CN116203300A - 一种钳形电流表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钳形电流表，包括钳头铁芯，钳头铁芯的线圈与待测导线构成电流互感器，钳头铁芯的线圈形成电流互感器的二次侧线圈，还包括采集与处理单元，采集与处理单元中存储有所述钳形电流表预先测量标准电流源输出电流时得到的N个第一测量结果I _4.N ，以及N个第一测量结果I _4.N 各自对应的校准系数K _N，采集与处理单元采集获取二次侧线圈感测产生的感测电流，再基于感测电流，结合第一测量结果及校准系数，得到待测导线的电流值。本发明能够准确计算得到待测导线的电流值，具有测量精度高的优点。

Description

一种钳形电流表

技术领域

本发明涉及钳形电流表领域，具体是一种钳形电流表。

背景技术

钳形电流表是常用的电流测量装置，现有的钳形电流表包括钳头铁芯和电流表，钳头铁芯绕制有线圈并与待测导线构成电流互感器，由线圈感测待测导线的电流从而产生感应电流，由电流表得到感测电流的读数作为待测导线电流的测量值。使用钳形电流表在进行电流测量时，无需断开被测电路，就能够实现导线或母排中流过电流的测量，特别适用于不方便断开线路或不允许停电的场合，在电力、交通和汽修等行业有着广泛应用。

但是，钳形电流表受到励磁电流、漏磁通、数字处理电路元器件精确度不足和元器件受温度影响等因素的影响，使得钳形电流表的测量精度普遍不高，一般为2.5-5级，限制了钳形表的使用范围，通常只能使用在对测量精度要求不高的场合。

发明内容

本发明提供了一种钳形电流表，以解决现有技术钳形电流表存在的测量精度不高的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种钳形电流表，包括钳头铁芯，所述钳头铁芯绕制有线圈，由钳头铁芯的线圈与待测导线构成电流互感器，其中待测导线形成电流互感器的一次侧线圈、钳头铁芯的线圈形成电流互感器的二次侧线圈，还包括采集与处理单元，所述采集与处理单元中存储有所述钳形电流表预先测量标准电流源输出电流时得到的W个第一测量结果，其中第n个测量结果记为I_4.n，以及N个第一测量结果各自对应的校准系数，其中第n个第一测量结果对应的参考系数记为K_n，其中N≥1，1≤n≤N；

所述二次侧线圈感测待测导线的电流并产生相应感测电流，所述采集与处理单元采集获取二次侧线圈感测产生的感测电流，再基于所述感测电流，结合第一测量结果及校准系数，得到待测导线的电流值。

进一步的，所述钳头铁芯为坡莫合金材料制成。

进一步的，所述采集与处理单元包括采样电阻、模数转换器、处理器，所述采样电阻与二次侧线圈并联，所述模数转换器的输入端与采样电阻连接，模数转换器的输出端与处理器连接，由采样电阻将二次侧线圈产生的感测电流转换为相应的感测电压，由模数转换器将感测电压转换为数字量并传输至处理器，所述处理器基于采样电阻的阻值、感测电压的大小计算得到二次侧线圈产生的感测电流。

进一步的，所述钳形电流表预先测量标准电流源时，按100-1000倍步长采集所述标准电流源输出电流，得到第n个第一测量结果I_4.n。

进一步的，采用映射法基于所述感测电流、第一测量结果及校准系数得到待测导线的电流值，过程如下：

首先由采集与处理单元将获取的二次侧线圈感测产生的感测电流，与所述第一测量结果进行比对，当比对得到所述感测电流等于第一测量结果中的任意一个数值I_4.n时，由采集与处理单元通过以下公式计算得到待测导线的电流值：

