CN105738693A - 电流表 - Google Patents

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张绍旺
朱自科
李亚娟
曾舒帆
陈万才
张自长
苏红
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Abstract

本发明涉及电流计量技术领域，公开了一种电流表，包括：复合式比较仪、第一直流比较仪、双极有源补偿互感器、交流互感器、第一信号变换单元、第二信号变换单元、第三信号变换单元、第四信号变换单元、第一模数转换电路、第二模数转换电路、DSP和电源模块，复合式比较仪包括：第二直流比较仪、功率放大器、霍尔信号放大器、四个霍尔元件和一个通过切割形成有四个气隙的铁芯，四个霍尔元件分别置于四个气隙中，四个霍尔元件连接霍尔信号放大器，霍尔信号放大器连接功率放大器，功率放大器连接第二直流比较仪的两个次级绕组的第一次级绕组。本发明解决了接触式测量大电流发热、测量不准确的问题，也解决了非接触式测量时小电流测量不准确的问题。

Description

电流表
技术领域
本发明涉及电流计量技术领域，特别涉及一种电流表。
背景技术
交直流电参量值作为电能源的重要参数、电学计量的基本量，广泛应用于电镀、电冶、电机制造及检修、电池电气机车、航空甚至航天等领域。交直流电流量值从几毫安、几十安至几百安、几千安甚至上万安培；监测仪表精度等级也从1级、0.5级到0.2级、0.1级，甚至到0.05级也不鲜见。对这些交直流电流值的准确计量，直接关系到***运行效果，关系到产品质量，甚至关系到整个***工程的成败。因此，对这些仪表的计量性能进行量传/溯源是非常重要和必要的。
在我国省市级、大中型企业及国防工业的电流量传/溯源标准装置和仪表存在的技术缺点是：
1、电流量程小、交流参量及扩展频率后的测量精度低；
2、量程大，测量精度低，测量不方便；
3、进行低精度测量时，从小电流到大电流也需要很多设备组合在一起才能完成，操作不便，工作效率低下，人力物力投入大。
发明内容
本发明提出一种电流表，解决了现有技术中的电流表电流量程小、精度低的问题。
本发明的电流表包括：复合式比较仪、第一直流比较仪、双极有源补偿互感器、交流互感器、第一信号变换单元、第二信号变换单元、第三信号变换单元、第四信号变换单元、第一模数转换电路、第二模数转换电路、DSP和电源模块；
所述复合式比较仪、第一直流比较仪、双极有源补偿互感器和交流互感器分别连接第一信号变换单元、第二信号变换单元、第三信号变换单元和第四信号变换单元，第二信号变换单元和第三信号变换单元分别连接所述第一数模转换电路和第二数模转换电路，第一信号变换单元和第四信号变换单元分别通过开关连接所述第一数模转换电路和第二数模转换电路；
第一模数转换电路和第二模数转换电路均连接DSP；
电源模块用于为第一信号变换单元、第二信号变换单元、第三信号变换单元、第四信号变换单元、第一模数转换电路、第二模数转换电路和DSP供电；
所述复合式比较仪包括：第二直流比较仪、功率放大器、霍尔信号放大器、四个霍尔元件和一个通过切割形成有四个气隙的铁芯，所述四个霍尔元件分别置于所述四个气隙中，所述四个霍尔元件连接所述霍尔信号放大器，霍尔信号放大器连接所述功率放大器，所述功率放大器连接所述第二直流比较仪的两个次级绕组的第一次级绕组。
其中，所述第一数模转换电路和第二数模转换电路均包括相互连接的增益放大器、A/D转换器和光电隔离器，所述光电隔离器连接DSP。
其中，所述第一信号变换单元为箔式无感电阻，用于对所述第二直流比较仪的次级绕组电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第一模数转换电路。
其中，所述第二信号变换单元为箔式无感电阻，用于对所述第一直流比较仪的次级绕组电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第二模数转换电路。
其中，所述第三信号变换单元为采样精度小于0.005％、低温漂低于0.2ppm/℃的箔电阻，用于对所述双极有源补偿互感器的电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第三模数转换电路。
其中，所述第四信号变换单元为箔式无感电阻，用于对所述交流互感器的电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第四模数转换电路。
本发明的电流表在测量方式上，在0～100A范围内采用接触式测量，100A～2000A采用非接触式测量，有效解决了接触式测量大电流发热、测量不准确甚至无法测量的问题，也解决了非接触式测量时小电流测量不准确的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种电流表的结构示意图；
图2为复合式直流大电流比较仪原理框图；
