CN117031377A - 一种霍尔式电流传感器的自动校准系统及方法 - Google Patents

一种霍尔式电流传感器的自动校准系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种霍尔式电流传感器的自动校准系统及方法，包括：获取校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号；基于校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号得到校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差；获取远程实验室中转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号；基于远程实验室中转换模块换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号得到远程实验室中转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差；基于校准处及远程实验室的时间差值作差得到时间偏差；随后重复上述校准步骤，得到平均相对频率偏差，再以平均相对频率偏差求平均相对电流偏差。保证了传感器的精度，延长了电流传感器的使用寿命。

Description

一种霍尔式电流传感器的自动校准系统及方法
技术领域
本发明属于电学计量校准领域，具体涉及一种霍尔式电流传感器的自动校准系统及方法。
背景技术
近年来，随着计算机技术，及智能电网的发展，对电力系统其各个参数的准确性提出了更高的要求。电流作为电力系统中的一项十分重要的参数，能准确获得其数据是电力监测系统中的重要一环。
目前电力系统中测量电流数据的电流传感器主要有霍尔电流传感器，磁性电流传感器，电阻式电流传感器等。其都可以将电流转换为可测量的信号。目前电流传感器主要应用于电力系统，工业自动化等领域，用于监测电流的变化，确保电力系统的安全运行。
电流传感器作为一种可以定量检测电流信息的装置，在环境温度，器件老化，磁场干扰等各种因素的影响下，难以避免的出现各种误差，怎样保证其准确性及长时间工作下稳定性是一个十分值得研究的课题。一般来讲，保证某一计量装置的准确性，主要通过定期校准来完成的。校准方式主要包括:传统校准和远程校准。传统校准一般通过将待校准计量装置送至上一级标准器校准实验室，将标准器及待校准计量装置置于同一空间下通过测量同一物理量，再对比二者的测量数据，计算误差，之后对待校准计量装置进行校准。近年来发展的远程校准则是通过或标准器通过物流等方式送至生产现场中，再对待校准计量装置进行校准。由于计量部门人员有限，检定周期时间较长，这两种方式都需要耗费大量的人力，物力，财力，给企业等带来很多不便[7]。并且传统校准过程中，会造成电力系统停运，工厂停工等，校准周期长，无形中增加了额外的生产成本。近年来，随着远程校准概念的发展，远程校准领域的各种技术逐渐完善，逐渐发展出一种通过以卫星上的时间频率为媒介进行校准的新型校准方式，称为卫星共视校准法，使部分仪器仪表逐渐可以在工作地通过卫星及网络连接远程校准部门的方式完成校准，并可出具校准证书等，节约了大量时间，大大提高了生产效率，节约各种资源成本。
发明内容
本发明目的是提供一种霍尔式电流传感器的自动校准系统及方法，在需要校准时，通过网络及卫星接收模块，通过远程连接至校准实验室及卫星，实现霍尔式电流传感器与标准器在不同空间下的异地校准，帮助解决霍尔式电流传感器需要定期校准的问题。使霍尔式电流传感器的维护周期更长，稳定性及准确性更高，使之更加适应电力系统等各种环境下的电流监测。
本发明的技术方案如下：
一种霍尔式电流传感器的自动校准方法，所述方法包括：
获取校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号；
基于校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号得到校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差；
获取远程实验室中转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号；
