基于霍尔传感器的宽量程电能表

创意无极限，仪表大发明。今天为大家介绍一项国家发明授权专利——基于霍尔传感器的宽量程电能表。该专利由威胜集团有限公司申请，并于2017年7月18日获得授权公告。

内容说明

本发明涉及一种宽量程电能表，特别涉及一种基于霍尔传感器的宽量程电能表。

发明背景

电能表中普遍使用电磁式电流互感器作为电流传感单元，由于其存在磁饱和及其带宽有限的特性，难以实现对高频分量和直流电流的准确检测。随着电力电子等非线性设备在电网中的普及使用，电磁式电流互感器已经不能满足市场的需求。

霍尔传感器是一种宽频带电流传感器，可用于各种交直流磁场的检测。但是由于开环霍尔传感器的动态范围一般较窄，可检测的磁场变化幅度较小，一般仅用于电机控制、霍尔开关等对检测精度和动态范围要求不高的场合，而电能表的电流检测单元要求频带宽、动态范围宽，以一块普通电能表5（60）A的电流规格而言，其电流检测动态范围高达1200：1，一般的开环霍尔传感器可检测的动态范围只有200：1，无法满足实用要求，并且在强磁干扰下测量精度会受到影响。

发明内容

针对目前存在的问题，本发明的目的是提供一种宽频带、宽动态范围、高准确度及具有抗外磁干扰能力的基于霍尔传感器的宽量程电能表。

图为本发明的结构框图

本发明提供的这种基于霍尔传感器的宽量程电能表，包括霍尔电流检测模块、电压检测模块、MCU信号处理控制模块、计量模块、显示报警通信模块及电源模块；霍尔电流检测模块感应电流变化，将测量结果传至计量模块和MCU信号处理控制模块；电压检测模块测量电压并将测量结果也传至计量模块；计量模块对信号进行A/D转换并经过补偿校正后输出信号至MCU信号处理控制模块；MCU信号处理控制模块对计量模块输出的信号进行温度补偿处理并存储，再在显示报警通信模块进行显示，并通过霍尔电流检测模块中传来的电压大小进行电流检测量程的切换控制；显示报警通信模块包含LCD显示模块、报警模块和通信模块，LCD模块对消耗电能大小进行实时显示，报警模块在电流和/或电压过大时实行报警并通过继电器将电源断开，通信模块用于与外界实现数据交换，包括远红外通信、GPRS通信、载波通信和485通信；电源模块为霍尔电流检测模块、MCU信号处理控制模块、计量模块和显示报警通信模块供电。

所述霍尔电流检测模块包括一号霍尔电流传感器和二号霍尔电流传感器，两个霍尔电流传感器均为开环霍尔传感器，且二者在PCB板上为垂直方向放置。

所述霍尔电流检测模块的PCB板为U型，且在该PCB板下方设有一供检测电流流过的与该PCB板同样形状的金属块。

所述一号霍尔电流传感器的电流检测范围大于二号霍尔电流传感器的电流检测范围；二者的量程能由编程器在线修改；且二者均配置有镍铁屏蔽罩。所述一号霍尔电流传感器配有U型屏蔽罩。所述二号霍尔电流传感器配有C型屏蔽罩。

所述霍尔电流检测模块包括一号霍尔电流传感器U1和二号霍尔电流传感器U2和信号切换控制电路；信号切换控制电路包括一号信号切换控制电路和二号信号切换控制电路；一号信号切换控制电路包括三极管Q202和三极管Q204，二号信号切换控制电路包括三极管Q203和三极管Q205。

一号霍尔电流传感器U1的检测电压管脚VDEC通过电容C1接地；其输出管脚OUT通过电阻R1接地，该输出管脚还与一号信号切换控制电路连接，该输出管脚还通过电容C3接地；该芯片U1的电源管脚VDD与电源VCC连接，该管脚还通过电容C2接地；该芯片U1的电源负极端VSS和测试管脚TEST均接地；三极管Q202的发射极通过电阻R239与一号霍尔电流传感器U1的输出管脚OUT连接，其基极通过电阻R240与三极管Q204的集电极连接，其集电极作为一号信号切换控制电路的输出端口；三极管Q204的发射极接模拟地，其基极通过电阻R241与MCU的IO端口连接，用于传递MCU的切换控制信号。

二号霍尔电流传感器U2的电路连接结构与一号霍尔电流传感器U1的相同；二号信号切换控制电路的电路连接结构与一号信号切换控制电路的电路连接结构相同；二号霍尔电流传感器U2和二号信号切换控制电路的电路连接结构与一号霍尔电流传感器U1和一号信号切换控制电路的电路连接结构相同。

二号信号切换控制电路的输出端与一号信号切换控制电路的输出端相连，输出信号均通过电阻R245进行采样，采样信号通过由电阻R217、电阻R218和电容C209、电容C210组成的滤波网络滤波后与所述计量模块连接，电阻R245与电阻R218连接端与模拟地连接，电容C209和电容C210的不与计量模块连接端与模拟地连接。

所述电压检测模块采用电阻分压网络对电压进行检测，然后将信号输出到所述计量模块。所述电源模块采用变压器、开关电源芯片和线性低压差稳压器分别对电能表各模块进行供电。

本发明能在0 .05A~200A范围内对电流进行计量，并且在330mT以内的外磁干扰环境下正常工作，对于来自单向的磁场干扰，则本电能表不受任何干扰，具有交直流检测和高频非线性分量检测功能。本发明采用开环霍尔传感器，结构设计明显比闭环霍尔传感器简单，免除了复杂的磁路设计，非线性度可以达到5‰，通过温度补偿算法处理后温漂可以控制在50ppm\℃以内。本发明还可以通过实时在线修改电能表测试量程，因此本发明可适用于多种应用场合。此外，通过对霍尔传感器下方电流流经的金属条结构进行设计，检测电流甚至可以达到2000A。