一种有源微弱工频电流感应线圈的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种有源微弱工频电流感应线圈，包括柔性感应线圈、取样及积分电路、有源差分放大电路和电压跟随器；其中，柔性感应线圈，用于将耦合到的磁场转换为交流电流信号并输出至取样及积分电路；取样及积分电路，用于对接收的交流电流信号进行取样，获得工频电压信号并输出至有源差分放大电路；有源差分放大电路，用于将接收的工频电压信号进行放大后输出至电压跟随器；电压跟随器，用于隔离、缓冲放大后的工频电压信号，输出电压信号。本发明采用非接触的方法，方便地检测电涌保护器件的工频漏电流，广泛地应用于防雷装置电涌保护器的工频漏电流的检测项目。
【专利说明】—种有源微弱工频电流感应线圈
【技术领域】
[0001]本发明涉及雷电科学与【技术领域】，特别是一种有源微弱工频电流感应线圈。
【背景技术】
[0002]雷电流是一种典型的瞬态电流脉冲，雷击发生在输电线路上常造成输电线路的开路、短路以及绝缘性能的变化等现象。根据建筑物防雷设计规范GB50057-2010的设计要求，在输电线路中安装电涌保护器用于释放和抑制雷电波的能量。电涌保护器在释放和抑制雷电波能量的同时，自身将雷电波的一定能量转换成热能，使其自身的性能发生劣变现象。劣变的出现常常表现为器件的开路、短路以及器件的工频漏电流变大。前两种现象比较容易检测，现象比较明显。但是，器件的工频漏电流变大现象不容易检测，都是它却会对输电线路造成一定的影响，由于漏电流大导致输电线漏电流保护装置跳闸，使输电线路不能正常工作。漏电流变大还会导致器件发热，引起火灾等事故。
[0003]因此，根据建筑物防雷装置检测要求，应对安装在输电线路的电涌保护器件进行定期检测。目前，在检测的项目中，电涌保护器件的工频漏电流检测常用常规的方法将交流电流表串联在电涌保护器件线路中进行测量。但是，这种检测方法操作不方便，检测也不安全。
[0004]如何克服现有技术的不足已成为现有雷电科学与【技术领域】亟待解决的重点难题。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种有源微弱工频电流感应线圈，本发明用于检测安装在输电线路中电涌保护器件的漏电流，实现对防雷装置中电涌保护器的定期性能检测。
[0006]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0007]根据本发明提出的一种有源微弱工频电流感应线圈，包括柔性感应线圈、取样及积分电路、有源差分放大电路和电压跟随器；其中，
[0008]柔性感应线圈，用于将耦合到的磁场转换为交流电流信号并输出至取样及积分电路；
[0009]取样及积分电路，用于对接收的交流电流信号进行取样，并获得工频电压信号输出至有源差分放大电路；
[0010]有源差分放大电路，用于将接收的工频电压信号进行放大后输出至电压跟随器；
[0011]电压跟随器，用于隔离、缓冲放大后的工频电压信号，输出电压信号。
[0012]作为本发明的一种有源微弱工频电流感应线圈进一步的优化方案，所述柔性感应线圈包括柔性骨架、穿插在柔性骨架中的铜柱和在柔性骨架上密绕两层的导线；柔性感应线圈有两个输出端:第一输出端和第二输出端。
[0013]作为本发明的一种有源微弱工频电流感应线圈进一步的优化方案，所述柔性骨架是绝缘硅橡胶管，所述导线为柔软的高温导线。
[0014]作为本发明的一种有源微弱工频电流感应线圈进一步的优化方案，所述取样及积分电路包括第一电阻、第二电阻和电容；其中，
[0015]第一电阻的一端与第二电阻的一端、第一输出端分别连接，第二电阻的另一端与电容的一端连接，第一电阻的另一端与第二输出端、电容的另一端分别连接。
[0016]作为本发明的一种有源微弱工频电流感应线圈进一步的优化方案，所述有源差分放大电路包括第三至十电阻，电压跟随器包括第一电压跟随器、第二电压跟随器和第三电压跟随器；其中，
[0017]第三电阻的一端与电容的一端连接，第三电阻的另一端与第五电阻的一端、第一电压跟随器的负输入端分别连接，第一电压跟随器的正输入端接地，第一电压跟随器的输出端与第七电阻的一端连接，第七电阻的另一端与第九电阻的一端、第三电压跟随器的负输入端分别连接，第九电阻的另一端与第三电压跟随器的输出端连接；第四电阻的一端与电容的另一端连接，第四电阻的另一端与第六电阻的一端、第二电压跟随器的负输入端连接，第二电压跟随器的正输入端接地，第六电阻的另一端与第二电压跟随器的输出端、第八电阻的一端分别连接，第八电阻的另一端与第三电压跟随器的正输入端、第十电阻的一端分别连接，第十电阻的另一端接地。
[0018]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
[0019](I)本发明的有源微弱工频电流感应线圈的测量范围大，测量工频电流从1μ A?10mA，满足电涌保护器工频漏电流的检测要求；
[0020](2)该感应线圈采用有源放大电路，检测灵敏度高，显示负载对测量精度的影响小;
