CN115684701B - 一种基于微差解调的高分辨率宽量程磁调制式直流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微差解调的高分辨率宽量程磁调制式直流传感器，其由磁平衡型复合磁体结构、激励解调单元、负反馈单元和信号输出单元构成。本发明结合了传统磁调制器的闭环结构与开环结构，依据激励解调单元输出的开环测量结果来自适应切换闭环与开环测量模式，电流传感器的测量量程覆盖微安级至百毫安级；同时在闭环负反馈测量结果中，利用开环结构额外检测负反馈电流与一次电流的微差电流，从而对闭环负反馈测量结果进行修正与补偿，提高大直流泄漏电流的测量分辨率与准确性，为绝缘状态监测等智能电网高级应用奠定数据基础。

Description

一种基于微差解调的高分辨率宽量程磁调制式直流传感器

技术领域

本发明涉及电气测量领域，更具体地，涉及一种基于微差解调的高分辨率宽量程磁调制式直流传感器。

背景技术

近些年来，随着电子工艺水平的进步，电力设备也随之得到了迅猛的发展。然而，电力设备想进行安全稳定的工作，需要对其电路中的电压，电流，功率等参数进行准确实时的测量。其中非接触式微弱直流电流传感器作为重要的传感设备之一，被广泛用于电力设备、仪器仪表等系统状态监测中。

微弱直流泄露电流是仪器仪表、套管阀门等电气设备的状态实时监测的关键指标之一。然而，直流泄露电流波动范围大，可从状态良好时的微安级增大至状态劣化时的百毫安级，这对非接触式直流传感器的分辨率提出了严苛的需求。此外，状态故障定位也依赖于直流电流传感器,传感器精度越高、量程越大，故障的检测范围就越大，反映的劣化趋势越精确。目前较为成熟的电流传感器依据原理不同可以分为：霍尔电流传感器，光学电流传感器，磁阻式电流传感器与磁调制式电流传感器。其中磁调制式电流传感器具有高分辨率、高灵敏度和高精确的特点，因此广泛应用于弱电流测量。

磁调制式电流传感器可分为闭环结构与开环结构，闭环结构适用于大电流测量，而开环结构更适用于微弱电流测量。但是，开环结构磁调制式电流传感器受制于磁芯的磁特性，其测量量程较窄。在实现微安级电流准确测量的情况下，测量量程仅能到数毫安级，无法到达百毫安级，无法满足直流泄漏电流的测量需求。因此，亟需一种新型高分辨率宽量程电流传感器，测量量程覆盖微安级至百毫安级，进一步提高直流泄露电流的测量准确性，为绝缘状态监测等智能电网高级应用奠定数据基础。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于微差解调的高分辨率宽量程直流传感器，旨在准确测量波动范围大的直流泄露电流，为电力系统仪器仪表状态评估方法奠定数据基础，保障电力系统正常稳定运行。

本发明提供一种基于微差解调的高分辨率宽量程直流传感器，包括磁平衡型复合磁体结构、激励解调单元、负反馈单元与信号输出单元；

所述磁平衡型复合磁体结构包括聚磁磁体、负反馈绕组与磁调制式结构组成，所述磁平衡型复合磁体结构呈封闭圆环状，圆环内侧供一次待测直流电流通过；

所述聚磁磁体由多只圆环形封闭磁芯构成，多只圆环形封闭磁芯形成内部中空结构，所述聚磁磁体上均匀绕有所述负反馈绕组，所述负反馈绕组在所述负反馈单元的作用下向所述磁调制式结构中施加负反馈直流电流用于平衡一次待测直流电流；

所述磁调制式结构内嵌于高频交流平衡磁体中空结构中，用于检测一次待测直流电流；

所述激励解调单元用于给所述磁调制式结构提供方波激励信号，使所述磁调制式结构处于正常工作状态，并对所述磁调制式结构的输出电压信号进行模数转换与信号解调，最后将信号解调结果传输至负反馈单元与信号输出单元；

