CN104730312B - 非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置，其应用于双线电源线电流测量，包含有：一非接触式电流传感器，该非接触式电流传感器还包括有第一电流传感器、第二电流传感器、以及第三电流传感器，以用来测量双线电源线上电流变化所造成的空间磁场变化，其中，该非接触式电流传感器，设于一双线电源线上方位置(该双线电源线的两个电源线内径中心连线方向为一水平方向，与该水平方向相垂直的方向为一垂直方向)；一感测元件特性测量单元，其用于建立该非接触式电流传感器相应该双线电源线的空间特性测量数据库；以及一非接触电流测量模块，输出该双线电源线内的一待测电流I值。

Description

非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置

技术领域

本发明涉及一种电流传感器，特别是一种应用于双线电源线电流测量的非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置。

背景技术

近年来，产业自动化的迅速发展，对于高可靠度、高性能的控制仪器的需求日益增加。各式传感器在自动化的监控功能上，占有绝对重要的角色，其中电流传感器在仪表侦测、控制等工业或家庭自动化产业上都是不可或缺的一环。

目前电流传感器可依据原理分为四类，例如1.欧姆定律--电阻分流式、2.法拉第感应定律--CT变流器、3.磁场感测--霍耳元件及4.法拉第光电效应--光纤电流传感器。前两者在使用上或为直接测量造成额外热能的产生、或为体积大而笨重且无法直接应用于多芯电源线，故有不便之处。霍耳元件虽形小体轻、且为近接测量的特点，但其在多芯电源线应用上仍存在需先确立元件与电源线距离的问题。而光纤电流传感器由于低灵敏度、维修困难及构造复杂，因而使得应用范围较小。

依照安培原理，导体在电流通过时，会在周围形成磁场，其大小正比于导体的电流而反比于相隔的距离。因此通过磁场大小的侦测，可获知导体内所通过电流的大小。然而，目前近接式电流传感器大都有因为安装位置而造成测量误差过大的问题，而造成使用上的不便，因此近接式电流传感器仍有改善的空间。

发明内容

本发明是一种应用于双线电源线电流测量的非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置，综观目前近接式电流传感器均有因为安装位置而造成测量误差过大的问题(甚至于数百％误差的错误测量)，无法达到消费性产品随意安装使用的情况。本发明是一种应用于双线电源线电流测量的非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置，在通过测量装置的设计与算法的搭配，估算人为安装与待测物制造差异，以降低测量误差达到自动测量的功能。

根据安培定律，流经一长直导线的电流在其邻近空间会产生环形磁场，此环形磁场正比于导线上电流大小其中μ₀为导磁率，I为导线上电流，B_r为导线外推半径为r上的磁通密度，另外根据法拉第定律，线圈感应电压其中N为线圈匝数，A为线圈所封闭的面积，φ为有效磁通。在测量位置r、线圈匝数N与线圈面积A已知的条件下，待测电流I正比于感应电压V，因此若要由感应电压V，去推论待测电流I，则测量位置r、线圈匝数N与线圈所封闭的面积A必须事先确定，其中线圈匝数N与线圈所封闭的面积A，不会因为测量安装不同位置而改变，但测量位置r，会因为元件安装位置不同而改变，所以要做到随扣即用的测量，则测量位置r需做到线上的实时估测。在直角坐标系中导线外推半径r分别与垂直位移的第一距离g₁与水平位移W相关，所以由感应电压V去求得待测电流I，需先推估出垂直位移的第一距离g₁与水平位移W，其中该垂直位移的第一距离g₁为测量位置距该导线的距离，该水平位移W，为与该垂直位移相垂直的水平距离。

本发明的应用于双线电源线电流测量的非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置，是通过一种迭代算法以推论出双线式电源线中的待测电流I、以及非接触式电流传感器与双线式电源线之间的垂直位移的第一距离g₁与水平位移W。

