基于磁场检测的非接触电流测量仪研究解读.docx
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基于磁场检测的非接触电流测量仪研究解读
基于磁场检测的非接触电流测量仪研究
摘要
本文综述了现在非接触电流测量仪的发展情况,分析了非接触电流测量仪的市场现状,介绍了非接触电流测量的概念及非接触电流测量的几种种测试方法。
在比较各种直流测量原理的基础上,提出了单轴磁阻传感器测量母线周围磁场,进而达到测量母线电流的目的。
本设计根据霍尼韦尔传感器的原理,霍尼韦尔传感器(HMC1021Z)检测出待测实验电路电流引起的磁场的大小,将测量点的磁感应强度的大小转化成相应大小的电压值,然后信号再经过信号放大器,A/D转换送到单片机AT89C51中,最后经过数码管显示出被测电流。
关键词:
非接触电流测量;直流;霍尼韦尔传感器;AT89C51
Non-contactcurrentmeterstudybasedonthemagneticfielddetection
Yuchao
Abstract
Thispaperreviewsthedevelopmentofnon-contactcurrentmeter,analyzedthemarketsituationofthenon-contactcurrentmeter,andintroducetheconceptofnon-contactcurrentmeasurementandnon-contactcurrentmeasurementofafewvarioustestmethods.ComparetheDCmeasuringprinciplebasedontheproposedsingle-axismagnetoresistivesensormeasurementbusaroundthemagneticfield,thusachievingthepurposeofmeasuringthebuscurrent.ThedesignaccordingtotheprincipleoftheHoneywellsensor,Honeywellsensor(HMC1021Z)todetectthesizeofthemagneticfieldcausedbytheexperimentalcircuitundertestcurrent,thesizeofthemagneticfluxdensitymeasuringpointintothecorrespondingsizeofthevoltagevalue,andthensignalsignalamplifier,theA/DconvertersenttotheAT89C51microcontroller,andfinallythroughthedigitaldisplayofthemeasuredcurrent.
KeyWords:
Non-contactcurrentmeasurement;DC;Honeywellsensors;AT89C51
1引言4
1.1本文研究意义4
1.2国内外研究现状5
1.3本文主要任务8
2非接触式电流检测原理9
2.1磁场与电流9
2.2直流检测的主要原理10
2.2.1分流器原理11
2.2.2传统铁芯式直流互感器原理11
2.2.3磁光效应原理13
2.2.4霍尔效应原理14
2.2.5罗柯夫斯基线圈原理16
2.2.6直流比较仪原理18
2.2.7磁阻效应原理19
2.3磁场测量的理论基础21
3总体方案23
3.1设计内容23
3.2设计要求23
3.3设计方法23
3.4系统的总设计思想24
3.5系统的主要元器件选择24
4硬件电路设计25
4.1传感器电路25
4.2仪表放大器OP0727
4.3保持采样器LF39828
4.4A/D转换器ADC080929
4.5显示模块LCD160230
4.64*4键盘矩阵模块31
5系统软件设计及抗干扰措施32
5.1系统软件设计32
5.2电流互感器抗干扰33
5.2.1屏蔽34
