CN103529287A - 一种基于霍尔传感器的用电信息采集系统 - Google Patents

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屈志娟
袁玉湘
胡鹏飞
姜学平
于坤山
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State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种基于霍尔传感器的用电信息采集系统，包括硅钢圈、功率采样模块和电压采样模块；负载电流通过缠绕在所述硅钢圈上线路时产生磁场，磁场方向与偏置电流方向垂直，且磁场方向垂直穿过功率采样模块的霍尔功率传感器，霍尔功率传感器在垂直于磁场和偏置电流的方向上产生霍尔电压，该霍尔电压经过处理后输出功率数字信号；所述电压采样模块采集电能供应端的交流电压，经过分压和模数转换后，输出电压数字信号。本发明采用集成的霍尔传感器进行用电信息采集，整体具有统一的零电位即大地电位，从而使系统的硬件可以单片化、软硬件可以一体化，具有更简化的系统结构、更低的产品成本、更高的精确度、更好的时间稳定性和更高的可靠性。

Description

一种基于霍尔传感器的用电信息采集系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于霍尔传感器的用电信息采集系统。
背景技术
随着智能电网研发推进，传统的智能电表不断降低成本，智能用电家居、智能插座等新型设备也开始涌现。微体积、低成本、低功耗的用电信息采集器需求日益增大。
现有电子式用电信息采集器，对通过锰铜电阻的电流进行采样，模数转换、滤波等方式分析处理，计算出有功、无功功率等参数后，通过通信模块传输至汇集终端。此采集系统结构存在以下固有缺陷：
（1）采样器件工作在火线上，这使得该部分电源零电位需要按照火线电压来设计。
（2）如（1）所述由于采样器件的零电位与系统其他部分的零电位存在较大电位差，因而需将该部分器件进行隔离处理。
（3）如（1）、（2）所述由于整个用电采集系统存在两个电压差较大的零电位，从而使得高度集成和硬件一体化难以实现。
（4）如（3）所述由于硬件难以实现一体化，软件系统也相应需要分离实现。
（5）锰铜具有一定的电阻温度系数，导致锰铜电阻温度变化直接影响测量结果准确性。
用电信息采集系统采用霍尔传感器进行电能测量，整个系统具有统一的零电位即大地电位，从而使系统的硬件可以单片化，软硬件可以一体化，具有更简化的系统结构、更低的产品成本、更好的时间稳定性和更高的可靠性。国内也有部分单位对基于霍尔效应的用电信息采集系统进行研究，但由于其系统集成度低、稳定性差，不能满足当前智能用电市场的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于霍尔传感器的用电信息采集系统，采用集成的霍尔传感器进行用电信息采集，整体具有统一的零电位即大地电位，从而使系统的硬件可以单片化、软硬件可以一体化，具有更简化的系统结构、更低的产品成本、更高的精确度、更好的时间稳定性和更高的可靠性。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种基于霍尔传感器的用电信息采集系统，所述系统包括硅钢圈、功率采样模块和电压采样模块；负载电流通过缠绕在所述硅钢圈上线路时产生磁场，磁场方向与偏置电流方向垂直，且磁场方向垂直穿过功率采样模块的霍尔功率传感器，所述霍尔功率传感器在垂直于磁场和偏置电流的方向上产生霍尔电压，该霍尔电压经过处理后输出功率数字信号；所述电压采样模块采集电能供应端的交流电压，经过分压和模数转换后，输出电压数字信号。
所述功率采样模块包括动态偏移量消除模块、偏置电路模块、霍尔传感器模块、运算放大器模块、第一模数转换模块和滤波模块；所述偏置电路模块、霍尔传感器模块、运算放大器模块、第一模数转换模块和滤波模块依次串联，所述动态偏移量消除模块与所述霍尔传感器模块并联。
