CN110967656A - 一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统和方法 - Google Patents

一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统和方法 Download PDF

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陈大龙
沈飊
薛敏敏
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Abstract

本发明公开了一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统和方法。系统包括电流源，固定电阻，多匝绕组线圈以及电压采集设备；所述电流源的一端输出连接到多匝绕组线圈，所述多匝绕组线圈与所述固定电阻R串联后连接到电流源的另一端形成回路；所述的便携式电压采集设备的其中一路采集端口并联到固定电阻R两端，用于采集R两端电压；所述罗氏线圈环绕在多匝绕组线圈上，与所述多匝绕组线圈互感，所述的便携式电压采集设备的又一路采集端口连接到所述罗氏线圈的输出端，采集所述罗氏线圈的输出端的电压。本方法可以得到不同频段的互感系数，可以实现平台简单操作，精度可以达到千分之三以内，并且可以实现多个线圈同时标定。

Description

一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统和方法
技术领域
本发明涉及到电磁测量技术领域，具体涉及到一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统和方法。
背景技术
罗氏线圈是通过电磁感应方式测得所环绕的电流源，特点在于与主回路有着良好的电气绝缘，也就是说可以测量脉冲大电流；测量范围宽，从安培到兆安培；非线性效应小，测量准确度高。理论上，罗氏线圈的互感系数是由线圈本身自己决定的，主要依赖于线密度和线圈截面积，因此互感系数非常小。目前市场上没有一种非常有效的方法进行互感标定，大多数都是通过仿真计算得到或者通过与积分器匹配，然后用脉冲强大电流标定，才能得到互感系数。由于罗氏线圈绕线的不均匀性以及加工误差，仿真结果与实际真实值存在一定误差；对于后一种大电流标定，由于积分器的积分常数存在误差会给结果引入额外误差，最重要的是，大电流标定费时费力，不适合大规模的标定。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本方法提供了一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统和方法，能够有效的提供不同频率下互感系数，可以实现多组线圈同时标定；不依赖于积分器和大电流平台，实验室就能简单操作完成；可以实现高精度互感系数标定，最大相对误差小于千分之三。
本发明提供一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统，包括电流源，固定电阻，多匝绕组线圈以及电压采集设备；所述电流源的一端输出连接到多匝绕组线圈，所述多匝绕组线圈与所述固定电阻R串联后连接到电流源的另一端形成回路；所述的便携式电压采集设备的其中一路采集端口并联到固定电阻R两端，用于采集R两端电压；所述罗氏线圈环绕在多匝绕组线圈上，与所述多匝绕组线圈互感，所述的便携式电压采集设备的又一路采集端口连接到所述罗氏线圈的输出端，采集所述罗氏线圈的输出端的电压。
进一步的，所述罗氏线圈的数量为多个，同时环绕在多匝绕组线圈上的不同位置，同时进行测量；每个罗氏线圈的输出电压连接到电压采集设备的不同电压采集端口。
进一步的，所述的固定电阻为大功率电阻，功率50-200W，电阻为5-20欧姆。
进一步的，所述的电流源为频率可调的正弦电流源，输出电流幅值±10A以内；输出正弦波频率从DC～150kHz。
进一步的，所述的多匝绕组线圈的匝数小于20，能够根据待测罗氏线圈的互感系数进行调节。
根据本发明的另一方面，一种对罗氏线圈的互感系数进行标定的方法，包括如下步骤：
步骤1、将待测的罗氏线圈环绕在绕组线圈上；
步骤2、根据待测罗氏线圈工作频率范围，对电流源频率进行调节，使得输出频率符合罗氏线圈的工作频率；
步骤3、启动电流源给绕组线圈与所述固定电阻R串联的回路供电；
步骤4、通过电压采集设备采集电阻R两端电压εR(t)以及待测罗氏线圈输出电压εRog(t)采集到的两支电压波形，分别进行傅里叶分解，得到对应频率的最大幅值；
步骤5、通过采集固定电阻两端电压除以电阻得到回路中的电流It，N匝绕组回路总电流IN,t＝N×It；
步骤6、计算罗氏线圈互感系数L：
Figure BDA0002348732630000021
