CN103543323A

CN103543323A - 大直流充放电设施电流检测装置

Info

Publication number: CN103543323A
Application number: CN201310541088.3A
Authority: CN
Inventors: 张自长; 陈万才; 朱自科; 李亚娟; 曾舒帆; 苏红; 牛跃宏; 廖杰; 杨春凤; 何洪伟
Original assignee: YUNNAN INSTITUTE OF MEASUREMENT AND TESTING TECHNOLOGY
Current assignee: YUNNAN INSTITUTE OF MEASUREMENT AND TESTING TECHNOLOGY
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2014-01-29

Abstract

本发明涉及大直流检测技术领域，具体涉及一种大直流充放电设施电流检测装置；采用的技术方案：包括比较仪，所述比较仪包括两个调制检测铁芯，所述两个调制检测铁芯外周均绕有检测绕组，所述两个调制检测铁芯重叠放置并反向串联，所述两个调制检测铁芯外周依次绕上次级绕组和初级绕组，所述比较仪连接设置有激励电路、峰差检波器及跟踪放大器，所述跟踪放大器连接设置有A/D采样器，该A/D采样器连接设置有CPU处理模块及输出采样装置，所述CPU处理模块连接设置有显示装置；本发明有益效果在于：其可直接检定0.05级及以下级别的直流电流源，同时也可做实验室等测试用理想高精度大直流表，经过高精度电阻阵列采样、信号输入A/D采样器和数字乘法器，保证直流电流表的高精度。

Description

大直流充放电设施电流检测装置

技术领域

本发明涉及大直流检测技术领域，具体涉及一种大直流充放电设施电流检测装置。

背景技术

在国防计量、电力机车、电动车、蓄电池充放电、电焊机的检测以及各种大电流直流仪表的检测中，大电流、高精度直流电流表是必不可少的设备，如电动车、蓄电池的充放电电流一般在50A～500A；电力机车、地铁直流供电***直流电流一般在3000A左右，直流电流的准确测量直接关系到列车的供电安全和运行安全（如牵引整流机组的电流速断保护、过电流保护、直流正负母线的对地绝缘监视等都需进行精确的测量才能起到安全的保障）。

对于大直流电流，现场存在强磁干扰等，要进行直接接触式测量就显得非常困难，甚至难以得出准确的结果。目前，国内外都已重视这方面的研究，但在国内还没有直流电流达到3000A的高精度（精度达到0.02%）直流电流表。

发明内容

本发明的目的为解决了上述问题，提供了一种大直流充放电设施电流检测装置，其既满足了各检测机构的测试的要求，又能为各行业的计量标准的建立提供支撑。

为实现上述目的，本发明提供了一种大直流充放电设施电流检测装置，包括比较仪，所述比较仪包括两个调制检测铁芯，所述两个调制检测铁芯外周均绕有检测绕组，所述两个调制检测铁芯重叠放置并反向串联，所述两个调制检测铁芯外周依次绕上次级绕组和初级绕组，所述比较仪连接设置有激励电路、峰差检波器及跟踪放大器，所述跟踪放大器连接设置有A/D采样器，该A/D采样器连接设置有CPU处理模块及输出采样装置，所述CPU处理模块连接设置有显示装置。

具体的，所述激励电路包括振荡电路、分频电路、功率放大器，所述振荡电路包括时基集成电路NE555及RC串联电路，该RC串联电路包括依次串联连接的电容C1、电阻R1、电阻R2及可调电阻R3，所述分频电路包括双上升沿D触发器CD4013，所述功率放大器包括两个三极管C2073，所述两个三极管C2073分别与变压器T连接。

进一步的，所述振荡电路产生方波信号，该方波信号的频率可通过可调电阻R3调节，该方波信号通过双上升沿D触发器CD4013的Q、端输出两个相反的方波信号，该两个相反的方波信号分别用来推动功率放大器的两个桥臂并轮流导通然后通过变压器T输出并合成一个完整的方波信号。

此外，所述变压器T的输出端引出一个中心抽头A接地。

进一步的，所述峰差检波器以中心抽头A为参考点产生的峰差波形，当两个调制检测铁芯激励到饱和状态时，该峰差波形为幅值大小相等且对称的正负波形，此时峰差检波器无直流输出；当有正向电流通过两个调制检测铁芯时，峰差波形的正向波形幅值变大，峰差波形的负向波形幅值变小，峰差检波器输出信号为正；当有负向电流通过时，峰差波形的负向波形幅值变大，峰差波形的正向波形幅值变小，峰差检波器输出信号为负。

