基于羅氏線圈的微功耗高精度電流傳感器設(shè)計(jì)

崔瑞

(上海泰錦醫(yī)療科技有限公司,上海201203)

1 概述

1.1 技術(shù)背景

一般情況下,高壓線纜井各線纜接頭的狀態(tài)參數(shù)——電流,需要檢修人員固定周期內(nèi)帶著檢測(cè)設(shè)備下井檢測(cè),線纜井通道距離較長(zhǎng)、環(huán)境復(fù)雜、井下空氣質(zhì)量較差,在時(shí)間、成本和安全性上來(lái)講都有很大風(fēng)險(xiǎn),且實(shí)時(shí)性也不太好。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和應(yīng)用,電力行業(yè)各種設(shè)備在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求越來(lái)越迫切,特別是電力線纜井的高壓線纜監(jiān)測(cè)給電力運(yùn)維人員帶來(lái)了很大的工作量。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將高壓線纜井的電流參數(shù)等傳至后臺(tái),如數(shù)據(jù)異常便開(kāi)啟報(bào)警機(jī)制,通知相關(guān)人員整修并維護(hù),提高運(yùn)維工作的檢修周期。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前市面上做電流檢測(cè)的主流采用羅氏線圈來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。相對(duì)于傳統(tǒng)的磁感應(yīng)設(shè)備,羅氏線圈的線性度和一致性要好許多,這對(duì)后續(xù)算法實(shí)現(xiàn)以及量產(chǎn)的可靠精度非常有益。

Rogowski 和其同伴W. Steinhaus 在1912 年發(fā)表了一篇《The Measurement of Magnet Motive Force》的論文,論文中詳細(xì)闡述了提出了羅氏線圈的工作原理。1966 年,西德科學(xué)家Heumamn 對(duì)羅氏線圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,提高了測(cè)量準(zhǔn)確度,快速的推動(dòng)了羅氏線圈的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。21 世紀(jì)以來(lái),美國(guó)科學(xué)家Lj.A.Kojovic 在新型羅氏線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了大量前沿性的工作,為羅氏線圈的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

從20 世紀(jì)開(kāi)始,國(guó)內(nèi)很多學(xué)著和大學(xué)也已經(jīng)開(kāi)始對(duì)羅氏線圈進(jìn)行研究,希望能將羅氏線圈應(yīng)用到實(shí)際的科研與產(chǎn)業(yè)中,以解決現(xiàn)實(shí)中存在的問(wèn)題。如揭秉信教授編寫的《大電流測(cè)量》對(duì)不同積分形式的羅氏線圈測(cè)量脈沖大電流時(shí)候的頻率特性和工作狀態(tài)進(jìn)行研究。

現(xiàn)在羅氏線圈的應(yīng)用在實(shí)際產(chǎn)業(yè)中得到了應(yīng)用和提高。很多高校和公司對(duì)羅氏線圈的應(yīng)用做專門的改進(jìn)和提高,特別是在小電流測(cè)量、結(jié)構(gòu)參數(shù)電磁參數(shù)、仿真分析與補(bǔ)償、傳輸線路的抗干擾等方面,并對(duì)羅氏線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了探索論。

2 設(shè)計(jì)需求

根據(jù)客戶雷璽智能科技(上海)有限公司的需求,需要設(shè)計(jì)一款能夠電流檢測(cè)傳感器,以供給國(guó)內(nèi)外供電單位使用。客戶提出的需求如下:

為了解決當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)電纜電流人工周期檢測(cè)難的問(wèn)題,需要傳感器能夠自動(dòng)檢測(cè),并主動(dòng)上報(bào)服務(wù)器功能；

考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、鋪線難的問(wèn)題,干擾強(qiáng),需要盡量少走線,采用無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)出去；

考慮安全性問(wèn)題,不允許從市電中取電。只能考慮電池供電和太陽(yáng)能兩種,續(xù)航要在5 年以上；

精度在正負(fù)1A內(nèi)；

檢測(cè)的電流通道數(shù)可裁剪。

根據(jù)以上需求綜合分析如下:

(1)采用無(wú)線裝置將采集數(shù)據(jù)主動(dòng)上報(bào):

考慮到電纜井下的環(huán)境復(fù)雜,當(dāng)前通信采用穿透性強(qiáng)的LORA無(wú)線傳輸。

(2)采用電池作為電源:

考慮成本、走線的因素,采用高強(qiáng)度的電池供電。

(3)采用低功耗管理方式:

