CN116593754A - 一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法及装置，包括：基于磁场传感芯片阵列的安培环路积分法获得电流测量值I₁；构建基于罗氏线圈的电流测量方法获得电流测量值I₂；设置能准确测量电流的最大值I_1，max大于能准确测量电流的最小值I_2，min，并结合电流测量值I₁和I₂判断待测电流的准确值。本发明提出的电流传感器具备非接触、研制低成本、体积小、易安装的的优点，实现了宽量程、高频响、宽频带电流测量。

Description

一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电力测量的技术领域，尤其涉及一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法及装置。

背景技术

新一代智能电网对电气量和非电气量的感知监测提出了更高的要求，而现有电压、电流和非电量量测手段已经难以满足智能电网全面、实时感知信息的基本需求，如应用大数据和人工智能技术对电网运行状态的准确感知和预测则需要实现电网技术电气量和非电气量(环境参数)的全面采集。而现有数据采集装置(如电流互感器)由于体积大、成本高、需要外接电源、精度有限、安装不便等问题，不能实现普遍安装采集，因此，亟需研制低成本、体积小、易安装的非接触式电流传感器。

近年来，磁场传感芯片在电力系统测量领域不断引入和应用，为电流传感器微型化、一贴即用夯实了理论基础，例如隧道磁电阻芯片具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势，在小电流测量方面具有较高的精度；

罗氏线圈法对于高频、大电流测量有独特的优势，而且线性度好，标定容易，但是，罗氏线圈灵敏度低、小电流测量精度差，用于测量非正弦电流或未知频率电流时，需要重新配置积分器使用。

本专利结合两种测量模式，提出一种新的传感器结构，实现宽量程、高频响、宽频带电流测量。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法及装置，解决现有数据采集装置由于体积大、成本高、需要外接电源、精度有限、安装不便，导致不能实现普遍安装采集的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，包括：

基于磁场传感芯片阵列的安培环路积分法获得电流测量值I₁；

构建基于罗氏线圈的电流测量方法获得电流测量值I₂；

设置能准确测量电流的最大值I_1，max大于能准确测量电流的最小值I_2，min，并结合电流测量值I₁和I₂判断待测电流的准确值。

作为本发明所述一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其中：所述磁场传感芯片阵列的安培环路积分法包括，

根据安培环路定理，闭合路径上的磁感应强度B满足以下公式：

∮Bdl＝Nμ₀I

其中，l为闭合路径的长度，N表示穿过闭合环路的导线根数，实际测量时N等效为1，B为闭合路径上的磁感应强度，μ₀为真空磁导率；

根据圆环上放置的磁场芯片阵列测得的磁感应强度，利用数值积分方法求出磁感应强度对圆环的线积分，得到经过导线的电流测量值如下：

其中，R为圆的半径，n为TMR芯片个数，B_i为圆环上放置的磁场芯片阵列测得的磁感应强度。

作为本发明所述一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其中：构建基于罗氏线圈的电流测量方法获得电流测量值I₂包括，

根据安培环路定理，线圈两端的感应电压e(t)满足以下公式：

其中，M为互感系数，d_i(t)/dt为输出电压与被测电流的微分。

根据罗氏线圈的输出电压与被测电流的微分成正比，则将其输出电压经过积分器，得到电流测量值I₂。

作为本发明所述一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其中：结合电流测量值I₁和I₂判断待测电流的准确值包括若I₁<I_1，max，则电流测量值I₁为当前待测电流的准确值。

作为本发明所述一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其中：还包括若I₁>I_1，max且I₂>I_2，min，则电流测量值I₂为当前待测电流的准确值。

作为本发明所述一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其中：还包括若I₁>I_1，max且I₂<I_1，max，判断为当前传感器系统故障，发出告警信息，重新校准。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于宽频带大量程电流传感器的测量装置，包括，

