电感电路分断电弧放电时间检测电路及方法与流程

本发明属于电感电路分断电弧放电时间检测技术领域，具体涉及一种电感电路分断电弧放电时间检测电路及方法。

背景技术：

安全火花试验装置是研究电路本质安全性能的基本设备，根据在该装置上得到的试验结果绘制的各种点燃曲线是设计本质安全电路的依据。利用安全火花试验装置测试电感电路，其放电时间就是引爆时电路电流从断开前的稳态值衰减到零的持续时间，它决定于装置电极的材质、结构、切换速度以及电路过度过程的特征和试验气体的浓度、温度、压力等。如果能够建立放电时间与电极间隙电压、电流变化规律的精确数学模型，建立其伏安特性方程，放电时间也就迎刃而解。但目前由于实际放电过程的复杂性，放电引燃的机理尚不十分清楚，无法建立完整的理论来定量描述放电引燃过程，且电感电路分断电弧放电时间是一个与电路参数相关的隐函数，因而能够准确测量电感电路分断电弧放电时间成为问题的关键。

目前对放电时间的研究方法有：①利用数学模型的方法，通过建立电感分断电弧放电的数学模型，依据电感分断期间电流衰减为零的特点，计算出电感分断电弧放电的时间；②采用计算机直接测量的方法，其主要工作原理是利用计数器对放电脉冲个数进行计数，进而确定电感电路断开时的放电持续时间。采用方式①的方法，优点是简单，便于计算。但由于电感电路断开后，实际的电流电压变化规律是非线性的，因此它存在一定的误差。采用方式②的方法，其工作原理简单、应用方便，但是由于很多因素可能造成两个断路火花之间的时间间隔有误差从而引起计数的偏差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电路结构简单、设计合理、实现方便且成本低、工作稳定可靠、能够快速有效的检测电感电路分断电弧放电时间、适用范围广、实用性强、具有良好的推广应用价值的电感电路分断电弧放电时间检测电路。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电感电路分断电弧放电时间检测电路，其特征在于：包括依次连接的电压信号处理电路、分相延缓电路、比较输出电路、电弧时间测试及显示驱动电路和电弧时间显示电路；

所述电压信号处理电路包括仪用放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R1的一端为电压信号处理电路的取样点正极电压输入端VIN+，所述电阻R3的一端为电压信号处理电路的取样点负极电压输入端VIN-，取样点正极电压通过串联的电阻R1和电阻R2构成的分压电阻网络连接到地，所述电阻R1和电阻R2的连接端与仪用放大器U1的同相输入端连接，取样点负极电压通过串联的电阻R3和电阻R4构成的分压电阻网络连接到地，所述电阻R3和电阻R4的连接端与仪用放大器U1的反相输入端连接；

所述分相延缓电路包括电容C1，由电阻R5和电阻R7组成的第一比例电阻网络，以及由电阻R6和电阻R8组成的第二比例电阻网络；所述电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式所述电阻R5的一端与仪用放大器U1的输出端连接，所述电阻R5的另一端通过电阻R7接地，所述电阻R6的一端与仪用放大器U1的输出端连接，所述电阻R6的另一端通过电阻R8接地，所述电容C1的一端与电阻R6和电阻R8的连接端连接，所述电容C1的另一端接地；

所述比较输出电路包括比较器U2、D触发器U3、电阻R10、电阻R11和电阻R12，所述比较器U2的同相输入端与电阻R5和电阻R7的连接端连接，所述比较器U2的反相输入端与电阻R6和电阻R8的连接端连接，所述比较器U2的输出端通过电阻R10与外部供电电源的输出端VCC连接，所述D触发器U3的信号输入端D与信号输出端连接，所述D触发器U3的时钟信号输入端CP与比较器U2输出端连接，所述D触发器U3的信号输出端Q经过串联的电阻R11和电阻R12接地，所述电阻R11和电阻R12的连接端为所述比较输出电路的输出端OUT。

