基于TMR电流测量原理的电能表的制作方法

本发明涉及电流测量，具体涉及基于tmr电流测量原理的电能表。

背景技术：

1、直流电能表是直流输配电网中的重要计量设备，用于测量直流电力系统中的电能等参数，主要应用于电动汽车充电基础设施、数据中心、电信基站、住宅区或商业区的低压直流电网、光伏发电系统、公共交通直流供电系统及铁路系统等场合。随着智能电网直流输配电技术的发展、新能源发电并网比例的不断提高以及直流电力负荷的迅速增加，尤其是电动汽车直流充电桩的规模化应用，对直流电能表大电流直接接入式计量、宽量程计量和高精度计量等需求日益旺盛。随着直流电能表功能需求的多样化发展，其误差影响因素也越来越复杂。电流信号采样转换是影响直流电能表计量性能的关键因素，因此在直流电能表发展的各个阶段，科技人员都在不断探索研究新的电流传感器以提升电能表性能。

2、目前国内在直流电能表运用的是主要是直流分流器去检测电流直流。直流分流器其工作原理是将被测线路的电流量转换为小电压信号供直流电能表计量芯片使用。分流器虽然能够测量各种电流，但当测量大电流时，分流器上将会有功耗损失，致使其发热严重，同时分流器电阻发生变化，导致电流测量误差。因此，分流器主要用于对精度要求不高的电流测量场合。自20世纪70年代以来，基于磁阻效应的传感元件逐渐发展成熟，各向异性磁阻、巨磁阻和隧道磁阻(tmr)等磁阻传感器相继出现。由于磁阻传感器具有体积小精度高等优点，很快就被应用到电流测量中。

3、例如中国专利公开号cn116125135a公开的温度自补偿隧穿磁阻电流传感器、电流测量方法及设备，通过温度补偿电压对tmr芯片输出的初始电压进行温度补偿，消除了环境温度对tmr芯片输出电压的影响，有效提高了应用tmr芯片的电流传感器的测量精度。还例如中国专利公开号cn113341195a公开的一种基于隧道磁阻元件的电流测量方法、测量装置及设备，采用2个或3个单轴tmr元件就可以达到精确测量的目的，在满足测量精度的同时节约了成本。以上技术均是对测量精度进行优化，但是无法实现宽量程，从而无法同时实现大的量程和高精度，没法满足一体式直流电能表的要求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于现有技术tmr电流测量方法无法同时实现大的量程和高精度，没法满足一体式直流电能表的要求。

2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：基于tmr电流测量原理的电能表，包括至少两个tmr器件、导电体，所述导电体产生的感应磁场强度与导电体的厚度中心到tmr器件的距离有关，将所述tmr器件分别安装在距离导电体中心不同的距离之处，实现不同的量程，并且对量程进行分段，对分段后的量程对应的量程增益误差和偏置误差采用线性回归拟合算法进行修正。

3、进一步地，所述导电体产生的感应磁场强度为b＝1.25×i/2×(w+2h)，式中，i是流过导电体的待测电流；w是导电体的横截面宽度；h是导电体的厚度中心到tmr器件的距离。

4、更进一步地，所述tmr器件有两个，分别编号为第一tmr器件和第二tmr器件，第一tmr器件安装在距离导电体第一预设距离之处，第二tmr器件安装在距离导电体第二预设距离之处，第一tmr器件对应量程范围为第一量程，第二tmr器件对应量程范围为第二量程。

5、更进一步地，所述第一tmr器件安装在距离导电体的中心5mm之处，第二tmr器件安装在距离导电体的中心12mm之处，第一tmr器件对应量程范围为1a-50a，第二tmr器件对应量程范围为50a-360a。

6、更进一步地，所述第一tmr器件在待测电流超过第一预设电流时，输出高电平信号，此时后端电路直接选择第二tmr器件的输出数据；反之，如果待测电流低于第一预设电流，第一tmr器件输出低电平，后端直接使用第一tmr器件的输出。

7、更进一步地，所述第二tmr器件在待测电流超过第二预设电流时，输出高电平信号，传感器进入保护模式，代表待测电流超出额定量程；反之，如果待测电流低于第二预设电流，第二tmr器件输出低电平，后端直接使用第二tmr器件的输出。

8、更进一步地，所述第一预设电流为50a，所述第二预设电流为360a。

9、进一步地，所述tmr器件理论上测得的电流i＝(voltage–offset)/gain，其中，offset为tmr器件的偏置，gain为tmr器件的增益，voltage为tmr器件的测量电压；获取tmr器件的多次测量结果，对tmr器件的量程进行分段，分成多段，对每段对应的数据进行线性回归拟合，拟合后的结果作为修正结果，分段修正tmr器件的量程增益误差和偏置误差。