I_x.n＝I_4.n/K_n，

其中，I_x.n为待测导线的电流值。

进一步的，采用插值法基于所述感测电流、第一测量结果及校准系数得到待测导线的电流值。

进一步的，所述插值法为抛物插值法。

进一步的，采用抛物插值法得到待测导线的电流值的过程如下：

首先由采集与处理单元将获取的二次侧线圈感测产生的未修正的原始的感测电流I₄，然后由采集与处理单元找到小于所述感测电流I₄并最靠近所述感测电流I₄的第一测量结果中的数值I_4.a，以及大于所述感测电流I₄并最靠近所述感测电流I₄的第一测量结果中的数值I_4.b，以及大于所述感测电流I₄并且第二靠近所述感测电流I₄的第一测量结果中的数值I_4.c，以及数值I_4.a、I_4.b、I_4.c各自对应的校准系数K_a、K_b、K_c；

接着，由采集与处理单元基于以下公式计算得到钳形电流表的总校准系数K：

最后，由采集与处理单元基于以下公式计算得到待测导线的电流值I：

I＝I₄/K。

与现有技术相比，本发明根据电流互感器中二次侧线圈产生的感测电流，结合预先测量并存储的标准电流源输出电流时得到的第一测量结果及其各自对应的校准系数，能够准确计算得到待测导线的电流值，最终得到的电流测量值克服了励磁电流、漏磁通、数字处理电路元器件精确度不足和元器件受温度影响等因素的影响，具有测量精度高的优点。

附图说明

图1是本发明实施例一结构示意图。

图2是本发明实施例一等效电路图。

图3是本发明实施例二中验证测试电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种钳形电流表，包括本体1，本体1上安装有钳头铁芯2，钳头铁芯2分为两个部分，其中一个部分为固定段2.1，固定段2.1固定于本体1，另外一个部分为活动段2.2，活动段2.2连接有手柄3，手柄3转动安装于本体1的侧部，由此钳头铁芯2的活动段2.2可转动至与固定段2.1之间端对端对合以及相互分离(如图2中虚线所示)。在固定段2.1和活动段2.2均绕制有线圈，使用时可通过固定段2.1、活动段2.2之间形成的钳口将待测导线5夹住，由此待测导线与钳头铁芯2构成电流互感器，电流互感器中待测导线形成一次侧线圈、钳头铁芯2的线圈形成二次侧线圈。本体1内部设有采集与处理单元，其中采集与处理单元包括采样电阻R、模数转换器A/DC、处理器MPU，本体1表面设置有LCD屏4。

如图2所示，采样电阻R与二次侧线圈即钳头铁芯2的线圈相互并联，模数转换器A/DC的输入端与采样电阻R两端连接，模数转换器A/DC的输出端与处理器MPU的输入端连接，处理器MPU的输出端与LCD(即本实施例的LCD屏4)连接。

本实施例中，钳头铁芯及其线圈的作用为获取待测导线上的待测电流i，并将待测导线上的电流i按比例缩小为电流i₂，其变比为N，即

采样电阻R作用为将电流i₂转换为u₂，以供模数转换器A/DC处理。模数转换器A/DC作用为将模拟量u₂转换为数字量u₃，以供处理器MPU进行处理。处理器MPU可根据处理速度需要采用单片机或DSP等智能芯片，作用为分析、运算和处理数字量u₃，将测量结果尽可能快速、精确的传送到LCD屏。LCD屏作用为正确显示由处理器处理得到的待测导线的电流数值。

本实施例中，基于电流互感器原理，当待测导线上有待测电流i时，在二次侧线圈上产生缩小的感测电流i₂，该感测电流被采样电阻R转换为电压u₂后，经模数转换器A/DC转换为数字量送入处理器MPU，由此处理器MPU可根据采样电阻的大小、电压u₂的大小计算得到感测电流i₂。

实施例二

本实施例公开了实施一所述钳形电流表的电流测量原理，说明如下。

如图2所示，钳头铁芯及其线圈实际上与待测导线构成电流互感器，待测导线相当于电流互感器一次侧线圈，钳头铁芯及其线圈构成电流互感器二次侧线圈，根据电流互感器磁动势平衡原理可知有公式(1)：

式中，

为电流互感器一次侧线圈的待测电流，即实施例一中待测导线上的待测电流；/>

为电流互感器二次侧线圈上的感测电流，即实施例一中钳头铁芯线圈产生的感测电流；N1为互感器一次侧线圈匝数，N2为互感器二次侧线圈匝数。该电流流入钳形电流表的数字处理电路，经过一系列处理，最终将该电流按照某种数值关系显示在钳形表的LCD显示屏上；/>

