一种带校正功能的pcb型电流互感器
阅读说明：本技术 一种带校正功能的pcb型电流互感器 (PCB type current transformer with correction function ) 是由 叶飞 谢岳 刘春强 封容平 于 2021-04-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带校正功能的PCB型电流互感器,属于电流互感器技术领域,包括PCB型电流传感单元和含模数转换电路、微处理器和通讯接口的信号数据处理及传输单元,所述PCB型电流传感单元包括电源电路、信号采集电路、信号处理电路和温度传感电路,信号采集电路含有M个相同的子信号采集电路。本发明中,带校正功能的PCB型电流互感器由PCB型电流传感单元和信号数据处理及传输单元组成,PCB型电流传感单元由一个电源电路、M个相同的信号采集电路、一个信号处理电路和一个温度传感电路组成,能同时测量交流电流和直流电流,解决了霍尔电流互感器由于采用铁芯存在的饱和问题,具有体积小、重量轻、功耗小、响应快等特点。(The invention discloses a PCB type current transformer with a correction function, which belongs to the technical field of current transformers and comprises a PCB type current sensing unit and a signal data processing and transmitting unit comprising an analog-to-digital conversion circuit, a microprocessor and a communication interface, wherein the PCB type current sensing unit comprises a power circuit, a signal acquisition circuit, a signal processing circuit and a temperature sensing circuit, and the signal acquisition circuit comprises M identical sub-signal acquisition circuits. The PCB type current transformer with the correction function consists of a PCB type current sensing unit and a signal data processing and transmitting unit, wherein the PCB type current sensing unit consists of a power supply circuit, M identical signal acquisition circuits, a signal processing circuit and a temperature sensing circuit, can simultaneously measure alternating current and direct current, solves the problem of saturation of the Hall current transformer due to the adoption of an iron core, and has the characteristics of small volume, light weight, low power consumption, quick response and the like.)
技术领域
本发明属于电流互感器技术领域，尤其涉及一种带校正功能的PCB型电流互感器。
背景技术