上述的电感电路分断电弧放电时间检测电路，其特征在于：所述电弧时间测试及显示驱动电路为单片机，所述电弧时间显示电路为液晶显示屏。

上述的电感电路分断电弧放电时间检测电路，其特征在于：所述单片机的型号为STC89C51，所述液晶显示屏的型号为LCD1602，所述单片机上接有时钟电路，所述时钟电路由电容C2、电容C3和晶振Y1组成，所述晶振Y1的一端与所述单片机的第18引脚连接且公共电容C2接地，所述晶振Y1的另一端与所述单片机的第19引脚连接且公共电容C3接地；所述单片机的第29引脚和第40引脚均与外部供电电源的输出端VCC1连接，所述单片机的第20引脚接地，所述单片机的第13引脚与所述比较输出电路的输出端OUT连接，所述液晶显示屏的第6引脚、第5引脚和第4引脚依次与所述单片机的第32引脚、第33引脚和第34引脚连接，所述液晶显示屏的第1引脚和第16引脚均接地，所述液晶显示屏的第2引脚和第15引脚均与外部供电电源的输出端VCC1连接，所述液晶显示屏的第3引脚通过电阻R13接地。

上述的电感电路分断电弧放电时间检测电路，其特征在于：所述仪用放大器U1的型号为AD623。

上述的电感电路分断电弧放电时间检测电路，其特征在于：所述比较器U2的型号为LM2903。

上述的电感电路分断电弧放电时间检测电路，其特征在于：所述D触发器U3的型号为74HC75。

本发明还提供了一种方法步骤简单、设计合理，实现方便、能够快速有效的检测电感电路分断电弧放电时间的电感电路分断电弧放电时间检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、检测电路连接：将需要检测分断电弧放电时间的电感电路的取样点正极与电压信号处理电路的取样点正极电压输入端VIN+连接，将需要检测分断电弧放电时间的电感电路的取样点负极与电压信号处理电路的取样点负极电压输入端VIN-连接；并将安全火花试验装置G接在需要检测分断电弧放电时间的电感电路的取样点正极与负极之间；

步骤二、电压信号处理：电感电路1工作过程中，电压信号处理电路2对电感电路1的取样点正极与负极电压的双端输入差分信号进行放大处理后，转换成单端电压信号输出给分相延缓电路3；

步骤三、电感电路分断电弧放电时间检测，具体过程为：

当安全火花试验装置G的两个电极处于闭合状态时，电感电路正常工作，此时，电感电路中的电感充电储能，直到电感电流到达最大值时，电感电路的取样点正极与取样点负极之间的电压为零，电压信号处理电路中仪用放大器U1的输出电压也为零；电压信号处理电路2输出的电压分为两路,一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，由于电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式因此比较器U2的同相输入端的电压小于其反相输入端的电压，比较器U2输出低电平，使得D触发器U3处于锁存状态，D触发器U3没有检测到变化的电压信号，输出低电平；

当利用安全火花试验装置G进行开闭爆炸性试验时，安全火花试验装置G的两个电极由闭合开始分离，由于电感电路1的回路电流不能突变，致使分断点发生电压突变，电感电路1开始产生电弧放电；电压信号处理电路2输出的电压分为两路,一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，虽然电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式但由于电容C1延缓了所述第二比例电阻网络分压后输出的电压的变化，使得比较器U2的同相输入端的电压大于其反相输入端的电压，比较器U2输出高电平，由于D触发器U3为上升沿触发，因此，D触发器U3输出高电平；D触发器U3输出的高电平经过电阻R11和电阻R12分压后输出给电弧时间测试及显示驱动电路，当电弧时间测试及显示驱动电路检测到高电平到来时，开始计时；

随着时间的推进，安全火花试验装置G的两个电极分离的程度逐渐增大，电弧电流近似线性衰减，此时分断处的电弧电压缓慢上升，电压信号处理电路2输出的电压分为两路,一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，由于电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式因此比较器U2的同相输入端的电压小于其反相输入端的电压，比较器U2输出维持低电平，D触发器U3输出保持高电平；