图3为双级有源互感器补偿线路。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例的电流表包括：复合式比较仪1、第一直流比较仪2、双极有源补偿互感器3、交流互感器4、第一信号变换单元51、第二信号变换单元52、第三信号变换单元53、第四信号变换单元54、第一模数转换电路、第二模数转换电路、DSP9和电源模块。
所述复合式比较仪1、第一直流比较仪2、双极有源补偿互感器3和交流互感器4分别连接第一信号变换单元51、第二信号变换单元52、第三信号变换单元53和第四信号变换单元54，第二信号变换单元52和第三信号变换单元53分别连接所述第一数模转换电路和第二数模转换电路，第一信号变换单元51和第四信号变换单元54分别通过开关k1和k2连接所述第一数模转换电路和第二数模转换电路。开关k1和k2用于选择电流的测量范围，直流电流在0～100A范围内时开关k1断开，电流从b端进入，直流电流在100A～2000A范围时开关k1闭合，电流由a端进入。交流电流在0～100A范围内时开关k1断开，电流从c端进入，交流电流在100A～2000A范围时开关k1闭合，电流由d端进入。
第一模数转换电路和第二模数转换电路均连接DSP9。
电源模块用于为第一信号变换单元51、第二信号变换单元52、第三信号变换单元53、第四信号变换单元54、第一模数转换电路、第二模数转换电路和DSP9供电。
如图2所示，该复合式比较仪1包括：第二直流比较仪、功率放大器(图2中的第一功率放大器14，第二功率放大器为第二比较仪本身的功率放大器)、霍尔信号放大器13、四个霍尔元件121和一个通过切割形成有四个气隙的铁芯122，四个霍尔元件121分别置于所述四个气隙中。四个霍尔元件121连接霍尔信号放大器13，霍尔信号放大器13连接第一功率放大器14，第一功率放大器14连接第二直流比较仪的两个次级绕组的第一次级绕组W2＇。第二直流比较仪的测量头为复合式比较仪的主测量头11，四个霍尔元件121和铁芯122组成复合是比较仪的副测量头12。图2中除了副测量头12、霍尔信号放大器13和第一功率放大器14以外的其余部分为现有直流比较仪的结构，此处不再赘述。
本实施例中，第一数模转换电路包括相互连接的增益放大器61、A/D转换器71和光电隔离器81，光电隔离器81连接DSP；第二数模转换电路包括相互连接的增益放大器62、A/D转换器72和光电隔离器82，光电隔离器82连接DSP9。电源模块具体包括电源10和基准电路11，基准电路11用于对电源10的电压降压后为A/D转换器71和A/D转换器72供电。
当一次电流I1穿心流过主、副测量头时，首先由副测量头12感应产生电压VH输入第一功率放大器14形成I2′，I2′通过次级绕组W2′达到第二直流比较仪初平衡。初平衡后未能平衡的剩余电流作用于第二直流比较仪，通过第二直流比较仪检测铁芯上的检测绕组W1、W1′检测出差值信号，差值信号通过选频放大器与激磁电源通过选频放大器的两组输入同步检波器，产生的电压输入第二功率放大器形成I2通过次级绕组W2达到最终平衡。
达到第二直流比较仪最终平衡的次级电流I2+I2′依据次级绕组的匝数比例于初级电流I1，通过次级负载电阻RL输出比例于初级电流I1的电压信号。
本实施例的电流表在测量方式上，在0～100A范围内采用接触式测量(即直流采用第一直流比较仪，交流采用双极有源补偿互感器)，100A～2000A采用非接触式测量(直流采用复合式比较仪，交流采用交流互感器)，有效解决了接触式测量大电流发热、测量不准确甚至测不了的问题，也解决了非接触式测量时小电流测量不准确的问题。
本实施例中，第一信号变换单元51为箔式无感电阻，用于对第二直流比较仪的次级绕组电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第一模数转换电路。具体地，可以将复合式比较仪中的第二直流比较仪的次级500mA电流由9Ω(由11只100Ω并联)箔式无感电阻采样得到4.5V转换信号。
本实施例中，第二信号变换单元52为箔式无感电阻，用于对所述第一直流比较仪的次级绕组电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第二模数转换电路。具体地，可以将第一直流比较仪1的次级45mA电流由100Ω箔式无感电阻采样得到4.5V转换信号。
本实施例中，第三信号变换单元53为采样精度小于0.005％、低温漂低于0.2ppm/℃的箔电阻，用于对所述双极有源补偿互感器3的电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第三模数转换电路。
本实施例中，第四信号变换单元54为箔式无感电阻，用于对交流互感器4的电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第四模数转换电路。具体地，可以将电流互感器4的次级500mA电流6Ω(由10只60Ω并联)箔式无感电阻采样得到3V转换信号，然后进入A/D转换器。
