专利名称：气体放电管直流击穿电压测量装置及方法
技术领域：
本发明属于气体放电管电气性能试验装置及方法，特别涉及一种气体放电管直流 击穿电压测量装置及方法。
背景技术：
气体放电管主要用于铁路通信，邮电等设备中，以防止设备受过压冲击和雷电闪 击而损坏，是防雷保护设备中应用最广泛的一种开关性过电压防护器件，无论是交直流电 源的防雷还是各种信号电路的防雷，都可以用它来将雷电流泄放入大地。气体放电管的直流击穿电压测量是气体放电管生产工艺中的重要的环节，它决定 着气体放电管过电压防护的水平。直流击穿电压测量装置就是要准确测量气体放电管的直 流击穿电压，以确定气体放电管的电压保护水平。当施加于气体放电管两端的直流电压逐 渐升高时，气体放电管会由原来的绝缘状态转变为导通状态，对应施加的直流电压就是气 体放电管的直流击穿电压。在对气体放电管进行直流击穿电压测量时，通过气体放电管的 电流越小，直流击穿电压测量对气体放电管的性能影响就越小。因为若通过气体放电管的 电流越大，对气体放电管电极表面的电子粉的状态影响越大，这将直接影响气体放电管的 直流击穿电压，使得气体放电管下一次直流击穿电压值发生显著变化。气体放电管绝缘状态转换为导通状态的判断方法是通过检测通过的微电流来实 现的。传统的检测方法有以下两种一种方法是在与气体放电管串联的回路中接入光电耦 合器件，其工作原理是当流过气体放电管的电流达到光电耦合器件的驱动电流时，光电耦 合器件发光，并输出气体放电管导通的控制信号，由信号采集或记录装置记录或测量此时 的电压值，作为气体放电管的直流击穿电压；另一种方法是在气体放电管串联回路中串联 一电流取样电阻，取样电阻的输出接到一电压比较器的输入端，而电压比较器的另一输入 端的电平可以事先设定，若取样电阻两端的电压大于或等于事先设定的电压，则电压比较 器输出控制信号，再经一光电耦合器件去控制记录装置进行气体放电管直流击穿电压的测 量。这两种方法的共同点都采用了光电耦合器件作为气体放电管由绝缘状态转换为 导通状态的检测单元，但由于光电耦合器件存在以下缺陷——所需的驱动电流较大(通常 要达到10mA-15mA)和驱动电流分散性也较大，使得气体放电管直流击穿电压测量的稳定性 较差，更为重要的是对气体放电管电极表面的电子发射材料的消耗，由此引起气体放电管 直流击穿电压的进一步变化，无法准确测量气体放电管的直流击穿电压，从而无法准确确 定气体放电管的电压保护水平。

发明内容
本发明专利的目的在于提供一种能够准确测量气体放电直流击穿电压、并且减少 对气体放电管电极表面的电子发射材料的影响，准确标定气体放电管的电压保护水平的气 体放电管直流击穿电压测量装置及方法。
为达到上述目的，本发明的测量装置包括包括人机交互参数设置和测量结果显示单元以及与人机交互参数设置和测量结果显示单元相连接的微型计算机控制与测量单 元，所说的微型计算机控制与测量单元包括控制单元以及与控制单元相连接的测量单元， 其中控制单元与可调上升速率直流电源相连，可调上升速率直流电源的高压输出端与限流 单元的一端连接，限流单元的另一端和气体放电管负载的一端连接，气体放电管负载的另 一端与微电流微分传感器的激励电感线圈的一端连接，激励电感线圈的另一端与可调上升 速率直流电源的低压端连接，测量单元与微电流微分传感器的感应线圈相连接。本发明的微电流微分传感器由绕制在圆环形或矩形上的高磁导率、高频率的磁性 材料上的电气相互隔离的激励电感线圈和三到四个相互独立的感应线圈组成；限流单元的 选取是保证在施加可调上升速率的直流电压的条件下，通过气体放电管负载的电流值不大 于ImA ；微型计算机控制与测量单元的测量单元包括分别与控制单元及并接在气体放电管 负载两端的电压分压器相连接峰值保持电路和与控制单元相连接的12或16位的A/D采集 电路，微电流微分传感器的感应线圈通过D触发器与控制单元相连。本发明的测量方法为
1)通过人机交互参数设置和测量结果显示单元输入直流电源的可调上升速率；
