线圈故障在线检测电路及装置的制作方法

1.本实用新型涉及线圈故障检测技术领域，具体涉及一种线圈故障在线检测电路及装置。


背景技术：

2.电流互感器线圈、磁通线圈、分励线圈等在电子式断路器等产品中得到了广泛应用。线圈故障轻则可能导致断路器等产品的保护功能失效，重则可能引发重大生命、财产损失，因此，针对线圈故障的检测对于确保产品正常运行及使用安全而言至关重要。
3.现有的线圈故障检测通常采用离线检测的方式，离线检测需要对产品进行关机或者将线圈从产品中拆卸下来，操作复杂且中断了产品的正常运行，实际应用价值不高。因此实现对线圈故障的在线检测最为理想。现有方法中存在一些在线检测线圈故障的装置，但内部结构比较复杂，设备购买成本较高。例如，公开号为“cn103822010a”的专利提供的一种火电厂汽轮机电液伺服阀驱动线圈故障在线检测装置及方法，其提供的装置内部包含采样电阻、运算放大器、模数转换器等多个器件，实现对线圈故障的在线检测的过程需要通过这些器件实时监测并采集到伺服阀驱动线圈输出电流、伺服阀驱动线圈阻抗、电压值等参数值后，通过预设的故障判断算法判断出伺服阀驱动线圈是否出现故障，该线圈故障在线检测装置内部结构过于复杂且依赖相关算法，应用成本较高。因此，需要一种电路结构简单且又能实现在线检测的线圈故障在线检测装置，以满足市场需求。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种线圈故障在线检测电路及装置，该装置内部的线圈故障在线检测电路结构简单，降低了设备购买成本。
5.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.提供一种线圈故障在线检测电路，包括三极管q1、q2、q3和分压电阻r1，所述电阻r1的一端连接电源vcc，另一端连接所述三极管q1的发射极，所述三极管q1的基极连接所述三极管q2的集电极，所述三极管q1的集电极连接在线圈的插接端子j1的第二端口j1-2；所述三极管q2的发射极接地，所述三极管q2的基极作为测试端连接mcu芯片的gpio引脚且连接所述三极管q3的基极；所述三极管q3的发射极接地，集电极连接在所述插接端子j1的第一端口j1-1上，所述三极管q1的集电极作为线圈分压信号采集端还连接所述mcu芯片的adc采集引脚，
7.所述线圈的一端连接插接端子jp1的第二端口jp1-2，另一端连接所述插接端子jp1的第一端口jp1-1，所述插接端子j1和所述插接端子jp1相互连接使得所述线圈与所述线圈故障检测电路通路。
8.作为优选，所述三极管q1为pnp型三极管。
9.作为优选，所述三极管q2、q3为npn三极管。
10.作为优选，所述线圈包括信号输入线圈，所述信号输入线圈包括电流互感器、电压
互感器、漏电互感器中的任意一种或多种。
11.作为优选，所述线圈包括动作输出执行线圈，所述动作输出执行线圈包括磁通线圈、分励线圈、继电器线圈、接触器线圈或电动机中的任意一种或多种。
12.作为优选，本发明还提供了另外一种线圈故障在线检测电路，包括mos管q1、q2、q3和分压电阻r1，所述电阻r1的一端连接电源vcc，另一端连接所述mos管q1的源极，所述mos管q1的栅极连接所述mos管q2的漏极，所述mos管q1的漏极连接在线圈的插接端子j1的第二端口(j1-2)；所述mos管q2的源极接地，所述mos管q2的栅极作为测试端连接mcu芯片的gpio引脚且连接所述mos管q3的栅极；所述mos管q3的源极接地，漏极连接在所述插接端子j1的第一端口(j1-1)上，所述mos管q1的漏极作为线圈分压信号采集端还连接所述mcu芯片的adc采集引脚，
13.本实用新型还提供了一种线圈故障在线检测装置，内部设置有所述的线圈故障在线检测电路。
