一種用于測(cè)量三相電流的電流傳感器陣列及測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量三相電流的電流傳感器陣列及測(cè)量方法，屬于傳感測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。本裝置包括：三相載流導(dǎo)線、操作平臺(tái)、N個(gè)傳感芯片、信號(hào)傳輸線、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置和數(shù)據(jù)處理裝置；測(cè)量時(shí)，三相載流導(dǎo)線和N個(gè)傳感芯片組成的電流傳感器陣列固定在操作平臺(tái)上，三相載流導(dǎo)線之間間距相同，N個(gè)傳感芯片按與三相載流導(dǎo)線的不同間距布置，每個(gè)傳感芯片通過(guò)信號(hào)傳輸線均與信號(hào)調(diào)理電路連接，信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置和數(shù)據(jù)處理裝置依次連接，數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值處理，得到三相載流導(dǎo)線的電流值。本發(fā)明量程大、精度高、成本低、無(wú)侵入、制備簡(jiǎn)易、安全可靠、安裝維護(hù)方便，適合大量使用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種用于測(cè)量H相電流的電流傳感器陣列及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于傳感測(cè)量領(lǐng)域，特別設(shè)及一種由隧道磁阻效應(yīng)(TMR)傳感忍片組成的 對(duì)立相電流進(jìn)行測(cè)量的電流傳感器陣列及測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能電網(wǎng)的發(fā)展需要各方面技術(shù)的支持，其中先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能 電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的基礎(chǔ)，對(duì)智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。在目前的電力系統(tǒng)中，對(duì)變 電站電氣設(shè)備的電壓和電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)較為完備，而對(duì)輸配電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)還有待進(jìn)一步 完善。運(yùn)主要是由于輸配電系統(tǒng)中輸電線路分布廣泛、電氣設(shè)備數(shù)量巨大、電壓電流等級(jí)廣 泛，并且設(shè)備空間距離較小。具體到輸配電系統(tǒng)中使用的電流傳感器，其應(yīng)當(dāng)具有大量程、 高精度、寬頻帶、小體積、低成本、便于安裝維護(hù)等特點(diǎn)。然而，目前較為成熟的電流傳感器 均不能全面滿足上述要求:傳統(tǒng)的羅科夫斯基線圈和電流互感器的鐵忍需要環(huán)繞導(dǎo)線，審U 造復(fù)雜、絕緣困難、維護(hù)費(fèi)用高，并且隨著絕緣等級(jí)增加成本顯著上升;霍爾傳感器技術(shù)成 熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但易受外界磁場(chǎng)和溫度變化影響，對(duì)測(cè)量電流方位敏感，精度低； 光纖電流傳感器簡(jiǎn)化了絕緣問(wèn)題，提高了測(cè)量電流等級(jí)，但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，對(duì)外界 振動(dòng)、溫度等變化敏感;磁光電流傳感器具有光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)，但體積龐大、價(jià)格昂 貴;磁通口電流傳感器能夠測(cè)量極高頻電流和極微小電流，但同樣造價(jià)昂貴、體積較大。
[0003] 隧道磁阻效應(yīng)(TMR)是指磁性多層膜材料在磁場(chǎng)中電阻發(fā)生巨大變化的現(xiàn)象，基 于隧道磁阻效應(yīng)的電流傳感器能夠測(cè)量直流到MHz量級(jí)的高頻電流信號(hào)，測(cè)量頻帶寬，測(cè)量 范圍與傳感器和電流距離有關(guān)。同時(shí)，TMR電流傳感器還具有靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，體積小，成本低，對(duì)測(cè)量對(duì)象非侵入等優(yōu)點(diǎn)，非常適合智能電網(wǎng)尤其是直流系統(tǒng)對(duì)電 流的測(cè)量需求。但是，包括TMR電流傳感器、霍爾傳感器等在內(nèi)的通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量
