CN115902378B - 一种磁通门传感器关于超大电流特性干扰的解决方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于漏电检测技术领域，公开了一种磁通门传感器关于超大电流特性干扰的解决方法，包括S1、对于磁芯的选择及设计：磁环由超导磁芯构成，并将磁芯的磁路均衡设计，控制磁芯最高受扰点；S2、将剩余部分干扰，做硬件滤波：将小幅耦合到干扰的方波信号通过RC滤波器将信号处理；S3、通过MCU模块采样做去抖、限幅、限频和积分处理。本发明的有益效果为磁芯设计做到磁路感应环路均衡，且控制最高受干扰点，对于干扰纹波有极大的压制和屏蔽；同样可极大降低瞬间冲击脉冲对线圈的干扰，再将剩余的小部分干扰，做硬件滤波，再通过MCU的采样做限幅、限频和积分处理，实现最有效的高精度传感器应用。
Description
技术领域
本发明涉及漏电流检测技术领域,更具体地说，它涉及一种磁通门传感器关于超大电流特性干扰的解决方法。
背景技术
漏电流传感器广泛适用于电力、通信、气象、铁路、油田、建筑、计量、科研教学单位、工矿企业等领域高精度、小相位误差的交流漏电流、电流、功率和电能测量，可连接各种高精度数字多用表或数据记录仪，使用非常方便。
而众多的干扰一直影响着传感器的测量精度，如：现场大耗能设备多，特别是大功率感性负载的启停往往会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖脉冲干扰；工业电网欠压或过压，常常达到额定电压的35％左右，这种恶劣的情况有时长达几分钟、几小时，甚至几天；各种信号线绑扎在一起或走同一根多芯电缆，信号会受到干扰，特别是信号线与交流动力线同走一个长的管道中干扰尤甚；多路开关或保持器性能不好，也会引起通道信号的窜扰；空间各种电磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会干扰传感器的正常工作；
此外，现场温度、湿度的变化可能引起电路参数发生变化，腐蚀性气体、酸碱盐的作用，野外的风沙、雨淋，甚至鼠咬虫蛀等都会影响传感器的可靠性。
漏电流传感器处理的一般都是小信号，都存在小信号放大、处理、整形以及抗干扰问题，也就是将传感器的微弱信号地放大到所需要的统一标准信号(如1VDC～5VDC或4mADC～20mADC)，并达到所需要的技术指标。这就要求设计制作者必须注意到抗干扰问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于解决大功率对于传感器精度的干扰，包含大电流回路的持续干扰和瞬间启停冲击干扰。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种磁通门传感器关于超大电流特性干扰的解决方法，其特征在于，包括
S1、对于磁芯的选择及设计：磁环由超导磁芯构成，并将磁芯的磁路均衡设计，控制磁芯最高受扰点；
S2、将剩余部分干扰，做硬件滤波：将小幅耦合到干扰的方波信号通过RC滤波器将信号处理；
S3、通过MCU 模块采样做去抖、限幅、限频和积分处理：去抖和限幅可以屏蔽2ms以内的干扰和过滤瞬间能量过高的异常波形；限频和积分是因为被测电流超过量程后会反映出频率过高，持续有规律振荡的通过积分识别真实电流状态并计算其有效平均电流值。
进一步的，磁芯由坡莫合金1J85熔炼形成；合金冷轧薄带在1300℃下在氢气氛中进行退火处理，保温后控制冷速至300℃左右出炉空冷，可以增加高温退火时间及采用 500℃二次中温退火；
合金冶炼后期加入Si 和调整成分的合金、含 Ca 和 Ba 的合金，有利于夹杂物的聚集和上浮，上浮的夹杂物加以去除以增加合金的纯净度，聚集的夹杂物尺寸远离 1μm 左右的磁畴壁尺寸，减少对磁畴壁的旋转和移动的影响，从而增加磁性能。
