CN1040912C - 电弧及射频频谱的检测 - Google Patents

Abstract

检出电路中电弧发生的方法和装置。借助于滤波器或平衡混频器抑制频率在宽带内的外来窄带信号。混频器的输入由具有耦合于频谱源的输入端的射频信号复制器供给。连接于混频器输入端的复制器以所复制的一个频谱作为第一输出，连接于混频器另一输入端的复制器以所复制的另一频谱作为第二输出。射频混频器还在其另一输入端上接收宽带噪声发生器的输出。用输入端耦合于射频混频器的输出端的组合频率检测器检出表示频谱或电弧的瞬时的各个不同射频的组合。

Description

电弧及射频频谱的检测

本发明涉及射频频谱及电弧的检测，以及用作响应这种射频频谱的***或用于防止因电弧而损坏的***。

如果给定电弧或电火花为无线通信的首要措施，有可能意想不到的是持续存在对检测比如由电路中的电弧产生的射频噪音的射频频谱的需要。但是，这种需要在电源***和其它电路中的偶然电弧引起的电火灾和其它严重损坏方面特别重要。在这一方面，尽管熔断器和电路断路器能够防止严重的过载状态，它们对防止通常在低于将熔断器烧断或已设定电路断路器跳闸的电平的电流电平时所出现的偶然电弧和电火花所可能造成的损害一般无效。

另一方面，电故障检测问题已经历了长期实践。例如，1923年7月17日颁布的H.M.Stoller的美国专利1,462,053，以及1967年3月7日颁布的A.R.Van Cortlandt Warrington的美国专利3,308,345说明了用于故障检测的谐振电路的不同用途。1973年4月17日颁布的J.L.Heins的美国专利3,728,620利用耦合于线路一端的可变频率源构成传输线作为故障指示与寻找的谐振电路。1973年8月7日颁布的C.W.Kaiser的美国专利3,751,606和分别于1975年9月9日及1980年10月21日颁布的J.T.Peoples的美国专利3,904,839和4,229,626公开了利用解调器、相位比较器以及其它电路的回路故障探测器。

1977年2月1日颁布的D.R.Roberts的美国专利4,006,410提出了通过仅处理那些不沿***的线路传播的高频分量精确定出电晕放电位置。1986年9月2日颁布的Loftness的美国专利4,609,866提出了以接收和放大顺序VHF和UHF但不必进行频率交换的方法来探寻电***干扰。1984年8月14日颁布的B.D.Russell，Jr.，的美国专利4,466,071，公开了高阻抗故障检测装置和利用微计算机***的方法。1986年9月24日颁布的R.M.Bulley的美国专利4,543,524着眼于频谱分析仪领域，而1978年2月7日颁布的R.L.Shimp的美国专利4,072,899则着重于射频漏池检测领域。

尽管已有上述资料以及一些良好建议，但是由电弧和电火花引起的电火灾及其它损害继续破坏电源和其它***，以及安装了这些电设备的建筑物、森林和街道。

此外，易错误报警一直是令人灰心的问题，因为转换瞬态、来自无线电和电视发射机和其它资源的幅射极易触发电弧检测器中的错误报警。

在另一方面，机器、电路和设备常常由于某些原因出故障导致损害，而若事先对异常电弧进行检测则可防止这种损害。例如，电动马达的换向器在它们的电刷用坏时常常损坏，这是因为电刷夹具弹簧擦到换向器。由于这种磨损伴有严重电弧，对这种电弧进行早期检测则可提醒你实行防范措施。当然，这仅是可靠的电弧检测是如何有益的代表性实例。

