CN111521857B - 基于tmr隧道磁阻的多导体电流测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于TMR隧道磁阻的多导体电流测量系统，包括TMR芯片阵列以及与TMR芯片阵列输出端连接的处理单元；所述TMR芯片阵列包括m个TMR芯片，m个TMR芯片均位于主被测导体的轴向中心线的正下方，m个TMR芯片从上到下依次设置且相邻芯片等间距布置，与主被测导体距离最小的TMR芯片与主被测导体的距离和相邻芯片之间的间距相等，所述处理单元根据TMR芯片输出的电压信号从多导体中得出被测导体的电流；能够针对于高压直流输电系统不同规格、不同用途以及不同电流等级的导体进行准确的电流测量，能够消除多导体对测量的影响，为高压直流输电系统的稳定运行提供有力的保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流测量系统，尤其涉及一种基于TMR隧道磁阻的多导体电流测量系统。
背景技术
随着高压直流输电系统(HVDC)的建设不断推进，为了保证高压直流输电系统的稳定运行，需要对其各个环节的电流参数进行实时准确的监测。由于高压直流输电系统中有多种规格的导体，且不同规格、不同用途的导体其所承载的电流等级也相差较大，对于高压输电系统的导体电流的测量一般采用感应式测量，但是，由于在输电线路中存在众多的导体，各导体在测量点处均会产生感应磁场并且叠加，从而对感应式测量的结果造成严重影响，准确性低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于TMR隧道磁阻的多导体电流测量系统，能够针对于高压直流输电系统不同规格、不同用途以及不同电流等级的导体进行准确的电流测量，能够消除导体间的相互影响，为高压直流输电系统的稳定运行提供有力的保障。
本发明提供的一种基于TMR隧道磁阻的多导体电流测量系统，包括TMR芯片阵列以及与TMR芯片阵列输出端连接的处理单元；
所述TMR芯片阵列包括m个TMR芯片，m个TMR芯片均位于主被测导体的轴向中心线的正下方，m个TMR芯片从上到下依次设置且相邻芯片等间距布置，与主被测导体距离最小的TMR芯片与主被测导体的距离和相邻芯片之间的间距相等，所述处理单元根据TMR芯片输出的电压信号从多导体中得出被测导体的电流。
进一步，所述处理单元包括差分信号转换电路、偏置处理电路以及微控制器；
所述差分信号转换电路，其输入端与TMR芯片的输出端连接，用于将TMR芯片输出的差分信号转换为单端信号并输出；
所述偏置处理电路，其输入端与差分信号转换电路的输出端连接，用于将单端信号转换为正电压信号并输入至微控制器内；
所述微控制器，用于接收偏置处理电路输出的正电压信号，并根据正电压信号输出被测导体的电流值。
进一步，所述微控制器根据如下方法得到被测导体的电流：
对TMR芯片的输出电压曲线进行分段线性逼近，得到TMR输出电压曲线U与磁感应强度的分段线性函数U＝sB+c，其中，s为分段函数的斜率，B为芯片敏感方向上的磁感应强度分量，c为分段函数的截距；
构建被测电流与磁感应强度以及TMR芯片输出电压模型：
其中，n表示导体数，Bij表示第i个导体的单位电流在第j个TMR芯片敏感方向上产生的磁感应强度，si表示第i个TMR芯片输出电压的分段线性函数的斜率，Ui为第i个TMR芯片的输出电压，ci为第i个TMR芯片输出电压的分段线性函数的截距，Ii为第i个导体的电流，i＝1,2，…，n；j＝1,2,3，…，n；导体数小于芯片数时舍弃若干芯片的输出数据。
根据芯片输出电压代入模型得到最终的被测导体的电流值。
进一步，所述处理电路还包括显示器，所述显示器与微控制器通信连接。
进一步，所述微控制器为单片机。
本发明的有益效果：通过本发明，能够针对于高压直流输电系统不同规格、不同用途以及不同电流等级的导体进行准确的电流测量，能够消除导体间的相互影响，为高压直流输电系统的稳定运行提供有力的保障。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的电气结构示意图。
图3为本发明的TMR芯片输出函数的非线性的示意图。
图4为本发明的非线性函数分段线性逼近方法的示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明，如图所示：其中，图1中，附图标记1为m个TMR芯片，附图标记2为TMR芯片的安装支架，3为承载TMR芯片的PCB板，4为主被测导体，5为被测导体同一环境中所存在的干扰导体或其他被测导体。
本发明提供的一种基于TMR隧道磁阻的多导体电流测量系统，包括TMR芯片阵列以及与TMR芯片阵列输出端连接的处理单元；
所述TMR芯片阵列包括m个TMR芯片，m个TMR芯片均位于主被测导体的轴向中心线的正下方，m个TMR芯片从上到下依次设置且相邻芯片等间距布置，与主被测导体距离最小的TMR芯片与主被测导体的距离和相邻芯片之间的间距相等，所述处理单元根据TMR芯片输出的电压信号从多导体中得出被测导体的电流；通过本发明，能够针对于高压直流输电系统不同规格、不同用途以及不同电流等级的导体进行准确的电流测量，能够消除多导体对测量的影响，为高压直流输电系统的稳定运行提供有力的保障。本发明的测量方法如下：