进一步的，对于磁芯的选择检测时，通过自动筛选设备对磁芯进行检测，自动筛选设备包括内置传感器的功能PCBA板、基座、探针组件、U型铜棒、气缸及电机，探针组件包括基座内外侧放置的10组探针，模拟线圈绕制的10匝效果且连接于功能PCBA，形成一个可更换磁芯的完整传感器状态；
将磁芯固定在基座上，气缸下压并带动探针与磁芯接触，并使得铜棒穿过磁芯，在铜棒施加30A的三角波电流模拟干扰电流经过，在电流施加过程中电机控制每36°旋转铜棒，扫描其每个角度的不同干扰值，完成整个360°扫描后判断整个一圈磁芯其最大受干扰值是否符合要求限制，其标准结合产品的实际量程相对受干扰的大小，是否满足精度误差允许。
进一步的，当负载大电流通过磁芯线圈时，瞬间产生的高频脉冲干扰通过磁芯线圈耦合到振荡方波信号上，当被耦合了高频脉冲的信号通过RC低通滤波器处理将高频部分衰减滤除，将可识别频率范围的采样信号由MCU-ADC采集并处理、判断；
RC滤波器的截止频率的计算公式为：F(cutoff) =1 / (2πRC)
以上通过低通滤波器配置，结合传感器频率响应特性，保证处理在带宽范围内的有效测试及超带宽的超量程可靠处理。
进一步的，带宽内的有效电流，主要通过方波的占空比和频率综合识别交流、直流、两相整流、三相整流、脉动直流；进一步通过每个周期（20ms）采集16个计算值，每个值由ADC采集连续4个点的峰值计算所得；将16个值分析处理，识别每个点的平均幅值差异，判断其有效性后，进行计算确认实际漏电大小及类型，做出产品动作逻辑。
进一步的，带宽外的电流特性，通过RC低通滤波后的电流状态，均被衰减为最小幅值，在标准不误动作的要求框架内，实际高频漏在软件采样中显示的均为很小电流，达不到报警范围，不会再对传感器造成误跳风险。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果为：磁芯设计做到磁路感应环路均衡，且控制最高受干扰点，对于干扰纹波有极大的压制和屏蔽；同样可极大降低瞬间冲击脉冲对线圈的干扰，再将剩余的小部分干扰，做硬件滤波，再通过MCU 的采样做限幅、限频和积分处理，实现最有效的高精度传感器应用。
附图说明
图1为漏电传感器的原理框架图。
图2为磁通门工作波形。
图3为电流检测的参量变化原理。
图4为受扰后模拟量输出的交流纹波。
图5为磁芯最好受扰点与被测电流之间的关系图。
图6为大电流启停时的瞬间高频脉冲干扰示意图。
图7为MCU数据采样周期框架图。
图8为RC低通滤波器的方波处理状态和数据分析及结果图。
图9为瞬间脉冲干扰对MCU处理的干扰数据图。
图10为传感器频率响应曲线特性图。
图11为自动筛选设备的结构示意图。
具体实施方式
参照图1至图11对本发明实施例做进一步说明。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行通常的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
本发明的主要目的在于解决大功率对于传感器精度的干扰，包含大电流回路的持续干扰和瞬间启停冲击干扰。其通过①关键材料、②硬件设计、③软件设计的解决办法，实现发明目的。
需要解决的三大问题涉及的原理简述：
如图1所示，其漏电流传感器基于磁通门原理，通过方波激励源使得磁环探针的磁场交替饱和，一旦磁饱和，通过检测控制实现激励源的驱动电平自动翻转（图2）；即便漏电流为mA级，感应线圈也将持续叠加一定方向的感应电动势，造成输出信号不对称，达到漏电流保护判断（图3）。
