CN111198297A - 一种基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，属于智能变电站电子式电流互感器技术领域，包括罗氏线圈传感器、零磁通电流传感器和数据处理部分，数据处理部分包括罗氏线圈信号处理模块、零磁通电流传感器信号处理模块和数据处理模块，罗氏线圈信号处理模块、零磁通电流传感器信号处理模块分别连接数据处理模块，数据处理模块对接收到的两路电流信号进行处理后输出，解决现有的电流测量装置中因一方检测精度不高而降低最终输出的检测结果的检测精度的问题。

Description

一种基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置

技术领域

本发明涉及一种基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，属于智能变电站电子式电流互感器技术领域。

背景技术

罗氏线圈是一种特殊结构的空心线圈，因不含铁芯，所以不存在磁饱和问题，也不存在热力和动力的稳定问题，而且几乎不受被测电流大小的限制。它因被测电流所产生的磁场变化而感应出相应的电势，本身并不与被测电流回路存在直接的联系；但传感输出为微分小电压信号，需要进行积分放大处理。罗氏线圈的应用范围主要集中在：利用它测量脉冲电流、暂态电流、稳定交流大电流以及继电保护用电流监测等方面。

申请公布号为CN106093547A的中国发明专利申请文件中公开了一种基于辅助线圈修正的罗氏线圈电流互感器测量装置，包括罗氏线圈和辅助线圈，罗氏线圈和辅助线圈输出连接对应的信号调理回路，然后输出给后续设备。其中，辅助线圈为电磁式电流互感器或者低功率线圈电流互感器。但是，类似于电磁式电流互感器或者低功率线圈电流互感器的电流互感器设备的检测精度有限，即便将罗氏线圈和辅助线圈相结合，得到的检测结果的精度也很有限，更加严重的是，由于辅助线圈的检测精度不高，最终输出的检测结果会因一方检测精度不高反而会增大检测误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，解决现有的电流测量装置中因一方检测精度不高而降低最终输出的检测结果的检测精度的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：本发明提供了一种基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，包括罗氏线圈传感器和数据处理部分，所述信号采集装置还包括零磁通电流传感器，所述数据处理部分包括罗氏线圈信号处理模块、零磁通电流传感器信号处理模块和数据处理模块，所述罗氏线圈传感器的信号输出端连接所述罗氏线圈信号处理模块的信号输入端，所述罗氏线圈信号处理模块的信号输出端输出连接所述数据处理模块的第一信号输入端，所述零磁通电流传感器的信号输出端连接所述零磁通电流传感器信号处理模块的信号输入端，所述零磁通电流传感器信号处理模块的信号输出端输出连接所述数据处理模块的第二信号输入端，所述数据处理模块对接收到的两路信号进行处理后输出。

本发明通过结合罗氏线圈和零磁通传感器的技术原理优势，通过罗氏线圈和零磁通传感器两种传感元件的传变特性研究，改进电流采集器的软硬件结构设计，实现了两种传感器的特性匹配，将罗氏线圈和零磁通电流传感器输出信号分别进行处理，实现了两种传感器对电流的准确、同步采集，在较宽的电流测量量程范围内保证电子式电流互感器测量、保护的输出准确度，提高了电子式电流互感器准确度测量的准确性和可靠性。

进一步的，为了对罗氏线圈传感器的输出信号进行定量分析从而实现准确处理，以提高数据准确性，所述罗氏线圈信号处理模块包括依次设置的第一信号调理单元、积分还原单元和第一A/D转换单元，所述第一信号调理单元用于将罗氏线圈传感器输出的模拟小电压微分信号进行隔离、放大和滤波处理，所述积分还原单元用于将第一信号调理单元的输出信号积分还原为电压信号。

进一步的，为了对零磁通电流传感器输出信号进行定量分析从而实现准确处理，以提高数据准确性，所述零磁通电流传感器信号处理模块包括依次设置的第二信号调理单元、滤波放大单元和第二A/D转换单元，所述第二信号调理单元用于将零磁通电流传感器输出的模拟小电流信号转换为电压信号，并进行隔离、差分运算，所述滤波放大单元用于对第二信号调理单元的输出信号进行滤波、放大。

进一步的，为了使所述采集装置得到广泛应用，所述信号采集装置还包括电光转换模块，所述数据处理模块的信号输出端连接所述电光转换模块的电信号输入端，将接收到的电信号转变为光信号后由电光转换模块的光信号输出端进行输出。