进一步的，所述跟踪放大器包括功率放大电路，该功率放大电路包括前置放大器及与前置放大器连接的升压扩流放大电路，该峰差检波器输出的信号经由通用运放构成的前置放大器后，推动由大功率管构成的升压扩流放大电路。

在本发明中，所述前置放大器的负极连接电阻R1的一端，该电阻R1的另一端接地，所述升压扩流放大电路分别连接有电阻R3和电阻R4，所述电阻R3另一端接地，所述前置放大器与升压扩流放大电路并联连接有电阻R2。

进一步的，所述A/D采样器对跟踪放大器输出的平衡电流进行采样变换测量，所述比较仪二次平衡输出电流值为1A，该比较仪输出电流经由A/D采样器中多个电阻构成的阻值为1Ω的采样电阻进行I/V变换后得到1V的采样信号并送入电压/频率电路进行变换。

进一步的，所述电压/频率电路采用单片同步电压-频率转换器A/D652为核心。

进一步的，所述CPU处理模块采用单片机对被测电流进行计数、运算、处理显示、传输。

本发明具有以下有益效果：在发明的大直流充放电设施电流检测装置突破直流电量计量和在线测试等方面的关键技术和难题，满足对大直流充放电设施电流的计量检定/校准，其可直接检定0.05级及以下级别的直流电流源，同时也可做实验室等测试用理想高精度大直流表，经过高精度电阻阵列采样、信号输入A/D采样器和数字乘法器，保证直流电流表的高精度(0.02%)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明大直流充放电设施电流检测装置的结构框图；

图2为本发明大直流充放电设施电流检测装置激励电路的原理图；

图3为本发明大直流充放电设施电流检测装置功率放大电路的原理图；

图4为本发明中比较仪的两个调制检测铁芯饱和状态时峰差检波器的波形图；

图5为本发明大直流充放电设施电流检测装置比较仪结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1、图2、图3、图4及图5所示，本发明提供了一种大直流充放电设施电流检测装置，包括比较仪10，所述比较仪10包括两个调制检测铁芯1，所述两个调制检测铁芯1外周均绕有检测绕组2，所述两个调制检测铁芯1重叠放置并反向串联，所述两个调制检测铁芯1外周依次绕上次级绕组3和初级绕组4，所述比较仪10连接设置有激励电路12、峰差检波器11及跟踪放大器9，所述跟踪放大器9连接设置有A/D采样器5，该A/D采样器5连接设置有CPU处理模块6及输出采样装置8，所述CPU处理模块6连接设置有显示装置7。

采用磁调制比较仪技术，通过双铁芯叠合，再通过激励电路产生的激励信号使两个铁芯处于接近饱和状态，当无外界电流通过时，从两个铁芯中点取出的检测信号处理上下半波对称状态及无信号输出，当有外界电流通过时，有检测信号输出，检测信号控制跟踪放大器输出次级电流以相反方向通过铁芯，达到安匝平衡，次级电流比例于初级电流，从而达到电流变换目的；两只绕有检测绕组的铁芯重叠放置后反向串联，再绕上次级绕组和初级绕组。两个检测绕组反向串联后由调制振荡器提供激励信号，使两个铁芯刚好进入饱和状态。当铁芯环内没有直流电流时，由于两铁芯工作状态相同对称，解调器无输出信号，放大器无输出信号，此时处于零点平衡状态。当初级绕组上通过直流电流时，解调器产生输出信号，放大器也产生输出信号，使解调器的输出趋于零点，这时平衡为动态平衡，所以直流比较仪的工作过程也称为跟踪过程。

作为本发明具体的实施方式，所述激励电路包括振荡电路、分频电路、功率放大器，所述振荡电路包括时基集成电路NE555及RC串联电路，该RC串联电路包括依次串联连接的电容C1、电阻R1、电阻R2及可调电阻R3，所述分频电路包括双上升沿D触发器CD4013，所述功率放大器包括两个三极管C2073，所述两个三极管C2073分别与变压器T连接。所述振荡电路产生方波信号，该方波信号的频率可通过可调电阻R3调节，该方波信号通过双上升沿D触发器CD4013的Q、

