CN105988033B - 电流测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电流测量装置和方法。该电流测量装置包括：设置在磁环上的线圈，至少一个流有待测电流的导体穿过所述磁环；与所述线圈的一端电连接的采样电阻；检测器，所述检测器采集采样电阻上的第一信号，从而测量所述待测电流；与所述线圈的另一端电连接的驱动电压源，其中驱动电压源根据采样电阻上的第一信号、线圈的内阻上的第二信号、以及基于所述第一信号的微分的第三信号，调整驱动所述线圈的驱动电压。本发明提高了基于磁性调制技术的交直流电流测量方法的测量精确度和测量范围。

Description

电流测量装置和方法
技术领域
本发明涉及电子电路，尤其涉及一种电流测量装置和方法。
背景技术
基于磁性调制技术的交流和/或直流电流测量方法目前已经被广泛应用。让流有待测电流的导体穿过磁环。磁环上的线圈与采样电阻和驱动电压源相连。通过驱动电压源产生的驱动电压使磁环的工作状态交替地置于图4所示的磁化曲线的线性区401、非线性区402、403，从而采集采样电阻上的电压或电流等，测量出待测电流。
中国专利公布号CN102338822B公开了一种电流测量装置和方法，它能够尽可能使磁环的磁化曲线在靠近线性区和非线性区的真实交点时，才将驱动电压源的驱动电压反向，从而扩展待测电流的测量范围、提高测量精度、同时降低测试过程中的功耗。
发明内容
本发明的一个实施例解决的问题之一是提高基于磁性调制技术的交流和/或直流电流测量方法的测量精确度和范围。
根据本发明的一个实施例，提供了一种电流测量装置，包括：设置在磁环上的线圈，至少一个流有待测电流的导体穿过所述磁环；与所述线圈的一端电连接的采样电阻；检测器，所述检测器采集采样电阻上的第一信号，从而测量所述待测电流；与所述线圈的另一端电连接的驱动电压源，其中驱动电压源根据采样电阻上的第一信号、线圈的内阻上的第二信号、以及基于所述第一信号的微分的第三信号，调整驱动所述线圈的驱动电压。
可选地，该电流测量装置还包括：微分器，对采样电阻上的第一信号进行微分，得到第四信号；比较器，连接到驱动电压源，基于第四信号与预定阈值的比较，产生第三信号。
可选地，采样电阻包括串联的第一电阻和第二电阻，第二电阻的电阻值与线圈的内阻相等，从采样电阻上得到所述第一信号，从第二电阻上得到所述第二信号。
可选地，该电流测量装置还包括：将所述第一信号放大成第一信号和第二信号之和从而输送给驱动电压源的放大器。
可选地，预定阈值设置成磁环处于磁化曲线的非线性区的反转点时第一信号的微分。
可选地，该驱动电压源包括加法器，其中从采样电阻上得到的所述第一信号、从第二电阻上得到的所述第二信号和所述第三信号分别连接到加法器的输入端。
可选地，该驱动电压源包括加法器，其中将放大器的输出和所述第三信号分别连接到加法器的输入端。
根据本发明的一个实施例，提供了一种电流测量方法，包括：产生驱动包括采样电阻和设置在磁环上的线圈的回路的驱动电压，至少一个流有待测电流的导体穿过所述磁环；采集所述驱动电压在采样电阻上产生的第一信号、以及在线圈的内阻上产生的第二信号；获得基于第一信号的微分的第三信号；基于第一信号、第二信号和第三信号，调整所述驱动电压；基于所述第一信号测量所述待测电流。
可选地，采集所述驱动电压在采样电阻上产生的第一信号、以及在线圈的内阻上产生的第二信号的步骤包括：将采样电阻分成串联的第一电阻和第二电阻，第二电阻的电阻值与线圈的内阻相等，从采样电阻上采集所述第一信号，从第二电阻上采集所述第二信号。
可选地，采集所述驱动电压在采样电阻上产生的第一信号、以及在线圈的内阻上产生的第二信号的步骤包括：从采样电阻上采集所述第一信号，并将所述第一信号放大成第一信号和第二信号之和。
