一种交流电动态检测装置及方法与流程

本发明涉及一种交流电检测装置，特别是涉及一种交流电动态检测装置及方法。

背景技术：

交流电的测量在电的测量计量中是很重要的测量对象，传统测量交流电流的方法有以下几种：用万用表的串联电阻分压法、运用互感器的电磁转换法、相位互感器检测，以及卧轮电镀表的电-磁-测量法。其中，万用表和专用表的电阻分压法，其最高分辨(以四位半为例)100微伏，传统测量电阻的方法则为200Ω。

以上的方法在各种仪表和工业、家庭运用中都具有较成熟的产品，并其使用规模很大。若要更科学、长久节能、持续在线式测量，特别是大批量、大范围分布式地监测，以上方法都存在这些不可避免的缺陷：就是测量范围小、灵敏度低、不科学、体大、体重、耗材、耗能、造价高的问题。因为不论是高阻分压的外接式分压电阻，还是电磁转换装置，都必然地需要一个铺助的耗能部件来进行采样，才能对交流电流进行测量，如此一来，必然造成持续测量范围小、灵敏低、体重、体大、耗材、耗能、高成本；另方面，资源的损耗也很明显，比如电磁转换器需要的矽钢片、绝缘材料、铜材材料等。

技术实现要素：

本发明提供了一种交流电动态检测装置及方法，其克服了现有技术的交流电检测装置及方法所存在的不足之处。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种交流电动态检测装置，包括第一直流供电电路、供电电压低于第一直流供电电路的第二直流供电电路、稳压基准电路、微电位取样电路、至少进行两级放大的工频交流放大电路、检波电路、校准电路、信号显示器；第一直流供电电路的电压输出端接工频交流放大电路的电源输入端，第二直流供电电路的电压输出端接信号显示器的电源输入端，稳压基准电路的电压输入端接第二直流供电电路，稳压基准电路的电压输出端接信号显示器的基准电压输入端；微电位取样电路连接被测交流电，且其取样电压信号输出端接工频交流放大电路的输入端，工频交流放大电路的输出端依次通过检波电路、校准电路接信号显示器的输入端；

还包括电磁转换COSΦ放大取样测量电路，用于测量流经微电位取样电路的交流电的电镀、相位信号，其在微电位取样电路与工频交流放大电路未连接或断开连接时，连接工频交流放大电路。

进一步的，所述微电位取样电路包括一段取样导线；所述电磁转换COSΦ放大取样测量电路包括相位表和小型互感器，小型互感器的线圈的一端接地，在取样导线的取样电压信号输出端与工频交流放大电路的输入端未连接或断开连接时，小型互感器的线圈另一端接工频交流放大电路的输入端，且取样导线穿入小型互感器的线圈中；所述相位表的输入端连接所述工频交流放大电路的输出端。

进一步的，所述第一直流供电电路取自工频电，包括降压电容、泄放电阻、整流滤波电路，降压电容和泄放电阻并联连接，且其一端通过插头连接220V交流电的火线，另一端接整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的电压正输出端接工频交流放大电路的电源正输入端，整流滤波电路的电压负输出端接工频交流放大电路的电源负输入端。

进一步的，所述第二直流供电电路取自工频电，包括降压电容、泄放电阻、整流滤波电路、降压电容和泄放电阻并联连接，且其一端通过插头连接220V交流电的火线，另一端接整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的电压正输出端接信号显示器的电源正输入端，整流滤波电路的电压负输出端接信号显示器的电压负输入端；所述稳压基准电路的电压输入端接整流滤波电路的电压正输出端。

进一步的，所述工频交流放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，二者分别由所述第一直流供电电路进行供电，且二者的反馈电阻分别为10MΩ；第一运算放大器的输入端构成工频交流放大电路的输入端，第一运算放大器的输出端接第二运算放大器的输入端，第二运算放大器的输出端构成工频交流放大电路的输出端。

进一步的，所述第一直流供电电路的供电电压为±9V，所述第二直流供电电路的供电电压为±5V，所述稳压基准电路的供电电压为2.5V。

进一步的，所述小型互感器用外径2.3cm、内径1cm、高1.2cm的磁芯或薄膜合金的环状体，在环状体上挠上Φ0.5mm的紫铜线一百多圈后，包好绝缘和固定；和/或，还包括单刀双掷开关，所述取样导线的取样电压信号输出端和小型互感器的线圈另一端通过该单刀双掷开关连接工频交流放大电路的输入端。

