基于罗氏线圈的微功耗高精度电流传感器设计

崔瑞

(上海泰锦医疗科技有限公司,上海201203)

1 概述

1.1 技术背景

一般情况下,高压线缆井各线缆接头的状态参数——电流,需要检修人员固定周期内带着检测设备下井检测,线缆井通道距离较长、环境复杂、井下空气质量较差,在时间、成本和安全性上来讲都有很大风险,且实时性也不太好。

随着物联网技术的普及和应用,电力行业各种设备在线实时监测需求越来越迫切,特别是电力线缆井的高压线缆监测给电力运维人员带来了很大的工作量。运用物联网技术可以将高压线缆井的电流参数等传至后台,如数据异常便开启报警机制,通知相关人员整修并维护,提高运维工作的检修周期。

1.2 国内外研究现状

当前市面上做电流检测的主流采用罗氏线圈来进行检测。相对于传统的磁感应设备,罗氏线圈的线性度和一致性要好许多,这对后续算法实现以及量产的可靠精度非常有益。

Rogowski 和其同伴W. Steinhaus 在1912 年发表了一篇《The Measurement of Magnet Motive Force》的论文,论文中详细阐述了提出了罗氏线圈的工作原理。1966 年,西德科学家Heumamn 对罗氏线圈的结构进行优化,提高了测量准确度,快速的推动了罗氏线圈的产业化应用。21 世纪以来,美国科学家Lj.A.Kojovic 在新型罗氏线圈结构设计做了大量前沿性的工作,为罗氏线圈的产业化奠定了坚实的基础。

从20 世纪开始,国内很多学着和大学也已经开始对罗氏线圈进行研究,希望能将罗氏线圈应用到实际的科研与产业中,以解决现实中存在的问题。如揭秉信教授编写的《大电流测量》对不同积分形式的罗氏线圈测量脉冲大电流时候的频率特性和工作状态进行研究。

现在罗氏线圈的应用在实际产业中得到了应用和提高。很多高校和公司对罗氏线圈的应用做专门的改进和提高,特别是在小电流测量、结构参数电磁参数、仿真分析与补偿、传输线路的抗干扰等方面,并对罗氏线圈的优化设计方面进行了探索论。

2 设计需求

根据客户雷玺智能科技(上海)有限公司的需求,需要设计一款能够电流检测传感器,以供给国内外供电单位使用。客户提出的需求如下:

为了解决当前现场电缆电流人工周期检测难的问题,需要传感器能够自动检测,并主动上报服务器功能；

考虑现场环境复杂、铺线难的问题,干扰强,需要尽量少走线,采用无线传输数据出去；

考虑安全性问题,不允许从市电中取电。只能考虑电池供电和太阳能两种,续航要在5 年以上；

精度在正负1A内；

检测的电流通道数可裁剪。

根据以上需求综合分析如下:

(1)采用无线装置将采集数据主动上报:

考虑到电缆井下的环境复杂,当前通信采用穿透性强的LORA无线传输。

(2)采用电池作为电源:

考虑成本、走线的因素,采用高强度的电池供电。

(3)采用低功耗管理方式:

采用硬件激活软件的方式节省功耗。平时检测设备主要设备不用工作,采用硬件比较器发现电流超过限值时,唤醒检测设备,采用软件检测并将数据传输出去。同时采用RTC 周期固定唤醒MCU去检测,达到正常周期检测的目的。在平台未供电期间,功耗应低于100uA。

(4)采用16 位的差分ADC模块检测差分信号。

3 系统架构

电流检测传感器主要包括以下部分,系统采用电池供电,罗氏线圈采集后的信号经运放进行放大,控制器内部高精度ADC 对放大后的信号进行采样,经过一定的算法处理,将采集后的电流值,通过无线模块发送至网关,网关通过4G 将电流值传至后台服务器,当电流异常,后台启动报警处理,通知相关人员进行处理,流程上形成闭环,图1。

图1 电流检测传感器的系统拓扑图

3.1 放大电路

如图2 放大电路采用三运放搭建的工业放大器,进行差分放大后的信号比较稳定,差分放大电路对共模输入信号有很强的抑制能力,对差模信号却没有多大的影响,因此差分放大电路一般做集成运算的输入级和中间级,可以抑制由外界条件的变化带给电路的影响,仿真结果如图3,小幅度为输入信号,大幅度的为放大后的信号。

