一种新的低成本电流检测和波形有效值转换方法

1、第25卷第4期增刊 仪器仪表学报 2004年8月 一种新的低成本电流检测和波形有效值转换方法+张东来 张健 秦海亮 (哈尔滨工业大学深圳研究生院 深圳 518055摘要 采用SC801给出了一种新的低成本电流检测和波形有效值转换方法,为满足精度要求,采用了基于最小二乘线性误差 补偿的方法提高电流检测精度的解决方案,并将该方案应用于环境监测系统中泵站电流检测和法拉电容的充放电电流测量 及保护环节。实验表明该方法在电流互感器为0.5级的情况下,电流检测精度可达到1%,能够满足要求,显著降低了检测成 本,也为其他领域的电流检测和有效值波形转换提供了新的方案。关键词 环境监测系统 电流检测 有效值转换

2、误差补偿A Novel LOW Cost Method for Current Measurement and Waveform Virtual Value TransformationZhang Donglai Zhang Jian Qin Hailiang (Shenzhen Graduate School,Harbin Institute of Technology,Shenzhen 518055,ChinaAbstract A new method for current measurement and virtual value transformation has been pro

3、posed using AC current detector SC801.The method gives a linear error compensation solution for improving current measure ment accuracy by lease square method.The low COSt scheme has been applied tO the current measurement of pumping station for the environmental monitoring system and current protec

4、tionfor ultracapacitors.The system performance has been improved markedly.The practice manifests that the current measurement accuracy has achieved 1%and gained the project's ends using 5CT.Similarly,the solution is also fit for many other condi tions.Key words Environmental monitoring system Cu

5、rrent measurement Virtual value transformation Error compensationSC801芯片进行了电流检测和测试1,并针对该芯片 1引 言 的误差情况作了分析,提出了一种误差补偿解决方案。在测控领域中经常要进行电流检测和波形的有效 值变换,为此需要对不同的信号,应用相应的模拟技术 手段,或者使用高速CPU进行密集采样计算分析,应 用专用芯片则会增加产品的成本。在环境监测系统中, 经常会由于管理、故障保护和诊断的需要,进行水泵电 流监测,集成电流互感器一般需要多路电源,而且成本 偏高,不适合较大规模监测的需求。基于SMS服务和 以太网的环境监测

6、产品已经投入使用口21,本文在此基 础上,进行了电流和波形有效值转换的方法研究,采用*2003年航天科技创新基金资助。 2SC801电流检测原理SC801是美国Solidone公司最新开发的一款交流 电流故障检测芯片,该芯片具有上电浪涌和稳态电流 检测功能,可接多种电流互感器,测量范围是50 400Hz,具有真有效值转换功能,外部可由RC方便地 设置浪涌、欠电流、欠电压、初始浪涌和过电流保护的 值和区间,典型应用如图1所示。图2给出了两个检测 阶段的示意图,可见该芯片在上电Initial surge阶段,第4期增刊 一种新的低成本电流检测和波形有效值转换方法 785只要上电时浪涌在一定范围内,

7、就不会产生保护信号,然后进入稳态操作,具体电路设计和参数计算参见文献E33。本文应用其真有效值转换功能,该功能是指加在Pin,。和Pin。脚电压的有效值,可直接1:1反映在Pin,。脚直流电平上,应该注意的是需要选择合适的负载电阻,不要使输入电压的峰值超过4.5V。Load Neutral 图3SC801管脚内部结构示意图Load Phase。Under VoltageFlag Under Current Flag Steady State Flag Mode Flag图1SC801的电流测量和保护典型应用图2SC801两个检测阶段的示意图3SC801前置信号差分处理技术由于SC801采用单电

8、源供电,波形输入管脚内部 结构如图3所示,即差分信号输入,以VDD/2为参考, 因而在输入信号不是电流互感器,比如是信号发生器 时,则需要进行信号的差分处理和将静态工作点设置 为VDD/2。考虑到差分信号的噪声,需要在输入管脚 前加入低通滤波环节。图4给出了一种实用的差分信 号处理电路,该差分电路输出为U。一U。,一2Ui,每路 信号均以VDD/2为参考点,适合SC801的工作条件。 这里VDD/2可以直接从SC801的9脚引入,需要注 意的是该管脚的电流输出能力较弱,需要选择合适的 R。,这里选择R。一100k;另外,运算放大器应该选用低 漂移的型号,尤其需要注意的是滤波电路中应考虑前 级运

