專利名稱：零磁通微電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電工測量用的電流傳感器(互感器)，特別是一種在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備及電力系統(tǒng)等廣泛應(yīng)用于精密測量的零磁通微電流傳感器。
背景技術(shù)：
電流傳感器是一種用途廣泛的電工測量儀器，在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備、電力系統(tǒng)一次保護(hù)和控制回路中都裝有大量的電流傳感器。對電流傳感器的基本要求是有高的精確度、較平直的誤差曲線和良好的抗外界電磁干擾能力以及長時間的穩(wěn)定性。上述要求對于高精度微電流傳感器(mA級，μA級)顯得更為重要。眾所周知，電流傳感器是由一次線圈和二次線通過磁感應(yīng)耦合實(shí)現(xiàn)能量傳遞，其誤差是由建立鐵芯中的磁通所需要的激磁電流造成的，提高精度就是要減小激磁電流的影響。如果沒有激磁電流，電流傳感器將工作在理想狀態(tài)，一次電流和二次電流相差180度，不存在角差和比差，一次二次之間是嚴(yán)格的匝比關(guān)系，這就是所謂的“零磁通”狀態(tài)。但是，真正的零磁通只是一個理想化的狀態(tài)，實(shí)際上，如果沒有激磁電流，鐵芯中就不會有磁通，也就無法建立一次和二次的能量傳遞關(guān)系。但通過正確選擇補(bǔ)償措施，可以將鐵芯中磁通降到極低程度，達(dá)到近似“零磁通”的狀態(tài)，這時電流傳感器有非常高的精度。補(bǔ)償措施的指導(dǎo)思想是提供一個與激磁電流的 大小、相位適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電流 使I·0′=-I·0]]>可達(dá)到零磁通的理想效果。(參看圖5)但是上述補(bǔ)償電流 不能由原電流傳感器提供，需外部注入，靠外部電流源對輔助磁芯激磁來提供。中國專利95201568.4公開了一種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)置了一個與主工作磁芯疊加的輔助磁芯，一次線圈和二次線圈繞制在二個疊加的磁芯上，在工作磁芯上繞制了一個補(bǔ)償線圈并在補(bǔ)償線圈的兩端間接有一個補(bǔ)償電阻，上述結(jié)構(gòu)雖然提高了電流傳感器的測量精度，但其缺點(diǎn)是靜態(tài)補(bǔ)償，不能實(shí)時的跟蹤激磁電流的變化。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種零磁通微電流傳感器，它通過設(shè)置的檢測線圈，補(bǔ)償線圈以及電子調(diào)理電路采用零磁通平衡原理，準(zhǔn)確實(shí)時地跟蹤激磁電流的變化，并對其進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到近似于零磁通的效果，從而準(zhǔn)確測量待測交流微電流，并將其變換為直接可用的跟蹤電壓。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的零磁通微電流傳感器，設(shè)有兩個互相疊合的環(huán)形工作磁芯和輔助磁芯，磁芯上繞制有一次、二次線圈和補(bǔ)償線圈，磁芯外設(shè)有屏蔽及保護(hù)盒，其特征是一次及二次線圈繞制在疊加磁芯上，二次線圈兩端間接有負(fù)載，設(shè)置一個繞制在工作磁芯上的檢測線圈及一個繞制在輔助磁芯上的補(bǔ)償線圈，補(bǔ)償線圈與檢測線圈的兩端中有一端接地，另一端之間連接一個包括有放大器、壓流變換器組成的電子調(diào)理電路，電子調(diào)理電路的輸入端電壓放大電路與檢測線圈連接，電子調(diào)理電路的輸出端壓流變換電路與補(bǔ)償線圈連接。電壓放大電路采用同相放大器，壓流變換電路采用恒流源電路。在放大電路與壓流變換電路之間還設(shè)有移相電路及濾波電路。磁芯設(shè)有多層屏蔽。所說的屏蔽層為三層，由里至外依次為坡莫合金、鐵、銅。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及效果(1)傳感器可由傳感器頭和信號處理板兩部分組合，穿孔式非接觸測量，無插入損耗。(2)精度高，有良好的抗電磁干擾能力，高可靠性、高穩(wěn)定性、低溫漂，工作環(huán)境溫度為-40℃至+85℃。(3)輸入輸出高度隔離，輸出值與被測電流成線性比例，角差在±3’以內(nèi)。


