CN107340418A - 一种准数字式频率调制磁通门电流传感器 - Google Patents

一种准数字式频率调制磁通门电流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种准数字式频率调制磁通门电流传感器，包括双磁通门探头，自激励磁电路与上磁通门探头连接；其中双磁通门探头包括两个圆心在同一直线的第一磁环和第二磁环，第一磁环和第二磁环上分别缠绕第一线圈和第二线圈，第一线圈的缠绕方向和第二线圈的缠绕方向相反；自激励磁电路为滞回比较电路，自激励磁电路包括运算放大器和自激励磁电路；所述第一磁环和第二磁环平行并联连接在运算放大器反相输入端和输出端之间。提供了一种即保证测量精度和灵敏度，又满足了准数字化测量要求的磁通门电流传感器。

Description

一种准数字式频率调制磁通门电流传感器
技术领域
本发明属于电流测量技术领域；涉及一种准数字式频率调制磁通门电流传感器；具体涉及一种准数字化频率调制的磁通门电流传感器。
背景技术
电流测量在电力系统中具有至关重要的作用；非接触式电流测量技术能够保障人身安全，并且不影响电力系统稳定运行的特性，在电力行业具有广阔的发展前景。传统的非接触式电流测量技术包括霍尔电流传感器，Rogowski线圈，磁通门传感器，磁阻抗效应磁传感器等。其中，磁通门电流传感器具有灵敏度高，精度高，功耗低的优点，在电流测量领域具有很好的发展前景。
现有的磁通门采用的信号调制方式大多为幅值调制型，所谓幅值调制，是指在未施加被测电流时，磁环的饱和特性为正负对称的波形，而加入被测电流后，磁环的饱和特性中有了偏置分量，变为不对称，其在波形上的表现为原来正负对称波形的整体上移或者整体下移。通过提取正负峰值信号进行分析，便可以得到被测电流值。如申请号为：CN201610135620，发明名称为：交直流磁通门电流传感器的专利中提到的磁通门电流传感器，采用的调制方式为幅值调制，通过测量取样电阻两端的电压即可得到被测电流的值。幅值调制在一定范围内具有很高的精度和准确性，但是测得取样电阻两端电压值后，还要进行后续的分析和处理，这无疑增加了测量环节的复杂程度。
随着电流检测技术的发展，人们对传感器的数字化提出了更高的要求，无论是开环形式或者闭环形式的磁通门电流传感器，人们都希望采取更有利于数字化的调制形式。目前已提出的一种准数字化的调制方式为占空比调制，所谓占空比调制，是指在未施加被测电流时，磁环的饱和特性为正负对称的波形，并且在一个周期内，将负峰值—正峰值—负峰值看做一个周期；上升时间即由负峰值到正峰值所用时间，下降时间即由正峰值到负峰值，上升时间和下降时间相等，各占整个周期的1/2。而加入被测电流后，整个周期的时间仍保持不变，但是上升时间和下降时间所占的比重及占空比会发生改变。专利号为：CN201080020584，专利名称为：闭环磁通门电流传感器的发明专利中提到了一种采用占空比调制的磁通门电流传感器，通过测量由于被测电流导致的上升时间和下降时间的变化，进而得出被测电流的大小。该传感器基本可以实现准数字测量，其在测量后加一个占空比测量装置即可，但是该测量方法在精度和灵敏度方面还有待提高。
发明内容
本发明提供了一种准数字式频率调制磁通门电流传感器，提供了一种即保证测量精度和灵敏度，又满足了准数字化测量要求的磁通门电流传感器。
本发明的技术方案是：一种准数字式频率调制磁通门电流传感器，包括双磁通门探头，自激励磁电路与上磁通门探头连接；其中双磁通门探头包括两个圆心在同一直线的第一磁环和第二磁环，第一磁环和第二磁环上分别缠绕第一线圈和第二线圈，第一线圈的缠绕方向和第二线圈的缠绕方向相反；自激励磁电路为滞回比较电路，自激励磁电路包括运算放大器和自激励磁电路；所述第一磁环和第二磁环平行并联连接在运算放大器反相输入端和输出端之间。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中运算放大器的正相输入端上连接有一个分压电路。