垂直位移的第一距离g₁：是两个相同的磁感测元件，并使此两个磁感测元件在测量方向保持固定距离g₂，两个磁感测元件所看到的磁通密度分别为与此两个磁感测元件输出信号与待测电流I和垂直位移的第一距离g₁相关，假设其余元件参数为已知，利用两个元件输出信号可以联立估算待测电流I和垂直位移的第一距离g₁；水平位移W：是两个相同的磁感测元件水平对称于主测量元件并使信号串接，双线式电源线的对称架构，使得串接输出信号正比于传感器与电源线中心轴的水平位移W，假设其余元件参数与待测电流I为已知，由垂直位移的第一距离g₁估算产生，如此可以估算传感器与电源线中心轴的水平位移W，经过纵向与水平两个维度的迭代可以逼近真正传感器垂直位移的第一距离g₁，传感器水平位移W与待测电流I的大小，如此非接触式电流传感器可以在任意安装位置计算出待测电流I的大小。

根据安培定律，流经一长直导线的电流在其邻近空间会产生环形磁场，此环形磁场正比于导线上电流大小其中μ₀为导磁率，I为导线上电流，B_r为导线外推半径为r上的磁通密度；利用平面线圈式电流传感器测量导线上电流，如图1、以及图2所示，根据法拉第感应定律输出电压平面线圈式电流传感器输出电压：其中，

如图2所示，其中w_s、w_c、w_d为平面线圈式电流传感器中横切面的相应距离，双线电源线于x＝0时，电流I为流出图2平面，双线电源线于x＝d时，电流I为流入图2平面，如图1所示，其中第一距离g₁为第一电流传感器中线圈与双线电源线之间垂直的距离，其中第二距离g₂为第一电流传感器中线圈与第二电流传感器中线圈之间垂直的距离，因为第一电流传感器与第二电流传感器之间固定，因此该第二距离g₂为固定值。当忽略水平位移时双线电源线的待测电流I和第一距离g₁为未知，但w_s、w_c、w_d是平面线圈式电流传感器中横切面的相应距离为固定已知，而其余a_n、b_n、c_n、N为元件几何参数也均为固定已知，所以需要两个联立方程式方能计算出待测电流I和第一距离g₁；而当忽略垂直位移时，a_n、b_n会受到水平位移W的等量修正，所以需要一额外的方程式来估算此修正量。本发明非接触式电流传感器，设计如图3A的架构，由三组电流感测线圈产生三组独立的联立方程式，以估算出垂直第一距离g₁、水平位移W与待测电流I三个变量而达到安装位置变动补偿，其计算式如下：

本发明迭代补偿的第一步骤，是利用内建的第一距离g₁与关系式找出第一距离g₁，其中第一电压V₁是由第一电流传感器输入端与输出端测量的电压差，第二电压V₂是由第二电流传感器输入端与输出端测量的电压差，经由形成一相应的第一函数f₁关系：

……………………………………………第1函数f₁；

其中该第一函数f₁，是先建立不同水平位移W下的第一距离g₁与关系式。因此相同已知的水平位移W下，第一距离g₁与具有第一函数f₁的相应关系，也就是说，当第一电压V₁以及第二电压V₂测量出来时，经由本发明不同水平位移W下的第一函数f₁中，本发明迭代补偿的第一步骤可以对应找出第一距离g₁的相应距离。

然后，本发明迭代补偿的第二步骤，是利用内建的待测电流I与关系式，经由电流校正因子的增益(gain)，形成一相应的第二函数f₂关系：

……………………………………第二函数f₂；

其中该第二函数f₂，是先建立某固定水平位移W下的不同垂直位移第一距离g₁的增益与关系式。因此在某固定已知的水平位移W下，增益与具有第二函数f₂的相应关系，也就是说，当第一电压V₁以及第二电压V₂测量出来时，经由本发明不同水平位移W下的第二函数f₂中，本发明迭代补偿的第二步骤可以对应找出该双线电源线中待测电流I的值。