5.2.2屏蔽34
5.2.2瞬态抑制35
1引言
1.1本文研究意义
著名科学家门捷列夫指出:
科学是从测量开始的。
在现代科学技术和生产力的推动下,测量已经成为了一门完整且十分重要的学科,测量的对象日趋丰富,涵盖了绝大多数的物理量。
电流在自然界中十分普遍,人类在对电现象本质的探索中积累了测量电流的丰富经验,特别是近几十年以来,半导体器件和计算机技术突飞猛进,为了便于量化和计算,许多非电量被转化成电量进行间接测量,电流测量在现代工业中十分普遍同时非常重要。
在电气设备检修和自动化领域,对直流电机的电刷是否位于几何中心线、电枢绕组的短路情况等的检查都要用到直流检测技术。
在自动控制系统中,直流测速发电机的输出直流电压与转速成线性关系,因此检测它的输出电压就能间接地检测电机的转速;在许多自动控制系统中,一些控制信号也是直流信号,需要检测,但直流检测往往存在二个最明显的困难:
一是直流测量仪表不便串入电路中;二是直流检测电路与被测电路不能直接耦合,否则就会影响被测电路的直流工作点,即直流检测的隔离成为问题。
这使传感器和周围的电子电气隔离和保护可以实现。
对电气设备的各种非接触性测量中,基于磁场检测的非接触电流测量仪研究便成为现在研究的一个方面,如何更加快捷,安全,有效的通过对磁场的检测而得出电流就显得更加的重要。
磁阻效应(MagnetoresistanceEffects)是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。
同霍尔效应一样,磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
在达到稳态时,某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等,载流子在两端聚集产生霍尔电场,比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转,比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。
这种偏转导致载流子的漂移路径增加。
或者说,沿外加电场方向运动的载流子数减少,从而使电阻增加。
磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的,在传感器线性范围内,其输出电压与被测磁场成正比。
进而检测出被测导线的电流值。
1.2国内外研究现状
常用的电流检测方法有:
分流器、铁芯交流电流互感器、铁芯直流电流互感器、空芯线圈、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器等方法,下面具体介绍这几种方法。
1.2.1分流器
分流器是根据电流通过电阻时在电阻两端产生电压进行电流测量。
利用分流器测量电流时,是将电阻数值已知的分流器串联在被测电路里,通过测量或者观测分流器两端的引出电压,即可获得被测电流的大小或波形。
理想的制造分流器的材料必须拥有较好的散热性能,材料的电阻率必须拥有极高的长期稳定性和可靠的温度稳定性,制造分流器的材料有多种,比较常用的有康铜和锰铜等合金金属。
分流器的原理简单,在低频率小幅值电流测量中,表现出极高的精度和较快的响应速度。
工业领域中,在不涉及到测量回路与被测电流之间电隔离的场合,分流器是将电流信号转变为电压信号的首选方案。
分流器应用在大幅值高频率的电流测量中,会产生较大的误差。
随着被测电流的增大,分流器的发热急剧增加,为了保证分流器的正常工作,分流器的尺寸、重量和造价不可避免的急剧增加,一定程度上限制了分流器在大电流工业现场的应用;另一方面,当分流器用于测量快速变化的电流或者脉冲电流时,分流器的电感分量不再可以忽略不计,同时,由于集肤效应的存在,使得分流器中的电流分布非均匀化,分流器输出端的电压发生时移,测量的精度将大打折扣。
近些年以来,许多科学家进行了大量的研究工作,对分流器的结构进行了分析和改进,其目的主要是减小分流器在测量电流中受到电磁力和热应力的影响程度。
