CN107656120A - 一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电流检测技术领域，尤其涉及一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置及方法；检测装置包括E‑E型磁通门测量头1、RL多谐振荡器3、反相器4、反馈补偿电路、被测电流线圈绕组115以及精密运算放大器电位采集电路；利用E‑E型磁通门测量头，通过磁路设计来消除出现的噪声以简化解调电路，测量通过反馈补偿形成的无噪声的直流反馈信号进行直流大电流高精度检测，优势在于采用容易得到并且稳定可靠的方波激励，在不用考虑噪声幅度是否对称下巧妙地通过磁路结构消除了在铁芯中出现的噪声，激磁电流的不对称造成的误差也可以被消除，极大简化了电路，测量精度得以保证并有所提高，实现了低功耗、低成本、高精度的大电流检测。

Description

一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置及方法
技术领域
本发明属于电流检测技术领域，尤其涉及一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置及方法。
背景技术
随着各种先进设备的发展，科研与工业生产对高精度直流大电流测量的需求愈加广泛，新能源电动汽车、高铁以及智能电网都需要对几百安培范围的直流大电流进行测量，高精度直流大电流测量还广泛应用于能量管理、反馈控制或监控保护。目前能够实现直流大电流测量的方法主要包括分流器法、霍尔效应法、各向异性磁阻效应法、巨磁阻效应法、磁通门效应法和法拉第磁光效应法；基于这些方法发明的电流传感器各具特色，在各领域中起到了举足轻重的作用。但是这些已有传感器的测量精度不高，解调电路复杂，功耗高且成本较大，这些缺点的存在制约传感器进一步广泛应用，所以开发新型高精度、低成本的直流大电流传感器迫在眉睫。
在过去的几年中，相关研究所分别基于不同的测量原理对电流的新型检测方法进行了研究。吉林大学的王东方教授提出可以通过测量压电陶瓷悬臂梁的谐振频率进行小电流的测量；中国计量研究院邵海明课题组建立了国家5KA直流大电流计量标准；M.C.Bastos对大型强子对撞机的直流大电流精密测量做出了综述；瑞士LEM公司和荷兰的PM-SMS公司分别基于霍尔效应和磁通门技术利用相敏解调和峰差解调研制出了新型的大电流高精度直流传感器；贝尔格莱德大学的M.M.Ponjavic和R.M.Duric基于磁化曲线的反正切函数模型再次对I.M.Filanovsky和V.A.Piskarev提出的测量方法再次提出了证明；鉴于和传统磁通门技术的相似性，M.M.Ponjavic和R.M.Duric对P.Pejovic提出的单磁芯闭环自激振荡磁通门电流传感器进行了改进；MG.Velasco-Quesada在原有的自激励磁通门传感器改进实现了低功率测量。
目前，精密测量直流大电流的方法主要是磁通门技术，而传统磁通门技术在国外已经发展地相当成熟。但是传统的磁通门(或电流比较仪)的解调电路多比较复杂繁琐，功耗相对较大、成本较高，并且大多数装置对噪声以及纹波的消除作用不够明显，导致精度过低，同时大大增加了制造成本，而基于平均电流模型的自激振荡磁通门在原理和解调电路上相对比较简单，可以作为开发新型高精度直流大电流检测传感器的突破口。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置及方法，目的是基于平均电流模型利用E-E型磁通门测量头，通过磁路设计来消除出现的噪声以简化解调电路，测量通过反馈补偿形成的无噪声的直流反馈信号进行直流大电流高精度检测，该装置及方法优势在于采用容易得到并且稳定可靠的方波激励，在不用考虑噪声幅度是否对称的情况下巧妙地通过磁路结构消除了在铁芯中出现的噪声，激磁电流的不对称造成的误差也可以被消除，且能在不影响精度的前提下，极大简化了电路，采用电流比较仪的思想，测量精度得以保证并有所提高，实现了低功耗、低成本、高精度的大电流检测。