端输出两个相反的方波信号，该两个相反的方波信号分别用来推动功率放大器的两个桥臂并轮流导通然后通过变压器T输出并合成一个完整的方波信号。输出满足激励检测铁芯所需的具有一定频率、幅值和功率的激励信号，该激励信号通入检测铁芯，将铁芯激励到饱和状态。所述变压器T的输出端引出一个中心抽头A接地，该中心抽头A形成一个参考点，作为后级峰差检波器的参考点。

进一步的，所述峰差检波器以中心抽头A为参考点产生的峰差波形，当两个调制检测铁芯激励到饱和状态时，该峰差波形为幅值大小相等且对称的正负波形，此时峰差检波器无直流输出；当有正向电流通过两个调制检测铁芯时，峰差波形的正向波形幅值变大，峰差波形的负向波形幅值变小，峰差检波器输出信号为正；当有负向电流通过时，峰差波形的负向波形幅值变大，峰差波形的正向波形幅值变小，峰差检波器输出信号为负。铁芯被激励到饱和状态，正常工作时，将形成与A点为参考峰差波形。正负（上、下）波形幅值大小相等对称，检波器无直流输出。当有正向电流通过时，正向波形幅值变大，负向波形幅值变小，输出为正；反之，输出为负。这样峰差检波器就检测到了输入电流，通过功率放大输出电流跟踪输入电流，抵消被测电流的磁通，达到动态平衡状态。这时的平衡状态是有别于无电流输入的零点平衡状态，峰差稍有不对称，峰差检波器有一定输出，用于产生这个输出电压的电流I₀即为变换误差（通常为几毫安）。

进一步的，所述跟踪放大器包括功率放大电路，该功率放大电路包括前置放大器及与前置放大器连接的升压扩流放大电路，该峰差检波器输出的信号经由通用运放构成的前置放大器后，推动由大功率管构成的升压扩流放大电路。所述前置放大器的负极连接电阻R1的一端，该电阻R1的另一端接地，所述升压扩流放大电路分别连接有电阻R3和电阻R4，所述电阻R3另一端接地，所述前置放大器与升压扩流放大电路并联连接有电阻R2。峰差检测输出信号经由通用运放构成的前置放大后，推动大功率管构成的升压扩流放大电路。由于运放的供电电压不能超过±15V，输出摆幅为±12V，输出电流一般为±10mA，不能满足输出要求，加升压扩流放大后，可使DCC-4kA的输出电流达±1.5A、输出电压达±40V，DCC-600A的输出电压达±25V、输出电流达±0.2A，满足工作设计要求。整个功率放大器的放大倍数K=1+R2/R1，设计值约为100，取R2=100k，R1=1k。升压扩流放大部分的放大倍数K=1+R4/R3，设计值约为6，取R4=10k，R3=2k。这样前置放大器放大倍数K1=100/6,约为17倍。放大倍数K过大，放大器会出现振荡，工作不稳定，放大倍数过小，无法跟踪到满度电流，无法保持平衡状态，出现失衡。

在本发明中，所述A/D采样器对跟踪放大器输出的平衡电流进行采样变换测量，所述比较仪二次平衡输出电流值为1A，该比较仪输出电流经由A/D采样器中多个电阻构成的阻值为1Ω的采样电阻进行I/V变换后得到1V的采样信号并送入电压/频率电路进行变换。所述电压/频率电路采用单片同步电压-频率转换器A/D652为核心。达到安匝平衡后，采样出1A信号，并保证变换精度达到0.01%；次级电流采样输出，以金属箔式电阻构成的电流采样输出，可实现对次级电流的精确采样，具有高输出电压值、低温度飘移的特点。电压/频率电路采用电荷平衡技术的变化量来完成转换功能。电路采用外部时钟200kHz建立满量程频率，保证转换的稳定性。两个可调电阻分别调节转换输入的零位和增益。输出满度（额定）频率100kHz经上拉电阻驱动送至单片机进行计数、运算、处理显示。

进一步的，所述CPU处理模块采用单片机对被测电流进行计数、运算、处理显示、传输。扩展了程序、数据存储、键扫描输入、显示、RS-232串行接口等电路。主要任务是完成被测电流值计数、运算、处理显示、传输等。

