CN101706526A - 脉宽检测式磁调制直流电流测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种脉宽检测式磁调制直流电流测量方法及装置，它包括磁调制电路、磁传感器、脉宽测量及磁特性修正电路和方法；通过测量磁调制电流形成的脉冲的脉冲宽度的变化量来反映被测量的直流电流的大小和方向。由于所采用的磁调制信号工作频率远高于工频，避开了工频干扰；磁传感器外面加有磁屏蔽罩，有效降低地球磁场及外界干扰电磁场对测试的影响；还采取了磁特性修正措施。这种方法及装置具有较高的灵敏度和较强的抗干扰能力，它能够明显地减轻磁性材料非线性的影响，提高测试精度和稳定度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电工参数测量方法与装置，特别是用于检测弱小直流电流的方法及装置。
背景技术：
已有的98106874.X号专利及与其相关的技术论文“一种新式磁调制直流电流测量方法”公开的直流电流检测方法采用磁调制电路和相位差检测技术构成直流电流测量方法。它利用了：当直流恒定磁场存在，铁心中交变磁通的对称性就被破坏，磁通波形的正负半波将发生相对相移，正负半波相位变化大小和方向可以反映直流偏置电流的大小和方向这一特性，进行电流测量。使用了25Hz的三角波激励电流激励软磁磁芯；以调制器输出信息中正、负半波相位变化量为测量对象来达到直流电流测量的目的。由于这种方法涉及复杂的正、负半波分离及检测技术，其输出的相位信号除了与被检测的直流信号有关，还与激磁的深度、整形器的温度漂移、外界电磁场干扰、地球磁场的影响等因素有关。它所采用的激磁信号频率为25Hz，这个频率很接近市电50Hz的频率，这样的激磁信号很容易受到外界电磁场的干扰，造成相位差信号不稳定，影响测量准确性；另外，严格的说来各种软磁材料的特性都是非线性的，它们的响应与激励并不是完全线性的，尤其是，当环境温度变化幅度较大或受到较强磁场的冲击后，它的磁特性往往会起很大的变化，导致同样的激励有不同的响应，即出现多值性响应，这种多值性影响会引起严重的测试误差。特别是，当这种磁调制的方法用在制作钳形电流表时，由于钳形电流表在使用时要打开、合上钳口，往往造成磁回路特性剧烈的变化，从而导致输出特性的变化。反映在测试结果的数据上就是随机误差增大了。由于这些因素的影响，使得现有的这种方法实际能够实现的测试范围不大于1mA-100mA的范围，误差也只能做到3％左右。
发明内容
本发明针对已有技术所存在的不足，提供一种脉宽检测式磁调制直流电流测量方法及装置。它的结构简单，抗干扰能力强，测试精度高的，还能够自动修正由于磁性材料非线性所导致的测试误差的。
本发明是通过以下技术方案来实现的。
一种脉宽检测式磁调制直流电流测量方法及装置，由铁芯、调制线圈、检测电路和MCU构成，其特征在于：它包括磁调制电路、磁传感器、脉宽测量及磁特性修正电路和方法；所述磁调制电路由方波信号源、耦合电容C、磁传感器、谐振电容C1、电流取样电路R构成；所述磁传感器包括磁芯、激磁线圈N1、修正线圈N2、磁屏蔽外壳；所述脉宽测量电路由脉冲成形电路4、脉冲宽度检测电路5、滤波器6构成；所述磁特性修正电路包括开关K和标准电流源Is，它们均与MCU相连接，并受MCU控制；所述磁特性修正方法包括将一个标准电流信号Is注入到修正线圈N2上，并通过特定的计算方法来修正由于磁特性变化所导致的误差。
所述磁传感器的磁芯为铁氧体制成；铁氧体磁芯上绕有激磁线圈N1和修正线圈N2；其外面有一个磁屏蔽外壳PO，磁屏蔽外壳用玻莫合金制成.
磁调制信号源为占空比为1∶1的方波电压源，频率为1-10KHz的范围，通过谐振电容C1与激磁线圈形成偏谐振。
磁调制电路、脉冲成形电路所产生的输出信号为周期性脉冲信号，用脉冲宽度检测电路测量该脉冲宽度的变化，并以此脉冲宽度的变化量来反映被测电流的大、小和方向，从而实现直流电流的测量。
根据理论分析，脉冲宽度变化量ΔW与被测量的直流电流I0之间有如下关系式：
ΔW＝I0·T/(2Im) (1)
其中：Im-激磁电流峰值；
T-激磁电流周期
所述磁特性修正方法包括包括由MCU控制，将一个标准电流信号Is注入修正线圈N2，及以下的计算方法：
Io＝(ΔW(Io)/ΔW(Is+Io))Is
式中：Io-被测电流
Is-标准电流源
ΔW(Io)-被测电流激励时的响应值
ΔW(Is+Io)-标准电流源Is与被测电流Io共同作用时的响应值
本发明的突出特点是：
1.磁调制信号工作频率远高于工频，避开了干扰最大的工频干扰；磁传感器外面加有磁屏蔽罩可以有效降低地球磁场及外界干扰电磁场对测试的影响。激磁线圈工作于偏谐振状态可以减小激磁信号源的功率，使激磁更加稳定。
2.用脉宽检测技术取代相位差检测，简化了电路，提高了稳定性。
3.增加了磁特性修正电路，大大提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明的磁调制传感器及其激励电原理图。
图2是本发明的电气连接方框图。
图3是本发明的磁传感器的结构图。
图4是脉冲成形、脉冲宽度检测、滤波器、MCU、LCD连接图。
图5是脉冲宽度检测器电原理图。