本发明实施例中，驱动电压源根据采样电阻上的第一信号、线圈的内阻上的第二信号、以及基于所述第一信号的微分的第三信号来调整驱动所述线圈的驱动电压，而不是仅根据采样电阻上的第一信号和基于所述第一信号的微分的第三信号来调整。也就是说，它没有把线圈看作理想的电感，而是把线圈看成是具有内阻的，并且消除线圈内阻的影响，从而消除在使磁环的磁化曲线靠近线性区和非线性区的真实交点的判定中的误差，提高测量精确度和范围。
附图说明
本发明的其它特点、特征、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。
图1示出了根据本发明一个实施例的电流测量装置1的结构图。
图2示出了根据本发明另一个实施例的电流测量装置1的结构图。
图3示出了根据本发明另一个实施例的电流测量装置1的结构图。
图4示出了磁环的磁化曲线示意图。
图5示出了根据本发明一个实施例的电流测量方法2的流程图。
具体实施方式
下面，将结合附图详细描述本发明的各个实施例。
图1示出了根据本发明一个实施例的电流测量装置1的结构图。电流测量装置1适用于测量任何交流和/或直流电流。
电流测量装置1包括线圈103、采样电阻104、检测器105、驱动电压源109。
线圈103设置在磁环101上。至少一个流有待测电流的导体102穿过所述磁环。采样电阻104与所述线圈的一端电连接。检测器105采集采样电阻104上的第一信号，从而测量所述待测电流。
第一信号可以是采样电阻104上的电压信号，也可以是采样电阻104流过的电流信号，等等。当第一信号是电压信号时，检测器105是电压检测器。当第一信号是电流信号时，检测器105是电流检测器。
当导体102流过的待测电流变化时，由于磁环和线圈电磁场的作用，会使线圈103中流过的电流发生变化，进而采样电阻104的电压或电流会发生变化。通过检测器105检测的采样电阻104的电压或电流等，就可以计算出待测电流。
如果驱动线圈103的驱动电压(驱动电压源109的输出电压)不加以控制，该驱动电压与待测电流没有关系，会造成磁环的工作状态很难控制。如前所述，必须通过驱动电压源产生的驱动电压使磁环的工作状态交替地置于图4所示的磁化曲线的线性区401、非线性区402、403，才能使用基于磁性调制技术的交流和/或直流电流测量方法，通过采集采样电阻上的电压或电流等，准确地测量出待测电流。因此，应控制驱动电压源产生的驱动电压，使磁环的磁化状态交替地置于图4所示的磁化B-H曲线(B代表磁环中的磁通密度，H代表磁环中的磁场强度)的线性区401、正、负非线性区402、403。当磁环处于磁化曲线的非线性区靠近线性区与非线性区的交点的位置处时，必须将驱动电压源109的输出电压反向，这样才能扩展待测电流的测量范围，提高测量精度，降低测量功耗。
因此，要对驱动电压源109的输出电压进行控制。与所述线圈的另一端电连接的驱动电压源109根据采样电阻104上的第一信号、线圈103的内阻上的第二信号、以及基于所述第一信号的微分的第三信号，调整驱动所述线圈103的驱动电压。
第二信号可以是线圈103的内阻上的电压，等等。
在一种实施方式中，基于所述第一信号的微分的第三信号是基于所述第一信号的微分和预定阈值的比较的方波信号。例如，当第一信号的微分大于预定阈值时，方波信号为正；当第二信号的微分小于预定阈值时，方波信号为负。
由于第三信号的幅值(例如方波信号的正负幅值)的绝对值要大于第一信号、第二信号的幅值的绝对值，因此，在基于第一、第二、第三信号由驱动电压源109产生的驱动电压中，占主导地位的是第三信号的幅值。当第三信号(例如方波信号)发生正负翻转时，会导致驱动电压源109产生的驱动电压通常也发生极性反向。将预定阈值设置成磁环处于磁化曲线的非线性区的反转点时第一信号的微分。反转点定义为在非线性区内靠近线性区与非线性区的交点的一个点，例如设为在非线性区内磁环磁通密度B达到线性区与非线性区的交点处磁环磁通密度B的1.05倍的点，如图4中的P、Q。