圖1是本實(shí)用新型的電原理結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖3、4分別是同相放大及恒流源電路；圖5、6分別是補(bǔ)償原理示意圖及本實(shí)用新型補(bǔ)償效果向量表示圖。
具體實(shí)施方式
參看圖1，本實(shí)用新型在普通電流傳感器基礎(chǔ)上增設(shè)了一個與環(huán)形工作磁芯T1形狀、尺寸均可相同的輔助磁芯T2，兩者疊合后一次線圈N1及二次線圈N2繞制在疊合磁芯上，二次線圈N2的兩端間連有負(fù)載(如精密電阻R)作為二次電流通過后轉(zhuǎn)換為電壓信號后再放大輸出，檢測線圈N0繞制在工作磁芯T1上，補(bǔ)償線圈N3繞制在輔助磁芯T2上，N0與N3之間連接電子調(diào)理電路W。檢測繞組N0的作用是檢測T1中的磁密(磁感應(yīng)強(qiáng)度)，為電子調(diào)理電路W提供反饋的電壓信號，在N0繞組中沒有電流，因此對T1列磁動勢平衡方程時將不出現(xiàn)I0N0項(xiàng)。電子電路輸出的補(bǔ)償電流I3通過N3產(chǎn)生勵磁磁動勢，產(chǎn)生與激磁電流I0相反的I0′去補(bǔ)償I0(圖5)，I0′相當(dāng)于I3的二次電流，圖中“*”號表示同名端接法，感應(yīng)電動勢向量應(yīng)在 反相180°位置，作為反饋信號經(jīng)放大和V/I轉(zhuǎn)換并正確移相，得到 如按同名端注入，則 作為激磁磁動勢在二次側(cè)感應(yīng)的磁動勢 將恰好符合圖6中各向量的位置。 實(shí)際起到去磁磁動勢的作用，使T1近似零磁通狀態(tài)工作，上述過程形成閉環(huán)，電流傳感器可穩(wěn)定運(yùn)行。
圖2給出了本實(shí)用新型補(bǔ)償過程的框圖，也給出了一種三層屏蔽的實(shí)施方式。由于用于電力系統(tǒng)在線檢測的電流傳感器處于強(qiáng)電磁場的環(huán)境中，同時又長期工作在戶外，易受溫度、濕度等大氣條件的影響，尤其是微電流傳感器的屏蔽與防護(hù)，一直是困擾其性能的難點(diǎn)。如何將微弱的模擬信號無失真的放大，在溫度變化、電磁干擾的環(huán)境下精確跟蹤一次電流，并且保證角差、比差達(dá)到要求。針對電力系統(tǒng)電磁干擾的特點(diǎn)(工頻為主，高頻范圍寬)，本實(shí)用新型采用了由外到內(nèi)依次為銅、純鐵、坡莫合金，屏蔽效果比單層大得多。對于電屏蔽，實(shí)壁單層銅屏蔽在最薄的厚度下也大于100dB，可不用雙層屏蔽。但對于磁場干擾采用多層屏蔽才能獲得很好的效果。本實(shí)用新型采用了0.35mm厚的銅、純鐵、坡莫合金制作三層屏蔽，效果很好。對于安匝數(shù)較低、測量精度要求高的電流互感器，宜選用初始導(dǎo)磁率很高的磁芯，考慮到磁芯材料的溫度性能，本實(shí)用新型用超微晶材料做鐵芯，在-40℃～+85℃范圍內(nèi)，傳感器都具有穩(wěn)定的性能，二次側(cè)輸出信號具有極小的漂移。圖1中的電子調(diào)理電路W必不可少的基本組成應(yīng)包括電壓放大和壓流變換電路，中間也可設(shè)置移相及濾波電路，考慮到信號調(diào)理的要求和穩(wěn)定性，可采用二階貝賽爾線性相移濾波電路及有30Hz通帶的四階帶通濾波器。所有電路均應(yīng)為公知電路，本申請對電路組成及其原理不再途述。圖3給出了一種同相放大器電路，當(dāng)然也可采用反相輸入放大或差動輸入放大器等公知電路。圖中Rf為反饋電阻，由于檢測線圈N0感應(yīng)的電壓信號E0要求放大器具有高的輸入阻抗，從而使N0線圈中無電流。若采用反相放大器，高的輸入阻抗及放大倍數(shù)要求反饋電阻Rf也增大，反饋電阻大，受溫度的影響也大，也會引入一定的噪聲。選用同相放大器具有較高的輸入阻抗，而且輸入輸出同相位對后續(xù)電路也有利。圖4給出了一種壓流轉(zhuǎn)換的恒流源電路，輸出電流不隨負(fù)載而變化，完全由控制電壓決定，相當(dāng)于電壓控制電流源，調(diào)節(jié)Rs可以改變輸出電流大小，輸出電流最大不超過運(yùn)放允許輸出電流，最小可到μA級。