本实施例中，为了保证100A～2000A非接触式测量的测量精度，直流测量采用复合式比较仪1取代了精度等级不高的传统的分流器和霍尔检测传感器，保证了直流电流的精密采样，交流测控采用交流互感器4对大电流进行采样。在数字信号处理时交流采用整周期、同步采样原理对来自交流互感器4的交流信号进行真有效值测量；消除交流采样时截尾误差对测量精度的影响，保证了交流电流的测量精度。来自复合式比较仪1的测量头采样信号(图1中a端信号)和来自交流互感器的采样信号(图1中d端信号)分别通过输入各自的信号变换单元实现信号隔离和整定为0～4.5V直流信号和0～3V交流信号(峰值约为4.5V)；该信号分别通过增益放大器61和62，保证输入A/D转换器71和72的信号大于1.5V，使A/D转换器71和72工作在较优线性区。信号送入A/D转换器71和72实现数字化离散；离散后的数字信号经过光电隔离器完成模拟信号和数字信号隔离后，进入DSP9。利用DSP9工作周期约为30nS的快速运算代替硬件乘法累加器，完成对***的实时同步测量。从而保证交直流电流在100A～2000A测量时的测量精度优越0.01％。
在0～100A测量范围内，对于交流电流(图1中c端信号)采用双级有源补偿电流互感器技术(补偿电路见图3)，将直接接入的测量电流转换为25mA电流信号，利用Vishay公司生产的高精密(精度0.005％)、低温漂(0.2ppm/℃)精密箔电阻采样出3V信号进入A/D转换器；对于直流信号(图1中b端信号)采用直流比较仪完成小电流的精密测量，保证交直流电流在20mA～100A测量时的测量精度优越0.01％。
本实施例的电流表具有如下优势：
1：交流测量采用整周期、同步采样原理，消除交流测量时截尾误差对测量精度的影响，直流测量采用复合式直流比较仪取代了精度等级不高的传统的分流器和霍尔检测传感器，使测量精度优越0.01％。
2：通过输入变换隔离电路，消除了通过信号途径的传导干扰；A/D与DSP间采取光电隔离，消除模拟数字间的传输干扰和地线纹波相互串扰。采用接触式测量与非接触式测量相结合的方案，有效解决了接触式测量大电流发热、测量不准确甚至无法测量的问题，也解决了非接触式测量时小电流测量不准确的问题；大大提高设备利用效率和工作效率，减少了人力物力投入。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电流表，其特征在于，包括：复合式比较仪、第一直流比较仪、双极有源补偿互感器、交流互感器、第一信号变换单元、第二信号变换单元、第三信号变换单元、第四信号变换单元、第一模数转换电路、第二模数转换电路、DSP和电源模块；
所述复合式比较仪、第一直流比较仪、双极有源补偿互感器和交流互感器分别连接第一信号变换单元、第二信号变换单元、第三信号变换单元和第四信号变换单元，第二信号变换单元和第三信号变换单元分别连接所述第一数模转换电路和第二数模转换电路，第一信号变换单元和第四信号变换单元分别通过开关连接所述第一数模转换电路和第二数模转换电路；
第一模数转换电路和第二模数转换电路均连接DSP；
电源模块用于为第一信号变换单元、第二信号变换单元、第三信号变换单元、第四信号变换单元、第一模数转换电路、第二模数转换电路和DSP供电；
所述复合式比较仪包括：第二直流比较仪、功率放大器、霍尔信号放大器、四个霍尔元件和一个形成有四个气隙的铁芯，所述四个霍尔元件分别置于所述四个气隙中，所述四个霍尔元件连接所述霍尔信号放大器，霍尔信号放大器连接所述功率放大器，所述功率放大器连接所述第二直流比较仪的两个次级绕组的第一次级绕组。
2.如权利要求1所述的电流表，其特征在于，所述第一数模转换电路和第二数模转换电路均包括相互连接的增益放大器、A/D转换器和光电隔离器，所述光电隔离器连接DSP。
3.如权利要求1所述的电流表，其特征在于，所述第一信号变换单元为箔式无感电阻，用于对所述第二直流比较仪的次级绕组电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第一模数转换电路。
4.如权利要求1所述的电流表，其特征在于，所述第二信号变换单元为箔式无感电阻，用于对所述第一直流比较仪的次级绕组电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第二模数转换电路。
5.如权利要求1所述的电流表，其特征在于，所述第三信号变换单元为采样精度小于0.005％、低温漂低于0.2ppm/℃的箔电阻，用于对所述双极有源补偿互感器的电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第三模数转换电路。
6.如权利要求1所述的电流表，其特征在于，所述第四信号变换单元为箔式无感电阻，用于对所述交流互感器的电流进行采样，将采样后的电压信号传输至第四模数转换电路。
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