本发明迭代补偿的第三步骤，是利用内建的水平位移W与第三电压V₃关系式找出水平位移W，而水平位移W与关系式，形成一相应的第三函数f₃关系：

水平位移……………………………………第三函数f₃；

其中该第三函数f₃，是先建立不同的第一距离g₁与关系式；该第三电压V₃是由第三电流传感器输入端与输出端测量的电压差，其是针对水平位移W移动时，所产生的相应电压变化。因此，由已知的第一距离g₁下，水平位移W移动与具有第三函数f₃的相应关系，也就是说，由第三电流传感器输入端与输出端测量的电压差是该第三电压V₃，将本发明第二步骤中估算出的待测电流I带入第三函数f₃中，本发明迭代补偿的第三步骤可以对应找出该水平位移W的值。

最后，本发明迭代补偿的第四步骤，由设定初始条件开始：设定定初始条件第一距离g₁＝0，设定初始条件的待测电流I＝5A，设定初始条件的水平位移W＝0mm。然后依次经第一步骤、第二步骤、第三步骤开始迭代，直到待测电流I收敛至或执行次数n超过二十次仍不收敛，则迭代停止，另设初始条件再重新迭代。

另外由图3A、以及图4所示，可以知道该第三电流传感器，其是具有该水平方向对称于该非接触式电流传感器中心线的两个各自独立的线圈回路串联而成，该第三电流传感器输入端与输出端测量的电压差，为一第三电压V₃，该串接输出信号与第三电流传感器和该双线电源线的中心轴的水平偏移量W呈1-1函数。如图3A所示，为第三电流传感器中线圈，由第三电流传感器输入端与输出端测量的电压差为该第三电压V₃。最后整个算法可以归纳为，由纵向联立方程式可以先求出纵向高度第一距离g₁与待测电流I，再由求出的纵向高度第一距离g₁与待测电流I，可以计算出该非接触式电流传感器与该双线电源线中心轴的水平偏移量，如此迭代求解可以逼出真正的传感器纵向位置第一距离g₁，传感器水平位置W与待测电流I的大小。

本发明提供一实施例，是一种应用于双线电源线电流测量的非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置，其包含有：一非接触式电流传感器、一感测元件特性测量单元、以及一非接触电流测量模块。其中，该非接触式电流传感器，其包含有第一电流传感器、第二电流传感器、以及第三电流传感器，该非接触式电流传感器，位于一双线电源线上方位置，其用于测量双线电源线上电流变化所造成的空间磁场变化(该双线电源线的两个电源线内径中心连线方向为一水平方向，与该水平方向相垂直的方向为一垂直方向)；该感测元件特性测量单元，其用于建立由该非接触式电流传感器相应该双线电源线的空间特性测量数据库；该非接触电流测量模块，其输出该双线电源线内的一待测电流I值。

