CN111948438A - 一种低成本电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低成本电流传感器,涉及电流检测技术领域,用以解决双铁芯或三铁芯磁通门成本较高,而单铁芯磁通门激励磁场噪声大,二次谐波难以提取的问题,本电流传感器包括:单铁芯组件和控制电路;所述控制电路由微处理器实现,包括激励回路、互感器回路、补偿模块以及反馈回路;所述激励回路、互感器回路以及反馈回路均和单铁芯组件连接;所述互感器回路通过补偿模块和反馈回路连接。本电流传感器利用互感器原理提取磁通门二次谐波信号,并且采用单环铁芯,成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及磁场检测传感器技术领域,尤其涉及一种低成本电流传感器。
背景技术
磁通门原理由于其较高的精度通常用于电流测量。
对于双环铁芯磁通门,由于激励磁场被两个铁芯相互抵消,激励磁场噪声减小,可以达到较高的精度。对于三环铁芯磁通门,也可以采用其中的两个铁芯抵消激励磁场,达到较高的精度。
然而磁芯越多成本越大。采用单环铁芯磁通门,成本虽小,但激励信号远大于被测信号,如果与双环或三环磁通门一样采用二次谐波方法提取被测信号,提取环节复杂且噪声较大。对于单环铁芯,通常可采用时间差方法或平均值方法提取被测信号,但难以用于高频测量,而且平均值方法分辨率不如二次谐波方法,时间差方法量程受限。
单铁芯磁通门电流传感器工作时,在正弦电压作用下,激励线圈在铁芯内产生周期磁场,使铁芯周期磁化。当被测电流为零时,铁芯正反向磁化对称,当被测电流不为零时,铁芯正反向磁化不对称。通过提取该不对称信号即二次谐波信号可得到被测信号。与激励信号相比,二次谐波信号较小,直接从激励回路提取二次谐波较困难。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种基于闭环磁通门原理和互感器原理相结合的电流传感器。
为了达到上述目的,本发明提供一种低成本电流传感器,用于测量初级导体(1)流过的电流,主要包括单铁芯组件和控制电路,控制电路由微处理器实现;所述控制电路包括激励回路、互感器回路、补偿模块以及反馈回路;
所述单铁芯组件为单环形铁芯;
所述激励回路包括激励线圈;
所述互感器回路包括互感器线圈;
所述反馈回路包括反馈线圈;
所述激励回路的激励线圈绕在单铁芯组件上,所述互感器回路的互感线圈绕在单铁芯组件上以及所述反馈回路的反馈线圈绕在单铁芯组件上;
所述互感器回路和反馈回路连接。
进一步地,所述激励回路还包括正弦激励模块以及电阻R1;
所述激励线圈绕在单铁芯组件上,所述激励线圈的一端和电阻R1的一端连接,所述电阻R1的另一端接地;所述激励线圈的另一端和正弦激励模块连接。
进一步地,所述互感器回路包括电流提取电路和补偿模块,所述电流提取电路包括运算放大单元和电阻R2;
所述互感器线圈的一端和补偿模块连接,所述互感器线圈的另一端和运算放大单元连接,所述运算放大器还和电阻R2的一端以及反馈回路的一端连接,所述运算放大器和补偿模块连接,所述电阻R2的另一端接地。
进一步地,所述反馈回路还包括二次谐波提取模块、补偿模块、滤波积分模块以及电阻R3;
所述反馈线圈的一端和补偿模块以及滤波积分模块的一端连接,所述滤波积分模块的另一端和二次谐波提取模块的一端连接,所述二次谐波提取模块的另一端和互感器回路连接,所述反馈线圈的另一端和电阻R3的一端连接,所述电阻R3的另一端接地。
进一步地,所述激励回路用于当初级导体(1)有电流通过时,通过激励线圈在单铁芯组件产生二次谐波信号。
进一步地,所述互感器回路用于通过互感器线圈获取互感器线圈电流。
进一步地,所述反馈回路用于通过二次谐波提取模块提取电阻R2端的二次谐波信号,将提取的二次谐波信号通过滤波积分模块传输至反馈线圈。
进一步地,所述补偿模块用于抵消互感器线圈和反馈线圈产生的感应电压。
本发明至少有以下有益效果是:
(1)本低成本电流传感器采用单环形铁芯,成本较低。
(2)本低成本电流传感器利用互感器原理,激励线圈(7)、互感器线圈(8)、反馈线圈(10)相互作用,当存在被测电流时,与激励回路和反馈回路相比,互感器回路电阻只有线圈内阻,如果互感器回路的线圈内阻远小于激励回路电阻R1和反馈回路电阻R3,被测信号大部分通过互感器回路。通过电流提取电路,测量与运算放大单元相连接的电阻R2的电压可得互感器线圈电流信号,该互感器电流做信号处理从而得到被测电流。解决了磁通门激励磁场噪声大,二次谐波难以提取的问题。
附图说明
图1为本低成本电流传感器的结构框图;
图2为传感器宽带;
图3为激励线圈的电流信号,其中虚线显示被测为零时的线圈电流,实线显示被测电流为5mA时的线圈电流。