由圖6可以看出，無補(bǔ)償時，由T1和T2的磁動勢平衡方程T1I·1N1+I·2N2=I·01N1]]>T2I·1N1+I·2N2=I·02N1]]> 分別是T1和T2的激磁電流。補(bǔ)償啟動后，平衡方程變?yōu)門1I·1N1+I·2′N2=I01′N1]]>T2I·1N1+I·2′N2+I·3N3=I·02′N1]]> 可視為I·2′=I·2+I·2′′,]]>其中 為 在二次側(cè)感應(yīng)的附加電流，調(diào)節(jié) 也即調(diào)整 的大小和相位，使I·2′′N2=-I·1N1,]]>則每個磁芯的磁勢平衡方程變?yōu)門1I·01′N1=0]]>T2I·3N3=I02′N1]]>此時Tl的激磁電流為0，故磁通也為0，Tl與繞組N1和N2將構(gòu)成一個沒有誤差的電流傳感器，此時I·1/I·2′=-N2/N1,]]>為嚴(yán)格的匝比變化關(guān)系?？梢钥闯?，補(bǔ)償后 變?yōu)?原先的角差是 與 的夾角δ，補(bǔ)償后 與 處于同一直線，角差和比差為零。
權(quán)利要求1.零磁通微電流傳感器，設(shè)有兩個互相疊合的環(huán)形工作磁芯和輔助磁芯，磁芯上繞制有一次、二次線圈和補(bǔ)償線圈，磁芯外設(shè)有屏蔽及保護(hù)盒，其特征是一次及二次線圈繞制在疊加磁芯上，二次線圈兩端間接有負(fù)載，設(shè)置一個繞制在工作磁芯上的檢測線圈及一個繞制在輔助磁芯上的補(bǔ)償線圈，補(bǔ)償線圈與檢測線圈的兩端中有一端接地，另一端之間連接一個包括有放大器、壓流變換器組成的電子調(diào)理電路，電子調(diào)理電路的輸入端電壓放大電路與檢測線圈連接，電子調(diào)理電路的輸出端壓流變換電路與補(bǔ)償線圈連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零磁通微電流傳感器，其特征是所說電壓放大電路采用同相放大器，壓流變換電路采用恒流源電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的零磁通微電流傳感器，其特征是在放大電路與壓流變換電路之間還設(shè)有移相電路及濾波電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的零磁通微電流傳感器，其特征是磁芯設(shè)有多層屏蔽。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的零磁通微電流傳感器，其特征是所說的屏蔽層為三層，由里至外依次為坡莫合金、鐵、銅。
專利摘要零磁通微電流傳感器，設(shè)有兩個互相疊合的環(huán)形工作磁芯和輔助磁芯，磁芯上繞制有一次、二次線圈和補(bǔ)償線圈，磁芯外設(shè)有屏蔽及保護(hù)盒，其特征是一次及二次線圈繞制在疊加磁芯上，二次線圈兩端間接有負(fù)載，設(shè)置一個繞制在工作磁芯上的檢測線圈及一個繞制在輔助磁芯上的補(bǔ)償線圈，補(bǔ)償線圈與檢測線圈的兩端中有一端接地，另一端之間連接一個包括有放大器、壓流變換器組成的電子調(diào)理電路，電子調(diào)理電路的輸入端電壓放大電路與檢測線圈連接，電子調(diào)理電路的輸出端壓流變換電路與補(bǔ)償線圈連接。電壓放大電路采用同相放大器，壓流變換電路采用恒流源電路。磁芯設(shè)有三層屏蔽，由里至外依次為坡莫合金、鐵、銅。
文檔編號G01R15/00GK2591741SQ0224558
公開日2003年12月10日 申請日期2002年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月18日
發(fā)明者徐大可, 曹俊嶺, 王軍鋒, 黃建華 申請人:國電南京自動化股份有限公司