附图说明

图1为第一电流传感器、第二电流传感器与双线电源线示意图。

图2为第二电流传感器与双线电源线的法拉第感应定律推导图。

图3A为非接触式电流传感器的俯视示意图。

图3B为非接触式电流传感器由前端C处向后端B处侧视示意图。

图3C为非接触式电流传感器由后端B处向前端C处侧视示意图。

图4为水平位移W与第三电压V₃的正规化水平位移指标图。

图5为[第一电压V₁/该第二电压V₂]与增益的垂直位移指标图。

图6为水平加垂直移动下，所测量待测电流I的测量信号值示意图。

图7为补偿与未补偿的百分误差比较图。

图8为非接触式电流传感器、感测元件特性测量单元、以及非接触电流测量模块示意图。

【符号说明】

10 非接触式电流传感器；

11 第一电流传感器；

12 第二电流传感器；

13 第三电流传感器；

21 线圈；

41 双线电源线；

50 感测元件特性测量单元；

51 空间特性测量数据库；

52 水平位移指标；

53 垂直位移指标；

60 非接触电流测量模块；

61 测量计量单元；

62 补偿算法运算单元；

71 第一单元；

72 第二单元；

73 第三单元；

74 第四单元。

具体实施方式

本发明提供一实施例，是一种应用于双线电源线41电流测量的非接触式电流传感器10安装位置变动补偿装置，如图3A、图3B、图3C、以及图8所示，其包含有：一非接触式电流传感器10、一感测元件特性测量单元50、以及一非接触电流测量模块60。其中，该非接触式电流传感器10，其包含有第一电流传感器11、第二电流传感器12、以及第三电流传感器13，该非接触式电流传感器10，设于一双线电源线41上方位置，该双线电源线41的两个电源线内径中心连线方向为一水平方向，与该水平方向相垂直的方向为一垂直方向；该感测元件特性测量单元50，其用于建立该非接触式电流传感器10相应该双线电源线41的一空间特性测量数据库51；该非接触电流测量模块60，其是搭配内建该空间特性测量数据库，以计算并输出该双线电源线41内的一待测电流I值。

该非接触式电流传感器10，如图3A，图3B、图3C所示，图3A为非接触式电流传感器的府视示意图。图3B为非接触式电流传感器由前端C处向后端B处侧视示意图。图3C为非接触式电流传感器由后端B处向前端C处侧视示意图。该非接触式电流传感器10，包括：该第二电流传感器12、该第一电流传感器11、以及该第三电流传感器13。其中，该第一电流传感器11，设于双线电源线41的该垂直方向上方，相距的距离为一第一距离g₁；该第二电流传感器12，位于该第一电流传感器11的该垂直方向上方，相距的距离为一第二距离g₂；以及该第三电流传感器13，其是由具有该水平方向对称于该非接触式电流传感器10中心线的两个各自独立的线圈21回路串联而成，该第三电流传感器13输入端与输出端测量的电压差，为一第三电压V₃；其中，该第一电流传感器11与该第二电流传感器12是线圈21回路的结构，该第一电流传感器11输入端与输出端测量的电压差为一第一电压V₁，该第二电流传感器12输入端与输出端测量的电压差为一第二电压V₂。

该感测元件特性测量单元50，如图8所示，是用来建立空间特性测量数据库51，包含有：一水平位移指标52、以及一垂直位移指标53，如图4、图5所示。其中，该水平位移指标52，是由一水平位移W与该第三电压V₃所组成的相应正规化特性测量数据库；以及该垂直位移指标53是由该第一电压V₁/该第二电压与一增益所组成的相应特性测量数据库，其中，该双线电源线41内的电流是I；其中，该感测元件特性测量单元50，是将该非接触式电流传感器10放置在该双线电源线41上方位置，连续在该水平方向以及该垂直方向上，二维移动该非接触式电流传感器10，经由该双线电源线41中电流I的法拉第感应定律输出电压，提取该第一电压V₁、该第二电压V₂、以及该第三电压V₃，建立该第一电流传感器11、该第二电流传感器12、以及该第三电流传感器13的二维空间特性测量数据库。

该非接触电流测量模块60，如图8所示，其包含有：一测量计量单元61、一补偿算法运算单元62、以及该非接触式电流传感器10。其中，该非接触式电流传感器10放置在该双线电源线41上方位置，经由该双线电源线41中电流I的法拉第感应定律输出电压，提取该第一电压V₁、该第二电压V₂、以及该第三电压V₃后，输入该补偿算法运算单元62，再经该测量计量单元61，输出该双线电源线41内的一待测电流I值。

该补偿算法运算单元62，其包含有：一第一单元71、一第二单元72、一第三单元73、以及一第四单元74。其中该第一单元71，是由二维空间特性测量数据库建立该第一距离g₁与关系式；找出第一距离g₁，其中该第一电压V₁是由该第一电流传感器11输入端与输出端测量的电压差，该第二电压V₂是由该第二电流传感器12输入端与输出端测量的电压差，经由形成相应的一第一函数f₁关系：