所述负反馈单元接收到所述激励解调单元输出的信号解调结果后，首先进行负反馈控制判断，依据判断结果计算预期负反馈电压值，最后通过限流电阻向所述负反馈绕组中输出负反馈直流电流；

所述信号输出单元用于采集所述负反馈单元中所述限流电阻的电压值，并结合所述激励解调单元的信号解调结果，最终计算获得信号电流测量值。

本发明提供的一种基于微差解调的高分辨率宽量程直流传感器，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供的基于微差解调的高分辨率宽量程磁调制式直流传感器结合了传统磁调制器的闭环结构与开环结构，可依据直流待测电流幅值自适应调节测量模式，从而拓宽磁调制式电流传感器的测量量程，提高对直流泄露电流的检测能力。

2、本发明提供的基于微差解调的高分辨率宽量程磁调制式直流传感器在面向大电流测量的闭环反馈结构中，通过开环结构额外检测负反馈电流与一次电流的微差电流，从而对闭环反馈测量结果进行修正与补偿，从而提高大直流泄漏电流的测量分辨率与准确性，为绝缘状态监测等智能电网高级应用奠定数据基础。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于微差解调的高分辨率宽量程直流传感器的结构示意图。

附图中，各标号所代表的元件或结构为：

1、聚磁磁体，2、负反馈绕组，3、磁调制器磁芯，4、激励绕组，5、检测绕组，6、方波激励源，7、信号采集模块，8、信号解调模块，9、负反馈调控模块，10、PID控制模块，11、受控电压模块，12、限流电阻，13、电压采集模块，14、信号合成处理模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，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，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明的目的在于提供一种基于微差解调的高分辨率宽量程磁调制式直流传感器，旨在准确测量波动范围大的直流泄露电流，为电力系统仪器仪表状态评估方法奠定数据基础，保障电力系统正常稳定运行。

为实现上述目的，本发明提供一种基于微差解调的高分辨率宽量程直流传感器，如图1所示，基于微差解调的高分辨率宽量程直流传感器包括磁平衡型复合磁体结构、激励解调单元、负反馈单元与信号输出单元。

其中，磁平衡型复合磁体结构包括聚磁磁体1、负反馈绕组2与磁调制式结构组成，所述磁平衡型复合磁体结构呈封闭圆环状，圆环内侧供一次待测直流电流通过。

所述聚磁磁体1由多只圆环形封闭磁芯构成，多只圆环形封闭磁芯形成内部中空结构，所述聚磁磁体1上均匀绕有所述负反馈绕组2，所述负反馈绕组2在所述负反馈单元的作用下向所述磁调制式结构中施加负反馈直流电流用于平衡一次待测直流电流。在本发明实施例中，聚磁磁体1由四只圆环形封闭磁芯构成，四只圆环形封闭磁芯形成内部中空结构，所述聚磁磁体1上均匀绕有所述负反馈绕组2，所述负反馈绕组2的匝数为 N _s匝。

所述磁调制式结构内嵌于高频交流平衡磁体中空结构中，用于检测一次待测直流电流。

所述激励解调单元用于给所述磁调制式结构提供方波激励信号，使所述磁调制式结构处于正常工作状态，并对所述磁调制式结构的输出电压信号进行模数转换与信号解调，最后将信号解调结果传输至负反馈单元与信号输出单元。

所述负反馈单元接收到所述激励解调单元输出的信号解调结果后，首先进行负反馈控制判断，依据判断结果计算预期负反馈电压值，最后通过限流电阻12向所述负反馈绕组2中输出负反馈直流电流。

所述信号输出单元用于采集所述负反馈单元中所述限流电阻12的电压值，并结合所述激励解调单元的信号解调结果，最终计算获得信号电流测量值。

其中，聚磁磁体1由高磁导率、低饱和强度的软磁材料构成，用于聚合磁力线，以提高直流测量的灵敏度。磁调制式结构包括2只磁调制器磁芯3、激励绕组4与检测绕组5，激励绕组4与检测绕组5均匀绕制在磁调制式结构的2只磁调制器磁芯3上，且激励绕组4与检测绕组5反向串接。

