电流检测装置及方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种电流检测装置及方法。

背景技术：

目前，在电力系统中，为了实现精确控制，通常需要检测导体的电流，得到测量值，然后根据电流的测量值调整相关参数。现有的一种电流检测装置如图1所示，所述电流检测装置包括罗氏(Rogowski)线圈101、放大器102、积分器103、电阻R1-R3及电容C。由电磁感应定律可知，当被测载流导体从罗氏线圈101中穿过时，罗氏线圈101的两端会感应出感应电压，且通过如下公式可推导出罗氏线圈101输出的感应电压与被测电流之间是微分关系：因为根据安培环路定理：∫H(t)×dl＝i(t)和φ＝BA＝μ₀HA，从而可得：其中，M为线圈与被测电流的互感，N为线圈匝数，A为每匝线圈的横截面积，μ₀为真空中的磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m，φ(t)为穿过单匝线圈的磁通，e(t)为感应电压，i(t)为被测电流，B为线圈轴线方向上的磁感应强度。由上述公式可知，罗氏线圈101输出的感应电压是被测电流对时间的微分。因为感应电压与被测电流的微分之间成正比关系，因此上述电流检测装置通过放大器102对感应电压放大后，再通过积分器103对放大后的感应电压进行微分的逆运算-积分，就可以还原得到被测电流。

然而，上述电流检测装置是采用积分器103对放大器102输出的感应 电压进行积分还原，以得到被测电流，且通过积分器103积分后的电压与被测电流存在恒定比例关系，但是，由于现有的电流检测装置中积分器103必须有反向积分电压使偏置回零，否则积分将饱和，因此上述电流检测装置只适用于交流电流或单脉冲电流检测，无法检测单向的、可变的直流大电流，并且也无法进行长时间的脉冲直流电流检测。

技术实现要素：

本发明提供一种电流检测装置及方法，能够对任意电流进行长时间实时检测，适用范围广。

所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种电流检测装置，其包括罗氏线圈、A/D转换器及信号处理单元，其中，所述罗氏线圈与所述A/D转换器相连，当载有被测电流的导体从所述罗氏线圈中穿过时，所述罗氏线圈的两端感应出与被测电流成微分关系的感应电压；所述A/D转换器与所述罗氏线圈及所述信号处理单元相连，用于将所述罗氏线圈感应出的感应电压转换为数字信号，并将所述数字信号提供给所述信号处理单元；所述信号处理单元用于对所述A/D转换器提供的数字信号进行处理，以得到所述被测电流。

在本发明较佳的实施例中，所述罗氏线圈为线圈式罗氏线圈、PCB式罗氏线圈中的任意一种。

在本发明较佳的实施例中，所述A/D转换器，还用于将所述感应电压与预先设定的参考电压进行比较，从而将所述感应电压转换为所述数字信号。

在本发明较佳的实施例中，所述A/D转换器采用双极性的A/D转换器。

在本发明较佳的实施例中，所述A/D转换器包括：电压正负检测器、逻辑门电路、单极性A/D转换器以及反向跟随器；其中，所述电压正负检测器，与所述逻辑门电路相连，用于检测出罗氏线圈感应出的感应电压中 的正负极性，并将检测出正负极性的感应电压提供给所述逻辑门电路；所述逻辑门电路，与所述电压正负检测器、所述单极性A/D转换器、所述反向跟随器相连，用于判断若所述电压正负检测器提供的检测出正负极性的感应电压中均为正电压，则将所述正电压提供给所述单极性A/D转换器，若所述电压正负检测器提供的检测出正负极性的感应电压中包括正电压和负电压，则将所述负电压提供给所述反向跟随器、将正电压提供给所述单极性A/D转换器；所述反向跟随器，用于将所述逻辑门电路提供的负电压转换为正电压后提供给所述单极性A/D转换器；所述单极性A/D转换器，用于将所述逻辑门电路提供的正电压和所述反向跟随器提供的正电压转换为数字信号，并将所述数字信号提供给所述信号处理单元。

在本发明较佳的实施例中，所述A/D转换器包括：电压正负检测器及比较器；其中，所述电压正负检测器，与所述比较器相连，用于检测出罗氏线圈感应出的感应电压中的正负极性，并将检测出正负极性的感应电压提供给所述比较器；所述比较器，用于将电压正负检测器提供的检测出正负极性的感应电压与预设参考电压进行比较，以将检测出正负极性的感应电压转为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元。