为该电流互感器的励磁电流。

由式(1)可见，由于励磁电流

的存在，待测电流/>

与二次侧电流/>

并不严格成正比关系。除了受到励磁电流的影响，钳头漏磁通和钳口部分夹持不紧而使铁芯部分不能闭合等因素都会对钳形电流表的测量精度造成不利影响。

此外除了钳头部分引入的误差外，钳形电流表的数字处理电路的电子元器件误差、零漂和电磁干扰等因素也会带来误差，造成钳形电流表的准确性降低。

为了使所设计的钳形电流表精度能够达到0.5级或者更高精度，将实施例一的钳形电流表的钳头铁芯使用坡莫合金铁芯，所有电阻、电感和电容等电子元器件均使用高质量元件。

钳头铁芯采用坡莫合金铁芯后按图3所示的测试电路进行验证。在图3中采用精度为0.05级的标准电流源7，作用为给实施例一的钳形电流表6提供尽可能精确的待测电流，并采用精度为0.05级的标准电流表A进行测量，进一步保证标准电流源7提供的电流的精确度满足精度要求。标准电流源7和标准电流表A的精度最少要比实施例一设计的钳形电流表6目标精度高一个量级，这里所设计的钳形电流表6目标精度为0.5级，所以标准电流源7和标准电流表A的精度至少要达到0.2级，当然精度越高越好，这里试验选用的标准电流源7和标准电流表A的精度为0.05级。

为了消除随机误差的影响，应该采用多次测量取平均值的方法，这里试验将标准电流源7读数、标准电流表A测量读数和实施例一的钳形电流表6测量读数各记录10次取平均值，将测量数据列在表1中。

表1实验测量表

表1中第一列为标准电流源7测量10次读数的平均值，第二列为标准电流表A测量10次读数的平均值，第四列为钳形电流表6测量10次读数的平均值，当标准电流源7自身读数与标准电流表A测量读数不相同时，无法判断是标准电流源7的自身误差造成的、还是标准电流表A的测量误差引起的，所以取两者的平均值，第三列为标准电流源7读数与标准电流表A测量读数的平均值，将该值作为钳形电流表所测量的实际电流值。

由表1可以看出，尽管将实施例一的钳形电流表6的钳头铁芯使用坡莫合金铁芯，所有电阻、电感和电容等电子元器件使用了高质量元件，在钳形电流表6所测量的19组数据中，有13组能够满足0.5级的精度要求，另外6组测量不能满足0.5级的精度要求。由此可见，由于影响实施例一钳形电流表6测量精度的因素非常多，单纯在硬件设计上采取方法很难使实施例一钳形电流表的测量精度达到0.5级，更不用说更高精度要求了。

本实施例中，为了有效减小上述因素对钳形电流表造成的测量误差，使钳形表的测量精度有明显提升，可在采集与处理单元的处理器中通过软件方法来进一步提升测量精度。具体可采用映射法、插值法来提高测量精度，说明如下。

1、在处理器中采用映射法

映射法即为将钳形电流表6测量范围内的电流等分为N份，分别记为I₁、I₂、I₃、……、I_N-1、I_N。以精度为0.05级为例，使用精度为0.05级的标准电流源7输出N份电流，分别记为I_1.1、I_1.2、I_1.3、……、I_1.N-1、I_1.N；使用精度为0.05级的标准电流表A测量标准电流源7输出N份电流，测量结果分别记为I_2.1、I_2.2、I_2.3、……、I_2.N-1、I_2.N。将标准电流源7输出的电流I_1.1、I_1.2、I_1.3、……、I_1.N-1、I_1.N和标准电流表A的测量电流I_2.1、I_2.2、I_2.3、……、I_2.N-1、I_2.N的对应电流取平均值，分别记为I_3.1、I_3.2、I_3.3、……、I_3.N-1、I_3.N。并使用实施例一所述的钳形电流表6逐一测量标准电流源A输出N份电流得到第一测量结果，将第一测量结果分别记为I_4.1、I_4.2、I_4.3、……、I_4.N-1、I₄._N。

