CN101336378A

CN101336378A - 电流传感器

Info

Publication number: CN101336378A
Application number: CNA2006800517079A
Authority: CN
Inventors: 马修·E·M·斯托基
Original assignee: Sentec Ltd
Current assignee: Sentec Ltd
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2006-10-07
Publication date: 2008-12-31
Also published as: CA2639794C; WO2007085278A1; EP1977257B1; EP1977257A1; US20100109643A1; AU2006336957B2; US8378662B2; CA2639794A1; MX2008009446A; GB0601383D0; AU2006336957A1

Abstract

本发明是一种电流传感器机构，使用一种平面线圈接近于一种电流导体，以探测导体内的电流变化率(并因此，通过使用一种积分器以恢复交流电流)。该电流传感器被优化在阻止均衡外磁场，渐变外磁场和源于在接近于电流传感器的固定位置内的一个或多个导电体机构的磁场。例如可以在一种多相电度表中发现具有多个电流传感器。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及电流传感领域，尤其涉及一种传感设备，用于作为测量能量、电流及功率质量的财务电表测量的交流传感器。

背景技术

用于电表测量的电流传感器经常受许多要求支配，它们包括：

1.已定义的电路连接的排列方式

2.多个，邻近的，独立的传感器，紧密地隔开

3.对外部的交流磁场有优良的无响应力(或从邻近的导体或从尝试到干预)

4.基本上完成对直流磁场的无响应

5.低成本

6.宽的动态范围(代表性的＞＝1000∶1)

7.优良的线性(代表性的0.2％)

定义

当分析一个位于自由空间内的磁性系统的作用时，在空间的不同空间区域中查看该系统的磁场响应的特性是非常有帮助的。

近磁场是紧密邻近磁性系统的区域，这个区域磁性系统详细结构的作用是占主导作用的。

远磁场是与磁性系统的交互距离的区域，是比磁性系统自身维数的任何一维大的多的区域。在这个区域内，磁场响应可以通过简单的方程进行描述。

中磁场是在这两个区域间的过渡区域，在这个区域，交互作用在磁性系统之外，但仍在足够接近，近似于依靠磁性的具体结构。

现有的传感器

已公开专利US6414475和US6734661描述了电流传感器，该电流传感器响应磁场，该磁场由流过与负载相连的导体内的电流所产生。

这些传感器均采用平面线圈结构，耦合到紧密邻近的线圈内的一个导体内的电流所产生的磁场。它们响应导体内电流的变化率，并且整合后的信号与一个宽的动态范围电流几乎呈线性。它们获得线性是由于它们不包含渗透性的材料，这意味着没有磁化或者渗透的材料。由于它们不包含磁性的屏蔽，因此它们对直流磁场彻底无响应。它们获得了均衡且倾斜的交流磁场的很好的抑制性。US6414475通过利用一套由两个相对排列的磁性偶极组成的线圈来获得抑制性。US6734661将两套这样的磁极整合、彼此叠加并抵消至它的线圈结构中。

然而，这些现有的传感器都一定程度上响应电流产生的磁场，该电流具有传感器的中磁场范围内的一个路径。如果设备需要多于一个电流测量，在电流传感器之间没有一个显著的最小间隔时，系统在通路间不能获得良好的无响应隔离。在IEC形式中，三相电流仪表，例如要求每一相的电流测量相互独立。同时，还要求测量的三条或四条通路的电流，通路的终端是紧密邻近的。

已知的解决方案中没有能够满足上述规定的所有要求，尤其是将多个紧密邻近的具有最小干扰的传感器放置的能力，例如可以通过多相电仪表实现，该多相电仪表具有下端插入的电流接线端，其中分离的电路的接线端是邻近的并紧密接近。

发明内容

因此，本发明的目的之一是提供一种电流传感器，该传感器满足上述提到的要求并且同时与邻近的导体和/或连接器的信号充分地无响应。本发明描述了一种电流传感器。它使用一种新颖平面线圈结构来测量近磁场的导体内的一个电流所产生的磁场，通过所述导体响应电流的变化率。同时它不响应距离中心区已定义距离的一个路径内的一个电流产生的磁场，即在一个直接地邻近导体和传感器线圈内，也不响应中磁场内与这些相邻近的导体和传感器线圈组件。这获得了保持均衡且倾斜磁场的无响应，并且与现有技术相比提高远端导体所产生的磁场的无响应能力。

