楊秀增，宋俊慷，韋樹貢

基于零磁通的微電流測量系統(tǒng)設(shè)計＊

楊秀增，宋俊慷，韋樹貢

（廣西民族師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，廣西 崇左 532200）

針對利用普通電流表測量微小電流存在誤差較大這一問題，以STC15單片機(jī)為控制器，利用零磁通電流互感器技術(shù)，設(shè)計一款高精度、多檔與自動微小電流測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)主要由信號檢測電路、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集和單片機(jī)控制四部分組成。信號檢測電路采用單匝穿心零磁通互感器和零磁通補(bǔ)償電路進(jìn)行設(shè)計。信號處理電路采用ICL7650進(jìn)行前置放大電路設(shè)計，利用有源二階帶通濾波器濾除干擾信號。采用可編程放大電路實現(xiàn)微小電阻的多檔自動化測量，測試表明，該系統(tǒng)具有測量精度高、操作簡便、讀數(shù)直觀等優(yōu)點。

微小電流；零磁通互感器；可編程放大電路；STC15單片機(jī)

微小電流測量在高壓電力系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用[1-3]。在電力系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確地判斷高壓設(shè)備絕緣狀況和電力系統(tǒng)的運行情況，供電局需要對這種高壓設(shè)備的泄漏電流進(jìn)行實時監(jiān)測[4-5]。因為這些設(shè)備的泄漏電流很小，用普通的電流測量裝置無法精確測量。因此，如何從強(qiáng)干擾信號中準(zhǔn)確檢測出微小的泄漏電流具有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對微小電流測量方法做過很多研究，其中，利用“零磁通原理”測量微小電流方法精度高[4-5]，也適合用于測量微安級工頻電流。本文在參考其他學(xué)者利用“零磁通原理”測量微小電流方法的基礎(chǔ)上，以STC單片機(jī)為控制核心[6-7]，利用零磁通電流傳感器技術(shù)，試制一款高精度電流在線測量系統(tǒng)。因本系統(tǒng)采用單匝穿心式電流傳感器技術(shù)，在測量設(shè)備電流時，不用串接到電纜中，只需把電流傳感器直接套在被測的電纜上，不改變設(shè)備原有的接線，所以使用方便、安全和可靠性高，適用于各種微小電流測量場合。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

微小電流測量系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示，主要由信號檢測電路、前置放大電路、有源帶通濾波器、真有效值轉(zhuǎn)換電路、可編程放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、STC單片機(jī)控制器和LCD顯示模塊組成。信號檢測電路能感應(yīng)出微小的泄漏電流，電流經(jīng)前置放大之后，被送到有源帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾除工頻以外的干擾信號。有效值轉(zhuǎn)換電路作用，是把交流信號轉(zhuǎn)換成信號的有效值?？删幊谭糯箅娐吩赟TC單片機(jī)的控制下，把有效值大小進(jìn)行編程放大，放大倍數(shù)由有效值的大小決定。A/D轉(zhuǎn)換電路把模擬信轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號通過STC單片機(jī)I/O口進(jìn)入STC單片機(jī)控制器。STC單片機(jī)計算出當(dāng)前被測電流大小值，通過LCD顯示模塊把電流顯示出來。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

2 信號檢測電路

2.1 零磁通互感器結(jié)構(gòu)及工作原理

信號檢測電路包括單匝式零磁通互感器和零磁通補(bǔ)償電路兩個部分。

單匝式零磁通互感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。電流互感器主要由T1主磁環(huán)、T2輔磁環(huán)、1初級線圈、2次級線圈、3檢測線圈和4補(bǔ)償線圈構(gòu)成。初級線1是實際被監(jiān)測設(shè)備的單匝導(dǎo)線，測量時它被直接穿在主、輔磁環(huán)T1、T2上。當(dāng)初級線圈1有交流電時，檢測線圈3會感應(yīng)出電流交流電流3，3經(jīng)零磁通補(bǔ)償電路處理后，加到繞在輔助磁環(huán)T2上的補(bǔ)償線圈4，用于自動跟蹤磁環(huán)中激磁電流的變化，補(bǔ)償磁環(huán)中的磁場，使磁環(huán)中動態(tài)處于零磁通狀態(tài)，提高電流測量精度。其工作原理如下。

在補(bǔ)償未開啟時，T1和T2的磁動勢平衡方程式為：

由式（1）可知，由于激勵安匝的存在，一次安匝不等于二次安匝，誤差大小等于激勵安匝。在補(bǔ)償開啟時，T1和T2的磁動勢平衡方程式為：

式（2）中：為加到補(bǔ)償線圈的補(bǔ)償安匝，起到補(bǔ)償電路的作用，如果補(bǔ)償安匝相位和大小都等于激勵安匝，一次安匝等于二次安匝，傳感器不存在誤差。