图4为通过互感器提取被测信号时的激励线圈电流;
图5为通过互感器提取被测信号时的互感器线圈接收的被测信号;
图6为被测电流为交直流混合电流时的互感器线圈各匝电流之和与被测电流,其中实线为被测电流为交直流混合电流时的互感器线圈各匝电流之和,所述虚线为被测电流;
图7为被测电流为交直流混合电流时的反馈线圈各匝电流之和与被测电流,其中实线为交直流混合电流时的反馈线圈各匝电流之和,虚线为被测电流;
图8为被测电流为交直流混合电流时互感器信号与反馈信号之和。
其中(1)、初级导体;(2)、单铁芯组件;(3)正弦激励模块;(4)补偿模块;(5)二次谐波提取模块;(6)滤波积分模块;(7)激励线圈;(8)互感器线圈;(9)运算放大单元;(10)反馈线圈。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图,对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。
实施例
本实施例提供了一种低成本电流传感器,如图1至8所示,本低成本电流传感器包括:单铁芯组件和控制电路,控制电路由微处理器实现;所述控制电路包括激励回路、互感器回路、补偿模块以及反馈回路;
所述单铁芯组件为单环形铁芯;
所述激励回路包括激励线圈;
所述互感器回路包括互感器线圈;
所述反馈回路包括反馈线圈;
所述激励回路的激励线圈绕在单铁芯组件上,所述互感器回路的互感线圈绕在单铁芯组件上以及所述反馈回路的反馈线圈绕在单铁芯组件上;
所述互感器回路和反馈回路连接。
进一步地,所述激励回路还包括正弦激励模块以及电阻R1;
所述激励线圈绕在单铁芯组件上,所述激励线圈的一端和电阻R1的一端连接,所述电阻R1的另一端接地;所述激励线圈的另一端和正弦激励模块连接。
激励回路,主要包括正弦激励模块(3),激励线圈(7),串联电阻R1。在正弦电压作用下,激励线圈在铁芯内产生周期磁场,使铁芯周期磁化。当被测电流为零时,铁芯正反向磁化对称,当被测不为零时,铁芯正反向磁化不对称。通过提取该不对称信号即二次谐波信号可得到被测信号。与激励信号相比,二次谐波信号较小,直接从激励回路提取二次谐波较困难。本申请通过下面的互感器回路提取二次谐波。
进一步地,所述互感器回路包括电流提取电路和补偿模块,所述电流提取电路包括运算放大单元和电阻R2;;
所述互感器线圈的一端和补偿模块连接,所述互感器线圈的另一端和运算放大单元连接,所述运算放大器还和电阻R2的一端以及反馈回路的一端连接,所述运算放大器和补偿模块连接,所述电阻R2的另一端接地。
互感器回路,由互感器线圈(8)、补偿模块(4)及电流提取电路组成。电流提取电路由与线圈相连接的运算放大单元(9)及输出电阻R2组成。由于互感器原理,激励线圈(7)、互感器线圈(8)、反馈线圈(10)相互作用,当存在被测电流时,与激励回路和反馈回路相比,互感器回路电阻只有线圈内阻,如果互感器回路的线圈内阻远小于激励回路电阻R1和反馈回路电阻R3,被测信号大部分通过互感器回路。通过电流提取电路,测量与运算放大单元相连接的电阻R2的电压可得互感器线圈电流信号,该互感器电流做信号处理从而得到被测电流。
进一步地,所述反馈回路还包括二次谐波提取模块、补偿模块、滤波积分模块以及电阻R3;
所述反馈线圈的一端和补偿模块以及滤波积分模块的一端连接,所述滤波积分模块的另一端和二次谐波提取模块的一端连接,所述二次谐波提取模块的另一端和互感器回路连接,所述反馈线圈的另一端和电阻R3的一端连接,所述电阻R3的另一端接地。
进一步地,所述激励回路用于当初级导体1有电流通过时,通过激励线圈在单铁芯组件产生二次谐波信号。
补偿模块,在不加被测信号时,激励电压作用下,将互感器线圈(8)和反馈线圈(10)开路时的感应电压即补偿电压存储到微处理器,该补偿电压组成补偿模块的数据。在激励线圈(7)产生的磁场作用下,互感器线圈(8)和反馈线圈(10)将产生感应电压,从而反过来影响激励信号,因此需要补偿模块以抵消感应电压。在传感器工作时,通过补偿模块分别在互感器线圈(8)和反馈线圈(10)两端加补偿电压以抵消感应电压。
反馈回路,主要包括二次谐波提取模块(5),滤波积分模块(6),反馈线圈(10),电阻R3,补偿模块(4)。通过二次谐波模块(5)提取电阻R2端的二次谐波信号,再通过滤波积分模块(6),将积分信号接到反馈线圈(10),以抵消被测低频信号。
低频信号通过磁通门原理,采用二次谐波提取方法,经过反馈线圈抵消被测信号。高频信号通过互感器原理,经过互感器线圈抵消被测信号,如图2所示。合理设计各部分参数,使磁通门及反馈回路截止频率大于互感器截止频率,即可测量交直流混合信号。