本发明根据多个优选实施例，使用具有相互放置的磁中心的三个或更多个偶极的线圈部分。这可以使内部载流导体的灵敏性的最大化得到优化。除去对均衡且倾斜的磁场的任何响应，它们是充分平衡的。每个转弯部分和多个转弯部分中适当区域的偶极的选择基本排除了在已知距离中对导体的任何响应----代表性的可获得的电流抑制比大约为10000∶1。

本发明第一个方面的实现是一种电流传感器，包括一个线圈装置，该线圈装置具有至少三个感应线圈部分的一个等同线圈结构，设置于接近第一电流导体的位置，其特征在于所述线圈以固定关系安装于至少一个方向朝向所述的电流导体，并且每一个感应线圈部分的磁场中心彼此对应设置并连接，以致于一个相对于所述感应线圈产生的在所述电流导体内的电流的信号组合响应与所述电流导体内电流的变化率成比例，并且对于一均衡的外交流电磁场，一级渐变交流电磁场和在相对第一导体一个设定位置内的至少一个第二载流导体内的电流是基本上无感应的。

一个第二等同感应线圈的每个转弯部围绕于一个第一等同感应线圈的每个转弯部，并且一个第三等同感应线圈的每个转弯部围绕于所述第一和第二等同感应线圈的每个转弯部。

所述三个或多个等同感应线圈系列地连接在一起并且设置，以使得在线圈装置(6)中由一个均衡交流电磁场在每个线圈中导出的电磁场力基本上合计为零。

所述载流导体的至少一部分基本呈发夹形，以致于由所述导体内的电流产生的磁场比从类似尺寸的一个直的导体产生的磁场随着距离衰减得更快。

第一载流导体从所述导体内的电流产生的磁场比类似尺寸的一个直的导体内从电流产生的磁场随着距离衰减得更快。

所述三个或多个等同感应线圈位于一个或多个平面内，该平面基本上相互平行。所述等同感应线圈设置于一个大体上的平面支撑件上或其内部。每个等同感应线圈包括多个转弯部。所述三个或多个等同感应线圈中的每一个具有不同的转弯面积。

考虑到转弯面积产品的符号所产生的线圈的感应，所述三个或多个等同感应线圈的转弯面积的总和基本上为零。

一个等同感应线圈的一个转弯面积基本上等于其他两个感应线圈的转弯面积的总和。

所述等同感应线圈在一个印刷线路板上的一个或多个层上构成。

所述印刷线路板还包括设置于所述导体和所述三个或多个等同感应线圈之间的静电屏蔽层。

所述第一电流导体形成于所述印刷线路板的一个或多个层上。

所述印刷线路板还具有信号修整或者设置于一个或多个表面上的其他电子部件。

本发明的另一方面，根据上述第一方面的描述，提供了一种传感器装置，其中所述的装置是永久地优选地设置的，以致于对于在直接相邻的一个或多个传感器内，每个单独的传感器对电流的响应大体上为零。

该装置的进一步特征在于在每个其他的传感器中，各个传感器对于电流的响应大体上为零。

本发明的再一个方面是提供了根据本发明第一方面内容的一种所述的瓦特时电表，至少具有一个传感器和至少测量电能、电功率和电流中的一种的装置。电表还包括一个用于对一个外部装置进行通信测量的通信装置。

附图说明

通过实施例对本发明进行具体描述，涉及到的附图如下：

图1为通过本发明一具体实施例描述载流导体(母线)设计生成一偶极磁场，并适用于一三相IEC形式的电表，

图2为图1中垂直于该母线平面的磁场横截面图，由放置于距该母线在所提供的x轴上以毫米为单位的距离的一个相似的母线中的电流生成，沿该母线平面的方向但垂直于该母线之间的缝隙，

