一種空芯線圈互感系數的誤差消除裝置及電流測量裝置的制作方法

本實用新型涉及一種電流測量技術領域，具體地說，涉及一種空芯線圈互感系數的誤差消除裝置及其應用。

背景技術：

空芯線圈具有無磁飽和、測量范圍大、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，基于磁感應實現對電流的測量，互感系數是其最關鍵參數。

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范圍內仍然具有優良的線性，與傳統CT不同，由于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于繼電保護和測量中。

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于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，對于穩態下的正弦電流，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。

可以看到，空芯線圈的測量被測電流的準確度取決于一個穩定的互感系數M。所以為了獲得高精度的空芯線圈，制作時必須遵循以下原則：線圈密度恒定；骨架截面積恒定；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，通過標準的載流導線對空芯線圈互感系數進行標定，但是每次標定的互感系數M不可能是完全恒定的，載流導線的形狀、位置和電流分布對標定的互感系數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。

基于此，迫切需要一種空芯線圈互感系數的誤差消除裝置，該裝置能夠消除互感系數誤差，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，本實用新型提供了一種空芯線圈互感系數的誤差消除裝置，旨在解決現有技術中由于空芯線圈標定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系數的影響而使現有的標定結果不準確的技術問題。

為實現上述目的，作為本實用新型的一方面，本實用新型提供了一種空芯線圈互感系數的誤差消除裝置，包括空芯線圈、控制模塊以及旋轉模塊，空芯線圈固定在旋轉模塊上，且空芯線圈的中心軸線與旋轉模塊的中心軸線重合，空芯線圈輸出端與控制模塊輸入端連接，控制模塊輸出端與旋轉模塊輸入端連接；

空芯線圈將標定電流轉化為輸出電壓；旋轉模塊帶動空芯線圈沿中心軸線旋轉；控制模塊輸出旋轉信號控制旋轉模塊旋轉n次，且每次旋轉角度為并采集旋轉模塊每次旋轉后空芯線圈的輸出電壓。

控制模塊輸出旋轉信號控制驅動模塊旋轉n次，并采集驅動模塊每次旋轉后空芯線圈的輸出電壓，并根據空芯線圈電壓與標定電流獲得互感系數，每次轉動旋轉模塊獲得的互感系數的誤差各不相同，但由于每次旋轉角度相同，且旋轉角度為使得這些誤差服從正態分布規律，將獲得的互感系數進行加權平均，即可消除互感系數的誤差，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，還包括積分模塊，積分模塊輸入端與空芯線圈輸出端連接，積分模塊輸出端與控制模塊輸入端連接，積分模塊將空芯線圈輸出電壓進行積分處理，使得積分模塊輸出電壓與標定電流呈正比。

進一步地，空芯線圈的種類為手繞式、機繞式和PCB式。

作為本實用新型的另一方面，本實用新型提供了用空芯線圈互感系數的誤差消除裝置測量電流的裝置，包括載流導體、空芯線圈、旋轉模塊、積分模塊以及控制模塊，載流導體位于空芯線圈內部且空芯線圈的中心軸線與載流導體中心軸線平行，空芯線圈固定在旋轉模塊上，空芯線圈的中心軸線與旋轉模塊的中心軸線重合，積分模塊輸入端與空芯線圈輸出端連接，積分模塊輸出端與控制模塊輸入端連接，控制模塊輸出端與旋轉模塊輸入端連接，控制模塊電流切換輸出端與載流導體控制端連接；

載流導體的控制端接收電流切換信號實現標定電流與被測電流的切換；空芯線圈將載流導體中標定電流或被測電流轉化為輸出電壓；旋轉模塊帶動空芯線圈旋轉；積分模塊將空芯線圈的輸出電壓進行積分處理，使積分模塊輸出電壓與標定電流呈正比；控制模塊輸出旋轉信號控制旋轉模塊旋轉n次，且每次旋轉角度為采集旋轉模塊每次旋轉后積分模塊輸出電壓，并根據旋轉模塊旋轉次數輸出電流切換信號。

首先向載流導體內注入標定電流，控制模塊輸出旋轉信號控制旋轉模塊旋轉n次，并采集旋轉模塊每次旋轉后積分模塊的輸出電壓，在旋轉模塊旋轉n次后，控制模塊輸出電流切換信號使載流導體中注入被測電流，控制模塊輸出旋轉信號控制旋轉模塊旋轉n次，并采集旋轉模塊每次旋轉后積分模塊的輸出電壓。

在載流導體內注入標定電流后，根據采集的積分模塊的輸出電壓與標定電流獲得旋轉模塊每次旋轉后空芯線圈的互感系數，將互感系數加權平均值，獲得空芯線圈消除誤差后的互感系數；在載流導體內輸入被測電流后，根據獲得空芯線圈消除誤差后的互感系數和通過旋轉模塊每次旋轉后采集的積分模塊輸出電壓獲得被測電流的測量值，并將被測電流的測量值取加權平均值，獲得被測電流值準確值。