本发明的一般目的是克服上述缺点和满足上面提出或此处另外表达和隐含的需要。

本发明的有关目的是提供用于检出射频噪声中的瞬时的各个不同射频的宽带频谱的改进方法和装置。

本发明的相关目的是提供用于检出电路中电弧的发生的改进方法和装置。

本发明的其它目的在进一步的公开中将变得更为显而易见。

根据本发明的一种检测电弧发生的方法，该电弧产生具有瞬时各个不同射频的宽带频谱，所述频谱具有外来的窄带信号，其特征在于，该方法含有以下步骤：

根据所述频谱产生一个组合频率信号，以及

根据所述组合频率信号检出所述频谱，该组合频率信号不同于所述外来的窄带信号。

根据本发明的另一方面，一种检测电弧的发生的装置，该电弧产生具有瞬时的各个不同射频的宽带频谱，所述频谱具有外来的窄带信号，

其特征在于，它包括：用以根据所述频谱产生一组合频率信号的装置；以及检测装置，与所述产生装置相连接，用以根据不同于所述外来窄带信号的所述组合频率信号检测所述频谱。

由下列通过附图中实例说明的、对最佳实施例的详细描述，本发明及其各种目的和方面将会变得更易理解，附图中相同数字标号表示相同或等效部分，其中：

图1是根据本发明实施例的电弧特性的射频(RF)检拾器的透视图；

图2是图1的检拾器的电路图；

图3是按照本发明实施例的放大器、滤波器及混频器组件的方框图；

图4是按照本发明实施例用作电弧检测和毁坏防止的接收机一解调器、时序逻辑和继电器/发光二极管(LED)驱动器的方框图；以及

图5是可以例如用在图3装置中的本发明替换实施例的方框图。

附图示出用于检出和作用在射频噪声中瞬时的各个不同射频宽带频谱上的方法和装置，还示出用于检出电路中电弧或电火花的发生的方法和装置，均是按照本发明目前最佳的实施例。

随着本公开的进一步阐述，可更具体地看到这些方法和装置抑制频率在宽带内的外来窄带信号，并从射频噪声检出表示该频谱的大量瞬时的各个不同射频的组合。为了检测电弧的发生，所示方法和装置根据该电弧产生的瞬时的各个不同射频的宽带频谱工作，并通过从该电弧产生的瞬时的各个不同射频的宽带检出大量瞬时的各个不同射频的组合。

在这方面，电路和接触导线中的电流、接触不良、干扰、磨损的碳刷、损坏或过于颤动的触点及其它不完善性可产生电弧或电火花，接着产生由电弧辐射并(或)按照趋肤效应沿该电路的导体传播的射频(RF)噪声。实际上，电弧或电火花(以下简称为“电弧”)产生的RF噪声包含瞬时各个不同射频的宽带频谱，在此称之为电弧的“RF特性”。

可用天线、近场电容耦合器、铁氧体磁心RF变压器、或另一RF能量检拾器来拾取电弧的RF特征样本。

作为实例而不当作限制，图1示出用于拾取在承载负载电流的电路导线13之间或之中的干扰或其它故障形成的、或由开关、换向器或其它元件的过分跳火形成的电弧12的RF特征的铁氧体磁心RF变压器10。所示出的变压器10含有由沿剖线16接合并由紧固卷带17固定在一起的半边铁心14和15组成的铁氧体块。事实上导线13用作变压器10的初级绕组，铜条拾取连接线18用作变压器10的次级绕组。

图2是图1所示检拾器的电路图。图1所示电路板20载有包括输入和输出匹配电阻22和23并馈入检拾器输出端24的滤波器21。滤波器21和附图中示出的后续滤波器目的是保证检测到的表示电弧12的差频不能在电路中由具有相同频率的外部噪声模拟。例如，存在以类似于由当前描述的电路检测的差频的频率发射信号的工业发射机和其它射频信号源。这些外部信号均不影响这种检测电路的工作。高通或带通滤波器可以用于该场合。作为实例，可设定在当前描述的电路中用作相同目的的滤波器21和其它滤波器滤除20MHz以下的频率，而让20MHz以下的频率通过，如果在10MHz区别的差频被利用，例如，如下文更完整描述。概括地说，本发明实施例实质上从射频噪声消除了其频率为不同瞬时射频的组合的那些分量，如以下更为完整地描述的。