这样，如果第一信号的微分大于预定阈值，说明磁环处于磁化曲线中非线性区还未达到反转点的位置，因此比较器107输出的方波信号为正，从而驱动电压源109产生的驱动电压也不反向。如果第一信号的微分小于预定阈值，说明磁环处于磁化曲线中非线性区达到反转点的位置，即接近非线性区内靠近线性区与非线性区的交点的位置，此时比较器107输出的方波信号变负，引起驱动电压源109产生的驱动电压反向，这样，就符合了当磁环处于磁化曲线中非线性区内靠近线性区与非线性区的交点的位置时必须将驱动电压源109的输出电压反向以扩展待测电流的测量范围，提高测量精度，降低测量功耗的要求。
在一种实施方式中，如图1所示的电流测量装置1还包括微分器106和比较器107。
微分器106对采样电阻104上的第一信号进行微分，得到第四信号。第四信号是第一信号的微分信号。设线圈103通过的电流为i，采样电阻104的阻值是RS。当采样电阻104上的第一信号是采样电阻104上的电压信号iRS时，第四信号是该电压信号的微分信号i′RS。微分器例如是一个微分电路。
比较器107连接到驱动电压源109，基于第四信号与预定阈值的比较，产生第三信号。例如，如前所述，第三信号可以是方波信号。当第四信号大于预定阈值时，方波信号为正；当第四信号小于预定阈值时，方波信号为负。
第一信号可以直接输入驱动电压源109。如图1所示，当第一信号是阻值为RS的采样电阻104上的电压信号时，从采样电阻104与线圈103的连接的一端直接引线到驱动电压源，就可以将采样电阻104上的电压iRS输入驱动电压源109。
线圈103内阻上的第二信号不能直接测量。例如，当第二信号是线圈103内阻上的电压时，直接侧线圈103两端的电压并不能体现线圈103内阻RL上的电压iRL，因为线圈103两端的电压一部分是由于线圈的电感L引起的，即Li′，其中i′代表线圈流过的电流的微分。但可以利用如图1所示的方法构造一个与线圈103的内阻RL等阻值的电阻1042，通过测量该电阻1042两端的电压得到线圈103的内阻上的电压。
如图1所示，采样电阻104包括串联的第一电阻1041和第二电阻1042。第二电阻1042的电阻值与线圈103的内阻相等，即RL。从第一电阻1041和第二电阻1042连接处引线到驱动电压源109的输入端，这样，就将第二电阻1042上的电压iRL(与线圈103的内阻上的电压相等)输入驱动电压源109。
通过将比较器107的输出端连接到驱动电压源109的输入端，就可以将第三信号输入驱动电压源109。
该驱动电压源109包括加法器。从采样电阻104上得到的所述第一信号、从第二电阻上得到的所述第二信号和所述第三信号分别连接到加法器的输入端。
设驱动电压源109输出的驱动电压为Ue2，由于该驱动电压要供给线圈103的电感、线圈103的内阻以及采样电阻104消耗，因此，
Ue2＝i RL+i RS+Li′ 公式1
另外，由于驱动电压源109包括加法器，其输入为从采样电阻104与线圈103的连接点输送过来的电压信号i RS、从第一电阻1041和第二电阻1042的连接点输送过来的电压信号i RL、比较器107输出的方波信号Ue1，因此，
Ue2＝i RL+i RS+Ue1 公式2
对比公式1和公式2，得到
i′＝Ue1/L 公式3
由于方波信号Ue1的幅值是常量。当磁环进入非线性区(饱和区域)时，线圈的电感L很快降到很小的数值，使得i′很快地增加。在这种情况下，将i′与一个预定阈值比较从而判断磁环是否在磁化曲线中达到反转点的位置或者说接近非线性区内靠近线性区与非线性区的交点的位置才有意义。如果公式3不成立，i′就不能完全代表磁环在磁化曲线中处的位置，将它与预定阈值比较从而判断磁环是否接近非线性区内靠近线性区与非线性区的交点的位置就变得没有意义。
