CN101561458B

CN101561458B - 在线测量电流的方法和装置

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Publication number: CN101561458B
Application number: CN2009100855992A
Authority: CN
Inventors: 刘海先
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2029-05-26
Also published as: CN101561458A

Abstract

本发明公开了一种在线测量电路中电流的方法及其装置，该方法通过测量被测电路中某一电路元件在正常工作和在额外施加电压两种状态下的电压值后，通过计算即可得到被测电路中的电流。本发明同时还公开了实施上述方法的在线测量电路电流的装置。利用本发明方法和装置，无须断开被测电流通路，也无须打断被测电路的正常工作，直接通过对被测电路中选取的一个电路元件进行测试后，经过计算就可以显示被测电路中的电流值，极大地方便了电路的维修和诊断，同时，本发明装置还具有电路设计简洁的优点。

Description

在线测量电流的方法和装置

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，更具体的说涉及一种在线测量电流的方法和装置。

背景技术

以往，为了测量电流，需要把电流表串接到电流回路中，测量后再将电流表取出，因而不但影响电路的正常工作，操作上也很不方便。对此，人们不断寻找新的测量方法，如中国专利200610157793.3“在线测量直流***和方法”就记载了一种测量方法，这种方法虽然不用再将电流表接入电流回路中，但在测量工程中还是需要关断回路的正常工作电流，因而仍然对被测回路的工作造成干扰。中国专利CN85107432.A“在线直流电流测量方法及在线电流表”披露了另一种测量方法，该方法可以直接测量回路中的电流，而不必中断被测电路的工作，但是其缺点是测量设备要提供与工作电流相同的电流，当要测量的电流达到100MA～1A时，就不再适合于便携式仪表，当要测量的电流达到1A～20A时，则将使测试设备的电源变得非常复杂，另外，这种测量方法还存在容易受外界因素影响，工作可靠性差的缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种在线测量电流的方法，以及实现这种方法的装置。

本发明的技术方案如下：

一种在线测量电流的方法，具体为：

1)在被测电路中选取一具有线性阻抗的元件；

2)在被测电路保持正常工作状态下，测取所选元件两端的电压，并且在所选元件两端并接一测试电源，再次测取所选元件两端的电压，以及测取由测试电源和所选元件所构成的回路中电流；

3)通过计算得出所要测量的电流值。

在进行上述步骤2)之前，首先确定所选元件中工作电流的性质，然后根据被测量电流的性质，再进行后面的步骤2)、步骤3)。

当被测量电流为直流时，首先用电压测量装置测取所选元件两端的电压，得到一电压值V1；然后，在所选元件两端并接一直流测试电源，使由该直流测试电源和所选元件构成的回路中产生一测试电流I1，并同时测取所选元件两端的电压，得到一电压值V2；最后，通过公式：I＝I1×V1/(V2-V1)计算得出被测电路中的直流工作电流。

当被测量电流为直流时，也可按如下方式进行测量：用输出方波脉冲信号的测试电源，串联电流测量装置后，并联在所选元件的两端，同时在所选元件两端并联电压测量装置，分别测取输出方波高电平时的电压Vth、电流Ith和输出方波低电平时的电压Vtl、电流Itl，最后通过公式I＝(Ith*Vtl-Vth*Itl)/(Vth-Vtl)计算出所选元件中的直流工作电流I。

当被测量电流为直流时，还可按如下方式进行测量：首先，用电压测量装置测取所选元件两端的电压，得到一电压值V1；然后，用发出正弦波的交流测试电源与串联在交流测试电源上的选频电流测量装置并联在所选元件的两端，测取测试电流It，用选频电压测量装置测取所选元件两端的电压Vt，计算出阻抗值Z＝Vt/It；最后，通过公式I＝V1/R计算出所选元件中的工作电流I，其中R为Z的实部。

当被测量电流为交流时，其测量步骤为：首先，用选频电压测量装置测取所选元件两端的电压V；然后，用发出正弦波的交流测试电源与串联在测试电源上的选频电流测量装置并联在所选元件的两端，测取测试电流It，用选频电压测量装置测取所选元件两端的电压Vt，计算出阻抗值Z＝Vt/It；最后，通过公式I＝V/Z计算出所选元件中的工作电流I，其中的Z、Vt、It、V、I均为矢量。

