CN111766429B - 一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置与方法。为了克服电网电流测量精度差、线性度差、动态范围差的问题；本发明采用的测量装置包括：作为光源的激光器；量子电流传感器，部分接入输电线路中，接收激光器的光，输出透射光；信息处理及显示模块，根据接收到的透射光强计算并记录输电线路的电流，并显示；光纤，连接激光器与量子电流传感器以及连接量子电流传感器和信息处理及显示模块。采用量子电流传感器对磁场的精密探测，通过光强、射场频率的频移量、磁场值与电流值之间有良好的线性关系进行电流值的计算，具有极高的线性度、灵敏度和动态范围，抗电磁干扰能力强、运行能耗小、成本低，能够提高电网电流精确测量精度。

Description

一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置与方法

技术领域

本发明涉及一种电网测量领域，尤其涉及一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置与方法。

背景技术

电网电流精确测量是电网测量与保护中的一个重要的环节。传统电流互感器采用的是电磁感应的原理。但是传统电流互感器具有动态范围小，线性度差、精度差、易出现磁饱和、体积大、重量重、二次回路出现开路时危险度高的缺点。

例如，一种在中国专利文献上公开的“高可靠性高精度电流测量方法及装置”，其公告号CN105510679A，，电流测量传感器为零磁通电流互感器，采用不开口穿心连接方式接入电流回路，不存在漏磁，电流回路电气连接点直观可视，不存在开路风险。但是依旧存在测量精度差、线性度差、动态范围差的问题。

发明内容

本发明主要解决现有技术电网电流测量精度差、线性度差、动态范围差的问题；提供一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置与方法，采用量子电流传感器对磁场的精密探测，具有极高的线性度和灵敏度的特点，抗电磁干扰能力强、运行能耗小、成本低，能够大大提高了电网电流精确测量精度。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置，包括：

激光器，发射一定强度的光；

量子电流传感器，部分接入输电线路中，接收激光器的光，输出透射光；

信息处理及显示模块，接收透射光并计算显示输电线路中的电流值；

光纤，连接激光器与量子电流传感器以及连接量子电流传感器和信息处理及显示模块。

整体测量装置的激光器和信息处理及显示模块放置于量子电流传感器外部，量子电流传感器部分接入输电线中，激光器光源通过多模光纤引入到量子电流传感器部分，光通过量子电流传感器，由于原子感受到线缆周围的磁场，光通过量子电流传感器后光强发生变化，光强变化后的光纤引入至信息处理及显示模块中。当射频场的频率完全等于塞曼子能极差时，对泵浦光的吸收最强，透过的光最弱。因此，通过判断透射光强即可确定射频场频率，进而测出引起亚稳态塞曼能级频移的磁场值，通过磁场值计算出输电线中的电流值大小，将电流值显示。使用量子电流传感器对磁场的精密探测，具有极高的线性度和灵敏度，能够大大提高了电网电流精确测量精度和线性度。整体的测量装置结构简单，运行耗能低，成本低。

作为优选，所述的量子电流传感器包括若干的透镜、原子气室、偏振线圈、射频线圈和圆筒形外壳；圆筒形外壳内壁布置有射频线圈，圆筒形外壳外壁布置有偏振线圈；原子气室设置在圆筒形外壳中，原子气室的两侧分别设置有透镜。电场和磁场是基本的物理场，它们分别对原子精密光谱中的吸收光谱和磁共振光谱产生频移效应，通过测量电场和磁场对原子精密光谱的频移量，可以精确获得电场和磁场信息。使用量子电流传感器能够精准地测量到频移量，而频移量与磁场量具有线性关系，从而量子电流传感器具有对磁场的精密探测的能力，具有极高的线性度和灵敏度。

作为优选，所述的透镜包括第一直准透镜、第二直准透镜、线偏振片和圆偏振片；第一直准透镜、线偏振片和圆偏振片依次设置在原子气室入射侧，第二直准透镜设置在原子气室的出射侧。激光器发射的光从原子气室的入射侧进入，在原子气室的出射侧透射而出；光通过原子气室时，由于原子感受到线缆周围的磁场的影响，光通过量子电流传感器后光强发生变化。