进一步的，为了得到一种贴合实际的信号采集装置的组成结构，所述数据处理模块为FPGA数字信号处理电路。

进一步的，为了提高所述信号采集装置的稳定性，所述信号采集装置还包括用于为相关组成部分供电的电源模块。

附图说明

图1是本发明实施例中的信号采集装置的组成原理图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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详细、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例中提供的信号采集装置，包括罗氏线圈传感器和零磁通电流传感器和数据处理部分(即采集器结构)。

其中，数据处理部分包括罗氏线圈信号处理模块、零磁通电流传感器信号处理模块以及数据处理模块，本实施例中的数据处理模块以FPGA数字信号处理电路为例，所述的罗氏线圈信号处理模块即为罗氏线圈信号采集回路，所述的零磁通电流传感器信号处理模块即为零磁通电流传感器信号采集回路，罗氏线圈信号处理模块、零磁通电流传感器信号处理模块分别与FPGA数字信号处理电路连接，用于准确、可靠、同步测量罗氏线圈输出的小电压模拟信号和零磁通电流传感器输出的小电流模拟信号，适应智能变电站多种原理电流传感器的技术发展需求。

本实施例中的罗氏线圈信号处理模块由第一信号调理单元、积分还原单元、第一A/D采样电路组成，将罗氏线圈传感输出的模拟小电压微分信号进行隔离、放大、滤波处理，通过积分还原单元还原为与一次电流成线性关系的电压信号，并通过第一A/D采样计算转换为数字信号输出到FPGA数字信号处理电路进行运算。由于罗氏线圈传感输出为微分信号，需要进行积分还原，因此罗氏线圈信号处理模块的准确性和可靠性将决定电流互感器的准确级。

本实施例中的零磁通电流传感器信号处理模块由第二信号调理单元、滤波放大单元、第二A/D采样电路组成，将基于磁通平衡原理的零磁通电流传感器模拟小电流信号通过取样电阻转变为电压信号，并进行隔离、差分运算等信号调理，通过滤波放大单元输出正比于一次电流的小电压信号，通过第二A/D采样计算转换为数字信号并进行处理。由于零磁通电流传感器输出为正比于一次电流的模拟小电流信号，在采集器上经取样电阻转变为同相位的电压信号，不需要进行积分运算和相位补偿，因此输出幅值正比于一次电流且同相位。

本实施例中FPGA数字信号处理电路，用于对两个A/D采样电路采样的数字信号进行计算处理，送入到数据排序模块中进行排序输出，并经过组帧编码模块将数据转换成曼彻斯特码传输到电光转换模块；电光转换模块采用电/光转换器件，用于将采集的数字信号转变为光信号并传输至合并单元。作为其他实施方式，数据处理模块也可以采用DSP或其他形式的处理电路。

本实施例中所述的信号信号采集装置，利用罗氏线圈传感器和零磁通电流传感器获取不同的电流信号后，通过对应的信号处理模块对采集的数据进行处理，然后通过FPGA数字信号处理电路进行相应调整后，通过电光转换模块输出至合并单元。FPGA数字信号处理电路可以将两路信号取平均后输出，或者是择其中一路进行输出，或者是同时输出两路信号。

作为另外一种实施方式，所述罗氏线圈信号处理模块和零磁通电流传感器信号处理模块中各组成部分的连接顺序并不唯一。例如，罗氏线圈信号处理模块中信号可以采用先经过A/D转换单元处理，再经过信号调理单元、积分还原单元，也可以为其他连接形式，只要能够实现上述模块的总体功能即可，所述的零磁通电流传感器信号处理模块同理。

本实施例中还为所述信号采集装置配置了电源模块，用于电压变换，将交流220V电源电压转变为直流±15V、+5V的电压信号，给采集器电路板芯片等上述信号采集装置的相关组成部分供电，作为另外一种实施方式，为了实现对不同电源的适配性，所述电源模块还可以是将110V电源电压进行转换的装置或其他形式的电源。

假设罗氏线圈为矩形截面，且各处的截面一致、匝数绕制均匀，由电磁感应定律，罗氏线圈的感应电动势输出为：

式中：i为一次导体流过的瞬时电流；μ₀为真空磁导率，4π×10^-7H/m；h为骨架矩形截面高度；R₂为骨架外径，R₁为骨架内径；N为线圈总匝数；M为互感系数。

当罗氏线圈骨架尺寸、线圈导线直径与线圈匝数都确定时，线圈互感系数M是一恒定值，则被测电流i(t)为：

罗氏线圈传感输出的为一个微分电压信号，传输至采集器进行信号隔离、放大和滤波处理，并设计积分电路，对罗氏线圈输出e(t)求积分，还原出与一次电流成线性比例关系的微电压信号，再进行A/D采样计算级数字化处理，得出被测一次电流i(t)。