派克(Park)、亨姆斯(Hains)和伯奈特(Bennett)等对分流器的模型进行了严格的理论分析,求解了同轴分流器在多种频率电流作用下的电流和电压分布,并提出了各种补偿方法,使得分流器电位输出端的电压更接近于理想的阶跃函数(当引入分流器的被测电流为阶跃函数时)。
1.2.2电流互感器
变压器是人们在19世纪中对电与磁关系探索过程中的杰出成就之一,从领头巨人法拉第(Farady)和亨利(Henry),到第一次提出“Transformer”(变压器)这一概念的布拉什(Blathy),人类进行了长达五十多年的探索[1-4]。
1886年,美国科学家威斯金豪斯(Wisgenhouse)使用变压器作为交流输配电成功,掀开了人类利用电能的新篇章。
随着发电、输电和配电的进一步发展,对输电线电流的检测显得十分重要和迫切,基于变压器原理的用以测量交流电流的互感器在更多学者的不断实践中出现了。
交流电流互感器的典型结构与普通变压器极其相似,它包括一个闭合铁芯和两个绕组,在理想的情况下,如果忽略激磁电流,则原副边绕组的磁通势是相互平衡的。
对于一个电流互感器,原副边绕组的匝数是已知且固定的,通过测量副边电流即可测量原边被测电流的大小。
电流互感器有两个作用:
一是通过测量较小的电流实现对较大电流的测量;二是实现测量回路与被测回路之间的电气绝缘,避免了测量回路与一次电流之间的直接电连接。
交流电流互感器的传感原理简单,精度较高,其变比仅仅与原副边绕线的匝数有关,长期稳定性和温度稳定性有保障,因此,交流电流互感器在电力系统中得到了极广的运用。
近些年来,软磁材料的发展日新月异,性能优越的坡莫合金、纳米合金以及非晶合金等新型铁磁材料不断涌现,使得互感器的性能得到极大改善,精度不断提高(可高达10-4级),体积、重量和价格有所优化,与此同时,人们在传统电流互感器的基础之上,采取了许多改进措施以进一步提高电流互感器的精度。
1.2.3直流电流互感器
直流电流互感器利用被测直流改变带有铁芯扼制线圈的感抗,间接的改变辅助交流电路的电流,从而来反映被测电流的大小。
直流电流互感器是德国科学家克莱麦尔教授在1936年研制成功的,是一种简单实用的直流电流检测手段。
[5-6]
直流电流互感器的传感原理简单可靠,与基于变压器原理的交流电流互感器一样,其传感系数仅仅与原副边的匝数有关,长期可靠性和温度稳定性均有保障,因此,直流电流互感器是检测直流大电流的一种有效手段,其缺点主要体现在体积较大、价格较高、需要外界电源的支持等方面。
1.2.4空芯线圈
空芯线圈通常被称为Rogowski线圈,因为它是由俄国科学家Rogowski在1912年发明的。
空芯线圈往往采用将漆包线均匀的绕制在环形骨架上制成,骨架采用塑料或者陶瓷等非铁磁材料,骨架的相对磁导率与空气中的相对磁导率相同,这便是空芯线圈有别于带铁芯的交流电流互感器的一个显著特征。
空芯线圈和基于变压器原理的交流电流互感器一样,只能用来实现对交流电流的检测,但是它们的传感原理完全不同:
交流电流互感器的二次输出信号为电流,拥有一定的承担负载的能力,其大小正比于被测电流的大小,其二次回路不能够开路工作;空芯线圈的输出信号为弱电压信号,基本没有承担负载的能力,其大小正比于被测电流对时间的变化,其二次输出一般处于开路工作状态。
空芯线圈不含有铁芯,骨架中的磁感应强度与被测电流可始终保持线性关系,所以空芯线圈不存在磁饱和问题,而且,一定频率下,空芯线圈的输出电压信号随被测电流的增加而增加,对感应电势的处理和检测更为容易,所以,空芯线圈在大电流或高频率电流测量中有着先天的优势。
1.2.5霍尔电流传感器
霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置,它采用霍尔元件作为传感单元,通过被测电流产生的磁场的大小来实现对电流的测量。
霍尔元件又被称作霍尔片,因为它是一种半导体薄片,作为一种技术成熟且应用广泛的磁场检测元件,霍尔元件是根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势为基础的,是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。