图2 电流检测传感器输入采集原理图

图3 电流检测传感器采集部分理论输出信号

对应的实际电路如图4。

图4 电流检测传感器采集部分实际电路

3.2 采样算法

采样算法要结合用途目的、原理方案来实现。当前传感器主要是检测电网电路中的电流,这些电流特点是50HZ,电流可能存在的范围在0-1000A 之间,且由于电网污染的原因,杂波很多,被检测的信号每个周期总会存在差异。同时为了保证电缆和配电设备的状态安全,在实际检测中,一般此类传感器并不是检测有效值,而是检测最大值。

根据上述描述,当前传感器实现主要分为传感器检测的采样原理算法、去除污染以及减小峰值剧烈波动的滤波算法。

采样原理算法。据上文所知,当前罗氏线圈获取信号为50HZ的交流差分信号。为了保证数据峰峰值被检测出来,需要保证最大值在每个周期至少能够采集一次,为了保证信号还原度高,当前采样速率为1ms 达到5 次。如果设定一个大于10ms(峰峰值)以上的时间作为一个周期,将此周期的采样绝对值进行比较,就能获取一个半波的最大值。下面代码为获取100 个采样数据的最大值:

然后将采样的值,在特殊模式中按照要检测的范围,等比例值对应的检测值标定记录到rom中。而在实际检测时,将检测的值和这些标定记录值比较,最终选择合适的分段,然后在此分段中采用线性方程来计算出对应值。

由于采集的信号实际并不是理想的信号,且由于现场电磁波辐射的原因,实际采集的值在零值时不会为0,总有突发的冲击信号或者时混乱信号。为了使数据更加精确,每次采集会和上一次最大值进行比较,如果超过上一次值的1/2,就会丢弃,去掉突发情况的干扰,但会将当前值有一定幅度递增。

上述代码为去抖算法。若两次采集的值跨度大于前一次1/4,则会修正后一次采集值为前一次采集值递增自身值1/8,且加上2。有效的保证采集信号的平滑性,去掉过冲干扰信号。

同时每次修正后的值,采用深度为2 的平滑滤波算法,尽量使峰值变化之间连续性加强,并尽量减小临界摇摆速度。另外,传感器每次出场时,会有一次零值标定的记录,即在无信号输入时,平滑滤波后的值,实际测量时会减去零值。

3.3 功耗处理

因为传感器为电流供电,所以对功耗要求很高,低功耗需要从两个方面考虑:一个是硬件方面,另一个是软件配置。

首先硬件方面,上下拉电阻尽量选择阻值大的,功能电路引脚采用接地处理,IO配置成高阻状态,减少因电平不确定引起的漏电流。通过添加硬件比较器设置门阀值来做到一个启动软件检测的功能,减小MCU的运行时间。即通过硬件标定一个预警值,来达到唤醒MCU运行的工作。

如图5 所示,一旦检测的值超过设定的IN-,这里是50A,就会在PC0 产生一个下降沿信号,唤醒MCU。

图5 硬件比较唤醒电路

其次软件方面尽量减少系统工作时间,在功能允许情况下,除了配置硬件唤醒模式,还要增大系统唤醒的周期,除RTC 之外,其它时钟在系统休眠时都要关闭,应该注意系统工作时和休眠时IO配置。此时未使用的IO尽量配置为高阻态,使用的IO尽量根据外挂的设备空置状态来配置休眠时的状态。而每次唤醒后,再次恢复睡眠前的状态。所有的设备,如果不影响二次恢复使用速率和效率,尽量断电最好,否则考虑低功耗模式。

同时软件运行时,做到在不影响响应速度的情况下,只有用到某个模块时才会开启某个模块,减少运行中的损耗。

3.4 实际电路呈现

当前环流传感器有单通道、4 通道、8 通道三种。实际原理一样,只是采集的接口数量不一样,所以不一一累述。图6 中为单通道和4 通道实物内部电路板照片:

图6

4 测试结果

4.1 放大滤波电路

通过罗氏线圈采集的信号经过放大滤波后的波形如图7,信号质量很好,没有谐波干扰,和仿真后波形一致,可以达到预期的设计效果。

图7 实际采集输入电路的输出信号波形

4.2 采样精度

电流传感器设计最大量程为300A,实测数据如表1,在整个量程范围内,相对精密满足0.2 级,在不使用专用ADC采样芯片的情况,整体采样精度效果很理想,达到初始设计的目的。

表1

4.3 系统功耗

采用上述低功耗处理方式,配置硬件和软件参数,系统在休眠时功耗低至5uA(如图8),合理控制休眠周期和工作时间,使用17AH 的电池,理论上可以工作五年以上。

图8 电流传感器休眠时的实测电流

5 结论

文本给出所有的结果都是通过实际产品开发进行验证得出,希望对相关功能的产品设计有借鉴作用,目前此产品已经运用于多个地域配电场合,且运行良好,稳定性和可靠性较高。