其中，激励解调单元包括方波激励源6、信号采集模块7和信号解调模块8；方波激励源6由高性能整流电路组成，其输出基波角频率为，为正负严格对称的方波电压源，通过所述激励绕组4使所述磁调制式结构的2只磁调制器磁芯3处于交替正负饱和状态，以使所述磁调制式结构处于正常工作状态；信号采集模块7由高精度模数转换设备构成，用于将所述磁调制式结构中所述检测绕组5的输出电压转换成数字信号U_D，并将数字信号U_D传输至所述信号解调模块8；信号解调模块8对所述信号采集模块7输出的数字信号U_D进行信号分析与解调，并将直流电流解调值分别传输至所述负反馈单元与所述信号输出单元。

可理解的是，信号解调模块8对信号采集模块7输出的数字信号U_D进行信号分析与解调，包括：

S1、对所述信号采集模块7输出的数字信号U_D进行加窗傅里叶分析，其表达式为：

其中， WF为窗函数。

S2、提取输出电压U_D的二次谐波电压分量幅值U₂与相位，结合所述磁调制式结构的比例系数 K，初步获取直流电流解调值 I _dc ；

                   (2)；

其中，比例系数 K与所述磁调制式结构的参数相关；

S3、将直流电流解调值 I _dc 传输至所述负反馈单元与所述信号输出单元。

作为实施例，负反馈单元包括负反馈调控模块9、PID控制模块10和受控电压模块11与限流电阻12；负反馈调控模块9接收所述信号解调模块8输出的直流电流解调值 I _dc ，依据直流电流解调值 I _dc 的幅值获取调控指令 C _d ，并将调控指令与直流电流解调值 I _dc 输出至PID控制模块10。

调控指令 C _d 的计算方式为：

                 (3)；

其中， I _L 为负反馈启动阈值。

其中，PID控制模块10基于信号解调模块8输出的直流电流解调值 I _dc 与调控指令 C _d ，计算负反馈单元需要输出的负反馈电压U_n，其表达式为：

   (4)；

式中，R为限流电阻12的阻值， Ns为负反馈绕组2匝数； Kp、 T _i 与为PID控制参数。

受控电压模块11由高性能电源芯片构成，其在所述PID控制模块10的控制下，输出准确稳定的负反馈电压U_n。

作为实施例，信号输出单元包括电压采集模块13和信号合成处理模块14；电压采集模块13由高精度模数转换设备构成，用于将负反馈单元中限流电阻12的采样电压值转换成数字信号U_R，并将数字电压信号U_R传输至信号合成处理模块14；信号合成处理模块14依据数字电压信号U_R与直流电流解调值 I _dc ，计算获取最终的电流测量值 I _m ，其表达式为：

                    (5)。

本发明结合了传统磁调制器的闭环结构与开环结构，可依据直流待测电流幅值自适应调节测量模式，从而拓宽磁调制式电流传感器的测量量程，提高对直流泄露电流的检测能力。此外，在面向大电流测量的闭环反馈结构中，通过开环结构额外检测负反馈电流与一次电流的微差电流，从而对闭环反馈测量结果进行修正，提高了大直流泄漏电流的测量分辨率与准确性，为绝缘状态监测等智能电网高级应用奠定数据基础。

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于微差解调的高分辨率宽量程直流传感器作进一步说明，图1为本发明提供的基于微差解调的高分辨率宽量程磁调制式直流传感器的结构示意图，包括磁平衡型复合磁体结构、激励解调单元、负反馈单元与信号输出单元四部分。磁平衡型复合磁体结构包括聚磁磁体1、负反馈绕组2、磁调制器磁芯3、激励绕组4与检测绕组5；激励解调单元包括方波激励源6、信号采集模块7与信号解调模块8；负反馈单元包括负反馈调控模块9、PID控制模块10、受控电压模块11与限流电阻12；信号输出单元包括电压采集模块13和信号合成处理模块14。

