CN102739066A - 一种感应式电流电压变换器及实现高频电流测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种感应式电流电压变换器及实现高频电流测量的方法，属于电流测量领域。所述感应式电流电压变换器包括同轴穿心感应式电流变比器和标准分流器；所述同轴穿心感应式电流变比器包括外壳(10)和安装在所述外壳(10)内的中心棒(2)、圆环形铁芯(7)和绕在所述铁芯(7)上的线圈(8)；所述外壳(10)为圆筒结构，在其两端分别安装有左端盖(1)和右端盖(9)；所述中心棒(2)与所述外壳(10)同轴线设置，所述铁芯(7)套在所述中心棒(2)上，与所述中心棒(2)同轴线设置，并固定在所述中心棒(2)上；所述标准分流器通过N型头与所述同轴穿心感应式电流变比器连接。

Description

一种感应式电流电压变换器及实现高频电流测量的方法

技术领域

本发明属于电流测量领域，具体涉及一种感应式电流电压变换器及实现高频电流测量的方法。

背景技术

如何准确、方便地测量电流，一直是测量技术领域中努力追求、不断探索的课题。在电路中接入分流器，测量分流器两端的电压，再根据欧姆定律，用测得的电压除以分流器的电阻值。这种测量方法使用设备少、方便、快捷，收到了普遍的欢迎，成为测量电流的主要方法。

20世纪90年代开始，各国家实验室普遍采用商业分流器与热电变换器组合扩展电流量程。用的最多的是美国Fluke公司的Fluke A40、A40A，以及美国Holt公司的分流器Model HCS 1。

使用这些商业产品可将国家基准的电流交直流转换最大扩展到20A。2000年以后有些国家开始摆脱商业产品的限制，研制自己的同轴结构分流器，为了尽可能降低电阻上的功耗，在1A以上自行研制的同轴分流器普遍采取鼠笼结构，典型的是瑞典国家计量院设计的分流器。我国在2006年完成的谐波功率国家基准研究中电流部分采取的就是该分流器。

1988年，美国国家计量院为了满足美国空军校准实验室的要求，设计出了最大输出可达到100A 100kHz的交直流跨导放大器，以及20A到100A的大电流同轴分流器，并将技术转换为美国Clarke Hess公司和Precision Measurement公司的相关产品。因此中国计量科学研究院提出了对国家实验室交流电流的基准量程扩展到高频的100A要求。

一些国家选取NIST设计的分流器Build-up至100A，由于电阻上消耗的功率太大等原因很难得到稳定的可作为国家基准使用的结果。另外从美国研究委员会公布的使用美国国家计量院扩展至100A的测量结果中可以看出在100A、100kHz时NIST分流器的交直流差已经接近1％.

从2000年至今，国际上国家基准交直流转换的研究主要集中于如何将交流国家基准扩展至100A、100kHz。到目前为止，除NIST外，只有奥地利计量院研制成功了另外一种100A、100kHz的分流器。

最近几年，美国Fluke公司精密测试仪器部推出了全新A40B系列精密分流器。电流范围从0.1mA到100A，带宽从DC到100kHz。A40B采用同轴型分流器设计使得分流器受外部磁场影响小，可实现最优的性能。但是这种分流器在对电流源输出电流进行测量时，分流器的负载会对电流源产生负载效应，导致测量结果产生偏差；另外，这种分流器也是利用电阻元器件构成的，在他允许的最大电流工作状态下长时间工作，分流器上的电阻元器件上消耗的电功率转换成加热能量，使分流器发热，使电阻阻值发生变化，从而影响测量电流的准确度。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种感应式电流电压变换器及实现高频电流测量的方法，通过电流电压变换器对电流进行准确测量，并且将频率范围扩展到100kHz，降低采用分流器对电流源测量校准过程中的负载影响。

本发明是通过以下技术方案实现的：

所述感应式电流电压变换器包括同轴穿心感应式电流变比器和标准分流器；

所述同轴穿心感应式电流变比器的电流输入和输出均为同轴结构，其包括外壳10和安装在所述外壳10内的中心棒2、圆环形铁芯7和绕在所述铁芯7上的线圈8；

所述外壳10为圆筒结构，在其两端分别安装有左端盖1和右端盖9；所述左端盖1和右端盖9分别将所述外壳10的两端封闭；

所述中心棒2与所述外壳10同轴线设置，所述铁芯7套在所述中心棒2上，与所述中心棒2同轴线设置，并固定在所述中心棒2上；

在所述外壳10的外表面上设有平台，在该平台上固定有N型头；所述标准分流器通过所述N型头与所述同轴穿心感应式电流变比器连接。

在所述左端盖1的中心位置固定有Lc型头；所述中心棒2的一端穿过并固定在所述Lc型头的中心处，作为Lc型头的芯，即作为所述同轴穿心感应式电流变比器的电流输入端，另一端固定在所述右端盖9上。