14.本实用新型仅用3组开关管及其外围器件、mcu的一路gpio、一路adc即实现了对线圈故障的在线检测，电路结构非常简单，具有较高的市场应用前景。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本实用新型一实施例提供的线圈故障在线检测电路与信号输入线圈的连接结构示意图；
17.图2是本实用新型另一实施例提供的线圈故障在线检测电路与动作执行输出线圈的连接结构示意图；
18.图3是线圈故障在线检测模式下，图1的等效电路示意图；
19.图4是线圈故障在线检测模式下，图2的等效电路示意图；
20.图5是信号调理电路的电压信号采集端u0与mcu芯片的引脚连接示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
22.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
23.本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本
领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
24.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
25.实施例一
26.本实施例一以电流互感器线圈作为信号输入线圈为例，对本发明提供的线圈故障在线检测电路的电路结构以及如何实现对电流互感器线圈故障的在线检测进行具体说明。
27.如图1所示，本实施例一提供的线圈故障在线检测电路包括三极管q1、q2、q3和电阻r1，电阻r1的一端连接电源vcc，另一端连接三极管q1的发射极，三极管q1的基极连接三极管q2的集电极，三极管q1的集电极连接在插接端子j1的第二端口j1-2；三极管q2的发射极接地，三极管q2的基极作为测试端(图1中的“test”端)连接mcu芯片的gpio引脚且连接三极管q3的基极；三极管q3的发射极接地，集电极连接在插接端子j1的第一端口j1-1上，三极管q1的集电极作为线圈分压信号采集端还连接mcu芯片的第一adc引脚。
28.图1中的电阻r0为电流互感器采样电阻，r0的一端连接在插接端子j1的第一端口j1-1，另一端连接插接端子j1的第二端口j1-2。图1中的端口c1、c2分别外接信号调理电路的电压信号负输入端和正输入端。如图5所示，c1端接地，c2端接mcu芯片的第二adc引脚(第二adc引脚用于采集图1中的采样电阻r0两端的电压)。rc表示电流互感器的电阻，电流互感器的一端连接插接端子jp1的第二端口jp1-2，另一端连接插接端子jp1的第一端口jp1-1。
29.当mcu芯片根据第二adc引脚采集的电压u0(采样电阻r0两端的电压)计算出电流互感器主回路的电流(计算方法为：假设电流互感器变比为1000:1，若主回路通过1a电流，则互感器感应出1ma电流ic，假设ro为1欧姆，根据欧姆定律，则u0＝r0*ic＝1mv，可以通过这个公式反推计算出主回路电流，比如当mcu采集到的u0＝1mv时，主回路电流为1a，当mcu采集到的u0＝0v时，可能是主回路电流为0，也可能是电流互感器断开或短路)在正常工作电流范围内时，控制gpio引脚(图1中的“test”端)输出低电平，三极管q1、q2、q3因此不导通(当“test”输出低电平，q2的基极电压等于发射极电压，无电流从基极流到发射极，q2处于截止状态，q2的集电极与发射极不导通。同理，q3也不导通。由于q2不导通，无法使q1的基极电压小于发射极电压并提供导通电流，所以q1处于截止状态，发射极与集电极不导通。)，线圈故障在线检测电路不工作，电流互感器处于正常工作模式，电流互感器感应到的电压信号经由采样电阻r0输入到信号调理电路。
30.当mcu芯片的第二adc引脚未采集到电压时，说明当前时刻没有电流流过电流互感器，也可能是电流互感器故障，此时，mcu需要控制电路进入线圈故障在线检测模式，以判断电流互感器是否发生故障，控制方式如下：