作为实例，电弧电流的RF分量保留在从1MHz到500MHz的频谱范围内。在所示实施例中，用高通滤波器21减少20MHz以下的RF分量。20MHz以及更高的电弧特征分量通过接插件24和25耦合到放大器、滤波器及图3所述混频器组件的输入端。特别地，已滤波的RF特征从检拾器输出端的接插件24施加于宽带输入变压器26(XFMR)的输入接插件25。在本发明的实施例中，检测器将响应在20MHz到200MHz范围内平均为-70dbm的电弧噪声功率谱电平。

输入变压器26的输出信号通过另一20MHz高通滤波器27施加于第一增益级28，以进一步减少20MHz以下频谱中的信号和(或)脉冲噪声。该级28最好是提供28db的从0.5MHz到500MHz的稳定宽带增益的密封型放大器。该放大器驱动下一20MHz高通滤波器29，接着滤波器29驱动另一28db宽带放大器31。该第二放大器31驱动一个1∶1级间变压器32。该变压器的次级以不接地的平衡结构操作，推挽驱动两个20MHz高通滤波器33和34。进入各滤波器的驱动电源阻抗受到相对滤波器显现的终端阻抗的影响。这些滤波器33和34驱动平衡混频器37的两个输入端口35和36。这样施加于平衡混频器任一输入端口的在20MHz以下区域内的信号电平被衰减，其超过单个20MHz高通滤波器的带外衰减。混频器37的输出38施加于带通滤波器39。

图3是用于将射频噪声与其复制相混合并从这种混合的射频噪声检测出大量不同瞬时射频的差值或其它组合的典型方法和装置。图3及其等效电路将射频噪声复制为两路，比如32、33、35和34、36，并将这两路之一的射频噪声与这两路的另一路的射频噪声混合，以产生电弧特性或其它射频噪声中大量瞬时的各个不同射频的差值或其它组合。

在整个射频处理***中，注意使20MHz以下区域的信号分量和增益有效性最小。当将在0.5MHz到200MHz范围内平均-70dbm的宽带噪声功率谱加至RF输入变压器26时，加于混频器37各输入端的信号在20MHz到200MHz区域内为-35dbm到-40dbm。在20MHz以下该信号电平在混频器各输入端低于-70dbm。带通滤波器39的输出为集中于滤波器39的通带的-50dbm到-55dbm。考虑到施加于平衡混频器的输入电平，15db的变换损失是适当的。术语“变换”是对例如在组合两个输入信号以将它们的频率转换为它们的差频或诸如本文所公开的另一组合频率的混频器中发生的频率变换的众所周知的表达方式。在所述实施例中，频率变换器或混频器37的输出是构成所检出电弧的宽带RF特性的任何两个或多个几乎连续的噪声脉冲之间瞬时差频的结果。

诸如继电器瞬变、开关噪声、马达碳刷噪声、外部无线电发射等的外来输入产生在作为公共模式输入的混频器输入端35和36到达的窄带信号。这些信号趋向于在平衡混频器37内消失，或者，如果在时间或频率上略为偏移则不产生差频电平上的有效信号。结果是***响应为电弧的RF特性的低电平、宽带输入，但不响应外来干扰的更高电平。这提供要求的稳定性和抗故障输出。

本发明的最佳实施例为混频器38和带通滤波器39选择10.7MHz瞬时差频。对于那些可在市场上购得的元件这是通常使用的IF频率，并且受到国际惯例的保护。其它受保护的IF频率也可用于该场合。

带通滤波器39的已处理10.7MHz输出通过接头40施加于图4所示的集成电路频移键控(FSK)接收机-解调器42。该信号通过用于外来频偏信号抑制的中心在10.7MHz的受控“Q”调谐电路43耦合于FSK接收机。通过接头140供给正的供电电压。接头40和140在图3和4中示出在两图中均指定为41的端接板上。实际上，41在两个图中可是一个相同的端接板，并可含有图4所示的复位59的额外接头。

FSK接收机—解调器42的输出以两种形式出现，在输出端44为正比于信号电平的DC，在输出端45为解调的白噪声AC分量。输出端44上的信号电平不响应瞬变脉冲输入，而如果外部的连续波无线电信号找到了它自己进入接收机的途径则在输出端45上无AC分量。该接收机42在44提供其载波电平DC输出，且其包括由于平衡混频器37产生频率或相位偏移的结果在45产生白噪声输出的正交检测器142。