[0004] 電流的傳感器，對(duì)與被測(cè)載流導(dǎo)線的相對(duì)位置敏感，在實(shí)際使用中，為減小由此引 起的測(cè)量誤差，還需要與磁環(huán)配合使用，運(yùn)極大地增加了設(shè)備的體積，降低了設(shè)備使用的便 捷性。此外，雖然單個(gè)TMR電流傳感器量程較大，但測(cè)量范圍有限，只能測(cè)量一定電流跨度內(nèi) 的電流值（比如ImA-IOA或者IA-IOkA),不能同時(shí)涵蓋mA至kA整個(gè)范圍。運(yùn)些都限制了TMR電 流傳感器的推廣使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種用于測(cè)量=相電流的電流 傳感器陣列及測(cè)量方法。本發(fā)明主要解決了擴(kuò)大傳感器量程、提高傳感器測(cè)量精度的問(wèn)題； 具有優(yōu)良的高頻特性、量程大、精度高、體積小、成本低、無(wú)侵入、便于安裝維護(hù)，具有極高的 使用價(jià)值。
[0006] 本發(fā)明提出的一種用于測(cè)量=相電流的電流傳感器陣列，其特征在于，該裝置包 括相載流導(dǎo)線、操作平臺(tái)、N個(gè)傳感忍片，N為正整數(shù)、信號(hào)傳輸線、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn) 換裝置和數(shù)據(jù)處理裝置;所述=相載流導(dǎo)線固定在操作平臺(tái)上，每相導(dǎo)線之間相互平行并 呈一維分布，相鄰導(dǎo)線中屯、間距相同；所述N個(gè)傳感忍片同樣固定在操作平臺(tái)上組成電流傳 感器陣列，所述N個(gè)傳感忍片按與=相載流導(dǎo)線的不同間距布置，并與=相載流導(dǎo)線呈一維 分布，用于感應(yīng)=相載流導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)并產(chǎn)生輸出電壓;所述N個(gè)傳感忍片通 過(guò)信號(hào)傳輸線均與信號(hào)調(diào)理電路連接，將每個(gè)傳感忍片的輸出電壓傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)理電路； 所述信號(hào)調(diào)理電路的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的輸入端;所述模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的輸出端連接 數(shù)據(jù)處理裝置的輸入端;所述數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值處理，得 到=相載流導(dǎo)線的電流值。
[0007] 本發(fā)明提出的一種用于測(cè)量=相電流的電流傳感器陣列的測(cè)量方法，所述傳感忍 片采用TMR傳感忍片，該方法具體步驟包括：
[0008] 1)確定相鄰兩相載流導(dǎo)線之間的距離d，d的取值由如下公式?jīng)Q定：
[0009] Ul
[0010] AT，W)巧具王観守竿，imax是電流傳感器陣列量程上限，Bmax是TMR傳感忍片飽和 磁場(chǎng)強(qiáng)度，01和02分別為放置在相鄰兩相載流導(dǎo)線之間中間位置處的TMR傳感忍片到其中一 相載流導(dǎo)線上下端點(diǎn)的連線與導(dǎo)線中電流方向的夾角；
[0011] 2)根據(jù)步驟1)計(jì)算得到d的取值，布置由TMR傳感忍片組成的電流傳感器陣列的位 置;TMR忍片擺放的位置有兩種:一種是緊鄰S相載流導(dǎo)線布置，一種是與最近一相載流導(dǎo) 線的中屯、距離為d/2布置；
[0012] 3)電流傳感器陣列布置完畢后，分別單獨(dú)標(biāo)定每個(gè)TMR傳感忍片的輸出經(jīng)信號(hào)調(diào) 理電路處理后的電壓Vi對(duì)每相載流導(dǎo)線中電流Ij的比值Kij = ViAj,其中，下標(biāo)i對(duì)應(yīng)不同 TMR傳感忍片，i = 1~N，N為T(mén)MR傳感忍片個(gè)數(shù)，下標(biāo)j對(duì)應(yīng)每相載流導(dǎo)線；
[OOU] 4)現(xiàn)慢待測(cè)電流時(shí)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)每個(gè)TMR傳感忍片的輸出電壓Vtmri進(jìn)行放大、 調(diào)零處理，得到相應(yīng)的模擬量Vm ;