在本实施例中，负反馈启动阈值被定义为1 mA，同时一次待测直流电流被定义成0.8 mA。

此时，信号采集模块7将磁调制式结构检测绕组4的输出电压转换成数字信号U_D，信号解调模块8对数字信号U_D进行加窗傅里叶分析，窗函数可定义为汉宁窗，获取二次谐波电压分量幅值U₂与相位。由于一次待测直流为正值，因而相位将大于0，因此直流电流解调值 I _dc =0.8 mA。

直流电流解调值 I _dc 被传输至负反馈调控模块9，由于直流电流解调值 I _dc 小于负反馈启动阈值 I _L ，因而调控指令 C _d  =0，PID控制模块10输出的负反馈电压 U _n =0，因此负反馈绕组2中无电流通过，限流电阻的采样电压值U_R=0。

因此，信号合成处理模块14依据电压信号U_R与直流电流解调值 I _dc ，计算获取最终的电流测量值 I _m =0.8 mA。

在另一个可选实施例中，负反馈启动阈值 I _L 被定义为1 mA，同时一次待测直流电流被定义成100 mA，限流电阻R=10Ω；

此时，信号采集模块7将磁调制式结构检测绕组5的输出电压转换成数字信号U_D，信号解调模块8对数字信号U_D进行加窗傅里叶分析，窗函数可定义为汉宁窗，获取二次谐波电压分量幅值U₂与相位。由于一次待测直流为正值，因而相位将大于0。由于一次待测电流值较大，依据磁芯的磁特性，初次计算得到的直流电流解调值存在较大误差，并不会严格等于100 mA，假定此时 I _dc =80 mA。

直流电流解调值 I _dc 被传输至负反馈调控模块9，由于直流电流解调值 I _dc 大于负反馈启动阈值 I _L ，因而调控指令 C _d  =1，PID控制模块10输出的负反馈电压U_n≠0，因此负反馈绕组中有负反馈电流通过，负反馈电流与一次待测直流电流产生的磁场相互抵消。

经过多次反馈计算后，负反馈电流到达稳定值，直流电流解调值 I _dc =1 mA,，此时限流电阻的采样电压值U_R=990 mV。

因此，信号合成处理模块依据电压信号U_R与直流电流解调值 I _dc ，计算获取最终的电流测量值。

本发明的基于微差解调的高分辨率宽量程磁调制式直流传感器可实现微安级至毫安级的直流泄露电流准确测量，拓宽了传统磁调制式电流传感器的弱电流测量量程，提高对直流泄露电流的测量能力，为绝缘状态监测等智能电网高级应用奠定数据基础。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于微差解调的高分辨率宽量程磁调制式直流传感器，其特征在于，包括磁平衡型复合磁体结构、激励解调单元、负反馈单元与信号输出单元；

所述磁平衡型复合磁体结构包括聚磁磁体、负反馈绕组与磁调制式结构，所述磁平衡型复合磁体结构呈封闭圆环状，圆环内侧供一次待测直流电流通过；

所述聚磁磁体由多只圆环形封闭磁芯构成，多只圆环形封闭磁芯形成内部中空结构，所述聚磁磁体上均匀绕有所述负反馈绕组，所述负反馈绕组在所述负反馈单元的作用下向所述磁调制式结构中施加负反馈直流电流用于平衡一次待测直流电流；

所述磁调制式结构内嵌于高频交流平衡磁体中空结构中，用于检测一次待测直流电流；

所述激励解调单元用于给所述磁调制式结构提供方波激励信号，使所述磁调制式结构处于正常工作状态，并对所述磁调制式结构的输出电压信号进行模数转换与信号解调，最后将信号解调结果传输至负反馈单元与信号输出单元；

