一种气体放电管寿命检测装置及方法

技术领域

本发明涉及防雷技术领域，具体涉及一种气体放电管寿命检测装置及方法。

背景技术

在防雷行业，常用的防雷元件，是压敏电阻及气体放电管，对于压敏电阻，属于限压型器件，由于其经过雷电流时，自身会发热，可以通过自身温度的变化，判定是否有雷电流的流过，进而判定其寿命，或者热脱扣装置进行指示。但对于气体放电管，由于是开关型器件，只有断开、导通两种状态，且流过雷电流时，发热量很低，因此想通过类似于压敏电阻发热方式进行检测，基本不可行。而信号类的防雷产品，气体放电管却最为常用，因此检测气体放电管是否失效显得尤为重要。

气体放电管内部充满了电气性能稳定的惰性气体，并联接在需要保护的电路中。当放电管两端施加一定的电压时，放电管内部的惰性气体受电场影响开始游离，当电压超过气体的绝缘强度时，放电管极间间隙被放电击穿，放电管由原来的开路状态变为短路状态，从而对大电流进行泄放以及电压进行限制，进而保护后端设备。

基于气体放电管的电气特性，在现有的技术，对气体放电管的性能检测基本采用防雷元件测试仪，但防雷元件测试仪受限于体积以及成本的原因，其无法实现气体放电管在实际应用回路中的实时检测，即在路实时监测。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种气体放电管寿命检测装置及方法。本发明的技术方案如下：

一种气体放电管寿命检测装置，包括：光采集电路、控制电路；光采集电路与控制电路连接；其中：

光采集电路，用于采集气体放电管受到雷击时发出的光强信号，并将其转换为控制电路可采集的电信号；

控制电路，用于对所述光采集电路产生的电信号进行处理，进而获得所述气体放电管的雷击次数以及雷击电流数值。

可选地，所述光采集电路包括：光敏二极管D1，第一电阻R1、第二电阻R2、三极管Q1、第三电阻R3；其中：

D1的阳极分别连接R2的第一端、Q1的基极；D1的阴极分别连接R1的第二端、控制电路；Q1的集电极连接R3的第二端、控制电路；Q1的发射极接地；R1的第一端连接第一电源；R2的第二端接地；R3的第一端连接第二电源。

可选地，所述控制电路包括：信号放大子电路、单片机；其中：

光敏二极管Dl的阴极连接所述信号放大子电路；所述信号放大子电路与单片机的AD口连接；所述三极管Ql的集电极与单片机的I/O口连接；

信号放大子电路获得光敏二极管D1的电压模拟信号并对其进行放大后，供单片机进行AD采集；

单片机通过I/O口的信号输入，计算气体放电管的雷击次数；单片机通过AD口的信号输入，采集气体放电管在受雷电冲击时的电压数值变化，进而判定雷击电流大小；且单片机通过统计所述气体放电管受雷电冲击的次数及流过的雷击电流大小，判定气体放电管的劣化程度。

可选地，所述信号放大子电路进一步包括：

第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一运算放大器AMP1、第二运算放大器AMP2；其中：

R4的第一端连接R1的第二端；R4的第二端分别连接AMPl的负输入端、R6的第一端；R5的第一端连接AMP1的正输入端，R5的第二端接地；R6的第二端分别连接AMP1的输出端、AMP2的负输入端；AMP2的正输入端分别连接AMP2的输出端、R7的第一端；R7的第二端分别连接单片机的AD口、R8的第一端；R8的第二端接地。

可选地，所述装置还包括：显示单元，其与所述控制电路连接；显示单元用于显示雷击的次数、雷击时间、雷击电流数值、气体放电管的劣化程度。

可选地，所述显示单元包括：PC机；所述单片机与PC机连接。

一种气体放电管寿命检测方法，应用于如前所述的装置，包括如下步骤：

Sl：气体发电管受到雷电冲击；

S2：D1导通，Ql导通；产生两路信号，分别至单片机的AD口、I/O口；

S3：单片机通过I/O口输入计算雷击次数；

S4：单片机通过AD口的信号输入，采集气体放电管在受雷电冲击时的电压数值变化，进而判定雷击电流大小；且单片机通过统计所述气体放电管受雷电冲击的次数及流过的雷击电流大小，判定气体放电管的劣化程度；