所述偏置电路连接电能供应端，输出偏置电流，所述偏置电流经过所述霍尔传感器模块在垂直于磁场和偏置电流的方向上产生霍尔电压，该霍尔电压经过所述运算放大器模块放大处理后，经过第一模数转换模块进行模数转换，再经过所述滤波模块滤波后输出功率数字信号。
所述滤波模块包括低通滤波器，滤除功率数字信号中的高频交流成分和量化误差。
所述动态偏移量消除模块运用斩波技术消除霍尔传感器的霍尔电压失调，以提高霍尔电压的精度。
所述霍尔传感器模块包括霍尔功率传感器。
所述运算放大器模块根据待测功率与霍尔电压的线性比，对输入的霍尔电压进行放大。
所述电压采样模块包括电压分压模块和第二模数转换模块；交流电压通过所述电压分压模块，利用电阻进行分压，将交流电压分压，然后将分压后的电压模拟信号输入所述第二模数转换模块，经模数转换后，即得到电压数字信号。
所述第一模数转换模块对在时域和幅度上都连续的功率模拟信号转变为时域上离散、幅度上量化的等效数字功率信号；所述第二模数转换模块对在时域和幅度上都连续的电压模拟信号转变为时域上离散、幅度上量化的等效电压数字信号。
所述第一模数转换模块和第二模数转换模块均为ΔΣ模数转换器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）霍尔功率传感器是基于SOI材料，运用CMOS工艺制作，具有寄生电容小、低功耗、无闩锁效应、线性度高的优点，能够有效提高霍尔传感器测量精度；
（2）运用霍尔电压与待测功率线性关系的特点，有效避免了传统的功率计算方式中因对电压、电流分别采样然后进行乘法运算而引入的相角偏差、谐波偏差；
（3）与采集系统其他部分的零电位不存在电位差，无需对霍尔功率传感器进行隔离处理；
（4）动态偏移量消除模块，运用同步斩波技术，消除霍尔元件的霍尔电压的失调，提高霍尔元件测量精度；
（5）ΔΣ模数转换器采用ΔΣ调制、数字抽取滤波和过采样技术，采样频率高，量化噪声抑制能力强，ADC为16位，通过COMS工艺实现，制造成本低廉，易于多通道集成；
（6）集成度高、体积小，便于软硬件一体化，适用于智能电表、智能插座等，应用前景广阔。
附图说明
图1是基于霍尔传感器的用电信息采集系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明提供一种基于霍尔传感器的用电信息采集系统，所述系统包括硅钢圈、功率采样模块和电压采样模块；负载电流通过缠绕在所述硅钢圈上线路时产生磁场，磁场方向与偏置电流方向垂直，且磁场方向垂直穿过功率采样模块的霍尔功率传感器，所述霍尔功率传感器在垂直于磁场和偏置电流的方向上产生霍尔电压，该霍尔电压经过处理后输出功率数字信号；所述电压采样模块采集电能供应端的交流电压，经过分压和模数转换后，输出电压数字信号。
所述功率采样模块包括动态偏移量消除模块、偏置电路模块、霍尔传感器模块、运算放大器模块、第一模数转换模块和滤波模块；所述偏置电路模块、霍尔传感器模块、运算放大器模块、第一模数转换模块和滤波模块依次串联，所述动态偏移量消除模块与所述霍尔传感器模块并联。
首先将负载电流引出，在硅钢圈上缠绕两圈，然后引出负载电流，与负载连接，最后接地。根据电流产生磁场的原理，负载电流在硅钢圈上缠绕，产生与负载电流成线性关系的磁场。硅钢圈使磁力线闭合。偏置电路连接电能供应端，输出偏置电流，当偏置电流通过霍尔功率传感器时，基于霍尔效应的原理，因偏置电流方向和穿过霍尔元件的磁场方向垂直，霍尔功率传感器两侧感应出霍尔电压，与待测功率成线性关系，并输出微弱的霍尔电压。
由于霍尔功率传感器的工艺限制而存在的霍尔电压偏移，故而，在霍尔功率传感器的两端并联动态消除偏移量模块。运用同步斩波技术，通过控制开关电路，改变偏置电流的方向，进而使霍尔电压大小不变，方向改变，进而消除霍尔电压失调。