其中分压电路包括连接在运算放大器正相输入端和输出端之间的第二分压电阻。
其中分压电路包括连接在运算放大器的正相输入端与地之间的第一分压电阻。
其中运算放大器的反相输入端与地之间设置有取样电阻。
其中运算放大器的正相输入端连接有第一电容。
其中运算放大器的反相输入端连接有第二电容。
其中第一磁环和第二磁环的中心处穿过被测电流导线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：给运算放大器施加电压后，两个磁环均能够达到饱和状态，其中第一线圈产生的磁场方向与被测电流的磁场方向相同，第二线圈产生的磁场方向与被测电流的磁场方向相反，因此在自激励磁电路工作后，第一线圈和第二线圈中产生的各自励磁电流叠加，在取样电阻上的电压波形正负对称，并且励磁电流的频率和激励电压频率相同。
更进一步的，采用的双磁通门探头与自激励电磁电路在增加分压电路、电容和取样电阻的情况下，在测量待测电流时，待测电流产生的外磁场使磁通门励磁电流发生偏置，由于两个磁环的励磁磁场方向相反，因此两磁环励磁电流的偏置方向相反，两磁环励磁电流叠加后外显为无偏置状态，即零磁通状态，与传统的开环结构磁通门传感器相比，测量范围大，精度高，也没有因为增加反馈环节而带来的成本增加的问题。
更进一步的，本发明相对于单磁通门传感器，采用频率调制形式，磁环的饱和特性波形的频率变化与被测电流值的变化在一定范围内具有线性变化关系，与传统的开环形式单磁通门相比，该变化关系的线性度高；因此在同样的实验条件下，频率调制的灵敏度比幅值调制或者占空比调制的灵敏度高很多，灵敏度高这一特性在本发明测量小电流的试验中表现尤为出色。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中双磁通门探头的结构示意图；
图3为本发明中运算放大器的结构示意图；
图4为本发明实施例中通入0.5A被测电流得到的波形幅值偏移变化图；
图5为本发明实施例中通入1A被测电流得到的波形幅值偏移变化图；
图6为本发明实施例中通入1.5A被测电流得到的波形幅值偏移变化图；
图7为本发明实施例中通入2A被测电流得到的波形幅值偏移变化图；
图8为现有单磁门通入0.5A被测电流得到的波形幅值偏移变化图；
图9为现有单磁门通入1A被测电流得到的波形幅值偏移变化图；
图10为现有单磁门通入1.5A被测电流得到的波形幅值偏移变化图；
图11为现有单磁门通入2A被测电流得到的波形幅值偏移变化图；
图12为本发明实施例中电流传感器的频率与被测电流值线性关系图；
图13为图12中被测电流在0-350mA之间的电流传感器的频率与被测电流值线性关系图；
图14为本发明实施例中电流传感器的误差与被测电流值关系图。
图中：1为双磁通门探头；2为自激励磁电路；3为第一磁环；4为第二磁环；5为第一线圈；6为第二线圈；7为运算放大器；8为取样电阻；9为第一分压电阻；10为第二分压电阻；11为未加被测电流运算放大器输出端的励磁方波；12为加被测电流运算放大器输出端的励磁方波；13为未加被测电流运算放大器正输入端的比较方波；14为加被测电流运算放大器正输入端的比较方波；15为未加被测电流取样电阻两端的电压波形；16为加被测电流取样电阻两端的电压波形；17为第一稳压电容；18为第二稳压电容。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
本发明提供了一种准数字式频率调制磁通门电流传感器，如图1所示，包括双磁通门探头1和自激励磁电路2；如图2所示，双磁通门探头1包括两个圆心在同一条直线上的第一磁环1和第二磁环4，第一磁环1和第二磁环4上分别缠绕有第一线圈5和第二线圈6，其中第一线圈5和第二线圈6的缠绕方向相反，第一磁环3和第二磁环4均采用钴基非晶合金磁性材料磁性材料，其初始磁导率Ui≥80000，最大磁导率Umax≥300000，饱和磁感应强度Bs＝0.55，矫顽力<2.2,剩余饱和磁感应强的Br>0.5。