霍尔元件是一种半导体器件,其温度稳定性和长期可靠性是阻碍霍尔电流传感器应用在高可靠性和高精度测量场合的主要因素之一,但是,随着半导体技术的高度集成化,霍尔元件的线性度和稳定性大幅度提高,霍尔电流传感器的应用领域进一步拓宽。
霍尔电流传感器是一种典型的有源型电流检测方法,适用于从直流到中频段的任意波形电流的测量,在现在的工业现场,霍尔电流传感器是数百安培以内电流检测的首选产品。
开环型霍尔电流传感器简单,闭环型霍尔电流传感器精度较高,但是它们都带有铁芯,动态范围有限,且应用在大电流测量的场合存在体积大、重量重的缺点,所以,霍尔电流传感器的发展方向是在保证甚至提高稳定性和精度的基础上减小其体积、重量和造价。
1.2.6磁通门电流传感器
1933年,世界上出现了第一台磁通门磁力仪,从此,磁通门作为一种简单实用的弱磁场测量仪器受到了人们普遍的关注,1956年我国从原苏联引入的磁通门航空磁力仪,灵敏度高达5nT,近年来,我国自行研制在南极站上使用的CTM2302型磁通门磁力仪分辨率可达1nT以内。
磁通门能够准确的检测磁场,自然能够实现电流测量,但是由于磁通门能够检测的最大磁场不过数十高斯,所以磁通门在电流测量中对象仅仅限于微弱电流。
通过以上叙述可得,对于直流测量,分流器和霍尔电流传感器原理最为简单,霍尔电流传感器与分流器相比,其优点是可以有效的实现测量信号与被测信号之间的电气绝缘,事实也证明,霍尔电流传感器是工业领域检测直流电流最常用的手段,世界知名的电流传感器公司如霍尼威尔和莱姆等公司的主要产品都集中于霍尔电流传感器。
本设计采用霍尼威尔公司的HMC1021Z传感器。
1.3本文主要任务
本设计主要任务:
连接一个待测电流的实验电路,根据霍尼韦尔传感器的原理,霍尼韦尔传感器检测出电流引起的磁场的大小,检测磁感应强度形成检测输入信号。
霍尼韦尔传感器将测量点的磁感应强度的大小转化成相应大小的电压值,然后信号再经过信号放大器,A/D转换送到单片机AT89C51中,最后经过LCD显示出被测电流。
本论文首先简述非接触式电流检测的基本概念,然后提出方案论证,选择合适方案完成设计,给出合理的硬件电路设计、软件系统和一些抗干扰的措施。
2非接触式电流检测原理
2.1磁场与电流
2.1.1磁场
磁场是一种看不见,而又摸不着的特殊物质,它具有波粒的辐射特性。
磁体周围存在磁场,磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。
电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。
由于磁体的磁性来源于电流,电流是电荷的运动,因而概括地说,磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。
2.1.2电流
电流,是指电荷的定向移动。
电源的电动势形成了电压,继而产生了电场力,在电场力的作用下,处于电场内的电荷发生定向移动,形成了电流。
电流的大小称为电流强度(简称电流,符号为I),是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量,每秒通过1库仑的电量称为1「安培」(A)。
2.1.3磁场与电流的关系
法拉第电磁感应定律:
因磁通量变化产生感应电动势的现象,闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,这种现象叫电磁感应。
闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动,导体中就会产生电流。
这种现象叫电磁感应现象。
产生的电流称为感应电流。
这是初中物理课本为便于学生理解所定义的电磁感应现象,不能全面概括电磁感现象:
闭合线圈面积不变,改变磁场强度,磁通量也会改变,也会发生电磁感应现象。