在本发明较佳的实施例中，所述信号处理单元，还用于根据所述A/D转换器提供的数字信号得到感应电压，再根据得到的感应电压和感应电压与被测电流的计算公式计算出被测电流的参数，其中，M为线圈与被测电流的互感，e(t)为感应电压，i(t)为被测电流。

在本发明较佳的实施例中，所述被测电流的参数包括所述被测电流每个时刻的电流值、所述被测电流的总电流值中的至少一个，所述被测电流的总电流值为n个时刻的电流值的叠加，其计算公式为： 其中，i为被测电流的总电流值，k、n为大于0的整数。

在本发明较佳的实施例中，所述信号处理单元，还用于根据所述A/D转换器提供的数字信号得到被测电流的变化趋势。

在本发明较佳的实施例中，所述A/D转换器集成在所述信号处理单元的运算芯片内部。

本发明实施例还提供了一种电流检测方法，其包括：当载有被测电流的导体从所述罗氏线圈中穿过时，罗氏线圈的两端感应出与被测电流成微分关系的感应电压；利用A/D转换器将所述罗氏线圈感应出的感应电压转换为数字信号，并将所述数字信号提供给信号处理单元；利用所述信号处理单元对所述A/D转换器提供的数字信号进行处理，以得到所述被测电流。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过A/D转换器将罗氏线圈感应出的感应电压转换为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元，信号处理单元对A/D转换器提供的数字信号进行处理，以得到被测电流。本发明的电流检测装置结构简单，不仅可以对任何可变直流电流进行长时间实时检测，而且可以适用于其它类型的电流检测，适应范围广。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是现有的一种电流检测装置的电路图；

图2是本发明第一实施例提供的电流检测装置的主要架构框图；

图3是被测电流为单向正弦波电流的电流-时间和感应电压-时间波形示意图；

图4是被测电流为单向不规则电流的电流-时间和感应电压-时间波形示意图；

图5是被测电流为单向正弦波电流时的感应电压-时间和参考电压-时间波形示意图；

图6是被测电流为单向不规则电流时的感应电压-时间和参考电压-时间波形示意图；

图7是本发明第二实施例提供的电流检测装置的主要架构框图；

图8是本发明第三实施例提供的电流检测装置的主要架构框图；

图9是本发明第四实施例提供的电流检测装置的主要架构框图；

图10是本发明第五实施例提供的电流检测方法的流程图；

图11是本发明第六实施例提供的电流检测方法的流程图；

图12是本发明第七实施例提供的电流检测方法的流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电流检测装置及方法其具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

图2是本发明第一实施例提供的电流检测装置的主要架构框图。所述电流检测装置能够对任意可变电流进行长时间实时检测，其适应范围更广，请参阅图2，所述电流检测装置包括罗氏线圈201、A/D(模数)转换器202、及信号处理单元203。

更具体地，罗氏线圈201与A/D转换器203相连，其中，当载有被测电流的导体从罗氏线圈201中穿过时，罗氏线圈201的两端感应出与被测电流成微分关系的感应电压。

其中，罗氏线圈201又叫电流测量线圈、微分电流传感器，罗氏线圈201为环状结构，其是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，在使用时，可以将载有被测电流的导体从罗氏线圈201的环状结构内穿过，也可以将罗氏线圈201直接套在载有被测电流的导体上，然后罗氏线圈201的两端再连接A/D转换器202即可。本实施例中，罗氏线圈201可以为线圈式罗氏线圈、PCB式罗氏线圈中的任意一种。

罗氏线圈201感应出的感应电压与被测电流成微分关系，即满足如下公式：其中，M为线圈与被测电流的互感，e(t)为感应电压，i(t)为被测电流，由此可见，罗氏线圈一定时，M为定值，则罗氏线圈感应的感应电压与被测电流的微分成正比。

其中，被测电流可以为各种类型的电流，例如可以为交流电流或具有电流变化率的直流电流等，如图3所示，以单向正弦波电流及单向不规则电流为例，图3为被测电流与感应电压的波形关系示意图。

A/D转换器202与罗氏线圈201及信号处理单元203相连，用于将罗氏线圈201感应出的感应电压转换为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元203。