通过并联的霍尔功率传感器模块和动态消除偏移量模块后，将与瞬时功率成线性关系的霍尔电压输入到放大器后，经放大，得到相应比例的瞬时功率模拟值，经过第一模数转换模块进行模数转换，再经过所述滤波模块滤波后输出功率数字信号。
所述滤波模块包括低通滤波器，滤除功率数字信号中的高频交流成分和量化误差。
所述动态偏移量消除模块运用斩波技术消除霍尔传感器的霍尔电压失调，以提高霍尔电压的精度。
所述霍尔传感器模块包括霍尔功率传感器。
所述运算放大器模块根据待测功率与霍尔电压的线性比，对输入的霍尔电压进行放大。
所述电压采样模块包括电压分压模块和第二模数转换模块；交流电压通过所述电压分压模块，利用电阻进行分压，将交流电压分压，然后将分压后的电压模拟信号输入所述第二模数转换模块，经模数转换后，即得到电压数字信号。
所述第一模数转换模块对在时域和幅度上都连续的功率模拟信号转变为时域上离散、幅度上量化的等效数字功率信号；所述第二模数转换模块对在时域和幅度上都连续的电压模拟信号转变为时域上离散、幅度上量化的等效电压数字信号。
所述第一模数转换模块和第二模数转换模块均为ΔΣ模数转换器。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于霍尔传感器的用电信息采集系统，其特征在于：所述系统包括硅钢圈、功率采样模块和电压采样模块；负载电流通过缠绕在所述硅钢圈上线路时产生磁场，磁场方向与偏置电流方向垂直，且磁场方向垂直穿过功率采样模块的霍尔功率传感器，所述霍尔功率传感器在垂直于磁场和偏置电流的方向上产生霍尔电压，该霍尔电压经过处理后输出功率数字信号；所述电压采样模块采集电能供应端的交流电压，经过分压和模数转换后，输出电压数字信号。
2.根据权利要求1所述的基于霍尔传感器的用电信息采集系统，其特征在于：所述功率采样模块包括动态偏移量消除模块、偏置电路模块、霍尔传感器模块、运算放大器模块、第一模数转换模块和滤波模块；所述偏置电路模块、霍尔传感器模块、运算放大器模块、第一模数转换模块和滤波模块依次串联，所述动态偏移量消除模块与所述霍尔传感器模块并联。
3.根据权利要求2所述的基于霍尔传感器的用电信息采集系统，其特征在于：所述偏置电路连接电能供应端，输出偏置电流，所述偏置电流经过所述霍尔传感器模块在垂直于磁场和偏置电流的方向上产生霍尔电压，该霍尔电压经过所述运算放大器模块放大处理后，经过第一模数转换模块进行模数转换，再经过所述滤波模块滤波后输出功率数字信号。
4.根据权利要求3所述的基于霍尔传感器的用电信息采集系统，其特征在于：所述滤波模块包括低通滤波器，滤除功率数字信号中的高频交流成分和量化误差。
5.根据权利要求2所述的基于霍尔传感器的用电信息采集系统，其特征在于：所述动态偏移量消除模块运用斩波技术消除霍尔传感器的霍尔电压失调，以提高霍尔电压的精度。
6.根据权利要求1所述的基于霍尔传感器的用电信息采集系统，其特征在于：所述霍尔传感器模块包括霍尔功率传感器。
7.根据权利要求1所述的基于霍尔传感器的用电信息采集系统，其特征在于：所述运算放大器模块根据待测功率与霍尔电压的线性比，对输入的霍尔电压进行放大。
8.根据权利要求1所述的基于霍尔传感器的用电信息采集系统，其特征在于：所述电压采样模块包括电压分压模块和第二模数转换模块；交流电压通过所述电压分压模块，利用电阻进行分压，将交流电压分压，然后将分压后的电压模拟信号输入所述第二模数转换模块，经模数转换后，即得到电压数字信号。
9.根据权利要求2或8所述的基于霍尔传感器的用电信息采集系统，其特征在于：所述第一模数转换模块对在时域和幅度上都连续的功率模拟信号转变为时域上离散、幅度上量化的等效数字功率信号；所述第二模数转换模块对在时域和幅度上都连续的电压模拟信号转变为时域上离散、幅度上量化的等效电压数字信号。
10.根据权利要求9所述的基于霍尔传感器的用电信息采集系统，其特征在于：所述第一模数转换模块和第二模数转换模块均为ΔΣ模数转换器。
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