S5：单片机将雷击次数、雷击电流、雷击时间、气体放电管的劣化程度的信息发送给PC机进行显示。

可选地，在步骤S4之前，还包括如下步骤：

预先获得气体放电管在受雷电冲击时的电压数值与雷击电流的数值之间的关系。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明使用气体放电管在经过雷电流时会产生弧光/辉光的特性，通过光敏二极管采集气体放电管受雷击时的光强，统计放电管受雷击的次数，雷击的电流大小等信息，间接判定气体放电管的寿命，从而实现气体放电管在实际应用回路中的实时检测；且本发明还具备检测精度高、结构简单、成本低、易实现的优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明具体实施例一种气体放电管寿命检测装置的结构示意图；

图2是本发明具体实施例信号放大子电路的电路图；

图3是本发明具体实施例显示单元的连接示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参见图l-图3，本实施例公开了一种气体放电管寿命检测装置，包括：光采集电路、控制电路、显示单元；光采集电路、控制电路、显示单元依次连接；

其中：

光采集电路，用于采集气体放电管受到雷击时发出的光强信号，并将其转换为控制电路可采集的电信号；

控制电路，用于对所述光采集电路产生的电信号进行处理，进而获得所述气体放电管的雷击次数以及雷击电流数值。

显示单元，用于显示雷击的次数、雷击时间、雷击电流大小、气体放电管的劣化程度。

需要说明的是：气体放电的其中一个重要的现象就是辉光/弧光放电，本实施例就是利用了气体放电管内部气体受雷电冲击时，击穿放电，引起辉光/弧光放电这一特点，通过采集辉光/弧光放电的光强(即光强信号)，判定雷击是否发生以及雷击电流的大小。

气体放电管设置在被保护的电路两端X1、X2，形成放电管保护电路。

其中，所述光采集电路包括：光敏二极管D1，第一电阻R1、第二电阻R2、三极管Q1、第三电阻R3；R1为限流电阻，R2为分压电阻，R3为上拉电阻。本实施例中，光敏二极管和气体放电管之间的距离为3mm。这里仅为举例，本发明不对所述距离做出限定。

其中：

D1的阳极分别连接R2的第一端、Q1的基极；D1的阴极分别连接R1的第二端、控制电路；Q1的集电极连接R3的第二端、控制电路；Q1的发射极接地；R1的第一端连接第一电源；R2的第二端接地；R3的第一端连接第二电源。本实施例中，第一电源为5V，第二电源为3.3V。这里仅为举例，本发明不对第一电源和第二电源的数值做出限定。

没有雷电流冲击时，放电管保护电路中的气体放电管没有击穿，光敏二极管Dl没有检测到光源，Dl截止，三极管Q1也截止，三极管Ql的集电极(C极)由于R3上拉电阻的存在，输出高电平；当有雷电流冲击时，放电管保护电路中的气体放电管被击穿，且击穿过程产生辉光弧光现象，光敏二极管检测到光后，二极管Dl导通，R1，Dl，R2三者分压，三极管Q1的基极与发射极(BE极)正向导通，集电极输出低电平。

其中，所述控制电路包括：信号放大子电路、单片机；本实施例中，单片机型号为STM32F103C8T6。这里仅为举例，本发明不对单片机的型号进行限定。

其中：

光敏二极管D1的阴极连接所述信号放大子电路；所述信号放大子电路与单片机的AD口连接；所述三极管Ql的集电极与单片机的I/O口连接；

信号放大子电路获得光敏二极管Dl的电压模拟信号并对其进行放大后，供单片机进行AD采集；

单片机通过I/O口的信号输入，计算气体放电管的雷击次数；单片机通过AD口的信号输入，采集气体放电管在受雷电冲击时的电压数值变化，进而判定雷击电流大小；且单片机通过统计所述气体放电管受雷电冲击的次数及流过的雷击电流大小，判定气体放电管的劣化程度。

在光采集电路中，有两路信号送到控制电路，其中一路是三极管Ql的集电极(C极)输出的逻辑高低电平(在这里定义为DI)，直接送单片机的I/O口；另一路是光敏二极管D1的电压模拟信号，需要对模拟信号做处理后获得电压信号(这里定义为AI)再送单片机的AD口。