进一步的，所述信号显示器包括数码管驱动电路和与之匹配的多位数码管显示模块。

一种交流电动态检测方法，包括以下步骤：

沿长度方向，将两个采样点固定连接于一段取样导线上，并使所述取样导线及采样点处于被测交流电回路中；

将两个采样点的电压差通过工频交流放大电路进行至少两级放大，并将工频交流放大电路的输出依次通过检波电路和校准电路连接信号显示器的输入端，由信号显示器显示采样点间交流电流的测量值；所述工频交流放大电路的供电电压大于信号显示器的供电电压；

用标准仪器测量两个采样点间交流电流的大小，获得参考值；

将所述测量值与参考值进行比较，并调节校准电路，直至所述测量值与参考值吻合；

用电磁转换COSΦ放大取样测量电路测量采样点间交流电流的电镀、相位信号。

进一步的，所述电磁转换COSΦ放大取样测量电路包括小型互感器和相位表，将小型互感器的线圈一端接地，在取样导线的取样电压信号输出端与所述工频交流放大电路的输入端断开连接时，将小型互感器的线圈另一端接工频交流放大电路的输入端，将取样导线穿入小型互感器的线圈中，将相位表的输入端连接所述工频交流放大电路的输出端，使相位表获得电镀、相位信号。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用第一直流供电电路对工频交流放大电路单独供电，采用供电电压低于第一直流供电电路的第二直流供电电路对信号显示器单独供电，不仅能够满足工频交流放大电路和信号显示器各自的工作所需，还得以显著提高工频交流放大电路的放大倍数，使工频交流放大电路的放大倍数≥10000倍，从而使本发明能够检测取样电阻更低(毫微欧姆级及以下)的交流电，从中扩大了本发明的测量范围，也大大提高了本发明的测量灵敏度，减少温度效应；本发明相比现有技术的测量装置，其更加节能减排、安全性好、成本低、体积小、质轻、测量更直接方便。

2、本发明还包括电磁转换COSΦ放大取样测量电路，用于测量交流电的电镀、相位信号，能够实现低电阻在线动态检测交流电，使交流电的有功功率与无功功率得以鉴别。

3、电磁转换COSΦ放大取样测量电路包括所述相位表和小型互感器，能够测量电镀、相位，并具有电路结构简单、操作简便、成本低等特点。

4、所述第一直流供电电路和第二直流供电电路分别取自工频电，通过对工频电进行降压整流滤波获得可使用的直流电，使用方便。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种交流电动态检测装置及方法不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的电路结构示意图。

具体实施方式

实施例，请参见图1、图2所示，本发明的一种交流电动态检测装置，包括第一直流供电电路1、供电电压低于第一直流供电电路1的第二直流供电电路2、稳压基准电路3、微电位取样电路4、至少进行两级放大的工频交流放大电路5、检波电路6、校准电路7、信号显示器8；第一直流供电电路1的电压输出端接工频交流放大电路5的电源输入端，第二直流供电电路2的电压输出端接信号显示器8的电源输入端，稳压基准电路3的电压输入端接第二直流供电电路2，稳压基准电路3的电压输出端接信号显示器8的基准电压输入端；微电位取样电路4连接被测交流电，且其取样电压信号输出端接工频交流放大电路5的输入端，工频交流放大电路5的输出端依次通过检波电路6、校准电路7接信号显示器8的输入端。所述信号显示器8的型号为tc7106或tc7107或tc7129。本发明还包括电磁转换COSΦ放大取样测量电路，用于测量流经微电位取样电路4的交流电的电镀、相位信号，其在微电位取样电路4与工频交流放大电路5未连接或断开连接时，连接工频交流放大电路5。

本实施例中，所述微电位取样电路4包括一段取样导线R2，该取样导线R2可以是横截面为圆形的铜质导线。测试时，该取样导线R2的一端与通过插头P3连接工频电11的插座T1的零线N相接，另一端与工频交流放大电路5输入端处的电阻R3、R4(该两个电阻为保护电阻)相接，电阻R4的一端接地，电阻R3的另一端接下述第一运算放大器的3脚(即第一运算放大器的同向输入端)。

电磁转换COSΦ放大取样测量电路包括相位表9和小型互感器10，小型互感器10的线圈一端接地，在取样导线R2的取样电压信号输出端与工频交流放大电路5的输入端未连接或断开连接时，小型互感器10的线圈另一端接工频交流放大电路5的输入端(即与工频交流放大电路5输入端处的电阻R3、R4相接)，且取样导线R2穿入小型互感器10的线圈中；所述相位表9连接所述工频交流放大电路5的输出端。作为一种优选方式，所述取样导线R2的取样电压信号输出端和小型互感器10的线圈另一端通过单刀双掷开关12连接工频交流放大电路5的输入端，具体为单刀双掷开关12的动端连接工频交流放大电路5的输入端，单刀双掷开关12的其中一个不动端连接小型互感器10的线圈另一端，单刀双掷开关12的另一个不动端连接取样导线R2的取样电压信号输出端。