........................该第一函数f₁；

其中该第一函数f₁，是先建立不同该水平位移W下的该第一距离g₁与关系式，因此相同已知的该水平位移W下，该第一距离g₁与具有该第一函数f₁的相应关系，当该第一电压V₁以及该第二电压V₂测量出来时，经由不同该水平位移W下的该第一函数f₁中，该第一单元71对应找出该第一距离g₁的相应距离。该第二单元72，是由二维空间特性测量数据库建立该待测电流I与关系式，经由电流校正因子的该增益(gain)，形成相应的一第二函数f₂关系：

该增益............第二函数f₂；

其中该第二函数f₂，是先建立固定的该水平位移W下的不同该第一距离g₁的该增益与关系式，固定已知的该水平位移W下，该增益与具有该第二函数f₂的相应关系，当该第一电压V₁以及该第二电压V₂测量出来时，经由不同该水平位移W下的该第二函数f₂中，该第二单元72对应找出该双线电源线41中该待测电流I的值。该第三单元73，由二维空间特性测量数据库建立该水平位移W与第三电压V₃关系式找出该水平位移W，而该水平位移W与关系式，形成相应的一第三函数f₃关系：

该平位移........................该第三函数f₃；

其中该第三函数f₃，是先建立不同的该第一距离g₁与关系式；该第三电压V₃是由该第三电流传感器13输入端与输出端测量的电压差，其是针对该水平位移W移动时，所产生的相应电压变化，由已知的该第一距离g₁下，该水平位移W移动与具有该第三函数f₃的相应关系，其中，由该第三电流传感器13输入端与输出端测量的电压差，为该第三电压V₃。将第二单元72中，估算出的待测电流I带入该第三函数f₃中，该第三单元73，对应找出该水平位移W的值。以及该第四单元74，由设定初始条件开始：设定定初始条件该第一距离g₁＝0，设定初始条件的该待测电流I＝5A，设定初始条件的该水平位移W＝0mm。然后依次经该第一单元71、该第二单元72、该第三单元73开始迭代，直到待测电流I收敛至或执行次数n超过二十次仍不收敛，则迭代停止，另设初始条件再重新迭代。

本发明该感测元件特性测量单元，是由标准电流源，在可形成二维指针的传感器空间配置下，经二维移动平台的移动，然后经信号捕获设备，来建立二维空间的传感器特性曲面，形成内建的空间特性测量数据库。补偿算法运算单元经由该空间特性测量数据库转换建立空见特性函数f₁、f₂和f₃，以及测量的该第一电压V₁，该第二电压V₂，以及该第三电压V₃后，再经该测量计量单元，输出该双线电源线内的一待测电流I值。

以上所述，乃仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的优选实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明权利要求文义相符，或依本发明权利要求所做的等同变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (5)

1.一种非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置，其特征在于，应用于双线电源线电流测量，包含有：

一非接触式电流传感器，其包含有一第一电流传感器、一第二电流传感器、以及一第三电流传感器，该非接触式电流传感器设于一双线电源线上方位置，该双线电源线的两个电源线内径中心连线方向为一水平方向，与该水平方向相垂直的方向为一垂直方向；

一感测元件特性测量单元，其用于建立该非接触式电流传感器相应该双线电源线的一空间特性测量数据库；以及

一非接触电流测量模块，搭配内建该空间特性测量数据库，以计算并输出该双线电源线内的一待测电流I值。

2.根据权利要求1所述的非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置，其中，该非接触式电流传感器，其包含有：

一第一电流传感器，其设于双线电源线的该垂直方向上方，且其相距的距离为一第一距离g₁；一第二电流传感器，其设于该第一电流传感器的该垂直方向上方，且其相距的距离为一第二距离g₂；以及

一第三电流传感器，其是通过该水平方向对称于该非接触式电流传感器中心线的两个各自独立的线圈回路串联而成，该第三电流传感器输入端与输出端测量的电压差，为一第三电压V₃；

其中，该第一电流传感器与该第二电流传感器为线圈回路的结构，该第一电流传感器输入端与输出端测量的电压差为一第一电压V₁，该第二电流传感器输入端与输出端测量的电压差为一第二电压V₂。