图3为本发明的一具体实施例，使线圈最优化的测量母线中的电流，同时防止来自临近母线中电流的干扰和磁场源的互相干扰，

图4为线圈排列的响应与母线场匹配，

图5为放置在母线上的线圈的一部分，

图6为图5中线圈对于载流母线的响应，母线从线圈结构的中心在所提供的x轴上以毫米为单位的距离设置，

图7为放置在母线上的线圈的一个第二部分，

图8为图7中线圈对于载流母线的响应，母线从线圈结构的中心在所提供的x轴上以毫米为单位的距离设置，

图9为放置在母线上的线圈的一个第三部分，

图10为图9中线圈对于载流母线的响应，母线从线圈结构的中心在所提供的x轴上以毫米为单位的距离设置，

图11为所有三个部分的线圈的集合所组成的线圈对于载流母线的响应，母线从线圈结构的中心在所提供的x轴上以毫米为单位的距离设置，

图12为图11的一细节图，显示为零的放置在距该主要母线29毫米的一邻近母线中电流的响应，

图13为三种母线的排列，理想地放置在IEC形式的电表中来测量电流，

图14为本发明的处理装置，并且

图15为本发明的财务计量系统。

具体实施方式

基于接线端多相电表典型的具有三或四对邻近的接线端来连接电流回路。通常接线端沿该电表的底部边缘等间隔的排列，典型的接线端间隔为12-15mm。每对接线端中，对于特殊的相位，左侧的接线端通常连接线(源)，右侧的接线端连接负载。在三相系统中，对于每相的电流回路相互接近，并且加之对于中性电路第四对接线端可能会出现。

如图1所示，适于传输被测电流的导体为发夹形状。母线2和母线3的两端之间的间隔根据IEC(国际电工委员会)三相电表规定的接线端排列方式设置。其中2是电流的源，并且3是负载。如图2所示，通过沿母线3在该导体中传输的电流生成的该磁场垂直于该导体平面。该导体1的发夹形状有效的形成偶极，并具有比一个单独的直的导体更快地降低远场的效果，而该场相对慢的降低(以1/距离)。该发夹增加的长度提供更长的导体来生成磁场，因此增加耦合该感应线圈的磁场。

如图3所示的平面线圈装置，基本平行母线平面并直接紧固在母线下面或上面，在母线中的电流生成在线圈结构6中依次引起一个电磁力(EMF)的一个场，与电流变化率成比例。通过获得的电流变化率信号的积分，可以推出交流电流；这个过程可以由集成电路完成或在获得信号的处理设备中完成。线圈等效于三个偶极7、8、9(如图5、7、9所示)具有共同的电磁中心，串联连接。三个线圈部分的每个中每个转弯部和多个转弯部具有一个平均面积。如果所有线圈的转弯面积相加(设线圈顺时针方向为正的转弯面积，逆时针方向为负的转弯面积)那么总合为零。这个线圈被认为是平衡线圈。

设置线圈6使得对于场的灵敏度接近由母线1生成的场。如图4所示，母线场5覆盖线圈装置的近似场响应7。结果，EMF为两条曲线的积，场响应正和负的部分均对电流的输出敏感度产生贡献。

通过转弯面积的总和被设置为零的约束条件，远场反应被有效的消除。均衡磁场的反应依赖于上述的总和，因此也为零。三个磁偶极被设计为拥有大体相同位置的中心。因为磁偶极中心的对称结构得到保持，所以一级渐变磁场的反应也为零。

特殊偶极线圈的中磁场感应依赖于线圈延伸的区域。小线圈的感应不会像大线圈延伸的那么长。具有一对平衡线圈部分(例如美国专利US6414475)，中磁场的一个电路感应将受控于较大的线圈部分。这将导致邻近传感器母线中的小但重要的电流感应。通过使用两个以上的线圈(本实施例采用三个)，传感器可以制作成具有在已知距离处已知电路的零响应。在某个中磁场距离处的响应可以通过改变不同线圈部分的成比例区域来平衡，同时还保持整个转弯面积为零的限制。

