专利名称：一种测量电流的方法
技术领域：
本发明属于电子测量技术领域，涉及一种测量电流的新方法。该方法特别适合在难以提供外部工作电源场合下使用。
背景技术：
电流是最基本的物理量之一。目前，公知的测量电流的方法很多，如1.利用电磁式或磁电式指针电流表，它是基于电磁作用原理及电磁力矩与机械力矩相平衡的条件来实现电流测量的；2.利用霍尔电流传感器，它是基于霍尔电势的大小与载流导体中电流之间的关系来实现电流测量的；3.利用电流通过电阻时产生的电压降，它是基于欧母定律来实现电流测量的；4.利用光纤电流传感器，它是采用磁致伸缩材料被覆光纤的方法，或基于法拉第效应、压电弹光效应来实现电流测量的；5.利用光电混合式电流传感，它基于空芯电流互感器CT和电/光转换、光/电转换，并采用光纤传输经电/光转换后的光脉冲信号，来实现电流测量的，如华中理工大学学报，2000，Vol.28，No.390-92.“一种光电混合式电流传感器”中所介绍的测量电流方法；等等。
利用上述测量电流的方法来测量电流或需要外部为测量装置提供工作电源(包括交流市电、蓄电池、太阳能电池等)；或利用被测电流的能量为测量装置提供工作电源，这时需要用一只电流互感器CT和相关电路进行电流/电压变换来单独为装置提供工作电源，用另一只电流互感器CT(或其它电流传感器件、材料)来获得被测电流的有关信号，这种测量电流的方法通常在难以提供外部工作电源的高电压等场合使用，如华中理工大学学报，2000 Vol.28，No.390-92.“一种光电混合式电流传感器”中所介绍的测量电流方法；等等。
仅利用一只电流互感器CT和相关电路来同时获得测量装置自身的工作电源和占空比与被测电流具有一一对应关系的脉冲电压信号，通过测量脉冲电压信号的占空比来实现电流测量的方法，尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量电流的新方法，这种方法仅利用一只电流互感器CT和相关电路能同时获得测量装置自身的工作电源和占空比与被测电流具有一一对应关系的脉冲电压信号，通过测量脉冲电压信号的占空比来实现电流测量，为在难以提供外部工作电源场合下的电流测量提供一种有效的方法，也为电流测量仪表或装置的设计提供一种新的技术。
本发明的技术方案是采用一只电流互感器CT和由分流调节器、整流滤波器、取样电路、迟滞比较器、驱动电路、稳压器组成的电流/电压变换电路及信号处理与显示器，对被测电流作电流/电压变换，来同时获得测量装置自身的工作电源和占空比与被测电流具有一一对应关系的脉冲电压信号，通过测量脉冲电压信号的占空比来实现电流测量。
该方法依据的原理是利用取样电路对稳压器的输入电压进行取样，迟滞比较器通过检测来自取样电路的电压，输出脉冲电压，此脉冲电压经驱动电路来控制分流调节器以开关方式对电流互感器CT的次级电流进行分流，使稳压器的输入电压即使在被测电流变化范围较大时，也始终保持在适当范围内，从而输出稳定的电压作为测量装置自身的工作电源；由于稳压器的负载，即信号处理与显示器是固定负载，所以随着被测电流的变化，控制分流调节器工作的迟滞比较器输出脉冲电压的占空比也必然随之变化，使迟滞比较器输出脉冲电压信号的占空比与被测电流具有一一对应的关系，将迟滞比较器输出的脉冲电压信号输入至信号处理与显示器，从而实现电流测量。其特征在于包括一只电流互感器CT和由分流调节器、整流滤波器、取样电路、迟滞比较器、驱动电路、稳压器组成的电流/电压变换电路及信号处理与显示器，分流调节器及整流滤波器的交流输入端与电流互感器CT的次级线圈并联，稳压器的输入端及取样电路的输入端与整流滤波器的输出端相连，取样电路的信号输出端与迟滞比较器的信号输入端相连，迟滞比较器的输出端与驱动电路的控制端及信号处理与显示器的信号输入端相连，驱动电路的电源输入端与稳压器的输出端相连，从而实现仅用一只电流互感器CT和所述的电流/电压变换电路来同时获得测量装置自身的工作电源和占空比与被测电流具有一一对应关系的脉冲电压信号，通过测量脉冲电压信号占空比的方法，实现电流测量，而无需外部提供工作电源和其它电流传感器件或材料。