3.根据权利要求2所述的非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置，其中，该感测元件特性测量单元，其包含有：

一空间特性测量数据库，其还包含有：

一水平位移指标，其是由一水平位移W与该第三电压V₃所组成的相应正规化特性测量数据库；以及

一垂直位移指标，其是由该第一电压V₁/该第二电压与一增益所组成的相应特性测量数据库，其中，该双线电源线内的电流为I；

其中，该感测元件特性测量单元，是将该非接触式电流传感器放置在该双线电源线上方位置，连续在该水平方向以及该垂直方向上，二维移动该非接触式电流传感器，经由该双线电源线中电流I的法拉第感应定律输出电压，提取该第一电压V₁、该第二电压V₂、以及该第三电压V₃，建立该第一电流传感器、该第二电流传感器、以及该第三电流传感器的二维空间特性测量数据库。

4.根据权利要求3所述的非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置，其中，该非接触电流测量模块，其包含有：

一测量计量单元；

一补偿算法运算单元；以及

该非接触式电流传感器；

其中，经由该非接触式电流传感器放置在该双线电源线上方位置，经由该双线电源线中电流I的法拉第感应定律输出电压，提取该第一电压V₁、该第二电压V₂、以及该第三电压V₃后，输入该补偿算法运算单元，再经该测量计量单元，输出该双线电源线内的一待测电流I值。

5.根据权利要求4所述的非接触式电流传感器安装位置变动补偿装置，其中该补偿算法运算单元，其包含有：

一第一单元，是通过内建的该第一距离g₁与关系式，找出第一距离g₁，其中该第一电压V₁是由该第一电流传感器输入端与输出端测量的电压差，该第二电压V₂是由该第一电流传感器输入端与输出端测量的电压差，经由形成相应的一第一函数f₁关系：

........................该第一函数f₁；

其中该第一函数f₁，是先建立不同该水平位移W下的该第一距离g₁与关系式，因此相同已知的该水平位移W下，该第一距离g₁与具有该第一函数f₁的相应关系，当该第一电压V₁以及该第二电压V₂测量出来时，经由不同该水平位移W下的该一函数f₁中，该第一单元对应找出该第一距离g₁的相应距离；

一第二单元，是通过内建的该待测电流I与关系式，经由电流校正因子的该增益gain，形成相应的一第二函数f₂关系：

该增益............第二函数f₂；

其中该第二函数f₂，是先建立固定的该水平位移W下的不同该第一距离g₁的该增益与关系式，固定已知的该水平位移W下，该增益与具有该第二函数f₂的相应关系，当该第一电压V₁以及该第二电压V₂测量出来时，经由不同该水平位移W下的该第二函数f₂中，该第二单元对应找出该双线电源线中该待测电流I的值；

一第三单元，是通过内建的该水平位移W与第三电压V₃关系式找出该水平位移W，而该水平位移W与关系式，形成相应的一第三函数f₃关系：

该平位移........................该第三函数f₃；

其中该第三函数f₃，是先建立不同的该第一距离g₁与关系式；该第三电压V₃是由该第三电流传感器输入端与输出端测量的电压差，其是针对该水平位移W移动时，所产生的相应电压变化，由已知的该第一距离g₁下，该水平位移W移动与具有该第三函数f₃的相应关系，其中，由该第三电流传感器输入端与输出端测量的电压差，是该第三电压V₃，将该第二单元中，估算出的待测电流I带入该第三函数f₃中，该第三单元，对应找出该水平位移W的值；以及

一第四单元，由设定初始条件开始：设定定初始条件的该第一距离g₁＝0，设定初始条件的该待测电流I＝5A，设定初始条件的该水平位移W＝0mm，然后依次经该第一单元、该第二单元、该第三单元开始迭代，直到待测电流I收敛至或执行次数n超过二十次仍不收敛，则迭代停止，另设初始条件再重新迭代。