采用硬件激活軟件的方式節(jié)省功耗。平時(shí)檢測(cè)設(shè)備主要設(shè)備不用工作,采用硬件比較器發(fā)現(xiàn)電流超過(guò)限值時(shí),喚醒檢測(cè)設(shè)備,采用軟件檢測(cè)并將數(shù)據(jù)傳輸出去。同時(shí)采用RTC 周期固定喚醒MCU去檢測(cè),達(dá)到正常周期檢測(cè)的目的。在平臺(tái)未供電期間,功耗應(yīng)低于100uA。

(4)采用16 位的差分ADC模塊檢測(cè)差分信號(hào)。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

電流檢測(cè)傳感器主要包括以下部分,系統(tǒng)采用電池供電,羅氏線圈采集后的信號(hào)經(jīng)運(yùn)放進(jìn)行放大,控制器內(nèi)部高精度ADC 對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行采樣,經(jīng)過(guò)一定的算法處理,將采集后的電流值,通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送至網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)通過(guò)4G 將電流值傳至后臺(tái)服務(wù)器,當(dāng)電流異常,后臺(tái)啟動(dòng)報(bào)警處理,通知相關(guān)人員進(jìn)行處理,流程上形成閉環(huán),圖1。

圖1 電流檢測(cè)傳感器的系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.1 放大電路

如圖2 放大電路采用三運(yùn)放搭建的工業(yè)放大器,進(jìn)行差分放大后的信號(hào)比較穩(wěn)定,差分放大電路對(duì)共模輸入信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力,對(duì)差模信號(hào)卻沒(méi)有多大的影響,因此差分放大電路一般做集成運(yùn)算的輸入級(jí)和中間級(jí),可以抑制由外界條件的變化帶給電路的影響,仿真結(jié)果如圖3,小幅度為輸入信號(hào),大幅度的為放大后的信號(hào)。

圖2 電流檢測(cè)傳感器輸入采集原理圖

圖3 電流檢測(cè)傳感器采集部分理論輸出信號(hào)

對(duì)應(yīng)的實(shí)際電路如圖4。

圖4 電流檢測(cè)傳感器采集部分實(shí)際電路

3.2 采樣算法

采樣算法要結(jié)合用途目的、原理方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前傳感器主要是檢測(cè)電網(wǎng)電路中的電流,這些電流特點(diǎn)是50HZ,電流可能存在的范圍在0-1000A 之間,且由于電網(wǎng)污染的原因,雜波很多,被檢測(cè)的信號(hào)每個(gè)周期總會(huì)存在差異。同時(shí)為了保證電纜和配電設(shè)備的狀態(tài)安全,在實(shí)際檢測(cè)中,一般此類傳感器并不是檢測(cè)有效值,而是檢測(cè)最大值。

根據(jù)上述描述,當(dāng)前傳感器實(shí)現(xiàn)主要分為傳感器檢測(cè)的采樣原理算法、去除污染以及減小峰值劇烈波動(dòng)的濾波算法。

采樣原理算法。據(jù)上文所知,當(dāng)前羅氏線圈獲取信號(hào)為50HZ的交流差分信號(hào)。為了保證數(shù)據(jù)峰峰值被檢測(cè)出來(lái),需要保證最大值在每個(gè)周期至少能夠采集一次,為了保證信號(hào)還原度高,當(dāng)前采樣速率為1ms 達(dá)到5 次。如果設(shè)定一個(gè)大于10ms(峰峰值)以上的時(shí)間作為一個(gè)周期,將此周期的采樣絕對(duì)值進(jìn)行比較,就能獲取一個(gè)半波的最大值。下面代碼為獲取100 個(gè)采樣數(shù)據(jù)的最大值:

然后將采樣的值,在特殊模式中按照要檢測(cè)的范圍,等比例值對(duì)應(yīng)的檢測(cè)值標(biāo)定記錄到rom中。而在實(shí)際檢測(cè)時(shí),將檢測(cè)的值和這些標(biāo)定記錄值比較,最終選擇合適的分段,然后在此分段中采用線性方程來(lái)計(jì)算出對(duì)應(yīng)值。

由于采集的信號(hào)實(shí)際并不是理想的信號(hào),且由于現(xiàn)場(chǎng)電磁波輻射的原因,實(shí)際采集的值在零值時(shí)不會(huì)為0,總有突發(fā)的沖擊信號(hào)或者時(shí)混亂信號(hào)。為了使數(shù)據(jù)更加精確,每次采集會(huì)和上一次最大值進(jìn)行比較,如果超過(guò)上一次值的1/2,就會(huì)丟棄,去掉突發(fā)情況的干擾,但會(huì)將當(dāng)前值有一定幅度遞增。