计算I_4.1/I_3.1、I_4.2/I_3.2、I_4.3/I_3.3、......、I_4.N-1/I_3.N-1、I_4.N/I_3.N的数值得到校准系数，校准系数分别记为K₁、K₂、K₃、……、K_N-1、K_N，即K₁＝I_4.1/I_3.1、K₂＝I_4.2/I_3.2、K₃＝I_4.3/I_3.3、......、K_N-1＝I_4.N-1/I_3.N-1、K_N＝I_4.N/I_3.N。

为了消除上述数据的随机误差，上述电流的发生与测量均需要多次发生与测量；将第一测量结果中的电流值I_4.1、I_4.2、I_4.3、……、I_4.N-1、I_4.N和校准系数K₁、K₂、K₃、……、K_N-1、K_N储存到钳形电流表6的处理器MPU的只读存储器中。

表2为钳形表电流表6在典型测量值时校准系数K的计算值，其中第二列为标准电流源7与标准电流表A平均电流值，第三列为未使用校准系数校准前钳形电流表6读数，第四列为计算出的校准系数；其中第三列和第四列数据储存在处理器的只读储存器中，等待处理器调用。

表2映射法表

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当使用该钳形电流表6测量某未知待测导线上的电流时，经过前置硬件处理，处理器得到二次侧线圈的感测电流，将该感测电流与第一测量结果中的电流数值经过比对，发现该感测电流数值等于第一测量结果中任意一个电流值I_4.N，本实施例以等于I_4.1为例进行说明，此时处理器并不在钳形电流表6显示屏上显示电流值I_4.1，而是显示I_4.1与其对应校准系数的比值即I_4.1/K₁，也即为电流I_3.1的数值，很明显，由于I_3.1的数值是满足精度要求0.05级的，此时钳形电流表6测量待测导线上的电流，显示的电流为I_3.1，那么钳形电流表6的测量精度也是0.05级。

由此可见，当使用该钳形电流表6测量待测导线上任意未知的电流I_x.n时，首先根据感测电流在第一测量结果中进行比对，找到与感测电流相同的第一测量结果中的电流I_4.n，以及对应的校准系数K_n，然后按以下公式进行计算：

I_x.n＝I_4.n/K_n，

最终得到的计算结果I_x.n即为钳形电流表6测量的待测导线的电流值，该钳形电流表6是可以满足0.5级精度要求的。当标准电流源7、标准电流表A为其他更高等级时，相应的I_1.1、I_1.2、I_1.3、……、I_1.N-1、I_1.N以及I_2.1、I_2.2、I_2.3、……、I_2.N-1、I_2.N为更高等级，计算得到的平均值I_3.1、I_3.2、I_3.3、……、I_3.N-1、I_3.N为更高等级，同样得到的K₁、K₂、K₃、……、K_N-1、K_N也能够具有跟高等级，因此本实施例通过在处理器中采用映射法，同样可实现达到其他级别精度的要求。其中，N为定值，是用N个点测量范围分开，例如把1～5A量程的钳形表分成1A、2A、3A、4A、5A，那么N＝5；而n代表变量，在这里就分别取1、2、3、4、5。

2、当映射法无法直接找到对应电流时，在处理器中采用映射法并结合差值法获得电流。

理论上，N的数值越大，钳形电流表6量程范围内的电流被分成的份数越多，两个相邻电流值之间间隔数值就越小，在测量未知待测导线的电流I_x.n时，就越容易直接找到与之对应的流值I_3.n，而不需要进行任何数据处理，钳形电流表6的测量精度也就越高。但是，以测量范围为0-10A、精度为0.5级、分辨率为0.00001A的钳形电流表为例，需要测量的电流值为1000000个，存储在只读存储器中的校准系数值为1000000个；如果电流测量范围更广，要求的精度更高、分辨率更高，那么需要测量的电流值和存储的校准系数值更多，带来工作量大、对于处理器只读存储器要求高，且对精度提升作用不大的缺点。因此，可以测量部分电流值、计算相应的校准系数，采用插值法计算待测电流介于两个存储电流值之间的待测电流数值。