上述所述的核心主要涉及图1的①关键材料超导磁芯，其特性主要实现自激驱动的方波通过磁芯线圈，达到充电快速饱和翻转效果，从而完成磁通门检测能力。
以上所述的磁通门检测能力包含了对微小电流和设计所能达到的量程范围内的整流波、脉动波、交流、直流、复合波、叠加波等；而对应的方波可以通过其占空比和频率的变化有效高精度的识别出波形类型和电流大小；当超大电流回路通过检测线圈时，所产生的尖脉冲干扰被磁通门检测感应到，通过模拟调制表现到输出端，可明显看到存在较大的交流纹波，过大的纹波在最终数据处理上会表现成有效的交流漏电状态，严重影响精度！
本发明办法所要解决其一：就是在磁通门工作时大电流回路产生的持续尖脉冲干扰。通过模拟实际干扰环境，研究线圈感应特性变化及改善优化方案，解决精度受扰问题。
以上所述大电流回路干扰模拟环境，主要通过可编程电源与大功率负载调制出类似大电流干扰的三角脉冲波（工频50Hz-30A），将大电流回路穿过线圈内，所模拟的脉冲波形持续施加与回路上，可明显发现传感器通过采样调制后仍会输出耦合到的交流纹波（图4），其有效值足以造成精度偏差。
以上所述交流纹波，在同一磁芯所分布的受扰程度均不同，其磁芯与被测电流回路的距离、角度都有密切关系。因此将电流回路在线圈内做偏心放置，同时均匀旋转线圈360°（图5），可明显发现线圈存在一个最高受扰点，最高点与电流回路线面垂直且靠近时受扰最严重，由此可知，在设计磁芯时需控制两个关键点：其一，将磁路均衡设计；其二，控制最高受扰点，即可有效改善整体受扰情况；
本发明办法所要解决其二：就是大电流瞬间启停冲击干扰。主要依靠硬件滤波结合软件处理，达到有效过滤和识别真实电流，完成抗扰的处理办法。
以上所述大电流瞬间启停的冲击干扰，主要体现在大电流突然接通负载时，包含感性或容性负载出现的瞬间高频脉冲产生（图6），寄生与检测反馈回路中，影响MCU的采样波形识别，造成精度偏差。
以上所述检测回路和MCU采样（图7）为磁通门的方波振荡和充放饱和电流反馈的循环。主要涉及Vin-自激方波驱动端、Vcom饱和电流反馈端、线圈、LN-被测电流回路、MCUAD采样端；结合（图2、图3）方波受漏电大小影响产生的占空比和频率的变化，通过MCU 的采样、滤波、数据运算完成漏电的精确判断并动作告警；
以上所述方波的采样变化，在整个***信息完整性和精度保证起到至关重要的作用。当（图6）启停时的瞬间高频脉冲干扰被线圈采样并耦合到方波上，高频且连续的干扰波在软件分析上无法做有效去抖滤波，造成***误判或数据精度偏差（图9）。
本发明的具体解决方法：
磁芯设计做到磁路感应环路均衡，且控制最高受干扰点，对于干扰纹波有极大的压制和屏蔽。同样可极大降低瞬间冲击脉冲对线圈的干扰，故关于硬件设计方面只需将剩余的小部分干扰，做硬件滤波，再通过MCU 的采样做限幅、限频和积分处理，实现最有效的高精度传感器应用。
以上所述硬件滤波，主要将小幅耦合到干扰的方波信号通过RC滤波器将信号处理成干净状态，虽然每次方波翻转都会受RC重放电的影响，但在滤除干扰波形的同时不破坏实际需要的采样数据真实性（图8）；
以上所述涉及的去抖、限幅、限频、积分均为软件滤波、处理分析、解决干扰、保证电流精度和波形准确度的方法。在面对瞬间冲击电流初期和浪涌试验冲击，存在相同的特性，时间短能量大，因此即使硬件滤波可以将杂波过滤，但实际的冲击能量仍然会进入AD采样端，所以去抖和限幅可以屏蔽2ms以内的干扰和过滤瞬间能量过高的异常波形；限频和积分是因为被测电流超过量程后会反映出频率过高，持续有规律振荡的通过积分识别真实电流状态并计算其有效平均电流值。
综上所述，***性的保证前端磁芯干扰压制，中端干扰过滤，后端软件屏蔽、过滤、分析、处理、识别、计算、输出。完成整个发明办法。
磁芯的加工与选择：
关于坡莫合金1J85熔炼