其中，N为多匝绕组线圈的匝数，εRog max和εR max分别是电阻R电压值和罗氏线圈两端输出电压值通过傅里叶分解后得到的频率f对应的电压极值点；f为电流频率。
进一步的，罗氏线圈两端输出电压为：
Figure BDA0002348732630000022
其中，L为罗氏线圈互感系数，εRog(t)为罗氏线圈输出电压，IN,t为N匝绕组回路总电流，绕组线圈匝数为N；f为电流频率；电流值IN,t：
Figure BDA0002348732630000023
进一步的，当同时测量多个待测罗氏线圈的互感系数时，同时采集多个罗氏线圈输出的电压，以及采集固定电阻两端的电压，分别计算多个待测罗氏线圈的互感系数。
有益效果
本发明不仅可以标定互感较大的罗氏线圈，还可以实现微小互感系数线圈的标定，如EAST装置上内部测试已经完成了10-5H，10-6H，10-8H等多组互感系数的标定。通过实验测试，与霍尔传感器比较，精度可达到1％以内。另外，本发明方法可实现多组罗氏线圈同时标定，互感系数一致性较好。
附图说明
图1：本发明整套标定系统示意图；
图2：本发明标定所需高频电流源；
图3：本发明所使用的的采集设备；
图4：罗氏线圈嵌套的多匝绕组线圈；
图5：固定电阻输出电压波形，已经通过快速傅里叶分解后得到的极值频率与幅值；
图6：本发明对互感系数为10-8H量级罗氏线圈互感标定结果，横轴为标定频率，纵轴为互感系数；
图7：EAST装置上快控线圈电源输出，同时用标定后的罗氏线圈与霍尔传感器测量结果比较，相对最大误差小于1％。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参见图1所示为一种高精度扫频式互感系数标定系统，包括电流源，大功率固定电阻(100W，10欧姆)，多匝绕组线圈(本发明采用的是20匝，根据所标定互感大小，可以有序增加或者减小匝数)以及NI便携式电压采集设备；包括电流源，固定电阻，多匝绕组线圈以及电压采集设备；所述电流源的一端输出连接到多匝绕组线圈，所述多匝绕组线圈与所述固定电阻R串联后连接到电流源的另一端形成回路；所述的便携式电压采集设备的其中一路采集端口并联到固定电阻R两端，用于采集R两端电压；所述罗氏线圈环绕在多匝绕组线圈上，与所述多匝绕组线圈互感，所述的便携式电压采集设备的又一路采集端口连接到所述罗氏线圈的输出端，采集所述罗氏线圈的输出端的电压。
图2为，所述标定系统中可调频率的正弦电流源，频率可达到150kHz,电流幅值±10A；可实现高速频率输出：DC～150kHz；
图3为本系统所采用的NI便携式采集，型号为：cDAQ-9188,可实现32道数据同时采集；
图4为本系统设计的多匝绕组线圈，此举措目的是为了增加回路输入，增大待测罗氏线圈输出；注意的是：绕组匝数可以根据待测互感系数有所改变；匝数不可无限制增加，因为要考虑到回路感抗增加情况；本实验室中采用的是20匝，匝数不可无限制增多，因为会增大回路功率，造成电流系统断电保护。
图5为回路中固定电阻端电压波形以及进行快速傅里叶分解后对应的极值频率和幅值结果，罗氏线圈输出的感应电压也要经过同样的傅里叶处理方法；
本举措的目的是：电源显示器中的显示的回路电流存在一定偏差，如果采用霍尔或者其他电流传感器测量回路电流，又会增加回路中因为传感器带来的额外误差，因此，直接测量回路电阻端电压，有利于提高标定相对精度，实际测试中也证明了此办法的有效性和实用性；
图6是采用本方法标定的互感系数具体实例展示，不同频率之间最大相对误差小于千分之三。由于，本次待测的罗氏线圈实际工作测量频率为百赫兹，因此本次标定只选取了200Hz～1000Hz。根据实际情况，标定频率可以根据需求适当选取。
图7为采用此发明方法标定后的罗氏线圈与霍尔传感器，测量同一组电流后的输出结果比对，两者相对误差小于1％。具体测量技术方案是：搭建一个封闭的测试回路，回路中串连一个固定电阻R，同时将回路电线绕成多匝N，即构成了前面提到的绕组线圈了。将待测罗氏线圈环绕在绕组线圈外围。分别采集电阻R两端电压εR(t)以及待测罗氏线圈的输出电压εRog(t)。采集到的两支电压波形，分别进行傅里叶分解，得到对应频率的最大幅值。
理论上，罗氏线圈两端输出电压为：
Figure BDA0002348732630000041
其中，L为罗氏线圈互感系数，εRog(t)为待测罗氏线圈输出电压，IN,t为回路电流It乘以绕组线圈匝数N；f为电流频率。回路中的电流是通过采集固定电阻两端电压除以电阻得到，回路电流不是用霍尔传感器或者其他电流传感器测量，目的是为了不引入测量器件对回路产生影响导致额外的误差。采集器件为NI便携式采集设备。因此电流值IN,t可以得到：
Figure BDA0002348732630000051
其中，N为电流绕组匝数，εR(t)为固定电阻两端所测量电压值，R为电阻值；
综上两种公式，得到罗氏线圈互感系数L为：