一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置，包括E-E型磁通门测量头1、RL多谐振荡器3、反相器4、反馈补偿电路、被测电流线圈绕组115以及精密运算放大器电位采集电路；其中E-E型磁通门测量头1包括左臂13、中间臂12和右臂11，中间臂12分为上中间臂121和下中间臂122，上中间臂121和下中间臂122之间安装有可拆卸的圆柱铁芯14和圆柱铁芯15，左臂13、中间臂12和右臂11这三个臂上分别缠绕着由漆包线制成的匝数相同的左臂激励线圈绕组113、中间臂线圈绕组112和右臂激励线圈绕组111，铁芯各处的截面积相等；圆柱铁芯14上缠绕着匝数为Ns的反馈线圈绕组114，圆柱铁芯15上缠绕着匝数为Np的被测电流线圈绕组115；左臂激励线圈绕组113的一端直接与RL多谐振荡器3中的比较器输出端相连，左臂激励线圈绕组113的另一端与采样电阻RS17相连，采样电阻RS17的另一端接地；右臂激励线圈绕组111的一端与反相器4连接后再与RL多谐振荡器3中的比较器输出端连接，右臂激励线圈绕组111的另一端与采样电阻RS2 5相连，采样电阻RS25的另一端接地；中间臂线圈绕组112一端与采样电阻RS36连接，另一端接地；
反馈补偿电路包括加法器2、比例积分器PI8、功率放大器PA9，加法器2与比例积分器PI8相连，比例积分器PI8的另一端与功率放大器PA9相连，功率放大器PA9的另一端连有导线，导线缠绕在反馈线圈绕组114的一端，加法器2同时还与采样电阻RS2 5未接地的一端连接，加法器2同时还与采样电阻RS36未与中间臂线圈绕组112连接的一端相连；
精密运算放大器电位采集电路包括精密运算放大器10、负载电阻R116、精密电阻R217、精密电阻R318、精密电阻R419和精密电阻R520，其中精密运算放大器10的输入端分别接有精密电阻R217和精密电阻R318，这两个电阻再与负载电阻R116连接，精密运算放大器10的两个输入端上还分别接有精密电阻R419和精密电阻R520，其中精密电阻R419的另一端接到精密运算放大器10的输出端，精密电阻R520的另一端与精密电阻R318的一端共同接地作为电位输出端，负载电阻R116与精密电阻R217相连的一端还与反馈线圈绕组114未与功率放大器PA9相连的一端相连，负载电阻R116与精密电阻R318相连的一端同时接地。
所述的E-E型磁通门测量头1由高磁导率材料的铁芯制成，包括左臂13、中间臂12和右臂11，各臂的截面积相等。
所述的圆柱铁芯14和圆柱铁芯15与E-E型磁通门测量头1材料相同。
所述的RL多谐振荡器3由电压比较器、采样电阻、门限电压设置电阻以及反相器组成。
本发明同时提供一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置的检测方法：