基于远程实验室中转换模块换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号得到远程实验室中转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差；
基于校准处及远程实验室的时间差值作差得到时间偏差；
基于所述时间偏差得到频率偏差；
随后重复上述校准步骤，求多次校准的平均相对频率偏差，再以平均相对频率偏差求平均相对电流偏差，所述平均相对电流偏差即为霍尔式电流传感器的误差值。
进一步的，所述远程实验室中转换模块的电流频率信号是基于校准端电流传感器的电流频率信号得到的。
进一步的，基于校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号得到校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差的公式为：
Δt1＝t2-t1
式中，将远程实验室的卫星时间频率信号作为开门信号t1，将转换模块转输出的电流频率信号作为关门信号t2。
进一步的，基于远程实验室中转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号得到远程实验室中精度转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差的公式为：
式中，T0为卫星时间频率信号接入计数器0上显示的示值，T1为电流频率信号接入到计数器1上显示的示值，实验室接收的卫星时间频率信号等于校准现场接收的卫星时间频率信号都是t1，t3为远程实验室中精度转换模块的电流频率信号。
进一步的，基于校准处及远程实验室的时间差值作差得到时间偏差公式为：
Δt＝Δt1-Δt2
Δt1为校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差，Δt2为远程实验室中精度转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差。
进一步的，基于所述时间偏差得到频率偏差的公式为：
Δt为基于校准处及远程实验室的时间差值作差得到时间偏差。
进一步的，以平均相对频率偏差求平均相对电流偏差的公式为：
k为高精度电流频率转换模块的转换系数。
本发明还提供一种霍尔式电流传感器的自动校准系统，所述系统包括：
校准处和与所述校准处连接的远程实验室；
所述实验室端包括：依次连接的计算机、标准电流源、高精度电流-频率转换模块和时间间隔计数器，所述时间间隔计数器还与信号接收模块连接，所述信号接收模块还与卫星连接；
所述校准处包括依次连接的电源、霍尔式电流传感器和卫星。
进一步的，所述霍尔式电流传感器包括：单片机模块、供电模块、信号接收模块、霍尔工作器件、可调电流源、高精度电流-频率转换模块、失调，温度补偿电路和显示模块；其中所述供电模块、信号接收模块和显示模块与所述单片机连接；所述供电模块、霍尔工作器件、失调，温度补偿电路和单片机连接；所述可调电流源、高精度电流-频率转换模块、和单片机依次连接；所述可调电流源和所述霍尔工作器件连接。
进一步的，所述单片机模块包括：单片机cpu、计数器T0、计数器T1和并行IO；其中，所述单片机cpu、计数器T0、计数器T1与所述并行IO接口分别连接。
本发明的技术效果：
本发明可以免于电流传感器定期校准的繁琐，节约时间成本。并且，本自校准模块利用卫星的时间信号以卫星原子钟时间频率作为传递介质，可以在现场及实验室有限人员的简短操作下完成远程的自动化校准。有效减小由于霍尔传感器在长时间使用下，电子器件老化造成的线性误差，保证了传感器的精度，减轻了维护人员的负担，延长了电流传感器的使用寿命。
附图说明
附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1示出了本发明的自校准系统结构示意图；
图2示出了本发明的自校准系统示意图；
图3示出了本发明的单片机流程示意图；
图4示出了本发明的远程实验室计算机流程示意图；
图5示出了本发明的霍尔器件构造示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1-图5所示，本发明实施例提供一种霍尔式电流传感器的自动校准系统及方法
所述方法流程为：
校准现场校准人员及远程实验室校准人员在接到校准任务后，做好校准准备，等待校准命令。校准命令发出后，校准现场人员操作霍尔式电流传感器将其开机并调入校准状态下。
