CN112230048B - 一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法，包括步骤S1：磁通门振荡电路的缠绕于磁体的线圈的一端电性连接单片机，并且单片机利用磁通门原理对磁通门振荡电路产生的脉冲波的脉冲宽度和脉冲周期进行捕捉，以作为第一阶段的占空比与对应电流的换算；步骤S2：单片机的内部建立电流查询表，电流查询表根据固定时间内的单片机的外部脉冲数量进行对应电流的查询转换。本发明公开的一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法，其使用脉冲宽度捕捉和脉冲计数两种方式混合计算，实现传感器磁通门振荡和磁饱和振荡的复合应用，可以完成量程内电流和量程外电流的测量任务。
Description
技术领域
本发明属于测量电流技术领域，具体涉及一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法。
背景技术
在进行B型剩余电流断路器控制板的设计中，为满足安规测试要求，必须要测量0～5A的直流电流，由于漏电断路保护器体积小，采用的磁芯必须小，而小磁芯由于磁芯制作用料少，很容易达到磁饱和状态，这限制了电流的测量范围，在典型的磁通门振荡滤波模拟信号输出电路中，电流与电压的转换比例是100mA对应2000mV，即1mA对应20mV，且最大量程是100mA,这也是行业普遍采用的直流剩余电流采集方式，这样一来，安规测试要求的100mA～5A之间的直流电流也就无法进行测试，只能限制在最大量程100mA位置，超过都固定为最大量程100mA的值。而本发明专利所要说明的是对于超过最大量程后的处理方法和未超过最大量程时的处理方法，两者进行互补共同处理，进行安规全量程范围内的直流剩余电流测量。
现有的通过磁通门电路进行测量电流的方法测量范围较小并且精确度不高。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法，其使用脉冲宽度捕捉(脉冲周期)和脉冲计数两种方式混合计算，实现传感器磁通门振荡(占空比计算方式)和磁饱和振荡(脉冲数量通过查询电流查询表方式)的复合应用，可以完成量程内电流(磁通门方式)和量程外电流(磁饱和方式)的测量任务。
为达到以上目的，本发明提供一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法，包括以下步骤：
步骤S1：磁通门振荡电路的缠绕于磁体的线圈的一端电性连接单片机(即U1)，并且单片机利用磁通门原理对磁通门振荡电路产生的脉冲波的脉冲宽度和脉冲周期进行捕捉，以作为第一阶段的占空比与对应电流的换算；
步骤S2：单片机的内部建立电流查询表，电流查询表根据固定时间内的单片机的外部脉冲数量(即脉冲频率)进行对应电流的查询转换；
步骤S3：单片机的内部启动定时器，以产生固定的时钟中断；
步骤S4：单片机的内部启动外部脉冲计数器，以记录磁体的方波上升沿次数并且通过定时器产生的时钟中断对外部脉冲数量(单位时间内产生的脉冲数量，即脉冲频率，单位时间优选为1.4毫秒)进行读取拷贝和清除，并且根据读取拷贝的外部脉冲数量区分电流阶段；
步骤S5：在磁通门振荡电路处于磁饱和振荡状态下烧录处理代码后的单片机将定时器产生的每个时钟中断后读取的外部脉冲数量通过建立的电流查询表转换成电流。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1中磁通门电路包括外部被测电流电路和传感器电路，所述外部被测电流电路和所述传感器电路电性连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，外部被测电流电路包括被测电压源E1、电流表A1和可调电阻RT，所述被测电压源E1的正极和负极之间串接有电流表A1和所述可调电阻RT。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述传感器电路包括缠绕线圈的磁体T1和运算放大器组成的施特密方波振荡器B1，所述被测电压源E1和所述可调电阻RT之间缠绕于磁体远离线圈的一侧。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，线圈的1管脚一路分别与所述单片机的1管脚、4管脚和5管脚电性连接，线圈的1管脚另一路和运算放大器组成的施特密方波振荡器B1的3管脚电性连接，线圈的2管脚分别与运算放大器组成的施特密方波振荡器B1的1管脚和2管脚电性连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述步骤S4具体实施为以下步骤：
步骤S4.1：处于第一阶段的电流为0-100毫安，并且换算后的振荡频率随着电流的增大(即脉冲频率)(基本稳定)为第一阶段频率(优选为700Hz)，占空比呈线性递增关系(利用磁通门原理，电流从0到100毫安，占空比从50％到70％)；
