CN110031672A - 轻型高精度电流测量装置 - Google Patents

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仇茹嘉
胡世骏
赵龙
高博
郑国强
徐斌
汪玉
王鑫
杨海涛
谢毓广
丁津津
计长安
潘丽珠
毛荀
程石
陈凡
李圆智
李远松
王小明
何开元
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Abstract

本发明实施方式提供一种轻型高精度电流测量装置，属于电流的精密测量技术领域。所述电流测量装置包括：卡箍，用于将所述电流测量装置卡接至被测导体，所述卡箍为中空结构且内部设置有线束；多个量子传感器，均布于所述卡箍的内部，用于测量被测导体周围的磁场强度，其中，所述多个量子传感器的数量为4的倍数；量子检测系统，通过所述线束分别与每个所述量子传感器连接，用于通过每个所述量子传感器获取所述被测导体周围的磁场强度，并进一步根据所述磁场强度计算流过所述被测导体的电流。该电流测量装置可以克服传统的电流检测装置的众多缺陷，更加精确地测量电流。

Description

轻型高精度电流测量装置
技术领域
本发明涉及电流的精密测量技术领域，具体地涉及一种轻型高精度电流测量装置。
背景技术
随着智能电网建设的不断推进，传统的高压电气设备逐渐向智能化、模块化、小型化、多功能和免维护方向发展。传统的电磁式电流测量装置由于测量频带窄、动态范围小、输出为模拟量等原因，难以适应智能电网的发展要求。基于法拉第磁光效应的电流测量装置具有绝缘结构简单、无磁饱和与铁磁谐振、暂态响应范围大、重量轻、体积小、输出信号数字化等优点，适应了智能电网的发展方向，已经越来越多的应用于各种新一代智能变电站中。然而，基于法拉第磁光效应的电流测量装置在实际工程应用中却暴露出许多问题，如电子器件和光学器件的抗干扰问题、温漂问题、精度问题等。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种轻型高精度电流测量装置，该电流测量装置可以克服传统的电流检测装置的众多缺陷，更加精确地测量电流。
为了实现上述目的，本发明实施方式提供一种轻型高精度电流测量装置，该电流测量装置可以包括：
卡箍，用于将所述电流测量装置卡接至被测导体，所述卡箍为中空结构且内部设置有线束；
多个量子传感器，均布于所述卡箍的内部，用于测量被测导体周围的磁场强度，其中，所述多个量子传感器的数量为4的倍数；
量子检测系统，通过所述线束分别与每个所述量子传感器连接，用于通过每个所述量子传感器获取所述被测导体周围的磁场强度，并进一步根据所述磁场强度计算流过所述被测导体的电流。
可选地，所述量子传感器包括微波天线和NV色心元件；
所述电流测量系统进一步包括激光发生器，所述激光发生器用于向所述NV色心元件发射激光信号；
所述微波天线用于向所述NV色心元件发射微波信号，所述NV色心元件用于在接收到所述激光信号及所述微波信号的情况下，根据周围的磁场强度生成反馈信号；
所述量子检测系统进一步与所述微波天线、所述激光发生器连接，用于控制所述微波天线、所述激光发生器的工作，并通过所述反馈信号计算所述电流。
可选地，所述量子检测系统与所述微波天线电连接，所述激光发生器通过光纤与所述NV色心元件连接。
可选地，所述NV色心元件的输入口处设置有第一透镜组，所述第一透镜组用于对所述激光信号进行汇聚处理。
可选地，所述NV色心元件的输出口处设置有第二透镜组和光电转换器，所述第二透镜组用于汇聚所述NV色心元件的反馈信号，所述光电转换器用于将所述反馈信号从光信号模式转换为电信号模式。
可选地，所述卡箍为磁屏蔽材料制成。
可选地，所述量子检测系统进一步用于根据公式(1)计算所述电流，
其中，为每个量子传感器测量的磁场强度的矢量，μ0为磁导率，I为所述电流，为电流的方向，为所述卡箍的半径的矢量，r为所述卡箍的半径。
可选地，所述电流测量装置进一步包括聚磁铁芯，所述聚磁铁芯为弧形，设置于所述卡箍的内部的每两个所述量子传感器之间，用于汇聚磁场以提高所述量子传感器的测量精度。
通过上述技术方案，本发明提供的轻型高精度电流测量装置通过采用量子检测的原理替代了传统电流测量装置测量电流的方式，解决了传统电流测量装置的测量精度受温度制约的技术问题，提高了测量电流的精度。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的卡箍的结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施方式的卡箍的截面图；
图3是根据本发明的一个实施方式的电流测量装置的部分结构框图；
图4是根据本发明的一个实施方式的NV色心电子跃迁的原理图；
图5是根据本发明的一个实施方式的在电流测量装置卡接至被测导体的情况下，各部件与被测导体的位置关系的截面图；以及
图6是根据本发明的一个实施方式的聚磁铁芯的设置位置的示意图。
附图标记说明
01、卡箍 011、第一圆弧
012、第二圆弧 013、转动轴
014、固定机构 02、量子传感器
021、腔体 022、微波天线
023、NV色心元件 03、量子检测系统
04、被测导体 05、激光发生器
06、第一透镜组 07、第二透镜组
08、光电转换器 09、聚磁铁芯
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方式的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施方式，并不用于限制本发明实施方式。
在本申请实施方式中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
另外，若本申请实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
本发明提供一种轻型高精度电流测量装置，该电流测量装置可以包括卡箍01、多个量子传感器02和量子检测系统03。
卡箍01可以用于将该电流测量装置卡接至被测导体04。其中，该卡箍01可以为中空结构，其内部可以设置有线束。对于该卡箍01的形状，可以为本领域人员所知的多种形式。在本发明的一个示例中，该卡箍01可以为如图1所示出的结构。在图1中，该卡箍01可以包括第一圆弧011、第二圆弧012、转动轴013和固定机构014。第一圆弧011和第二圆弧012通过转动轴013可转动地连接，固定机构014用于在该电流测量装置卡接至被测导体04的情况下，固定第一圆弧011和第二圆弧012。