通過本實用新型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、本實用新型通過將空芯線圈固定在旋轉模塊上，且空芯線圈的中心軸線與旋轉模塊中心軸線重合，控制模塊向旋轉模塊輸出旋轉信號，每次以相同的角度轉動旋轉模塊實現改變空芯線圈與標定電流的相對位置，每改變一次相對位置進行一次空芯線圈電壓的采集，根據每次采集的空芯線圈電壓獲得的空芯線圈的互感系數存在誤差，這些誤差是由于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界干擾電流和磁場的干擾引起，但由于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系數誤差呈正態分布，通過將所有互感系數加權求平均值得到互感系數為空芯線圈的理論互感系數。

2、本實用新型提出用空芯線圈互感系數的誤差消除裝置的測量電流裝置，首先獲得消除誤差后的互感系數，控制模塊輸出電流切換信號向載流導體中注入被測電流，控制模塊輸出旋轉信號轉動旋轉模塊n次，并采集每次旋轉模塊旋轉后積分模塊的輸出電壓，根據消除誤差后的互感系數和積分模塊的輸出電壓獲得被測電流的測量值，由于被測電流中心位置、被測電流分布、空芯線圈結構的不對稱以及干擾電流的影響，會影響空芯線圈互感系數，但通過旋轉模塊轉動n次且每次轉動的角度為使得空芯線圈互感系數的誤差呈正態分布，通過將上述獲得的被測電流的測量值加權取平均即可獲得被測電流值準確值。本實用新型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系數的不穩定性，另一方面可完全消除外接干擾電流的影響，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為本實用新型所提供的空芯線圈互感系數的誤差消除裝置的示意圖；

圖2為本實用新型提供的空芯線圈互感系數的誤差消除裝置中空芯線圈與電流相對位置圖；

圖3為本實用新型提供的空芯線圈互感系數的誤差消除裝置中干擾電流與空芯線圈的相對位置圖；

圖4為本實用新型提供用空芯線圈互感系數的誤差消除裝置的測量電流裝置的示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型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實用新型，并不用于限定本實用新型。

如圖1所示，本實用新型提供的空芯線圈互感系數的誤差消除裝置，包括空芯線圈2，將標定電流轉化為輸出電壓；旋轉模塊1，空芯線圈2固定在旋轉模塊1上，且空芯線圈的中心軸線與旋轉模塊的中心軸線重合，旋轉模塊1帶動空芯線圈沿中心軸線旋轉；以及控制模塊3，控制模塊3的輸入端與空芯線圈2的輸出端連接，控制模塊3采集每次旋轉模塊后空芯線圈2中的電壓，控制模塊3的輸出端與旋轉模塊1輸入端連接，控制模塊3輸出旋轉信號控制旋轉模塊1旋轉n次，且每次旋轉角度為并采集旋轉模塊每次旋轉后空芯線圈2的輸出電壓，根據空芯線圈的輸出電壓與標定電流得到互感系數，每次轉動旋轉模塊獲得對應的互感系數的誤差各不相同，由于每次旋轉角度相同，且旋轉角度為使得互感系數的誤差服從正態分布規律，將獲得的互感系數進行加權平均后獲得的互感系數即為消除誤差后的互感系數。

本實用新型提供的空芯線圈互感系數的誤差消除裝置還包括積分模塊，積分模塊輸入端與空芯線圈輸出端連接，積分模塊輸出端與控制模塊輸入端連接，積分模塊用于將空芯線圈輸出電壓進行積分處理，使得積分模塊的輸出電壓與標定電流呈正比，當旋轉模塊收到控制模塊輸出的旋轉信號后，旋轉模塊繞著中心軸線轉動，每轉動一次，控制模塊采集一次積分模塊輸出電壓，根據積分模塊輸出電壓和標定電流獲得空芯線圈的互感系數，并將空芯線圈的互感系數加權取平均，獲得消除誤差后的互感系數。

在旋轉過程中要保持空芯線圈在一個水平面內，不得大幅度的振動或晃動。本實用新型中提供的空芯線圈互感系數的誤差消除裝置沒有顛覆現有空芯線圈的原理，它能夠適用于幾乎所有結構的空芯線圈，包括手繞式、機繞式和PCB式，空芯線圈沿著線圈軸線不斷旋轉，其目的是消除互感系數誤差的不確定性，不同位置多次測量的平均值可增強互感系數的穩定性。

載流導體與空芯線圈的相對位置、載流導線截面形狀以及載流導線中電流分布對互感系數有直接影響，通過電磁感應定律可以證明：當電流中心位置和空芯線圈中心軸線重合時，互感系數為M₀，即為該空芯線圈的理論互感系數；在實際電流測量時，電流中心位置和空芯線圈中心軸線不可能完全重合，互感系數的偏差在電流時將產生很大的誤差。如圖2所示，若電流中心位置處于5-1位置時，對應的互感系數為M₁，互感系數測量值M₁與理論互感系數M₀一般是不相等的。在不斷旋轉空芯線圈2時，根據運動的相對性，電流中心位置依次到達5-2、5-3、5-4…、5-n，對應的互感系數分別為M₂、M₃、M₄、…、M_n。當轉盤第i次旋轉時電流在空芯線圈中產生的磁感應強度為：