[0021](3)该感应的骨架采用柔性硅橡胶材料，具有防潮湿、防水、绝缘性能好，使用安全；
[0022](4)该感应线圈测量时，与带电体之间是非接触的，操作方便，安全可靠；
[0023](5)该感应线圈测量精度高，误差范围小，测量平均误差为±1.03% ；
[0024](6)该感应线圈应用范围广泛，同样适用于感应绝缘端子工频漏电流的检测，方便地检测电涌保护器件的工频漏电流，广泛地应用于防雷装置电涌保护器的工频漏电流的检测项目。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的原理方框图。
[0026]图2是本发明中柔性感应线圈的结构图。
[0027]图3是本发明中取样及积分电路图。
[0028]图4是本发明中有源差分放大电路及电压跟随器电路图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
[0030]如图1所示是本发明的原理方框图，根据本发明提出的一种有源微弱工频电流感应线圈，包括柔性感应线圈、取样及积分电路、有源差分放大电路和电压跟随器；其中，
[0031]柔性感应线圈，用于将耦合到的磁场转换为交流电流信号并输出至取样及积分电路；
[0032]取样及积分电路，用于对接收的交流电流信号进行取样，获得工频电压信号并输出至有源差分放大电路；
[0033]有源差分放大电路，用于将接收的工频电压信号进行放大后输出至电压跟随器，提高感应线圈的灵敏度；
[0034]电压跟随器，用于隔离、缓冲放大后的工频电压信号，输出电压信号，保证输出电压信号强度。
[0035]图2是本发明中柔性感应线圈的结构图，所述柔性感应线圈包括柔性骨架、穿插在柔性骨架中的铜柱和在柔性骨架上密绕两层的导线；柔性感应线圈有两个输出端:第一输出端和第二输出端。所述柔性骨架是绝缘硅橡胶管，所述导线为柔软的高温导线。
[0036]柔性感应线圈的原理是利用导体上变化的电流会产生变化的磁场的原理。当磁场耦合到线圈上时，线圈就会感应出电信号。柔性感应线圈的骨架是内径为4mm，外径为8mm，长度为4cm的绝缘硅橡胶管，起支撑作用，并且该骨架具有柔软性，在其一端插入一支长2cm，直径为4mm的铜柱并插入橡胶管的另一端即可使橡胶管环绕成一个封闭的环路。骨架上感应线圈的绕制应比较密以提高线圈的感应系数。缠绕时先按照某一个方向密集缠绕，缠绕至骨架末端以后继续往反方向缠绕，并预留两个接线端(第一输出端和第二输出端)用于取样及积分电路连接，用于为后取样及积分电路提供感应信号。缠绕时所用的导线应该采用适当柔软的高温导线。感应线圈的绕阻材料和缠绕的方式是一个决定性的因素，绕制越密则线圈的感应系数越大，线圈自感和杂散电容越大，其上限频率会降低，这种绕制方式对工频电流的测量不会有较大的影响。根据柔性线圈的绕线特性，选取内径为0.5mm，夕卜径为Imm的5芯高温导线，内导线具有优良的耐腐蚀性、耐酸性、耐碱性，绝缘层具有优良的电绝缘性能，能耐高压、耐高温，有较小的高频损耗。根据柔性线圈的参数要求，根据经验公式计算:
[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为硅橡胶管的内径，b为硅橡胶管的外径，h为绕制线圈的圈高，d为绕制导线的直径，S1是导线的截面积，S。是线圈的截面积，P为铜材料的电阻率，I所需用到的导线长度，r是电阻；P = 17.5η Ω.m, a = 4mm, b = 8mm, h = 4.4mm。经计算绕制的阻数取460匝。绕制方式为密绕两层，每层230匝。线圈绕制完成后，在线圈的外围采用同样的娃橡胶管封装起来，娃橡胶管的内径为1mm,外径为14mm,长度为25cm。线圈的第一输出端I与第二输出端2是信号输出端口用于与第一电阻Rl相接。
[0042]图3是本发明中取样及积分电路图，所述取样及积分电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和电容C ;其中，第一电阻Rl的一端与第二电阻R2的一端、第一输出端分别连接,第二电阻R2的另一端与电容C的一端连接,第一电阻Rl的另一端与第二输出端、电容C的另一端分别连接。第一电阻R1、第二电阻R2和电容C这三者以π型布置。取样及积分电路的器件参数选取应根据柔性线圈的参数计算得出:第一电阻Rl = 275Ω，其中R2 = 100Ω，C = 8yF。端口 3与端口 4分别与柔性线圈端口的I端口和2端口连接，为取样及积分电路提供信号输入，端口 5和端口 6作为下一级有源差分放大电路及电压跟随器电路的信号输入端口，与有源差分放大电路及电压跟随器电路的端口 7和端口 8相连。取样及积分电路，用于对接收的交流电流信号进行取样得到工频电压信号，通过第一电阻Rl即把柔性线圈耦合得到的电流信号转化为电压信号。取样电阻式取样电路里面的R1，利用积分电路实现输出至有源差分放大电路的电压信号与第一电阻Rl上的电压信号成正比。