本实施例中，所述第一直流供电电路1取自工频电11，并形成±(8-15)V的供电电压，取较佳值±9V。第一直流供电电路1包括降压电容C1、泄放电阻R2、整流滤波电路，降压电容C1和泄放电阻R2并联连接，且其一端通过插头P3连接220V交流电的火线，另一端接整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的电压正输出端接工频交流放大电路5的电源正输入端，整流滤波电路的电压负输出端接工频交流放大电路5的电源负输入端。具体，整流滤波电路包括二极管D1、D2、电容C2、C3、稳压二极管D3、D4。二极管D1的正极接降压电容C1和泄放电阻R2共点的另一端，二极管D1的负极与电容C2的正极和稳压二极管D3的负极相接，形成+9V的充电稳压，并提供给下述第一运算放大器和第二运算放大器的8脚(即电源正输入端)；电容C2的负极和稳压二极管D3的正极接地。二极管D2的负极接降压电容C1和泄放电阻R2共点的另一端，二极管D2的正极与电容C3的负极和稳压二极管D4的正极相接，形成－9V的充电稳压，并提供给下述第一运算放大器和第二运算放大器的4脚(即电源负输入端)；电容C3的正极和稳压二极管D4的负极接地。

本实施例中，所述第二直流供电电路2同样取自工频电11，并形成±5V的供电电压，稳压基准电路3则形成2.5V的基准电压，供显示用。该第二直流供电电路2包括降压电容C8、泄放电阻R16、整流滤波电路、降压电容C8和泄放电阻R16并联连接，且其一端通过插头P3连接220V交流电的火线，另一端接整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的电压正输出端接信号显示器8的电源正输入端，整流滤波电路的电压负输出端接信号显示器8的电压负输入端；所述稳压基准电路3的电压输入端接整流滤波电路的电压正输出端。具体，第二直流供电电路2的整流滤波电路包括二极管D7、D8、电容C9、C10、稳压二极管D9、D10。二极管D8的正极接降压电容C8和泄放电阻R16共点的另一端，二极管D8的负极与电容C9的正极和稳压二极管D9的负极相接，形成+5V的充电稳压，并提供给信号显示器8的正极；电容C9的负极和稳压二极管D9的正极接地。二极管D7的负极接降压电容C8和泄放电阻R16共点的另一端，二极管D7的正极与电容C10的负极和稳压二极管D10的正极相接，形成－5V的充电稳压，并提供给信号显示器8的负极；电容C10的正极和稳压二极管D10的负极接地。稳压基准电路3包括电阻R17、稳压二极管D3，电阻R17的一端接稳压二极管D9的负极，电阻R17的另一端接稳压二极管D3的负极，以提供2.5V的基准电压，供信号显示器8显示用。

本实施例中，所述工频交流放大电路5包括第一运算放大器U1A和第二运算放大器U1B，二者分别由所述第一直流供电电路1进行供电，使交流得到对称放大，且二者的反馈电阻R5、R8的阻值分别为10MΩ。第一运算放大器U1A的输入端构成工频交流放大电路5的输入端，第一运算放大器U1A的输出端接第二运算放大器U1B的输入端，第二运算放大器U1B的输出端构成工频交流放大电路5的输出端。取样电阻R2的信号经第一运算放大器U1A的3脚进入第一运算放大器U1A进行放大，所得值经由反馈电阻R5反馈到第一运算放大器U1A的2脚，确定了第一运算放大器U1A的放大倍数，其中间信号也经电阻R0接地。第一运算放大器U1A放大后的信号经过1脚、电阻R6供给第二运算放大器U1B，做第二级放大，放大后的中间值经第二运算放大器U1B的7脚做电镀、相位输出，并经反馈电阻R8反馈到第二运算放大器U1B的6脚(即反向输入端)，且其中间信号也经R7入地，整个放大结束。

所述检波电路6包括电容C11、C6、C5、二极管D5、D6、电阻R12、R13、R10，所述校准电路7包括电阻R11、R14、R15、电位器RP4、电容C7。第二运算放大器U1B的7脚接电容C11的一端，电容C11的另一端接二极管D5的负极和二极管D6的正极，通过二极管D5、D6各自整流后，二极管D6对所整流的正电位给并联在一起的电阻R10和电容C5积存电位，并把这电位经连接在一起的电阻R11和电容C7进一步滤波，再由电阻R14提供给电位器RP4,并由其中间抽头作为电流的电位信号提供显示输出。电位器RP4的另一端还与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端接地。二极管D5的正极连接于并联在一起的电阻R12和电容C6的一端，电阻R12和电容C6的另一端与并联在一起的电阻R10、电容C5连接，并连接于电阻R13，同时通过电阻R13连接到地。还包括电阻R9和电容C4，电阻R9的一端接电阻R10和电容C5的一端，电阻R9的另一端与电容C4相连，提供给第二运算放大器U1B的6脚。电容C4用于滤波，使输出电压跳变变得更加平缓。