在同一块PCB板上，均匀放置n片磁场传感芯片构成传感器模块；

在放入磁场芯片阵列的PCB板上均匀绕制感应线圈构成另一个传感器模块；

传感器模块，基于圆环上放置的磁场芯片阵列测得的磁感应强度，求出磁感应强度对圆环的线积分获得电流测量值I₁；

另一个传感器模块，基于罗氏线圈的输出电压与被测电流的微分成正比，并将输出电压经过积分器，得到电流测量值I₂。

作为本发明所述一种基于宽频带大量程电流传感器的测量装置，其中：在同一块PCB板上，均匀放置n片磁场传感芯片包括，

n个磁场传感芯片均匀地分布在半径为R的圆环上，两个芯片之间的角度如下：

其中，每个传感芯片的敏感方向总是垂直于该传感装置与圆心的半径向量

第三方面，本发明实施例提供了一种计算设备，包括：

存储器和处理器；

所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如本发明任一实施例所述的基于宽频带大量程电流传感器的测量方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述基于宽频带大量程电流传感器的测量方法。

本发明的有益效果：本发明提出的电流传感器具备非接触、研制低成本、体积小、易安装的的优点，实现了宽量程、高频响、宽频带电流测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法所述的基于磁场传感芯片阵列的安培环路积分法图。

图2为本发明一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法的宽范围电流传感器结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1～图2，为本发明的一个实施例，提供了一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，包括：

S1：基于磁场传感芯片阵列的安培环路积分法获得电流测量值I₁。应说明的是：

如图1所示，所述磁场传感芯片阵列的安培环路积分法包括，

根据安培环路定理，闭合路径上的磁感应强度B满足以下公式：

∮Bdl＝Nμ₀I

其中，l为闭合路径的长度，N表示穿过闭合环路的导线根数，实际测量时N等效为1，B为闭合路径上的磁感应强度，μ₀为真空磁导率；

根据圆环上放置的磁场芯片T_i阵列测得的磁感应强度，利用数值积分方法求出磁感应强度对圆环的线积分，得到经过导线的电流测量值如下：

其中，R为圆的半径，n为TMR芯片个数，B_i为圆环上放置的磁场芯片阵列测得的磁感应强度。

S2：构建基于罗氏线圈的电流测量方法获得电流测量值I₂。应说明的是：

根据安培环路定理，线圈两端的感应电压e(t)满足以下公式：

其中，M为互感系数，d_i(t)/dt为输出电压与被测电流的微分。

根据罗氏线圈的输出电压与被测电流的微分成正比，则将其输出电压经过积分器，得到电流测量值I₂。

S3：设置能准确测量电流的最大值I_1，max大于能准确测量电流的最小值I2，_min，并结合电流测量值I₁和I₂判断待测电流的准确值。应说明的是：

可通过传感器系统自带的处理系统判断如下：

若I₁<I_1，max，则电流测量值I₁为当前待测电流的准确值。

若I₁>I_1，max且I₂>I_2，min，则电流测量值I₂为当前待测电流的准确值。

若I₁>I_1，max且I₂<I_1，max，判断为当前传感器系统故障，发出告警信息，尽快重新校准。

如图2所示，本实施例还提供一种基于宽频带大量程电流传感器的测量装置，包括：

一种新的传感器结构，整合罗氏线圈模块和磁场芯片阵列测量模块在同一块PCB板上，方便系统集成。

优选的，在同一块PCB板上，均匀放置n片磁场传感芯片构成传感器模块；

具体的，n个磁场传感芯片均匀地分布在半径为R的圆环上，两个芯片之间的角度如下：

其中，每个传感芯片的敏感方向总是垂直于该传感装置与圆心的半径向量

应说明的是：考虑到基于磁场芯片阵列的电流测量方法在小电流测量时具有优良的性能，包括精度和频带，而罗氏线圈测量大电流时不易饱和，具有极宽的量程。

具体的，在同一块PCB板上，均匀放置n片磁场传感芯片构成传感器模块100；

在放入磁场芯片阵列的PCB板上均匀绕制感应线圈构成传感器模块200；

传感器模块100，基于圆环上放置的磁场芯片阵列测得的磁感应强度，求出磁感应强度对圆环的线积分获得电流测量值I₁；

另一个传感器模块200，基于罗氏线圈的输出电压与被测电流的微分成正比，并将输出电压经过积分器，得到电流测量值I₂。

本实施例还提供一种计算设备，适用于基于宽频带大量程电流传感器的测量方法的情况，包括：

存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的基于宽频带大量程电流传感器的测量方法。

该计算机设备可以是终端，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的实现基于宽频带大量程电流传感器的测量方法。