此时单片机将控制电路由工作状态接入校准模块，随后，电流传感器单片机对电流源发出调节命令。调节命令发出后，校准现场的电流源将随机调出一个电流，此电流在校准完毕前为未知量，即校准现场及远程实验室都不可知。
随后，霍尔工作器件采集此电流信号，最后显示一个电流示值。将此电流示值远传至远程实验室。远程实验室计算机接收此示值，控制标准电流源输出此值，此时实验室校准人员检查此示数是否正确，正确则校准继续，错误则校准失败，准备进行下次校准。电流源输出此电流后，由计数器计算出此电流频率与时间频率的时间差，将此差值传至校准现场单片机。
校准现场单片机在计算出电流源输出电流的电流频率与卫星时间频率的时间差后，将二者继续作差，得到时间偏差。将此时间偏差计算出对应的电流误差并记录，并将此误差传至远程实验室记录。
随后重复上述校准步骤，求多次校准的平均相对频率偏差。再以平均相对频率偏差求平均相对电流偏差，即电流误差。得到电流误差后，将其存入单片机寄存器内，传感器每次测量时，调用其值补偿传感器示数。
在校准现场人员及远程实验室人员检查校准操作步骤，校准结果确认无误后，校准结束。
卫星信号接收器应保证低时延，减小由于接收器引入的误差。高精度电流-频率转换模块应具有在长时间使用下较精确的转换系数，尽可能减小由于校准现场与远程实验室转换系数不同步引入的误差。电流传感器各项参数应精准，例如霍尔系数，温度误差补偿参数等，减少由于传感器出厂品控造成的误差。电流传感器在安装时，严格按照说明书进行安装，减小安全隐患及由于人员操作引入的误差。
工作原理：霍尔式电流传感器利用霍尔效应进行工作。霍尔效应是由美国物理学家E.H.Hall博士于1879年发现的一种电磁效应。图中的矩形薄板为霍尔器件，通常为半导体材料。对a和b两个接触孔通入电流I，当无外界磁场施加时，载流子在半导体中均匀分布，c和d两个接触孔之间无电压差；当施加垂直于半导体表面的磁场时，由于洛伦兹力的作用，载流子发生偏转和聚集，最终在c和d两个接触孔之间产生一个稳定的电压差，称为霍尔电压。
高精度电流频率转换模块通过将输入电流信号采集转换为对应的电压信号，再将这些电压信号放大，提高信号幅值。再将转换出的模拟电压信号转换为数字信号，进行频率计算，之后进行滤波降噪输出电流频率信号。
设电流源随机输出的电流大小为I0，转换出的频率为f0，转换系数为K时，则有
f0＝KI0 (1-1)
远程实验室将接收器接收的时间频率信号作为开门信号t1，将转换模块转换出的波形串作为关门信号t2，则二者时间差
Δt1＝t2-t1 (1-2)
设单片机内时间频率接入的计数器0显示的示值为T0,电流频率接入的计数器1显示的示值为T1。因为二计数器同时开始工作，数值出现时用时相等，并且由于卫星的时间脉冲频率为1s，因为远程实验室接收的时间频率信号等于校准现场接收的时间频率信号都是t1，校准现场的电流频率转换模块的输出波形串计时间为t3，所以远程实验室的时间差值为
可知，远程实验室与校准现场时间偏差为
Δt＝Δt1-Δt2 (1-4)
经过多次测量后可得到一系列的Δt，由此可算出远程实验室与校准现场在一段时间内平均相对频率偏差。
其中，f1，f2分别为校准实验室端和被校准现场端电流转换出的频率信号，τ为平均时间间隔，f为卫星的标准时间频率信号。
再以平均相对频率偏差求平均相对电流偏差，所述平均相对电流偏差即为霍尔式电流传感器的误差值。
k为高精度电流频率转换模块的转换系数。
本发明实施例还提供一种霍尔式电流传感器的自动校准系统，系统包括：
校准处和与所述校准处连接的远程实验室；
所述实验室端包括：依次连接的计算机、标准电流源、高精度电流-频率转换模块和时间间隔计数器，所述时间间隔计数器还与信号接收模块连接，所述信号接收模块还与卫星连接；
所述校准处包括依次连接的电源、霍尔式电流传感器和卫星。
所述霍尔式电流传感器包括：单片机模块、供电模块、信号接收模块、霍尔工作器件、可调电流源、高精度电流-频率转换模块、失调，温度补偿电路和显示模块；其中所述供电模块、信号接收模块和显示模块与所述单片机连接；所述供电模块、霍尔工作器件、失调，温度补偿电路和单片机连接；所述可调电流源、高精度电流-频率转换模块、和单片机依次连接；所述可调电流源和所述霍尔工作器件连接。
所述单片机模块包括：单片机cpu、计数器T0、计数器T1和并行IO；其中，所述单片机cpu、计数器T0、计数器T1与所述并行IO接口分别连接。
以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种霍尔式电流传感器的自动校准方法，其特征在于，所述方法包括：