由于被测电流为各种类型的较大电流，测量环境通常会具有较大的电磁干扰，而为了减小干扰的影响，因此需要将罗氏线圈201感应出的感应电压转换为数字信号。

A/D转换器202将感应电压转换为数字信号时是采用如下方法进行转换的：A/D转换器202将感应电压与预先设定的参考电压进行比较，从而将感应电压转换为数字信号，转换精度由A/D转换器分辨率决定，且参考 电压必须高于感应电压。例如以被测电流为单向正弦波电流及单向不规则电流为例，预先设定的参考电压的波形图分别如图5、6所示，则某一个单位时间内，A/D转换器202判断模拟的感应电压大小，感应电压作为A/D转换器输入量，根据分辨率其内部存在N个参考电压，根据感应电压与参考电压比较得到对应感应电压的数字信号，如此所有时间的感应电压均按照上述方式转换为数字信号，从而可以得到数字信号的一个二进制码序列。

因为感应电压既有正电压也有负电压，因此本发明实施例中，A/D转换器202可以采用双极性的A/D转换器直接将感应电压转换为数字信号，即采用上述感应电压与参考电压比较的方式，既可以直接将正感应电压转换为数字信号，又可以直接将负感应电压转换为数字信号。此外，在本发明其它实施例中，A/D转换器202也可以采用集单极性A/D转换器、电压正负检测器、反向跟随器、逻辑门电路等功能器件为一体的转换器。

信号处理单元203与A/D转换器202相连，用于对A/D转换器202提供的数字信号进行处理，以得到被测电流。

优选地，信号处理单元203，还用于根据A/D转换器202提供的数字信号得到感应电压，再根据得到的感应电压和感应电压与被测电流的计算公式计算出被测电流的参数，其中，M为线圈与被测电流的互感，e(t)为感应电压，i(t)为被测电流。

其中，上述被测电流的参数包括被测电流每个时刻的电流值、被测电流的总电流值等参数中的至少一个。

上述被测电流的总电流值为n个时刻的电流值的叠加(即求和)，其计算公式为：其中，i为被测电流的总电流值，k、n为大于0的整数。

优选地，信号处理单元203还可以根据A/D转换器202提供的数字信号得到感应电压的初始点、结束点和各个时刻的电压幅值，并根据得到的感应电压的初始点、结束点、各个时刻的电压幅值、感应电压与被测电流的计算公式计算出任意时刻的被测电流值，并在感应电压结束点之前持续计算各个时刻的被测电流值，直至感应电压为零，则结束计算。若感应电压为零，则表示被测电流也为零，则结束计算，并等待下一次被测电流的计算，即当信号处理单元接收到下一次的数字信号再执行上述被测电流的计算过程。

优选地，信号处理单元203，还用于根据A/D转换器202提供的数字信号得到被测电流的变化趋势。其中，上述被测电流的变化趋势可以为被测电流的上升期和下降期，例如信号处理单元203可以将数字信号为1判断为电流上升期，将数字信号为0判断为电流下降期。

综上所述，本发明实施例提供的电流检测装置通过A/D转换器202将罗氏线圈201感应出的感应电压转换为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元203，信号处理单元203对A/D转换器202提供的数字信号进行处理，以得到被测电流。该电流检测装置结构简单，不仅可以对任何可变直流电流进行长时间实时检测，而且可以适用于其它类型的电流检测，适应范围广。

第二实施例

请参考图7，图7是本发明第二实施例提供的电流检测装置的主要架构框图，图7所示电流检测装置与图2所示的电流检测装置基本相同，其不同之处在于，图7的信号处理单元203还可以包括运算芯片701，并且A/D转换器202可以集成在信号处理单元203的运算芯片701内部。

上述运算芯片例如可以为DSP(digital single processing，数字信号处理)芯片等。上述运算芯片可以实现第一实施例中信号处理单元203的所有处理过程。

综上所述，本发明实施例提供的电流检测装置还通过A/D转换器202与信号处理单元203的集成，使得电流检测装置具有小型化和集成化的优点。

第三实施例

请参考图8，图8是本发明第三实施例提供的电流检测装置的主要架构框图，图8所示电流检测装置与图2所示的电流检测装置基本相同，其不同之处在于，图8的A/D转换器202并非采用第一实施例中的双极性A/D转换器，由此，图8的A/D转换器202还可以包括：电压正负检测器702、逻辑门电路703、单极性A/D转换器705以及反向跟随器706。

其中，电压正负检测器702，与逻辑门电路703相连，用于检测出罗氏线圈201感应出的感应电压中的正负极性，并将检测出正负极性的感应电压提供给逻辑门电路703。

其中，感应电压中的正负极性包括正或负。

逻辑门电路703，与电压正负检测器702、单极性A/D转换器705、反向跟随器706相连，用于判断若电压正负检测器702提供的检测出正负极性的感应电压中均为正电压，则将正电压提供给单极性A/D转换器705，若电压正负检测器702提供的检测出正负极性的感应电压中包括正电压和负电压，则将负电压提供给反向跟随器706、将正电压提供给单极性A/D转换器705。

