专利名称：磁调制器虚零点检测器的制作方法
技术领域：
本发明属于电力测量技术领域，具体涉及在高精度直流电流测量设备中起传感、 反馈比较作用的磁调制器，特别是磁调制器的虚零点检测器。
背景技术：
零磁通直流电流互感器和直流电流比较仪作为主要的高精度直流电流测量设备， 在许多领域如跨区域高压直流输电系统、有色金属电化学系统和粒子加速器等中有广泛的应用。零磁通直流电流互感器和直流电流比较仪中的核心部件传感器和反馈比较器大多采用磁调制器。工作时磁调制器比较被测一次电流与反馈二次电流的大小，将其差值测出并将其送往后续信号处理电路。零磁通直流电流互感器和直流电流比较仪的工作目标就是尽可能使被测一次电流与反馈二次电流的差值为零，此种状态谓之平衡，平衡点也被称作零点。在零点处被测一次电流与反馈二次电流间存在着明确的数量关系，通过测量小的反馈二次电流即可测出大的被测一次电流。为保证测量设备的正常运行，要求磁调制器的输出信号与输入信号间有一一对应关系，特别是当输入信号，即被测一次电流与反馈二次电流的差值，为零时，磁调制器的输出信号也应为零，而当输入信号不为零时输出信号也应不为零。然而对于实际的磁调制器，存在着所谓的虚零点或虚假平衡现象，即当输入信号的绝对值大到超过一定阈值时，输出信号不是继续变大，而是趋于零。在虚零点现象发生时， 测量设备正常工作时被测一次电流与反馈二次电流间存在的明确的数量关系被破坏，测量误差显著增大。由于系统的反馈控制作用，磁调制器输入输出特性一旦进入负斜率区，系统便处于正反馈状态，磁调制器将加速进入虚零点状态，并陷入其中而不能自行逃出。虚零点有两个，分别位于零点(平衡点)的两侧，按其极性分别被称为正、负虚零点，它们分别对应被测一次电流大于、小于反馈二次电流的情形。目前缺乏有效监测报警手段来监测虚零点。测量设备陷入虚零点状态后人们很难察觉，有可能导致一系列后续设备出现异常甚至发生事故。通常对应虚零点的输入信号阈值为十几安匝或数十安匝，而被测一次电流通常达数百、数千甚至数十万安匝，因此工作中磁调制器出现虚零点现象的概率并不低，有必要设计一种虚零点检测器来监测虚零点并及时发出报警信号。(见文献[1]揭秉信.大电流测量.北京机械工业出版社.1987，157-223 ； [2]袁禄明.电磁测量.北京机械工业出版社· 1980,276-293)
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁调制器虚零点检测器，当磁调制器进入虚零点状态从而导致磁调制器工作失效时，该虚零点检测器可正确做出指示。本发明提供的一种磁调制器虚零点检测器，其特征在于，它包括第一、第二单元电路和一个触发器，第一、第二单元电路均由差动放大器、隔直电路、同相放大器、整流器、滤波器和比较器依次串联而成，第一、第二单元电路中除整流器方向相反、比较器的参考电压极性相反以外，其余部分均相同；第一、第二单元电路的一端分别接到磁调制器的两个检测线圈Wl和W2，另一端均与所述触发器连接，触发器的输出端即为磁调制器虚零点检测器的输出。本发明通过磁调制器虚零点检测器的输出电压的高低，可正确判断磁调制器是否进入虚零点状态，并能正确判断虚零点的正负极性。这样当磁调制器进入虚零点状态时，磁调制器虚零点检测器一方面及时报警，提醒操作人员采取措施，避免磁调制器在人们不知情的情况下输出错误测量结果；另一方面虚零点检测器输出的信号可送到后续设备的控制端，供后续设备实现自动操作，避免磁调制器陷入虚零点状态时后续设备出现异常甚至发生事故。
图1为本发明磁调制器虚零点检测器的原理框图。图2为本发明磁调制器虚零点检测器的一个具体电路实例图。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。如图1所示，本发明磁调制器虚零点检测器的结构为采用两个相同的差动放大器1和2，其输入端分别接到磁调制器的两个检测线圈Wl和W2。注意有些种类的磁调制器的检测线圈与交流激磁线圈合二为一，共同使用同一个线圈，则此时差动放大器的输入端也可认为接到了交流激磁线圈的两端。两个差动放大器各自后接一套由隔直电路3和4、 同相放大器5和6、整流器7和8、滤波器9和10、比较器11和12和触发器13等构成的电路。