作为优选，所述的量子电流传感器外设置有输电外形结构，输电外形结构与输电线路连接；量子电流传感器与输电外形结构之间的空隙处填充环氧树脂。空隙处填充环氧树脂做绝缘材料，提高量子电流传感器的抗电磁干扰能力。

作为优选，所述的输电外形结构采用双层螺线管结构，两层的中心重合。外层长度为185mm～195mm；内层长度为175mm～185mm；连接处以8mm直径的半圆进行反绕。增加测量得到的电磁场强度的准确性，从而增加得到的电流值的可靠性。

作为优选，所述的信息处理及显示模块包括：

接收部，接收量子电流传感器输出的透射光；

信息处理部，根据接收到的透射光的透射光强计算并记录输电线路的电流；

显示部，显示计算得到的电流值。

信息处理及显示模块用于接收透射光的光强，从而计算出并记录输电线路中的电流，在显示部显示，加强人机交互，分模块工作，减少单个模块的负担，提高计算效率。

一种基于量子电磁效应的电流高精度测量方法，包括以下步骤：

S1：完成测量装置的安装、调试与校零；

S2：开始电流测量；信息处理及显示模块接收量子电流传感器通过光纤输出的透射光，根据透射光强依次计算射频场频率、磁场值；通过磁场值计输电线路中的电流值。

因为光强、射场频率的频移量、磁场值与电流值之间有良好的线性关系，所以通过透射光的光强能够精准得得到输电线路中的电流值，具有极高的线性度、灵敏度和动态范围。

作为优选，所述的步骤S2包括以下步骤：

S21：接收部接收量子电流传感器通过光纤输出的透射光，并将透射光的透射光强数据传输给信息处理部；

S22：信息处理部，将透射光强转变为电压值，根据电压值获取射频场频率的频移量，计算公式如下：

其中，Y为电压值，X为射频场频率，π是圆周率，v为光谱线宽，ω为频移量；

S23：根据射场频率的频移量计算得到磁场值，计算公式如下：

ω＝2π×γB

其中，γ为旋磁比，B为磁感应强度；

S24：根据磁场值计算得到输电电路的电流值，计算公式如下：

其中，μ₀为真空磁导率，I为输电线路中的电流大小，R为空间某点到输电线路的距离。

因为光强、射场频率的频移量、磁场值与电流值之间有良好的线性关系，所以通过透射光的光强能够精准得得到输电线路中的电流值，具有极高的线性度、灵敏度和动态范围。

作为优选，对于双层螺旋管结构的磁场计算为内外层螺线管磁场抵消后的磁场值，计算公式为：

其中，L₁为内层螺线管长度，r₁为内层螺线管半径，L₂为外层螺线管长度，L₂为外层螺线管半径。

减少电磁干扰带来的影响，增加测量得到的电磁场强度的准确性，从而增加得到的电流值的可靠性。

本发明的有益效果是：

采用量子电流传感器对磁场的精密探测，通过光强、射场频率的频移量、磁场值与电流值之间有良好的线性关系进行电流值的计算，具有极高的线性度、灵敏度和动态范围，抗电磁干扰能力强、运行能耗小、成本低，能够大大提高电网电流精确测量精度。

附图说明

图1是本发明的电流测量装置的结构示意图。

图2是本发明的量子电流传感器结构示意图。

图3是本发明的电流测量方法流程图。

图中1.激光器，2.光纤，3.量子电流传感器，4.输电造型结构，5.信息处理及显示模块，51.接收部，52.信息处理部，53.显示部，6.透镜，61.第一直准透镜，62.第二直准透镜，63.线偏振片，64.圆偏振片，7.原子气室，8.偏振线圈，9.射频线圈。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置，如图1所示，包括光纤2和依次连接的激光器1、量子电流传感器3和信息处理及显示模块5。

光纤2连接激光器1与量子电流传感器3以及连接量子电流传感器3和信息处理及显示模块5。

激光器1作为光源，发射一定强度的光。

信息处理及显示模块5包括依次连接的接收部51、信息处理部52和显示部53。

接收部51接收量子电流传感器3输出的透射光；信息处理部52根据接收部51接收到的透射光的透射光强计算并记录输电线路的电流；显示部53用于显示计算得到的电流值。

整体测量装置的激光器1和信息处理及显示模块5放置于量子电流传感器3外部，量子电流传感器3部分接入输电线中，激光器1光源通过多模光纤2引入到量子电流传感器3部分，光通过量子电流传感器1，由于原子感受到线缆周围的磁场，光通过量子电流传感器3后光强发生变化，光强变化后的光纤2引入至信息处理及显示模块5中。