作为一个对照例，如果图1中第一电阻1041和第二电阻1042之间的连接点到驱动电压源109的输入端的连线不存在或者不把采样电阻104分成第一电阻1041和第二电阻1042，也就是说驱动电压源109只根据采样电阻104上的第一信号、以及基于所述第一信号的微分的第三信号来调整驱动所述线圈103的驱动电压，公式2就会变成
Ue2＝i RS+Ue1 公式2′
公式3就会变成
i′＝(Ue1-i RL)/L 公式3′
此时，i′与L就不一定成反比。i′就不能完全代表磁环在磁化曲线中处的位置，将i′与预定阈值比较就不能准确判断出磁环是否接近非线性区内靠近线性区与非线性区的交点的位置，这样比较器107输出的方波的翻转就不一定是与磁环磁化曲线接近非线性区内靠近线性区与非线性区的交点的位置相对应的，从而驱动电压源(109)输出的驱动电压的极性反向点也不一定是与磁环磁化曲线接近非线性区内靠近线性区与非线性区的交点的位置相对应的。这就有悖于当磁环处于磁化曲线中非线性区内靠近线性区与非线性区的交点的位置时必须将驱动电压源109的输出电压反向的要求，从而不能更好地提高测量精度、降低测量功耗等。
图2示出了根据本发明另一个实施例的电流测量装置1的结构图。它与图1的区别在于，它将图1中从采样电阻104与线圈103的连接点连到驱动电压源109的输入端的连线、从第一电阻1041、第二电阻1042的连接点连到驱动电压源109的输入端的连线统一成一根从采样电阻104与线圈103的连接点经放大器108连到驱动电压源109的连线。
放大器108将采样电阻104上的第一信号放大成第一信号和第二信号之和从而输送给驱动电压源109。
例如，放大器108的放大倍率为(1+RL/RS)。这样采样电阻104上的电压i RS经放大器108放大后得到电压(i RS+i RL)。这与分别通过从采样电阻104与线圈103的连接点连到驱动电压源109的输入端的连线给驱动电压源109输送电压i RS、通过从第一电阻1041、第二电阻1042的连接点连到驱动电压源109的输入端的连线给驱动电压源109输送电压i RL是等效的。
驱动电压源109包括加法器。将放大器108的输出和所述第三信号分别连接到加法器的输入端。
在上述例子中，放大器108的输出是(i RS+i RL)，第三信号是幅值为Ue1的方波信号，因此驱动电压源109输出的驱动电压Ue2仍然是i RL+i RS+Ue1。
图3示出了根据本发明另一个实施例的电流测量装置1的结构图。不将采样电阻104分成第一电阻1041、第二电阻1042，也无需微分器106、比较器107、放大器108，图3中仅采用了处理单元110，通过软件的方式实现了例如微分器106、比较器107、放大器108等的所有功能。
例如，仍以第一信号是采样电阻104上的电压信号i RS为例。将电压信号i RS输入处理单元110。处理单元110经过A/D转换得到电压信号的数字化值。处理单元110再将该数字化值乘以(1+RL/RS)得到(i RS+i RL)的数字化值。处理单元110将电压信号i RS的数字化值求微分，将微分结果与预定阈值比较，产生数字化的方波值。然后，处理单元110将该数字化的方波值与(i RS+i RL)的数字化值相加并将得到的和D/A转换，输出给驱动电压源109。该D/A转换后的信号就对应于采样电阻104上的第一信号、线圈103的内阻上的第二信号、以及基于所述第一信号的微分的第三信号之和。
图5示出了根据本发明一个实施例的电流测量方法2的流程图。该电流测量方法2可以由图1-3中任一个的电流测量装置实施，也可以由其它能够实现该电流测量方法2的其它电流测量装置实施。
在步骤S1中，产生驱动包括采样电阻104和设置在磁环101上的线圈103的回路的驱动电压S1，其中至少一个流有待测电流的导体102穿过所述磁环。
在步骤S2中，采集所述驱动电压在采样电阻104上产生的第一信号、以及在线圈103的内阻上产生的第二信号。
在步骤S3中，获得基于第一信号的微分的第三信号。
在步骤S4中，基于第一信号、第二信号、第三信号，调整所述驱动电压。