[0014] 5)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置將步驟4)得到的信號(hào)調(diào)理電路的輸出模擬量Vm轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù) 字量Voi;
[001引6)數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)步驟5)得到的數(shù)字量Vdi進(jìn)行篩選;去除Vd沖達(dá)到飽和值Vmax或 等于零的數(shù)據(jù)，得到有效數(shù)字量?0，其中，Q為去除的數(shù)字量的下標(biāo)集合，記 有效數(shù)字量的個(gè)數(shù)為n;
[0016] 7)判斷傳感器陣列是否飽和；當(dāng)n<3時(shí)，有效數(shù)字量的個(gè)數(shù)小于待測(cè)電流的個(gè)數(shù)， 待測(cè)電流值超出傳感器陣列量程上限，不能進(jìn)行測(cè)量;當(dāng)n>3時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟8)計(jì)算S相載流 導(dǎo)線中的電流值；
[0017] 8)計(jì)算=相載流導(dǎo)線中的電流值；當(dāng)n>3時(shí)，計(jì)算=相載流導(dǎo)線中的電流值如式 (2)所示：
[001引
口》
[0019] 式（2)為對(duì)S相載流導(dǎo)線中的電流的線性規(guī)劃，其中ai為權(quán)重系數(shù)，0《ai《1，Ki j 為步驟3)得到的標(biāo)定值，IdpU為=相載流導(dǎo)線中電流值。
[0020] 本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：
[0021] 1、測(cè)量范圍大。本發(fā)明使用多個(gè)TMR傳感忍片組成電流傳感器陣列測(cè)量=相電流， 每個(gè)TMR傳感忍片與S相載流導(dǎo)線距離不同，距離較近的TMR傳感忍片測(cè)量小電流，距離較 大的TMR傳感忍片測(cè)量大電流。通過(guò)對(duì)多個(gè)TMR傳感忍片與=相載流導(dǎo)線距離的合理分布和 對(duì)多個(gè)TMR傳感忍片靈敏度和飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度的選擇，擴(kuò)大了電流傳感器陣列的量程。相比單 個(gè)TMR傳感忍片，本發(fā)明的電流傳感器陣列擴(kuò)大了可測(cè)電流范圍，能夠測(cè)量小至mA級(jí)的泄露 電流和大至kA級(jí)的暫態(tài)電流。此外，通過(guò)在距離S相載流導(dǎo)線較遠(yuǎn)處增加TMR傳感忍片或增 大TMR傳感忍片與=相載流導(dǎo)線間距，可進(jìn)一步擴(kuò)大電流傳感器陣列的可測(cè)電流上限。
[0022] 2、測(cè)量精確度高。TMR傳感忍片本身便具有高靈敏度的特點(diǎn)，使用大量TMR傳感忍 片組成傳感器陣列并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可W避免被測(cè)電流超出TMR傳感忍片量程 和TMR傳感忍片分散性引起的測(cè)量誤差，使傳感器陣列測(cè)量結(jié)果更加精確。
[0023] 3、優(yōu)良的高頻特性。TMR傳感忍片具有優(yōu)良的高頻特性，本發(fā)明中使用的信號(hào)調(diào)理 電路同樣具有優(yōu)良的高頻特性，可對(duì)幾十曲Z高頻電流進(jìn)行測(cè)量.
[0024] 4、體積小，成本低。TMR傳感忍片與電流相對(duì)位置的敏感性得到利用，不需使用磁 環(huán)。而且電流傳感器陣列能夠在電路板上集成，裝置體積大大減小。傳感器陣列只需使用 TMR傳感忍片、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)據(jù)處理裝置(計(jì)算機(jī)即可)等，均為常見(jiàn)的器 件和裝置，大大降低了制造成本。
[0025] 5、非侵入式設(shè)計(jì)，便于調(diào)試和安裝維護(hù)。在本發(fā)明提出的的電流傳感器陣列中， TMR傳感忍片只需與=相載流導(dǎo)線保持一定的距離，和被測(cè)對(duì)象完全無(wú)侵入設(shè)計(jì)，安裝維護(hù) 非常便捷。而對(duì)設(shè)備的調(diào)試只需分別單獨(dú)標(biāo)定TMR傳感忍片的輸出電壓與被測(cè)電流的比值， 也非常簡(jiǎn)便。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種用于測(cè)量=相電流的電流傳感器陣列裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明的電流傳感器陣列中信號(hào)調(diào)理電路單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明的用于測(cè)量=相電流的電流傳感器陣列測(cè)量方法的流程框圖。