所述N型头与所述外壳10之间设有绝缘垫片6，使N型头和外壳10绝缘。

所述N型头的芯4作为所述同轴穿心感应式电流变比器二次端的电流输出端；在所述平台上开有通孔，所述线圈8的一端穿入所述通孔中与N型头的芯4连接，另一端与N型头的皮5连接。

所述感应式电流电压变换器的电流输入端和电流输出端分别是所述同轴穿心感应式电流变比器的一次端的电流输入端和电流输出端，即中心棒2和Lc型头的皮3；所述同轴穿心感应式电流变比器的二次端的电流输入端和电流输出端分别是所述N型头的芯4和N型头的皮5。

所述N型头上带有和标准分流器直接配合的螺纹，所述标准分流器通过该螺纹连接到所述N型头上。

所述标准分流器为四端电阻，其两个电流端分别接到N型头的芯4和N型头的皮5上；其两个电压端分别构成所述感应式电流电压变换器的两个电压端。

一种利用本发明感应式电流电压变换器实现高频电流测量的方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，首先将所述感应式电流电压变换器和标准电阻串联连接后连接到待测交流电流源的两端构成回路，然后用交流电压表分别读取所述感应式电流电压变换器的输出电压值U₁和标准电阻上的电压值U₂，根据公式(1)计算出所述感应式电流电压变换器的等效阻值R：

$R=\frac{U_1\·R_S}{U_2}---\left(1\right)$

(1)式中：R_S为标准电阻的阻值；

第二步，首先将所述感应式电流电压变换器的两个电流端分别连接到待测交流电流源的两端构成回路，然后用交流电压表读取所述感应式电流电压变换器的输出电压值U，根据公式(2)计算出待测交流电流源的实际输出电流值I，实现了高频电流测量：

$I=\frac{U}{R}---\left(2\right)$

(2)式中：R为通过第一步得到的所述感应式电流电压变换器的等效阻值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的感应式电流电压变换器可以准确、方便地测量交流电流，尤其是能够准确测量交流大电流；

(2)本发明的感应式电流电压变换器的输入阻抗低，所产生的偏差要小于采用分流器所产生的偏差；

(3)本发明的感应式电流电压变换器的功耗小，对电流源输出功率的要求较低；

(4)本发明电流电压变换器本身产生热量小，其电流线性和频率特性好。灵活性好、方便制作，经济实用性强。

附图说明

图1是本发明感应式电流电压变换器的结构示意图。

图2是利用标准电阻对本发明感应式电流电压变换器的等效阻值进行测量的线路图。

图3是利用本发明感应式电流电压变换器测量高频电流的线路图。

图中，1为左端盖；2为中心棒；3为Lc型头的皮；4为N型头的芯；5为N型头的皮；6为绝缘垫片；7为铁芯；8为线圈；9为右端盖；10为外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明利用电流互感器原理将电流经同轴穿心感应式电流变比器转变为容易实现测量的电流，此时电流的转变是根据电流互感器的电流比公式(3)实现转变的。

$K=\frac{I_1}{I_2}=\frac{N_2}{N_1}---\left(3\right)$

式中I₂变为转变后的电流，I₁为要测量的实际电流，N₁为铁芯上一次绕组的匝数，N₂为铁芯上二次绕组的匝数。本发明是采用同轴穿心式，所以一次绕组(又称为初级绕组)匝数N₁＝1。

标准分流器(又称为高精度分流器)与同轴穿心感应式电流变比器的输出端连接，通过测量标准分流器两端的电压，得到流过标准分流器的电流。然后算出交流电流源实际输出电流值。

图1所示的同轴穿心感应式电流变比器和标准分流器连接后构成本发明的感应式电流电压变换器，标准分流器没有在图1中画出，实际使用时是将标准分流器直接连接在图1中的N型头上。

本发明的同轴穿心感应式电流变比器的电流输入和输出均为同轴结构，输入端和输出端的同轴是通过铁芯绕组的几何中心位置和铁芯重合来实现的。具体来说，体现在图1中的电流输入端的中心棒2和外壳10上，电流从中心棒2流入经后端盖9、外壳10、前端盖1、最后到L_C型头的皮3，构成电流回路。根据电流互感器原理，Lc型头的电流和铁芯7共同作用在线圈8上感应出电流，从而将电流流到与线圈8连接的N型头和标准分流器上。

