基於旋轉對消原理的空芯線圈互感係數誤差消除方法及應用與流程
2023-05-31 05:39:36 2
本發明涉及一種電流傳感器的誤差消除方法，具體地說，涉及基於旋轉對消原理的空芯線圈互感係數誤差消除方法及應用。
背景技術：
空芯線圈具有無磁飽和、測量範圍大、線性度好、頻帶寬的優點，是一種極具競爭力的新型電流傳感器，空芯線圈是一種電感式傳感器，基於磁感應實現對電流的測量，互感係數是其最關鍵參數。空芯線圈中，二次繞組繞在一個非磁性骨架上，不存在鐵磁材料，使傳感器在幾安到幾百千安的範圍內仍然具有優良的線性，與傳統CT不同，由於它不是直接測量電流，即使被測電流含有很大的直流分量，仍然不會飽和。因此近年來空芯電流互感器開始應用於繼電保護和測量中。整個線圈均勻地繞在一個環形的非磁性骨架上，將流有被測電流的載流導線置於空芯線圈的環形非磁性骨架內，且通環形非磁性骨架的軸線平行，對於穩態下的正弦電流，空芯線圈的輸出電壓可以表示為e＝M·jω·I，式中，I為被測電流，M為互感常數，ω為正弦電流的角頻率，e為空心線圈的輸出電壓。一般空芯線圈需要匹配積分器使用(包括模擬積分器和數字積分器)，積分器的輸入輸出電壓信號滿足關係式Uo＝K·Ui/(jω)，其中Ui為輸入電壓信號，Uo為輸出電壓信號，ω為正弦電流的角頻率。若將空芯線圈的輸出電壓作為積分器的輸入信號，則最終的輸出電壓Uo＝K·M·I。可以看到，空芯線圈的測量被測電流的準確度取決於一個穩定的互感係數M。所以為了獲得高精度的空芯線圈，製作時必須遵循以下原則：線圈密度恆定；骨架截面積恆定；線圈橫截面與中心線垂直，否則，會導致空芯線圈結構不對稱，將引入較大的測量誤差。在實際生產及應用中，為了避免空芯線圈結構不對稱而引入的測量誤差，通過標定電流對空芯線圈互感係數進行標定，但是每次標定的互感係數M不可能是完全恆定的，載流導線的形狀、位置和電流分布對標定的互感係數M有著直接而顯著的影響，誤差通常為1％—3％，極端情況可能超過10％，這樣的準確度不能滿足大多數工業現場的電流測量要求，這也是阻礙空芯線圈產業化的重要原因之一。基於此，迫切需要一種空芯線圈的互感係數誤差消除方法，以解決應用中存在的上述問題，使空芯線圈的測量準確度大幅提高，滿足絕大多數工業現場的測量需求。
技術實現要素：
針對上述缺陷，本發明提供了基於旋轉對消原理的空芯線圈互感係數誤差消除方法，旨在解決現有技術中由於在標定空芯線圈互感係數過程中空芯線圈結構不對性和載流導線形狀、位置及電流分布因素對空芯線圈的互感係數的影響而使標定結果不準確的技術問題。為實現上述目的，本發明提供的基於旋轉對消原理的空芯線圈互感係數誤差消除方法，空芯線圈固定在轉盤上，且空芯線圈中心軸線與轉盤中心軸線重合，載流導線置於轉盤內且與轉盤中心軸線平行，其特徵在於，包括如下步驟：(1)讓轉盤相對載流導線旋轉並測量轉盤第i次旋轉後空芯線圈的電壓ei；(2)判斷轉盤旋轉次序i是否等於轉盤旋轉次數n，若是則進入步驟(3)，否則，i＝i+1並進入步驟(1)；(3)根據空芯線圈的電壓和載流導線中標定電流獲得轉盤第i次旋轉後空芯線圈互感係數的測量值Mi；(4)將轉盤第i次旋轉後空芯線圈互感係數的測量值加權取平均值獲得空芯線圈的消除誤差後互感係數M；式中，i為轉盤旋轉次序，i的初始值為1，n為獲取消除誤差互感係數時轉盤旋轉次數，且1≤i≤n，ei為轉盤第i次旋轉後空芯線圈的電壓，Mi為轉盤第i次旋轉後空芯線圈互感係數的測量值，M空芯線圈的消除誤差後的互感係數。通過多次旋轉轉盤，且每次旋轉角度相同，在每旋轉一次轉盤後獲得在轉盤與載流導線在該位置下空芯線圈的電壓，並根據空芯線圈電壓與標定電流關係換算成互感係數，每次旋轉轉盤對應的互感係數的誤差各不相同，由於每次旋轉角度相同，使得這些誤差服從正態分布規律，將多次的互感係數進行加權平均，即可消除互感係數的誤差，即採用旋轉對消原理消除互感係數的誤差，從而極大的提升空芯線圈電流測量的準確度等級。進一步地，步驟(3)中根據公式獲得轉盤第i次旋轉後空芯線圈互感係數的測量值Mi；式中，ei為轉盤第i次旋轉後空芯線圈的電壓，Mi為轉盤第i次旋轉後空芯線圈互感係數的測量值，ω為載流導線中標定電流的角頻率，j為虛數單位，IP為載流導線中標定電流，i為轉盤旋轉次序。進一步地，步驟(4)中根據公式獲得該空芯線圈的互感係數M，式中，M為空芯線圈消除誤差後的互感係數，Mi為轉盤第i次旋轉後空芯線圈互感係數的測量值，i為轉盤旋轉次序，i的初始值為1，n為獲取消除誤差互感係數時轉盤旋轉次數，且1≤i≤n。進一步地，在上述轉盤上做角度標識，便於準確地按照相同角度旋轉轉盤。進一步地，通過手動、電力或者其他自動化方式實現轉盤與載流導線相對位置的變化。