[0029] 圖中：1、S相載流導(dǎo)線，2、操作平臺(tái)，3、TMR傳感忍片(包括Gl至G10)，4、信號(hào)傳輸 線，5、信號(hào)調(diào)理電路，6、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，7、數(shù)據(jù)處理裝置，8、電源模塊，9、儀表放大器，10、調(diào) 零電路。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本發(fā)明提出的一種用于測(cè)量=相電流的電流傳感器陣列及測(cè)量方法，下面結(jié)合附 圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明如下。
[0031] 本發(fā)明提出的一種測(cè)量S相電流的電流傳感器陣列，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置包 括:S相載流導(dǎo)線1(包括A、B、CS相）、操作平臺(tái)2、N個(gè)TMR傳感忍片3，N為正整數(shù)(本實(shí)施例 采用61、62、63、64、65、66、67、68、69、610共10個(gè)113傳感忍片，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)情況使用 更多）、信號(hào)傳輸線4、信號(hào)調(diào)理電路5、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路6和數(shù)據(jù)處理裝置7。具體連接關(guān)系如 下：
[0032] 所述=相載流導(dǎo)線1固定在操作平臺(tái)2上，每相導(dǎo)線之間相互平行并呈一維分布， 相鄰導(dǎo)線中屯、間距相同；所述N個(gè)TMR傳感忍片3同樣固定在操作平臺(tái)2上組成電流傳感器陣 列，所述N個(gè)TMR傳感忍片3按與S相載流導(dǎo)線I的不同間距布置，與S相載流導(dǎo)線I呈一維分 布，用于感應(yīng)=相載流導(dǎo)線1中電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)并產(chǎn)生輸出電壓;所述N個(gè)TMR傳感忍片 3通過(guò)信號(hào)傳輸線4均與信號(hào)調(diào)理電路5連接，將每個(gè)TMR傳感忍片的輸出電壓傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào) 理電路5;所述信號(hào)調(diào)理電路5的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置6的輸入端;所述模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置6 的輸出端連接數(shù)據(jù)處理裝置7的輸入端;所述數(shù)據(jù)處理裝置7對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置6的輸出數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)值處理，得到=相載流導(dǎo)線的電流值。
[0033] 所述S相載流導(dǎo)線相鄰導(dǎo)線中屯、間距為d，d由如下公式?jīng)Q定：
[0034]
[0035] 式中，叫是真空磁導(dǎo)率，Imax是電流傳感器陣列的量程上限，Bmax是TMR傳感忍片飽 和磁場(chǎng)強(qiáng)度，01和02分別為放置在相鄰兩相導(dǎo)線之間中間位置處的TMR傳感忍片到其中一相 導(dǎo)線上下端點(diǎn)的連線與導(dǎo)線中電流方向的夾角。
[0036] 所述TMR傳感忍片擺放的位置有兩種:一種是緊鄰=相載流導(dǎo)線布置，一種是與最 近一相導(dǎo)線的中屯、距離為d/2布置；如圖1所示，本實(shí)施例中采用10個(gè)TMR傳感忍片。其中， TMR傳感忍片G2和G3緊鄰S相導(dǎo)線1中的A相導(dǎo)線兩側(cè)布置，G5和G6緊鄰B相導(dǎo)線兩側(cè)布置， G8和G9緊鄰C相導(dǎo)線兩側(cè)布置;61、64、67、610分別與距離最近的一相導(dǎo)線之間保持中屯、距 d/2布置。
[0037] 本發(fā)明裝置中，各元件的具體實(shí)現(xiàn)方式及功能分別說(shuō)明如下：
[0038] 所述操作平臺(tái)用于固定和放置=相載流導(dǎo)線和N個(gè)TMR傳感忍片;操作平臺(tái)使用有 機(jī)玻璃材料制作，W避免操作平臺(tái)對(duì)磁場(chǎng)分布產(chǎn)生干擾。