接收机输出端44的载波电平DC通过双时间常数电路47加至电压跟随器46。正向变化电压跟随器输出驱动反相器48和比较器49的非反相输入端。跟随器46和反相器48的组合输出驱动双色发光二极管(LED)51。该LED正常时为绿色，但随着电弧现象的长度和(或)严重性的增加，将通过橙色转变为红色。该LED51称之为“电弧现象指示器”。

跟随器46的第二输出通过包含电容器53的双时间常数网络52施加于比较器49的非反相输入端。来自接收机42输出端45的解调后的噪声交流(AC)分量交流耦合并箝位于54，以提供正比于已解调噪声幅度的负向直流(DC)。在这点上可回想由于平衡混频器37产生的频率或相位偏移的结果集成电路接收机42之内的正交检测器在45产生白噪声输出。正比于已解调噪声幅度的负向DC施加于包含电容器57并驱动比较器49的反相输入端的双时间常数网络56。

为触发及锁住比较器49，必须提供两个DC输入并穿过另一输入DC电平。由网络52和56的双RC时间常数确定在其上DC电平对与各输入端相关联的电容器53和57充电和放电的速率。对于各种终端结果要求这些值是不同的。为比较器49被触发及锁住时，通过将接插件41的引线141接地、比如用按钮59，使其复位。

在正常工作期间，比较器49的输出为低。该输出耦合于场效应晶体管(FET)61的栅极。该FET的漏极保持为高电平并耦合于另一FET62的栅极。当其栅极保持的高电平、FET62饱和并且继电器63被激励。FET61和FET62的源极均连接于双色LED65。该LED是电弧报警指示器，并在正常工作期间为绿色，当发生电弧报警时则转变为红色。在电弧报警状态期间，通过LED65的绿色半部、FET62和继电器63的电流被中断，使得LED65的绿色半部息灭且继电器63中断供电。比较器49改变状态，其输出变高使得FET61饱和，并操作LED65的红半部分。当比较器49复位时，比如通过按压按钮59，电路返回正常状态。

框66可以是诸如铃、喇叭一类的报警装置、电路断路器或电源切断开关可连接于其上的接线板，或可以是这种报警装置、断路器或开关本身的符号。

在两种情况下，由所示电路或在本发明范围内其它情况下检出的电弧12或其它可能造成损坏的电弧可在任何严重损坏出现之前安全地终止。

作为特别优点，所示实施例使操作者能够估计电弧的严重程度。不显著的电弧将不触发警报，但是仍将LED51的颜色改变为橙色。在报警状态不关闭电源或断开电弧电路的***中，操作者可从LED51的颜色知道电弧是否严重或是否仅为暂时性。

本发明的另一优点是其实施例可用标准元件实现。例如，接收机—解调器42可以是例如在MOTOROLA线性和接口集成电路目录(1988)第8-65到8-70页中描述的MC13055型IC的宽带FSK接收机。在该情况下，输出端44可以是载波检测管脚13，输出端45可以是数据输出管脚16，在8-65后半页上示出的其它管脚的次序实际上是将图4所示上下颠倒，还可参考MOTOROLA电路目录第2-57到2-60页由四线单供电比较器(Quad Single Supply Comparators)LM139型，A型IC作为实现元件46、48和49的实例。

同样，可参考微电路(Mini-Circuits)(SF-89/90)的RF/IF信号处理指南，以第18页上的SBL-1型频率混合器的形式作为混频器37的实例，以38和39页上的MAN-1型IC的放大器的形式作为元件28和31的实例，以52和53页上的RF变压器的形式作为元件26和32的实例，以及以61页上所示的PHP-50型的高通滤波器的形式作为元件21、27、29、33和34的实例。带通滤波器39可以是由相同公司制造并在例如微波和RF(1990年7月)中描述的带通滤波器PBP-10.7(MHz)。