在步骤S5中，基于所述第一信号，测量所述待测电流。
可选地，步骤S2包括：将采样电阻104分成串联的第一电阻1041和第二电阻1042，第二电阻的电阻值与线圈103的内阻相等，从采样电阻104上采集所述第一信号，从第二电阻上采集所述第二信号。
可选地，步骤S2包括：从采样电阻104上采集所述第一信号，并将所述第一信号放大成第一信号和第二信号之和。
本领域技术人员应当理解，上面所公开的各个实施例，可以在不偏离发明实质的情况下做出各种变形和改变。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种电流测量装置(1)，包括：
设置在磁环(101)上的线圈(103)，至少一个流有待测电流的导体(102)穿过所述磁环；
与所述线圈的一端电连接的采样电阻(104)；
检测器(105)，所述检测器(105)采集采样电阻(104)上的第一信号，从而测量所述待测电流；
与所述线圈的另一端电连接的驱动电压源(109)，其中驱动电压源(109)根据采样电阻(104)上的第一信号、线圈(103)的内阻上的第二信号、以及基于所述第一信号的微分的第三信号，调整驱动所述线圈(103)的驱动电压。
2.根据权利要求1所述的电流测量装置(1)，还包括：
微分器(106)，对采样电阻(104)上的第一信号进行微分，得到第四信号；
比较器(107)，连接到驱动电压源(109)，基于第四信号与预定阈值的比较，产生第三信号。
3.根据权利要求1所述的电流测量装置(1)，其中采样电阻(104)包括串联的第一电阻(1041)和第二电阻(1042)，第二电阻的电阻值与线圈(103)的内阻相等，从采样电阻(104)上得到所述第一信号，从第二电阻上得到所述第二信号。
4.根据权利要求1所述的电流测量装置(1)，还包括：
将所述第一信号放大成第一信号和第二信号之和从而输送给驱动电压源(109)的放大器(108)。
5.根据权利要求2所述的电流测量装置(1)，其中预定阈值设置成磁环处于磁化曲线的非线性区的反转点时第一信号的微分。
6.根据权利要求3所述的电流测量装置(1)，其中该驱动电压源(109)包括加法器，其中从采样电阻(104)上得到的所述第一信号、从第二电阻上得到的所述第二信号和所述第三信号分别连接到加法器的输入端。
7.根据权利要求4所述的电流测量装置(1)，其中该驱动电压源(109)包括加法器，其中将放大器(108)的输出和所述第三信号分别连接到加法器的输入端。
8.一种电流测量方法(2)，包括：
产生驱动包括采样电阻(104)和设置在磁环(101)上的线圈(103)的回路的驱动电压(S1)，至少一个流有待测电流的导体(102)穿过所述磁环；
采集所述驱动电压在采样电阻(104)上产生的第一信号、以及在线圈(103)的内阻上产生的第二信号(S2)；
获得基于第一信号的微分的第三信号(S3)；
基于第一信号、第二信号和第三信号，调整所述驱动电压(S4)；
基于所述第一信号测量所述待测电流(S5)。
9.根据权利要求8所述的电流测量方法(2)，其中采集所述驱动电压在采样电阻(104)上产生的第一信号、以及在线圈(103)的内阻上产生的第二信号(S2)的步骤包括：将采样电阻(104)分成串联的第一电阻(1041)和第二电阻(1042)，第二电阻的电阻值与线圈(103)的内阻相等，从采样电阻(104)上采集所述第一信号，从第二电阻上采集所述第二信号。
10.根据权利要求8所述的电流测量方法(2)，其中采集所述驱动电压在采样电阻(104)上产生的第一信号、以及在线圈(103)的内阻上产生的第二信号(S2)的步骤包括：从采样电阻(104)上采集所述第一信号，并将所述第一信号放大成第一信号和第二信号之和。
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