[0039] 所述N個(gè)TMR傳感忍片在保持與=相載流導(dǎo)線呈一維分布的前提下，可根據(jù)實(shí)際使 用的TMR傳感忍片的靈敏度和飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度W及待測(cè)電流值范圍的不同進(jìn)行調(diào)整TMR傳感 忍片與=相載流導(dǎo)線的間距，從而改變電流傳感器陣列的量程。使用飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度更大的 TMR傳感忍片或者增大TMR傳感忍片與S相載流導(dǎo)線的間距能夠增大傳感器陣列最大可測(cè) 電流值。
[0040] 所述傳感忍片可使用但不限于TMR傳感忍片，霍爾傳感忍片、巨磁阻傳感忍片、各 向異性磁阻傳感忍片等電流傳感忍片都可使用。
[0041] 所述信號(hào)傳輸線連接每個(gè)TMR傳感忍片的輸出端和信號(hào)調(diào)理電路的輸入端，將每 個(gè)TMR傳感忍片的輸出電壓傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)理電路，信號(hào)傳輸線選擇使用屏蔽線。
[0042] 所述信號(hào)調(diào)理電路對(duì)每個(gè)TMR傳感忍片的輸出電壓進(jìn)行放大、調(diào)零處理，得到相應(yīng) 的模擬量。所述信號(hào)調(diào)理電路，包括N個(gè)相同的單元，單元個(gè)數(shù)與使用的TMR傳感忍片個(gè)數(shù)相 同，每個(gè)信號(hào)調(diào)理電路單元，結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括電源模塊8、儀表放大器9和調(diào)零電路10， 或各個(gè)單元共用一個(gè)電源模塊8;每個(gè)單元中，電源模塊8分別連接對(duì)應(yīng)的一個(gè)TMR傳感忍片 3、儀表放大器9和調(diào)零電路10;TMR傳感忍片3的輸出端連接儀表放大器9,調(diào)零電路10的輸 出端連接儀表放大器9。所述電源模塊8用于將電池電壓轉(zhuǎn)換為和電壓，電壓用于給儀表放 大器9和調(diào)零電路10提供工作電源，電壓用于給TMR傳感忍片3提供工作電源，同時(shí)電壓給調(diào) 零電路10提供參考電位。所述儀表放大器9用于放大TMR傳感忍片的輸出電壓，采用具有優(yōu) 良高頻特性、高共模抑制比、高放大倍數(shù)、低噪聲的產(chǎn)品。所述調(diào)零電路10用于信號(hào)調(diào)理電 路5的調(diào)零，采用常規(guī)運(yùn)算放大器組成。
[0043] 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置則尋信號(hào)調(diào)理電路5的輸出模擬量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，可使用 模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片、單片機(jī)等常規(guī)器件。
[0044] 所述數(shù)據(jù)處理裝置7對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置6輸出的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到=相待測(cè) 電流值，可使用計(jì)算機(jī)及存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)處理程序?qū)崿F(xiàn)。
[0045] 本發(fā)明裝置中模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置6和數(shù)據(jù)處理裝置7使用的元件和裝置均為常規(guī)產(chǎn)品。
[0046] 本發(fā)明提出的一種用于測(cè)量=相電流的電流傳感器陣列的測(cè)量方法，其操作流程 如圖3所示，具體步驟包括：
[0047] 1)確定相鄰兩相載流導(dǎo)線之間的距離d，d的取值由如下公式?jīng)Q定：
[004引
陽(yáng)
[0049] 式中，iiO是真空磁導(dǎo)率，Imax是電流傳感器陣列量程上限，Bmax是TMR傳感忍片飽和 磁場(chǎng)強(qiáng)度，01和02分別為放置在相鄰兩相載流導(dǎo)線之間中間位置處的TMR傳感忍片到其中一 相載流導(dǎo)線上下端點(diǎn)的連線與導(dǎo)線中電流方向的夾角；
[0050] 2)根據(jù)步驟1)計(jì)算得到d的取值，布置由TMR傳感忍片組成的電流傳感器陣列的位 置;TMR忍片擺放的位置有兩種:一種是緊鄰S相載流導(dǎo)線布置，一種是與最近一相載流導(dǎo) 線的中屯、距離為d/2布置;本實(shí)施例中采用10個(gè)TMR傳感忍片組成電流傳感器陣列；其中， TMR傳感忍片G2和G3緊鄰S相導(dǎo)線1中的A相載流導(dǎo)線兩側(cè)布置，G5和G6緊鄰財(cái)目載流導(dǎo)線兩 側(cè)布置，G8和G9緊鄰C相載流導(dǎo)線兩側(cè)布置;61、64、67、610分別與距離最近的一相載流導(dǎo)線 之間保持中屯、距d/2布置；