然而，本发明的范围不局限于具体装置。例如，如果容许减弱噪声抑制或者如果以另一方式实现噪声抑制，则可删除附图中所示的一个或多个滤波器。类似地，元件32、33和34构成一射频信号复制器，该复制器具有一个耦合于有待检测的频谱发生源的输入端，用于输出该复制器所复制的一个频谱的33上的第一输出端以及用于输出该复制器所复制的另一频谱的34上的第二输出端。本发明的范围当然不局限于使用这些元件。

射频混合器37具有耦合于信号复制器第一输出端的第一射频输入端35，耦合于信号复制器第二输出端的第二射频输入端36，以及用于施加于所述第一和第二输入端、例如可以是噪声频谱中或电弧特性中瞬时的各个不同射频的差频的射频组合的射频混合器输出端38。但是，可用另一类型的频率变换器来代替本发明范围内的这些所示出的元件。如众所周知的，非线性元件已被用于混频或频率变换场合。

频率组合检测器42具有一个耦合于射频混合器输出端37的比如43上的输入端，并包含一个输出端44，用于输出，表示电弧或其它噪声的不同瞬时射频的已检出差值或其它组合。

正如从该公开所明显看到的。为基本上消除外来的射频干扰已公开了多种装置，包括例如具有在不同瞬时射频的差频或其它检出的组合以上的通带、在信号源12与32上的射频复制器输入端之间的高通滤波器21、27和(或)29。用于基本上消除外来射频干扰的其它措施包含混频器37或其它频率变换器和(或)射频混合器输出端38与频率组合检测器或接收机—解调器输入端之间、具有在瞬时的各个不同射频的差频或其它已检出组合上的通常的带通滤波器39的平衡特性和操作。

图4进一步公开了连接于频率混合检测器或射频接收机—解调器42、用于指示电弧特性或其它频谱的出现的装置。例如，除了跟随器46、反相器48和LED51，或作为替换，连接于射频接收机—解调器42的跟随器46、比较器49、继电器63和(或)LED65响应电弧特性或其它频谱的发生形成报警状态。

频率混合检测器可包含用于产生正比于混频器输出端38上的信号电平的第一信号的第一装置42以及用于根据射频混合器37中的频率或相位偏移产生第二信号的第二装置142。该装置包含连接于第一装置42、用于表示电弧特性或其它频谱的出现的诸如46、47、48、51的第三装置，以及连接于第一装置并连接于第二和第二装置中的至少一个装置、用于响应电弧特性或其它频谱的发生形成报警状态的诸如49、52、61、62、63、65、66的第四装置。

如果信号源是形成有待检测的射频噪声的电弧12，则提供装置将射频噪声耦合到射频复制器或变压器的输入端25。原则上，可将天线应用于该场合。然而，为了减小射频干扰幅照，铁氧体磁心变压器10最好连接在电弧电路13或其它信号源与射频复制器输入端或宽带变压器输入端25之间。

图5示出不要求最佳性能时可用在本发明范围内的可使用的比较方案。不象图3在34复制射频噪声，图5电路产生象上述包含瞬时的各个不同射频的宽带频谱的射频噪声一样还含有不同射频的宽带噪声信号。宽带噪声发生器68在该场合可代替上述变压器32与混频器37之间两路径中的另一路径中的滤波器34。在这种情况下，仅有一条拾取射频噪声的路径从变压器32通过滤波器33到第一混频器输入端35，而第二混频器输入端36由发生器68提供宽带噪声。可利用任何类型的宽带噪声发生器，只要它提供上述不同射频，如同一般具有噪声二极管以及诸如此类的情况。

也在图5中示出的上述混频器此时将来自变压器32的射频噪声与来自发生器68的宽带噪声信号混合，以在该混频器输出端产生大量不同瞬时射频的差值或其它组合，以检测电弧或其它电弧特性或其它射频频谱，象图4一样。换言之，除了用宽带噪声发生器68代替高通滤波器和将变压器32的下部输出端接地外，该电路可与图3和4中相同，带有或无需图2。