进一步地,所述互感器回路用于通过互感器线圈获取互感器线圈电流。
进一步地,所述反馈回路用于通过二次谐波提取模块提取电阻R2端的二次谐波信号,将提取的二次谐波信号通过滤波积分模块传输至反馈线圈。
进一步地,所述补偿模块用于抵消互感器线圈和反馈线圈产生的感应电压。
其中当电流传感器断开互感器线圈和反馈线圈,只有激励回路有信号时如下分析。
如图3所示,图3为激励线圈的电流信号。虚线显示被测初级导体(1)为零时的激励线圈电流。实线显示被测电流为5mA时的线圈电流。基波即激励信号远大于所需提取的二次谐波信号。
只断开反馈线圈时的信号如下分析。
由于通过补偿模块抵消了互感器线圈(8)和反馈线圈(10)将产生感应电压,当被测电流为零时,互感器线圈的电流为零。当被测信号为5mA时,被测电流经过激励线圈调制,再通过互感器作用,互感器线圈电流出现明显的二次谐波信号,如图4所示。由于互感器回路内阻远小于其他两回路内阻,图3实线所示的激励线圈的二次谐波信号经过互感器作用,反映到互感器线圈,如图5,而激励线圈只剩激励信号,如图4。与图3互感器回路断开时相比,图5的二次谐波信号明显增大。
三个回路都不断开时的信号如下分析。
通过二次谐波提取模块(5),滤波积分模块(6),提取电阻R2的电压的二次谐波信号,将被测信号反馈到反馈线圈(10)。
互感器线圈与反馈线圈各匝电流之和与被测电流相反;
N2×i2+N3×i3=I,
N2,N3其中N2为互感器线圈匝数,N3为反馈线圈匝数;
其中i2为互感器线圈电流,i3为反馈线圈电流。
其中电阻R2的电压信号为u1,其中u1=R2*i2;积分信号为u2,其中u1=R3*i3对电阻R2的电压信号与积分信号处理后相加,即可得被测信号。
被测信号直流分量为20mA,交流分量为幅值20mA,频率1kHz的正弦信号。
图6为互感器所有线圈匝数电流N2×i2。
图7为反馈线圈所有匝数电流N3×i3。
图8为互感器线圈与反馈线圈所有匝数电流之和,N2×i2+N3×i3。
本电流传感器,成本低,并且利用互感器原理提取磁通门二次谐波信号,解决了磁通门激励磁场噪声大,二次谐波难以提取的问题。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种低成本电流传感器,用于测量初级导体(1)流过的电流,其特征在于,包括单铁芯组件和控制电路;所述控制电路包括激励回路、互感器回路以及反馈回路;
所述单铁芯组件为单环形铁芯;
所述激励回路包括激励线圈;
所述互感器回路包括互感器线圈;
所述反馈回路包括反馈线圈;
所述激励回路的激励线圈绕在单铁芯组件上,所述互感器回路的互感线圈绕在单铁芯组件上以及所述反馈回路的反馈线圈绕在单铁芯组件上;
所述互感器回路和反馈回路连接;
所述互感器回路包括电流提取电路和补偿模块,所述电流提取电路包括运算放大单元和电阻R2;
所述互感器线圈的一端和补偿模块连接,所述互感器线圈的另一端和运算放大单元连接,所述运算放大器还和电阻R2的一端以及反馈回路的一端连接,所述运算放大器和补偿模块连接,所述电阻R2的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种低成本电流传感器,其特征在于,所述激励回路还包括正弦激励模块以及电阻R1;
所述激励线圈绕在单铁芯组件上,所述激励线圈的一端和电阻R1的一端连接,所述电阻R1的另一端接地;所述激励线圈的另一端和正弦激励模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种低成本电流传感器,其特征在于,所述反馈回路还包括二次谐波提取模块、补偿模块、滤波积分模块以及电阻R3;
所述反馈线圈的一端和补偿模块以及滤波积分模块的一端连接,所述滤波积分模块的另一端和二次谐波提取模块的一端连接,所述二次谐波提取模块的另一端和互感器回路连接,所述反馈线圈的另一端和电阻R3的一端连接,所述电阻R3的另一端接地。
4.根据权利要求2所述的一种低成本电流传感器,其特征在于,所述激励回路用于当初级导体(1)有电流通过时,通过激励线圈在单铁芯组件产生二次谐波信号。
5.根据权利要求1所述的一种低成本电流传感器,其特征在于,所述互感器回路用于通过互感器线圈获取互感器线圈电流。
6.根据权利要求3所述的一种低成本电流传感器,其特征在于,所述反馈回路用于通过二次谐波提取模块提取电阻R2端的二次谐波信号,将提取的二次谐波信号通过滤波积分模块传输至反馈线圈。
7.根据权利要求1所述的一种低成本电流传感器,其特征在于,所述补偿模块用于抵消互感器线圈和反馈线圈产生的感应电压。
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