CN101317096B - 流经负载的电流的线外测量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种负载测量电路，包括电缆(1)，该电缆具有第一和第二导线(11、12)以及屏蔽(2)，其中所述导线在其端部连接到负载(3)，该屏蔽在所述端部不接地，并且这些导线在其另一端部连接到发生器(19)，变压器(3)包括在该电缆的另一端部连接到导线上的第一绕组，第二绕组在该电缆的另一端部连接在地与该屏蔽之间并且第三绕组连接到电流测量部件(14)。

Description

流经负载的电流的线外测量
技术领域
本发明涉及以高于300V的电压并在高于1MHz的频率向谐振负载供电，并且具体地涉及测量流经此类负载的电流。
背景技术
尤其是对汽车等离子点火的应用，谐振频率高于1MHz的谐振器被安排在火花塞处并且典型地以高于300V的电压进行供电并且经受高于5A的电流。这种应用必须使用高品质因数的射频谐振器和工作频率非常接近该谐振器谐振频率的高压发生器。谐振器谐振频率与发生器工作频率之间的差值降低得越多，该谐振器的谐振器放大因数(其输出电压与其输入电压之比)就越高。品质因数越高发生器的工作频率就必须越接近其谐振频率。
多个参数对谐振频率有影响：制造公差、燃烧室或冷却回路中的温度，或者谐振器部件中的老化漂移。因此，谐振频率的演化难于预见或控制。
伺服控制技术使之能够将供电电压保持在接近于谐振器谐振频率的一个频率上。一种技术特别地包括在向谐振器供电时进行电流和电压测量。测量谐振器输出的电流与电压之间的相位差能够实现伺服控制。
如图1所示，一种已知装置包括将发生器连接到谐振器3的电缆1。电缆1包括多个导线8和屏蔽2。谐振器3包括电感器4、电容器5和电阻6。为了限制谐振器与发生器之间导线的数量，将电流测量装置置于发生器处。然而，电缆1引入寄生电容，它在图1的等效电路中表示为电容器7。于是在电缆中出现泄漏电流并且大大改变了在发生器输出端测量的电流的波形。
如图2所示，在发生器输出端的测量信号22相对于谐振器输入端3的电流21发生相移。另外，信号22受到由于谐振器与电缆1的寄生电容之间的耦合所造成的高频寄生谐振的影响。于是伺服控制的性能大大降低。没有已知的解决方案能够针对这种频率值而改进发生器处的测量信号的准确度。
发明内容
本发明旨在克服这些缺点中的一个或多个。因此本发明提出一种用于测量流经负载的电流的电路，包括：
-电缆，其在第一和第二端之间具有第一和第二导线以及屏蔽，这些导线能够在该第一端连接到负载并且在该第二端连接到发生器，该屏蔽在该第一端不接地；以及
-变压器，其具有至少第一、第二和第三绕组，该第一绕组在该电缆的第二端连接到导线，该第二绕组在该电缆的第二端连接在地与该屏蔽之间，该第三绕组适于连接到电流测量装置。
附图说明
参考附图，通过阅读下面以示意性而非限制性的方式所作出的描述，本发明的其他特点和优点将变得明显，其中：
图1示出了谐振器借助于电缆的连接及其等效电路；
图2示出了谐振器输入电流和在发生器处测量的信号；
图3示出了在连接电缆中的寄生电容和电流；
图4示出了根据本发明实施例的连接电缆和测量装置；并且
图5示出了根据本发明的变型的连接电缆和测量装置。
具体实施方式
本发明提出测量借助于屏蔽的电缆而被发送到谐振负载的电流。借助于三绕组变压器在电缆与发生器的连接处进行测量。使用流经电缆的屏蔽的电流，这些电流与电缆的寄生电容是成比例的。变压器绕组之一恢复流经屏蔽的电流以便在测量装置处补偿由于电缆的寄生电容所造成的泄漏。
因此，可以进行对被发送到谐振负载的电流的准确测量，而不需要负载处的测量探头以及附加的电缆将该信号传送至发生器。
图3示出了在第一端连接到谐振器3并在第二端连接到发生器19的电缆1。电缆1包括连接到发生器19的高压接线柱的第一导线11、接地的第二导线12以及屏蔽。该发生器能够以高于1MHz的频率发送高电压、该谐振器的谐振频率也高于5MHz。
电容Ccb是从相对于所述屏蔽的每个导线11或12的单位长度电容中导出的。电容Ccc是从导线11和12之间的单位长度电容中导出的。通过考虑波长相对于电缆的长度而言(对于设计用于汽车点火的电缆，其长度会通常在100至1500mm之间)相当大，从而推出以下公式：
Ig＝Icm+Ib
Icm＝Ir+Icc
Ib＝Icb＝Icc×Ccc/Ccb
Ir＝Icm-Icc＝Ig-Ib×Ccb/Ccc-Ib＝Ig-(1+Ccb/Ccc)×Ib
其中：
Ig是由发生器送入导线11中的电流、Icm是在所述电缆的第二端离开导线12的电流、Ib是在屏蔽与地之间的电流，Ir是在谐振器处注入的电流、Icc是电容Ccc中的电流、而Icb是电容Ccb中的电流。
关系式Ig＝Icm+Ib表明没有从火花塞帽直接对地的电流回流。该结果例如是通过添加围绕这些导线的磁电路而得到的，在这些导线中电流Ig、Icm和Ib在连接器的上游流动。该结果还可以通过围绕该电缆添加铁氧体环而得到。
图4示出了根据本发明的测量电路的实施例，该实施例的测量电路使用电流Ib来校正在所述电缆的第二端进行的电流测量。测量电路包括上述的电缆1和三绕组变压器13。具体地说是可以使用被屏蔽的双股绞线电缆。导线11和12旨在于所述电缆的第一端连接到谐振器且在该电缆的第二端连接到发生器。
变压器13的第一绕组31旨在于电缆1的第二端处连接在发生器的高压输出端与导线11之间。流经绕组31的电流是流经谐振器的电流与由电缆1的寄生电容感生的电流之和。变压器的第二绕组32在所述电缆的第二端连接在地与屏蔽2之间。屏蔽2在所述电缆的第一端不进行电连接。流经第二绕组32的电流代表由电缆的寄生电容感生的电流。第三绕组33连接到电流测量装置14的接线柱，该电流测量装置典型地是RC电路。所示出的测量装置14包括电容器15和电阻16。电感器34代表变压器的泄漏电感。
绕组33的作用是以已知的方式进行电流测量。绕组31和32以相反的方向绕制，以使电流Ib补偿电流Ig与测量信号中的电流Ir之差。流经第三绕组33的电流因而更加能够代表流经谐振器的电流Ir。
为了形成用于具有频率控制电路的谐振器的供电装置，与该测量电路并列放置了装配有用于恢复由测量装置14提供的测量信号的频率控制装置的发生器。已知地，所述伺服控制装置根据测量信号来改变供电压的频率，例如通过首先确定测量信号与供电压之间的相位。
该供电装置有利地用于形成具有提供两个电极的谐振器的等离子发生系统。该供电装置还可提供具有高于1MHz的频率的谐振器，由于存在供电电压而在这两个电极之间形成了等离子。该谐振器可以特别是汽车点火装置的火花塞线圈。
图5示出了测量电路的另一个变型，该变型优化了补偿作用并且适于获得所希望的补偿比而不受绕组32匝数的限制。在该变型中，电阻桥将来自补偿桥发出的电流的一部分直接接地。在所示的实施例中，以电阻性连接17和18的适当阻值R17和R18来得到优化的补偿。
事实上，计算和测量使之能够得出：即使使用相同的绕组31和32的匝数，这些寄生电流的补偿也是不完全的。该现象可以由导线之间单位长度电容与导线和屏蔽之间的单位长度电容之差来解释。事实上，比值R18/(R17+R18)大致等于比值Icb/(Icc+Icb)除以绕组31与绕组32之间的变压比。假定绕组32在事实上是抽头的而绕组31不抽头，只有在电流Icc等于电流Icb时所述补偿才是准确的，这由于单位长度电容中的差异而并未经过验证。因此，使用电阻桥来调节所述比值。该电阻桥可以基于电缆的单位长度电容来实现。
为了优化补偿，还可以以适当的方式相对于绕组31的匝数来适配绕组32的匝数。
另外，这些电阻性连接17和18以及该电缆的寄生电容可以通过RC滤波降低绕组32的通带，这可以在使用频率上改变补偿。因此，有利的是在连接17和18中包括足够的电抗成分以优化测量电路的动态性能。
RC电路有利地被配置为具有泄漏电感34以形成通带中心位于谐振器谐振频率上的滤波器，并且使得电阻器的接线柱上的电压不超出所述伺服控制装置的电压范围。
绕组31的感抗不能太大以便不影响开环供电装置的性能。在实践中，变压器13可以具有小尺寸环形线圈(20mm左右的外径)，它是由在工作频率下保持其特性的磁性材料(譬如铁氧体4C65)制成的。以单匝的绕组31，该电感可以限制为30nH。为了限制流经绕组33的电流，后者优选具有的匝数要远大于绕组31的匝数，例如在上述实例中为20匝。