在图1中，已强调了截断导体13中或导体之间的电弧的发生。但是，在图2中象征性示出的电弧12可表示例如旋转式换向器上、接触器中或其它电子元件中的过度飞弧。在这种情况下，图2、3、4或5的电路也可用于检出这种过度飞弧。LED51可用于指示过度飞弧，而继电器63可用于在换向器损坏，接触器烧坏或电子元件另外损坏之前关断马达、接触器或其它元件。然后在恢复操作之前采取补救措施。

本说明书的彻底公开将为本领域技术人员明显提供和暗示本发明及其等价物的实质和范围内的各种其它改进和变化。

Claims (20)

1.一种检测电弧发生的方法，该电弧产生具有瞬时的各个不同射频的宽带频谱，所述频谱具有外来的窄带信号，其特征在于，该方法含有以下步骤：

根据所述频谱产生一个组合频率信号；以及

根据所述组合频率信号检出所述频谱，该组合频率信号不同于所述外来的窄带信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述产生组合频率信号的步骤包括：将所述瞬时的各个不同射频与宽带频信号的瞬时的各个不同射频相混合的步骤，从而将所述多个不同的频率转换为大致上等于所述组合频率的信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述产生组合频率信号的步骤包括：将所述瞬时的各个不同射频与所述瞬时的各个不同射频的复制信号相混合的步骤，从而将所述各个不同的射频转换成大致上等于所述组合频率的信号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产生组合频率信号的步骤包含步骤：

将所述瞬时的不同射频复制到两条路径，以及

将来自所述两路径之一的瞬时的各个不同射频与来自所述两路径中另一条路径的瞬时的各个不同射频相混合，以将所述瞬时的各个不同射频转换为大致上等于的所述组合频率的信号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述产生组合频率信号的步骤包括：产生射频的一宽带噪声信号；以及将所述瞬时的各个不同射频与所述宽带噪声信号相混合，从而将所述各个不同的频率转换为大致上等于所述组合频率的信号。

6.如权利要求1，2，3，4或5所述的方法，其特征在于还包括，从所述具有瞬时的各个不同射频的频带中大致上消除对应于所述组合频率的分量。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述组合频率是个差频率。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述检测频谱的步骤包括：将所述组合频率信号解调的步骤。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：产生正比于所述组合频率信号的一个信号电平的信号。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于还包括：响应于产生所述组合信号的步骤中生成的频率或相位偏移而产生一正比于一信号的信号。

11.一种检测电弧的发生的装置，该电弧产生具有瞬时的各个不同射频的宽带频谱，所述频谱具有外来的窄带信号，

其特征在于，它包括：用以根据所述频谱产生一组合频率信号的装置；以及检测装置，与所述产生装置相连接，用以根据不同于所述外来窄带信号的所述组合频率信号检测所述频谱。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述产生装置包括一混频器，用以将一宽带号的瞬时的各个不同射频相混合，以在大致上等于所述组合频率产生一信号。

13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述产生装置包括一混频器，用以将所述瞬时的各个不同射频与所述瞬时的各个不同射频的复制信号相混合，以在大致上等于所述组合频率产生一信号。

14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述产生装置包括一复制器，用以将所述组合频率信号复制成两条路径，以及一混频器，用以将来自所述两条路径的瞬时的各个不同射频相混合，以在大致上等于所述组合频率产生一信号。

15.如权利要求11所述的装置，其特征在于还包括：一宽带噪声信号为发生器；和一个混频器，具有用以输入所述瞬时的各个不同射频的第一输入端，一第二输入端，与所述宽带噪声发生器相连接；以及一个输出端，用以输出大致上等于所述组合频率的一信号。

16.如权利要求11，12，13，14或15所述的装置，其特征在于，还包括一个带通滤波器，其中心点大致上设在所述组合频率上。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括一滤波器，用以从所述瞬时的各个不同射频的带中除去对应于所述组合频率的分量。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包括一个组合频率信号检测器。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述检测器为一个差频率检测器。

20.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述信号检测器为一个射频接收机解调器。

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