2)微型计算机控制与测量单元的控制单元接收人机交互参数设置和测量结果显示单 元设置的直流电源的可调电压上升速率信号，通过数字/模拟D/A转换电路控制直流模块 的输出电压，实现设定的电压上升速率的直流高压信号的输出，满足气体放电管负载直流 击穿电压测量的要求；
3)当可调上升速率直流电源的输出电压使气体放电管负载由绝缘状态转换为导通状 态时，微电流微分传感器的激励线圈中产生一快速上升的电压信号"8;
4)此快速上升的电压信号《8在微电流微分传感器的感应线圈的相应的线圈中感应出 高幅值的快速上升的电压信号U9 ；电压信号U9控制D触发器，D触发器输出到控制微型计 算机控制与测量单元的控制单元，控制单元一方面停止对可调上升速率直流电源的升压控 制，另一方面控制测量单元的峰值采样保持电路工作，将施加在气体放电管负载、并经过电 压传感器转换的电压值保持下来；
5)微型计算机控制与测量单元的控制单元控制测量单元的A/D转换器对由电压传感 器转换的施加在气体放电管负载两端的电压进行数据采集；
6)微型计算机控制与测量单元的测量单元将A/D转换器得到的数字信号乘以电压传 感器的刻度因素，得到气体放电管负载的直流击穿电压，并显示在人机交互参数设置和测 量结果显示单元的液晶屏上。步骤1)的直流电源的可调上升速率为100V/s、200V/s、500V/s或1000V/s。本发明采用微电流微分传感器，快速提取气体放电管由绝缘状态转换为导通状 态、幅值小于ImA的微电流信号，以控制气体放电管直流击穿电压测试装置的电压峰值保 持电路，并通过12或16位高分辨率的A/D采集单元，准确测量气体放电管的直流击穿电 压；同时发明了多档位微电流微分传感器，可以测量直流击穿电压从几十伏到几千伏范围 的气体放电管，提高了气体放电管直流击穿电压测量的准确定和稳定度。


图1是本发明的气体放电管直流击穿电压测试装置的原理组成结构；
图2是本发明气体放电管绝缘状态转换导通状态的微电流微分传感器结构示意图3是本发明的气体放电管直流击穿电压测量装置的微型计算机控制与测量单元 2的测量单元2-2的原理框图4是本发明的气体放电管直流击穿电压测量装置的控制流程。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。参见图1，本发明的气体放电管直流击穿电压测量装置包括液晶和键盘组成的人 机交互参数设置和测量结果显示单元1、微型计算机控制与测量单元2、可调上升速率直流 电源3、限流单元4、气体放电管负载5、微电流微分传感器6和电压传感器7，人机交互参数 设置和测量结果显示单元1相连接的微型计算机控制与测量单元2，所说的微型计算机控 制与测量单元2包括控制单元2-1以及与控制单元2-1相连接的测量单元2-2，其中控制单 元2-1与可调上升速率直流电源3相连，可调上升速率直流电源3的高压输出端与限流单 元4的一端连接，限流单元4的另一端和气体放电管负载5的一端连接，气体放电管负载5 的另一端与微电流微分传感器6的激励电感线圈8的一端连接，激励电感线圈8的另一端 与可调上升速率直流电源3的低压端连接，测量单元2-2与微电流微分传感器6的感应线 圈9相连接。限流单元4的选取原则是保证在施加可调上升速率的直流电压的条件下，通 过气体放电管负载5的电流值不大于1mA。参见图2，本发明的气体放电管直流击穿电压测量装置的提取气体放电管绝缘状 态到导通状态的转换信号的微电流微分传感器6由电气相互隔离的两部分电感线圈构成， 第一部分为激励电感线圈8，激励电感线圈8与气体放电管负载5串联；微电流微分电流传 感器6的另一部分为感应线圈9，它有多个感应线圈9-1、9-2、9-3……组成，考虑气体放电 管直流击穿电压从几十伏到几千伏的范围，微电流微分电流传感器6的感应线圈9 一般由 3到4个感应线圈组成；同时，为了快速检测气体放电管绝缘状态到导通状态转换的微电流 信号，微电流微分传感器6的激励电感线圈8和感应线圈9均绕制在高磁导率、高频率的磁 性材料上，磁性材料的外形可以是圆环形或矩形均可。参见图3，本发明的气体放电管直流击穿电压测量装置的微型计算机控制与测量 单元2的测量单元2-2包括峰值保持电路11和一 12位A/D采集电路12，微电流微分传感 器6的感应线圈9通过D触发器10与控制单元2-1相连。