基于零磁通的微电流测量系统设计＊

杨秀增，宋俊慷，韦树贡

基于零磁通的微电流测量系统设计＊

杨秀增，宋俊慷，韦树贡

（广西民族师范学院 物理与电子工程学院，广西 崇左 532200）

针对利用普通电流表测量微小电流存在误差较大这一问题，以STC15单片机为控制器，利用零磁通电流互感器技术，设计一款高精度、多档与自动微小电流测量系统。测量系统主要由信号检测电路、信号处理电路、数据采集和单片机控制四部分组成。信号检测电路采用单匝穿心零磁通互感器和零磁通补偿电路进行设计。信号处理电路采用ICL7650进行前置放大电路设计，利用有源二阶带通滤波器滤除干扰信号。采用可编程放大电路实现微小电阻的多档自动化测量，测试表明，该系统具有测量精度高、操作简便、读数直观等优点。

微小电流；零磁通互感器；可编程放大电路；STC15单片机

微小电流测量在高压电力系统中有广泛的应用[1-3]。在电力系统中，为了准确地判断高压设备绝缘状况和电力系统的运行情况，供电局需要对这种高压设备的泄漏电流进行实时监测[4-5]。因为这些设备的泄漏电流很小，用普通的电流测量装置无法精确测量。因此，如何从强干扰信号中准确检测出微小的泄漏电流具有重要的意义。

国内外学者对微小电流测量方法做过很多研究，其中，利用“零磁通原理”测量微小电流方法精度高[4-5]，也适合用于测量微安级工频电流。本文在参考其他学者利用“零磁通原理”测量微小电流方法的基础上，以STC单片机为控制核心[6-7]，利用零磁通电流传感器技术，试制一款高精度电流在线测量系统。因本系统采用单匝穿心式电流传感器技术，在测量设备电流时，不用串接到电缆中，只需把电流传感器直接套在被测的电缆上，不改变设备原有的接线，所以使用方便、安全和可靠性高，适用于各种微小电流测量场合。

1 系统总体方案设计

微小电流测量系统的总体设计方案如图1所示，主要由信号检测电路、前置放大电路、有源带通滤波器、真有效值转换电路、可编程放大电路、A/D转换电路、STC单片机控制器和LCD显示模块组成。信号检测电路能感应出微小的泄漏电流，电流经前置放大之后，被送到有源带通滤波器进行滤波，滤除工频以外的干扰信号。有效值转换电路作用，是把交流信号转换成信号的有效值。可编程放大电路在STC单片机的控制下，把有效值大小进行编程放大，放大倍数由有效值的大小决定。A/D转换电路把模拟信转换成数字信号，数字信号通过STC单片机I/O口进入STC单片机控制器。STC单片机计算出当前被测电流大小值，通过LCD显示模块把电流显示出来。

图1 系统的总体设计方案

2 信号检测电路

2.1 零磁通互感器结构及工作原理

信号检测电路包括单匝式零磁通互感器和零磁通补偿电路两个部分。

单匝式零磁通互感器结构如图2所示。电流互感器主要由T1主磁环、T2辅磁环、1初级线圈、2次级线圈、3检测线圈和4补偿线圈构成。初级线1是实际被监测设备的单匝导线，测量时它被直接穿在主、辅磁环T1、T2上。当初级线圈1有交流电时，检测线圈3会感应出电流交流电流3，3经零磁通补偿电路处理后，加到绕在辅助磁环T2上的补偿线圈4，用于自动跟踪磁环中激磁电流的变化，补偿磁环中的磁场，使磁环中动态处于零磁通状态，提高电流测量精度。其工作原理如下。

在补偿未开启时，T1和T2的磁动势平衡方程式为：

由式（1）可知，由于激励安匝的存在，一次安匝不等于二次安匝，误差大小等于激励安匝。在补偿开启时，T1和T2的磁动势平衡方程式为：

式（2）中：为加到补偿线圈的补偿安匝，起到补偿电路的作用，如果补偿安匝相位和大小都等于激励安匝，一次安匝等于二次安匝，传感器不存在误差。

2.2 零磁通补偿放大电路的设计

根据零磁通传感器的工作原理，所设计的补偿电路如图3所示。补偿电路主要由前置电压放大电路1、移相电路2、带通滤波电路3和V/I转换电路4四个单元组成。前置放大器采用斩波稳零式高精度运放ICL7650进行设计，具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点，3和3为反馈电容和电阻，接在放大芯片的输出与反相输入端，可以防止高频震荡现象；5、4、6、6和TL1001为等幅移相电路，改变4和6取值时，可以使信号相位发生变化；7、9、10、8、9、10和TL1001构成一个带通滤波器。为了提高性能，把本带通滤波器的中心频率设置为50 Hz，通频带为40～60 Hz；4为电压/电流转换电路，采用性能优越的跨导运放CA3080实现V/I转换，调节13的值，可以改变跨导运放的偏置电流。