反向跟随器706，与逻辑门电路703及单极性A/D转换器705相连，用于将逻辑门电路703提供的负电压转换为正电压后提供给单极性A/D转换器705。

单极性A/D转换器705，与逻辑门电路703相连，用于将逻辑门电路703提供的正电压和反向跟随器706提供的正电压转换为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元203。

其中，上述单极性A/D转换器705将正电压转换为数字信号时也可以采用如下方法进行转换：单极性A/D转换器705还用于将正电压与预先设定的参考电压(第二参考电压)进行比较，从而将正电压转换为数字信号，转换精度由单极性A/D转换器705分辨率决定，单极性A/D转换器705判断模拟的正电压大小，正电压作为单极性A/D转换器输入量，根据分辨率其内部存在m个参考电压，根据正电压与参考电压比较得到对应正电压的数字信号，如此所有时间的正电压均按照上述方式转换为数字信号，从而可以得到数字信号的一个二进制码序列。

综上所述，本发明实施例提供的电流检测装置还通过电压正负检测器702检测出罗氏线圈201感应出的感应电压中的正负极性，逻辑门电路703判断若电压正负检测器702提供的检测出正负极性的感应电压中均为正电压，则将正电压提供给单极性A/D转换器705，若电压正负检测器702提供的检测出正负极性的感应电压中包括正电压和负电压，则将正电压和负电压提供给反向跟随器706，反向跟随器706将逻辑门电路703提供的正电压和负电压转换为正电压后提供给单极性A/D转换器705。单极性A/D转换器705将逻辑门电路703提供的正电压和反向跟随器706提供的正电压转换为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元203，使得A/D转换器202不仅可以采用双极性A/D转换器，还可以采用本实施结构，均能够将任意感应电压转换为数字信号，适用范围广。

第四实施例

请参考图9，图9是本发明第四实施例提供的电流检测装置的主要架构框图，图9所示电流检测装置与图2所示的电流检测装置基本相同，其不 同之处在于，图9的A/D转换器202并非采用第一实施例中的双极性A/D转换器，由此，图9的A/D转换器202还可以包括：电压正负检测器707以及比较器708。

其中，电压正负检测器707，与比较器708相连，用于检测出罗氏线圈201感应出的感应电压中的正负极性，并将检测出正负极性的感应电压提供给比较器708。

其中，感应电压中的正负极性包括正或负。

比较器708，与电压正负检测器707相连，用于将电压正负检测器702提供的检测出正负极性的感应电压与预设参考电压(第三参考电压)进行比较，以将检测出正负极性的感应电压转为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元203。

其中，比较器708的转换精度可以由比较器708分辨率决定，比较器708判断电压正负检测器707提供的感应电压大小，电压正负检测器707提供的感应电压作为比较器708输入量，根据分辨率其内部存在x个参考电压，根据电压正负检测器707提供的感应电压与参考电压比较得到对应感应电压的数字信号，如此所有时间的感应电压均按照上述方式转换为数字信号，从而可以得到数字信号的一个二进制码序列。其中，比较器708还可以为逻辑门电路等部件。

综上所述，本发明实施例提供的电流检测装置还通过电压正负检测器707检测出罗氏线圈201感应出的感应电压中的正负极性，并将检测出正负极性的感应电压提供给比较器708，比较器708将电压正负检测器702提供的检测出正负极性的感应电压与预设参考电压(第三参考电压)进行比较，以将检测出正负极性的感应电压转为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元203，使得A/D转换器202不仅可以采用双极性A/D转换器，还可以采用本实施结构，均能够将任意感应电压转换为数字信号，适用范围广。

以下为本发明的方法实施例，在方法实施例中未详尽描述的细节，可以参考上述对应的装置实施例。

第五实施例

请参考图10，图10是本发明第五实施例提供的电流检测方法的流程图。该方法可以为第一实施例中电流检测装置执行的方法，其中，电流检测装置包括罗氏线圈、A/D转换器、及信号处理单元。本实施例提供的电流检测方法，可包括以下步骤801-805：

步骤801，当载有被测电流的导体从罗氏线圈中穿过时，罗氏线圈的两端感应出与被测电流成微分关系的感应电压。

步骤803，利用A/D转换器将罗氏线圈感应出的感应电压转换为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元。