图3中的装置示出了在为一个相同的母线响应中具有一个零响应，该相同母线设置于从测量母线起29mm处。由于该系统为一线性系统且线圈系列化，整体的响应为本设计中每一个偶极部分的感应总和。三个偶极部分中的每一个在该距离处具有不同的响应，以下将会详细说明。然而，可以理解图3中的例子仅仅用于说明而并非对本发明的限制，对于任何其它母线感应的设计描述均应落入本发明的保护范围以内。该29mm的距离仅仅用于说明，感应功能可以为任何其它合适的距离而设计，这依赖于应用的需要。

图5示出了图3线圈装置6的一个等同线圈结构中第一偶极部分9的实例。载流导体的电流响应沿图1中的3移动至相关的线圈结构，如图6所示。本实施例中的该偶极具有14400mm²转弯面积。图7和图8示出了第二线圈部分8的相同图表。该部分具有相反响应中的线圈转弯部，具有超过一个较大距离动作的母线响应。实例中的这部分转弯面积为23800mm²，激发了相反响应到图5中的偶极。如图9、图10示出了第三线圈元件7，激发了与图5中的偶极同样的响应。因为在这个实施例中的转弯面积仅仅为9400mm²，影响较弱但延伸一个较长的距离。当这三个线圈元件组合在一起后，载流母线随距离的响应变化如图10所示。同样可以理解上述提及的尺寸仅仅用于说明而并非对本发明的限制。图5、7、9中的母线用附图标记10表示，为图1母线中可选的形状。

由于具有平衡线圈结构，响应随距离快速减小。由于磁力系统由两个以上的偶极线圈组成，系统的磁力功能具有比四极线圈更高的次序。磁力功能的次序越高，随距离的灵敏度减小地越快。在本实施例中选择三个线圈用以在29mm处为相同母线平衡。图11详细示出了为母线设置于29mm附近距离处的线圈响应。最内侧以及外侧线圈的转弯面积可以互换以使其组合响应与中部线圈部分的响应相匹配。

图12为图11的进一步细化，示出了从测量母线29mm附近处响应接近为零。响应中相对较小的斜率说明对于临近母线的实际位置存在一些容许的偏差。

在三相电子测量仪中，设置三或四个电流母线1，11，12，如图123所示。每相电流(并且如果适用于干预测量为中性)由于在测量频段之间具有大致零交叉耦合，因此可以独立测量。在传感器自身导体以及临近的导体中的典型灵敏度比率大约为10000∶1。

进一步的实施例

以上在图13中描述的三线圈实施例可以被测量任何临近导体的间距和不同的尺寸。图1中发夹结构的长度可以变换以改变传感器的整体灵敏度。例如，导体的宽度和厚度可以改变，以改变电流载荷。最终的斜度可以改变以适应不同的应用。相邻的电路位置可以改变以适应不同的应用。在每一个实例中，上述说明书中总结的一般原理用于优化导体设计和线圈设计以获得期望的对导体的灵敏度以及对临近导体无响应。

如果我们要求线圈结构在空间的很多位置对导体不敏感，线圈的以上设计理念可以推广到三个以上的偶极部分。通常情况下，每个偶极部分都被设计为拥有不同的空间反应，例如，在几个相邻导体的每个位置，反应的叠合大致为零。如果需要更多的导体位置为零，所需要的偶极部分就越多，最优化处理的过程就越复杂。

电流传感器组件可以通过使用印刷电路板技术来更好的构成。组合线圈是刚性的，具有精确定义的电线位置，使得每个偶极部分有精确的转弯面积。载流导体被严格的安放到装配有线圈的电路板上，例如，使用焊接技术或者铆接、螺接等其他固定的手段。对于较低的电流来讲，导体能够从电路板自身多层中的一层形成。线圈的多个部件和导体能够装配到单个的电路板上，从而保证对应线圈的导体几何位置保持固定，从而保证其中的耦合不会发生变化。印刷电路板同样允许在导体和线圈之间使用静电屏蔽层，允许参照传感器线圈对导体人为设定一个电势，但不影响反应。印刷电路板同样允许设置多个传感器线圈层，来增加线圈的灵敏性，在优化拒斥特性方面的线圈设计上提供更大的灵活性。