采用上述一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置进行操作，正常工作时，可以拆卸的圆柱铁芯14和圆柱铁芯15对称地配合在中间臂12的空隙上，其中，圆柱铁芯15上缠绕着Np匝被测电流线圈绕组115，待测电流流入被测电流线圈绕组115，圆柱铁芯14上缠绕着 Ns匝反馈线圈绕组114，匝数相同的左臂激励线圈绕组113和右臂激励线圈绕组111分别缠绕在E-E型磁通门测量头1的左右两臂，在激励下产生环绕测量头铁芯外周的环形激励磁场，由于激励信号对称，中间臂12上的激励磁场为零；同时一组与左右两臂激励线圈绕组匝数相同的中间臂线圈绕组112缠绕在测量头的中间臂12上，当有不对称噪声(或纹波)出现时，会在此线圈上感应出感应电动势；这些线圈绕组中的电流信号经过采样电阻RS17、采样电阻RS25、采样电阻RS36转化为电位信号共同接入加法器2，得到无噪声的直流误差信号，这个直流误差信号再经过比例积分器PI8后，驱动功率放大器PA9输出直流反馈信号，该反馈信号经过反馈线圈绕组114后，用于补偿形成与被测电流线圈绕组115对称的磁场，直到达到磁势平衡。
当达到磁势平衡时，左臂激励线圈绕组113和右臂激励线圈绕组111中的电流波形恰好互为反相，所以当左臂激励线圈绕组113、右臂激励线圈绕组111和中间臂线圈绕组112三者经过加法器2后，会输出为零的补偿信号，反馈电流不再增加，系统达到安匝平衡状态，此刻及之后，反馈停止，功率放大器PA9输出恒定的电流；反馈线圈绕组114的电流信号经过负载电阻R116、精密电阻R217、精密电阻R318进入精密运算放大器电位采集电路，转化为电位信号，在电路端部即精密电阻R520与地相连的右端和精密运算放大器10的输出端之间利用精密电位表DMM读取电位数值，通过电流转换及安匝平衡公式IsNs＝IpNp转化得到待测电流Ip，其中：Ip为流入被测电流线圈绕组115中的待测电流，Is为流入反馈线圈绕组114 中的反馈电流，Np被测电流线圈绕组115的匝数，Ns为反馈线圈绕组114的匝数。
所述的比例积分器PI8后接的功率放大器PA9输出副边电流，该功率放大器PA9可以是任何形式的功率放大器。
本发明所述的E-E型磁通门测量头1消除不对称噪声的原理：
当RL多谐振荡器3的比较器输出激励方波电压时，左右两臂的绕组分别受到相位相反的电压信号激励；当左右两臂的线圈绕组中存在电流信号时，由于激励电源不稳定等诸多因素，会在测量头的各处形成感应调制纹波或者不对称的激励磁场，这些都是噪声的来源，铁芯的磁滞效应也会带来噪声，当这些噪声经过线圈绕组时，会产生相应的感应电动势，在一段时间Δt内，噪声都会表现为磁通量的增量Δφ，根据磁路法和磁通连续定理可得：
测量头左臂的线圈绕组产生的噪声磁通等于它在右臂和中间臂产生的噪声磁通代数之和，右臂的情况亦是如此，对其微分后的关系不变。这些磁通的变化率会在对应的线圈绕组中产生相应的感应电动势，三组线圈绕组中电流信号经过采样电阻转化为电位信号后共同接入加法器2，得到不含噪声(或纹波)的直流误差信号；其中，E-E型磁通门测量头1消除噪声的证明过程如下：
在一段时间Δt内，噪声会表现为磁通的增量Δφ，基于磁路法和磁通连续定理有：
Δψa＝Δφa1+Δφa2
Δψb＝Δφb1+Δφb2
当考虑匝数时，就分别乘上相应的匝数，假定向上的磁通变化为正，则有当三者通过加法器2叠加时有：
Δψ噪声＝n1(Δψa+Δφb2)+n3(Δφb1-Δφa1)+n2(-Δψb-Δφa2)
当n1＝n2＝n3时，得到:
Δψ噪声＝0
其中Δψa和Δψb分别是左右两臂激起(或在其中流过)的噪声磁通增量；Δφa1、Δφa2和Δφb1、Δφb2分别是Δψa和Δψb在另外两个臂中的分量；n1、n2、n3分别是左臂激励线圈绕组 113、中间臂线圈绕组112和右臂激励线圈绕组111的匝数。
还有能产生的噪声的磁通增量形式，但经过上面的推导，该种结构都能降低噪声为0，这也就说明，本发明的E-E型磁通门测量头1经过加法器2联系后可以消除噪声(或纹波)。
本发明的优点主要是：
1.采用方波激励，方波容易得到并且稳定可靠。
2.在不用考虑噪声幅度是否对称下巧妙地通过磁路结构消除了在铁芯中出现的噪声(包括纹波和巴克豪森噪声)。