在该方法中，由于分流调节器以开关方式工作，所以在被测电流变化范围较大时，分流调节器的热耗也较�。涣硗猓ü实毖∪〕僦捅冉掀鞯拿畔薜缪梗墒刮妊蛊鞯氖淙�/输出电压差在被测电流变化范围较大时仍保持在合适范围内，降低稳压器的热耗。因此，该方法测量电流的范围宽。
本发明与现有测量电流的方法相比，其效果和益处在于1.仅用一只电流互感器CT和电流/电压变换电路来同时获得装置自身的工作电源和占空比与被测电流具有一一对应关系的脉冲电压信号，实现电流测量，而无需外部提供工作电源和其它电流传感器件或材料；2.特别适合在难以提供外部工作电源的高电压等场合使用；3.为电流测量仪表或装置的设计提供一种新的技术；4.测量电流范围宽，成本较低，容易实现。
附图1是一种测量电流新方法的原理框图。
图中1电流互感器CT；2分流调节器；3整流滤波器；4稳压器；5信号处理与显示器；6取样电路；7迟滞比较器；8驱动电路；9载流导线。
附图2是一种测量电流新方法的电路图。
附图3是附图2中IC2输出电压U0与取样电路输出电压U′in之间的关系图。
附图4是附图2中IC2的输出电压U0与时间t之间的关系图。
具体实施例方式
下面结合附图，详细叙述本发明的具体实施方式
和最佳实施例。
如附图1所示，其测量电流的工作原理为载流导线9中的电流(亦即被测电流)经电流互感器CT1、分流调节器2、整流滤波器3和稳压器4后，输出稳定电压，为相关电路供电；当载流导线9中的电流变化时，稳压器4的输入电压也将变化，由取样电路6对此电压进行取样，迟滞比较器7通过检测来自取样电路6的信号，输出一个脉冲电压，此脉冲电压经驱动电路8控制分流调节器2的导通与截止，保证在被测电流变化的情况下，稳压器4的输入电压保持在合适的范围内，输出电压稳定；由于稳压器4的负载——信号处理与显示器5是固定负载，所以随着被测电流的变化，控制分流调节器2工作的迟滞比较器7输出脉冲电压信号的占空比也必然随之变化，使迟滞比较器7输出脉冲电压信号的占空比与被测电流具有一一对应的关系，将迟滞比较器7输出的脉冲电压信号输入至信号处理与显示器5，从而实现电流测量。
通过以下对附图2～附图4的描述，给出本发明的实施例。
在附图2中，SSR1-1和SSR1-2分别为固态继电器的输入端和输出端，二者组成分流调节器，IC1为三端集成稳压器，D1～D4和C2组成整流滤波器，电阻R9和R10组成取样电路，运算放大器IC2与电阻R2、R3、R4组成迟滞比较器，三极管Q1、Q2等构成驱动电路，RY为压敏电阻，R1与C1组成高次谐波吸收电路。在附图3给出的IC2输出电压U0与取样电路输出电压U′in之间的关系图中，U2和U1分别是迟滞比较器的上、下门限电压，它们的大小是由电阻R2、R3、R4及IC1的输出电压UCC决定的，U1是为了满足IC1的最低输入/输出压差的要求，U2是为了保证IC1的输入电压不超过允许值，使IC1热耗低于其允许的热耗。