[0051] 3)電流傳感器陣列布置完畢后，分別單獨(dú)標(biāo)定每個(gè)TMR傳感忍片的輸出經(jīng)信號(hào)調(diào) 理電路處理后的電壓Vi對(duì)每相載流導(dǎo)線中電流Ij的比值Kij = ViAj,其中，下標(biāo)i對(duì)應(yīng)不同 TMR傳感忍片，i = l~N，N為T(mén)MR傳感忍片個(gè)數(shù)(本實(shí)施例中共有10個(gè)TMR傳感忍片），下標(biāo)j對(duì) 應(yīng)每相載流導(dǎo)線；WTMR傳感忍片Gl對(duì)A相載流導(dǎo)線的標(biāo)定過(guò)程為例:在A相載流導(dǎo)線中通入 電流Ii, B相和C相載流導(dǎo)線中無(wú)電流，巧慢Gl的輸出經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后的電壓Vi,則標(biāo) 定值 Kn = Vizli;
[0052] 4)測(cè)量待測(cè)電流時(shí)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)每個(gè)TMR傳感忍片的輸出電壓Vtmri進(jìn)行放大、 調(diào)零處理，得到相應(yīng)的模擬量Vm ;
[0053] 5)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置將步驟4)得到的信號(hào)調(diào)理電路的輸出模擬量Vm轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù) 字量Voi;
[0054] 6)數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)步驟5)得到的數(shù)字量Vd進(jìn)行篩選;去除Vd沖達(dá)到飽和值Vmax或 等于零的數(shù)據(jù)，得到有效數(shù)字量^^扛1~奶€〇為去除的數(shù)字量的下標(biāo)集合，記有效數(shù)字 量的個(gè)數(shù)為n;
[0055] 7)判斷傳感器陣列是否飽和；當(dāng)n<3時(shí)，有效數(shù)字量的個(gè)數(shù)小于待測(cè)電流的個(gè)數(shù)， 待測(cè)電流值超出傳感器陣列量程上限，不能進(jìn)行測(cè)量;當(dāng)n>3時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟8)計(jì)算S相載流 導(dǎo)線中的電流值；
[0056] 8)計(jì)算=相載流導(dǎo)線中的電流值；當(dāng)n>3時(shí)，計(jì)算=相載流導(dǎo)線中的電流值如式 (2)所示：
[0057]
閩
[005引式(2)為對(duì)S相載流導(dǎo)線中的電流的線性規(guī)劃，其中a功權(quán)重系數(shù)，0《曰1《1，較大 的對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)也較大，Ku為步驟3)得到的標(biāo)定值，IdpU為S相載流導(dǎo)線中電流值； 對(duì)該線性規(guī)劃求解得到S相載流導(dǎo)線中的電流值Iopy,可使用Matlab等軟件求解該線性規(guī) 劃。
[0059] 本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，S相載流導(dǎo)線為S根直徑5mm、長(zhǎng)度1.5m的銅導(dǎo)線， 相鄰導(dǎo)線中屯、間距d=12cm。操作平臺(tái)使用有機(jī)玻璃制作，長(zhǎng)40畑1，寬15畑1，操作平臺(tái)位于S 相載流導(dǎo)線的一半高度位置處。TMR傳感忍片數(shù)量為10個(gè)，靈敏度為12mV/V/0e，飽和磁場(chǎng)強(qiáng) 度±500e，其中，G2、G3位于A相導(dǎo)線左右兩側(cè)，緊靠A相導(dǎo)線，G5、G6位于財(cái)目導(dǎo)線左右兩側(cè)， 緊靠B相導(dǎo)線，G8、G9位于C相導(dǎo)線左右兩側(cè)，緊鄰C相導(dǎo)線;Gl位于A相導(dǎo)線左側(cè)6cm處，G4位 于A、B兩相導(dǎo)線中間位置處，與A、B兩相導(dǎo)線中屯、間距均為6cm，G7位于B、C兩相導(dǎo)線中間位 置處，與B、C兩相導(dǎo)線中屯、間距均為6cm，G10位于C相導(dǎo)線右側(cè)6cm處。信號(hào)調(diào)理電路中的儀 表放大器使用=個(gè)運(yùn)算放大器組成的=運(yùn)放儀表放大器，并和調(diào)零電路中的運(yùn)算放大器一 起使用集成四運(yùn)放忍片AD8044。模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置使用化kogawa示波器，將測(cè)量波形轉(zhuǎn)換為數(shù) 值。數(shù)據(jù)處理裝置使用計(jì)算機(jī)，數(shù)值求解過(guò)程按照上述測(cè)量方法進(jìn)行，并使用Matlab中的線 性規(guī)劃工具包完成數(shù)值求解，得到電流值。本實(shí)施例能夠?qū)?mA-100A范圍內(nèi)的直流至沖擊 電流進(jìn)行精確測(cè)量。