31.mcu芯片控制gpio引脚(图1中的“test”端)输出高电平，三极管q1、q2、q3因此而全部导通(当“test”输出高电平，q2的基极电压大于发射极电压，并有电流流过，使q2的发射极与集电极导通，同理q3导通。由于q2导通，使q1的发射极电压大于基极电压，并有电流流过，使q1的发射极与集电极导通。)，线圈故障在线检测电路进入故障检测模式。
32.检测模式下，图1所示的电路等效为图3所示的等效电路。假设图1中的vcc＝3.3v，
r1＝240ω，r0＝150ω，rc＝30ω，根据分压定理，图1中的uc点位的电压为：
33.uc＝vcc*(r0c/(r1+r0c))
34.r0c＝(r0*rc)/(r0+rc)。
35.mcu中预设的判断线圈故障类型的策略比如为：
36.若uc＝0v，表示线圈发生短路故障，可能有导体搭接在线圈接线端子两端，需要排除故障；
37.若uc＝1.27v，表示线圈发生开路故障，可能为线圈内部断线，或者线圈接线端子松脱，需要更换线圈或者拧紧接线端子以排除故障；
38.若uc＝0.31v，表示线圈工作正常；
39.若0v＜uc＜0.31v或0.31v＜uc＜1.27v，说明线圈可能存在接触不良，或者存在短路等类型的故障，需要进行排查。
40.实施例二
41.本实施例二以磁通线圈或分励线圈作为动作输出执行线圈为例，对本发明提供的线圈故障在线检测电路如何实现对磁通或分励线圈故障的在线检测进行具体说明。
42.如图2所示，本实施例二提供的线圈故障在线检测电路的电路结构与实施例一中提供的线圈故障在线检测电路的电路结构相同。不同的是，外围电路中未设置采样电阻r0。
43.当mcu芯片根据第二adc引脚采集的电压计算出动作输出执行线圈主回路的电流在正常工作电流范围内时，控制gpio引脚(图1中的“test”端)输出低电平，三极管q1、q2、q3因此不导通，线圈故障在线检测电路不工作，线圈处于正常工作模式，线圈受其驱动电路控制通电与否。
44.当mcu的第二adc引脚未采集到电压时，控制线圈故障在线检测电路进入故障检测模式，以检测线圈是否发生故障及发生故障的类型，具体控制过程及判断线圈故障类型的方法为：
45.mcu芯片控制gpio引脚(图1中的“test”端)输出高电平，三极管q1、q2、q3因此而全部导通，线圈故障在线检测电路进入故障检测模式。
46.检测模式下，图2所示的电路等效为图4所示的等效电路。假设图2中的vcc＝3.3v，r1＝240ω，rc＝30ω，根据分压定理，图1中的uc点位的电压为uc＝vcc*(rc/(r1+rc))。
47.mcu中预设的判断线圈故障类型的策略比如为：
48.若uc＝0v，表示线圈发生短路故障，可能有导体搭接在线圈接线端子两端，需要排除故障；
49.若uc＝3.3v，说明线圈发生开路故障，可能是线圈内部断线，或者线圈接线端子松脱，需要更换线圈或者拧紧端子排除故障；
50.若uc＝0.37v，说明线圈工作正常；
51.若0v＜uc＜0.37v或0.37v＜uc＜3.3v，说明线圈可能存在接触不良，或者存在短路等类型的故障，需要进行排查。
52.上述方案中，三极管q1、q2、q3也可用具有同等开关功能的mos管替换。uc点位的电压值的计算仅针对等效电路计算，实际可能存在偏差，需要根据实际情况进行修正。
53.另外需要说明的是，mcu芯片可选用型号为stm32f030c8t6的mcu芯片，该型号的mcu芯片的12号引脚作为gpio引脚，10号引脚作为第一adc引脚，11号引脚作为第二adc引
脚。
54.综上，本实用新型仅用3组开关管及其外围器件、mcu的一路gpio、一路adc即实现了对线圈故障的在线检测，电路结构非常简单，配合预设的故障类型识别程序，根据uc点位电压值变化的不同，还可较为准确的判断出线圈故障类型。主要优点如下：
55.(1)无需人为定期检测，无需拆除线圈检测，可以由mcu程序自动控制，完成对线圈的在线检测。
56.(2)检测速度快，数个毫秒内便可完成电路工作模式的转换和线圈状态的判断。
