一種用于磁阻傳感器的電流測(cè)量新方法

0電流測(cè)量裝置高壓大電流峰一直是智能電網(wǎng)建設(shè)的中心核心技術(shù)。與傳統(tǒng)的電流檢測(cè)技術(shù)相比，高壓大電流峰的測(cè)量具有電氣隔離困難、測(cè)量間隔寬（五個(gè)層次）、信息安全要求等特點(diǎn)。近年來(lái)，高壓降壓峰的研究已成為科學(xué)和工程研究的熱點(diǎn)1-2。目前工程科研中電流檢測(cè)復(fù)雜價(jià)格昂貴,有的溫度漂移嚴(yán)重,有的容易受環(huán)境磁場(chǎng)的干擾,有的電氣隔離差,都不能滿足現(xiàn)在的需求復(fù)雜條件下電流的測(cè)量［3-6］。針對(duì)以上問(wèn)題一些公司已利用AMR開(kāi)發(fā)了電流測(cè)量裝置,與傳統(tǒng)的磁感應(yīng)測(cè)量不同的是采用AMR代替了霍爾元件提高了測(cè)量精度和量程,不過(guò)由于采用的磁環(huán)屏蔽干擾磁場(chǎng),使得安裝困難、成本昂貴;另一個(gè)缺陷是磁環(huán)的引入使得裝置與導(dǎo)線的距離被固定,進(jìn)而降低了測(cè)量量程,同時(shí)在高壓情況下存在電氣隔離的問(wèn)題［7-8］。本文采用通用低成本的電子指南針磁阻傳感器作為電流檢測(cè)元件,并特別針對(duì)長(zhǎng)距離磁測(cè)量方法中磁場(chǎng)的干擾問(wèn)題,輔以雙惠斯通橋差模電路,可以對(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽;進(jìn)而可以提高高壓大電流中測(cè)量裝置與主體的安全距離,解決電氣隔離問(wèn)題;測(cè)量裝置與測(cè)量主體之間距離的增加使得磁阻傳感器的在大電流時(shí)不易磁飽和,有效的提高了測(cè)量范圍,本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與文獻(xiàn)中的測(cè)量方法相比從精度與量程上都有所提高;此外,磁阻效應(yīng)受溫度的影響極低,可以忽略溫度漂移對(duì)測(cè)量造成的影響。1軸磁阻傳感器的應(yīng)用通電導(dǎo)線引起的磁場(chǎng)分布如圖1、圖2和圖3(圖中磁場(chǎng)為空間以切面上示意磁場(chǎng)),電流i在空間中點(diǎn)A的磁場(chǎng)為,由Biot-SavartLaw可得出式(1),穩(wěn)恒電流場(chǎng)i可以產(chǎn)生穩(wěn)恒的磁場(chǎng),其在空間直角坐標(biāo)系(X,Y,Z)各個(gè)軸上的投影BiAX、BiAY、BiAZ與電流i成比例關(guān)系,比例系數(shù)分別為ɑx、ɑy、ɑz,有:由等式(1)可得:利用三軸AMR可以準(zhǔn)確的測(cè)量到點(diǎn)A磁場(chǎng)在AMR三個(gè)敏感軸上的投影分別為BiAX、BiAY、BiAZ,進(jìn)而可以得到電流i的大小。但是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中磁場(chǎng)分布如圖2,直接將磁阻傳感器置于A點(diǎn),由于地磁場(chǎng)和周圍環(huán)境變化引起的磁場(chǎng)擾動(dòng),將各磁場(chǎng)在分別投影到(X,Y,Z)坐標(biāo)軸上,如式(3):要想利用磁場(chǎng)測(cè)量獲得電流值首先要屏蔽掉與。傳統(tǒng)方法利用磁罐或者軟磁環(huán)屏環(huán),這樣增加了設(shè)計(jì)難度。本文利用雙惠斯通橋差模電路(如圖2、3)將磁場(chǎng)與有效的屏蔽掉,在導(dǎo)線周圍A、B兩點(diǎn)各放一只三軸磁阻傳感器,使傳感器的敏感軸與空間坐標(biāo)系(X,Y,Z)坐標(biāo)軸平行。對(duì)于磁場(chǎng)中B點(diǎn)同樣存在關(guān)系式(4)、(5):以上各式聯(lián)立可得:由式(7)可以得出結(jié)論:(1)當(dāng)A、B磁阻傳感器與導(dǎo)線的相對(duì)位置固定后,在各個(gè)軸上的差值大小僅與電流成比例;(2)通過(guò)雙磁阻傳感器可以有效的屏蔽掉地磁場(chǎng)的干擾和周圍環(huán)境的干擾;(3)利用單軸磁阻傳感器可代替三軸磁阻傳感器;(4)通過(guò)測(cè)量差值可以計(jì)算出電流的大小。