当被测量电流包含有多种频率的交流成分时，首先，利用选频电压测量装置分别测取所选元件两端各个频率下的电压V1、V2...Vn；然后，用发出正弦波的交流测试电源与串联在测试电源上的选频电流测量装置并联在所选元件的两端，测取电流It，用选频电压测量装置测取所选元件两端的电压Vt，计算出阻抗值Z＝Vt/It；最后，通过公式I＝V/Z计算出各个频率下的电流I1、I2...In，并通过公式I＝Vd/R+∑Ii计算出所选元件中的工作电流I，其中i＝1、2...n，Z、Vt、It、V、I均为矢量。

当被测量电流既包含有交流成分又有直流成分时，首先，用输出方波脉冲信号的测试电源，串联电流测量装置后，并联在所选元件的两端，同时在所选元件两端并联电压测量装置，分别测取输出方波高电平时的电压Vth、电流Ith和输出方波低电平时的电压Vtl、电流Itl，通过公式I₁＝(Ith*Vtl-Vth*Itl)/(Vth-Vtl)计算出所选元件中的直流工作电流I₁；

然后，用选频电压测量装置测取所选元件两端的电压V，用发出正弦波的交流测试电源与串联在测试电源上的选频电流测量装置并联在所选元件的两端，测取测试电流It，同时用选频电压测量装置测取所选元件两端的电压Vt，计算出阻抗值Z＝Vt/It，通过公式I＝V/Z计算出所选元件中的工作电流I₂；

最后，通过公式I＝I₁+I₂计算得出所选元件中的工作电流I，其中，Z、Vt、It、V、I₂、I均为矢量。

进一步，当所选元件的工作电流中包含有交流成分时，所述发出正弦波的交流测试电源选用的频率不同于被测量电流中所包含交流成分的频率。

进一步，所述所选元件为被测电路中的一段导线、电阻、电感或电容。

实施上述方法的一种在线测量电流的装置，该装置包括测试电源、选频电压测量装置、选频电流测量装置、信号处理单元、显示器，其中，测试电源能够输出直流方波脉冲信号和交流正弦波信号，信号处理单元用于对选频电压测量装置和选频电流测量装置测取的信号进行运算处理，以得到所要测量的工作电流值，显示器用于显示测量结果及测取信号的波形。

进一步，所述信号处理单元的运算处理包括对被测量电流有效值(均方根值)的计算、绝对值计算、绝对平均值的计算。

进一步，在已测取计算得到阻抗值Z后，对并联在所选元件两端电压测量装置，输入到计算机的数字信号，用特性为Z的滤波器，作信号处理，以得到电流I的数据流，并根据需要直接显示波形，或计算得到有效值(均方根值)、绝对值、绝对平均值，再显示。

进一步，所述测试电源为恒流源。

进一步，所述测试电源为由一电源串接一阻值远大于所选取元件阻抗的电阻后所构成的近似恒流源。

进一步，所述信号处理单元还包括对所述的所选元件中的工作电流进行误差分析，具体为：根据电流、电压测量装置的测量误差和电流的计算公式，按常规手段计算出误差并显示，当误差过大时，通过声、光告警，提醒用户调整测试方法或另选测试元件。

本发明在线测量电流的方法和装置，使用时，无须断开被测电路，无须打断被测电路的正常工作，直接通过对被测电路中选取的一个电路元件进行测试后，经过计算就可以显示被测电路中的电流值，极大地方便了电路的维修和诊断。

附图说明

图1为本发明原理示意图；

图2为直流工作电流的测量原理示意图；

图3为交流工作电流的测量原理示意图；

图4为交、直流工作电流的原理示意图；

图5为本发明测量装置结构图；

图6a为测试电源采用恒流源的电路结构图；

图6b为测试电源采用近似恒流源的电路结构图。

具体实施方式

图1为本发明的原理示意图。

如图中所示，本发明的工作原理是在被测试元件正常工作的条件下，测取其两端的电压；在其两端并接测试电源后，再次测取所选元件两端的电压，并同时测取由测试电源和所选元件所构成回路中的电流；最后，通过计算得出所要测量的电流值。

如图2所示，当所测量的工作电流为直流时，具体步骤为：

首先，用直流电压表测取所选元件两端的电压，得到一电压值V1；然后，在所选元件两端并接一直流测试电源，用直流电流表测取由直流测试电源和所选元件构成的回路中的电流，得到一测试电流I1，并同时测取所选元件两端的电压，得到一电压值V2；最后，通过公式：I＝I1×V1/(V2-V1)计算得出被测电路中的直流工作电流。