附图2所示电路的工作原理是迟滞比较器通过检测来自取样电路的电压U′in后，IC2输出脉冲电压，此脉冲电压经三极管Q1驱动SSR1-1，使SSR1-2以开关方式工作，对CT的次级电流I2进行分流，从而使IC1的输入电压Uin发生变化，U′in也随之变化。当U′in≤U1时，IC2输出高电平；当U′in≥U2时，IC2输出低电平；当U′in由U1→U2时，IC2输出高电平；当U′in由U2→U1时，IC2输出低电平。由于由IC2、R2、R3、R4组成的迟滞比较器及SSR1-1支路与SSR1-2支路间形成的负反馈作用，使U′in即使在被测电流变化范围较大时，也始终在U1～U2间变化，从而使IC1的输出电压稳定，同时使IC2输出的脉冲电压信号的占空比与被测电流具有一一对应的关系。
为了便于进一步说明，设U′in由U1上升至U2的时间为T1，U′in由U2下降至U1的时间为T2(这时IC2输出的脉冲电压信号如附图4所示)；将IC1偏流IB和IC2的工作电流归并到负载(即“信号处理与显示器”)电流IL中，并忽略IB的变化(IB实际变化很微�。讦in＜5V时，ΔIB＜0.2mA)；SSR1-1导通时的电流为IG，LED支路导通时的电流为ID，ID＝IG(这很易实现)。
A.当U′in≥U2时，IC2输出低电平，Q2截止、Q1导通、SSR1-1导通，使SSR1-2从截止状态变为导通状态。此时由于SSR1-2的通态压降(低于2V)小于Uin，故CT的次级电流I2完全被SSR1-2旁路，电容器C2开始单独为SSR1-1支路和负载供电，经过时间T2后，U′in＝U1。
根据基本关系式ΔQ＝C×ΔU和ΔQ＝I×Δt，其中ΔQ为C2中的电荷变化量，C为C2的电容量，I和Δt分别为放电(或充电)平均电流及其时间。
在这一过程中有如下关系C×(U2-U1)＝(IL+IG)×T2(1)值得指出的是SSR1-2导通时，由于整流桥中二极管的单向隔离作用，使SSR1-2不会对C2中储存的电荷进行分流。
B.当Uin≤U1时，IC2输出高电平，Q2导通、Q1截止、SSR1-1截止，使SSR1-2从导通状态变为截止状态，此时CT的次级电流I2在向C2充电的同时又为LED支路和负载供电，经过时间T1后，U′in＝U2。
在这一过程中有如下关系I2×T1＝C×(U2-U1)+(IL+ID)×T1(注I2是CT次级电流的平均值)将ID＝IG，代入上式得I2×T1＝C×(U2-U1)+(IL+IG)×T1(2)
上述A、B过程周期往复进行，使U′in始终在U1～U2间变化，使IC1保持合适的输入/输出压差，输出电压稳定，为负载提供稳定的工作电源。
又，由式(1)和式(2)得T1/(T1+T2)＝(IL+IG)/I2(3)式(3)中，IL和IG均为已知常量(因为信号处理与显示器可以认为是固定负载)，而T1/(T1+T2)又恰好是IC2输出脉冲电压信号的占空比，令其用D来表示，则I2=IL+IGD]]>(注I2是CT次级电流的平均值)(4)根据式(4)可知，I2与D存在一一对应的关系，亦即被测电流与IC2输出脉冲电压信号的占空比是一一对应的，所以，在IL和IG已知的条件下，只要测出占空比D，便可以求出I2，再根据电流互感器CT的变比，便可求出被测电流I1值。这部分工作是由“信号处理与显示器”单元完成的。
由此可见，附图1及附图2所示的仅用一只电流互感器CT和由分流调节器、整流滤波器、取样电路、迟滞比较器、驱动电路、稳压器组成的电流/电压变换电路及信号处理与显示器，通过对被测电流进行电流/电压变换的方法，可同时获得测量装置自身的工作电源和占空比与被测电流具有一一对应关系的脉冲电压信号，从而实现电流的测量。这种测量电流的方法，测量范围宽，容易实现，尤其适合在难以提供外部工作电源的高电压等场合使用，同时也为电流测量仪表或装置的设计提供了一种新的技术。