所述负反馈单元接收到所述激励解调单元输出的信号解调结果后，首先进行负反馈控制判断，依据判断结果计算预期负反馈电压值，最后通过限流电阻向所述负反馈绕组中输出负反馈直流电流；

其中，所述负反馈单元接收所述激励解调单元输出的直流电流解调值I _dc ，依据直流电流解调值I _dc 的幅值获取调控指令C _d ，并将调控指令与直流电流解调值I _dc 输出至所述负反馈单元中的PID控制模块；

所述调控指令C _d 的计算方式为：

              (3)；

其中，I _L 为负反馈启动阈值；

所述信号输出单元用于采集所述负反馈单元中所述限流电阻的电压值，并结合所述激励解调单元的信号解调结果，最终计算获得信号电流测量值。

2.根据权利要求1所述的磁调制式直流传感器，其特征在于，所述聚磁磁体由高磁导率、低饱和强度的软磁材料构成，用于聚合磁力线，以提高直流测量的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的磁调制式直流传感器，其特征在于，所述磁调制式结构包括2只磁调制器磁芯、激励绕组与检测绕组，所述激励绕组与所述检测绕组均匀绕制在所述磁调制式结构的2只磁调制器磁芯上，且所述激励绕组与所述检测绕组反向串接。

4.根据权利要求3所述的磁调制式直流传感器，其特征在于，所述激励解调单元包括方波激励源、信号采集模块和信号解调模块；

所述方波激励源由高性能整流电路组成，其输出基波角频率为，为正负严格对称的方波电压源，通过所述激励绕组使所述磁调制式结构的2只磁调制器磁芯处于交替正负饱和状态，以使所述磁调制式结构处于正常工作状态；

所述信号采集模块由高精度模数转换设备构成，用于将所述磁调制式结构中所述检测绕组的输出电压转换成数字信号U_D，并将数字信号U_D传输至所述信号解调模块；

所述信号解调模块对所述信号采集模块输出的数字信号U_D进行信号分析与解调，并将直流电流解调值分别传输至所述负反馈单元与所述信号输出单元。

5.根据权利要求4所述的磁调制式直流传感器，其特征在于，所述信号解调模块对所述信号采集模块输出的数字信号U_D进行信号分析与解调，包括：

S1、对所述信号采集模块输出的数字信号U_D进行加窗傅里叶分析，其表达式为：

其中，WF为窗函数；

S2、提取输出电压U_D的二次谐波电压分量幅值U₂与相位，结合所述磁调制式结构的比例系数K，初步获取直流电流解调值I _dc ；

              (2)；

其中，比例系数K与所述磁调制式结构的参数相关；

S3、将直流电流解调值I _dc 传输至所述负反馈单元与所述信号输出单元。

6.根据权利要求1所述的磁调制式直流传感器，其特征在于，所述负反馈单元包括负反馈调控模块、PID控制模块和受控电压模块与限流电阻；

所述负反馈调控模块将调控指令与直流电流解调值I _dc 输出至PID控制模块；

所述PID控制模块基于直流电流解调值I _dc 与调控指令C _d ，计算所述负反馈单元需要输出的负反馈电压U_n，其表达式为：

   (4)；

式中，R为限流电阻的阻值，Ns为负反馈绕组匝数；Kp、T _i 与为PID控制参数；

所述受控电压模块由高性能电源芯片构成，其在所述PID控制模块的控制下，输出准确稳定的负反馈电压U_n。

7.根据权利要求6所述的磁调制式直流传感器，其特征在于，所述信号输出单元包括电压采集模块和信号合成处理模块；

所述电压采集模块由高精度模数转换设备构成，用于将所述负反馈单元中所述限流电阻的采样电压值转换成数字信号U_R，并将数字电压信号U_R传输至所述信号合成处理模块；

所述信号合成处理模块依据数字电压信号U_R与直流电流解调值I _dc ，计算获取最终的电流测量值I _m ，其表达式为：

                  (5)。

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