其中的测试电源还可以采用输出方波脉冲信号的测试电源，这时，测量步骤为：

将输出方波脉冲信号的测试电源串联直流电流表后，并联在所选元件的两端，同时在所选元件两端并联直流电压表，分别测取输出方波高电平时的电压Vth、电流Ith和输出方波低电平时的电压Vtl、电流Itl，最后通过公式I＝(Ith*Vtl-Vth*Itl)/(Vth-Vtl)计算出所选元件中的直流工作电流I。

参见图4，当所测量的工作电流为直流时，还可以采用交流测试电源，测量步骤为：

首先，用直流电压表测取所选元件两端的电压，得到一电压值V1；然后，用发出正弦波的交流测试电源与串联在交流测试电源上的选频电流表并联在所选元件的两端，测取测试电流It，用选频电压表测取所选元件两端的电压Vt，计算出阻抗值Z＝Vt/It；最后，通过公式I＝V1/R计算出所选元件中的工作电流I。其中R为Z的实部。

如图3所示，当所测量的工作电流为交流时，具体步骤为：

首先，用选频电压表测取所选元件两端的电压V；然后，用发出正弦波的交流测试电源与串联在测试电源上的选频电流表并联在所选元件的两端，测取测试电流It，用选频电压表测取所选元件两端的电压Vt，计算出阻抗值Z＝Vt/It；最后，通过公式I=V/Z计算出所选元件中的工作电流I，其中的Z、Vt、It、V、I均为矢量。

由于被测试元件在工作状态下，所以有工作电流和电压存在。而由测试电源为测试阻抗产生的电流和电压，必须与工作电流和电压区分开来。因此，测量时需要注意的是：测试电源工作频率与被测试元件工作频率不同，用选频表区分，分别测取测试电流、电压和工作电压。

使为测试阻抗产生的电流、电压的频率不同于被测试元件的工作电流、电压频率。再用选频电压表、电流表来区分这两种电流、电压的不同值，因此就达到了测试阻抗的电流、电压与被测试元件工作的电流、电压互不干扰。实际上是根据被测试元件的工作电流、电压频率来选择测试电源的频率来实现的。

作为特例，当被测量电流包含有多种频率的交流成分时，其测量步骤为：

首先，利用选频电压表分别测取所选元件两端各个频率下的电压V1、V2...Vn；然后，用发出正弦波的交流测试电源与串联在测试电源上的选频电流表并联在所选元件的两端，测取电流It，用选频电压表测取所选元件两端的电压Vt，计算出阻抗值Z＝Vt/It；最后，通过公式I＝V/Z计算出各个频率下的电流I1、I2...In，并通过公式I＝Vd/R+∑Ii计算出所选元件中的工作电流I，其中i＝1、2...n，Z、Vt、It、V、I均为矢量。

如图4所示，当所测量的工作电流既包含直流成分，又包含交流成分时，具体步骤为：

首先，用输出方波脉冲信号的测试电源，串联直流电流表后，并联在所选元件的两端，同时在所选元件两端并联直流电压表，分别测取输出方波高电平时的电压Vth、电流Ith和输出方波低电平时的电压Vtl、电流Itl，通过公式I₁＝(Ith*Vtl-Vth*Itl)/(Vth-Vtl)计算出所选元件中的直流工作电流I₁；

然后，用选频电压表测取所选元件两端的电压V，用发出正弦波的交流测试电源与串联在测试电源上的选频电流表并联在所选元件的两端，测取测试电流It，同时用选频电压表测取所选元件两端的电压Vt，计算出阻抗值Z＝Vt/It，通过公式I＝V/Z计算出所选元件中的工作电流I₂；

图5所示为按照本发明原理设计的一个在线电流检测装置的实际设计结构图。

如图所示，该装置由测试电源，电流检测输入级，电压检测输入级，计算控制器CPU，显示器这几部分组成。

其中，

(1)测试电源：由DAC波形发生器U1、可变增益放大器U2、输出放大器U3组成测试电源。根据计算机的控制，DAC可以发出各种频率的交流信号。U2调节输出功率的大小，以适应各种测试要求。输出级可以设计成恒流输出，如图6a所示。也可以设计成恒压加电阻输出，如图6b所示。恒流输出的测试电源对电路的影响要小一些，但是电路要复杂一些，并且，运算放大器要有较高的工作电压，以避免非线性的发生。恒压加电阻方式就简单的多，也没有非线性的限制，但是要注意对被测电路的影响不能太大，也即电源的内阻要比所选测试元件的阻抗绝对值要大的多。原则上，测试电源输出的交流可以是任意波形，只要不干扰工作电压的测试就可以，既不含工作电压的频率成分。实际中，可选用正弦波。