[0060] 本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例中，S相載流導(dǎo)線為S根直徑5mm、長(zhǎng)度1.5m的銅導(dǎo) 線，相鄰導(dǎo)線中屯、間距d = 12cm。操作平臺(tái)使用有機(jī)玻璃制作，長(zhǎng)40cm，寬15cm，操作平臺(tái)位 于S相載流導(dǎo)線的一半高度位置處。TMR傳感忍片數(shù)量為10個(gè)，其中，62、63、65、66、68、69靈 敏度為12mV/V/0e，飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度± 500e，G2、G3位于A相導(dǎo)線左右兩側(cè)，緊靠A相導(dǎo)線，G5、G6 位于B相導(dǎo)線左右兩側(cè)，緊靠B相導(dǎo)線，G8、G9位于C相導(dǎo)線左右兩側(cè)，緊鄰C相導(dǎo)線;Gl、G4、 G7、G10靈敏度為2.2mV/V/0e，飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度±100006,61位于4相導(dǎo)線左側(cè)6畑1處，64位于八、 B兩相導(dǎo)線中間位置處，與A、B兩相導(dǎo)線中屯、間距均為6cm，G7位于B、C兩相導(dǎo)線中間位置處， 與B、C兩相導(dǎo)線中屯、間距均為6cm，G10位于C相導(dǎo)線右側(cè)6cm處。信號(hào)調(diào)理電路中的儀表放大 器使用=個(gè)運(yùn)算放大器組成的=運(yùn)放儀表放大器，并和調(diào)零電路中的運(yùn)算放大器一起使用 集成四運(yùn)放忍片AD8044。模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置使用化kogawa示波器，將測(cè)量波形轉(zhuǎn)換為數(shù)值。數(shù)據(jù) 處理裝置使用計(jì)算機(jī)，數(shù)值求解過(guò)程按照上述測(cè)量方法進(jìn)行，并使用Matlab中的線性規(guī)劃 工具包完成數(shù)值求解，得到電流值。本實(shí)施例能夠?qū)?mA-lkA范圍內(nèi)的直流至沖擊電流進(jìn)行 精確測(cè)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于測(cè)量三相電流的電流傳感器陣列，其特征在于，該裝置包括：三相載流導(dǎo) 線、操作平臺(tái)、N個(gè)傳感芯片，N為正整數(shù)、信號(hào)傳輸線、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置和數(shù)據(jù) 處理裝置;所述三相載流導(dǎo)線固定在操作平臺(tái)上，每相導(dǎo)線之間相互平行并呈一維分布，相 鄰導(dǎo)線中心間距相同；所述N個(gè)傳感芯片同樣固定在操作平臺(tái)上組成電流傳感器陣列，所述 N個(gè)傳感芯片按與三相載流導(dǎo)線的不同間距布置，并與三相載流導(dǎo)線呈一維分布，用于感應(yīng) 三相載流導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)并產(chǎn)生輸出電壓;所述N個(gè)傳感芯片通過(guò)信號(hào)傳輸線 均與信號(hào)調(diào)理電路連接，將每個(gè)傳感芯片的輸出電壓傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)理電路;所述信號(hào)調(diào)理 電路的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的輸入端;所述模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的輸出端連接數(shù)據(jù)處理裝置 的輸入端;所述數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值處理，得到三相載流導(dǎo) 線的電流值。2. 如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征還包括，所述傳感芯片采用TMR傳感芯片、巨 磁阻傳感芯片、各向異性磁阻傳感芯片、霍爾傳感芯片之中任一種。3. 如權(quán)利要求2所述的電流傳感器，其特征在于，所述三相載流導(dǎo)線相鄰導(dǎo)線中心間距 為d，d由如下公式?jīng)Q定：式中，μ〇是真空磁導(dǎo)率，Imax是電流傳感器陣列的量程上限，Bmax是TMR傳感芯片飽和磁場(chǎng) 強(qiáng)度，Θ#ΡΘ2分別為放置在相鄰兩相導(dǎo)線之間中間位置處的TMR傳感芯片到其中一相導(dǎo)線上 下端點(diǎn)的連線與導(dǎo)線中電流方向的夾角。