多个量子传感器02可以均布于卡箍01的内部，用于测量被测导体04周围的磁场强度。图2是该卡箍01的截面图。在图2中，该卡箍01的截面向内凹陷以形成类“U”型结构。量子传感器02可以设置在该类“U”型结构的开口处附近。量子传感器02与卡箍01之间的腔体021可以用于设置该线束。另外，考虑到本发明提供的电流测量装置在对电流进行测量时，需要基于安培环路定律和毕奥萨菲尔定律，该量子传感器02的数量可以为4的倍数。
量子检测系统03可以通过卡箍01内部的线束分别与每个量子传感器02连接，用于通过每个量子传感器02获取被测导体周围的磁场强度，并进一步根据磁场强度计算流过被测导体04的电流。对于该量子检测系统03，可以是内置有预设软件的上位机或PC机，也可以是内置有预设程序的通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核心相关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)电路、任何其它类型的集成电路(IC)、状态机、系统级芯片(SOC)等。
对于量子传感器02，可以是本领域人员所知的多种量子传感器。但在本发明的一个示例中，如图3所示，该量子传感器02可以包括微波天线022和NV色心元件023。NV色心元件023(可以例如是金刚石)中的电子存在三种基态：
每种基态与激发态的能量对应波长为637nm。所以，当NV色心元件023在受到小于637nm波长的激光照射时，其基态上的电子就会吸收能量跃迁至激发态上，但由于激发态上的电子不稳定，因此该电子又会跃迁至基态，电子从激发态跃迁至基态的过程会对外放出能量，从而使得NV色心元件023发出红色荧光(电子跃迁释放光子)。基于上述物理现象，可以采用激光对NV色心元件023进行照射的方式来实现NV色心的电子自旋极化到基态ms＝0上。考虑到现有技术的研究已经能够将NV色心的电子的极化率达到90％以上，在低温环境下甚至能够达到100％。因此，可以通过元件的NV色心产生的荧光来判断NV色心的电子自旋态。那么，在该示例中，该电流测量系统可以进一步包括激光发生器05。该激光发生器05可以用于向NV色心元件023发射激光以使得该NV色心元件023的NV色心的电子自旋到基态ms＝0上。
当NV色心元件023的外部存在磁场时，根据塞曼效应的理论，基态的电子会发生能级分裂。如图4所示，电子本身存在1/2的自旋，在外加磁场的环境条件下，电子能分裂成两个能级。当对电子施加具有与这两个能级的能级间距相等的频率的电磁波时，就会导致电子在能级间跃迁的现象发生(ESR，电子自旋共振)。进一步地，通过对这两个频率差的计算即可计算出NV色心元件023外部的磁场的磁场强度。所以，在该示例中，微波天线022可以用于向NV色心元件023发射微波信号以产生电子自旋共振现象。该NV色心元件023可以在接收到(预定频率的)微波信号的情况下，根据周围的磁场强度(发生电子自旋共振现象以)生成反馈信号。此外，对于该激光的波长的确定，可以是本领域人员所知的多种。在本发明的一个优选示例中，该激光的波长可以是例如532nm。
在图3中，量子检测系统03可以进一步与微波天线022、激光发生器05连接，用于控制微波天线022、激光发生器05的工作，并通过NV色心元件023的反馈信号计算被测导体04内部的电流。具体地，由于NV色心元件023在发生电子自旋共振的情况下，生成的反馈信号中的红色荧光最弱，该量子检测系统02可以通过对反馈信号的分析得到ODMR(OpticalDetection of Magnetic Resonance technique，光探测磁共振)谱，并进一步根据该ODMR谱计算每个量子传感器02所检测到的磁场强度。
进一步地，该量子检测系统03可以基于每个量子传感器02检测到的磁场强度，根据公式(1)计算该被测导体04中的电流，
其中，为每个量子传感器02测量的磁场强度的矢量，μ0为磁导率，I为电流，为电流的方向，为卡箍的半径的矢量，r为卡箍的半径的半径。
此外，为了降低激光发生器05发射的激光信号到NV色心元件023的损耗率。在该实施方式中，激光发生器05可以通过光纤与NV色心元件023的输入口连接。进一步地，该光纤与NV色心元件023的输入口之间还可以设置有第一透镜组06。该第一透镜组06可以用于对激光信号进行汇聚处理。
相应地，量子检测系统03与NV色心元件023之间也可以通过光纤连接，同时为了降低反馈信号的损耗率，NV色心元件023的输出口和光纤之间也可以设置有用于汇聚信号的第二透镜组07。由于量子检测系统03仅能够识别电信号，光纤和量子检测系统03之间也可以设置有用于将反馈信号从光信号模式转换为电信号模式的光电转换器08。
另外，为了避免外部的磁场对量子传感器02产生影响，该卡箍01的材料可以采用磁屏蔽材料制成。对于该磁屏蔽材料，可以为例如金属等。
如图5所示为在该电流测量装置卡接至被测导体04的情况下，各部件与被测导导体的位置关系的截面图。在图5中，当电流测量装置被卡接至被测导体04时，4个量子传感器02均不予被测导体04外围的圆周上。该4个量子传感器02分别检测该4个位置的磁场强度，从而使得量子检测系统03能够通过采用安培环路定理和毕奥萨菲尔定律来计算该被测导体04的电流。
此外，为了进一步提高量子传感器02的测量精度，在本发明的一个实施方式中，如图6所示，该电流测量装置可以进一步包括聚磁铁芯9。该聚磁铁芯9可以为弧形，设置在卡箍01的内部的每两个量子传感器02之间，用于汇聚磁场以提高量子传感器02的灵敏度，从而提高量子传感器02对磁场的测量强度。
通过上述技术方案，本发明提供的轻型高精度电流测量装置通过采用量子检测的原理替代了传统电流测量装置测量电流的方式，解决了传统电流测量装置的测量精度受温度制约的技术问题，提高了测量电流的精度。
以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施方式的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (8)

