无线零位误差校准式TMR零磁通电流互感器及其控制方法与流程

本发明涉及电流互感器，具体为无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器及其控制方法。

背景技术：

1、传统电磁式电流互感器不能用来测量直流电流，它在测量交流电流时通过建立铁芯交变磁场传递能量，从而实现二次线圈电流输出，但铁芯励磁电流引起测量误差。零磁通电流互感器的二次线圈由专门设置的驱动电路供电，从而产生二次补偿电流，因此不需要通过铁芯传递能量，此时铁芯成为一次电流和二次补偿电流共同产生的合成磁势的指示器，当合成磁势为零时铁芯为零磁通状态，于是一次电流和二次补偿电流之比为二次线圈匝数和一次线圈匝数之比，测量误差理论上为零。由于铁芯气隙中的直流磁场和交流磁场都可以测量，因此零磁通电流互感器可以用来测量直流和交流电流。常见的零磁通电流互感器采用霍尔传感器测量铁芯气隙的磁场，它广泛地应用于电力电子装置的电流采样场合，其特点是响应速度快，测量范围宽，但是霍尔零磁通电流互感器由内部电路元器件的失调电压、温漂连同随时间变化的参数等因素引起的零位误差较大，零位误差随温度和时间的变化而变化，在量程较低的范围内较大的零位误差会引起较大的测量误差。霍尔零磁通电流互感器准确度不高，大多在0.5级及以下，为了补偿零位误差，一般在二次线圈驱动电路中通过电位器提供一个可以调整的补偿电压，在互感器整体封装时，通常将电位器的调整旋钮部分露在外面，这样在互感器封装后可以方便地调整零位误差，但是这种调整是固定误差的补偿，并且外露的电位器旋钮容易人为改动，可靠性不高。

2、另一方面，tmr传感器是一种利用隧道磁阻效应的磁敏感元件，与霍尔传感器相比，tmr传感器在磁场测量分辨率、工作频率、响应时间、灵敏度、功耗及温漂等性能指标方面具有明显的优势。因此，采用tmr零磁通电流互感器的准确度更高，可以达到满足直流和交流电能计量要求的0.2级准确度，弥补了传统电磁式电流互感器不能用来直流电能计量的缺点。tmr零磁通电流互感器也存在零位误差问题，零位误差由tmr传感器及其它内部电路元器件的失调电压和温漂等因素引起，与霍尔零磁通电流互感器相同，同样会随温度及时间的变化而变化，因此采用电位器进行固定的零位误差补偿是不合适的，并且将电位器的调整旋钮部分露在封装外面也不符合计量器具的安全性要求。如果在tmr零磁通电流互感器内部设置基于温度变化的零位误差补偿模块，这种补偿模块不能补偿随时间变化的零位误差，考虑到计量器具外部避免留出零位误差可调的接口，这种模块的补偿参数就不能在tmr零磁通电流互感器封装后调整。针对上述问题，提出了本申请。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器及其控制方法，实现无线零位误差校准功能的tmr零磁通电流互感器，可以定期安全地实现互感器零位误差的校准。

2、本发明是通过以下技术方案来实现的。

3、本发明的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，包括带气隙铁芯、tmr芯片、差分及积分放大电路、误差补偿电路、微处理器、温度传感器和无线传输模块，所述tmr芯片设置铁芯气隙的中央位置，差分及积分放大电路的输出端与二次补偿线圈的一端相连，二次补偿线圈的另一端与取样电阻r 0相连，取样电阻r 0的另一端接地，所述误差补偿电路与差分及积分放大电路和微处理器连接，所述温度传感器和无线传输模块均与所述微处理器连接，所述误差补偿电路包括多抽头单通道数字电位器rd。

4、进一步地，所述差分及积分放大电路包括电阻r1、电阻r2、阻抗z3、阻抗z4和功率放大器a1，所述电阻r1与电阻r2相等，所述阻抗z3与阻抗z4相等。

5、进一步地，所述误差补偿电路还包括电阻r5、电阻r6、电阻r7、电压跟随器a2和正负参考电源，所述电阻r6、多抽头单通道数字电位器rd和电阻r7依次串联，所述电阻r6未与多抽头单通道数字电位器rd相连的一端与正负参考电源中的vref+相连，所述电阻r 7未与多抽头单通道数字电位器rd相连的一端与正负参考电源中的vref-相连，所述多抽头单通道数字电位器rd的抽头输出端通过电压跟随器a2与电阻r5相连，所述电阻r5的另一端与功率放大器a1的反向端相连。

6、进一步地，电阻r6、电阻r7和多抽头单通道数字电位器rd的阻值相等。

7、进一步地，所述无线传输模块为蓝牙模块。

8、进一步地，所述阻抗z3和阻抗z4均由电阻和电容串联后与电阻并联而成。

9、进一步地，所述多抽头单通道数字电位器rd具有spi接口。

10、进一步地，所述温度传感器采用热敏电阻型温度传感器。

11、无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器控制方法，基于上述的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，其特征在于：包括如下步骤：

12、互感器校准时在微处理器中建立温度与多抽头单通道数字电位器rd的抽头系数k值的关系函数；

13、互感器运行时微处理器通过读取温度传感器输出的温度，然后根据温度与多抽头单通道数字电位器rd的抽头系数k值的关系函数选取k值，该k值作为控制量由微处理器发送给多抽头单通道数字电位器rd，于是可以调整差分与积分放大电路输出电压，从而实现互感器随温度变化的在线零位误差的补偿。