被测电流产生空间磁场，TMR芯片测量所处位置处的空间磁场并输出相应电压值；为了减小芯片输出非线性所引入的电流测量误差，采用分段线性逼近的方法得到TMR芯片的输出电压：如图3和图4所示：输出电压U与外界磁场在芯片敏感方向上的磁场强度H的函数，存在明显的非线性，TMR芯片分段线性输出函数为U＝f(B)，其中，B＝μ0H，B为芯片敏感方向上的磁感应强度。
本实施例中，所述处理单元包括差分信号转换电路、偏置处理电路以及微控制器；
所述差分信号转换电路，其输入端与TMR芯片的输出端连接，用于将TMR芯片输出的差分信号转换为单端信号并输出；
所述偏置处理电路，其输入端与差分信号转换电路的输出端连接，用于将单端信号转换为正电压信号并输入至微控制器内；
所述微控制器，用于接收偏置处理电路输出的正电压信号，并根据正电压信号输出被测导体的电流值；具体地：所述处理电路还包括显示器，所述显示器与微控制器通信连接；所述微控制器为单片机。
本实施例中，所述微控制器根据如下方法得到被测导体的电流：
对TMR芯片的输出电压曲线进行分段线性逼近，得到TMR输出电压曲线U与磁感应强度的分段线性函数U＝sB+c，其中，s为分段函数的斜率，B为芯片敏感方向上的磁感应强度分量，c为分段函数的截距；基于上述，每个TMR芯片都具有相对应的输出函数，即U＝f(B)，为一个非线性函数，通过该步骤减小输出非线性所引入的电流测量误差，确保了输出结果的稳定性，其中，TMR芯片的输出函数如图3所示：图3中，标记7所指的实线曲线即为TMR芯片的输出函数，虚线曲线6为对TMR芯片的输出函数的线性化处理，从该图中可以看出，线性化处理后，无论TMR芯片的输出电压为多少，其截距和斜率均保持不变，从而导致误差大，而图4中则对TMR芯片输出函数的曲线进行分段线性逼近后，通过若干个直线段逼近输出函数的曲线，与真实的输出曲线接近，从而能够确保测量结果的准确性；每一个TMR芯片的输出分段函数斜率s和截距c确定如下：
当TMR芯片输出的电压信号U的值处于(x1，x2)区间的曲线上时，则TMR芯片的分段输出函数斜率s为F1(x)线段的斜率，且截距c也为该线段的截距，如果U的值处于处于(x2，x3)区间的曲线上时，则斜率s为F2(x)线段的斜率，且截距c也为该线段的截距；以此类推，则可确定每一个TMR芯片的分段输出函数的斜率和截距；
构建被测电流与磁感应强度以及TMR芯片输出电压模型：
其中，n表示导体数，Bij表示第i个导体的单位电流在第j个TMR芯片敏感方向上产生的磁感应强度，si表示第i个TMR芯片输出电压的分段线性函数的斜率，Ui为第i个TMR芯片的输出电压，ci为第i个TMR芯片输出电压的分段线性函数的截距，Ii为第i个导体的电流，i＝1,2，…，n；j＝1,2,3，…，n；
根据芯片输出代入模型得到最终的被测导体的电流值，通过上述方法，由线性方程求解的方式剔除了干扰导体的影响，从而得出准确的被测导体的电流值。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种基于TMR隧道磁阻的多导体电流测量系统，其特征在于：包括TMR芯片阵列以及与TMR芯片阵列输出端连接的处理单元；
所述TMR芯片阵列包括m个TMR芯片，m个TMR芯片均位于主被测导体的轴向中心线的正下方，m个TMR芯片从上到下依次设置且相邻芯片等间距布置，与主被测导体距离最小的TMR芯片与主被测导体的距离和相邻芯片之间的间距相等，所述处理单元根据TMR芯片输出的电压信号从多导体中得出被测导体的电流；
所述处理单元包括差分信号转换电路、偏置处理电路以及微控制器；
所述差分信号转换电路，其输入端与TMR芯片的输出端连接，用于将TMR芯片输出的差分信号转换为单端信号并输出；
所述偏置处理电路，其输入端与差分信号转换电路的输出端连接，用于将单端信号转换为正电压信号并输入至微控制器内；
所述微控制器，用于接收偏置处理电路输出的正电压信号，并根据正电压信号输出被测导体的电流值；
所述微控制器根据如下方法得到被测导体的电流：
对TMR芯片的输出电压曲线进行分段线性逼近，得到TMR输出电压曲线U与磁感应强度的分段线性函数U＝sB+c，其中，s为分段函数的斜率，B为芯片敏感方向上的磁感应强度分量，c为分段函数的截距；
构建被测电流与磁感应强度以及TMR芯片输出电压模型：
其中，n表示导体数，Bij表示第i个导体的单位电流在第j个TMR芯片敏感方向上产生的磁感应强度，si表示第i个TMR芯片输出电压的分段线性函数的斜率，Ui为第i个TMR芯片的输出电压，ci为第i个TMR芯片输出电压的分段线性函数的截距，Ii为第i个导体的电流，i＝1,2，…，n；j＝1,2,3，…，n；导体数小于芯片数时舍弃若干芯片的输出数据；
根据芯片输出代入模型得到最终的被测导体的电流值。
2.根据权利要求1所述基于TMR隧道磁阻的多导体电流测量系统，其特征在于：所述处理电路还包括显示器，所述显示器与微控制器通信连接。
3.根据权利要求1所述基于TMR隧道磁阻的多导体电流测量系统，其特征在于：所述微控制器为单片机。
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