9、放的带载能力,避免运放过载造成波形失真从而 雌 l。画1 1乙J旷ld萧岿i粒UI+一VD出1U2+一VDD/守 I弋7图4一种实用的差分信号处理电路造成较大的测量误差。4几种波形下SC801有效值输出测试结果 及分析为了测试SC801的真有效值转换精度,本文采用 标准正弦波、50%占空比方波和标准三角波三种波形 的输入,分别对直流、20Hz、40Hz、50Hz、60Hz、lOOHz、 400Hz、500Hz、lkHz、2kHz和lOkHz三种信号进行了 实验,实验采用Fluke万用表F112和示波表199C进 行有效值测量,FG506作为波形发生器。实验表明,结 果重复性很好,误差相对稳定,

10、实验的误差结果如图5所示,图中横轴为输入电压有效值,纵轴为实测误差, 单位为V。除正弦波外,输入信号使用了三角波和方波以及 较高频率信号,主要是由于电流信号一般携带多次谐 波噪声,因而电流的测量,需要有一定的频率响应能786仪器仪表学报 第25卷O0O0(a直流信号(b备种频率下有效值转换误差波形图5有效值转换误差波形5电流测量最小二乘线性误差补偿方法的 实现根据实验结果,可采用线性误差补偿方式来提高 测量精度,即用最小二乘进行曲线拟合,在实际应用 中,用以补偿误差,提高测量精度,该方法仅限于误差 线性区间。基于该方法,在电流互感器为0.5级的情况 下,电流检测精度可达到1%。6结束语本文进行

11、了电流和波形有效值转换的方法研究, 采用SC801芯片进行了电流检测测试,并针对该芯片 的误差和重复情况作了分析,提出了一种误差补偿解 决方案,目前已经在深圳四个环保用泵站试用,运行稳 定可靠,此外,还将该方法用于法拉电容的充放电流测 量和保护,同时也为其他领域的应用提供了切实可行 的低成本、高精度的电流检测和有效值方法。参考文献1张东来,常春,邓春志,等.基于SMS的环保数据监测系 统.现代科学仪器,2003,(5:1720.2张东来,常春.基于单芯片以太网协议栈的远程环境监测 系统.仪器仪表学报,2003,24(4:537539. 一种新的低成本电流检测和波形有效值转换方法作者:张东来 ,

12、 张健 , 秦海亮作者单位:哈尔滨工业大学深圳研究生院,深圳,518055刊名:仪器仪表学报 英文刊名:CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT年,卷(期:2004,25(z1被引用次数:1次参考文献(3条1. 张东来 . 常春 . 邓春志 基于SMS的环保数据监测系统 期刊论文-现代科学仪器 2003(052. 张东来 . 常春 基于单芯片以太网协议栈的远程环境监测系统 期刊论文-仪器仪表学报 2003(043. 查看详情本文读者也读过(10条1. 魏桂霞 电压有效值检测方法探析 期刊论文-城市建设与商业网点 2009(252. 魏志轩 . 王永强 .

13、 高秀丽 . 刘会 . 魏书田 电压有效值检测方法研究 期刊论文-电工技术 2008(103. 李大斌 . 谭薇 . 程荣贵 . LI Dabin. TAN Wei. CHENG Ronggui 采样法测量有效值的一种改进方法 期刊论文-现代电 子技术 2006,29(24. 张波 . 刘洪文 . ZHANG Bo. LIU Hong-wen 军用电站电压有效值测量方法研究 期刊论文-移动电源与车辆 2010(35. 白佳宁 . 史仪凯 . 张金勇 . BAI Jianing. SHI Yikai. ZHANG Jinyong 基于MSP430的非正弦周期信号有效值检测仪表 研究 期刊论文-工业仪表与自动化装置 2009(36. 贡亮 . 刘成良 . 孟国香 . Gong Liang. Liu Chengliang. Meng Guoxiang 一种基于模型的点焊电流有效值实时算法 期刊论文-仪器仪表学报 2006,27(z17. 张敏娟 交流有效值的测量分析 期刊论文-电工电气 2009(118. 王丹龙 简单形式交