基于零磁通的微電流測量系統設計＊

楊秀增，宋俊慷，韋樹貢

基于零磁通的微電流測量系統設計＊

楊秀增，宋俊慷，韋樹貢

（廣西民族師范學院 物理與電子工程學院，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單片機為控制器，利用零磁通電流互感器技術，設計一款高精度、多檔與自動微小電流測量系統。測量系統主要由信號檢測電路、信號處理電路、數據采集和單片機控制四部分組成。信號檢測電路采用單匝穿心零磁通互感器和零磁通補償電路進行設計。信號處理電路采用ICL7650進行前置放大電路設計，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微小電阻的多檔自動化測量，測試表明，該系統具有測量精度高、操作簡便、讀數直觀等優點。

微小電流；零磁通互感器；可編程放大電路；STC15單片機

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

國內外學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。本文在參考其他學者利用“零磁通原理”測量微小電流方法的基礎上，以STC單片機為控制核心[6-7]，利用零磁通電流傳感器技術，試制一款高精度電流在線測量系統。因本系統采用單匝穿心式電流傳感器技術，在測量設備電流時，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 系統總體方案設計

微小電流測量系統的總體設計方案如圖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、真有效值轉換電路、可編程放大電路、A/D轉換電路、STC單片機控制器和LCD顯示模塊組成。信號檢測電路能感應出微小的泄漏電流，電流經前置放大之后，被送到有源帶通濾波器進行濾波，濾除工頻以外的干擾信號。有效值轉換電路作用，是把交流信號轉換成信號的有效值。可編程放大電路在STC單片機的控制下，把有效值大小進行編程放大，放大倍數由有效值的大小決定。A/D轉換電路把模擬信轉換成數字信號，數字信號通過STC單片機I/O口進入STC單片機控制器。STC單片機計算出當前被測電流大小值，通過LCD顯示模塊把電流顯示出來。

圖1 系統的總體設計方案

2 信號檢測電路

2.1 零磁通互感器結構及工作原理

信號檢測電路包括單匝式零磁通互感器和零磁通補償電路兩個部分。

單匝式零磁通互感器結構如圖2所示。電流互感器主要由T1主磁環、T2輔磁環、1初級線圈、2次級線圈、3檢測線圈和4補償線圈構成。初級線1是實際被監測設備的單匝導線，測量時它被直接穿在主、輔磁環T1、T2上。當初級線圈1有交流電時，檢測線圈3會感應出電流交流電流3，3經零磁通補償電路處理后，加到繞在輔助磁環T2上的補償線圈4，用于自動跟蹤磁環中激磁電流的變化，補償磁環中的磁場，使磁環中動態處于零磁通狀態，提高電流測量精度。其工作原理如下。

在補償未開啟時，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。在補償開啟時，T1和T2的磁動勢平衡方程式為：

式（2）中：為加到補償線圈的補償安匝，起到補償電路的作用，如果補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 零磁通補償放大電路的設計

根據零磁通傳感器的工作原理，所設計的補償電路如圖3所示。補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轉換電路4四個單元組成。前置放大器采用斬波穩零式高精度運放ICL7650進行設計，具有高增益、高共模抑制比、失調小和漂移低等特點，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，可以使信號相位發生變化；7、9、10、8、9、10和TL1001構成一個帶通濾波器。為了提高性能，把本帶通濾波器的中心頻率設置為50 Hz，通頻帶為40～60 Hz；4為電壓/電流轉換電路，采用性能優越的跨導運放CA3080實現V/I轉換，調節13的值，可以改變跨導運放的偏置電流。

圖3 高精度恒流源電路

3 信號處理電路設計

由于次級繞組線圈感應的電流信號幅值很小，并混有較強的干擾信號，因此，在進行A/D轉換前，要對這微小的信號進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、失調小和漂移低的ICL7650芯片進行設計。經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為50 Hz。為了提高電流測量精度，本系統采用AD637設計一個高精度的真有效值轉換電路，把交流電轉換成有效值電壓。經轉換后的電壓信號的幅度還比較小，需要進一步地放大才能進行A/D轉換，4、9、10為正比例放大電路，其放大倍數由10、9的比值決定。

圖4 信號處理電路

4 單片機控制電路

單片機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轉換電路、單片機STC15單片機和LCD顯示模塊組成。可編程的程控放大電路采用PGA205芯片進行設計，經前級處理過的信號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，通過設置不同的值，可以實現不同的放大倍數。經放大的信號通過電阻2加到ICL7135的第10腳進行A/D轉換。ICL7135是MAX公司生產的高精度雙積分型A/D轉換器，具有轉換精度高、抗干擾能力強等優點。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志位，CLOCK為外接時鐘輸入端，本設計中此時鐘由STC單片機P5.4引腳提供。

圖5 單片機控制部分電路圖

5 軟件系統設計

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

圖6 算法流程圖

6 樣機與測試結果

根據以上原理設計樣機，并對樣機進行測試。測試過程中，使用性能穩定、高可靠性的優利德UT53數字萬用表進行對比測試，把萬用表撥到200 mA交流電流檔，測試結果如表1所示。

表1 測量結果

次數萬用表/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 結束語

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

［1］張振洪，趙有俊.高精度零磁通電流傳感器的研究［J］.傳感器與微系統，2009，28（10）：52-54.

［2］王文，吝伶艷，喬記平，等.基于零磁通原理的微電流傳感器的研究［J］.儀表技術與傳感器，2018（3）：23-25．

［3］袁建州，艾朝平，李彥明，等.基于零磁通原理的小電流傳感器設計［J］.電子測量技術，2011，34（2）：22-24．

［4］劉君，吳廣寧，周利軍，等.零磁通傳感器的研究［J］.電力自動化設備，2009，29（8）：67-70．

［5］劉海艷.磁通門微電流傳感器設計［J］.自動化技術與應用，2016，35（9）：101-105．

［6］楊秀增，楊仁桓.大功率太陽能LED路燈恒流驅動電源設計［J］.現代電子技術，2017，40（6）：165-167．

［7］楊秀增.基于FPGA的光伏MPPT控制系統設計與實現［J］.中國測試，2017，43（11）：108-110．

TH86

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.006

2095－6835（2020）22－0016－03

廣西重點研發計劃項目“基于物聯網的酒紅球蓋菇生態高產栽培技術研究及應用示范”（編號：2018AB44049）；廣西民族師范學院服務地方經濟社會發展專項項目“家庭微型工廠食用菌生產關鍵技術研究及扶貧應用示范”（編號：2018FW004）

楊秀增（1974—），男，侗族，碩士，教授，主要研究方向為微機測控技術。

〔編輯：王霞〕