传感器线圈的电磁流量(EMF)与导体中电流变化速率是直接成比例。恢复交流电信号的技术如下所示，例如，在本领域中，数字集成是公知的技术，传感器通过一些产品被直接(从基信号调整和消除锯齿滤波器的一侧)连接到半导体器件上，如ADE7758(Analog Devices公司)，STMP01(ST微电子公司)，71M6511(Teridian公司)，或者其它类似的器件。这些器件可以运行适当的信号处理过程来计算电流，并进一步计算功率和能量来计量应用。这些器件最好被集成到同一块电路板上，作为自我缠绕的电流传感器线圈，或者也可以放置在单独的一块电路板上。上述的部分构成了多相电学测量仪完整的基础。

图14中给出了处理器件20，该器件用来处理由线圈探测到的信号。处理器件20包括至少一个处理单元21，例如微处理器，DSP(数字信号处理器)，场效应可编程门阵列(FPGA)或者特殊设计的ASIC(特定用途集成电路)来运行程序代码，从而处理、分析、控制存储和报告测量结果。处理器件20进一步可以包括至少一个记忆单元22，23，通信单元24，和通信接口25。

在一些应用当中，传感器线圈得到的信号能够通过模数转化器(ADC)26被数字化，进而在处理单元21中被处理。处理单元可以选择与接口一起设置(例如系列通信接口RS232，RS485，CAN，联络母线或者相似的接口)来直接获得数据，或者间接的从上述的半导体器件获得数据，来完成处理、存储和报告。为了上述目的，和存储用来分析、处理、报告的软件，至少需要一种类型的存储单元22，优选的，至少需要提供一个合适的非挥发性的存储器，例如闪存或者其它相似的电学控制非挥发性存储器。在一些应用当中，提供了挥发性存储器23，来管理那些正在运行的程序代码，和在分析和/或处理过程中存储临时数据的程序代码。

图15给出了根据本发明设计的电表30，其中附图标记31是指在附图14中提到的处理单元。附图标记32-34每一个指示的一个线圈结构6和联络母线1，11，12。附图标记38-40中为可选的对基信号“预处理”单元，该预处理单元主要完成传输、滤波、消除锯齿和其它可以由模拟电学器件来实现的过程。附图标记35-37为可选的分离处理半导体器件，这些器件可以获得相关的电流信号。但是，在一些应用当中，处理器件31在合适的程序代码的支持下可以提供一些相同的功能来处理从线圈得到的数字信号。

电表30还进一步包括一个传输接口25和一个传输单元24，用于传递测量至少一个中心接收装置(未示出)。中心接收装置可能被安装用于记账目的来索要与测量有关的电费。从电表到中心接收装置的传输可以由任何适宜的传输类型和无线协议或有线的技术来提供。在无线传输类型中一种可以涉及长距离协议，如GSM，GPRS，和UMTS，也涉及较短距离协议，如WLAN(Wireless Local Area Network，例如.802.11，802.15，和802.16 series)或者WPAN(WirelessPersonal Area Network，如Bluetooth)的解决方案。有线技术可以用于例如快捷电力线传输技术，数据可以通过电力线传输，被推导出的测量方法或基于一个单独的传输线，如LAN(Local Area Network，如以太网Ethernet，ATM or基于传输协议的类似IP)，ADLS变异(Asymmetric Digital Subscriber Line)，或者使用调制解调器传输的PSTN(Public Service Telephony Network).