零磁通传感器是一种基于磁平衡原理达到零磁通过程而实现的电流传感器，采用补偿绕组专门提供励磁电流，消除励磁电流对互感器测量绕组精度的影响。零磁通传感器测量线圈传感输出的为mA级的小电流信号，在信号采集过程中易受外界电磁干扰，需要将一次电流通过取样电阻转换为二次小电压信号并完成信号采集处理。具有响应时间短、工作频率高等众多优点，故而可广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS电源、光伏发电、通讯机房、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测电流的各个领域中。

由零磁通电流传感器的磁通平衡原理，一次绕组N_P和二次测量绕组N_S均与第二个铁芯铰链，且产生的磁通相同，则二次测量绕组电流I_S在采集器取样电阻元件R_sh上产生的电压降U_s为：

式中：U_s为零磁通传感器信号调理单元的输出电压；I_P为一次绕组电流；I_S为二次绕组电流；R_sh为采集器取样电阻；N_P为一次绕组匝数；N_s为二次绕组匝数。

零磁通电流传感器输出的为一个幅值正比于一次电流且同相位的小电流信号，传输至采集器进行电压信号转变、信号隔离、滤波和放大处理，进行A/D采样计算及数字化处理。为提高二次电流测量精度，可增大二次绕组匝数或者降低取样电阻阻值。为了解决采样电阻阻值小，输入采集器的电压值偏小而难以保证测量精度的问题，在零磁通电流传感器信号处理模块使用运算放大电路，在保证满足测量动态范围的基础上，尽可能提高放大电路的放大倍数。

本实施例中将罗氏线圈和零磁通电流传感器输出信号分别进行调理、运算及数字处理，实现了两种传感器对电流的准确、同步采集，在较宽的电流测量量程范围内保证电子式电流互感器测量、保护的输出准确度。所述产品的测量准确性影响因素分析包括的内容如下：

1)建立罗氏线圈传感原理的数学模型，根据罗氏线圈骨架尺寸、线圈所绕制的导线直径、线圈的平均半径、线圈匝数等参数，确定罗氏线圈的传变特性；

2)建立零磁通电流传感器原理的数学模型，根据零磁通传感器线圈匝数、电流、取样电阻等参数，确定零磁通传感器的传变特性；

3)结合罗氏线圈和零磁通传感器的传变信号差异，改进电流采集器的硬件调理电路及器件选型、程序结构设计，保证电子式电流互感器不同传感器测量的准确性和可靠性。

Claims (6)

1.一种基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，包括罗氏线圈传感器和数据处理部分，其特征在于，所述信号采集装置还包括零磁通电流传感器，所述数据处理部分包括罗氏线圈信号处理模块、零磁通电流传感器信号处理模块和数据处理模块，所述罗氏线圈传感器的信号输出端连接所述罗氏线圈信号处理模块的信号输入端，所述罗氏线圈信号处理模块的信号输出端输出连接所述数据处理模块的第一信号输入端，所述零磁通电流传感器的信号输出端连接所述零磁通电流传感器信号处理模块的信号输入端，所述零磁通电流传感器信号处理模块的信号输出端输出连接所述数据处理模块的第二信号输入端，所述数据处理模块对接收到的两路信号进行处理后输出。

2.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，其特征在于，所述罗氏线圈信号处理模块包括依次设置的第一信号调理单元、积分还原单元和第一A/D转换单元，所述第一信号调理单元用于将罗氏线圈传感器输出的模拟小电压微分信号进行隔离、放大和滤波处理，所述积分还原单元用于将第一信号调理单元的输出信号积分还原为电压信号。

3.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，其特征在于，所述零磁通电流传感器信号处理模块包括依次设置的第二信号调理单元、滤波放大单元和第二A/D转换单元，所述第二信号调理单元用于将零磁通电流传感器输出的模拟小电流信号转换为电压信号，并进行隔离、差分运算，所述滤波放大单元用于对第二信号调理单元的输出信号进行滤波、放大。

4.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，其特征在于，所述信号采集装置还包括电光转换模块，所述数据处理模块的信号输出端连接所述电光转换模块的电信号输入端，将接收到的电信号转变为光信号后由电光转换模块的光信号输出端进行输出。

5.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，其特征在于，所述数据处理模块为FPGA数字信号处理电路。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的基于罗氏线圈和零磁通电流传感器的信号采集装置，其特征在于，所述信号采集装置还包括用于为相关组成部分供电的电源模块。

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