1.一种轻型高精度电流测量装置，其特征在于，所述电流测量装置包括：
卡箍，用于将所述电流测量装置卡接至被测导体，所述卡箍为中空结构且内部设置有线束；
多个量子传感器，均布于所述卡箍的内部，用于测量被测导体周围的磁场强度，其中，所述多个量子传感器的数量为4的倍数；
量子检测系统，通过所述线束分别与每个所述量子传感器连接，用于通过每个所述量子传感器获取所述被测导体周围的磁场强度，并进一步根据所述磁场强度计算流过所述被测导体的电流。
2.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述量子传感器包括微波天线和NV色心元件；
所述电流测量系统进一步包括激光发生器，所述激光发生器用于向所述NV色心元件发射激光信号；
所述微波天线用于向所述NV色心元件发射微波信号，所述NV色心元件用于在接收到所述激光信号及所述微波信号的情况下，根据周围的磁场强度生成反馈信号；
所述量子检测系统进一步与所述微波天线、所述激光发生器连接，用于控制所述微波天线、所述激光发生器的工作，并通过所述反馈信号计算所述电流。
3.根据权利要求2所述的电流测量装置，其特征在于，所述量子检测系统与所述微波天线电连接，所述激光发生器通过光纤与所述NV色心元件连接。
4.根据权利要求3所述的电流测量装置，其特征在于，所述NV色心元件的输入口处设置有第一透镜组，所述第一透镜组用于对所述激光信号进行汇聚处理。
5.根据权利要求3所述的电流测量装置，其特征在于，所述NV色心元件的输出口处设置有第二透镜组和光电转换器，所述第二透镜组用于汇聚所述NV色心元件的反馈信号，所述光电转换器用于将所述反馈信号从光信号模式转换为电信号模式。
6.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述卡箍为磁屏蔽材料制成。
7.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述量子检测系统进一步用于根据公式(1)计算所述电流，
其中，为每个量子传感器测量的磁场强度的矢量，μ0为磁导率，I为所述电流，为电流的方向，为所述卡箍的半径的矢量，r为所述卡箍的半径。
8.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述电流测量装置进一步包括聚磁铁芯，所述聚磁铁芯为弧形，设置于所述卡箍的内部的每两个所述量子传感器之间，用于汇聚磁场以提高所述量子传感器的测量精度。
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