这两套电路除整流器7和8方向相反、比较器11和12参考电压极性相反外，其余部分均完全相同；差动放大器1和2的输出端接隔直电路3和4的输入端；隔直电路3和4的输出端接同相放大器5和6的输入端；同相放大器5和6的输出端接整流器7和8的输入端； 整流器7和8的输出端接滤波器9和10的输入端；滤波器9和10的输出端接比较器11和 12的输入端；比较器11和12的输出端接触发器13的输入端；触发器13的输出端即为磁调制器虚零点检测器的输出。图1中所用差动放大器1和2、隔直电路3和4、同相放大器5和6、整流器7和8、 滤波器9和10、比较器11和12和触发器13均有多种实现电路，图2给出了其中一种电路实例。在图2所示电路实例中，磁调制器检测线圈Wl后接的差动放大器1由电阻R1、R3、 R5、R7及运算放大器Al组成，Rl的一端接Wl的同名端(即图1中Wl的1脚)，另一端接 Al的反相输入端；R3的一端接Wl的异名端(即图1中Wl的2脚)，另一端接Al的同相输入端。R5的一端接Al的输出端，另一端接Al的反相输入端；R7的一端接地，另一端接Al 的同相输入端。R1、R3、R5、R7阻值相等，其数值为Wl在激磁频率下铁心磁通未饱和时阻抗值的数倍至数十倍。差动放大器1的作用是将Wl上感应的谐波电压检出并传送到后接的隔直电路3。磁调制器检测线圈W2后接的差动放大器2，其结构和作用与上段叙述的差动放大器2相同，与上段叙述的电阻Rl、R3、R5、R7及运算放大器A1对应的元件分别为R2、R4、R6、 R8 及 A2。两个差动放大器1、2后接的隔直电路3、4分别由电容Cl、电阻R9和电容C2、电阻 RlO组成，其作用是隔离直流信号。Cl的一端接Al的输出端，另一端与R9相连并接A3同相输入端，R9的另一端接地；C2的一端接A2的输出端，另一端与RlO相连并接A4同相输入端，RlO的另一端接地。C1、R9和C2、R10的数值与激磁频率、截止频率等有关，通常为数微法和数千欧。两个隔直电路3、4后接的同相放大器5、6分别由电阻R11、R13、运算放大器A3和电阻R12、R14、运算放大器A4组成，其作用将隔直电路送来的信号放大。Rll的一端接地， 另一端与R13相连并接A3反相输入端，R13的一端接A3反相输入端，另一端接A3的输出端，A3的同相输入端接隔直电路C1、R9相连的那一端。与此类似，R12的一端接地，另一端与R14相连并接A4反相输入端，R14的一端接A4反相输入端，另一端接A4的输出端，A4的同相输入端接隔直电路C2、R10相连的那一端。R11、R12阻值均为业，R13、R14阻值须根据实验调整，一般应取如下数值，使在零点处A3和A4的输出端电压均为5V。两个同相放大器5、6后接的整流器7、8分别由二极管D1、D2组成，其作用是整流。 Dl的阳极接A3的输出端；D2的阴极接A4的输出端。D1、D2可选用小功率整流二极管或检波二极管如1N4007或1N4148等。两个整流器7、8后接的滤波器9、10分别由电容C3、电阻R15和电容C4、电阻R16 组成，其作用是滤波。C3的一端接Dl的阴极，并与R15的一端相连，C3与R15的另一端接地；与此类似，C4的一端接D2的阳极，并与R16的一端相连，C4与R16的另一端接地。C3、 R15和C4、R16的数值与激磁频率、截止频率等有关，通常为数微法和数千欧。两个滤波器9、10后接的比较器11、12分别由运算放大器A5、A6组成。A5的反相输入端接Dl的阴极，同相输入端接参考电压Vp ；A6的同相输入端接Dl的阳极，反相输入端接另一个参考电压-Vp。这里Vp为2V，-Vp为-2V。比较器A5的作用是比较经D1、C3、R15 整流滤波后的信号与Vp电压的高低，若前者低，A5输出高电平，反之输出低电平；比较器A6 的作用是比较经D2、C4、R16整流滤波后的信号与-Vp电压的高低，若前者高(即绝对值低， 注意这里电压为负)，A6输出高电平，反之输出低电平。两个比较器11、12后接的触发器13分别由双输入与非门A7、A9和A8、A10组成。 AlO的两个输入端均与A8的输出端相连，并连接到A7的一个输入端上，A7的另一个输入端与比较器11的A5输出端相连。