3.激磁电流的不对称造成的误差也可被消除。
4.能在不影响精度的前提下，简化了电路。
5.本发明装置实现了低功耗、低成本、高精度的大电流检测。
6.采用电流比较仪的思想，测量精度得以保证并有所提高。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明E-E型磁通门测量头的结构示意图。
图3是本发明装置达到磁势平衡时的磁场分布图；
其中：Hexc是激励线圈绕组激发的磁场；Hex是待测绕组和反馈绕组共同形成的对称磁场。
图4是本发明E-E型磁通门测量头中产生的一种形式噪声磁通增量的分布图。
图5是本发明E-E型磁通门测量头中分布的噪声磁通增量的分布图。
图6是本发明E-E型磁通门测量头中分布的噪声磁通增量的分布图。
图7是本发明正常工作达到磁势平衡时左臂绕组所受的激励方波和其上的电流波形图。
图8是本发明正常工作达到磁势平衡时右臂绕组所受的激励方波和其上的电流波形图。
其中：1E-E型磁通门测量头；13左臂；12中间臂；121上中间臂；122下中间臂；11 右臂；14圆柱铁芯；15圆柱铁芯；113左臂激励线圈绕组；112中间臂线圈绕组；111右臂激励线圈绕组；114反馈线圈绕组；115被测电流线圈绕组；2加法器；3RL多谐振荡器；4 反相器；5采样电阻RS2；6采样电阻RS3；7采样电阻RS1；8比例积分器PI；9功率放大器 PA；10精密运算放大器；16负载电阻R1；17精密电阻R2；18精密电阻R3；19精密电阻R4； 20精密电阻R5。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置，包括E-E型磁通门测量头1、RL多谐振荡器3、反相器4、反馈补偿电路以及精密运算放大器电位采集电路；其中E-E型磁通门测量头1包括左臂13、中间臂12和右臂11，中间臂12分为上中间臂121和下中间臂122，上中间臂121和下中间臂122之间安装有可拆卸的圆柱铁芯14和圆柱铁芯15，左臂13、中间臂12和右臂11这三个臂上分别缠绕着由漆包线制成的匝数相同的左臂激励线圈绕组113、中间臂线圈绕组112和右臂激励线圈绕组111，铁芯各处的截面积相等；圆柱铁芯14上缠绕着匝数为Ns的反馈线圈绕组114，圆柱铁芯15上缠绕着匝数为Np的被测电流线圈绕组115；左臂激励线圈绕组113的一端直接与RL多谐振荡器3中的比较器输出端相连，左臂激励线圈绕组113的另一端与采样电阻RS17相连，采样电阻RS17的另一端接地；右臂激励线圈绕组 111的一端与反相器4连接后再与RL多谐振荡器3中的比较器输出端连接，右臂激励线圈绕组111的另一端与采样电阻RS2 5相连，采样电阻RS25的另一端接地；中间臂线圈绕组112 一端与采样电阻RS36连接，另一端接地；
反馈补偿电路包括加法器2、比例积分器PI8、功率放大器PA9，加法器2与比例积分器PI8相连，比例积分器PI8的另一端与功率放大器PA9相连，功率放大器PA9的另一端连有导线，导线缠绕在反馈线圈绕组114的一端，加法器2同时还与采样电阻RS2 5未接地的一端连接，加法器2同时还与采样电阻RS36未与中间臂线圈绕组112连接的一端相连；
精密运算放大器电位采集电路包括精密运算放大器10、负载电阻R116、精密电阻R217、精密电阻R318、精密电阻R419和精密电阻R520，其中精密运算放大器10的输入端分别接有精密电阻R217和精密电阻R318，这两个电阻再与负载电阻R116连接，精密运算放大器10的两个输入端上还分别接有精密电阻R419和精密电阻R520，其中精密电阻R419的另一端接到精密运算放大器10的输出端，精密电阻R520的另一端与精密电阻R318的一端共同接地作为电位输出端，负载电阻R116与精密电阻R217相连的一端还与反馈线圈绕组114未与功率放大器PA9相连的一端相连，负载电阻R116与精密电阻R318相连的一端同时接地。
