CN107328980A - 多芯电缆非侵入式电流测量方法及测量装置 - Google Patents
多芯电缆非侵入式电流测量方法及测量装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种多芯电缆非侵入式电流测量方法及测量装置，所述方法采用磁阻传感器测量多芯导线周围磁场的切向分量与径向分量，通过毕奥萨伐定律对所得磁场的切向分量与径向分量进行分析，得到多芯电缆内导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值，并进一步通过误差估计和磁场强度补偿，提高测量精度和准确度。本发明的多芯电缆非侵入式电流测量方法及测量装置，实现了对多芯电缆周围磁场的检测与所带电流的非侵入式测量，提高了对多芯电缆的电流检测效率。
Description
技术领域
本发明属于自动化测试技术领域，具体涉及多芯电缆非侵入式电流测量方法及测量装置。
背景技术
对电子产品的自动化测试包括电压、电流、功率等方面的不同精度范围的测量。其中，电流检测在多数场合下是实施控制或进行状态监控的基础和关键环节，如电网需要通过检测电流来判断故障位置和负载情况；电机需要通过检测电流作为反馈值来判断转子转动情况与磁链的状态等。
电流测量分为侵入式测量与非侵入式测量。侵入式测量是较常用的电流测量技术，主要采用两种方式，一是直接从串联入电路的电流表上读取数据，二是测量串联入电路的阻值已知的电阻上的电压，如分流器。尽管侵入式测量有较好的检测精度和响应指标，但由于需要在被测电路中串接专门的测量元件，其使用场合受到很大限制，在很多情况下非侵入式测量成为一种必不可少的检测手段。
目前，非侵入式测量方式主要用到的检测器件包括电流互感器、霍尔传感器、Rogowski线圈、磁阻传感器等，这几种元器件都有各自的特点。其中，电流互感器是最常用的非侵入式测量元件，它具有原理简单、应用方便、能耗较低等优势，但在测量小电流时会由于相移和磁滞产生相当大的误差；霍尔传感器频带宽，精度高，响应快，但存在较大温漂，且测量大电流时会出现饱和的情况；Rogowski线圈结构简单，隔离性好，稳定性强，但只能测量时变电流，并且易受外界磁场干扰；磁阻传感器结构简单，反应快，体积小，灵敏度高，但缺点是容易受到外部干扰而影响测量精度。
多芯电缆是由多根表面绝缘的线芯组成的电缆，每芯电缆可独立传输电流，在航空、通信、电力、电子等领域具有极为广泛的应用，有时需要使用一种检测手段可以在不破坏电缆本身结构和工作状态的条件下同时测得多芯电缆中每一芯的电流值，如三相电机在运行状态下三根交联同轴电缆的电流平衡状态等。
目前，对多芯电缆的电流检测主要方法是采用多只磁阻传感器，通过测量和分析多芯电缆在空间的电磁场分布状态来计算各电缆中的电流值。但是由于非侵入式测量技术本身存在很多困难，目前对多芯电缆的非侵入式电流检测并不普遍，同时，测量精度并不高，测量效率低，测量结果的准确性无法保证。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供多芯电缆非侵入式电流测量方法，测量多芯电缆中各导线电流值，降低外界对电流测量的干扰，提高测量精度、测量的准确性，同时提高测量效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种多芯电缆非侵入式电流测量方法，所述方法采用磁阻传感器测量多芯导线周围磁场的切向分量与径向分量，通过毕奥萨伐定律对所得磁场的切向分量与径向分量进行分析，得到多芯电缆内导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值。
本发明内容包含信号处理算法与硬件设计两部分。
本发明的信号处理算法的作用是通过所测电缆周围磁信号转换反向计算缆内导线所载电流。
上述方案中，所述通过毕奥萨伐定律对所得磁场的切向分量与径向分量进行分析，得到多芯电缆内导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值；进一步为：
基于毕奥萨伐定律建立计算导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值的反推方程，方程为：
其中，Bradical为磁场径向分量；Btangential为磁场切向分量；(xi,yi)为传感器的位置；i为传感器序号；