铁芯7的中心位置固定在中心棒2上，因此铁芯7上的线圈8的中心位置也位于中心棒2上，这样使电流变比器的电流输入回路和铁芯绕组中心位于同一个中心棒2上，使同轴穿心感应式电流变比器的应用从传统的工频范围扩展到100kHz；同时在测量10A以上电流时，所述感应式电流电压变换器本身的输入阻抗要小于标准分流器的输入阻抗，因此所产生的偏差要远远小于标准分流器所产生的偏差。例如，以10A为例，0.8V输出的标准分流器的输入阻抗为80mΩ，而本发明感应式电流电压变换器的输入阻抗是非常小的，通常小于1mΩ。

下面以一个实施例来说明本发明的效果。

本实施例是利用100∶1感应式电流电压变换器来对100A、100kHz电流进行测量。首先，根据测量电流的大小确定标准分流器的阻值，例如100A，经100∶1变为1A电流，需0.8Ω分流器；50A，经100∶1变为1A电流，需1.6Ω分流器。根据同一原理也可以做成10∶1的感应式电流电压变换器。由于线圈在直流下不能感应出电势，所以频率要高于50Hz，该比例只与要测的电流有关系，与频率没有关系。

如图1所示，首先在左端盖1的中心位置固定同轴穿心感应式电流变比器的电流输入端L_C型头，将中心棒2插入L_C型头的中心，并拧紧固定，这样Lc型头的芯和中心棒就成为一体的了；将绕制好100匝线圈的铁芯穿过中心棒2，并固定在中心棒2上(实施时，可以将绝缘泡沫塞到铁芯7上绕组8和中心棒2的空隙处，使其固定)。将N型头通过绝缘垫片6固定在外壳10上(绝缘垫片6的作用是使N型头的皮和外壳10绝缘)，达到N型头与的外壳10隔离的目的，将100匝线圈的两端分别焊接到N型头的芯和皮上(具体来说，外壳10为圆筒形状，将外壳10上用铣床洗出一个2.6cm*2.6cm的平台，在平台上钻和N型头对应的通孔，其中一个为中心位置上的通孔，为N型头的芯和铁芯上绕组8的一端连接，并与外壳10绝缘，其他四个孔用带有绝缘套管的螺丝固定，铁芯上绕组8的另一端固定在带有绝缘套管的一个螺丝上。)，将外壳10固定在左端盖1和右端盖9上，中心棒2的另一端通过螺纹固定在右端盖9上。将1A标准分流器接到同轴穿心感应式电流变比器的N型头上(N型头带有和标准分流器直接配合的螺纹)，即将标准分流器的两个电流端分别接到N型头的芯和皮上，组成感应式电流电压变换器，该感应式电流电压变换器的输入端是同轴穿心感应式电流变比器的输入端，其输出端是标准分流器的电压端(标准分流器为四端电阻)。图2和图3中的a、b为电流端，分别为同轴穿心感应式电流变比器的一次端的电流输入端和电流输出端，即图1所示的同轴穿心感应式电流变比器的中心棒2和Lc型头的皮3；N型头的芯和皮作为二次端的电流输入端和电流输出端，流过标准分流器构成电流回路，图3和图4中的c、d为电压端，测量c、d两端的电压就得到标准分流器上的电压。

本实施例中，利用本发明感应式电流电压变换器测量高频电流的方法具体如下：

第一步，首先将待测的交流电流源与感应式电流电压变换器和标准电阻采用如图2所示的线路连接好，此交流电流源输出100A，100kHz电流信号，然后用交流电压表分别读取所述感应式电流电压变换器的输出电压值U₁和标准电阻上的电压值U₂，根据公式(1)计算出感应式电流电压变换器的等效阻值R：

$R=\frac{U_1\·R_S}{U_2}---\left(1\right)$

(1)式中：R_S为标准电阻的阻值。

第二步，将待测的交流电流源与感应式电流电压变换器用如图3所示的线路连接，交流电流源输出100A，100kHz电流信号，用交流电压表读取感应式电流电压变换器的输出电压值U，根据公式(2)计算出交流电流源输出的实际值。

$I=\frac{U}{R}---\left(2\right)$

(2)式中：

R：感应式电流电压变换器的等效阻值R。至此就完成了高频电流的测量。

图2和图3中都是同一个交流电流源，也就是提供被测的交流电流的电流源。

另外，通过更换连接在同轴穿心感应式电流变比器输出端的标准分流器可以实现对不同输入电流的精确测量，具体如下：

利用电流互感器原理将电流经同轴穿心感应式电流变比器转变为容易实现测量的电流，将标准分流器与同轴穿心感应式电流变比器的输出端连接，通过测量标准分流器两端的电压，得到流过标准分流器的电流。然后算出电流源实际输出电流值。通过更换同轴穿心感应式电流变比器输出端的分流器可以实现对不同输入电流的精确测量。