本实施例提出的存储介质与上述实施例提出的数据存储方法属于同一发明构思，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述实施例，并且本实施例与上述实施例具有相同的有益效果。

实施例2

为本发明的另一个实施例，提供了一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法的验证测试，对本方法中采用的技术效果加以验证说明。

如表1所示，我方发明提供的电流传感器，与传统仅采用单个磁场传感芯片阵列相比频带范围更宽以及频带范围更高，与传统仅采用一个罗氏线圈对比量程更高以及高精度范围更广。综上可知我方发明取得了一个良好的效果。

表1：传统电流传感器与本发明效果对比

测量方法	频带范围	量程	高精度范围
				磁场传感芯片阵列	窄	覆盖mA～kA级	小电流精度高
罗氏线圈	宽	覆盖A～百kA级	大电流精度高
				本发明结构	宽	覆盖mA～百kA级	全量程

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其特征在于：包括，

基于磁场传感芯片阵列的安培环路积分法获得电流测量值I₁；

构建基于罗氏线圈的电流测量方法获得电流测量值I₂；

设置能准确测量电流的最大值I_1，max大于能准确测量电流的最小值I_2，min，并结合电流测量值I₁和I₂判断待测电流的准确值。

2.如权利要求1所述的基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其特征在于：所述磁场传感芯片阵列的安培环路积分法包括，

根据安培环路定理，闭合路径上的磁感应强度B满足以下公式：

∮Bdl＝Nμ₀I

其中，l为闭合路径的长度，N表示穿过闭合环路的导线根数，实际测量时N等效为1，B为闭合路径上的磁感应强度，μ₀为真空磁导率；

根据圆环上放置的磁场芯片阵列测得的磁感应强度，利用数值积分方法求出磁感应强度对圆环的线积分，得到经过导线的电流测量值如下：

其中，R为圆的半径，n为TMR芯片个数，B_i为圆环上放置的磁场芯片阵列测得的磁感应强度。

3.如权利要求1或2所述的基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其特征在于：构建基于罗氏线圈的电流测量方法获得电流测量值I₂包括，

根据安培环路定理，线圈两端的感应电压e(t)满足以下公式：

其中，M为互感系数，d_i(t)/dt为输出电压与被测电流的微分；

根据罗氏线圈的输出电压与被测电流的微分成正比，则将其输出电压经过积分器，得到电流测量值I₂。

4.如权利要求3所述的一种基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其特征在于：结合电流测量值I₁和I₂判断待测电流的准确值包括若I₁<I_1，max，则电流测量值I₁为当前待测电流的准确值。

5.如权利要求4所述的基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其特征在于：还包括若I₁>I_1，max且I₂>I_2，min，则电流测量值I₂为当前待测电流的准确值。

6.如权利要求5所述的基于宽频带大量程电流传感器的测量方法，其特征在于：还包括若I₁>I_1，max且I₂<I_1，max，判断为当前传感器系统故障，发出告警信息，重新校准。

7.一种基于宽频带大量程电流传感器的测量装置，其特征在于，包括：

在同一块PCB板上，均匀放置n片磁场传感芯片构成传感器模块(100)；

在放入磁场芯片阵列的PCB板上均匀绕制感应线圈构成另一个传感器模块(200)；

传感器模块(100)，基于圆环上放置的磁场芯片阵列测得的磁感应强度，求出磁感应强度对圆环的线积分获得电流测量值I₁；

另一个传感器模块(200)，基于罗氏线圈的输出电压与被测电流的微分成正比，并将输出电压经过积分器，得到电流测量值I₂。

8.如权利要求7所述的一种基于宽频带大量程电流传感器的测量装置，其特征在于：在同一块PCB板上，均匀放置n片磁场传感芯片包括，

n个磁场传感芯片均匀地分布在半径为R的圆环上，两个芯片之间的角度如下：

其中，每个传感芯片的敏感方向总是垂直于该传感装置与圆心的半径向量/>

9.一种计算设备，包括：

存储器和处理器；

所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至7任意一项所述基于宽频带大量程电流传感器的测量方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至7任意一项所述基于宽频带大量程电流传感器的测量方法的步骤。