14、进一步地，互感器零位误差校准是定期进行的，校准时计算机通过蓝牙模块2，向互感器体内的蓝牙模块1发送指令，来调整不同温度下的零位误差补偿参数，即建立温度与多抽头单通道数字电位器rd的设置抽头系数k值的关系函数，校准在设定的试验环境温度下及一次电流ip＝0条件下进行，温度与多抽头单通道数字电位器rd的设置抽头系数k值的关系函数建立有两种方法：(1)根据公式得到相应的k值，式中u1为差分与积分放大电路输出端的等效零位误差电压，z3(0)为复频域阻抗z3(s)的稳态值，且r6＝r7＝rd，vref+＝-vref-；(2)通过不断调整k值使零位误差为零，同时记录下k值及互感器体内温度传感器输出的温度，这样就得到了一个互感器体内温度与相应k值的关系，设置不同试验环境温度，就得到温度与抽头系数k值的关系函数，把这个关系函数放置在微处理器中，就完成了互感器零位误差的校准。

15、本发明的有益效果：

16、采用tmr传感器，使得互感器比霍尔零磁通互感器准确度高，可以达到满足直流和交流电能计量要求的0.2级准确度，弥补了传统电磁式电流互感器不能用来直流电能计量的缺点；

17、采用微处理器和多抽头单通道数字电位器构成零位误差补偿电路，实现零位误差的数字化补偿，比采用电位器的传统模拟补偿电路稳定性更高，调节更方便；

18、利用无线传输模块进行零位误差补偿参数的设定，比将电位器调整旋钮部分露在封装外面的霍尔零磁通电流互感更符合对计量器具安全性的要求，同时可以定期安全地实现互感器零位误差的校准。

技术特征：

1.无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，其特征在于：包括带气隙铁芯、tmr芯片、差分及积分放大电路、误差补偿电路、微处理器、温度传感器和无线传输模块，所述tmr芯片设置铁芯气隙的中央位置，差分及积分放大电路的输出端与二次补偿线圈的一端相连，二次补偿线圈的另一端与取样电阻r0相连，取样电阻r 0的另一端接地，所述误差补偿电路与差分及积分放大电路和微处理器连接，所述温度传感器和无线传输模块均与所述微处理器连接，所述误差补偿电路包括多抽头单通道数字电位器rd。

2.根据权利要求1所述的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，其特征在于：所述差分及积分放大电路包括电阻r1、电阻r2、阻抗z3、阻抗z4和功率放大器a1，所述电阻r1与电阻r2相等，所述阻抗z3与阻抗z4相等。

3.根据权利要求2所述的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，其特征在于：所述误差补偿电路还包括电阻r5、电阻r6、电阻r7、电压跟随器a2和正负参考电源，所述电阻r6、多抽头单通道数字电位器rd和电阻r7依次串联，所述电阻r6未与多抽头单通道数字电位器rd相连的一端与正负参考电源中的vref+相连，所述电阻r 7未与多抽头单通道数字电位器rd相连的一端与正负参考电源中的vref-相连，所述多抽头单通道数字电位器rd的抽头输出端通过电压跟随器a2与电阻r5相连，所述电阻r5的另一端与功率放大器a1的反向端相连。

4.根据权利要求3所述的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，其特征在于：电阻r6、电阻r7和多抽头单通道数字电位器rd的阻值相等。

5.根据权利要求4所述的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，其特征在于：所述无线传输模块为蓝牙模块。

6.根据权利要求4或5所述的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，其特征在于：所述阻抗z3和阻抗z4均由电阻和电容串联后与电阻并联而成。

7.根据权利要求4或5所述的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，其特征在于：所述多抽头单通道数字电位器rd具有spi接口。

8.根据权利要求4或5所述的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，其特征在于：所述温度传感器采用热敏电阻型温度传感器。

9.无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器控制方法，基于权利要求1-8中任意一项所述的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器，其特征在于：包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的无线零位误差校准式tmr零磁通电流互感器控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：互感器零位误差校准定期进行，校准时计算机与微处理器通过无线传输模块通信，来调整不同温度下的零位误差补偿参数，即建立温度与多抽头单通道数字电位器rd的设置抽头系数k值的关系函数，校准在设定的试验环境温度下及一次电流ip＝0条件下进行，温度与多抽头单通道数字电位器rd的设置抽头系数k值的关系函数建立有两种方法：(1)根据公式得到相应的k值，式中u1为差分与积分放大电路输出端的等效零位误差电压，z3(0)为复频域阻抗z3(s)的稳态值，且r6＝r7＝rd，vref+＝-vref-；(2)通过不断调整k值使零位误差为零，同时记录下k值及互感器体内温度传感器输出的温度，这样就得到了一个互感器体内温度与相应k值的关系，设置不同试验环境温度，就得到温度与抽头系数k值的关系函数，把这个关系函数放置在微处理器中，就完成了互感器零位误差的校准。

技术总结
本发明涉及电流互感器技术领域，公开了无线零位误差校准式TMR零磁通电流互感器及其控制方法，包括带气隙铁芯、TMR芯片、差分及积分放大电路、误差补偿电路、微处理器、温度传感器和无线传输模块，误差补偿电路与差分及积分放大电路和微处理器连接，温度传感器和无线传输模块均与微处理器连接，误差补偿电路包括多抽头单通道数字电位器Rd。采用微处理器和多抽头单通道数字电位器构成零位误差补偿电路，实现零位误差的数字化补偿；利用无线传输模块进行零位误差补偿参数的设定，比将电位器调整旋钮部分露在封装外面的霍尔零磁通电流互感更符合对计量器具安全性的要求。

技术研发人员：谢岳,唐福新,姜小明,王永攀,徐阳,毛若寒
受保护的技术使用者：浙江天际互感器股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16