2mc328xms系統(tǒng)利用廉價(jià)的磁阻傳感器MMC328xMS搭建雙惠斯通橋差模電路對(duì)通電導(dǎo)線進(jìn)行測(cè)量［11］,MMC328xMS集成了所需的放大器、ADC、與通訊IC,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。在距離通電導(dǎo)線不同的位置上分別放置兩磁阻傳感器,且傳感器的各敏感軸保持平行。磁阻傳感器將對(duì)應(yīng)位置的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),經(jīng)過(guò)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)化器,信號(hào)傳送給MCU,MCU通過(guò)差分處理得出兩傳感器敏感軸的差值y。2.1方法的有效性檢驗(yàn)表1為在干擾磁場(chǎng)(-0.5~0.5gauss)環(huán)境下的電流與兩個(gè)磁阻傳感器Z軸差值關(guān)系值,表2為其中第二組數(shù)據(jù)的部分原始數(shù)據(jù)。對(duì)表1中的四組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得出圖5。由圖5可看出:(1)每組數(shù)據(jù)線性度均在99.9%以上,符合公式(7)由此可看出本方法的科學(xué)性和穩(wěn)定性;(2)四組數(shù)據(jù)存在各自的誤差,數(shù)據(jù)的截距不是零。數(shù)據(jù)存在誤差主要由以下原因:(1)磁阻傳感器本身的零點(diǎn)誤差;(2)磁阻傳感器的測(cè)量誤差;(3)兩個(gè)磁阻傳感器存在安裝誤差,傳感器的敏感軸存在角度偏差。但綜合來(lái)看,由于誤差對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響極低,在實(shí)際工程項(xiàng)目中可以完全忽略誤差的影響。采用最小二乘法對(duì)四組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得近似公式為:2.2傳感器與導(dǎo)線的距離通過(guò)公式(8)可以反推出電流大小。由于傳感器零值誤差(8)與y軸交點(diǎn)不是0,即0電流時(shí),系統(tǒng)存在15.76的偏移量,可以通過(guò)程序系統(tǒng)初始化矯正。式(8)的斜率及對(duì)應(yīng)于式(7)的斜率,斜率大小與兩傳感器之間的距離和傳導(dǎo)線之間的距離成反比,當(dāng)三者相對(duì)距離固定后斜率也會(huì)固定,通過(guò)調(diào)解傳感器與導(dǎo)線的距離可調(diào)節(jié)量程大小。MMC328xMS的量程為-8~+8gauss,本實(shí)驗(yàn)搭建的裝置可以量程為0~25A,精度為0.1A。在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)節(jié)敏感元件與導(dǎo)電線之間的距離可以有效的調(diào)節(jié)測(cè)量量程,在高電壓中大電流中,系統(tǒng)與導(dǎo)線的距離可提高到一米甚至更高,采用數(shù)組差模系統(tǒng),這樣可以在不影響精度的情況下將量程提高到上萬(wàn)安培。3系統(tǒng)的可靠性分析本文利用通用低成本磁阻傳感器,設(shè)計(jì)了雙惠斯通橋大電流檢測(cè)系統(tǒng),推導(dǎo)了其工作原理,同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù),驗(yàn)證了裝置的科學(xué)性與可靠性?？傻贸鲈撓到y(tǒng)與傳統(tǒng)采用磁環(huán)屏蔽的電流檢測(cè)系統(tǒng)相比,電