与此类似，A9的两个输入端均与A7的输出端相连，并连接到A8的一个输入端上，A8的另一个输入端与比较器12的A6输出端相连。A9的输出端和 AlO的输出端即为触发器13的两个输出端。当比较器11、12中的A5、A6均输出低电平时， A9输出端的电压Va和AlO输出端的电压Vb均为低电平。当A5的输出先于A6由低变高时，Va即变为高电平而Vb仍为低电平，此后即使A6的输出也由低变高，Va仍维持高电平， Vb仍维持低电平。Va、Vb的这种状态将保持下去直到比较器11、12中的A5、A6均又输出低电平为止，这时Va、Vb才重新回到低电平。与此类似，当A6的输出先于A5由低变高时，Vb 即变为高电平而Va仍为低电平，此后即使A5的输出由低变高，Vb仍维持高电平而Va维持低电平。Va、Vb的这种状态也将保持下去直到比较器11、12中的A5、A6均又输出低电平为止，这时Va、Vb重新回到低电平。
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触发器13中A9、AlO的输出端即为本发明磁调制器虚零点检测器的输出端。输出端的输出电压分别为Va和Vb。用户可根据自己不同的要求，将信号灯、蜂鸣器或其他报警器、或后续其他设备的控制输入端等，连到这两个输出端上，实现报警或对其他设备的控制。本发明磁调制器虚零点检测器的工作过程如下当位于零点即零磁通状态时，线圈Wl、W2处于未完全饱和状态，这时两个差动放大器均输出较大电压。经隔直、放大、整流、滤波后、送到比较器11中A5反相输入端的信号电压大于Vp，而送到比较器12中A6同相输入端的信号电压小于-Vp，经分别比较后，两个比较器均输出低电平，经过触发器13，Va、Vb均为低电平。当磁调制器移到正虚零点时，线圈Wl先于W2进入完全饱和状态。这时Wl后接的差动放大器1的输出电压降低，经隔直、放大、整流、滤波后，送到比较器11中A5反相输入端的信号电压也随之降低，当其低于Vp后，A5输出由低变高。与此同时W2尚未完全饱和， 比较器12中A6输出仍为低，因此A7输出低电平，致A9输出电压Va为高电平，A8因被A7 输出的低电平封锁而输出高电平，使AlO输出电压Vb为低电平。当磁调制器移到负虚零点时，线圈W2先于Wl进入完全饱和状态。这时W2后接的差动放大器2的输出电压降低，经隔直、放大、整流、滤波后，送到比较器12中A6同相输入端的信号电压随之升高，当其高于-Vp后，A6输出由低变高。与此同时Wl尚未完全饱和， 比较器11中A5输出仍为低，因此A8输出低电平，致Vb为高电平，A7因被A8输出的低电平封锁而输出高电平，使Va为低电平。据上所述，磁调制器虚零点检测器输出的Va和Vb可正确指示虚零点的发生和虚零点的极性。具体如下当Va、Vb均为低电平时，磁调制器未工作在虚零点；当Va为高电平而Vb为低电平时，磁调制器工作在正虚零点；当Va为低电平而Vb为高电平时，磁调制器工作在负虚零点。实例某零磁通直流电流互感器所用磁调制器被测一次电流最大值为3000A，实测表明当被测一次电流与反馈二次电流的差值的绝对值大于约6A时，磁调制器输入输出特性进入负斜率区域，当被测一次电流与反馈二次电流的差值绝对值大于约20A时，磁调制器进入虚零点状态，于是正虚零点为20A，负虚零点为-20A。磁调制器虚零点检测器各元件参数如下(见图1)各电阻Rl = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 = R8 = 51k, R9 = RlO = lk,Rll = R12 = R13 = R14 = 10k,R15 = R16 = lk，各电容 Cl = C2 = 4. 7μ f，C3 = C4 = 220 μ f，二极管 D1、D2 为 1N4148，各芯片 A1、A2、 A3、A4、A5、A6 为 0P07, A7、A8、A9、A10 为 CD4093，参考电压 Vp 为 2V, -Vp 为-2V,电路的电源电压为15V和-15V，磁调制器激磁频率为50Hz。实测表明，当被测一次电流与反馈二次电流的差值，即输入信号的绝对值小于等于6A时，Va = Vb = O,表明磁调制器未工作在虚零点。当输入信号大于20A时，Va= 15V, Vb = 0，表明磁调制器工作在正虚零点。当输入信号小于-20A时，Va = 0，Vb = 15V，表明磁调制器工作在负虚零点。当输入信号的绝对值大于6A而小于等于20A时，因磁调制器负斜率的输入输出特性，系统因正反馈而迅速进入虚零点状态。本发明不仅局限于上述具体实施方式