电流互感器是用来测量电流的电流传感器，它将大电流转换成合适测量的电流或电压小信号，同时起到高压隔离的作用。随着大功率新能源的接入、非线性负载设备的大量使用，目前电网电流和电压不再是工频正弦波理想工况，其实际运行工况日益复杂，并且某些场合会出现直流电流分量，例如变流器型分布式电源接入后，会向公共连接点PPC注入其额定电流值千分之几的直流电流分量。另一方面，直流供电系统对直流电流测量装置提出了要求，直流供电系统实际的电流波形会包含直流及交流纹波两种分量。目前有多种基于不同工作原理的电流互感器，包括传统的电磁式电流互感器、采用低功耗铁芯线圈或罗氏线圈作为传感器的电子式电流互感器、采用分流器作为传感器的电子式电流互感器、霍尔电流互感器以及采用各向异性磁电阻元件或巨磁电阻元件为敏感元件的电流互感器等。传统的电磁式电流互感器和低功耗铁芯线圈罗氏线圈只能测量交流电流，不能测量直流电流。电磁式电流互感器和低功耗铁芯线圈可以准确测量工频电流，但如果被测电流含有一定的直流分量时，它们的传感准确度会大大下降。霍尔电流互感器可以同时测量直流电流和交流电流，但通常需要聚磁的铁芯提高霍尔输出灵敏度，因此增加了互感器的体积和重量，同时存在功耗大线性度差的问题。即使测量交流电流，电磁式电流互感器、低功耗铁芯线圈、霍尔电流互感器等电流互感器存在铁芯饱和的问题，量程范围受到限制。分流器也可以同时测量直流电流和交流电流，但它的输出信号小，发热导致准确性下降，同时需要隔离输出。采用各向异性磁电阻元件的灵敏度较高但线性范围较窄，同时需要设置辅助线圈进行预设及复位操作，导致制造工艺复杂、体积增加及功耗大，而巨磁电阻元件虽然灵敏度较高但线性范围较窄。相对于霍尔元件、各向异性磁电阻元件和巨磁电阻元件等磁场传感器，隧道磁电阻效应磁场传感器具有更佳的温度稳定性、灵敏度、低功耗，线性度及线性范围等特性，且不需要聚磁铁芯、预设及复位线圈。本发明提出一种基于隧道磁电阻效应磁场传感器的能同时测量直流电流和交流电流的带校正功能的PCB型电流互感器，该互感器将多个隧道磁电阻效应磁场传感器均匀分布在PCB圆环上，载有被测电流的导线穿过该PCB圆环的圆心，各隧道磁电阻效应磁场传感器输出与被测电流成比例关系的电压信号，电流传感电路对隧道磁电阻效应磁场传感器的输出电压进行累加及信号调理，然后输出电流传感信号，安装在PCB圆环上的温度传感芯片提供隧道磁电阻效应磁场传感器位置处的温度信号，电流传感信号及温度信号送入微处理器，微处理器通过温度校正及误差校正算法提高电流传感准确性，通过基于串联校正传递函数的校正算法改善频率响应特性。这种带校正功能的PCB型电流互感器具有体积小、重量轻、量程范围宽、响应快、损耗低和易安装的特点，彻底解决了传统电磁式电压互感器及霍尔电流互感器等因铁芯存在的饱和问题，同时解决了温漂问题及电流传感电路在调理信号时带来的信号响应滞后的问题，该带校正功能的PCB型电流互感器可以应用在复杂工况的交流供电系统，也可以应用于直流供电系统。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述背景技术提出的问题，而提出的一种带校正功能的PCB型电流互感器。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种带校正功能的PCB型电流互感器，包括PCB型电流传感单元和含模数转换电路、微处理器和通讯接口的信号数据处理及传输单元，所述PCB型电流传感单元包括电源电路、信号采集电路、信号处理电路和温度传感电路，信号采集电路含有M个相同的子信号采集电路，每个子信号采集电路都含有N个具有惠斯通全桥结构设计的隧道磁电阻效应磁场传感器、N个第一电阻、N个第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容和第一运算放大器，M个子信号采集电路的MxN个隧道磁电阻效应磁场传感器均匀地分布在PCB的半径为的圆周上，对应的第一电阻的另一端与第一运算放大器的反相输入端相连，每个隧道磁电阻效应磁场传感器的模拟差分正输出端与对应的第二电阻的一端相连，对应的第二电阻的另一端与第一运算放大器的正相输入端相连，第三电阻的一端与第一运算放大器的反相输入端相连，第三电阻的另一端与第一运算放大器的输出端相连，第四电阻的一端与第一运算放大器的同相输入端相连，第四电阻的另一端接地，第五电阻的一端与第一运算放大器的输出端相连，第五电阻的另一端与第一电容的一端及子信号采集电路的输出端相连，第一电容的另一端接地，子信号处理电路含有M个第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第二电容、第三电容、第四电容、第二运算放大器、第三运算放大器，并具有M个采集信号输入端和一个信号输出端，M个采集信号输入端分别与M个子信号采集电路的输出端一一相连，每个采集信号输入端都有对应的一个第六电阻，每个采集信号输入端与对应的第六电阻的一端相连，对应的第六电阻的另一端与第二运算放大器的反相输入端相连，第二运算放大器的同相输入端接地。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述电源电路具有直流正电压、直流负电压和地信号等三个输入端，电源电路直流正电压为12V、直流负电压为-12V，电源电路对输入的直流正电压和直流负电压进行稳压处理后分别给信号采集电路、信号处理电路和温度传感电路供电，两路模拟信号经过模数转换电路处理后变成数字信号输入微处理器，微处理器通过温度校正算法、误差校正算法以及基于串联校正传递函数的校正算法对输入的数字信号处理后通过通讯接口输出互感器的二次信号。