(2)由采样电阻R、可变增益放大器U4、ADC数字模拟转换器U5a组成电流检测输入级。采样电阻R把通过的电流转换成电压信号。调节U4以得到最佳的测试效果，ADC把模拟测试信号转换成数字信号，送到计算控制器CPU后，由计算控制器的软件作数据处理。CPU中的软件带通滤波与电流检测输入级共同组成电流选频测量装置。选频频率可以很方便的通过设置滤波器的参数而设置，因此可方便而准确的测得It。若滤波器是低通滤波器，则组成直流电流测量装置。

(3)由可变增益放大器U6、ADC数字模拟转换器U5b组成电压检测输入级。调节U6以获得最佳的测试效果。电压检测输入级与数据处理软件可以共同完成多种测试功能。在本仪器中主要有：

①低通滤波器，完成直流测量功能。

②带通滤波器，完成选频测量功能。

③FFT，快速傅立叶转换，完成扫频功能。

④通过设置成滤波特性为阻抗1/Z的滤波器，用以测试和监控电流。

特别要说明的是，以上功能可以同时使用。

(4)显示器：用于显示最终结果。

计算软件的说明：

(1)Z的计算：设置测试电源输出频率为ft的交流信号，把选频电流测量装置和选频电压测量装置的滤波器频率设置为f。测试It和Vt，计算Z＝Vt/It，既Vt、It的幅值之比，和两者的相位之差。具体的计算方法很多，属于本专业领域技术人员的基本技能，在此不多说了。测试中要注意：①被测元件中的工作电流不能含有ft频率成分。可以预先扫描被测元件工作电流的频率成分，设置测试电源频率时，避开这些频率。②U5a与U5b须同步采样。如果合用一个ADC，以开关来选择电流、电压测试时，检测电压和电流的起始点对于测试电源的相位必须相同。根据要求，也可以显示Z。

(2)被测元件工作电流的计算：

①设置选频电压测量装置频率为通过被测元件电流的频率f，测取被测元件上的电压V，电流I＝V/Z，其中Z、V、I都是矢量。测取V时，测试电源不应含有f频率成分，谐波也不应含有f频率成分，也可以把测试电源关掉。当被测工作电流是直流时，设置选频电压测量装置为直流电压测量装置，也即把滤波器设置为低通滤波器，测取V，再取出Z(Z＝R+jX，矢量Z的一种表达方式)的实部R，I＝V/R。

②如果所测试的回路中有直流和多个交流成分时，用上述方法，测出多个交流电流，矢量相加，得到总电流。叙述如下：当有多个频率的交流电流和直流电流通过回路时，多个频率交流的下标依次为i＝1、2...n，直流下标为d。由直流电压表或选频频率为直流档测出Vd，选频频率为f1、f2...fn的选频表分别测出各频率下的电压为：V1、V2...Vn，则I＝Vd/R+∑Ii，i＝1....n，其中：ft≠fi，i＝1...n。这个总电流I也是矢量，可以根据需要，显示波形、有效值(均方根值)、绝对值、绝对平均值等。也可以观察显示各个频率成分的电流，这也就是电子学中的频域电流分析。

③把测试所选元件两端电压的选频电压测量装置中的数字滤波器，设置成特性为阻抗1/Z的滤波器，经过滤波器处理的信号就是所选元件通过的电流，既时域波形，或时域电流分析。显示方式可以根据需要，显示波形、有效值(均方根值)、绝对值、绝对平均值等。

④设置测量电源输出方波信号，选频电压测量装置和选频电流测量装置为直流测量装置，在输出方波的高电平时，测取电压为Vth，测取电流为Ith，在输出方波的低电平时，测取电压为Vtl，测取电流为Itl，用公式R＝(Vth-Vtl)/(Ith+Itl)计算出R。所述元件两端的电压为：V＝(Ith*Vtl-Vth*Itl)/(Ith+Itl)，通过公式I＝V/R计算出电流，也可以直接把I＝V/R式化简为：I＝(Ith*Vtl-Vth*Itl)/(Vth-Vtl)。

直流在线电流检测装置要简单的多，价格也低的多。主要是电流，电压测量装置都是直流测量装置，测试电源也只需产生方波。方波的频率选择，既要保证电流、电压信号在稳定后再开始测量也要保证有足够的测试时间。这要根据ADC和整个电路的设计来确定。计算方法与前述相同。