所以准确的定义如下:
因磁通量变化产生感应电动势的现象。
电磁感应它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化,对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系电流产生磁场,利用磁阻(MR)装置即可进行测量。
例如,携带电流的圆导体会在导体周围形成类似同心圆的磁场线。
磁场感应方向可运用右手规则进行确定,即,保持右手拇指与电流方向一致,手指按照磁场向量的方向进行弯曲,如图2.1所示。
图2.1磁场及电流方向
在大多数情况下,某特定点的磁场可利用毕奥—萨伐尔定律或更简单的推导方法—安培环路定律予以确定。
安培定律指出,任何闭合回路磁场强度(H)的线积分与该回路中的电流相等。
其等式方程如下所示:
其中,
为磁场强度,
为电流,
指闭合集成电路的微元段。
2.2直流检测的主要原理
对直流电流的测量方法,就其原理而言可分为两大类:
一类是根据被测电流在已知电阻上的电压来确定被测电流的大小,如分流器等;另一类是根据被测电流所建立的磁场为基础,实际上是将电流的测量问题转变为磁场的测量问题,通过一定的手段测量它的磁密、磁通或磁势,再经过转换得知电流的大小。
根据被测电流在已知电阻上的电压来确定被测电流的大小,由于其体积、误差、损耗、绝缘、测量范围等方面的不足,已经难以满足现代测量的标准。
根据被测电流所建立的磁场来测量电流的方法,不仅种类繁多,而且应用也十分广泛。
从物理学角度来看磁场的测量方法主要有核磁共振法、霍尔效应法、电磁感应法、磁通门法、光泵法、磁光效应法、磁膜测磁法及超导量子干涉器件法等。
此外,还有一些未得到广泛应用的磁场测量方法,如磁阻效应法、磁控管法、磁敏二极管法、短脉冲放电法、半导体负荷浓度效应法、电子束法、阴极射线法和电子回旋共振法等。
这些方法中大部分由于各种原因的限制无法应用于测量电流的互感器,例如设备造价太高、结构过于复杂等因素,也有些对被测磁场有特殊的要求,所以实际上并不是所有的测量磁场的方法都可用于测量电流。
下面将就目前测量领域研究的几种主要测量原理逐一予以简单的说明,并分析了它们的优缺点[7-8]。
2.2.1分流器原理
这是人们利用电阻量具测量直流最早采用的方法,它是通过测量被测电流回路中的串联电阻两端电压值来达到测量电流的目的。
与分流器原理类似的测量方法还有标准电阻法。
它的特点是结构简单、准确可靠,但是只适宜测量10kA以下的电流。
对于测量10kA以上的电流,现在采用多个分流器并联的方法来扩大测量的范围,但量具的体积会过分庞大、笨重,如一个6kA/75mV的分流器的体积大约为40cm3,不仅在制作和安装方面带来比较大的困难,而且由于本身的重量影响,安装也很难保持原有的准确度。
分流器的测量误差主要受电阻值不稳定、电流分布不均、负载大小、电位端钮及热电势等因素影响,工业用的分流器的准确度通常为0.5级。
西欧一些国家,如英、法等国,至今仍采用这种经典的方法测量数十千安以上的直流电流。
例如英国化学工业有限公司就是一直采用这种方法来测量直流电流。
该公司将每个小型分流器标准化,其额定电流规定为1.5kA,额定电压降为7.5mV。
这种原理的主要问题是要断开一次回路,给安装使用带来极大的不便,在测量一次侧和信号处理的二次侧也没有电隔离,所以不适合用于微机保护等含有计算机设备的装置。
2.2.2传统铁芯式直流互感器原理
这种直流互感器的工作原理是以交流磁势平衡被测直流磁势为基础的,实际上是利用被测直流改变带有铁芯的线圈的感抗,进而间接地改变了辅助交流激磁电路的电流,从而反映出被测直流电流的大小。
直流电流互感器通常是由两个相同的闭合铁芯所组成,在每个铁芯上有两个绕组:
原方绕组和副方绕组。
原方绕组串联接入被测电路,副方绕组则连接到辅助交流电路里,其连接方式有串联和并联两种,前者称为副方绕组串联直流互感器,后者称为副方绕组并联直流互感器。
由于副方绕组接法的不同,这两种互感器的静态特性和动态特性有很大差别,用途也各不相同。