所述的E-E型磁通门由高磁导率材料的铁芯制成，包括左臂13、中间臂12和右臂11，各臂的截面积相等。
所述的圆柱铁芯14和圆柱铁芯15与E-E型磁通门测量头1材料相同。
所述的RL多谐振荡器3由电压比较器、采样电阻、门限电压设置电阻以及反相器组成。
RL多谐振荡器3中的比较器的输出端输出激励方波时，左右两臂的激励绕组受到激励会产生环绕E-E型磁通门测量头1外周的环形激励磁场Hexc，由于激励信号对称，中间臂12 上的激励磁场为零。
测量时，将单匝被测电流线圈绕组115绕在圆柱铁芯15上，待测电流流入被测电流线圈绕组115，当达到磁势平衡时，被测电流线圈绕组115和反馈线圈绕组114会在E-E型磁通门测量头1的三个臂上产生稳恒的对称的磁场Hex，磁场的方向在左右两臂中分别与激励磁场相同或相反；由平均电流模型可知，与激励磁场相同方向(或相反)的稳恒磁场会使测量头提前(或滞后)饱和，引起波形的畸变，畸变后的左臂激励线圈绕组113中电流公式：
其中的各个时间表达式为：
其中：IP1＝-IPNP/N1，IH＝VH/Rsum，Im＝ρVH/RS，T＝TP1+TN1，TP1＝t1+t2+t3， TN1＝t4+t5+t6，ρ＝Rd1/(Rd1+Rd2)，τ1＝l/Rsum，τ2＝L/Rsum，Rsum＝RC+RS。
坐标系里选取激磁电流iex刚好达到负向峰值时为时间起点，NP是被测电流线圈绕组 115的匝数，N1是左臂激励线圈绕组113的匝数，他和中间臂线圈绕组112、右臂激励线圈绕组111匝数均相等，VH是正向峰值激励电压，Rs是采样电阻，Rc是激励线圈内阻，l是测量头饱和时的电感系数，L是测量头非饱和时的电感系数，Rd1、Rd2是RL多谐振荡器上的定值电阻。
同时一组与左右臂激励线圈绕组匝数相同的中间臂线圈绕组112缠绕在测量头中间臂 12上，当有不对称噪声(或纹波)出现时，会在此线圈上感应出感应电动势，这些线圈绕组中的电流信号经过采样电阻RS25、采样电阻RS36、采样电阻RS17转化为电位信号后共同接入加法器2，得到无噪声的直流误差信号。这个直流误差信号又经过比例积分器PI8后，驱动功率放大器PA9输出直流反馈信号，该反馈信号经过NS匝反馈线圈绕组114后，补偿与被测电流形成对称的磁场Hex，直到达到磁势平衡，右臂激励线圈绕组111中的电流公式：
坐标系里选取激磁电流iex刚好达到正向峰值时为时间起点，其中 IP2＝-IP1,TP2＝TP1。
由上面可以证明，当达到磁势平衡时，左右两臂中的电流波形恰好反相对称，加法器2 输出为零的误差信号，反馈停止，功率放大器PA9输出恒定的电流，这时可以通过精密运算放大器电位采集电路读取终端的电位值VO，进而转化为待测电流IP，涉及到的公式有：
安匝平衡公式：NPIP＝NSIS；
其中：NP为被测电流线圈绕组115匝数；NS为反馈线圈绕组114匝数；Is为流经反馈线圈绕组114的反馈电流；
输出电位：
其中：VO是输出端电压，可以通过DMM测出，V1是负载电阻R116两端电压，R1、R2、 R3、R4分别是图中所示的负载电阻R116、精密电阻R217、精密电阻R318和精密电阻R419。
最终转化为IP，转化公式为：

Claims (4)