，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式
实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种磁调制器虚零点检测器，其特征在于，它包括第一、第二单元电路和一个触发器，第一、第二单元电路均由差动放大器、隔直电路、同相放大器、整流器、滤波器和比较器依次串联而成，第一、第二单元电路中除整流器方向相反、比较器的参考电压极性相反以外，其余部分均相同；第一、第二单元电路的一端分别接到磁调制器的两个检测线圈Wi和 W2，另一端均与所述触发器连接，触发器的输出端即为磁调制器虚零点检测器的输出。
2.—种权利要求1所述的磁调制器虚零点检测器，其特征在于，第一单元电路中的差动放大器由电阻Rl、R3、R5、R7及运算放大器Al组成，Rl的一端接Wl的同名端，另一端接 Al的反相输入端；R3的一端接Wl的异名端，另一端接Al的同相输入端。R5的一端接Al 的输出端，另一端接Al的反相输入端；R7的一端接地，另一端接Al的同相输入端，R1、R3、 R5、R7阻值相等。
3.—种权利要求2所述的磁调制器虚零点检测器，其特征在于，第一单元电路中的隔直电路由电容Cl和电阻R9，Cl的一端接Al的输出端，另一端与R9相连并接A3同相输入端，R9的另一端接地。
4.一种权利要求3所述的磁调制器虚零点检测器，其特征在于，第一单元电路中的同相放大器由电阻R11、R13和运算放大器A3组成，Rll的一端接地，另一端与R13相连并接 A3反相输入端，R13的一端接A3反相输入端，另一端接A3的输出端，A3的同相输入端接隔直电路Cl、R9相连的那一端。
5.一种权利要求4所述的磁调制器虚零点检测器，其特征在于，第一单元电路中的整流器由二极管Dl组成，Dl的阳极接A3的输出端。
6.一种权利要求5所述的磁调制器虚零点检测器，其特征在于，第一单元电路中的滤波器由电容C3和电阻R15组成，C3的一端接Dl的阴极，并与R15的一端相连，C3与R15的另一端接地。
7.—种权利要求6所述的磁调制器虚零点检测器，其特征在于，第一单元电路中的比较器由运算放大器A5组成，A5的反相输入端接Dl的阴极，同相输入端接参考电压Vp ；第二单元电路中的比较器由运算放大器A6组成，A6的同相输入端接D2的阳极，反相输入端接另一个参考电压-Vp。
8.—种权利要求7所述的磁调制器虚零点检测器，其特征在于，触发器由双输入与非门A7、A9和A8、A10组成。AlO的两个输入端均与A8的输出端相连，并连接到A7的一个输入端上，A7的另一个输入端与A5输出端相连，A9的两个输入端均与A7的输出端相连，并连接到A8的一个输入端上，A8的另一个输入端与A6输出端相连，A9的输出端和AlO的输出端即为触发器13的两个输出端。
全文摘要
本发明公开了一种磁调制器虚零点检测器，它包括第一、第二单元电路和一个触发器，单元电路均由差动放大器、隔直电路、同相放大器、整流器、滤波器和比较器依次串联而成，二个单元电路中除整流器方向相反、比较器的参考电压极性相反以外，其余部分均相同；第一、第二单元电路的一端分别接到磁调制器的两个检测线圈W1和W2，另一端均与所述触发器连接，触发器的输出端即为磁调制器虚零点检测器的输出。通过磁调制器虚零点检测器的输出电压的高低，可正确判断磁调制器是否进入虚零点状态，并能正确判断虚零点的正负极性。
文档编号G01R19/175GK102360049SQ20111026049
公开日2012年2月22日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者徐垦, 徐雁, 肖霞 申请人:华中科技大学