当射频场的频率完全等于塞曼子能极差时，对泵浦光的吸收最强，透过的光最弱。因此，通过判断透射光强即可确定射频场频率，进而测出引起亚稳态塞曼能级频移的磁场值，然后经过电路处理模块5中的信息处理部52通过磁场值计算出输电线中的电流值大小，将电流值在显示部53显示。

使用量子电流传感器3对磁场的精密探测，具有极高的线性度和灵敏度，能够大大提高了电网电流精确测量精度和线性度。整体的测量装置结构简单，运行耗能低，成本低。

量子电流传感器3部分接入输电线路中，接收激光器1的光，输出透射光。如图2所示，量子电流传感器3包括若干的透镜6、原子气室7、偏振线圈8、射频线圈9和圆筒形外壳。

圆筒形外壳内壁布置有射频线圈9，圆筒形外壳外壁布置有偏振线圈8。原子气室7设置在圆筒形外壳中，原子气室7外缠绕有加热线圈，原子气室的两侧分别设置有透镜6。

透镜6包括第一直准透镜61、第二直准透镜62、线偏振片63和圆偏振片64。第一直准透镜61、线偏振片63和圆偏振片64依次设置在原子气室7入射侧；第二直准透镜62设置在原子气室7的出射侧。

激光器1发射的光通过光纤2从原子气室7的入射侧进入，在原子气室7的出射侧透射而出。光通过原子气室7时，由于原子感受到线缆周围的磁场的影响，光通过量子电流传感器3后光强发生变化。

量子电流传感器3外设置有输电外形结构4。输电外形结构4与输电线路连接，量子电流传感器3与输电外形结构4之间的空隙处填充环氧树脂。空隙处填充环氧树脂做绝缘材料，提高量子电流传感器的抗电磁干扰能力。

输电外形结构4采用双层螺线管结构，两层的中心重合。

外层长度为185mm～195mm；内层长度为175mm～185mm；连接处以8mm直径的半圆进行反绕。

输电外形结构4采用双层螺线管结构，减少电磁干扰带来的影响，增加测量得到的电磁场强度的准确性，从而增加得到的电流值的可靠性。

量子精密光谱是基于物质的量子特性对物理量实现精密测量的技术手段，电场和磁场是基本的物理场，它们分别对原子精密光谱中的吸收光谱和磁共振光谱产生频移效应，通过测量电场和磁场对原子精密光谱的频移量，可以精确获得电场和磁场信息。

使用量子电流传感器3能够精准地测量到频移量，而频移量与磁场量具有线性关系，从而量子电流传感器具有对磁场的精密探测的能力，具有极高的线性度和灵敏度。

一种基于量子电磁效应的电流高精度测量方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1：完成测量装置的安装、调试与校零。

将激光器1与量子电流传感器3通过光纤2连接，量子电流传感器3与信息处理及显示模块5通过光纤2连接。将信息处理及显示模块5嵌于电器柜外壁。方便调试及记录。

在上电之前进行预启动、校零。

S2：开始电流测量。

信息处理及显示模块5接收量子电流传感器3通过光纤2输出的透射光，根据透射光强依次计算射频场频率、磁场值；通过磁场值计输电线路中的电流值。

S21：接收部51接收量子电流传感器3通过光纤2输出的透射光，并将透射光的透射光强数据传输给信息处理部52。

S22：信息处理部52，将透射光强转变为电压值，根据电压值获取射频场频率的频移量，计算公式如下：

其中，Y为电压值，X为射频场频率，π是圆周率，v为光谱线宽，ω为频移量。

S23：根据射场频率的频移量计算得到磁场值，计算公式如下：

ω＝2π×γB

其中，γ为旋磁比，B为磁感应强度。

S24：根据磁场值计算得到输电电路的电流值，计算公式如下：

其中，μ₀为真空磁导率，I为输电线路中的电流大小，R为空间某点到输电线路的距离。

电网线缆中的电流产生空间磁场，挂网检测时线缆可近似看成长直导线，根据毕奥-萨伐尔定律，通电长直导线在空间某点产生的磁感应强度可得到上述公式。由于电流和磁场是一一对应关系，因此通过精确测量线缆附近特定位置的磁场值可推得线缆中电流的值。