在使用上述方法进行电流测量时，为了保证测量准确，还须注意以下因素的影响，并采取相应措施①为了减小因SSR1-2每次导通(或关断)时对应的电流互感器CT次级电流相位的差异，而使IC2输出脉冲电压信号的占空比在电流互感器CT次级电流不变时而发生变化，对测量带来的误差，应尽可能测量多个占空比，利用其平均值来推算被测电流值。
②由于测量装置的工作电源采用电流互感器CT和电流/电压转换电路实现，而电流互感器CT工作时需要一定的励磁电流、存在损耗，所以，只有当被测电流大于某一值时，测量装置的才能得到稳定的工作电源，这时才能进行测量。因此，使用上述方法测量电流时，有一段工作死区(即当被测电流小于某一值时，无法进行测量)。为了减小工作死区，一是采用低功耗设计技术来降低信号处理与显示器单元的工作电流，亦即减小负载电流IL，二是选用高导磁率、低铁损的铁芯作为电流互感器CT的铁芯，如纳米晶铁芯。
③为了减小电流互感器CT的励磁电流和损耗对电流测量带来的误差，可以采用定标的方法，即依据被测电流和占空比一一对应的条件，用精确度高的电流表对用上述方法测得的电流值进行校准，从而得到“数据组”——(占空比，电流值)，将“数据组”固化到由单片机组成的“信号处理与显示器”单元，该单元便可由测得的占空比，自动通过查表的方法直接给出被测电流的准确值。
另外，根据具体情况，附图2中的“信号处理与显示器”单元，也可用“信号处理与无线收发”单元替代，它特别适用于远距离测量等场合。
权利要求
1.一种测量电流的方法，采用电流互感器CT和电流/电压变换电路及信号处理与显示器，来获得测量装置自身的工作电源及被测电流的相关信号，实现电流测量，其特征是包括一只电流互感器CT和由分流调节器、整流滤波器、取样电路、迟滞比较器、驱动电路、稳压器组成的电流/电压变换电路及信号处理与显示器；分流调节器及整流滤波器的交流输入端与电流互感器CT的次级线圈并联，稳压器的输入端及取样电路的输入端与整流滤波器的输出端相连，取样电路的信号输出端与迟滞比较器的信号输入端相连，迟滞比较器的输出端与驱动电路的控制端及信号处理与显示器的信号输入端相连，驱动电路的电源输入端与稳压器的输出端相连；实现仅用一只电流互感器CT和所述的电流/电压变换电路来同时获得测量装置自身的工作电源和占空比与被测电流具有一一对应关系的脉冲电压信号，通过测量脉冲电压信号占空比的方法，实现电流测量。
2.根据权利要求1所述的测量电流的方法，其特征还在于所述的分流调节器采用固态继电器。
全文摘要
本发明属于电子测量技术领域，尤其涉及一种测量电流的新方法。本发明无需外部提供工作电源，采用电流互感器CT和电流/电压变换电路等，来获得测量装置自身的工作电源及被测电流的相关信号。其特征是仅用一只电流互感器CT和由分流调节器、整流滤波器、取样电路、迟滞比较器、驱动电路、稳压器组成的电流/电压变换电路及信号处理与显示器来同时获得测量装置自身的工作电源和占空比与被测电流具有一一对应关系的脉冲电压信号，通过测量脉冲电压信号的占空比来获得被测电流值。本发明的效果和益处是测量范围宽，容易实现，特别适合在难以提供外部工作电源的场合使用，同时也为电流测量仪表或装置的设计提供了一种新的技术。
文档编号G01R19/25GK1542456SQ20031010505
公开日2004年11月3日 申请日期2003年11月7日 优先权日2003年11月7日
发明者戚栋, 王宁会, 吴彦, 夏元化, 戚 栋 申请人:大连理工大学
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