基于羅氏線圈的微功耗高精度電流傳感器設計

崔瑞

(上海泰錦醫療科技有限公司,上海201203)

1 概述

1.1 技術背景

一般情況下,高壓線纜井各線纜接頭的狀態參數——電流,需要檢修人員固定周期內帶著檢測設備下井檢測,線纜井通道距離較長、環境復雜、井下空氣質量較差,在時間、成本和安全性上來講都有很大風險,且實時性也不太好。

隨著物聯網技術的普及和應用,電力行業各種設備在線實時監測需求越來越迫切,特別是電力線纜井的高壓線纜監測給電力運維人員帶來了很大的工作量。運用物聯網技術可以將高壓線纜井的電流參數等傳至后臺,如數據異常便開啟報警機制,通知相關人員整修并維護,提高運維工作的檢修周期。

1.2 國內外研究現狀

當前市面上做電流檢測的主流采用羅氏線圈來進行檢測。相對于傳統的磁感應設備,羅氏線圈的線性度和一致性要好許多,這對后續算法實現以及量產的可靠精度非常有益。

Rogowski 和其同伴W. Steinhaus 在1912 年發表了一篇《The Measurement of Magnet Motive Force》的論文,論文中詳細闡述了提出了羅氏線圈的工作原理。1966 年,西德科學家Heumamn 對羅氏線圈的結構進行優化,提高了測量準確度,快速的推動了羅氏線圈的產業化應用。21 世紀以來,美國科學家Lj.A.Kojovic 在新型羅氏線圈結構設計做了大量前沿性的工作,為羅氏線圈的產業化奠定了堅實的基礎。

從20 世紀開始,國內很多學著和大學也已經開始對羅氏線圈進行研究,希望能將羅氏線圈應用到實際的科研與產業中,以解決現實中存在的問題。如揭秉信教授編寫的《大電流測量》對不同積分形式的羅氏線圈測量脈沖大電流時候的頻率特性和工作狀態進行研究。

現在羅氏線圈的應用在實際產業中得到了應用和提高。很多高校和公司對羅氏線圈的應用做專門的改進和提高,特別是在小電流測量、結構參數電磁參數、仿真分析與補償、傳輸線路的抗干擾等方面,并對羅氏線圈的優化設計方面進行了探索論。

2 設計需求

根據客戶雷璽智能科技(上海)有限公司的需求,需要設計一款能夠電流檢測傳感器,以供給國內外供電單位使用。客戶提出的需求如下:

為了解決當前現場電纜電流人工周期檢測難的問題,需要傳感器能夠自動檢測,并主動上報服務器功能；

考慮現場環境復雜、鋪線難的問題,干擾強,需要盡量少走線,采用無線傳輸數據出去；

考慮安全性問題,不允許從市電中取電。只能考慮電池供電和太陽能兩種,續航要在5 年以上；

精度在正負1A內；

檢測的電流通道數可裁剪。

根據以上需求綜合分析如下:

(1)采用無線裝置將采集數據主動上報:

考慮到電纜井下的環境復雜,當前通信采用穿透性強的LORA無線傳輸。

(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省功耗。平時檢測設備主要設備不用工作,采用硬件比較器發現電流超過限值時,喚醒檢測設備,采用軟件檢測并將數據傳輸出去。同時采用RTC 周期固定喚醒MCU去檢測,達到正常周期檢測的目的。在平臺未供電期間,功耗應低于100uA。

(4)采用16 位的差分ADC模塊檢測差分信號。

3 系統架構

電流檢測傳感器主要包括以下部分,系統采用電池供電,羅氏線圈采集后的信號經運放進行放大,控制器內部高精度ADC 對放大后的信號進行采樣,經過一定的算法處理,將采集后的電流值,通過無線模塊發送至網關,網關通過4G 將電流值傳至后臺服務器,當電流異常,后臺啟動報警處理,通知相關人員進行處理,流程上形成閉環,圖1。

圖1 電流檢測傳感器的系統拓撲圖

3.1 放大電路

如圖2 放大電路采用三運放搭建的工業放大器,進行差分放大后的信號比較穩定,差分放大電路對共模輸入信號有很強的抑制能力,對差模信號卻沒有多大的影響,因此差分放大電路一般做集成運算的輸入級和中間級,可以抑制由外界條件的變化帶給電路的影響,仿真結果如圖3,小幅度為輸入信號,大幅度的為放大后的信號。