其中副方绕组串联直流互感器用来测量电流,副方绕组并联直流互感器则多半用以测量电压。
图2.1给出了副绕组串联直流互感器接线图。
图2.2直流电流互感器原理图
对于直流电流的测量,现在大都采用补偿式直流互感器。
这种补偿式直流互感器的铁芯除了原、副方绕组外,还有一个通过直流的补偿绕组,目的在于补偿被测电流产生的部分磁通势。
采用这种补偿办法,对于同样大小的铁芯来说,既可提高被测电流的额定值,又可以降低互感器的误差。
补偿绕组中直流电流的供给方式有两种:
(1)将副方绕组的输出电流整流后供给;
(2)由外加直流电源供给。
对于100kA以上的大型直流互感器,为了消除外磁场的影响,也可采用全补偿式直流互感器,用铁磁材料加以屏蔽。
至于补偿绕组的电流,则由磁放大器自动地加以控制。
这种全补偿式直流互感器实际上是一种直流比较仪,这部分内容放在后面直流比较仪一节加以讨论。
现在对于100~200kA直流互感器,在50~110%的额定电流范围内,其准确度只能达到0.5至0.2级。
这种测量装置的特点是性能稳定,与分流器相比,功率消耗小,能承受较大的负载。
主要缺点是线性度差,二次电流纹波较大,同时也易受外磁场影响。
如图2.2所示,这在量程50%以下难以满足准确度的要求,且一次电流通入时要求方向正确,否则二次侧将输出错误的数值,故只适合于在工业测量中使用。
图2.3副绕组串联直流互感器副边电流波形
另外,这种直流互感器可以做成一次电流穿心式结构,不用断开一次电流回路,对于一次侧系统的安装提供了方便。
前苏联的一台100~200kA直流电流测量装置,其线圈为框形,有4匝和8匝两种,每个线匝可拆开,其匝数也可根据需要加以改变。
2.2.3磁光效应原理
采用磁光效应原理制成的互感器叫光电互感器。
它的基本原理是法拉第磁光效应,即通过偏振光在磁场中的偏转角度来测量电流的大小。
这种互感器的优点是使用的光导材料具有良好的电隔离和绝缘性能,抗电磁干扰特性也很好。
光电互感器遇到的问题主要是准确度较差、有震动干扰等。
光电互感器也有多种不同的类型[9],按照测量对象的不同,可以分为光电电流互感器(OCT)和光电电压互感器(OPT);按照光电互感器高压端传感头是否含有有源器件,又可分为有源型和无源型。
无源型光电互感器地传感头部分采用光学材料,不含有源器件,故不需要电源;有源型光电互感器地传感头部分采用非光学材料,仅仅只是利用光纤来传输信号,它在高压端有电子线路,需要外加电源才能工作。
图2.3给出了一种光电互感器的原理线路图,其中1为光源,2为起偏振镜,3为铅玻璃棒,4为检偏振镜,5为锗光电二极管,6为放大器。
图2.4光电电流互感器原理线路图
国外光电OCT的研究开始于上个世纪六十年代末到七十年代初,到1994年ABB公司开发出多种电压等级的直流数字式OCT,并在多个地区挂网运行。
日本也是较早开始OCT研究的国家之一,除研究500kV/1000kV高压计量用的OCT外,还进行了6.6kV到500kV等级的GIS用零序电压电流的光电互感器的研究。
我国则在二十世纪八十年代才开始进行光电互感器的研究,也研究制作了OCT和OVT的样机,并挂网试运行成功。
但是总体来说,从技术角度和研究成果角度来看都比国外落后。
2.2.4霍尔效应原理
霍尔效应原理互感器有磁平衡式(闭环)和直放式(开环)两种,它于二十世纪70年代由瑞士的LEM公司首先研制成功,它有电压模块和电流模块。
霍尔原理互感器的主要特点有可以测量直流、交流及脉冲等任意波形的信号,带宽为0~100kHz,响应时间为1µs,准确度可以达到1~0.1级,线性度优于0.1%等。
其中闭环霍尔互感器的准确度较高,温漂较小,但相对开环霍尔互感器来说,成本较高,耗电量大,体积也大。
开环霍尔互感器通过特殊设计,它的输出可以任意调整比例和零点,波形质量好,是计算机等数据采集系统与一次系统的理想的接口设备。
图2.4给出了闭环霍尔电流互感器的原理图,图2.5给出了它的等值电路图
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