上述代碼為去抖算法。若兩次采集的值跨度大于前一次1/4,則會(huì)修正后一次采集值為前一次采集值遞增自身值1/8,且加上2。有效的保證采集信號(hào)的平滑性,去掉過(guò)沖干擾信號(hào)。

同時(shí)每次修正后的值,采用深度為2 的平滑濾波算法,盡量使峰值變化之間連續(xù)性加強(qiáng),并盡量減小臨界搖擺速度。另外,傳感器每次出場(chǎng)時(shí),會(huì)有一次零值標(biāo)定的記錄,即在無(wú)信號(hào)輸入時(shí),平滑濾波后的值,實(shí)際測(cè)量時(shí)會(huì)減去零值。

3.3 功耗處理

因?yàn)閭鞲衅鳛殡娏鞴╇?所以對(duì)功耗要求很高,低功耗需要從兩個(gè)方面考慮:一個(gè)是硬件方面,另一個(gè)是軟件配置。

首先硬件方面,上下拉電阻盡量選擇阻值大的,功能電路引腳采用接地處理,IO配置成高阻狀態(tài),減少因電平不確定引起的漏電流。通過(guò)添加硬件比較器設(shè)置門閥值來(lái)做到一個(gè)啟動(dòng)軟件檢測(cè)的功能,減小MCU的運(yùn)行時(shí)間。即通過(guò)硬件標(biāo)定一個(gè)預(yù)警值,來(lái)達(dá)到喚醒MCU運(yùn)行的工作。

如圖5 所示,一旦檢測(cè)的值超過(guò)設(shè)定的IN-,這里是50A,就會(huì)在PC0 產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào),喚醒MCU。

圖5 硬件比較喚醒電路

其次軟件方面盡量減少系統(tǒng)工作時(shí)間,在功能允許情況下,除了配置硬件喚醒模式,還要增大系統(tǒng)喚醒的周期,除RTC 之外,其它時(shí)鐘在系統(tǒng)休眠時(shí)都要關(guān)閉,應(yīng)該注意系統(tǒng)工作時(shí)和休眠時(shí)IO配置。此時(shí)未使用的IO盡量配置為高阻態(tài),使用的IO盡量根據(jù)外掛的設(shè)備空置狀態(tài)來(lái)配置休眠時(shí)的狀態(tài)。而每次喚醒后,再次恢復(fù)睡眠前的狀態(tài)。所有的設(shè)備,如果不影響二次恢復(fù)使用速率和效率,盡量斷電最好,否則考慮低功耗模式。

同時(shí)軟件運(yùn)行時(shí),做到在不影響響應(yīng)速度的情況下,只有用到某個(gè)模塊時(shí)才會(huì)開(kāi)啟某個(gè)模塊,減少運(yùn)行中的損耗。

3.4 實(shí)際電路呈現(xiàn)

當(dāng)前環(huán)流傳感器有單通道、4 通道、8 通道三種。實(shí)際原理一樣,只是采集的接口數(shù)量不一樣,所以不一一累述。圖6 中為單通道和4 通道實(shí)物內(nèi)部電路板照片:

圖6

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 放大濾波電路

通過(guò)羅氏線圈采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波后的波形如圖7,信號(hào)質(zhì)量很好,沒(méi)有諧波干擾,和仿真后波形一致,可以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

圖7 實(shí)際采集輸入電路的輸出信號(hào)波形

4.2 采樣精度

電流傳感器設(shè)計(jì)最大量程為300A,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1,在整個(gè)量程范圍內(nèi),相對(duì)精密滿足0.2 級(jí),在不使用專用ADC采樣芯片的情況,整體采樣精度效果很理想,達(dá)到初始設(shè)計(jì)的目的。

表1

4.3 系統(tǒng)功耗

采用上述低功耗處理方式,配置硬件和軟件參數(shù),系統(tǒng)在休眠時(shí)功耗低至5uA(如圖8),合理控制休眠周期和工作時(shí)間,使用17AH 的電池,理論上可以工作五年以上。

圖8 電流傳感器休眠時(shí)的實(shí)測(cè)電流

5 結(jié)論

文本給出所有的結(jié)果都是通過(guò)實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)行驗(yàn)證得出,希望對(duì)相關(guān)功能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有借鑒作用,目前此產(chǎn)品已經(jīng)運(yùn)用于多個(gè)地域配電場(chǎng)合,且運(yùn)行良好,穩(wěn)定性和可靠性較高。