式中，I為電流，R為空芯線圈的直徑，r₁為電流中心距離空芯線圈中心軸的距離，i指轉盤轉動次序，1≤i≤n，r₁＜R。

將轉盤第i次旋轉電流在空芯線圈中產生的磁感應強度取平均值，公式為：

可以看出，當轉盤轉動次數n足夠大時，電路中心在距離空芯線圈中心軸線為r₁的圓上任意一點處在空芯線圈中產生的磁感應強度的平均值與電流處于空芯線圈軸線位置在空芯線圈中產生電磁感應強度相同，因此我們可以得到以下結論：雖然M₁、M₂、M₃、…、M_n與M₀都有較大偏差，但當n足夠大時，M₁、M₂、M₃、…、M_n的平均值是完全等于M₀的。

如圖3所示，在空芯線圈2的窗外存在干擾電流7，它們之間存在一定磁耦合，等效互感系數不可能完全等于零，因此，外界干擾電流磁場會對空芯線圈2的測量準確度產生不可預知的顯著影響。若干擾電流中心位置在7-1時，對應的互感系數為M₁'，在不斷旋轉空芯線圈2時，根據運動的相對性，空芯線圈2與干擾電流中心位置的相對位置如圖4所示，干擾電流中心位置依次到達7-2、7-3…、7-n，對應的互感系數分別為M₁'M'₂…、M'_n，當轉盤第i次旋轉時干擾電流在空芯線圈中產生的磁感應強度為：

式中，I'為干擾電流，R為空芯線圈的直徑，r₂為干擾電流中心距離空芯線圈中心軸的距離，i指轉盤轉動次序，1≤i≤n，r₂＞R。

可以看出，n趨近無窮時，干擾電流在距離空芯線圈軸線為r₂圓上任意一點處在空芯線圈中產生的磁感應強度的平均值等于零，因此可以得到如下結論：當n足夠大時，M₁'、M'₂、…、M'_n的平均值總是等于0的，通過旋轉多次測量的方法可完全消除外接干擾電流7對空芯線圈2的影響。

同理，通過多次以相同的角度旋轉轉盤，且每次轉動的角度為使得由于空芯線圈結構不對稱引起的互感系數測量值的誤差呈正態分布，將互感系數誤差加權取平均后為零。

綜上所述，由于空芯線圈結構不對稱性、干擾電流的影響和載流導線形狀、位置及電流分布因素造成空芯線圈的互感系數測量值的誤差呈正態分布，通過將所獲得互感系數測量值取加權平均即得到空芯線圈消除誤差后的互感系數。

對于獲得的空芯線圈互感系數進行加權取平均可以根據公式獲得該空芯線圈的互感系數準確值M；也可以采用更復雜的數值計算方法用于消除隨機誤差，算法的選取與測量次數n的取值有很大關系。

如圖4所示，本實用新型提供用空芯線圈互感系數的誤差消除裝置的測量電流裝置中，空芯線圈2固定在旋轉模塊1上，且空芯線圈2的中心軸線與旋轉模塊1的中心軸線重合，載流導體4位于空芯線圈2內，且載流導體4與空芯線圈2的軸線平行，控制模塊5輸出端與旋轉模塊1輸入端連接，首先讓載流導體4中注入標定電流，控制模塊5輸出旋轉信號使旋轉模塊1旋轉n次且每次均以角度為旋轉，在旋轉模塊2每次旋轉后，控制模塊5采集積分模塊3的輸出電壓，在旋轉模塊旋轉n次后，獲得n組輸出電壓，根據n組輸出電壓和標定電流獲得n組互感系數，由于空芯線圈結構的不對稱、電流分布、電流中心位置以及外部干擾電力的影響，使n組互感系數均存在誤差，由于每次旋轉模塊1旋轉角度相同且為使得獲得n組互感系數的誤差呈正態分布，通過將上述n組互感系數加權取平均，即可獲得消除誤差后的互感系數，當旋轉驅動模塊1旋轉n次后，控制模塊5輸出電流切換信號，使載流導體4中的電流切換為被測電流，控制模塊5輸出旋轉信號使旋轉模塊1旋轉n次且每次均以角度為旋轉，在旋轉模塊2每次旋轉后，控制模塊5采集積分模塊3的輸出電壓，在旋轉模塊旋轉n次后，獲得n組輸出電壓，根據n組輸出電壓和消除誤差后的互感系數獲得n組被測電流的測量值，由于空芯線圈結構的不對稱、電流分布、電流中心位置以及外部干擾電力的影響，使n組被測電流的測量值均存在誤差，由于每次旋轉模塊旋轉角度相同且為使得空芯線圈互感系數呈正態分布，通過將上述n組被測電流的測量值加權取平均，即可獲得被測電流的精確值。

本實用新型用提供的空芯線圈互感系數的誤差消除裝置測量電流的裝置，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系數的不穩定性，另一方面可完全消除外接干擾電流的影響，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。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。