步骤S4.2：处于第二阶段的电流为100-120毫安，并且换算后的振荡频率随着电流的增大而增大(急速突变增大)，占空比下降；
步骤S4.3：处于第三阶段的电流为120-320毫安(或者更高直至5安培)，并且换算后的振荡频率随着电流的增大而增大(加速增大)，占空比(基本)维持在50％(此阶段磁体始终处于饱和状态，本发明就是利用该磁饱和振荡测量大电流)。
附图说明
图1是本发明的一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法的电流测量电路图。
图2是本发明的一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法的磁通门电路的振荡频率和线圈电流的变化图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
参见附图的图1，图1是本发明的一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法的电流测量电路图，图2是本发明的一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法的磁通门电路的振荡频率和线圈电流的变化图。
在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的磁体、脉冲和运算放大器组成的施特密方波振荡器等可被视为现有技术。
优选实施例。
本发明公开了一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法，包括以下步骤：
步骤S1：磁通门振荡电路的缠绕于磁体的线圈的一端电性连接单片机(即U1)，并且单片机利用磁通门原理对磁通门振荡电路产生的脉冲波的脉冲宽度和脉冲周期进行捕捉，以作为第一阶段的占空比与对应电流的换算；
步骤S2：单片机的内部建立电流查询表，电流查询表根据固定时间内的单片机的外部脉冲数量(即脉冲频率)进行对应电流的查询转换；
步骤S3：单片机的内部启动定时器，以产生固定的时钟中断；
步骤S4：单片机的内部启动外部脉冲计数器，以记录磁体的方波上升沿次数并且通过定时器产生的时钟中断对外部脉冲数量(单位时间内产生的脉冲数量，即脉冲频率，单位时间优选为1.4毫秒)进行读取拷贝和清除，并且根据读取拷贝的外部脉冲数量区分电流阶段；
步骤S5：在磁通门振荡电路处于磁饱和振荡状态下烧录处理代码后的单片机将定时器产生的每个时钟中断后读取的外部脉冲数量通过建立的电流查询表转换成电流。
具体的是，步骤S1中磁通门电路包括外部被测电流电路和传感器电路，所述外部被测电流电路和所述传感器电路电性连接。
更具体的是，外部被测电流电路包括被测电压源E1、电流表A1和可调电阻RT，所述被测电压源E1的正极和负极之间串接有电流表A1和所述可调电阻RT。
进一步的是，所述传感器电路包括缠绕线圈的磁体T1和运算放大器组成的施特密方波振荡器B1，所述被测电压源E1和所述可调电阻RT之间缠绕于磁体远离线圈的一侧。
更进一步的是，线圈的1管脚一路分别与所述单片机的1管脚、4管脚和5管脚电性连接，线圈的1管脚另一路和运算放大器组成的施特密方波振荡器B1的3管脚电性连接，线圈的2管脚分别与运算放大器组成的施特密方波振荡器B1的1管脚和2管脚电性连接。
优选地，所述步骤S4具体实施为以下步骤：
步骤S4.1：处于第一阶段的电流为0-100毫安，并且换算后的振荡频率随着电流的增大(即脉冲频率)(基本稳定)为第一阶段频率(优选为700Hz)，占空比呈线性递增关系(利用磁通门原理，电流从0到100毫安，占空比从50％到70％)；
步骤S4.2：处于第二阶段的电流为100-120毫安，并且换算后的振荡频率随着电流的增大而增大(急速突变增大)，占空比下降；
步骤S4.3：处于第三阶段的电流为120-320毫安(或者更高直至5安培)，并且换算后的振荡频率随着电流的增大而增大(加速增大)，占空比(基本)维持在50％(此阶段磁体始终处于饱和状态，本发明就是利用该磁饱和振荡测量大电流)。
优选地，优选地，一般的磁通门电路由被测电压源E1、电流表A1、可调电阻RT，缠绕线圈的磁体T1、运算放大器组成的施密特方波振荡器B1，频率计F1，示波器Q1组成。各电路功能如下：E1、A1、RT用于调节出需要的电流i，T1、B1组成受线圈电流i影响频率和占空比的方波振荡器，F1用于监测B1输出的方波频率，Q1用于监测B1输出的方波波形和占空比。
调节电阻RT，使电流i从小到大改变，并记录不同电流点时B1输出方波的频率和占空比，如下为电流、频率和占空比之间的变化表。
优选地，用软磁材料和方波振荡器转换电路，将被测电流i转换成方波信号的过程中有3段不同的转换特性：(1)第一段电流从0～100毫安，该段转换后的频率基本稳定在700Hz，而占空比呈线性递增关系从0～100毫安，占空比从50％递增到70％增幅为30％，且是线性递增(磁通门原理)，该段也是目前行业中普遍使用的方法，(2)第二段是过度阶段100～120毫安，频率急速突变，占空比开始下降，(3)第三段120～320毫安或更高如5安培，占空比基本维持在50％，频率随着电流增大做曲线加速递增，此阶段磁体始终处于饱和状态，本发明就是利用该磁饱和振荡测量大电流。