由于在线电流测试方法是间接测量，是多个量的测试计算结果，一般的，会比单项测试误差大，因此对误差进行计算和显示是必要的，当误差过大时，不仅显示误差数值，而且通过声光等告知用户，以便用户调整测试方法或另选测试元件。误差的计算公式由电流的计算公式和式中各测试项的误差推导出。该技术是本专业普通技术人员的基本知识，在此就不做详细论述。

Claims

1.一种在线测量电流的方法，具体为：

1)在被测电路中选取一具有线性阻抗的元件；

2)在被测电路保持正常工作状态下，使用选频电压表测取所选元件两端的电压，然后在所选元件两端并接一测试电源，并且使用选频电压表测取所选元件两端的电压以及使用选频电流表测取由测试电源和所选元件所构成的回路中电流；

3)通过计算得出所要测量的电流值；

在进行所述步骤2)之前，首先确定所选元件中工作电流的性质，然后根据被测量电流的性质，再进行所述步骤2)、步骤3)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当被测量电流为直流时，所述步骤2)、步骤3)具体为：

用电压测量装置测取所选元件两端的电压，得到一电压值V1；所述所选元件为电阻，然后，在所选元件两端并接一直流测试电源，使由该直流测试电源和所选元件构成的回路中产生一测试电流I1，并同时测取所选元件两端的电压，得到一电压值V2；最后，通过公式：I＝I1×V1/(V2-V1)计算得出被测电路中的直流工作电流。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当被测量电流为直流时，所述步骤2)、步骤3)具体为：

用输出方波脉冲信号的测试电源，串联电流测量装置后，并联在所选元件的两端，所述所选元件为电阻，同时在所选元件两端并联电压测量装置，分别测取输出方波高电平时的电压Vth、电流Ith和输出方波低电平时的电压Vtl、电流Itl，最后通过公式I＝(Ith*Vtl-Vth*Itl)/(Vth-Vtl)计算出所选元件中的直流工作电流I。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当被测量电流为直流时，所述步骤2)、步骤3)具体为：

首先，用电压测量装置测取所选元件两端的电压，得到一电压值V1；所述所选元件为电阻，然后，用发出正弦波的交流测试电源与串联在交流测试电源上的选频电流测量装置并联在所选元件的两端，测取测试电流It，用选频电压测量装置测取所选元件两端的电压Vt，计算出阻抗值Z＝Vt/It；最后，通过公式I＝V1/R计算出所选元件中的工作电流I，其中R为Z的实部。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当被测量电流为交流时，所述步骤2)、步骤3)具体为：

首先，用选频电压测量装置测取所选元件两端的电压V；然后，用发出正弦波的交流测试电源与串联在测试电源上的选频电流测量装置并联在所选元件的两端，测取测试电流It，所述发出正弦波的交流测试电源选用的频率不同于被测量电流中所包含交流成分的频率，用选频电压测量装置测取所选元件两端的电压Vt，计算出阻抗值Z＝Vt/It；最后，通过公式I＝V/Z计算出所选元件中的工作电流I，其中的Z、Vt、It、V、I均为矢量。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所选元件为被测电路中的一段导线、电阻、电感或电容。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用四线制测试方法，电流测试装置与所述测试电源串联后，设置在所述所选元件两端，电压测试装置同时设置在所述所选元件的两端，电压测试装置与测试电源和电流测试装置通过所选元件的引线连接。

8.实施上述权利要求1-7任一所述的方法的一种在线测量电流的装置，其特征在于，该装置包括测试电源、选频电压测量装置、选频电流测量装置、信号处理单元、显示器，其中，测试电源能够输出直流方波脉冲信号和交流正弦波信号，信号处理单元用于对选频电压测量装置和选频电流测量装置测取的信号进行运算处理，以得到所要测量的工作电流值，显示器用于显示测量结果及测取信号的波形。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元的运算处理包括对被测量电流有效值的计算、绝对值计算、绝对平均值的计算。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，在已测取计算得到阻抗值Z后，对并联在所选元件两端电压测量装置，输入到计算机的数字信号，用特性为1/Z的滤波器，作信号处理，以得到电流I的数据流，并根据需要直接显示波形，或计算得到有效值、绝对值、绝对平均值，再显示。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述测试电源为恒流源。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述测试电源为由一电源串接一阻值远大于所选取元件阻抗的电阻后所构成的近似恒流源。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元还包括对所述的所选元件中的工作电流进行误差分析，具体为：根据电流、电压测量装置的测量误差和电流的计算公式，按常规手段计算出误差并显示，当误差过大时，通过声、光告警，提醒用户调整测试方法或另选测试元件。