插值法方法很多，为了保证钳形电流表的测量速度，首选计算量较小的算法，可以将采用该算法的钳形表与更高精度的电流表做精度比较，如果精度能够满足要求，则可以采用该插值算法，如果精度不能满足要求，则应该采用精度更高的插值算法。这里仅举例抛物插值算法，以及将采用该算法的钳形表做精度验证，观察其精度是否可以满足要求。

根据抛物插值算法，钳形电流表6读数的总的校准系数K可由(2)式求得：

在(2)式中：

K为钳形电流表读数的总的校准系数；

I₄为钳形电流表测出的未修正的原始的感测电流值

I_4.a为钳形电流表处理器中存储器中存储的比I₄小的、最靠近I₄的电流值；

I_4.b为钳形电流表处理器中存储器中存储的比I₄大的、最靠近I₄的电流值；

I_4.c为钳形电流表处理器中存储器中存储的比I₄大的、第二靠近I₄的电流值；

K_a为钳形电流表处理器中存储器中存储的I_4.a所对应的校准系数；

K_b为钳形电流表处理器中存储器中存储的I_4.b所对应的校准系数；

K_c为钳形电流表处理器中存储器中存储的I_4.c所对应的校准系数。

最后，由采集与处理单元基于以下公式计算得到待测导线的电流值I：

I＝I₄/K。

下面以表2数据为例说明抛物插值法如何应用。

情况1：假设当使用钳形电流表测量某未知电流时，经过前端若干数据处理、钳形电流表的处理器判断待测电流为1.00000A。根据(2)式的意义，I₄等于1、I_4.a在表2中可查出等于0.99854、I_4.b在表2中可查出等于1.49782、I_4.c在表2中可查出等于1.99455、K_a在表2中可查出等于0.99870、K_b在表2中可查出等于0.99779、K_c在表2中可查出等于0.99726；将以上数据带入式(2)，可以求出K＝0.99870；钳形电流表显示屏上显示的电流值为经过修正以后的电流值，即待测导线上的电流值I，该电流值I等于1.00130A(即为I₄/K＝1/0.99870)。

情况2：假设当使用钳形电流表测量某未知电流时，经过前端若干数据处理、钳形电流表的处理器判断待测电流为4.00000A。根据(2)式的意义，I₄等于4、I_4.a在表2中可查出等于3.95232、I_4.b在表2中可查出等于4.48668、I_4.c在表2中可查出等于5.12785、K_a在表2中可查出等于0.98814、K_b在表2中可查出等于0.99707、K_c在表2中可查出等于1.02555；将以上数据带入式(2)，可以求出K＝0.98839；钳形电流表显示屏上显示的电流值为经过修正以后的电流值，即待测导线上的电流值I，该电流值I等于4.04698A(即为I₄/K＝4/0.98839)。

在实际应用中，按照表1的测量密度进行电流测量及校准系数计算，N值(钳形电流表测量范围内的电流等分值)取的过少，这样必然会影响最终钳形电流表的测量精度，经过不断测量与分析，发现使用最小分辨率100-1000倍步长进行电流测量和校准系数计算，钳形电流表的测量精度是令人满意的。以测量范围为0-10A、精度为0.5级、分辨率为0.00001A的钳形电流表为例，按照，最小分辨率100倍步长进行电流测量和校准系数计算，需要测量的电流值为10000个，此时存储在只读存储器中的校准系数值为10000个，也不需要太多只读存储器的存储空间、且处理器的寻址时间也会大为缩减，加快钳形电流表的测量速度。表3列出按照最小分辨率100倍步长进行电流测试及校准系数计算的结果。

表3 100倍步长结果表

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将测量出的校准前钳形电流表读数I₄与校准系数K提前写入到处理器的只读存储器中，再完成其他硬件与软件设计工作。为了验证映射法的钳形电流表的精确度是否可以满足要求，可采用如图3所示的电路来进行验证，验证时测量结果如表4所示。