具体的第一磁环3和第二磁环4的内直径为11.05mm，外直径为21.18mm，宽度为8.31mm，有效磁路长度为4.99cm，有效面积为0.161m2；第一线圈5和第二线圈6采用直径为0.47mm的铜芯漆包线。
如图1和图3所示，自激励磁电路2为一个运算放大器7搭建的滞回比较电路；具体的自激励磁电路2包括磁电路本体和分压电路；第一磁环3和第二磁环4平行并联设置在运算放大器7的输出端和反相输入端之间，形成磁电路本体；分压电路包括设置在运算放大器7输出端和正相输入端之间的第二分压电阻10，以及设置在运算放大器7正相输入端和地之间的第一分压电阻9；运算放大器7反相输入端和地之间还连接有取样电阻8，其中第一分压电阻9的阻值为6.8kΩ，第二分压电阻10的阻值为47kΩ，取样电阻8的阻值为22Ω。其中双磁通门探头1和取样电阻8构成测量电路。
如图3所示，运算放大器7的正相输入端和反相输入端分别连接有用于稳压的第一电容17和第二电容19，第一电容17和第二电容19均为1uF。
如图3所示，本发明采用的运算放大器7为THS4001CD，其具有八个引脚，分别为输出端(OUT 6)，同相输入端(+IN 3)，反相输入端(-IN 2)，电源正极端(Vcc+7)，电源负极端(Vcc-4)，第一悬空端(NULL 1)，第二悬空端(NULL 6)，未用端(NC 5)，该芯片带宽为270MHz，电压转换速率为400V/us，输出电流峰最大为100mA。
本发明的使用方法是，将被测电流的导线依次穿过第一磁环3和第二磁环4的中心位置，即可实现对被测电流导线的测量；有无被测电流导线在运算放大器7上能够产生不同的波形，具体的为：运算放大器7的输出端能够得到未加被测电流运算放大器输出端的励磁方波11和加被测电流运算放大器输出端的励磁方波12，在运算放大器7的正相输入端能够得到未加被测电流运算放大器正输入端的比较方波13和加被测电流运算放大器正输入端的比较方波14，在运算放大器7的反相输入端能够得到未加被测电流取样电阻两端的电压波形15和加被测电流取样电阻两端的电压波形16。
本发明的工作原理是：运算放大器7电源正极接+10V恒压直流电压源，电源负极接-10V恒压直流电压源，运算放大器7的反相输入端电压为：正向阈值为：反向阈值为：
其中初始状态运算放大器输出端输出为+Vcc电压；由于线圈电感特性，流经取样电阻的电流不会突变，而是呈非线性增加，当取样电阻两端电压也就是运算放大器反相输入端电压增加到正向阈值UTH1时，运算放大器输出端输出变为-Vcc电压此时电路状态翻转。由于线圈电感特性，流经取样电阻的电流非线性减少，当取样电阻两端电压也就是运算放大器反相输入端电压减少到反向阈值UTH2时，运算放大器输出端输出变为+Vcc电压，此时电路状态再次翻转。如此，电路状态周期性翻转，在运算放大器输出端将输出正负对称的方波，方波幅值为-Vcc。这个方波即为励磁方波，由于没有施加外加电源以激励线圈饱和，故此方波为自激励磁方波，该电路为自激励磁电路。在自激励磁方波的激励下，磁环显示出正负对称的饱和特性。通过提取取样电阻Rs两端的电压，便可以观察到磁环的饱和特性。
如图4-7所示，为使用本发明的装置在分别通入0.5A、1A、1.5A、2A的被测电流，本发明的磁通门电流传感器采用的频率调制形式得到的波形图频率变化明显，波形整体仍保持对称性，无偏置，从0.5A到2A，频率变化量约为5454kHz。
如图8-11所示，为使用现有的单磁通门在分别通入0.5A，1A，1.5A，2A的被测电流，单磁通门采用的调制形式得到的波形图占空比变化并不明显，波形整体有偏置，表现为波形的整体下移。随着被测电流的增加，波形整体偏置的程度增加。从0.5A到2A,波形偏置约200mV。