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述隧道磁电阻效应磁场传感器的非线性度小于1％。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述通讯接口采用RS232。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述温度传感电路由温度传感芯片及其信号处理电路构成，该电路具有温度模拟量输出端，信号处理电路的信号输出端及温度传感电路的温度模拟量输出端输出两路模拟信号所述隧道磁电阻效应磁场传感器的磁场检测敏感方向为所处圆周位置的切线方向，每个隧道磁电阻效应磁场传感器都有对应的一个第一电阻和一个第二电阻，每个隧道磁电阻效应磁场传感器的模拟差分负输出端与对应的第一电阻的一端相连。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述第二电容和第七电阻并联在第二运算放大器的反相输入端和输出端，第八电阻的一端和第九电阻的一端与第二运算放大器的输出端相连，第八电阻的另一端接地，第九电阻的另一端与第三运算放大器的反相输人端相连，第三电容和第十电阻并联在第三运算放大器的反相输入端和输出端，第十一电阻的一端与第三运算放大器的输出端相连，第十一电阻的另一端与第四电容的一端、第十二电阻的一端及信号处理电路信号输出端相连，第四电容的另一端和第十二电阻的另一端接地。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，带校正功能的PCB型电流互感器由PCB型电流传感单元和信号数据处理及传输单元组成，PCB型电流传感单元由一个电源电路、M个相同的信号采集电路、一个信号处理电路和一个温度传感电路组成，信号数据处理及传输单元含模数转换电路、微处理器和通讯接口，这种带校正功能的PCB型电流互感器实现了对被测电流信号的检测、信号调理、误差校正及频率响应特性的校正，能同时测量交流电流和直流电流，解决了霍尔电流互感器由于采用铁芯存在的饱和问题，具有体积小、重量轻、功耗小、响应快等特点。
2、本发明中，多个隧道磁电阻效应磁场传感器围绕载有被测电流的导体均匀地分布在半径为的圆周上，有利于减少由于PCB型电流传感单元和导体在浇注中的安装误差引起的测量误差。
3、本发明中，信号采集电路和信号处理电路中的阻容环节能有效抑制噪声干扰，微处理器中的基于串联校正传递函数的校正算法能实现频率响应特性的校正。
4、本发明中，PCB型电流传感单元含有M个相同的子信号采集电路，每个子信号采集电路具有N个隧道磁电阻效应磁场传感器，这种组合式的信号采集方式，可以满足不同安装尺寸条件下对不同大小电流的测量。
附图说明
图1为本发明提出的一种带校正功能的PCB型电流互感器的原理结构图；
图2为本发明提出的一种带校正功能的PCB型电流互感器中第j个子信号采集电路图；
图3为本发明提出的一种带校正功能的PCB型电流互感器的信号处理电路图；
图4为本发明提出的一种带校正功能的PCB型电流互感器是内径为r1外径为r2的PCB型电流传感单元电路板示意图。
图例说明：
1、PCB型电流传感单元；2、电源电路；3、含有M个相同子信号采集电路的信号采集电路；4、信号处理电路；5、温度传感电路；6、模数转换电路；7、微处理器；8、通讯接口；9、第一个子信号采集电路；10、第一个隧道磁电阻效应磁场传感器；11、第N个隧道磁电阻效应磁场传感器；12、第一个第一电阻；13、第N个第一电阻；14、第一个第二电阻；15、第N个第二电阻；16、第三电阻；17、第四电阻；18、第一运算放大器；19、第五电阻；20、第一电容；21、第一个子信号采集电路；22、第M个子信号采集电路；23、第一个第六电阻；24、M个第六电阻；25、第二电容；26、第七电阻；27、第二运算放大器；28、第八电阻；29、第九电阻；30、第三电容；31、第十电阻；32、第三运算放大器；33、第十一电阻；34、第十二电阻；35、第四电容；36、PCB型电流传感单元电路板；37、第一个子信号采集电路图的第一个隧道磁电阻效应磁场传感器；38、第二个子信号采集电路图的第一个隧道磁电阻效应磁场传感器；39、第M个子信号采集电路图的第一个隧道磁电阻效应磁场传感器；40、第三个子信号采集电路图的第一个隧道磁电阻效应磁场传感器；41、载有被测电流的导体；42、PCB型电流传感单元的电源电路的直流正电压、直流负电压和地信号三个输入端、信号处理电路输出端和温度传感电路输出端。