2.2 零磁通補(bǔ)償放大電路的設(shè)計

根據(jù)零磁通傳感器的工作原理，所設(shè)計的補(bǔ)償電路如圖3所示。補(bǔ)償電路主要由前置電壓放大電路1、移相電路2、帶通濾波電路3和V/I轉(zhuǎn)換電路4四個單元組成。前置放大器采用斬波穩(wěn)零式高精度運放ICL7650進(jìn)行設(shè)計，具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和漂移低等特點，3和3為反饋電容和電阻，接在放大芯片的輸出與反相輸入端，可以防止高頻震蕩現(xiàn)象；5、4、6、6和TL1001為等幅移相電路，改變4和6取值時，可以使信號相位發(fā)生變化；7、9、10、8、9、10和TL1001構(gòu)成一個帶通濾波器。為了提高性能，把本帶通濾波器的中心頻率設(shè)置為50 Hz，通頻帶為40～60 Hz；4為電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，采用性能優(yōu)越的跨導(dǎo)運放CA3080實現(xiàn)V/I轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)13的值，可以改變跨導(dǎo)運放的偏置電流。

圖3 高精度恒流源電路

3 信號處理電路設(shè)計

由于次級繞組線圈感應(yīng)的電流信號幅值很小，并混有較強(qiáng)的干擾信號，因此，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前，要對這微小的信號進(jìn)行放大和濾波等處理，本測量儀的信號處理電路如圖4所示，主要由前置放大電路、有源帶通濾波器、真有效值轉(zhuǎn)換電路和電壓比例放大電路組成。前置放大電路仍采用高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和漂移低的ICL7650芯片進(jìn)行設(shè)計。經(jīng)前置放大電路放大的信號還混有其他干擾信號，必需通過一個帶通濾波電路將其濾除，濾波器的中心頻率設(shè)為50 Hz。為了提高電流測量精度，本系統(tǒng)采用AD637設(shè)計一個高精度的真有效值轉(zhuǎn)換電路，把交流電轉(zhuǎn)換成有效值電壓。經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓信號的幅度還比較小，需要進(jìn)一步地放大才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，4、9、10為正比例放大電路，其放大倍數(shù)由10、9的比值決定。

圖4 信號處理電路

4 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制部分的電路如圖5所示，主要由可編程的程控放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)STC15單片機(jī)和LCD顯示模塊組成?？删幊痰某炭胤糯箅娐凡捎肞GA205芯片進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)前級處理過的信號Vi加到可編程放大芯片的4腳，1、2是放大器的增益大小控制輸入端，通過設(shè)置不同的值，可以實現(xiàn)不同的放大倍數(shù)。經(jīng)放大的信號通過電阻2加到ICL7135的第10腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ICL7135是MAX公司生產(chǎn)的高精度雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。D1、D2、D3、D4和D5從個位到萬位的BCD碼選通輸出端，B1、B2、B4和B8是BCD碼輸出端，OV和LO是超量程及欠量程輸出標(biāo)志位，CLOCK為外接時鐘輸入端，本設(shè)計中此時鐘由STC單片機(jī)P5.4引腳提供。

圖5 單片機(jī)控制部分電路圖

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本測試系統(tǒng)測量程序算法流程如圖6所示。系統(tǒng)加電時，程序設(shè)置好STC15單片機(jī)的系統(tǒng)頻率和程控放大電路默認(rèn)的放大倍數(shù)，并把單片機(jī)的P5.4口設(shè)置為MCLKO模式，引出系統(tǒng)時鐘為ICL7135芯片提供工作時鐘。設(shè)置好芯片初始值之后，單片機(jī)通過P0.6口啟動ICL7135，等到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，單片機(jī)檢測ICL7135的27引腳和28引腳的電壓，了解A/D轉(zhuǎn)換器量程是否設(shè)置合理，如果A/D轉(zhuǎn)換器處于超量程工作狀態(tài)，降低程控放大器的放大倍數(shù)，重新進(jìn)行測量；相反，如果A/D轉(zhuǎn)換器處于欠量程工作狀態(tài)，就升高一個檔位。如果A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)置的測量檔位合理，單片機(jī)讀取電壓數(shù)據(jù)，計算并通過LCD顯示模塊顯示被測電流。

圖6 算法流程圖

6 樣機(jī)與測試結(jié)果

根據(jù)以上原理設(shè)計樣機(jī)，并對樣機(jī)進(jìn)行測試。測試過程中，使用性能穩(wěn)定、高可靠性的優(yōu)利德UT53數(shù)字萬用表進(jìn)行對比測試，把萬用表撥到200 mA交流電流檔，測試結(jié)果如表1所示。

表1 測量結(jié)果

次數(shù)萬用表/mA本測試儀/mA相對誤差 10.70.7091.2 21.01.0111.1 34.84.8100.2 412.612.6180.14

7 結(jié)束語

微小電流測量裝置應(yīng)用越來越廣泛，零磁通電流互感器具有測量精度高和抗干擾能力等優(yōu)點，在微小電流測量裝置中得到廣泛的應(yīng)用。本文利用這一原理設(shè)計的微小電流測量系統(tǒng)具有測量精度高、操作簡便、讀數(shù)直觀等優(yōu)點。

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TH86

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.006

2095－6835（2020）22－0016－03

廣西重點研發(fā)計劃項目“基于物聯(lián)網(wǎng)的酒紅球蓋菇生態(tài)高產(chǎn)栽培技術(shù)研究及應(yīng)用示范”（編號：2018AB44049）；廣西民族師范學(xué)院服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展專項項目“家庭微型工廠食用菌生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究及扶貧應(yīng)用示范”（編號：2018FW004）

楊秀增（1974—），男，侗族，碩士，教授，主要研究方向為微機(jī)測控技術(shù)。

〔編輯：王霞〕