将导线位置所有可能坐标存储在矩阵中，并通过导线内径排除实际不存在的导线可能位置，得到实际可能存在的导线位置；根据每一个实际可能存在的导线位置简化方程(3)和(4)，在每个可能的导线位置求解带一个未知数I的非线性方程组；
f(I)、g(I)为将导线周围切向磁场径向磁场反推公式变形后得到的代价函数，
通过最小化代价函数求取最优解If、Ig，并取If、Ig与其分别所对应的电缆位置的平均值作为最终解。
本发明的硬件设计部分起到收集电缆周围磁信号；调制传感器信号；反推计算的功能。
上述方案中，所述磁阻传感器，为四个双轴AMR传感器。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种多芯电缆非侵入式电流测量装置，所述装置包括：磁阻传感器、放大器、ADC、控制器；其中，
所述磁阻传感器用于测量多芯导线周围磁场的切向分量与径向分量；
所述放大器用于对所述磁阻传感器的测量值进行放大；
所述ADC用于对所述放大器放大后的测量值进行数模转换并传输给控制器；
所述控制器用于通过毕奥萨伐定律对所得磁场的切向分量与径向分量进行分析，得到多芯电缆内导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值。
上述方案中，所述磁阻传感器，为四个对称分布的双轴AMR传感器，组成可分离环形电路板，中心是一个与电缆外径相适应的圆孔，待测电缆从中心圆孔中通过。
上述方案中，所述控制器进一步用于：
基于毕奥萨伐定律建立计算导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值的反推方程，方程为：
其中，Bradical为磁场径向分量；Btangential为磁场切向分量；(xi,yi)为传感器的位置；i为传感器序号；
将导线位置所有可能坐标存储在矩阵中，并通过导线内径排除实际不存在的导线可能位置，得到实际可能存在的导线位置；根据每一个实际可能存在的导线位置简化方程(3)和(4)，在每个可能的导线位置求解带一个未知数I的非线性方程组；
f(I)、g(I)为将导线周围切向磁场径向磁场反推公式变形后得到的代价函数，
通过最小化代价函数求取最优解I(f)、I(g)，并取I(f)、I(g)与其分别所对应的电缆位置的平均值作为最终解。
根据本发明的又一个方面，还提供了一种多芯电缆非侵入式电流测量方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S31，采用磁阻传感器测量多芯导线周围磁场的切向分量与径向分量，通过毕奥萨伐定律对所得磁场的切向分量与径向分量进行分析，得到多芯电缆内导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值；
步骤S32，进行实验；
本发明的上述技术方案的有益效果在于：
本发明的多芯电缆非侵入式电流测量方法及测量装置，通过算法与硬件设计实现了对多芯电缆内电流的非侵入式测量，提高了测量多芯电缆内各导线电流的效率，并对传感器输出信号的非线性变换，构造了与误差相对应的线性矩阵方程，求解方程后进行非线性回归计算，实现了对多芯电缆的电流测量值的动态误差修正，对多芯电缆电流测量值进行了校正，提高了准确性。同时，增加校正过程后，充分考虑了影响电流测量的影响因素，使得该测量方法更加科学、准确，考虑的误差包括外界磁场干扰、宽频噪声、传感器制造误差、安装误差因素造成的误差，降低了外界环境对电流测量的干扰，提高了测量精度、及准确度，同时提高了测量效率。
附图说明
图1为本发明第一实施例中多芯电缆与磁阻传感器的位置关系示意图；
图2为本发明第一实施例多芯电缆周围磁场的理论分布示意图；
图3为本发明第一实施例中磁阻传感器探测的磁场矢量关系图；
图4为本发明第二实施例磁阻传感器原理图；
图5为本发明第二实施例ADC原理图；
图6为本发明第二实施例控制器原理图；
图7为仿真研究中传感器测得电缆周围磁场示意图；
图8为仿真研究理想情况下传感器测得电缆周围磁场示意图；
图9为第二实施例测量结果对比示意图。
附图标记说明：
1-双芯电缆；2-磁阻传感器；3-导线。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，对本发明技术问题、技术方案和优点进行阐明。需要说明的是，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
