[发明专利]一种基于多传感器融合的快响应直流比较仪

说明书

本发明公开了一种基于多传感器融合的快响应直流比较仪，包括：磁调制式电流传感器、电流矫正模块、激励变压器、交流检测滤波电路、相敏解调滤波系统、PI控制器和功率放大器；电流矫正模块测量一次侧被测电流并获得前馈信号，将前馈信号与PI控制信号进行放大后输出用于控制磁调制磁芯快速退出或避免进入磁饱和的虚假平衡状态，且使所述磁调制式电流传感器输出保持稳定。本发明将磁调制式电流传感器与霍尔电流传感器进行融合，降低了因磁芯饱和导致虚假平衡问题而发生故障的可能性；在虚假平衡已经产生后本发明可通过前馈输出电流控制磁芯快速退出磁饱和状态，无需重启或长时间扫描系统，减少了恢复正常工作响应的时间。

技术领域

本发明属于电流测量技术领域，更具体地，涉及一种基于多传感器融合的快响应直流比较仪。

背景技术

大电流（具体是指大于等于1kA的高强度电流）在工业生产、直流输电、高速铁路、科学实验等各行业都有广泛的应用，因此大电流测量技术一直以来都是重要研究课题。目前常见的直流大电流的测量方法有分流器、直流互感器、罗氏线圈传感器、光纤传感器、霍尔效应直流传感器等，但是绝大多数的大电流传感器存在测量精度较低、温度漂移较大等问题，无法满足直流大电流的10ppm级高精度快速稳定测量要求。

近几十年来，基于磁通门法的直流大电流测量技术受到了广泛研究与快速发展。其中，磁调制式直流比较仪作为现存最精确的电流传感器，测量精度可达10ppm，并且具有极低的温度漂移和高稳定性与高灵敏度，因此目前LEM、Hitech、Bergoz等电流传感器巨头的精密电流传感器都是采用该类型。虽然目前磁调制式直流电流比较仪产业已经成熟，但是在虚假平衡问题的解决方案、动态响应性能等方面需要进行研究和改进。

“虚假平衡现象”是指直流比较仪磁芯材料完全饱和、磁调制式电流传感器输出为零且对任何输入均不响应，系统进入一种虚假平衡状态。产生这一现象的原因有：（1）电源上电前，穿过磁调制式电流传感器磁芯的被测电流已经存在；（2）被测电流大小超过直流电流比较仪可补偿的范围；（3）被测电流幅值大范围快速变化。此时，传感器完全无法工作，且无法从异常状态自动退出。虚假平衡大大限制了磁调制式直流电流比较仪的应用范围。

目前常用的虚假平衡解决方案可分为系统重启法与二次侧电流扫描法两种。系统重启法是指：关闭整个系统，然后先开启直流电流比较仪，待PI反馈回路开始工作后，再加载被测电流。该方法效率极低，基本无法普及使用。故目前广泛采用二次侧电流扫描法解决虚假平衡问题，即在电路中增加扫描模块，通常由低频三角波发生器与电压比较器组成。模块实时监测工作状态，当监测到虚假平衡发生时，二次绕组断开PI反馈回路连接扫描模块，电路进入扫描状态，试图寻找零磁通状态。一旦扫描到零磁通状态，扫描模块退出工作，将控制权交回PI反馈回路，电路回归工作正常状态。

虽然二次侧电流扫描法应用已经成熟，但是该方法依然存在两个问题：（1）电流扫描过程十分缓慢。当发生虚假平衡时，被测电流大小即平衡点未知，为了避免系统来不及反应而错过平衡点，扫描必须缓慢进行；且大量程直流比较仪二次线圈电感非常大，扫描速度快意味着供电电压大，而且当寻得平衡状态时，电流需要快速稳定以免再次失稳，此时可能产生较大感应电压而造成设备损坏。（2）该系统的动态响应性能未得到改善。即使脱离虚假平衡状态，被测电流再次经历同样的大范围波动，系统依旧会进入虚假平衡，必须再次开始扫描，效率较低。

发明内容

针对现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多传感器融合的快响应直流比较仪，旨在不影响直流比较仪的测量精度、稳定度、时漂和温漂等稳态性能的前提下改善直流比较仪的动态响应能力，避免直流比较仪动态过程中发生虚假平衡，并实现由于带电合闸、过载等原因造成的虚假平衡状态的自动恢复，从而实现大范围动态直流大电流的精密测量。