图3 高精度恒流源电路

3 信号处理电路设计

由于次级绕组线圈感应的电流信号幅值很小，并混有较强的干扰信号，因此，在进行A/D转换前，要对这微小的信号进行放大和滤波等处理，本测量仪的信号处理电路如图4所示，主要由前置放大电路、有源带通滤波器、真有效值转换电路和电压比例放大电路组成。前置放大电路仍采用高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低的ICL7650芯片进行设计。经前置放大电路放大的信号还混有其他干扰信号，必需通过一个带通滤波电路将其滤除，滤波器的中心频率设为50 Hz。为了提高电流测量精度，本系统采用AD637设计一个高精度的真有效值转换电路，把交流电转换成有效值电压。经转换后的电压信号的幅度还比较小，需要进一步地放大才能进行A/D转换，4、9、10为正比例放大电路，其放大倍数由10、9的比值决定。

图4 信号处理电路

4 单片机控制电路

单片机控制部分的电路如图5所示，主要由可编程的程控放大电路、A/D转换电路、单片机STC15单片机和LCD显示模块组成。可编程的程控放大电路采用PGA205芯片进行设计，经前级处理过的信号Vi加到可编程放大芯片的4脚，1、2是放大器的增益大小控制输入端，通过设置不同的值，可以实现不同的放大倍数。经放大的信号通过电阻2加到ICL7135的第10脚进行A/D转换。ICL7135是MAX公司生产的高精度双积分型A/D转换器，具有转换精度高、抗干扰能力强等优点。D1、D2、D3、D4和D5从个位到万位的BCD码选通输出端，B1、B2、B4和B8是BCD码输出端，OV和LO是超量程及欠量程输出标志位，CLOCK为外接时钟输入端，本设计中此时钟由STC单片机P5.4引脚提供。

图5 单片机控制部分电路图

5 软件系统设计

本测试系统测量程序算法流程如图6所示。系统加电时，程序设置好STC15单片机的系统频率和程控放大电路默认的放大倍数，并把单片机的P5.4口设置为MCLKO模式，引出系统时钟为ICL7135芯片提供工作时钟。设置好芯片初始值之后，单片机通过P0.6口启动ICL7135，等到A/D转换结束时，单片机检测ICL7135的27引脚和28引脚的电压，了解A/D转换器量程是否设置合理，如果A/D转换器处于超量程工作状态，降低程控放大器的放大倍数，重新进行测量；相反，如果A/D转换器处于欠量程工作状态，就升高一个档位。如果A/D转换器的设置的测量档位合理，单片机读取电压数据，计算并通过LCD显示模块显示被测电流。

图6 算法流程图

6 样机与测试结果

根据以上原理设计样机，并对样机进行测试。测试过程中，使用性能稳定、高可靠性的优利德UT53数字万用表进行对比测试，把万用表拨到200 mA交流电流档，测试结果如表1所示。

表1 测量结果

次数万用表/mA本测试仪/mA相对误差 10.70.7091.2 21.01.0111.1 34.84.8100.2 412.612.6180.14

7 结束语

微小电流测量装置应用越来越广泛，零磁通电流互感器具有测量精度高和抗干扰能力等优点，在微小电流测量装置中得到广泛的应用。本文利用这一原理设计的微小电流测量系统具有测量精度高、操作简便、读数直观等优点。

［1］张振洪，赵有俊.高精度零磁通电流传感器的研究［J］.传感器与微系统，2009，28（10）：52-54.

［2］王文，吝伶艳，乔记平，等.基于零磁通原理的微电流传感器的研究［J］.仪表技术与传感器，2018（3）：23-25．

［3］袁建州，艾朝平，李彦明，等.基于零磁通原理的小电流传感器设计［J］.电子测量技术，2011，34（2）：22-24．

［4］刘君，吴广宁，周利军，等.零磁通传感器的研究［J］.电力自动化设备，2009，29（8）：67-70．

［5］刘海艳.磁通门微电流传感器设计［J］.自动化技术与应用，2016，35（9）：101-105．

［6］杨秀增，杨仁桓.大功率太阳能LED路灯恒流驱动电源设计［J］.现代电子技术，2017，40（6）：165-167．

［7］杨秀增.基于FPGA的光伏MPPT控制系统设计与实现［J］.中国测试，2017，43（11）：108-110．

TH86

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.006

2095－6835（2020）22－0016－03

广西重点研发计划项目“基于物联网的酒红球盖菇生态高产栽培技术研究及应用示范”（编号：2018AB44049）；广西民族师范学院服务地方经济社会发展专项项目“家庭微型工厂食用菌生产关键技术研究及扶贫应用示范”（编号：2018FW004）

杨秀增（1974—），男，侗族，硕士，教授，主要研究方向为微机测控技术。

〔编辑：王霞〕