对于双层螺旋管结构的磁场计算为内外层螺线管磁场抵消后的磁场值，计算公式为：

其中，L₁为内层螺线管长度，r₁为内层螺线管半径，L2为外层螺线管长度，L₂为外层螺线管半径。

将计算得到的电流值在显示部53进行显示。

本实施例采用量子电流传感器对磁场的精密探测，通过光强、射场频率的频移量、磁场值与电流值之间有良好的线性关系进行电流值的计算，具有极高的线性度、灵敏度和动态范围，抗电磁干扰能力强、运行能耗小、成本低，能够大大提高电网电流精确测量精度。

Claims (8)

1.一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置，其特征在于，包括：

激光器（1），发射一定强度的光；

量子电流传感器（3），部分接入输电线路中，接收激光器（1）的光，输出透射光；

信息处理及显示模块（5），接收透射光并计算显示输电线路中的电流值；

光纤（2），连接激光器（1）与量子电流传感器（3）以及连接量子电流传感器（3）和信息处理及显示模块（5）；

所述的量子电流传感器（3）外设置有输电外形结构（4），输电外形结构（4）与输电线路连接；所述的输电外形结构（4）采用双层螺线管结构，两层的中心重合；外层长度为185mm~195mm;内层长度为175mm~185mm; 连接处以8mm直径的半圆进行反绕。

2.根据权利要求1所述的一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置，其特征在于，所述的量子电流传感器（3）包括若干的透镜（6）、原子气室（7）、偏振线圈（8）、射频线圈（9）和圆筒形外壳；圆筒形外壳内壁布置有射频线圈（9），圆筒形外壳外壁布置有偏振线圈（8）；原子气室（7）设置在圆筒形外壳中，原子气室的两侧分别设置有透镜（6）。

3.根据权利要求2所述的一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置，其特征在于，所述的透镜（6）包括第一直准透镜（61）、第二直准透镜（62）、线偏振片（63）和圆偏振片（64）；第一直准透镜（61）、线偏振片（63）和圆偏振片（64）依次设置在原子气室（7）入射侧，第二直准透镜（62）设置在原子气室（7）的出射侧。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置，其特征在于，所述的量子电流传感器（3）与输电外形结构（4）之间的空隙处填充环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置，其特征在于，所述的信息处理及显示模块包括：

接收部（51），接收量子电流传感器（3）输出的透射光；

信息处理部（52），根据接收到的透射光的透射光强计算并记录输电线路的电流；

显示部（53），显示计算得到的电流值。

6.一种基于量子电磁效应的电流高精度测量方法，采用权利要求1~5中任意一种基于量子电磁效应的电流高精度测量装置，包括以下步骤：

S1：完成测量装置的安装、调试与校零；

S2：开始电流测量；信息处理及显示模块（5）接收量子电流传感器（3）通过光纤（2）输出的透射光，根据透射光强依次计算射频场频率、磁场值；通过磁场值计输电线路中的电流值。

7.根据权利要求6所述的一种基于量子电磁效应的电流高精度测量方法，其特征在于，所述的步骤S2包括以下步骤：

S21：接收部（51）接收量子电流传感器（3）通过光纤（2）输出的透射光，并将透射光的透射光强数据传输给信息处理部（52）；

S22：信息处理部（52），将透射光强转变为电压值，根据电压值获取射频场频率的频移量，计算公式如下：

其中，Y为电压值，X为射频场频率，

是圆周率，

为光谱线宽，

为频移量；

S23：根据射场频率的频移量计算得到磁场值，计算公式如下：

其中，

为旋磁比，B为磁感应强度；

S24：根据磁场值计算得到输电电路的电流值，计算公式如下：

其中，

为真空磁导率，I为输电线路中的电流大小，R为空间某点到输电线路的距离。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于量子电磁效应的电流高精度测量方法，其特征在于，对于双层螺旋管结构的磁场计算为内外层螺线管磁场抵消后的磁场值，计算公式为：

其中，

为内层螺线管长度，

为内层螺线管半径，

为外层螺线管长度，

为外层螺线管半径。

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