本发明实施例的多芯电缆的非侵入式电流测量方法，采用磁阻传感器测量多芯导线周围磁场的切向分量与径向分量，通过毕奥萨伐定律对所得磁场检测值进行分析计算，成功获得了多芯电缆内导线各自的位置与其所承载的电流值。
在非侵入式测量领域，应用较广的磁阻传感器有巨磁阻(GMR)传感器和各向异性磁阻(AMR)传感器。GMR传感器的精度较高，但容易受到外界的干扰，量程较小。为了达到普遍适用的目的，一般选择AMR传感器作为多芯电缆中电流的非侵入式测量元件。本发明实施例中对多芯电缆的非侵入式电流测量方法采用AMR传感器测量多芯导线周围磁场的切向分量与径向分量，优选的，采用四个双轴AMR传感器。
对多芯电缆中电流的同时测量，需要测量并分析电缆周边的电磁场分布情况，通过电磁场的分布来定位导线位置并反向计算各导线中的电流值。
在利用磁阻传感器进行多芯导线电流测量时，需应用毕奥萨伐定律计算电流附近的磁场，该定律的标量表示如下：
式(1)中，B为磁感应强度；I为导线中电流；s为导线线元素；r为测量位置与导线距离；φ为位置矢量与导线的夹角；μ0为真空磁导率。一般被测导线长度远大于此传感器本身的外形尺寸，故可将待测导线的长度近似为是无限长，因此上述标量式可简化为如下形式：
式(2)中R是测量点距导线距离，I为导线中电流，μ0为真空磁导率。
通过探测和计算磁场的矢量关系，得出磁场径向分量和切向分量，通过式(2)建立电缆中各导线的位置与所载电流大小的反推方程。下面通过具体的实施例对本发明作进一步说明。
第一实施例
本实施例以带相同电流的双芯导线为例，对本发明的多芯电缆非侵入式电流测量方法进行说明。
图1为本实施例中多芯电缆与磁阻传感器的位置关系示意图。本实施例中的磁阻传感器优选为四个双轴AMR传感器2，四个双轴AMR传感器组成一个探测装置。如图1所示，多芯电缆1中含有两根单独的导线3，四个双轴AMR传感器2分布在电缆任意位置截面的同一个平面内。
图2和图3为本实施例多芯电缆周围磁场的理论分布情况。其中，图2…图3…
图4为本实施例中磁阻传感器探测的磁场矢量关系图。如图4所示，通过传感器所探测的磁场矢量关系，可分析出切向磁场及径向磁场。
进一步的，根据毕奥萨伐定律，各导线的位置与所载电流大小的反推方程为：
式(3)和(4)中，Bradical为磁场径向分量；Btangential为磁场切向分量；(xi,yi)为传感器2的位置；i为传感器序号。由此，该测量系统中的四个传感器共可列出八个方程。非侵入式电流测量的目标为电缆中导线的位置与每个导线所载电流，所以方程中的未知量为导线位置(xA,yA)、(xB,yB)与电流I。正常工作情况下两导线所带电流不同，可分别表示为IA、IB。由于多芯导线周围磁场为非线性分布，不同传感器得到的电磁方程线性不相关，所以通过装置得到的方程组可解。
在实际算法建立过程中，事先将导线位置所有可能的(x,y)坐标(每毫米)存储在两个150×2的矩阵中(22500个导线可能位置)，并通过导线内径(导线之间缝隙很小，且每个导线均会贴紧电缆绝缘皮)排除实际不存在的导线可能位置，得到42个可能的导线位置(毫米计)。所以在实际求解过程中可简化为在每个可能的导线位置求解带一个未知数I的非线性方程组。随后，最小化f(I)，并以此时对应的x、y值为缆内导线位置。由于导线位置为估计值，切向磁场方程与径向磁场方程的解会存在细微差别，故以取切向磁场方程解与径向磁场方程解的平均值为最终解。
第二实施例
对应于第一实施例中的多芯电缆非侵入式测量方法，本实施例提供了一种多芯电缆非侵入式测量装置，所述测量装置包括磁阻传感器、放大器、ADC、控制器；还可以包括USB接口。其中，磁阻传感器为四个对称放置的双轴AMR磁阻传感器，组成测量装置的传感器部分。四个对称的双轴AMR磁阻传感器组成可分离环形电路板，中心是一个与电缆外径相适应的圆孔，待测电缆从中心圆孔中通过。
ADC、控制器、与计算机通信的USB接口组成测量装置的数字部分。
传感器部分电路板通过宽度为1.27mm的带状电缆连接测量装置的数字部分，共同组成主电路板。
实施例测量结果：通过测量在小灯泡电路中的多芯电缆电流验证此方法。