随着安全火花试验装置G的两个电极距离进一步加大，电弧电流突然下降为零，此时,安全火花试验装置G的两个电极彻底分离，电感电路1再次产生了一个突变的电压信号，电压信号处理电路2输出的电压分为两路，一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，虽然电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式但由于电容C1延缓了所述第二比例电阻网络分压后输出的电压的变化，使得比较器U2再次输出高电平，D触发器U3检测到这一从低到高变化的电压信号，输出状态逻辑翻转为低电平，需要检测分断电弧放电时间的电感电路电弧放电结束；D触发器U3输出逻辑状态翻转时，产生一个下降沿输出给电弧时间测试及显示驱动电路，电弧时间测试及显示驱动电路停止计时，电弧时间测试及显示驱动电路将计时得到的时间记为电感电路分断电弧放电时间，并输出给电弧时间显示电路进行显示。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明电感电路分断电弧放电时间检测电路的电路结构简单，设计合理，实现方便且成本低，工作稳定可靠。

2、本发明的电感电路分断电弧放电时间检测电路，弥补了数学模型法和计算机直接测量法测量电感电路分断电弧放电时间的不足，能够在电弧时间显示电路中直接显示出测量结果，给科研人员提供了方便。

3、本发明的电感电路分断电弧放电时间检测电路是根据电感电路分断电弧放电电压波形的变化特点设计的检测电路，选用的仪用放大器、比较器响应速度快，测量到的电弧放电时间误差小，精度高。

4、本发明的电感电路分断电弧放电时间检测电路，不仅可以适用于实际的火花试验当中，还可以适用于各种电感性电路分断电弧放电仿真试验中，借助于仿真软件就可以快速的提取电感分断电弧放电波形，适用范围广。

5、本发明的电感电路分断电弧放电时间检测方法的方法步骤简单，设计合理，实现方便，能够快速有效的检测电感电路分断电弧放电时间，将其应用到电感电路本质安全检测中可以建立相应的电弧放电模型，提取电感分断电弧放电波形，进行本质安全的判定。

6、本发明的实用性强，具有良好的推广应用价值。

综上所述，本发明电路结构简单，设计合理，实现方便且成本低，工作稳定可靠，能够快速有效的检测电感电路分断电弧放电时间，适用范围广，实用性强，具有良好的推广应用价值。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明电感电路分断电弧放电时间检测电路的电路原理框图。

图2为本发明电感电路分断电弧放电时间检测方法的方法流程框图。

图3为本发明电感电路分断电弧放电时间检测电路的电路原理图。

图4为本发明电感电路分断电弧放电时间检测电路及方法的应用实例图。

附图标记说明:

1—电感电路； 2—电压信号处理电路； 3—分相延缓电路；

4—比较输出电路； 5—电弧时间测试及显示驱动电路；

6—电弧时间显示电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明的电感电路分断电弧放电时间检测电路，包括依次连接的电压信号处理电路2、分相延缓电路3、比较输出电路4、电弧时间测试及显示驱动电路5和电弧时间显示电路6；

如图3所示，所述电压信号处理电路2包括仪用放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R1的一端为电压信号处理电路2的取样点正极电压输入端VIN+，所述电阻R3的一端为电压信号处理电路2的取样点负极电压输入端VIN-，取样点正极电压通过串联的电阻R1和电阻R2构成的分压电阻网络连接到地，所述电阻R1和电阻R2的连接端与仪用放大器U1的同相输入端连接，取样点负极电压通过串联的电阻R3和电阻R4构成的分压电阻网络连接到地，所述电阻R3和电阻R4的连接端与仪用放大器U1的反相输入端连接；

如图3所示，所述分相延缓电路3包括电容C1，由电阻R5和电阻R7组成的第一比例电阻网络，以及由电阻R6和电阻R8组成的第二比例电阻网络；所述电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式所述电阻R5的一端与仪用放大器U1的输出端连接，所述电阻R5的另一端通过电阻R7接地，所述电阻R6的一端与仪用放大器U1的输出端连接，所述电阻R6的另一端通过电阻R8接地，所述电容C1的一端与电阻R6和电阻R8的连接端连接，所述电容C1的另一端接地；