10、进一步地，所述基于tmr电流测量原理的电能表还包括滤波器，所述滤波器的输入端与tmr器件电连接，滤除噪声，滤波器的输出端作为电能表的量程对应的接口。

11、进一步地，所述导电体为铜排。

12、本发明的优点在于：

13、(1)本发明通过将所述tmr器件分别安装在距离导电体中心不同的距离之处，实现不同的量程，满足大量程的需求，其次，由于测量的范围特别大，进行简单的线性回归拟合算法没有办法得到理想的修正参数来满足高精度的要求，本发明对量程进行分段，对分段后的量程对应的量程增益误差和偏置误差采用线性回归拟合算法进行修正，可以更加准确的修正量程增益误差和偏置误差，提高测量精度，从而整个方案同时实现大的量程和高精度，满足电能表的要求。

14、(2)本发明采用了自动双量程和后端分段自动修正算法来达到了在1a-360a的范围内满足0.5％的精度，也即达到了0.5级的准确度，从而可以使用在准确度为1级的直流电能表中。同时也解决了目前基于分流器的传感器的发热和测量范围小的问题。

15、(3)本发明为了在小电流情况下达到精度要求，对tmr器件的本地噪声进行处理，主要采用了低带宽的滤波器把本地噪声滤除，从而达到提升tmr器件在小信号下的精度。

技术特征：

1.基于tmr电流测量原理的电能表，其特征在于，包括至少两个tmr器件、导电体，所述导电体产生的感应磁场强度与导电体的厚度中心到tmr器件的距离有关，将所述tmr器件分别安装在距离导电体中心不同的距离之处，实现不同的量程，并且对量程进行分段，对分段后的量程对应的量程增益误差和偏置误差采用线性回归拟合算法进行修正。

2.根据权利要求1所述的基于tmr电流测量原理的电能表，其特征在于，所述导电体产生的感应磁场强度为b＝1.25×i/2×(w+2h)，式中，i是流过导电体的待测电流；w是导电体的横截面宽度；h是导电体的厚度中心到tmr器件的距离。

3.根据权利要求2所述的基于tmr电流测量原理的电能表，其特征在于，所述tmr器件有两个，分别编号为第一tmr器件和第二tmr器件，第一tmr器件安装在距离导电体第一预设距离之处，第二tmr器件安装在距离导电体第二预设距离之处，第一tmr器件对应量程范围为第一量程，第二tmr器件对应量程范围为第二量程。

4.根据权利要求3所述的基于tmr电流测量原理的电能表，其特征在于，所述第一tmr器件安装在距离导电体的中心5mm之处，第二tmr器件安装在距离导电体的中心12mm之处，第一tmr器件对应量程范围为1a-50a，第二tmr器件对应量程范围为50a-360a。

5.根据权利要求3所述的基于tmr电流测量原理的电能表，其特征在于，所述第一tmr器件在待测电流超过第一预设电流时，输出高电平信号，此时后端电路直接选择第二tmr器件的输出数据；反之，如果待测电流低于第一预设电流，第一tmr器件输出低电平，后端直接使用第一tmr器件的输出。

6.根据权利要求5所述的基于tmr电流测量原理的电能表，其特征在于，所述第二tmr器件在待测电流超过第二预设电流时，输出高电平信号，传感器进入保护模式，代表待测电流超出额定量程；反之，如果待测电流低于第二预设电流，第二tmr器件输出低电平，后端直接使用第二tmr器件的输出。

7.根据权利要求6所述的基于tmr电流测量原理的电能表，其特征在于，所述第一预设电流为50a，所述第二预设电流为360a。

8.根据权利要求1所述的基于tmr电流测量原理的电能表，其特征在于，所述tmr器件理论上测得的电流i＝(voltage–offset)/gain，其中，offset为tmr器件的偏置，gain为tmr器件的增益，voltage为tmr器件的测量电压；获取tmr器件的多次测量结果，对tmr器件的量程进行分段，分成多段，对每段对应的数据进行线性回归拟合，拟合后的结果作为修正结果，分段修正tmr器件的量程增益误差和偏置误差。

9.根据权利要求1所述的基于tmr电流测量原理的电能表，其特征在于，还包括滤波器，所述滤波器的输入端与tmr器件电连接，滤除噪声，滤波器的输出端作为电能表的量程对应的接口。

10.根据权利要求1所述的基于tmr电流测量原理的电能表，其特征在于，所述导电体为铜排。

技术总结
本发明公开了基于TMR电流测量原理的电能表，包括至少两个TMR器件、导电体，所述导电体产生的感应磁场强度与导电体的厚度中心到TMR器件的距离有关，将所述TMR器件分别安装在距离导电体中心不同的距离之处，实现不同的量程，并且对量程进行分段，对分段后的量程对应的量程增益误差和偏置误差采用线性回归拟合算法进行修正；本发明的优点在于：同时实现大的量程和高精度，满足电能表的要求。

技术研发人员：仇茹嘉,田腾,赵龙,耿佳琪,丁健顺,谢涛,刘鑫,史伟豪,卢丽鹏,郑其斌,高昌盛,刘亚儒
受保护的技术使用者：国网安徽省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21