处理单元可以设置成具有程序代码，用于加密数据来传输和/或以数字信号提供数据来传输以减低干预和欺诈的风险。

值得注意的是，“包括”一词并不排除与所列出相比存在的其他的部件或步骤，并且在一个部件之前的一个并不排除存在的多个这样的部件。本发明能够通过软件或硬件至少部分地实现。还应当注意任何附图标记都不应当限制权利要求的范围，并且个别的“装置”、“设备”、“单元”可以由硬件的同样的内容来表述。

上面提到的具体的实施方式仅仅是一些例子，并且不应当限制本发明。落于本发明范围内的同权利要求所要求保护的内容，其他技术方案、使用、作用和功能对本领域的技人员来说都应当是显而易见的。

Claims

1.一种电流传感器，包括一个线圈装置(6)，该线圈装置具有至少三个感应线圈部分(7，8，9)的一个等同线圈结构，设置于接近一电表内的一电流导体(1)的位置，其特征在于所述的感应线圈以固定关系安装于至少一个方向朝向所述的电流导体(1)，并且每一个感应线圈部分(7，8，9)的磁场中心彼此对应设置，并且所述的感应线圈部分彼此相互连接，以致于一个相对于所述感应线圈产生的在所述电流导体内的电流的信号组合响应与所述电流导体内电流的变化率成比例，并且对于一均衡的外交流电磁场，一级渐变交流电磁场和在所述电表内至少一个其他的载流导体(11)内的电流是基本上无感应的；所述其他的载流导体位于一个相对于所述线圈装置(6)限定的位置。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中一个第二等同感应线圈的每个转弯部围绕于一个第一等同感应线圈的每个转弯部，并且一个第三等同感应线圈的每个转弯部围绕于所述第一和第二等同感应线圈的每个转弯部。

3.根据之前任何一项权利要求所述的传感器，其中所述三个或多个等同感应线圈系列地连接在一起并且设置，以使得在线圈装置(6)中由一个均衡交流电磁场在每个线圈中导出的电磁场力基本上合计为零。

4.根据之前任何一项权利要求所述的传感器，其中所述载流导体(1)的至少一部分基本呈发夹形，以致于由所述导体(1)内的电流产生的磁场比从类似尺寸的一个直的导体产生的磁场随着距离衰减得更快。

5.根据之前任何一项权利要求所述的传感器，其中所述载流导体(1)从所述导体内的电流产生的磁场比类似尺寸的一个直的导体内从电流产生的磁场随着距离衰减得更快。

6.根据之前任何一项权利要求所述的传感器，其中所述三个或多个等同感应线圈位于一个或多个平面，该平面基本上相互平行。

7.根据之前任何一项权利要求所述的传感器，其中所述等同感应线圈设置于一个大体上的平面支撑件上或其内部。

8.根据之前任何一项权利要求所述的传感器，其中每个等同感应线圈包括多个转弯部。

9.根据之前任何一项权利要求所述的传感器，其中所述三个或多个等同感应线圈中的每一个具有不同的转弯面积。

10.根据之前任何一项权利要求所述的传感器，其中考虑到转弯面积产品的符号所产生的线圈的感应，所述三个或多个等同感应线圈的转弯面积的总和基本上为零。

11.根据之前任何一项权利要求所述的传感器，其中一个等同感应线圈的一个转弯面积基本上等于其他两个感应线圈的转弯面积的总和。

12.根据之前任何一项权利要求所述的传感器，其中所述等同感应线圈在一个印刷线路板上的一个或多个层上构成。

13.根据权利要求12所述的传感器，其中所述印刷线路板还包括设置于所述导体和所述三个或多个等同感应线圈之间的静电屏蔽层。

14.根据权利要求12或13所述的传感器，其中所述电流导体形成于所述印刷线路板的一个或多个层上。

15.根据权利要求12或13所述的传感器，其中所述印刷线路板还具有信号修整或者设置于一个或多个表面上的其他电子部件。

16.一种如之前任何一项权利要求所述的传感器装置，其中所述的装置是永久地优选地设置的，以致于对于在直接相邻的一个或多个传感器内，每个单独的传感器对电流的响应大体上为零。

17.根据权利要求16所述的装置，其中该装置的进一步特征在于在该装置中的每个其他的传感器中，各个传感器对于电流的响应大体上为零。

18.一种如权利要求1-15中任何一项所述的瓦特时电表，至少具有一个传感器和至少测量电能、电功率和电流中的一种的装置。

19.根据权利要求18所述的电表，还包括一个用于对一个外部装置进行通信测量的通信装置。