如图3所示，所述比较输出电路4包括比较器U2、D触发器U3、电阻R10、电阻R11和电阻R12，所述比较器U2的同相输入端与电阻R5和电阻R7的连接端连接，所述比较器U2的反相输入端与电阻R6和电阻R8的连接端连接，所述比较器U2的输出端通过电阻R10与外部供电电源的输出端VCC连接，所述D触发器U3的信号输入端D与信号输出端连接，所述D触发器U3的时钟信号输入端CP与比较器U2输出端连接，所述D触发器U3的信号输出端Q经过串联的电阻R11和电阻R12接地，所述电阻R11和电阻R12的连接端为所述比较输出电路4的输出端OUT。

具体实施时，所述仪用放大器U1的电源端与外部供电电源的输出端VCC连接，所述仪用放大器U1的接地端接地；所述比较器U2的电源端与外部供电电源的输出端VCC连接，所述比较器U2的接地端接地。所述外部供电电源的输出端VCC输出的电压为5V。

本实施例中，所述电弧时间测试及显示驱动电路5为单片机，所述电弧时间显示电路7为液晶显示屏。

本实施例中，如图3所示，所述单片机的型号为STC89C51，所述液晶显示屏的型号为LCD1602，所述单片机上接有时钟电路，所述时钟电路由电容C2、电容C3和晶振Y1组成，所述晶振Y1的一端与所述单片机的第18引脚连接且公共电容C2接地，所述晶振Y1的另一端与所述单片机的第19引脚连接且公共电容C3接地；所述单片机的第29引脚和第40引脚均与外部供电电源的输出端VCC1连接，所述单片机的第20引脚接地，所述单片机的第13引脚与所述比较输出电路4的输出端OUT连接，所述液晶显示屏的第6引脚、第5引脚和第4引脚依次与所述单片机的第32引脚、第33引脚和第34引脚连接，所述液晶显示屏的第1引脚和第16引脚均接地，所述液晶显示屏的第2引脚和第15引脚均与外部供电电源的输出端VCC1连接，所述液晶显示屏的第3引脚通过电阻R13接地。

具体实施时，所述外部供电电源的输出端VCC1输出的电压为5V。

本实施例中，所述仪用放大器U1的型号为AD623。型号为AD623的仪用放大器U1的引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端，引脚4为接地端，引脚7为电源端，引脚6为输出端。

本实施例中，所述比较器U2的型号为LM2903。

本实施例中，所述D触发器U3的型号为74HC75。

如图2所示，本发明的电感电路分断电弧放电时间进行检测方法，包括以下步骤：

步骤一、检测电路连接：将需要检测分断电弧放电时间的电感电路1的取样点正极与电压信号处理电路2的取样点正极电压输入端VIN+连接，将需要检测分断电弧放电时间的电感电路1的取样点负极与电压信号处理电路2的取样点负极电压输入端VIN-连接；并将安全火花试验装置G接在需要检测分断电弧放电时间的电感电路1的取样点正极与负极之间；

步骤二、电压信号处理：电感电路1工作过程中，电压信号处理电路2对电感电路1的取样点正极与负极电压的双端输入差分信号进行放大处理后，转换成单端电压信号输出给分相延缓电路3；

步骤三、电感电路分断电弧放电时间检测，具体过程为：

当安全火花试验装置G的两个电极处于闭合状态时，电感电路1正常工作，此时，电感电路1中的电感充电储能，直到电感电流到达最大值时，电感电路1的取样点正极与取样点负极之间的电压为零，电压信号处理电路2中仪用放大器U1的输出电压也为零；电压信号处理电路2输出的电压分为两路,一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，由于电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式因此比较器U2的同相输入端的电压小于其反相输入端的电压，比较器U2输出低电平，使得D触发器U3处于锁存状态，D触发器U3没有检测到变化的电压信号，输出低电平；