[0043]图4是本发明中有源差分放大电路及电压跟随器电路图，所述有源差分放大电路包括第三至十电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、RlO，电压跟随器包括第一电压跟随器ICl、第二电压跟随器IC2和第三电压跟随器IC3 ;其中，
[0044]第三电阻R3的一端与电容C的一端连接,第三电阻R3的另一端与第五电阻R5的一端、第一电压跟随器ICl的负输入端分别连接，第一电压跟随器ICl的正输入端接地，第一电压跟随器ICl的输出端与第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端与第九电阻R9的一端、第三电压跟随器IC3的负输入端分别连接，第九电阻R9的另一端与第三电压跟随器IC3的输出端连接；第四电阻R4的一端与电容C的另一端连接，第四电阻R4的另一端与第六电阻R6的一端、第二电压跟随器IC2的负输入端连接，第二电压跟随器IC2的正输入端接地，第六电阻R6的另一端与第二电压跟随器IC2的输出端、第八电阻R8的一端分别连接，第八电阻R8的另一端与第三电压跟随器IC3的正输入端、第十电阻RlO的一端分别连接，第十电阻RlO的另一端接地。
[0045]第一电压跟随器IC1、第二电压跟随器IC2构成的放大电路增益为100倍。第三电压跟随器IC3构成的放大电路为增益为I倍，第一电压跟随器IC1、第二电压跟随器IC2由LM358双向运算放大器组成，第三电压跟随器IC3由单运算放大器0P27组成，输入信号接至积分电路的电容C的两端，运算放大器的供电由±12V直流电源供电，它的工作过程是:来自积分电路的电压信号经第一电压跟随器IC1、第二电压跟随器IC2放大后接到第三电压跟随器IC3构成的放大电路输入端，由输出端口 9输出，电路的器件参数为:R3 = R4 =Ik Ω，R5 = R6 = 10k Ω , R7 = R8 = R9 = RlO = 1k Ω。
[0046]电压跟随器是将放大的信号进行缓冲输出，后端接显示负载，减小显示负载装置对有源差分放大电路的影响以提高输出的稳定性。
[0047]本发明的完整工作过程是将柔性感应线绕在导线上，当导线中有电流流过时将在柔性感应线圈两端的第一电阻Rl上感应出电压信号，经过积分电路中的Rl恢复出导线中的电流信号，积分电路中电流两端的电压波形与导线中的电流波形一致，电压的幅值与电流有一定的对应关系，经过有源差分放大电路进行放大后，输出的信号加到电压跟随电路进行输出，输出的值可直接通过电压表或示波器采取，通过一定的换算关系得出导线中的电流值。
[0048]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种有源微弱工频电流感应线圈，其特征在于，包括柔性感应线圈、取样及积分电路、有源差分放大电路和电压跟随器；其中， 柔性感应线圈，用于将耦合到的磁场转换为交流电流信号并输出至取样及积分电路； 取样及积分电路，用于对接收的交流电流信号进行取样，获得工频电压信号并输出至有源差分放大电路； 有源差分放大电路，用于将接收的工频电压信号进行放大后输出至电压跟随器； 电压跟随器，用于隔离、缓冲放大后的工频电压信号，输出电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种有源微弱工频电流感应线圈，其特征在于，所述柔性感应线圈包括柔性骨架、穿插在柔性骨架中的铜柱和在柔性骨架上密绕两层的导线；柔性感应线圈有两个输出端:第一输出端和第二输出端。
3.根据权利要求2所述的一种有源微弱工频电流感应线圈，其特征在于，所述柔性骨架是绝缘硅橡胶管，所述导线为柔软的高温导线。
4.根据权利要求2所述的一种有源微弱工频电流感应线圈，其特征在于，所述取样及积分电路包括第一电阻、第二电阻和电容；其中， 第一电阻的一端与第二电阻的一端、第一输出端分别连接，第二电阻的另一端与电容的一端连接，第一电阻的另一端与第二输出端、电容的另一端分别连接。
5.根据权利要求4所述的一种有源微弱工频电流感应线圈，其特征在于，所述有源差分放大电路包括第三至十电阻，电压跟随器包括第一电压跟随器、第二电压跟随器和第三电压跟随器；其中， 第三电阻的一端与电容的一端连接，第三电阻的另一端与第五电阻的一端、第一电压跟随器的负输入端分别连接，第一电压跟随器的正输入端接地，第一电压跟随器的输出端与第七电阻的一端连接，第七电阻的另一端与第九电阻的一端、第三电压跟随器的负输入端分别连接，第九电阻的另一端与第三电压跟随器的输出端连接；第四电阻的一端与电容的另一端连接，第四电阻的另一端与第六电阻的一端、第二电压跟随器的负输入端连接，第二电压跟随器的正输入端接地，第六电阻的另一端与第二电压跟随器的输出端、第八电阻的一端分别连接，第八电阻的另一端与第三电压跟随器的正输入端、第十电阻的一端分别连接，第十电阻的另一端接地。
【文档编号】G01R15/18GK104345196SQ201410597519
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】李祥超, 陈则煌, 陈璞阳, 周中山 申请人:南京信息工程大学