進一步地，所述空芯線圈的種類為手繞式、機繞式和PCB式。作為本發明的另一方面，本發明提供了一種空芯線圈測量電流的方法，包括如下步驟：(1)採用權利要求1中所述的空芯線圈互感係數誤差消除方法獲得空芯線圈消除誤差後的互感係數M；(2)用被測電流替換載流導線中標定電流，讓轉盤相對載流導線旋轉並獲取測量被測電流時轉盤第k次旋轉後空芯線圈的電壓ek；(3)判斷測量被測電流時轉盤旋轉次序k是否等於測量被測電流時轉盤轉動次數m，若是則進入步驟(4)，否則，k＝k+1並進入步驟(2)；(4)根據測量被測電流時轉盤第k次後空芯線圈電壓和空芯線圈消除誤差後的互感係數獲得測量被測電流時轉盤第k次旋轉後被測電流測量值Ik；(5)將測量被測電流時轉盤第k次旋轉後被測電流測量值Ik進行加權平均獲得被測電流準確值I；式中，M表示用空芯線圈互感係數誤差消除方法獲得空芯線圈消除誤差後互感係數，k為測量被測電流時轉盤轉動次序，k初始值為1，m為測量被測電流時轉盤旋轉次數，且1≤k≤m，ek表示測量被測電流時轉盤第k次旋轉後空芯線圈的電壓，Ik表示測量被測電流時轉盤第k次旋轉後被測電流測量值，I被測電流的準確值。進一步地，還包括積分器，用於將空芯線圈輸出電壓進行積分處理，使得積分器輸出電壓與被測電流呈正比，積分器輸入端與空芯線圈輸出端連接。進一步地，步驟(4)中根據公式獲得在測量被測電流時轉盤轉動k次的被測電流測量值Ik；式中，M表示用空芯線圈互感係數誤差消除方法獲得空芯線圈消除誤差後的互感係數，Ik表示測量被測電流時轉盤第k次旋轉後被測電流測量值，T為所述積分器的放大係數，Ek表示測量被測電流時轉盤第k次旋轉後積分器的輸出電壓，k為測量被測電流時轉盤轉動次序。通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，能夠取得以下有益效果：1、本發明通過將空芯線圈固定在轉盤上，且空芯線圈的中心軸線與轉盤中心軸線重合，每次以相同的角度轉動轉盤實現改變空芯線圈與載流導線的相對位置，每改變一次相對位置進行一次空芯線圈中電壓的測量，根據每次測量的空芯線圈中電壓獲得的空芯線圈的互感係數存在誤差，這些誤差是由於線圈結構的不對稱性、載流導線位置、形狀以及電流分布以及外接幹擾電流和磁場的幹擾引起，但由於每次轉盤轉動角度相同，且每次角度為使得通過每次測量電壓獲得的互感係數誤差呈正態分布，通過將所有互感係數加權求平均值得到互感係數為空芯線圈的理論互感係數。2、本發明提出空芯線圈測量電流的方法，根據標定電流和通過旋轉轉盤進行多次測量空芯線圈電壓並取加權平均值，獲得空芯線圈消除誤差後的互感係數，再根據獲得空芯線圈消除誤差後的互感係數和通過旋轉轉盤多次測量空芯線圈電壓獲得多個被測電流值，並將被測電流值取加權平均值，獲得被測電流值準確值。本發明在空芯線圈繞組對稱狀況、載流導體截面、被測電流中心位置等關鍵影響因素未知的前提下，一方面可以極大減弱空芯線圈互感係數的不穩定性，另一方面可完全消除外接幹擾電流的影響，從而顯著提高空芯線圈的測量準確度，以適應工業現場電流測量需求。附圖說明圖1為本發明所提供的基於旋轉對消原理的空芯線圈互感係數誤差消除方法和實用空芯線圈測量電流方法所使用裝置的示意圖；圖2為本發明提供的基於旋轉對消原理的空芯線圈互感係數誤差消除方法的流程圖；圖3為本發明提供的空芯線圈互感係數誤差消除方法中空芯線圈與電流相對位置圖；圖4為本發明提供的空芯線圈互感係數誤差消除方法中幹擾電流與空芯線圈的相對位置圖。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。如圖1所示，本發明所提供的基於旋轉對消原理的空芯線圈互感係數誤差消除方法以及使用空芯線圈測量電流方法所使用裝置，包括轉盤1、空芯線圈2和載流導體3，空芯線圈2被緊密固定在轉盤1上，轉盤1可均勻連續沿中心軸線4旋轉，轉盤1的尺寸和空芯線圈2的尺寸匹配，且轉盤1中心軸線4和空芯線圈2的中心軸線重合，若獲取消除誤差後空芯線圈互感係數，載流導線3中流過標定電流6，若利用空芯線圈獲取被測電流準確值，則載流線3中流過被測電流6，載流導體3位於轉盤1的內部，且和轉盤1的中心軸線4平行。如圖2所示，本發明所提供的基於旋轉對消原理的空芯線圈互感係數誤差消除方法，包括如下步驟：(1)讓轉盤相對載流導線旋轉並測量轉盤第i次旋轉後空芯線圈的電壓ei，i為轉盤旋轉次序，i的初始值為1，n為獲取消除誤差互感係數時轉盤旋轉次數，且1≤i≤n。(2)判斷轉盤旋轉次序i是否等於轉盤旋轉次數n，若是則進入步驟(3)，否則，i＝i+1並進入步驟(1)。通過每次以相同的角度旋轉轉盤1，並保持載流導線3位置不變，改變旋轉轉盤1與載流導線3的相對位...