4. 如權(quán)利要求3所述的電流傳感器，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理電路，包括N個(gè)相同的單 元，單元個(gè)數(shù)與使用的TMR傳感芯片個(gè)數(shù)相同，每個(gè)信號(hào)調(diào)理電路單元包括電源模塊、儀表 放大器和調(diào)零電路，或各個(gè)單元共用一個(gè)電源模塊;每個(gè)單元中，電源模塊分別連接對(duì)應(yīng)的 一個(gè)TMR傳感芯片、儀表放大器和調(diào)零電路;TMR傳感芯片的輸出端連接儀表放大器，調(diào)零電 路的輸出端連接儀表放大器。5. 如權(quán)利要求4所述的信號(hào)調(diào)理電路，其特征在于，所述電源模塊將±9V電池電壓轉(zhuǎn)換 為±5V和±2.5V電壓，±5V電壓用于給儀表放大器和調(diào)零電路提供工作電源，±2.5V電壓 用于給TMR傳感芯片提供工作電源，同時(shí)+2.5V電壓給調(diào)零電路提供參考電位。6. -種利用如權(quán)利要求1所述電流傳感器陣列的三相電流測(cè)量方法，其特征在于，所述 傳感芯片采用TMR傳感芯片，該方法具體步驟包括： 1) 確定相鄰兩相載流導(dǎo)線之間的距離d，d的取值由如下公式?jīng)Q定：⑴ 式中，μ〇是真空磁導(dǎo)率，Imax是電流傳感器陣列量程上限，Bmax是TMR傳感芯片飽和磁場(chǎng)強(qiáng) 度，Θ^ΡΘ#別為放置在相鄰兩相載流導(dǎo)線之間中間位置處的TMR傳感芯片到其中一相載流 導(dǎo)線上下端點(diǎn)的連線與導(dǎo)線中電流方向的夾角； 2) 根據(jù)步驟1)計(jì)算得到d的取值，布置由TMR傳感芯片組成的電流傳感器陣列的位置； TMR芯片擺放的位置有兩種:一種是緊鄰三相載流導(dǎo)線布置，一種是與最近一相載流導(dǎo)線的 中心距離為d/2布置； 3) 電流傳感器陣列布置完畢后，分別單獨(dú)標(biāo)定每個(gè)TMR傳感芯片的輸出經(jīng)信號(hào)調(diào)理電 路處理后的電SV1對(duì)每相載流導(dǎo)線中電流込的比值Klj = V1/^,其中，下標(biāo)i對(duì)應(yīng)不同TMR傳 感芯片，i = 1~N，N為T(mén)MR傳感芯片個(gè)數(shù)，下標(biāo)j對(duì)應(yīng)每相載流導(dǎo)線； 4) 測(cè)量待測(cè)電流時(shí)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)每個(gè)TMR傳感芯片的輸出電壓V?Ri進(jìn)行放大、調(diào)零 處理，得到相應(yīng)的模擬量VAi ; 5) 模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置將步驟4)得到的信號(hào)調(diào)理電路的輸出模擬量Vm轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量 VDi; 6) 數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)步驟5)得到的數(shù)字量Vd1進(jìn)行篩選;去除Vd沖達(dá)到飽和值Vmax或等于 零的數(shù)據(jù)，得到有效數(shù)字量^77=14^€^，其中，〇為去除的數(shù)字量的下標(biāo)集合，記有效 數(shù)字量的個(gè)數(shù)為η; 7) 判斷傳感器陣列是否飽和；當(dāng)η<3時(shí)，有效數(shù)字量的個(gè)數(shù)小于待測(cè)電流的個(gè)數(shù)，待測(cè) 電流值超出傳感器陣列量程上限，不能進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟8)計(jì)算三相載流導(dǎo)線 中的電流值；8) 計(jì)算三相載流導(dǎo)線中的電流值；當(dāng)3時(shí)，計(jì)算三相載流導(dǎo)線中的電流值如式(2)所 示： (2) 式(2)為對(duì)三相載流導(dǎo)線中的電流的線性規(guī)劃，其中ai為權(quán)重系數(shù)，OSaiS I ,Kij為步驟 3)得到的標(biāo)定值，1。_為三相載流導(dǎo)線中電流值。
【文檔編號(hào)】G01R19/25GK106018942SQ201610493234
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月28日
【發(fā)明人】胡軍, 趙帥, 王中旭, 何金良, 王善祥
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)