Claims (8)

1.一种用于测量流经负载的电流的电路，其特征在于，包括：
-电缆(1)，其在第一和第二端之间具有第一和第二导线(11、12)以及屏蔽(2)，所述导线适于在所述第一端处连接到负载(3)并且在所述第二端处连接到发生器(19)，所述屏蔽在所述第一端处不接地；
-变压器(13)，其具有至少第一、第二和第三绕组(31至33)，所述第一绕组在所述电缆的第二端连接在所述发生器的高压输出端与所述第一导线之间，所述第二绕组在所述电缆的第二端连接在地与所述屏蔽之间，所述第三绕组适于连接到电流测量装置(14)，所述第一绕组与所述第二绕组是以相反的方向绕制的。
2.如权利要求1所述的电路，包括连接到第三绕组(33)的接线柱的电流测量装置(14)。
3.如权利要求2所述的电路，其中，所述电流测量装置(14)是RC电路。
4.一种用于对负载供电的装置，包括：
-如权利要求3所述的电路；
-发生器(19)，其在所述电缆(1)的第二端连接到所述第一和第二导线(11、12)并且适于以大于1MHz的频率向它们提供供电电压，所述发生器(19)包括频率控制电路，该频率控制电路连接到电流测量装置并且根据由所述电流测量装置提供的信号来更改所述供电电压的频率。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述第一绕组(31)连接在所述发生器的高压输出端与所述第一导线(11)之间。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述第一和第二绕组(31、32)沿相反的方向绕制。
7.如权利要求5或6所述的装置，包括电阻(17，18)，该电阻在所述第二端处连接在所述屏蔽(2)与所述第二导线(12)之间。
8.一种等离子发生系统，包括： 
-如权利要求4至7中任一项所述的装置；和
-具有大于1MHz的谐振频率的负载，该负载在所述第一端连接到所述电缆的导线，包括两个电极并且适于在所述发生器递送其供电电压时在这两个电极之间产生等离子。 
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