优选地，本发明首先利用磁通门振荡电路，使用脉冲宽度捕捉器，对振荡电路产生的脉冲波进行脉冲宽度和脉冲周期的捕捉，此路信号进行第一阶段的占空比与对应电流的换算；其次，增加一路脉冲数量计数捕捉，用于在固定一段时间内(例如取1.4mS)对振荡脉冲进行脉冲数量的计算，通过脉冲数量判断出当前电流处于3个阶段中的哪个阶段(即脉冲频率)，当处于第一阶段时，直接采用占空比进行计算，当处于第二阶段时直接设置110mA,当处于第三阶段时，根据脉冲数量进行查表，查出当前脉冲数量对应的电流值，这样可实现安规要求的0～5A测量范围。
优选地，被测电压源E1、电流表A1、可调电阻RT，是表示外部被测电流，缠绕线圈的磁体T1、运算放大器组成的施特密方波振荡器B1是做成传感器部分，HL32L110是一颗基于ARM M0内核的32位单片机，单片机与信号关联有3个脚，4脚和5脚分别是用于实现振荡脉冲的宽度和周期的捕捉，4脚用于捕捉高电平宽度，5脚用于捕捉低电平宽度，高低电平宽度之和为周期，4脚和5脚共同作为，完成第一阶段电流的捕捉计算。1脚是用于振荡脉冲计数，单片机内部设置一个1.4mS的定时器，每间隔1.4mS都会读取振荡脉冲的个数，并清0计数器，根据读取的1.4mS内振荡脉冲个数，区分电流的三个阶段，若处于第一阶段，直接使用占空比进行电流换算(磁通门振荡原理)，若处于第二阶段，直接赋予该阶段的电流，如110mA,若处于第三阶段，那么进行查表，用脉冲数量通过查表的方式，找到对应的大致电流。至此，可完成量程内电流(磁通门方式)和量程外电流(磁饱和方式)的测量任务。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的磁体、脉冲和运算放大器组成的施特密方波振荡器等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：磁通门振荡电路的缠绕于磁体的线圈的一端电性连接单片机，并且单片机利用磁通门原理对磁通门振荡电路产生的脉冲波的脉冲宽度和脉冲周期进行捕捉，以作为第一阶段的占空比与对应电流的换算；
步骤S2：单片机的内部建立电流查询表，电流查询表根据固定时间内的单片机的外部脉冲数量进行对应电流的查询转换；
步骤S3：单片机的内部启动定时器，以产生固定的时钟中断；
步骤S4：单片机的内部启动外部脉冲计数器，以记录磁体的方波上升沿次数并且通过定时器产生的时钟中断对外部脉冲数量进行读取拷贝和清除，并且根据读取拷贝的外部脉冲数量区分电流阶段；
步骤S5：在磁通门振荡电路处于磁饱和振荡状态下烧录处理代码后的单片机将定时器产生的每个时钟中断后读取的外部脉冲数量通过建立的电流查询表转换成电流；
步骤S1中磁通门电路包括外部被测电流电路和传感器电路，所述外部被测电流电路和所述传感器电路电性连接；
外部被测电流电路包括被测电压源E1、电流表A1和可调电阻RT，所述被测电压源E1的正极和负极之间串接有电流表A1和所述可调电阻RT；
所述传感器电路包括缠绕线圈的磁体T1和运算放大器组成的施特密方波振荡器B1，所述被测电压源E1和所述可调电阻RT之间缠绕于磁体远离线圈的一侧；
调节电阻RT，使电流i从小到大改变，并记录不同电流点时施特密方波振荡器B1输出方波的频率和占空比；将被测电流i转换成方波信号的过程中有3段不同的转换特性：
(1)第一段电流从0～100毫安，该段转换后的频率稳定在700Hz，而占空比呈线性递增关系从0～100毫安，占空比从50％递增到70％，增幅为20％，且是线性递增；
(2)第二段是过度阶段100～120毫安，频率急速突变，占空比开始下降；
(3)第三段120～320毫安或更高，占空比维持在50％，频率随着电流增大做曲线加速递增，此阶段磁体始终处于饱和状态，从而利用该磁饱和振荡测量电流；
利用磁通门振荡电路，使用脉冲宽度捕捉器，对振荡电路产生的脉冲波进行脉冲宽度和脉冲周期的捕捉，此路信号进行第一阶段的占空比与对应电流的换算；其次，增加一路脉冲数量计数捕捉，用于在固定一段时间内对振荡脉冲进行脉冲数量的计算，通过脉冲数量判断出当前电流处于3个阶段中的哪个阶段，当处于第一阶段时，直接采用占空比进行计算，当处于第二阶段时直接设置110mA，当处于第三阶段时，根据脉冲数量进行查表，查出当前脉冲数量对应的电流值，实现安规要求的0～5A测量范围。
2.根据权利要求1所述的一种复合磁通门振荡和磁饱和振荡测量电流的方法，其特征在于，线圈的1管脚一路分别与所述单片机的1管脚、4管脚和5管脚电性连接，线圈的1管脚另一路和运算放大器组成的施特密方波振荡器B1的3管脚电性连接，线圈的2管脚分别与运算放大器组成的施特密方波振荡器B1的1管脚和2管脚电性连接。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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