圖2 電流檢測傳感器輸入采集原理圖

圖3 電流檢測傳感器采集部分理論輸出信號

對應的實際電路如圖4。

圖4 電流檢測傳感器采集部分實際電路

3.2 采樣算法

采樣算法要結合用途目的、原理方案來實現。當前傳感器主要是檢測電網電路中的電流,這些電流特點是50HZ,電流可能存在的范圍在0-1000A 之間,且由于電網污染的原因,雜波很多,被檢測的信號每個周期總會存在差異。同時為了保證電纜和配電設備的狀態安全,在實際檢測中,一般此類傳感器并不是檢測有效值,而是檢測最大值。

根據上述描述,當前傳感器實現主要分為傳感器檢測的采樣原理算法、去除污染以及減小峰值劇烈波動的濾波算法。

采樣原理算法。據上文所知,當前羅氏線圈獲取信號為50HZ的交流差分信號。為了保證數據峰峰值被檢測出來,需要保證最大值在每個周期至少能夠采集一次,為了保證信號還原度高,當前采樣速率為1ms 達到5 次。如果設定一個大于10ms(峰峰值)以上的時間作為一個周期,將此周期的采樣絕對值進行比較,就能獲取一個半波的最大值。下面代碼為獲取100 個采樣數據的最大值:

然后將采樣的值,在特殊模式中按照要檢測的范圍,等比例值對應的檢測值標定記錄到rom中。而在實際檢測時,將檢測的值和這些標定記錄值比較,最終選擇合適的分段,然后在此分段中采用線性方程來計算出對應值。

由于采集的信號實際并不是理想的信號,且由于現場電磁波輻射的原因,實際采集的值在零值時不會為0,總有突發的沖擊信號或者時混亂信號。為了使數據更加精確,每次采集會和上一次最大值進行比較,如果超過上一次值的1/2,就會丟棄,去掉突發情況的干擾,但會將當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的平滑性,去掉過沖干擾信號。

同時每次修正后的值,采用深度為2 的平滑濾波算法,盡量使峰值變化之間連續性加強,并盡量減小臨界搖擺速度。另外,傳感器每次出場時,會有一次零值標定的記錄,即在無信號輸入時,平滑濾波后的值,實際測量時會減去零值。

3.3 功耗處理

因為傳感器為電流供電,所以對功耗要求很高,低功耗需要從兩個方面考慮:一個是硬件方面,另一個是軟件配置。

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,減少因電平不確定引起的漏電流。通過添加硬件比較器設置門閥值來做到一個啟動軟件檢測的功能,減小MCU的運行時間。即通過硬件標定一個預警值,來達到喚醒MCU運行的工作。

如圖5 所示,一旦檢測的值超過設定的IN-,這里是50A,就會在PC0 產生一個下降沿信號,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工作時間,在功能允許情況下,除了配置硬件喚醒模式,還要增大系統喚醒的周期,除RTC 之外,其它時鐘在系統休眠時都要關閉,應該注意系統工作時和休眠時IO配置。此時未使用的IO盡量配置為高阻態,使用的IO盡量根據外掛的設備空置狀態來配置休眠時的狀態。而每次喚醒后,再次恢復睡眠前的狀態。所有的設備,如果不影響二次恢復使用速率和效率,盡量斷電最好,否則考慮低功耗模式。

同時軟件運行時,做到在不影響響應速度的情況下,只有用到某個模塊時才會開啟某個模塊,減少運行中的損耗。

3.4 實際電路呈現

當前環流傳感器有單通道、4 通道、8 通道三種。實際原理一樣,只是采集的接口數量不一樣,所以不一一累述。圖6 中為單通道和4 通道實物內部電路板照片:

圖6

4 測試結果

4.1 放大濾波電路

通過羅氏線圈采集的信號經過放大濾波后的波形如圖7,信號質量很好,沒有諧波干擾,和仿真后波形一致,可以達到預期的設計效果。

圖7 實際采集輸入電路的輸出信號波形

4.2 采樣精度

電流傳感器設計最大量程為300A,實測數據如表1,在整個量程范圍內,相對精密滿足0.2 級,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,達到初始設計的目的。

表1

4.3 系統功耗

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

圖8 電流傳感器休眠時的實測電流

5 結論

文本給出所有的結果都是通過實際產品開發進行驗證得出,希望對相關功能的產品設計有借鑒作用,目前此產品已經運用于多個地域配電場合,且運行良好,穩定性和可靠性較高。