(1)确定固定在N型头上的标准分流器的阻值。根据待测电流I_测大小和铁芯7上绕组8的匝数N，计算变比后电流的大小，再由变比后电流的大小确定标准分流器的阻值。一般标准分流器的额定输出为0.8V。由公式(4)计算所需标准分流器的阻值大小：

(2)将高频大电流通过L_C型头，经铁芯线圈变比成容易测量的小电流，通过N型头将小电流输出到标准分流器上测量标准分流器上的压降U_R。由公式(5)计算所需高频电流(即能够测的高频电流)的大小：

$I=\frac{U_R}{R}\·N---\left(5\right)$

本发明的感应式电流电压变换器的功耗小，对电流源输出功率的要求较低。例如实现100A电流的测量，用0.8V电压输出的的标准分流器，此时功耗为80瓦，利用本发明将电流变为1A，用0.8V电压输出的的标准分流器，此时功耗为0.8瓦。由于功耗小，本发明电流电压变换器本身产生热量小，其电流线性和频率特性好。灵活性好、方便制作，经济实用性强。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (8)

1.一种感应式电流电压变换器，其特征在于：所述感应式电流电压变换器包括同轴穿心感应式电流变比器和标准分流器；

所述同轴穿心感应式电流变比器包括外壳(10)和安装在所述外壳(10)内的中心棒(2)、圆环形铁芯(7)和绕在所述铁芯(7)上的线圈(8)；

所述外壳(10)为圆筒结构，在其两端分别安装有左端盖(1)和右端盖(9)；所述左端盖(1)和右端盖(9)分别将所述外壳(10)的两端封闭；

所述中心棒(2)与所述外壳(10)同轴线设置，所述铁芯(7)套在所述中心棒(2)上，与所述中心棒(2)同轴线设置，并固定在所述中心棒(2)上；

在所述外壳(10)的外表面上设有平台，在该平台上固定有N型头；所述标准分流器通过所述N型头与所述同轴穿心感应式电流变比器连接。

2.根据权利要求1所述的感应式电流电压变换器，其特征在于：在所述左端盖(1)的中心位置固定有Lc型头，所述中心棒(2)的一端穿过并固定在所述Lc型头的中心处，作为Lc型头的芯，另一端固定在所述右端盖(9)上。

3.根据权利要求2所述的感应式电流电压变换器，其特征在于：所述N型头与所述外壳(10)之间设有绝缘垫片(6)。

4.根据权利要求3所述的感应式电流电压变换器，其特征在于：在所述平台上开有通孔，所述线圈(8)的一端穿入所述通孔中与N型头的芯(4)连接，另一端与N型头的皮(5)连接。

5.根据权利要求4所述的感应式电流电压变换器，其特征在于：所述感应式电流电压变换器的电流输入端和电流输出端分别是所述同轴穿心感应式电流变比器的一次端的电流输入端和电流输出端，即中心棒(2)和Lc型头的皮(3)；

所述同轴穿心感应式电流变比器的二次端的电流输入端和电流输出端分别是所述N型头的芯(4)和N型头的皮(5)。

6.根据权利要求5所述的感应式电流电压变换器，其特征在于：所述N型头上带有和标准分流器直接配合的螺纹，所述标准分流器通过该螺纹连接到所述N型头上。

7.根据权利要求6所述的感应式电流电压变换器，其特征在于：所述标准分流器为四端电阻，其两个电流端分别接到N型头的芯(4)和N型头的皮(5)上；其两个电压端分别构成所述感应式电流电压变换器的两个电压端。

8.一种利用权利要求7所述的感应式电流电压变换器实现高频电流测量的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

第一步，首先将所述感应式电流电压变换器和标准电阻串联连接后连接到待测交流电流源的两端构成回路，然后用交流电压表分别读取所述感应式电流电压变换器的输出电压值U₁和标准电阻上的电压值U₂，根据公式(1)计算出所述感应式电流电压变换器的等效阻值R：

$R=\frac{U_1\·R_S}{U_2}---\left(1\right)$

(1)式中：R_S为标准电阻的阻值；

第二步，首先将所述感应式电流电压变换器的两个电流端分别连接到待测交流电流源的两端构成回路，然后用交流电压表读取所述感应式电流电压变换器的输出电压值U，根据公式(2)计算出待测交流电流源的实际输出电流值I，实现了高频电流测量：

$I=\frac{U}{R}---\left(2\right)$

(2)式中：R为通过第一步得到的所述感应式电流电压变换器的等效阻值。

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