本实施例中，所述小型互感器10用外径2.3cm、内径1cm、高1.2cm的磁芯或薄膜合金的环状体，在环状体上挠上Φ0.5mm的紫铜线一百多圈后，包好绝缘和固定。所述信号显示器8包括数码管驱动电路和与之匹配的多位数码管显示模块，采用±5V供电，耗电小，显示准确。

在实际电流、电镀测量时，以Φ2.4mm，长4cm的紫铜导线作为取样导线R2来测量20安的交流电流和显示COSΦ。经放大检波后，其显示值为1400，(这是经电位器RP4调整后的值)。如果计算此取样导线R2的电阻，应是电阻率/(导线半径的平方*π)*导线长度，即1.851*10^-8/(0.0012²*3.140)*0.04，这段取样导线的电阻为0.0001637473Ω，当放大一万倍后，其数显值可升到1.637473。

本发明的取样导线R2作为采样元件和1毫微伏测量的方式，一方面不会产生额外的功耗，另一方面也不需要在线导线以外的铺助部件进行采样处理，其电流测量范围很大(无穷大)；同时，这种直接使用在线导线的方式，不用考虑辅助部件的量程和规格问题，因为测量仅采样，采样元件导体的极限参数限制，具有十分稳定、可靠的性能，且一致性容易保证，测量成本低。另外，直接使用在线导线的方式，由于没有辅助部件，比如互感线圈、高阻值电阻等，避免了辅助部件的安全隐患，所以安全性好。

本发明使用两级放大形式，这种形式一方面使来自于采样端的交流电流首先获得高倍率的放大，放大径短，保证了信号放大的精度；另一方面，将检波电路6中的放大倍率设置为受校准电路7可控制的可变倍率形式，以至于校准时不会过多影响第一级的信号稳定性，所以，其稳定性和精度较高。

本发明由于使用了低阻值的方式在线检测交流电流，因此，易于拓展为许多检测装置和方法的方案，比如低阻测量仪器、电镀表、万用表、交流毫微伏测量、功率表、相位计、保安开关、保险丝、过流开关、高压互感器等等；同时保持了超低能耗、高可靠性等优点。

本发明的一种交流电动态方法，包括以下步骤：

沿长度方向，将两个采样点固定连接于一段取样导线上，并使所述取样导线及采样点处于被测交流电回路中；

将两个采样点的电压差通过所述工频交流放大电路5进行放大，并将工频交流放大电路5的输出依次通过所述检波电路6和所述校准电路7连接所述信号显示器8的输入端，由信号显示器8显示采样点间交流电流的测量值；所述工频交流放大电路5的供电电压大于信号显示器8的供电电压；

用标准仪器(例如钳形表)测量两个采样点间交流电流的大小，获得参考值；

将所述测量值与参考值进行比较，并调节校准电路6(即调节所述校准电路6的电位器RP4)，直至所述测量值与参考值吻合；

用电磁转换COSΦ放大取样测量电路测量采样点间交流电流的电镀、相位信号：所述电磁转换COSΦ放大取样测量电路包括小型互感器和相位表，将小型互感器的线圈一端接地，在取样导线的取样电压信号输出端与所述工频交流放大电路的输入端断开连接时，将小型互感器的线圈另一端接工频交流放大电路的输入端，将取样导线穿入小型互感器的线圈中，将相位表的输入端连接所述工频交流放大电路的输出端，使相位表获得电镀、相位信号。

由于取样导线的电阻值可以确定，同时工频交流放大电路的放大值和总放大倍数也可以唯一确定，因此，根据这些数据，运用欧姆定律可以确定流经取样导线的电流值，其为一估算值。考虑到实际情况，例如取样导线两端的欧姆接触，放大电路的误差，导线的材质、组分变化等，导致估算值与真实值通常存在微小差异。因此，通过调节校准电路对测量值进行修正，使其与真实值(参考值)吻合，即可反应流经取样电阻两端的实际电流。经过校准电路校准后，下次采用本发明的交流电动态检测装置进行交流电动态检测时，无需再调节校准电路。

本实施例中，所述电阻值由所述取样导线R2的电阻率和所述采样点之间的几何特征计算得到，使取样导线R2的阻值、温度/湿度特性易于控制，容易实现量产的一致性；并且，整个方案并不受取样导线R2与其所在回路的欧姆接触影响，接驳和卸载十分便利。

在其它实施例中，所述第一直流供电电路和第二直流供电电路分别直接采用直流电或电池。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种交流电动态检测装置及方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。