其测量原理如下微型计算机控 制与测量单元2的控制单元2-1通过D触发器10接收到来自微电流微分传感器6的感应 线圈9所提取的气体放电管负载5由绝缘状态转变为导通状态的快速瞬变信号，这个信号 使D触发器10触发翻转，D触发器10的触发翻转信号输入至微型计算机控制与测量单元2 的控制单元2-1，停止对可调上升速率直流电源3的升压控制，并使微型计算机控制与测量 单元2的测量单元2-2的峰值保持电路11自动保持电压传感器7的输出信号，同时启动A/ D采集电路12工作，对通过电压传感器7测量的、施加在气体放电管负载5两端的个高电压 信号进行测量。电压传感器7的作用是将施加在气体放电管两端的高电压信号转换为A/D采集电路12所能测量的电压信号，其中电压传感器7的输入高电压信号与输出低电压信号 幅值之比为电压传感器7的刻度因素。气体放电管的直流击穿电压为电压传感器7的输出 电压值乘以电压传感器7的刻度因素。参 见图4，本发明的气体放电管直流击穿电压测量装置的控制流程是
(1)通过气体放电管直流击穿电压测量装置的人机交互参数设置和测量结果显示单 元1输入直流电源的可调上升速率，可调上升速率可以选择为100V/S、200V/S、500V/S或 lOOOV/s。(2)微型计算机控制与测量单元2的控制单元2-1接收人机交互参数设置和测量 结果显示单元1设置的直流电源的可调电压上升速率信号，通过数字/模拟D/A转换电路 控制直流模块的输出电压，实现不同电压上升速率的直流高压信号的输出，满足气体放电 管负载5直流击穿电压测量的要求。(3)当可调上升速率直流电源3的输出电压使气体放电管负载5由绝缘状态转换 为导通状态时，微电流微分传感器6的激励线圈8中产生一快速上升的电压信号^。(4)快速上升的电压信号在微电流微分传感器6的感应线圈9的相应的线圈中 就感应出高幅值的快速上升的电压信号；电压信号控制D触发器10，D触发器10的输 出翻转信号到控制微型计算机控制与测量单元2的控制单元2-1，一方面停止对可调上升 速率直流电源3的升压控制，另一方面控制测量单元2-2的峰值采样保持电路11工作，将 施加在气体放电管负载5并经过电压传感器7输出的电压值保持下来。(5)微型计算机控制与测量单元2的控制单元2-1控制测量单元2-2的模拟/数 字A/D转换器12对由电压传感器7输出的由施加在气体放电管负载5两端的高电压转换 而来的低电压信号进行数据采集。(6)微型计算机控制与测量单元2的的测量单元2-2将A/D转换器12得到的数字 信号乘以电压传感器7的刻度因素，得到气体放电管负载5的直流击穿电压，并显示在人机 交互参数设置和测量结果显示单元1的液晶屏上。本发明的目的在于提供一种气体放电管由绝缘状态转换为导通状态的微电流微 分传感器的判断新方法以及气体放电管直流击穿电压的测量方法和测量装置。能够减少传 统气体放电管直流击穿电压采用光电耦合器件或电阻与光电耦合器件作为其绝缘状态转 换为导通状态检测器件所带来的气体放电管直流击穿电压测量准确性和稳定性差的技术 问题。并且能够根据不同电压等级的气体放电管由绝缘状态转换为导通状态的特性不同， 设计了不同档位的微电流微分传感器，高速、精确判断气体放电管的工作状态，实现气体放 电管直流击穿电压测量装置的采集单元，准确测量气体放电管的直流击穿电压，气体放电 管直流击穿电压的测量稳定性达到士 1%。
权利要求
一种气体放电管直流击穿电压测量装置及方法，其特征在于包括人机交互参数设置和测量结果显示单元(1)以及与人机交互参数设置和测量结果显示单元(1)相连接的微型计算机控制与测量单元(2)，所说的微型计算机控制与测量单元(2)包括控制单元(2-1)以及与控制单元(2-1)相连接的测量单元(2-2)，其中控制单元(2-1)与可调上升速率直流电源(3)相连，可调上升速率直流电源(3)的高压输出端与限流单元(4)的一端连接，限流单元(4)的另一端和气体放电管负载(5)的一端连接，气体放电管负载(5)的另一端与微电流微分传感器(6)的激励电感线圈(8)的一端连接，激励电感线圈(8)的另一端与可调上升速率直流电源(3)的低压端连接，测量单元(2-2)与微电流微分传感器(6)的感应线圈(9)相连接。