(1) 冶炼过程中增加熔炼和精炼的时间，尽可能的使合金成分均匀化，针对不同的冶炼炉多总结统计合金收得率和夹杂带入源及夹杂带入量，做到针对每个炉子可用的合金成分控制方法。
(2) 合金冷轧薄带在高温(1300℃)下在氢气氛中进行长时间退火处理，保温后控制冷速至300℃左右出炉空冷，精确控制冷却速度；可以增加高温退火时间及采用 500℃二次中温退火，然后快速冷却的热处理制度。使用时应避免冲击、振动及其他力的作用。
(3) 采用合理的熔炼、精炼和热处理工艺来控制合金的晶粒度和晶粒尺寸，如在热处理中提高退火温度、退火时延长保温时间、采用二段连续退火等方式。
冶炼后期除了加入Si 和调整成分的合金之外还建议加入含 Ca 和 Ba 的合金，有利于夹杂物的聚集和上浮，上浮的夹杂物加以去除以增加合金的纯净度，聚集的夹杂物尺寸远离 1μm 左右的磁畴壁尺寸，减少对磁畴壁的旋转和移动的影响，从而增加磁性能。
设计等同图5模型的角度分布自动筛选设备（图11），结合设备控制及数据读取的上位机软件，实现图4的受干扰交流有效值提取，设定自动设备的筛选限制，实现应用过程的有效保证。
以上所述自动筛选设备，包含工装结构及配套上位机软件。工装结构主要通过内置传感器的功能PCBA板，设置磁芯基座，基座内外侧放置10组探针，模拟线圈绕制的10匝效果，且连接与功能PCBA，形成一个可更换磁芯的完整传感器状态。
将磁芯固定在基座上，工装通过气杠下压完成探针接触，铜棒成U型穿过磁芯，在铜棒施加30A的三角波电流模拟干扰电流经过，在电流施加过程中工装电机通过上位机软件控制每36°旋转铜棒，扫描其每个角度的不同干扰值，完成整个360°扫描后判断整个一圈磁芯其最大受干扰值是否符合要求限制，其标准结合产品的实际量程相对受干扰的大小，是否满足精度误差允许。
例：一款量程为500mA的漏电流传感器，应用于30A的负载产品上，其增益为4mV/mA，精度为全量程2%，若将筛选工装受扰限制设置在<8mV/AC，实际影响最大2mA，相较2%精度，所控制的磁芯对精度影响符合标准要求。
结合图6，其示波器实际测量分析，黄色线为钳流表漏电采样，将LN回路线均置于测试夹内，监测大负载通过时漏电的实际状态；同时红色线为传感器振荡采样方波；
当负载接入，大电流启动瞬间高频脉冲干扰产生，钳流的反馈了环路存在的干扰，同时可发现传感器的振荡波形上也被耦合了高频干扰。
通过（图7） 检测环路中，当负载大电流通过磁芯线圈时，瞬间产生的高频脉冲干扰通过磁芯线圈耦合到振荡方波信号上，当被耦合了高频脉冲的信号通过RC低通滤波器处理（图8）将高频部分衰减滤除，将可识别频率范围的采样信号由MCU-ADC采集并处理、判断。
参考（图10）传感器频率响应曲线特性，设计传感器为700Hz带宽，符合-3db衰减限制内，同时700Hz后因为带宽限制出现线性衰减，当超过15K以上时会出现异常波动，同时会导致信号在最终采样判断时误判为有效电流。
RC滤波器的截止频率的计算公式为：F(cutoff) =1 / (2πRC)。
本方法设置R =1K ，C=10nF
通过公式 F =15923.6hz
以上通过有效低通滤波器配置，结合传感器频率响应特性，将15KHz之后的高频信号得到幅值衰减的最小波形，保证软件处理在带宽范围内的有效测试及超带宽的超量程可靠处理；
以上所述软件处理方式主要为，对带宽内的有效电流判断和计算方法和带宽外的超量程处理方法。
带宽内的有效电流，主要通过方波的占空比和频率综合识别交流、直流、两相整流、三相整流、脉动直流等；进一步通过每个周期（20ms）采集16个计算值，每个值由ADC采集连续4个点的峰值计算所得；将16个值分析处理，识别每个点的平均幅值差异，判断其有效性后，进行计算确认实际漏电大小及类型，做出产品动作逻辑。