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种带校正功能的PCB型电流互感器，包括PCB型电流传感单元1和含模数转换电路6、微处理器7和通讯接口8的信号数据处理及传输单元，带校正功能的PCB型电流互感器的直流额定电流为600A，测量交流时额定频率50Hz、测量范围为±600A，二次额定输出电压为0.5V，电源电路直流供电电压为±12V，取N＝5，M＝3，所述PCB型电流传感单元1包括电源电路2、信号采集电路3、信号处理电路4和温度传感电路5，信号采集电路含有M个相同的子信号采集电路9，每个子信号采集电路3都含有N个具有惠斯通全桥结构设计的隧道磁电阻效应磁场传感器、N个第一电阻、N个第二电阻、第三电阻16、第四电阻17、第五电阻19、第一电容20和第一运算放大器18，M个子信号采集电路的MxN个隧道磁电阻效应磁场传感器均匀地分布在PCB的半径为的圆周上，对应的第一电阻的另一端与第一运算放大器18的反相输入端相连，每个隧道磁电阻效应磁场传感器的模拟差分正输出端与对应的第二电阻的一端相连，隧道磁电阻效应磁场传感器采用TRM2102，十八个隧道磁电阻效应磁场传感器均匀地分布在半径为R＝45mm的圆周上，温度传感电路采用温度传感器芯片BD1020HFV，温度传感器芯片输出信号通过跟随器及放大电路处理后输出，参数τ1～τ4均为2×10-4，参数τ5～τ8均为2×10-5，对应的第二电阻的另一端与第一运算放大器18的正相输入端相连，第三电阻16的一端与第一运算放大器18的反相输入端相连，第三电阻16的另一端与第一运算放大器18的输出端相连，第四电阻17的一端与第一运算放大器18的同相输入端相连，第四电阻17的另一端接地，第五电阻19的一端与第一运算放大器18的输出端相连，第五电阻19的另一端与第一电容20的一端及子信号采集电路的输出端相连，第一电容20的另一端接地，子信号处理电路含有M个第六电阻、第七电阻26、第八电阻28、第九电阻29、第十电阻31、第十一电阻33、第十二电阻34、第二电容25、第三电容30、第四电容35、第二运算放大器27、第三运算放大器32，并具有M个采集信号输入端和一个信号输出端，M个采集信号输入端分别与M个子信号采集电路的输出端一一相连，每个采集信号输入端都有对应的一个第六电阻，每个采集信号输入端与对应的第六电阻的一端相连，对应的第六电阻的另一端与第二运算放大器27的反相输入端相连，第二运算放大器27的同相输入端接地，PCB型电流传感单元1固定在内环面中间沿圆周开槽的环形屏蔽盒中，含模数转换电路6、微处理器7和通讯接口8的信号数据处理及传输单元固定在方形屏蔽盒中，该方形屏蔽盒、PCB型电流传感单元1连同环形屏蔽盒一起通过环氧树脂真空浇注固定在互感器的器身里，电源电路2的直流正电压、直流负电压和地信号等三个输入端与固定在器身航空插座相连。
下面对本技术方案的原理做进一步说明：
PCB环上的MxN个隧道磁电阻效应磁场传感器均匀地分布在半径为r的圆周上，载有被测电流的导体通过PCB环的圆心且与PCB环的平面垂直。考虑第j个子信号采集电路的第k个隧道磁电阻效应磁场传感器，其差模输出电压信号
Δujk为：
式中I为被测电流，Kjk为该磁场传感器的转换系数，rjk为该磁场传感器与导体的实际距离。于是，由M个相同的信号采集电路和一个信号处理电路构成的电流传感系统的输入I(s)与输出uct(s)的关系为：
其中
且τ1＝R5C1、τ2＝R7C2、τ3＝R10C3、
由于电阻阻值和隧道磁电阻效应磁场传感器特性的离散性和温漂，以及隧道磁电阻效应磁场传感器和导体的安装误差，Kjk、rjk和K与理想值存在着差异，导致准确度下降，而几个阻容环节影响了系统的频率响应特性。微处理器通过温度校正算法、误差校正算法以及基于串联校正传递函数的校正算法修正式(2)。用于频率响应特性校正算法的串联校正传递函数如下：
可采用双线性变换法将式(5)处理成Z域传递函数，此时系统的频率响应特性由τ5～τ8决定。式(2)中的系数可在多个已知被测电流及某个确定温度条件下进行标定，误差校正算法根据得到的误差值进行该系数的幅值误差及非线性误差的校正。同时，根据温度传感电路输出的温度模拟量及隧道磁电阻效应磁场传感器手册给出的相关温度系数对信号处理电路的输出信号的温漂误差进行校正，参数τ1～τ4均不大于2×10-4，参数τ5～τ8均不大于2×10-5。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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。
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