2.根据权利要求1所述的气体放电管直流击穿电压的测量装置，其特征在于所说的微电流微分传感器(6)由绕制在圆环形或矩形上的高磁导率、高频率的磁性材料上的电气 相互隔离的激励电感线圈(8)和三到四个相互独立的感应线圈(9)组成。
3.根据权利要求1所述的气体放电管直流击穿电压的测量装置，其特征在于所说的 限流单元(4)的选取是保证在施加可调上升速率的直流电压的条件下，通过气体放电管负 载(5)的电流值不大于1mA。
4.根据权利要求1所述的气体放电管直流击穿电压的测量装置，其特征在于所说的 微型计算机控制与测量单元(2)的测量单元(2-2)包括分别与控制单元(2-1)及并接在气 体放电管负载(5)两端的电压分压器(7)相连接峰值保持电路(11)和与控制单元(2-1)相 连接的12或16位的A/D采集电路(12)，微电流微分传感器(6)的感应线圈(9)通过D触 发器(10 )与控制单元(2-1)相连。
5.一种基于权利要求1所述的气体放电管直流击穿电压测量装置的测量方法，其特征 在于1)通过人机交互参数设置和测量结果显示单元(1)输入直流电源的可调上升速率；2)微型计算机控制与测量单元(2)的控制单元(2-1)接收人机交互参数设置和测量结 果显示单元(1)设置的直流电源的可调电压上升速率信号，通过数字/模拟D/A转换电路 控制直流模块的输出电压，实现设定的电压上升速率的直流高压信号的输出，满足气体放 电管负载(5)直流击穿电压测量的要求；3)当可调上升速率直流电源(3)的输出电压使气体放电管负载(5)由绝缘状态转换为 导通状态时，微电流微分传感器(6)的激励线圈(8)中产生一快速上升的电压信号 ；4)此快速上升的电压信号《8在微电流微分传感器(6)的感应线圈(9)的相应的线圈 中感应出高幅值的快速上升的电压信号U9 ；电压信号U9控制D触发器(10)，D触发器(10) 输出到控制微型计算机控制与测量单元(2)的控制单元(2-1)，控制单元(2-1) —方面停止 对可调上升速率直流电源(3)的升压控制，另一方面控制测量单元(2-2)的峰值采样保持 电路(11)工作，将施加在气体放电管负载(5)、并经过电压传感器(7)转换的电压值保持下 来；5)微型计算机控制与测量单元(2)的控制单元(2-1)控制测量单元(2-2)的A/D转换 器(12 )对由电压传感器(7 )转换的施加在气体放电管负载(5 )两端的电压进行数据采集；6)微型计算机控制与测量单元(2)的测量单元(2-2)将A/D转换器(12)得到的数字 信号乘以电压传感器(7)的刻度因素，得到气体放电管负载(5)的直流击穿电压，并显示在人机交互参数设置和测量结果显示单元(1)的液晶屏上。
6.根据权利要求5所述的气体放电管直流击穿电压测量方法，其特征在于所述步骤 1)的直流电源的可调上升速率为100V/S、200V/S、500V/S或1000V/s。
全文摘要
一种气体放电管直流击穿电压测量装置及方法，包括液晶和键盘组成的人机交互参数设置和测量结果显示单元、微型计算机控制与测量单元、可调上升速率直流电源、限流单元、气体放电管负载、微电流微分传感器和电压传感器。本发明通过微电流微分传感器快速准确地判断气体放电管在施加规定上升速率的直流电压条件下绝缘状态到导通状态、幅值小于1mA的微电流转换信号，并采用高精度的峰值保持和高分辨率的A/D采集电路，实现了气体放电管直流击穿电压的准确测量，测量精度高于5‰。微电流信号的快速提取减少了直流电压对气体放电管电极表面发射材料的消耗，气体放电管直流击穿电压测量的不一致性低于5‰。
文档编号G01R31/12GK101846721SQ201010199158
公开日2010年9月29日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者姚学玲, 陈景亮 申请人:西安交通大学