通过对相同被测电流条件下所得波形的分析与比较可以得到，双磁通门频率调制形式与单磁通门结构的调制形式相比具有很高的灵敏度。
如图12所示，频率与被测电流的线性关系可由拟合方程描述；由数据点可以得到四阶拟合方程：f(x)＝p1*x4+p2*x3+p3*x2+p4*x+p5；其中p1＝1.041×10-12，p2＝-7.328×10-9，p3＝1.973×10-5，p4＝0.01349，p5＝1.633。
该拟合的统计参数为确定系数(R-square)为0.9999，拟合标准差(RMSE)为0.2954。
由于基础频率的存在，当被测电流为0mA时候，频率并不是0Hz，这就使得小被测电流的测量无法满足我们的误差要求。如图13所示，为了解决这一问题，将350mA以下的数据点单独分离出来进行拟合，所得到的四阶拟合方程为：f(x)＝p1*x4+p2*x3+p3*x2+p4*x+p5；其中p1＝2.456×10-9，p2＝-3.01×10-7，p3＝0.0001456，p4＝-0.00774，p5＝2.378。
该拟合的统计参数为：确定系数(R-square)为0.9998，拟合标准差(RMSE)为0.05329。
运用分段拟合的方法，解决了小电流情况下的测量误差问题，也使得全量程的电流测量更加准确。
如图14所示，通过拟合曲线得到的拟合值与测量精确值的误差控制在0.4％以内，最大的误差为0.47％，最小的误差为0.01％。3mA的电流下，实际频率为2.346kH,由拟合曲线得到的频率值魏2.356kHz，误差仅为0.42％。
本发明的准数字式频率调制磁通门电流传感器，将激励电压频率作为输出量，当不加被测电流时，激励电压方波有一个基本频率，加入被测电流后，该频率会增加；施加不同值的被测电流，将会得到一组随被测电流值变化的频率，并且频率与被测电流值线性关系显著；并且其频率与被测电流的线性关系具有很高的灵敏度，表现为在利用本发明进行试验的过程，被测电流变化20mA,频率就会有2kHz的变化；本发明的装置能够检测出3mA的小电流。

Claims (8)

1.一种准数字式频率调制磁通门电流传感器，其特征在于，包括双磁通门探头(1)，自激励磁电路(2)与上磁通门探头(1)连接；其中双磁通门探头(1)包括两个圆心在同一直线的第一磁环(3)和第二磁环(4)，第一磁环(3)和第二磁环(4)上分别缠绕第一线圈(5)和第二线圈(6)，第一线圈(5)的缠绕方向和第二线圈(6)的缠绕方向相反；自激励磁电路(2)为滞回比较电路，自激励磁电路(2)包括运算放大器(7)和磁电路本体；
所述第一磁环(3)和第二磁环(4)平行并联连接在运算放大器(7)反相输入端和输出端之间形成磁电路本体。
2.根据权利要求1所述的准数字式频率调制磁通门电流传感器，其特征在于，所述运算放大器(7)的正相输入端上连接有一个分压电路。
3.根据权利要求2所述的准数字式频率调制磁通门电流传感器，其特征在于，所述分压电路包括连接在运算放大器(7)正相输入端和输出端之间的第二分压电阻(10)。
4.根据权利要求2所述的准数字式频率调制磁通门电流传感器，其特征在于，所述分压电路包括连接在运算放大器(7)的正相输入端与地之间的第一分压电阻(9)。
5.根据权利要求1所述的准数字式频率调制磁通门电流传感器，其特征在于，所述运算放大器(7)的反相输入端与地之间设置有取样电阻(8)。
6.根据权利要求1所述的准数字式频率调制磁通门电流传感器，其特征在于，所述运算放大器(7)的正相输入端连接有第一电容(17)。
7.根据权利要求6所述的准数字式频率调制磁通门电流传感器，其特征在于，所述运算放大器(7)的反相输入端连接有第二电容(19)。
8.根据权利要求1所述的准数字式频率调制磁通门电流传感器，其特征在于，所述第一磁环(3)和第二磁环(4)的中心处穿过被测电流导线。
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