记数运算按照

I = K_{f} • {C_{2} • \frac{N_{I}}{Δt}}; U = K_{V} • C_{1} • \frac{N_{V}}{Δt}

式中：Kv：分压器变比；C₁：电压A/D量化常数；Nv：电压脉冲串计数值；Kz：直流比较仪变比；C₂：电流A/D量化常数；N_I：电流脉冲串计数值；Δt：计数时间间隔。

通过上述各部分电路的协调工作，就可实现大直流电流的在线非接触精密测量。在此电路基础上，扩展编程功能，还可测量直流其他参量/参数。实现测量过程的程控化和计量数据远传。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.大直流充放电设施电流检测装置，其特征在于：包括比较仪，所述比较仪包括两个调制检测铁芯，所述两个调制检测铁芯外周均绕有检测绕组，所述两个调制检测铁芯重叠放置并反向串联，所述两个调制检测铁芯外周依次绕上次级绕组和初级绕组，所述比较仪连接设置有激励电路、峰差检波器及跟踪放大器，所述跟踪放大器连接设置有A/D采样器，该A/D采样器连接设置有CPU处理模块及输出采样装置，所述CPU处理模块连接设置有显示装置。

2.根据权利要求1所述的大直流充放电设施电流检测装置，其特征在于：所述激励电路包括振荡电路、分频电路、功率放大器，所述振荡电路包括时基集成电路NE555及RC串联电路，该RC串联电路包括依次串联连接的电容C1、电阻R1、电阻R2及可调电阻R3，所述分频电路包括双上升沿D触发器CD4013，所述功率放大器包括两个三极管C2073，所述两个三极管C2073分别与变压器T连接。

3.根据权利要求2所述的大直流充放电设施电流检测装置，其特征在于：所述振荡电路产生方波信号，该方波信号的频率可通过可调电阻R3调节，该方波信号通过双上升沿D触发器CD4013的Q、

端输出两个相反的方波信号，该两个相反的方波信号分别用来推动功率放大器的两个桥臂并轮流导通然后通过变压器T输出并合成一个完整的方波信号。

4.根据权利要求3所述的大直流充放电设施电流检测装置，其特征在于：所述变压器T的输出端引出一个中心抽头A接地。

5.根据权利要求4所述的大直流充放电设施电流检测装置，其特征在于：所述峰差检波器以中心抽头A为参考点产生的峰差波形，当两个调制检测铁芯激励到饱和状态时，该峰差波形为幅值大小相等且对称的正负波形，此时峰差检波器无直流输出；当有正向电流通过两个调制检测铁芯时，峰差波形的正向波形幅值变大，峰差波形的负向波形幅值变小，峰差检波器输出信号为正；当有负向电流通过时，峰差波形的负向波形幅值变大，峰差波形的正向波形幅值变小，峰差检波器输出信号为负。

6.根据权利要求5所述的大直流充放电设施电流检测装置，其特征在于：所述跟踪放大器包括功率放大电路，该功率放大电路包括前置放大器及与前置放大器连接的升压扩流放大电路，该峰差检波器输出的信号经由通用运放构成的前置放大器后，推动由大功率管构成的升压扩流放大电路。

7.根据权利要求6所述的大直流充放电设施电流检测装置，其特征在于：所述前置放大器的负极连接电阻R1的一端，该电阻R1的另一端接地，所述升压扩流放大电路分别连接有电阻R3和电阻R4，所述电阻R3另一端接地，所述前置放大器与升压扩流放大电路并联连接有电阻R2。

8.根据权利要求7所述的大直流充放电设施电流检测装置，其特征在于：所述A/D采样器对跟踪放大器输出的平衡电流进行采样变换测量，所述比较仪二次平衡输出电流值为1A，该比较仪输出电流经由A/D采样器中多个电阻构成的阻值为1Ω的采样电阻进行I/V变换后得到1V的采样信号并送入电压/频率电路进行变换。

9.根据权利要求8所述的大直流充放电设施电流检测装置，其特征在于：所述电压/频率电路采用单片同步电压-频率转换器A/D652为核心。

10.根据权利要求9所述的大直流充放电设施电流检测装置，其特征在于：所述CPU处理模块采用单片机对被测电流进行计数、运算、处理显示、传输。