基于旋转对消原理的空芯线圈互感系数误差消除方法及应用与流程

本发明涉及一种电流传感器的误差消除方法，具体地说，涉及基于旋转对消原理的空芯线圈互感系数误差消除方法及应用。

背景技术：
空芯线圈具有无磁饱和、测量范围大、线性度好、频带宽的优点，是一种极具竞争力的新型电流传感器，空芯线圈是一种电感式传感器，基于磁感应实现对电流的测量，互感系数是其最关键参数。空芯线圈中，二次绕组绕在一个非磁性骨架上，不存在铁磁材料，使传感器在几安到几百千安的范围内仍然具有优良的线性，与传统CT不同，由于它不是直接测量电流，即使被测电流含有很大的直流分量，仍然不会饱和。因此近年来空芯电流互感器开始应用于继电保护和测量中。整个线圈均匀地绕在一个环形的非磁性骨架上，将流有被测电流的载流导线置于空芯线圈的环形非磁性骨架内，且通环形非磁性骨架的轴线平行，对于稳态下的正弦电流，空芯线圈的输出电压可以表示为e＝M·jω·I，式中，I为被测电流，M为互感常数，ω为正弦电流的角频率，e为空心线圈的输出电压。一般空芯线圈需要匹配积分器使用(包括模拟积分器和数字积分器)，积分器的输入输出电压信号满足关系式Uo＝K·Ui/(jω)，其中Ui为输入电压信号，Uo为输出电压信号，ω为正弦电流的角频率。若将空芯线圈的输出电压作为积分器的输入信号，则最终的输出电压Uo＝K·M·I。可以看到，空芯线圈的测量被测电流的准确度取决于一个稳定的互感系数M。所以为了获得高精度的空芯线圈，制作时必须遵循以下原则：线圈密度恒定；骨架截面积恒定；线圈横截面与中心线垂直，否则，会导致空芯线圈结构不对称，将引入较大的测量误差。在实际生产及应用中，为了避免空芯线圈结构不对称而引入的测量误差，通过标定电流对空芯线圈互感系数进行标定，但是每次标定的互感系数M不可能是完全恒定的，载流导线的形状、位置和电流分布对标定的互感系数M有着直接而显著的影响，误差通常为1％—3％，极端情况可能超过10％，这样的准确度不能满足大多数工业现场的电流测量要求，这也是阻碍空芯线圈产业化的重要原因之一。基于此，迫切需要一种空芯线圈的互感系数误差消除方法，以解决应用中存在的上述问题，使空芯线圈的测量准确度大幅提高，满足绝大多数工业现场的测量需求。