Figure BDA0002348732630000052
参见图2所示，公式中，εRog max和εR max分别是电阻R电压值和罗氏线圈两端输出电压值通过傅里叶分解后得到的频率f对应的极值点；
本发明的优点是：简单易操作，不依赖于积分器连接和大功率电流源进行标定，可以避免积分器系统带来的额外误差；可以实现不同频率的互感系数标定，本发明只需适当改变电源系统的电流源输出频率就可以调节频率输出。实际应用中，可以在所需要的一段频率下取匹配的互感系数；可以实现多个罗氏线圈同时互感标定；
本发明中涉及的多匝绕组线圈为一正六边形，EAST极向场线圈有12组，实际应用中，我们可以将12套罗氏线圈同时嵌套在回路中，从而实现12套罗氏线圈同时标定，并且还保证了线圈的一致性问题；可以实现高精度微小互感系数标定，如EAST内部使用的线圈直接非常细小，只有6mm，理论上互感系数只有10-8H量级，实际标定过程中，采用扫频标定(200Hz～1000Hz)，最大相对误差小于千分之三，如图6所示；互感为10-8H量级罗氏线圈互感标定结果，横轴为标定频率，纵轴为互感系数，平均互感系数为2.32×10-8H，理论上本发明可以实现更加微弱的互感系数标定，只需有效增加电流源频率和绕组匝数。
图7为EAST装置上快控线圈电源输出，同时用标定后的罗氏线圈与霍尔传感器测量结果比较，相对最大误差小于1％，满足实验需求。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统，其特征在于：
包括电流源，固定电阻，多匝绕组线圈以及电压采集设备；所述电流源的一端输出连接到多匝绕组线圈，所述多匝绕组线圈与所述固定电阻R串联后连接到电流源的另一端形成回路；所述的便携式电压采集设备的其中一路采集端口并联到固定电阻R两端，用于采集R两端电压；所述罗氏线圈环绕在多匝绕组线圈上，与所述多匝绕组线圈互感，所述的便携式电压采集设备的又一路采集端口连接到所述罗氏线圈的输出端，采集所述罗氏线圈的输出端的电压。
2.根据权利要求1所述的一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统，其特征在于：
所述罗氏线圈的数量为多个，同时环绕在多匝绕组线圈上的不同位置，同时进行测量；每个罗氏线圈的输出电压连接到电压采集设备的不同电压采集端口。
3.根据权利要求1所述的一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统，其特征在于：
所述的固定电阻为大功率电阻，功率50-200W，电阻为5-20欧姆。
4.根据权利要求1所述的一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统，其特征在于：
所述的电流源为频率可调的正弦电流源，输出电流幅值±10A以内；输出正弦波频率从DC～150kHz。
5.根据权利要求1所述的一种高精度扫频率式罗氏线圈互感系数标定系统，其特征在于：
所述的多匝绕组线圈的匝数小于20，能够根据待测罗氏线圈的互感系数进行调节。
6.一种对罗氏线圈的互感系数进行标定的方法，其特征在于：利用权利要求1所述的罗氏线圈互感系数标定系统，包括如下步骤：
步骤1、将待测的罗氏线圈环绕在绕组线圈上；
步骤2、根据待测罗氏线圈工作频率范围，对电流源频率进行调节，使得输出频率符合罗氏线圈的工作频率；
步骤3、启动电流源给绕组线圈与所述固定电阻R串联的回路供电；
步骤4、通过电压采集设备采集电阻R两端电压εR(t)以及待测罗氏线圈输出电压εRog(t)采集到的两支电压波形，分别进行傅里叶分解，得到对应频率的最大幅值；
步骤5、通过采集固定电阻两端电压除以电阻得到回路中的电流It,N匝绕组电流IN,t＝N×It；
步骤6、计算罗氏线圈互感系数L：
Figure FDA0002348732620000021
其中，N为多匝绕组线圈的匝数，εRog max和εR max分别是电阻R电压值和罗氏线圈两端输出电压值通过傅里叶分解后得到的频率f对应的电压极值点；f为电流频率。
7.根据权利要求6所述的一种对罗氏线圈的互感系数进行标定的方法，其特征在于：
罗氏线圈两端输出电压为：
Figure FDA0002348732620000022
其中，L为罗氏线圈线圈互感系数，εRog(t)为罗氏线圈输出电压，IN,t为N匝绕组回路总电流，绕组线圈匝数为N；f为电流频率；电流值IN,t：
Figure FDA0002348732620000023
8.根据权利要求6所述的一种对罗氏线圈的互感系数进行标定的方法，其特征在于：
当同时测量多个待测罗氏线圈的互感系数时，同时采集多个罗氏线圈输出的电压，以及采集固定电阻两端的电压，分别计算多个待测罗氏线圈的互感系数。
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