图6是磁传感器激励电流和整形后的电压波形图
图7是直流电流注入后的磁传感器的脉冲宽度变化示意图。
具体实施方式
实施例1为一个测量直流电流的钳形电流表，其磁调制传感器包括方波发生器1、耦合电容C、谐振电容C1、电流取样电阻R、磁传感器2、标准电流源Is.其磁传感器结构如图3所示；其中磁芯FC采用铁氧体制成，分成对称的两个半边；磁芯上绕有激磁线圈N1和修正线圈N2，其外面有一个磁屏蔽外壳PO，磁屏蔽外壳用玻莫合金制成；磁芯与磁屏蔽外壳之间充填环氧树脂；左右两半边可以张开、闭合，中心圆孔用来夹住被测量的导线.方波发生器产生占空比为1∶1的电压，频率可在1-10KHz的范围内调整，方波发生器产生的信号通过耦合电容C馈送到由谐振电容C1、激磁线圈N1、电流取样电阻R组成的激磁回路；调整方波发生器的频率可以使激磁回路处于偏谐振.此时，容易得到比较好的脉宽调制效果.交变的激磁电流在取样电阻R上产生的电压波形如图6a所示，此电压经脉冲成形电路4处理后成为方波信号.在没有直流电流通过的情况下，这个交变方波是对称的，占空比为50％，如图6b所示.这时，脉冲宽度检测电路5和滤波器6所输出的电压为零.当直流电流I0流经穿过磁传感器的导线N0时，会产生一个直流磁场(恒定磁场)分量，叠加在原有的交变磁场上，使得合成后的磁场由图6中的实线转化为虚线所示的波形。整形器输出的正负半波的宽度也相应地由对称的方波变为不对称的矩形波了。脉冲宽度变化量ΔW与直流电流I0之间有如下关系式：
ΔW＝I0·T/(2Im)
其中：Im-激磁电流峰值；
T-激磁电流周期
因此，通过检测脉冲宽度的变化量可以检测出被测量的直流电流I0
磁调制直流电流测试方法由于受到磁性材料特性非线性的影响存在较大的测试误差及读数的不确定性。主要影响其磁特性的因素有温度、地球磁场和磁冲击(剩磁)。该技术应用在钳形电流表上突出的表现就是，钳头开合会引起输出数值的变化。对此，本发明采用了特殊的磁特性修正方法，具体实施方法如下：
当输入被测电流Io输入到导线No时，宽脉检测器、滤波器的输出为：
ΔW(Io)＝Io·T/2Im (2)
进行磁特性修正时，由MCU通过开关K控制，将标准电流源Is注入到修正线圈N2，在标准电流源Is与被测电流Io共同作用下，脉冲宽度检测器、滤波器的输出为：
ΔW(Is+Io)＝(Is+Io)T/2Im (3)
由(2)、(3)两式可以得出，
Io＝(ΔW(Io)/ΔW(Is+Io))Is (4)
式中：Io-被测电流
Is-标准电流源
ΔW(Io)-被测电流激励时的响应值
ΔW(Is+Io)-标准电流源Is与被测电流Io共同作用时的响应值
上述分析中为了简化推导过程，假设了N2为1匝的条件；它并不影响推导的结论。
以上修正方法，可以大大降低测试误差。一般可以将测试误差减少到0.1％左右。上述实施例特别适用于制作小电流直流钳形电流表，其可以达到0.01mA-100mA的测试范围，分辨率为0.01mA。
Claims (6)
1.一种脉宽检测式磁调制直流电流测量方法及装置，由铁芯、调制线圈、检测电路和MCU构成，其特征在于：它包括磁调制电路、磁传感器、脉宽测量及磁特性修正电路和方法；所述磁调制电路由方波信号源、耦合电容C、磁传感器、谐振电容C1、电流取样电路R构成；所述磁传感器包括磁芯、激磁线圈N1、修正线圈N2、磁屏蔽外壳；所述脉宽测量电路由脉冲成形电路、脉冲宽度检测电路、滤波器构成；所述磁特性修正电路包括开关K和标准电流源Is，它们均与MCU相连接，并受MCU控制；所述磁特性修正方法包括将一个标准电流信号Is注入修正线圈N2，并通过特定的计算方法来修正由于磁特性变化所导致的误差。
2.如权利要求1所述脉宽检测式磁调制直流电流测量方法，其特征在于：磁调制信号源为占空比为1∶1的方波电压源，频率为1-10KHz的范围，通过谐振电容C1与激磁线圈形成偏谐振。
3.如权利要求1所述脉宽检测式磁调制直流电流测量方法，其特征在于：所述磁传感器的磁芯为铁氧体制成；铁氧体磁芯上绕有激磁线圈N1和修正线圈N2；其外面有一个磁屏蔽外壳PO，磁屏蔽外壳用玻莫合金制成。
4.如权利要求1所述脉宽检测式磁调制直流电流测量方法，其特征在于：所述磁调制电路、脉冲成形电路所产生的输出信号为周期性脉冲信号，用脉冲宽度检测电路测量该脉冲宽度的变化，并以此脉冲宽度的变化量来反映被测电流的大、小和方向，从而实现直流电流的测量。
5.如权利要求1所述脉宽检测式磁调制直流电流测量方法，其特征在于，脉冲宽度变化量ΔW与被测量的直流电流Io之间有如下关系式：
ΔW＝Io·T/(2Im)
其中：Im-激磁电流峰值；
T-激磁电流周期。
6.如权利要求1所述脉宽检测式磁调制直流电流测量方法，其特征在于：所述磁特性修正方法中的特定计算方法如下式：
Io＝[ΔW(Io)]/ΔW(Is+Io))Is
式中：Io-被测电流
Is-标准电流源
ΔW(Io)-被测电流激励时的响应值
ΔW(Is+Io)-标准电流源Is与被测电流Io共同作用时的响应值。
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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