表4试验验证结果表

表4中列出了试验的典型测量值，由表4可以看出，经过映射法校准后的钳形电流表仅在测量比较小的电流值时误差稍大，但是最大误差也才0.195％；而在测量较大电流时，误差非常小，最大才0.009％。由此可知，映射法校准后的钳形电流表测量精度不仅可以达到预期的0.5级，甚至可以达到0.2级，相比普通钳形表，具有很高的测量精度。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，这种组合只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内以及不脱离本发明设计思想的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (8)

1.一种钳形电流表，包括钳头铁芯，所述钳头铁芯绕制有线圈，由钳头铁芯的线圈与待测导线构成电流互感器，其中待测导线形成电流互感器的一次侧线圈、钳头铁芯的线圈形成电流互感器的二次侧线圈，其特征在于，还包括采集与处理单元，所述采集与处理单元中存储有所述钳形电流表预先测量标准电流源输出电流时得到的N个第一测量结果，其中第n个测量结果记为I_4.n，以及W个第一测量结果各自对应的校准系数，其中第n个第一测量结果对应的参考系数记为K_n，其中N≥1，1≤n≤N；

所述二次侧线圈感测待测导线的电流并产生相应感测电流，所述采集与处理单元采集获取二次侧线圈感测产生的感测电流，再基于所述感测电流，结合第一测量结果及校准系数，得到待测导线的电流值。

2.根据权利要求1所述的一种钳形电流表，其特征在于，所述钳头铁芯为坡莫合金材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种钳形电流表，其特征在于，所述采集与处理单元包括采样电阻、模数转换器、处理器，所述采样电阻与二次侧线圈并联，所述模数转换器的输入端与采样电阻连接，模数转换器的输出端与处理器连接，由采样电阻将二次侧线圈产生的感测电流转换为相应的感测电压，由模数转换器将感测电压转换为数字量并传输至处理器，所述处理器基于采样电阻的阻值、感测电压的大小计算得到二次侧线圈产生的感测电流。

4.根据权利要求1所述的一种钳形电流表，其特征在于，所述钳形电流表预先测量标准电流源时，按100-1000倍步长采集所述标准电流源输出电流，得到第n个第一测量结果I_4.n。

5.根据权利要求1所述的一种钳形电流表，其特征在于，采用映射法基于所述感测电流、第一测量结果及校准系数得到待测导线的电流值，过程如下：

首先由采集与处理单元将获取的二次侧线圈感测产生的感测电流，与所述第一测量结果进行比对，当比对得到所述感测电流等于第一测量结果中的任意一个数值I_4.n时，由采集与处理单元通过以下公式计算得到待测导线的电流值：

I_x.n＝I_4.n/K_n，

其中，I_x.n为待测导线的电流值。

6.根据权利要求1所述的一种钳形电流表，其特征在于，采用插值法基于所述感测电流、第一测量结果及校准系数得到待测导线的电流值。

7.根据权利要求6所述的一种钳形电流表，其特征在于，所述插值法为抛物插值法。

8.根据权利要求7所述的一种钳形电流表，其特征在于，采用抛物插值法得到待测导线的电流值的过程如下：

首先由采集与处理单元将获取的二次侧线圈感测产生的未修正的原始的感测电流I₄，然后由采集与处理单元找到小于所述感测电流I₄并最靠近所述感测电流I₄的第一测量结果中的数值I_4.a，以及大于所述感测电流I₄并最靠近所述感测电流I₄的第一测量结果中的数值I_4.b，以及大于所述感测电流I₄并且第二靠近所述感测电流I₄的第一测量结果中的数值I_4.c，以及数值I_4.a、I_4.b、I_4.c各自对应的校准系数K_a、K_b、K_c；

接着，由采集与处理单元基于以下公式计算得到钳形电流表的总校准系数K：

最后，由采集与处理单元基于以下公式计算得到待测导线的电流值I：

I＝I₄/K。

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