技术实现要素：
针对上述缺陷，本发明提供了基于旋转对消原理的空芯线圈互感系数误差消除方法，旨在解决现有技术中由于在标定空芯线圈互感系数过程中空芯线圈结构不对性和载流导线形状、位置及电流分布因素对空芯线圈的互感系数的影响而使标定结果不准确的技术问题。为实现上述目的，本发明提供的基于旋转对消原理的空芯线圈互感系数误差消除方法，空芯线圈固定在转盘上，且空芯线圈中心轴线与转盘中心轴线重合，载流导线置于转盘内且与转盘中心轴线平行，其特征在于，包括如下步骤：(1)让转盘相对载流导线旋转并测量转盘第i次旋转后空芯线圈的电压ei；(2)判断转盘旋转次序i是否等于转盘旋转次数n，若是则进入步骤(3)，否则，i＝i+1并进入步骤(1)；(3)根据空芯线圈的电压和载流导线中标定电流获得转盘第i次旋转后空芯线圈互感系数的测量值Mi；(4)将转盘第i次旋转后空芯线圈互感系数的测量值加权取平均值获得空芯线圈的消除误差后互感系数M；式中，i为转盘旋转次序，i的初始值为1，n为获取消除误差互感系数时转盘旋转次数，且1≤i≤n，ei为转盘第i次旋转后空芯线圈的电压，Mi为转盘第i次旋转后空芯线圈互感系数的测量值，M空芯线圈的消除误差后的互感系数。通过多次旋转转盘，且每次旋转角度相同，在每旋转一次转盘后获得在转盘与载流导线在该位置下空芯线圈的电压，并根据空芯线圈电压与标定电流关系换算成互感系数，每次旋转转盘对应的互感系数的误差各不相同，由于每次旋转角度相同，使得这些误差服从正态分布规律，将多次的互感系数进行加权平均，即可消除互感系数的误差，即采用旋转对消原理消除互感系数的误差，从而极大的提升空芯线圈电流测量的准确度等级。进一步地，步骤(3)中根据公式获得转盘第i次旋转后空芯线圈互感系数的测量值Mi；式中，ei为转盘第i次旋转后空芯线圈的电压，Mi为转盘第i次旋转后空芯线圈互感系数的测量值，ω为载流导线中标定电流的角频率，j为虚数单位，IP为载流导线中标定电流，i为转盘旋转次序。进一步地，步骤(4)中根据公式获得该空芯线圈的互感系数M，式中，M为空芯线圈消除误差后的互感系数，Mi为转盘第i次旋转后空芯线圈互感系数的测量值，i为转盘旋转次序，i的初始值为1，n为获取消除误差互感系数时转盘旋转次数，且1≤i≤n。进一步地，在上述转盘上做角度标识，便于准确地按照相同角度旋转转盘。进一步地，通过手动、电力或者其他自动化方式实现转盘与载流导线相对位置的变化。进一步地，所述空芯线圈的种类为手绕式、机绕式和PCB式。作为本发明的另一方面，本发明提供了一种空芯线圈测量电流的方法，包括如下步骤：(1)采用权利要求1中所述的空芯线圈互感系数误差消除方法获得空芯线圈消除误差后的互感系数M；(2)用被测电流替换载流导线中标定电流，让转盘相对载流导线旋转并获取测量被测电流时转盘第k次旋转后空芯线圈的电压ek；(3)判断测量被测电流时转盘旋转次序k是否等于测量被测电流时转盘转动次数m，若是则进入步骤(4)，否则，k＝k+1并进入步骤(2)；(4)根据测量被测电流时转盘第k次后空芯线圈电压和空芯线圈消除误差后的互感系数获得测量被测电流时转盘第k次旋转后被测电流测量值Ik；(5)将测量被测电流时转盘第k次旋转后被测电流测量值Ik进行加权平均获得被测电流准确值I；式中，M表示用空芯线圈互感系数误差消除方法获得空芯线圈消除误差后互感系数，k为测量被测电流时转盘转动次序，k初始值为1，m为测量被测电流时转盘旋转次数，且1≤k≤m，ek表示测量被测电流时转盘第k次旋转后空芯线圈的电压，Ik表示测量被测电流时转盘第k次旋转后被测电流测量值，I被测电流的准确值。进一步地，还包括积分器，用于将空芯线圈输出电压进行积分处理，使得积分器输出电压与被测电流呈正比，积分器输入端与空芯线圈输出端连接。进一步地，步骤(4)中根据公式获得在测量被测电流时转盘转动k次的被测电流测量值Ik；式中，M表示用空芯线圈互感系数误差消除方法获得空芯线圈消除误差后的互感系数，Ik表示测量被测电流时转盘第k次旋转后被测电流测量值，T为所述积分器的放大系数，Ek表示测量被测电流时转盘第k次旋转后积分器的输出电压，k为测量被测电流时转盘转动次序。通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：1、本发明通过将空芯线圈固定在转盘上，且空芯线圈的中心轴线与转盘中心轴线重合，每次以相同的角度转动转盘实现改变空芯线圈与载流导线的相对位置，每改变一次相对位置进行一次空芯线圈中电压的测量，根据每次测量的空芯线圈中电压获得的空芯线圈的互感系数存在误差，这些误差是由于线圈结构的不对称性、载流导线位置、形状以及电流分布以及外接干扰电流和磁场的干扰引起，但由于每次转盘转动角度相同，且每次角度为使得通过每次测量电压获得的互感系数误差呈正态分布，通过将所有互感系数加权求平均值得到互感系数为空芯线圈的理论互感系数。2、本发明提出空芯线圈测量电流的方法，根据标定电流和通过旋转转盘进行多次测量空芯线圈电压并取加权平均值，获得空芯线圈消除误差后的互感系数，再根据获得空芯线圈消除误差后的互感系数和通过旋转转盘多次测量空芯线圈电压获得多个被测电流值，并将被测电流值取加权平均值，获得被测电流值准确值。本发明在空芯线圈绕组对称状况、载流导体截面、被测电流中心位置等关键影响因素未知的前提下，一方面可以极大减弱空芯线圈互感系数的不稳定性，另一方面可完全消除外接干扰电流的影响，从而显著提高空芯线圈的测量准确度，以适应工业现场电流测量需求。附图说明图1为本发明所提供的基于旋转对消原理的空芯线圈互感系数误差消除方法和实用空芯线圈测量电流方法所使用装置的示意图；图2为本发明提供的基于旋转对消原理的空芯线圈互感系数误差消除方法的流程图；图3为本发明提供的空芯线圈互感系数误差消除方法中空芯线圈与电流相对位置图；图4为本发明提供的空芯线圈互感系数误差消除方法中干扰电流与空芯线圈的相对位置图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1所示，本发明所提供的基于旋转对消原理的空芯线圈互感系数误差消除方法以及使用空芯线圈测量电流方法所使用装置，包括转盘1、空芯线圈2和载流导体3，空芯线圈2被紧密固定在转盘1上，转盘1可均匀连续沿中心轴线4旋转，转盘1的尺寸和空芯线圈2的尺寸匹配，且转盘1中心轴线4和空芯线圈2的中心轴线重合，若获取消除误差后空芯线圈互感系数，载流导线3中流过标定电流6，若利用空芯线圈获取被测电流准确值，则载流线3中流过被测电流6，载流导体3位于转盘1的内部，且和转盘1的中心轴线4平行。如图2所示，本发明所提供的基于旋转对消原理的空芯线圈互感系数误差消除方法，包括如下步骤：(1)让转盘相对载流导线旋转并测量转盘第i次旋转后空芯线圈的电压ei，i为转盘旋转次序，i的初始值为1，n为获取消除误差互感系数时转盘旋转次数，且1≤i≤n。(2)判断转盘旋转次序i是否等于转盘旋转次数n，若是则进入步骤(3)，否则，i＝i+1并进入步骤(1)。通过每次以相同的角度旋转转盘1，并保持载流导线3位置不变，改变旋转转盘1与载流导线3的相对位...