获取校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号；
基于校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号得到校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差；
获取远程实验室中转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号；
基于远程实验室中转换模块换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号得到远程实验室中转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差；
基于校准处及远程实验室的时间差作差得到时间偏差；
基于所述时间偏差得到频率偏差；
随后重复上述校准步骤，求多次校准的平均相对频率偏差，再以平均相对频率偏差求平均相对电流偏差，所述平均相对电流偏差即为霍尔式电流传感器的误差值。
2.根据权利要求1所述的霍尔式电流传感器的自动校准方法，其特征在于，所述远程实验室中转换模块的电流频率信号是基于校准端电流传感器的电流频率信号得到的。
3.根据权利要求1所述的霍尔式电流传感器的自动校准方法，其特征在于，基于校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号得到校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差的公式为：
Δt1＝t2-t1
式中，将远程实验室的卫星时间频率信号作为开门信号t1，将转换模块转输出的电流频率信号作为关门信号t2。
4.根据权利要求1所述的霍尔式电流传感器的自动校准方法，其特征在于，基于远程实验室中转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号得到远程实验室中精度转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差的公式为：
式中，T0为卫星时间频率信号接入计数器0上显示的示值，T1为电流频率信号接入到计数器1上显示的示值，实验室接收的卫星时间频率信号等于校准现场接收的卫星时间频率信号都是t1，t3为远程实验室中精度转换模块的电流频率信号。
5.根据权利要求1所述的霍尔式电流传感器的自动校准方法，其特征在于，基于校准处及远程实验室的时间差值作差得到时间偏差公式为：
Δt＝Δt1-Δt2
Δt1为校准处电流传感器的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差，Δt2为远程实验室中精度转换模块的电流频率信号和卫星时间频率信号的时间差。
6.根据权利要求1所述的霍尔式电流传感器的自动校准方法，其特征在于，基于所述时间偏差得到频率偏差的公式为：
Δt为基于校准处及远程实验室的时间差值作差得到时间偏差。
7.根据权利要求1所述的霍尔式电流传感器的自动校准方法，其特征在于，以平均相对频率偏差求平均相对电流偏差的公式为：
k为高精度电流频率转换模块的转换系数。
8.一种霍尔式电流传感器的自动校准系统，其特征在于，所述系统包括：
校准处和与所述校准处连接的远程实验室；
所述实验室端包括：依次连接的计算机、标准电流源、高精度电流-频率转换模块和时间间隔计数器，所述时间间隔计数器还与信号接收模块连接，所述信号接收模块还与卫星连接；
所述校准处包括依次连接的电源、霍尔式电流传感器和卫星。
9.根据权利要求8所述的霍尔式电流传感器的自动校准系统，其特征在于，所述霍尔式电流传感器包括：单片机模块、供电模块、信号接收模块、霍尔工作器件、可调电流源、高精度电流-频率转换模块、失调，温度补偿电路和显示模块；其中所述供电模块、信号接收模块和显示模块与所述单片机连接；所述供电模块、霍尔工作器件、失调，温度补偿电路和单片机连接；所述可调电流源、高精度电流-频率转换模块、和单片机依次连接；所述可调电流源和所述霍尔工作器件连接。
10.根据权利要求9所述的霍尔式电流传感器的自动校准系统，其特征在于，所述单片机模块包括：单片机cpu、计数器T0、计数器T1和并行IO；其中，所述单片机cpu、计数器T0、计数器T1与所述并行IO接口分别连接。
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