由于线路中雷击电流冲击时间极为短暂，因此单片机的逻辑电平检测采用中断检测的方式，一方面是节约单片机的硬件资源，另一方面就是提高检测的速度。而对于模拟电压的采集，则采用DMA的方式，并设置阈值电平，一旦电压超过阈值电压，单片机则从内存中，读取AD转换的结果，判定电压值。这样通过DI检测雷击是否有发生，通过AI判定雷击电流的大小。需要说明的是，设定阈值电平，仅是一种可选择的处理方式，目的是为了降低单片机的资源消耗。在其他实施例中，也可不设置阈值，采用全采集的方式。故本发明不对单片机的具体工作方式做出限定。

其中，如图2，所述信号放大子电路进一步包括：

第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一运算放大器AMP1、第二运算放大器AMP2；其中：

R4的第一端连接R1的第二端；R4的第二端分别连接AMP1的负输入端、R6的第一端；R5的第一端连接AMPl的正输入端，R5的第二端接地；R6的第二端分别连接AMPl的输出端、AMP2的负输入端；AMP2的正输入端分别连接AMP2的输出端、R7的第一端；R7的第二端分别连接单片机的AD口、R8的第一端；R8的第二端接地。

信号处理电路中Ui为光敏二极管的阴极电压值，经过两级放大处理，第一级，由运放AMPl，电阻R4，R5，R6构成一个反向比例运算放大电路，第二级运放构成一个电压跟随器，做一个隔离的效果。由于单片机的参考基准电压为3.3V，因此运放的输出Uo经过R7，R8两个电阻进行分压，然后再送单片机的AD口。

如图3，其中，所述显示单元包括：PC机；所述单片机与PC机连接。具体实施时，二者并非直接连接，而是通过下面的方式连接：所述单片机通过RS485与485转以太网设备连接，所述485转以太网设备通过网线与交换机连接，所述交换机通过网线与PC机连接。交换机为常用的网络交换机。所述PC机安装有iCore Manage管理软件。其中，SPD为浪涌保护器。

本实施例的设计思路是基于汤森理论对于辉光弧光放电管的研究论证，该理论验证了对于不同间隙介质都有不同的临界击穿电场强度Ec，间隙中的电场E低于Ec时，间隙不会击穿。在汤森判别式中，电离系数α随外加电场强度E的增强而增大，电子的电离效应也加强。基于这样的思路，气体放电管在遭受不同大小的雷击电流的冲击，会产生不同的光强，且光的强度会随着雷击电流的增加而增加，并满足一定的关系，即可认为，气体放电管在受雷电冲击时的电压数值与雷击电流的数值之间满足一定的关系。

可预先获得气体放电管在受雷电冲击时的电压数值与雷击电流的数值之间的关系。获得方式可采用做大量的测试，通过统计的方法找出气体放电管受冲击时发出的光强与雷击电流大小之间存在的实验规律性，从而获得气体放电管在受雷电冲击时的电压数值与雷击电流的数值之间的关系。在其他实施例中，也可通过其它方法获得二者的关系，本发明不对其进行限定。

所述单片机可依据上述关系，通过所述电压数值计算出对应的雷击电流数值。电压数值越大，光强越大，雷击程度越严重。

控制电路把采集到的雷击信息(是否有雷击，雷击电流的大小)通过R485接口，发送到485转以太网设备，然后再经过交换机上传到PC机，在PC的显示屏上，把设备运行过程中发生雷击的次数，雷击的时间，雷击电流的大小、气体放电管的劣化程度进行显示。

本实施例同时公开了一种气体放电管寿命检测方法，应用于如前所述的装置，包括如下步骤：

S1：气体发电管受到雷击；

S2：D1导通，Q1导通；产生两路信号，分别自单片机的AD口、I/O口输入；

S3：单片机通过I/O口输入计算雷击次数；

S4：单片机通过AD口的信号输入，采集气体放电管在受雷电冲击时的电压数值变化，进而判定雷击电流大小；且单片机通过统计所述气体放电管受雷电冲击的次数及流过的雷击电流大小，判定气体放电管的劣化程度；

S5：单片机将雷击次数、雷击电流、雷击时间、气体放电管的劣化程度的信息发送给PC机进行显示。

其中，在步骤S4之前，还包括如下步骤：

预先获得气体放电管在受雷电冲击时的电压数值与雷击电流的数值之间的关系。

本实施例通过采集气体放电管在工作中受雷击时的弧光，进行雷击次数/雷击电流大小的统计，以间接的方式判定放电管的性能，当雷击次数超过一定的数值(根据放电管的技术规格书定义)，认为放电管的性能已劣化，通过PC机提示用户需要更换，以确保后端设备得到良好的保护。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。