的一端連接，第三電阻的另一端與第五電阻的一端、第一電壓跟隨器的負輸入端分別連接，第一電壓跟隨器的正輸入端接地，第一電壓跟隨器的輸出端與第七電阻的一端連接，第七電阻的另一端與第九電阻的一端、第三電壓跟隨器的負輸入端分別連接，第九電阻的另一端與第三電壓跟隨器的輸出端連接；第四電阻的一端與電容的另一端連接，第四電阻的另一端與第六電阻的一端、第二電壓跟隨器的負輸入端連接，第二電壓跟隨器的正輸入端接地，第六電阻的另一端與第二電壓跟隨器的輸出端、第八電阻的一端分別連接，第八電阻的另一端與第三電壓跟隨器的正輸入端、第十電阻的一端分別連接，第十電阻的另一端接地。
【文檔編號】G01R19/00GK204154778SQ201420638595
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】李祥超, 陳則煌, 陳璞陽, 周中山 申請人:南京信息工程大學