57.(3)检测频率高，传统靠人力检测可能每月检测一次都很难做到，自动程序控制可以每天、每小时、甚至每分钟都可以进行检测。检测可靠性高，由mcu程序控制，可实时跟踪线圈健康状态，在设备故障前便可以提前预警，实施维护，排除安全隐患，大大提高设备运行可靠性。
58.需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本实用新型做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本实用新型的精神，都应在本实用新型的保护范围之内。另外，本技术说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

技术特征：
1.一种线圈故障在线检测电路，其特征在于，包括三极管q1、q2、q3和分压电阻r1，所述电阻r1的一端连接电源vcc，另一端连接所述三极管q1的发射极，所述三极管q1的基极连接所述三极管q2的集电极，所述三极管q1的集电极连接在线圈的插接端子j1的第二端口(j1-2)；所述三极管q2的发射极接地，所述三极管q2的基极作为测试端连接mcu芯片的gpio引脚且连接所述三极管q3的基极；所述三极管q3的发射极接地，集电极连接在所述插接端子j1的第一端口(j1-1)上，所述三极管q1的集电极作为线圈分压信号采集端还连接所述mcu芯片的第一adc引脚，所述线圈的一端连接插接端子jp1的第二端口(jp1-2)，另一端连接所述插接端子jp1的第一端口(jp1-1，)所述插接端子j1和所述插接端子jp1相互连接使得所述线圈与所述线圈故障检测电路通路。2.根据权利要求1所述的线圈故障在线检测电路，其特征在于，所述三极管q1为pnp型三极管。3.根据权利要求1所述的线圈故障在线检测电路，其特征在于，所述三极管q2、q3为npn三极管。4.根据权利要求1所述的线圈故障在线检测电路，其特征在于，所述线圈包括信号输入线圈，所述信号输入线圈包括电流互感器、电压互感器、漏电互感器中的任意一种或多种。5.根据权利要求1所述的线圈故障在线检测电路，其特征在于，所述线圈包括动作输出执行线圈，所述动作输出执行线圈包括磁通线圈、分励线圈、继电器线圈、接触器线圈或电动机中的任意一种或多种。6.一种线圈故障在线检测装置，其特征在于，内部设置有如权利要求1-5任意一项所述的线圈故障在线检测电路。7.一种线圈故障在线检测电路，其特征在于，包括mos管q1、q2、q3和分压电阻r1，所述电阻r1的一端连接电源vcc，另一端连接所述mos管q1的源极，所述mos管q1的栅极连接所述mos管q2的漏极，所述mos管q1的漏极连接在线圈的插接端子j1的第二端口(j1-2)；所述mos管q2的源极接地，所述mos管q2的栅极作为测试端连接mcu芯片的gpio引脚且连接所述mos管q3的栅极；所述mos管q3的源极接地，漏极连接在所述插接端子j1的第一端口(j1-1)上，所述mos管q1的漏极作为线圈分压信号采集端还连接所述mcu芯片的adc采集引脚，所述线圈的一端连接插接端子jp1的第二端口(jp1-2)，另一端连接所述插接端子jp1的第一端口(jp1-1，)所述插接端子j1和所述插接端子jp1相互连接使得所述线圈与所述线圈故障检测电路通路。8.一种线圈故障在线检测装置，其特征在于，内部设置有如权利要求7所述的线圈故障在线检测电路。

技术总结
本实用新型公开了一种线圈故障在线检测电路及装置，属于线圈故障检测技术领域。本实用新型提供的线圈故障在线检测电路包括三极管Q1、Q2、Q3和分压电阻R1，本实用新型仅用3组开关管及其外围器件、MCU的一路GPIO、一路ADC即实现了对线圈故障的在线检测，电路结构非常简单，具有较高的市场应用前景。具有较高的市场应用前景。具有较高的市场应用前景。


技术研发人员：吴晔 朱义军 路恺
受保护的技术使用者：江苏凯隆电器有限公司
技术研发日：2022.12.05
技术公布日：2023/7/27