1.一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置，包括E-E型磁通门测量头(1)、RL多谐振荡器(3)、反相器(4)、反馈补偿电路、被测电流线圈绕组(115)以及精密运算放大器电位采集电路；其中E-E型磁通门测量头(1)包括左臂(13)、中间臂(12)和右臂(11)，中间臂(12)分为上中间臂(121)和下中间臂(122)，上中间臂(121)和下中间臂(122)之间安装有可拆卸的圆柱铁芯(14)和圆柱铁芯(15)，左臂(13)、中间臂(12)和右臂(11)这三个臂上分别缠绕着由漆包线制成的匝数相同的左臂激励线圈绕组(113)、中间臂线圈绕组(112)和右臂激励线圈绕组(111)；圆柱铁芯(14)上缠绕着匝数为Ns的反馈线圈绕组(114)，圆柱铁芯(15)上缠绕着匝数为Np的被测电流线圈绕组(115)；左臂激励线圈绕组(113)的一端直接与RL多谐振荡器(3)中的比较器输出端相连，左臂激励线圈绕组(113)的另一端与采样电阻RS1(7)相连，采样电阻RS1(7)的另一端接地；右臂激励线圈绕组(111)的一端与反相器(4)连接后再与RL多谐振荡器(3)中的比较器输出端连接，右臂激励线圈绕组(111)的另一端与采样电阻RS2(5)相连，采样电阻RS2(5)的另一端接地；中间臂线圈绕组(112)一端与采样电阻RS3(6)连接，另一端接地；
反馈补偿电路包括加法器(2)、比例积分器PI(8)、功率放大器PA(9)，加法器(2)与比例积分器PI(8)相连，比例积分器PI(8)的另一端与功率放大器PA(9)相连，功率放大器PA(9)的另一端连有导线，导线缠绕在反馈线圈绕组(114)的一端，加法器(2)同时还与采样电阻RS2(5)未接地的一端连接，加法器(2)同时还与采样电阻RS3(6)未与中间臂线圈绕组(112)连接的一端相连；
精密运算放大器电位采集电路包括精密运算放大器(10)、负载电阻R1(16)、精密电阻R2(17)、精密电阻R3(18)、精密电阻R4(19)和精密电阻R5(20)，其中精密运算放大器(10)的输入端分别接有精密电阻R2(17)和精密电阻R3(18)，这两个电阻再与负载电阻R1(16)连接，精密运算放大器(10)的两个输入端上还分别接有精密电阻R4(19)和精密电阻R5(20)，其中精密电阻R4(19)的另一端接到精密运算放大器(10)的输出端，精密电阻R5(20)的另一端与精密电阻R3(18)的一端共同接地作为电位输出端，负载电阻R1(16)与精密电阻R2(17)相连的一端还与反馈线圈绕组(114)未与功率放大器PA(9)相连的一端相连，负载电阻R1(16)与精密电阻R3(18)相连的一端同时接地。
2.如权利要求1所述的一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置，其特征在于所述的E-E型磁通门(1)由高磁导率材料的铁芯制成，包括左臂(13)、中间臂(12)和右臂(11)，各臂的截面积相等。
3.如权利要求2所述的一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置，其特征在于所述的圆柱铁芯(14)和圆柱铁芯(15)与E-E型磁通门测量头(1)材料相同。
4.如权利要求1或2或3所述的一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置的检测方法，其特征在于采用上述一种新型高精度低噪声直流大电流检测装置进行操作，在电路端部即精密电阻R5(20)与地相连的右端和精密运算放大器(10)的输出端之间利用精密电位表DMM读取电位数值，通过电流转换及安匝平衡公式IsNs＝IpNp转化得到待测电流Ip，其中：Ip为流入被测电流线圈绕组(115)中的待测电流，Is为流入反馈线圈绕组(114)中的反馈电流，Np被测电流线圈绕组(115)的匝数，Ns为反馈线圈绕组(114)的匝数。
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