步骤805，利用信号处理单元对A/D转换器提供的数字信号进行处理，以得到被测电流。

优选地，步骤805中还包括：

利用A/D转换器将感应电压与预先设定的参考电压进行比较，从而将感应电压转换为数字信号。

优选地，步骤805中还包括：

利用信号处理单元还根据A/D转换器提供的数字信号得到感应电压，再根据得到的感应电压和感应电压与被测电流的计算公式计算出被测电流的参数，其中，M为线圈与被测电流的互感，e(t)为感应电压，i(t)为被测电流。

优选地，步骤805中还包括：

利用信号处理单元还根据A/D转换器提供的数字信号得到被测电流的变化趋势。

其中，上述罗氏线圈为线圈式罗氏线圈、PCB式罗氏线圈中的任意一种。A/D转换器采用双极性的A/D转换器或集单极性A/D转换器、电压正负检测器、反向跟随器、逻辑门电路等功能器件为一体的转换器中的任意一个。被测电流的参数包括被测电流每个时刻的电流值、被测电流的总电流值中的至少一个，被测电流的总电流值为n个时刻的电流值的叠加，其计算公式为：其中，i为被测电流的总电流值，k、n为大于0的整数。

综上所述，本发明实施例提供的电流检测方法，通过A/D转换器将罗氏线圈感应出的感应电压转换为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元，信号处理单元对A/D转换器提供的数字信号进行处理，以得到被测电流。本发明的电流检测方法简单，不仅可以对任何可变直流电流进行长时间实时检测，而且可以适用于其它类型的电流检测，适应范围广。

第六实施例

请参考图11，图11是本发明第六实施例提供的电流检测方法的流程图。该方法可以为第三实施例中电流检测装置执行的电流检测过程；其与图10所示的电流检测方法相似，其不同之处在于，图10的步骤803还可以替换为如下步骤：步骤901-907。

步骤901，利用电压正负检测器检测出罗氏线圈感应出的感应电压中的正负极性，并将检测出正负极性的感应电压提供给逻辑门电路。

步骤903，利用逻辑门电路判断若电压正负检测器提供的检测出正负极 性的感应电压中均为正电压，则将正电压提供给单极性A/D转换器，若电压正负检测器提供的检测出正负极性的感应电压中包括正电压和负电压，则将负电压提供给反向跟随器、将正电压提供给单极性A/D转换器；

步骤905，利用反向跟随器将逻辑门电路提供的负电压转换为正电压后提供给单极性A/D转换器；

步骤907，利用单极性A/D转换器将逻辑门电路提供的正电压和反向跟随器提供的正电压转换为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元。

综上所述，本发明实施例提供的电流检测方法，还通过电压正负检测器检测出罗氏线圈感应出的感应电压中的正负极性，逻辑门电路判断若电压正负检测器提供的检测出正负极性的感应电压中均为正电压，则将正电压提供给单极性A/D转换器，若电压正负检测器提供的检测出正负极性的感应电压中包括正电压和负电压，则将正电压和负电压提供给反向跟随器，反向跟随器将逻辑门电路提供的正电压和负电压转换为正电压后提供给单极性A/D转换器。单极性A/D转换器将逻辑门电路提供的正电压和反向跟随器提供的正电压转换为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元，使得转换为数字信号时不仅可以采用双极性A/D转换器进行转换方法，还可以采用本实施转换方法，均能够将任意感应电压转换为数字信号，适用范围广。

第七实施例

请参考图12，图12是本发明第七实施例提供的电流检测方法的流程图。该方法可以为第四实施例中电流检测装置执行的电流检测过程；其与图10所示的电流检测方法相似，其不同之处在于，图10的步骤803还可以替换为如下步骤：步骤909-910。

步骤909，利用电压正负检测器检测出罗氏线圈感应出的感应电压中的正负极性，并将检测出正负极性的感应电压提供给比较器。

步骤910，利用比较器将电压正负检测器提供的检测出正负极性的感应电压与预设参考电压进行比较，以将检测出正负极性的感应电压转为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元。

综上所述，本发明实施例提供的电流检测方法，还通过电压正负检测器检测出罗氏线圈感应出的感应电压中的正负极性，并将检测出正负极性的感应电压提供给比较器，比较器将电压正负检测器提供的检测出正负极性的感应电压与预设参考电压(第三参考电压)进行比较，以将检测出正负极性的感应电压转为数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元，使得转换为数字信号时不仅可以采用双极性A/D转换器进行转换方法，还可以采用本实施转换方法，均能够将任意感应电压转换为数字信号，适用范围广。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。