测量例中，待测多芯电缆一端与15V直流电源相连，另一端与若干个(1-12)小灯泡并联的电路相连，通过在线路中串联电流表得到缆中电流的准确值。随后，将本实施例测量装置夹在多芯电缆上，得到实施例测量值，并与准确值进行比较，结果如图9所示。结果显示，本装置能较为精确地测量电缆内部的电流值。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种多芯电缆非侵入式电流测量方法，其特征在于，所述方法采用磁阻传感器测量多芯导线周围磁场的切向分量与径向分量，通过毕奥萨伐定律对所得磁场的切向分量与径向分量进行分析，得到多芯电缆内导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值。
2.根据权利要求1所述的多芯电缆非侵入式电流测量方法，其特征在于，所述通过毕奥萨伐定律对所得磁场的切向分量与径向分量进行分析，得到多芯电缆内导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值；进一步为：
基于毕奥萨伐定律建立计算导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值的反推方程，方程为：
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将导线位置所有可能坐标存储在矩阵中，并通过导线内径排除实际不存在的导线可能位置，得到实际可能存在的导线位置；根据每一个实际可能存在的导线位置简化方程(3)和(4)，在每个可能的导线位置求解带一个未知数I的非线性方程组；
f(I)、g(I)为将导线周围切向磁场径向磁场反推公式变形后得到的代价函数，
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3.根据权利要求1所述的多芯电缆非侵入式电流测量方法，其特征在于，所述磁阻传感器，为四个双轴AMR传感器。
4.一种多芯电缆非侵入式电流测量装置，其特征在于，所述装置包括：磁阻传感器、放大器、ADC、控制器；其中，
所述磁阻传感器用于测量多芯导线周围磁场的切向分量与径向分量；
所述放大器用于对所述磁阻传感器的测量值进行放大；
所述ADC用于对所述放大器放大后的测量值进行数模转换并传输给控制器；
所述控制器用于通过毕奥萨伐定律对所得磁场的切向分量与径向分量进行分析，得到多芯电缆内导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值。
5.根据权利要求4所述的多芯电缆非侵入式电流测量装置，其特征在于，所述磁阻传感器，为四个对称分布的双轴AMR传感器，组成可分离环形电路板，中心是一个与电缆外径相适应的圆孔，待测电缆从中心圆孔中通过。
6.根据权利要求4所述的多芯电缆非侵入式电流测量装置，其特征在于，所述控制器进一步用于：
基于毕奥萨伐定律建立计算导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值的反推方程，方程为：
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其中，Bradical为磁场径向分量；Btangential为磁场切向分量；(xi,yi)为传感器的位置；i为传感器序号；
将导线位置所有可能坐标存储在矩阵中，并通过导线内径排除实际不存在的导线可能位置，得到实际可能存在的导线位置；根据每一个实际可能存在的导线位置简化方程(3)和(4)，在每个可能的导线位置求解带一个未知数I的非线性方程组；
f(I)、g(I)为将导线周围切向磁场径向磁场反推公式变形后得到的代价函数，
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7.一种多芯电缆非侵入式电流测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S31，采用磁阻传感器测量多芯导线周围磁场的切向分量与径向分量，通过毕奥萨伐定律对所得磁场的切向分量与径向分量进行分析，得到多芯电缆内导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值；
步骤S32，进行实验。
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