当利用安全火花试验装置G进行开闭爆炸性试验时，安全火花试验装置G的两个电极由闭合开始分离，由于电感电路1的回路电流不能突变，致使分断点发生电压突变，电感电路1开始产生电弧放电；电压信号处理电路2输出的电压分为两路,一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，虽然电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式但由于电容C1延缓了所述第二比例电阻网络分压后输出的电压的变化，使得比较器U2的同相输入端的电压大于其反相输入端的电压，比较器U2输出高电平，由于D触发器U3为上升沿触发，因此，D触发器U3输出高电平；D触发器U3输出的高电平经过电阻R11和电阻R12分压后输出给电弧时间测试及显示驱动电路5，当电弧时间测试及显示驱动电路5检测到高电平到来时，开始计时；

随着时间的推进，安全火花试验装置G的两个电极分离的程度逐渐增大，电弧电流近似线性衰减，此时分断处的电弧电压缓慢上升，电压信号处理电路2输出的电压分为两路,一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，由于电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式因此比较器U2的同相输入端的电压小于其反相输入端的电压，比较器U2输出维持低电平，D触发器U3输出保持高电平；

随着安全火花试验装置G的两个电极距离进一步加大，电弧电流突然下降为零，此时,安全火花试验装置G的两个电极彻底分离，电感电路1再次产生了一个突变的电压信号，电压信号处理电路2输出的电压分为两路，一路经过所述分相延缓电路3中的第一比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的同相输入端，另一路经过所述分相延缓电路3中的第二比例电阻网络分压后输出到比较输出电路4中比较器U2的反相输入端，虽然电阻R5的阻值、电阻R6的阻值、电阻R7的阻值和电阻R8的阻值满足关系式但由于电容C1延缓了所述第二比例电阻网络分压后输出的电压的变化，使得比较器U2再次输出高电平，D触发器U3检测到这一从低到高变化的电压信号，输出状态逻辑翻转为低电平，需要检测分断电弧放电时间的电感电路1电弧放电结束；D触发器U3输出逻辑状态翻转时，产生一个下降沿输出给电弧时间测试及显示驱动电路5，电弧时间测试及显示驱动电路5停止计时，电弧时间测试及显示驱动电路5将计时得到的时间记为电感电路1分断电弧放电时间，并输出给电弧时间显示电路6进行显示。

例如，如图4所示，需要检测分断电弧放电时间的电感电路1由直流电压源Vi、电感L和限流电阻RL串接构成，所述电感L的一端与直流电压源Vi正极输出端连接，所述电感L的另一端为电感电路1的取样点正极，所述限流电阻RL的一端与直流电压源Vi负极输出端连接且接地，所述限流电阻RL的另一端为电感电路1的取样点负极。

当安全火花试验装置G的两个电极处于闭合状态时，电感电路1正常工作，此时，电感L充电储能，比较器U2输出低电平，使得D触发器U3处于锁存状态，D触发器U3没有检测到变化的电压信号，输出低电平；

当利用安全火花试验装置G进行开闭爆炸性试验时，安全火花试验装置G的两个电极由闭合开始分离，电感电路1中的电阻突然增大，由于电感电路1的回路电流不能突变，致使分断点发生电压突变，电感电路1开始产生电弧放电；比较器U2输出高电平，D触发器U3检测到变化的电平，输出高电平，电感电路1开始电弧放电；D触发器U3输出的高电平经过电阻R11和电阻R12分压后输出给电弧时间测试及显示驱动电路，当电弧时间测试及显示驱动电路检测到高电平到来时，开始计时；

随着时间的推进，安全火花试验装置G的两个电极分离的程度逐渐增大，电弧电流近似线性衰减，此时分断处的电弧电压缓慢上升，比较器U2输出维持低电平，D触发器U3输出保持高电平；

随着安全火花试验装置G的两个电极距离进一步加大，电弧电流突然下降为零，此时,安全火花试验装置G的两个电极彻底分离，电感电路1再次产生了一个突变的电压信号，比较器U2再次输出高电平，D触发器U3检测到这一从低到高变化的电压信号，输出状态逻辑翻转为低电平，电感电路1电弧放电结束；D触发器U3输出逻辑状态翻转时，产生一个下降沿输出给电弧时间测试及显示驱动电路，电弧时间测试及显示驱动电路停止计时，电弧时间测试及显示驱动电路将计时得到的时间记为电感电路1分断电弧放电时间，并输出给电弧时间显示电路进行显示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。