以上所述有效性，主要区分在大电流高频脉冲时，耦合进来的异常波动，直接由每个点的峰值计算判断其异常后实行屏蔽处理，并重新开始采样周期，有效完成瞬间高频大电流的屏蔽和过滤作用。
带宽外的电流特性，包括700Hz-15kHz以及15kHz通过RC低通滤波后的电流状态，均被衰减为最小幅值，在标准：高频15K-150K ，电流从20mA-200mA不误动作的要求框架内，实际高频漏在软件采样中显示的均为很小电流，达不到报警范围，不会再对传感器造成误跳风险。
Claims (4)
1.一种磁通门传感器关于超大电流特性干扰的解决方法，其特征在于，包括
S1、对于磁芯的选择及设计：磁环由超导磁芯构成，并将磁芯的磁路均衡设计，控制磁芯最高受扰点；
S2、将剩余部分干扰，做硬件滤波：将小幅耦合到干扰的方波信号通过RC滤波器将信号处理；
S3、通过MCU 模块采样做去抖、限幅、限频和积分处理：去抖和限幅可以屏蔽2ms以内的干扰和过滤瞬间能量过高的异常波形；限频和积分是因为被测电流超过量程后会反映出频率过高，持续有规律振荡的通过积分识别真实电流状态并计算其有效平均电流值；
磁芯由坡莫合金1J85熔炼形成；合金冷轧薄带在1300℃下在氢气氛中进行退火处理，保温后控制冷速至300℃左右出炉空冷；
合金冶炼后期除了加入Si 和调整成分的合金之外，还加入含 Ca 和 Ba 的合金，有利于夹杂物的聚集和上浮，上浮的夹杂物加以去除以增加合金的纯净度，聚集的夹杂物尺寸远离 1μm 左右的磁畴壁尺寸，减少对磁畴壁的旋转和移动的影响，从而增加磁性能；
对于磁芯的选择检测时，通过自动筛选设备对磁芯进行检测，自动筛选设备包括内置传感器的功能PCBA板、基座、探针组件、U型铜棒、气缸及电机，探针组件包括基座内外侧放置的10组探针，模拟线圈绕制的10匝效果且连接于功能PCBA，形成一个可更换磁芯的完整传感器状态；
将磁芯固定在基座上，气缸下压并带动探针与磁芯接触，并使得铜棒穿过磁芯，在铜棒施加30A的三角波电流模拟干扰电流经过，在电流施加过程中电机控制每36°旋转铜棒，扫描其每个角度的不同干扰值，完成整个360°扫描后判断整个一圈磁芯其最大受干扰值是否符合要求限制，其标准结合产品的实际量程相对受干扰的大小，是否满足精度误差允许。
2.根据权利要求1所述的一种磁通门传感器关于超大电流特性干扰的解决方法，其特征在于，
当负载大电流通过磁芯线圈时，瞬间产生的高频脉冲干扰通过磁芯线圈耦合到振荡方波信号上，当被耦合了高频脉冲的信号通过RC低通滤波器处理将高频部分衰减滤除，将可识别频率范围的采样信号由MCU-ADC采集并处理、判断；
RC滤波器的截止频率的计算公式为：F(cutoff) =1 / (2πRC)
以上通过低通滤波器配置，结合传感器频率响应特性，保证处理在带宽范围内的有效测试及超带宽的超量程可靠处理。
3.根据权利要求1所述的一种磁通门传感器关于超大电流特性干扰的解决方法，其特征在于，
带宽内的有效电流，主要通过方波的占空比和频率综合识别交流、直流、两相整流、三相整流、脉动直流；进一步通过每个周期20ms采集16个计算值，每个值由ADC采集连续4个点的峰值计算所得；将16个值分析处理，识别每个点的平均幅值差异，判断其有效性后，进行计算确认实际漏电大小及类型，做出产品动作逻辑。
4.根据权利要求1所述的一种磁通门传感器关于超大电流特性干扰的解决方法，其特征在于，
带宽外的电流特性，通过RC低通滤波后的电流状态，均被衰减为最小幅值，在标准不误动作的要求框架内，实际高频漏在软件采样中显示的均为很小电流，达不到报警范围，不会再对传感器造成误跳风险。
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