CN1031427A

CN1031427A - 直流电流传感器

Info

Publication number: CN1031427A
Application number: CN 88106087
Authority: CN
Inventors: 杜厚金; 李静新
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-08-13
Filing date: 1988-08-13
Publication date: 1989-03-01
Also published as: CN1016816B

Abstract

一种多通道多气隙霍尔检测式直流电流传感器，它在普通矽钢片做的测量磁路中绕有交流线圈，直接用50Hz或振荡方法产生交流电感生的交变磁力线消减测量磁路中的剩磁到万分级。只用1-8个气隙，每个气隙都装霍尔元件。霍尔元件选用稳定可靠器件且单独补偿，补偿元件与霍尔元件放在一起组成组件，固定在气隙中，本传感器结构简单，体积小，重量轻、精度0.5％，功耗小，温度附加误差＜0.1％/10℃，价格低，安装、校准、调试、维护均十分方便。

Description

本发明涉及电力输送检测技术领域，特别是与冶金、化工、电力机车等工业部门直流大电流测量技术有关。

电解、电冶、大型整流站网等工业、交通部门，要用强大的直流电能进行生产，这些部门消耗的电能，占我国总发电量的25%以上。所以，研究如何改进直流强电系统的测试和计量方法，提供准确可靠的计量仪器和设备，为提高电解效率和整流效率提供有效工具，是研究节能技术的有效措施之一。

目前国内使用的直流大电流传感器，大部分是直流互感器和分流器，其共同特点是现场计量准确度偏低，功耗太大，笨重、拆装、校验十分不便，且量程受限制。此外，直流互感器线性度差，易受外磁场影响。50年代西德西门子公司研制成功一种采用霍尔元件作为检测元件的霍尔检测式直流互感器、测量准确为0.2级，结构简单、开口方式、无反馈线圈、缺点是太笨重，虽比前述直流互感器和分流器功耗低，但功耗还是较大。美国专利US3323056采用霍尔元件作为检零元件的霍尔检零式零磁通互感器，测量准确度可达0.2%读数+0.05%～0.2%满度值，量程达240KA，是至今较好的直流大电流传感器，它的缺点是需要安匝补偿线圈和比较庞杂的电流控制设备，量程越大、这个缺点就显得越突出、现场校正也十分困难、且价格昂贵。1985年华中工学院和武汉新华仪表元件厂共同研制成功的ZDY-100KA及其系列高精度，低功耗直流大电流传感器，采用了磁屏蔽和多气隙、多通道方式，防磁性能较好，体积小、重量轻、节省原材料，功耗比直流互感器低99.8%。缺点是气隙多达60-300个，漏磁大，其中只有4-8个气隙有检测元件，因此外磁场及导电母排大小带来很大误差。其温度补偿方法也不当，元件在磁路中，而补偿在电路板上，传感器装在室外时，昼夜误差有的达2%。

本发明的目的是要克服上述传感器的不足，设计一种精度高、体积小、重量轻、功耗低、温度稳定性好的直流电流传感器。

本发明的直流电流传感器是ZDY系列直流电流传感器的改进，改进的第一个技术措施是只用1-8个气隙，每个气隙都安放霍尔元件、用普通矽钢片做检测磁路，在测量磁路中绕有交流线圈，直接用50HZ或振荡方法产生的微小交流电感应的磁场，使测量磁路中剩磁减少至万分级。

本发明改进的第二个技术措施，为减小温度附加误差，对受温度影响最大的霍尔元件单独补偿，其补偿元件（温敏元件）与霍尔元件放在一起组成组件、固定在气隙中，在电路上用高精度集成块和恒温槽，使温度附加误差在10℃万分级水平，扩大使用温度范围可达-40～+60℃。且选用的霍尔元件是磁线性度≤0.05%，工作电流在1mA左右恒流，并在5mA100℃老炼48小时稳定的器件。

本发明采用上述措施，保留了ZDY系列直流大电流传感器的优点，克服了它漏磁大、温度附加误差大的缺点。其传感器结构简单，稳定可靠，重量轻、体积小、价格低廉，安装、校准、调试、维护等十分方便，精度高，用电量2瓦左右，且与量程无关，配套性强，能实现智能化。采用一台本发明的100KA传感器替换一台直流互感器，每年可节电11.4万度。

根据本发明的基本原理，可设计出不同测量量程的一系列直流电流传感器。

图1是50A～1KA直流电流传感器（ZDL-1型）的外型图。

图2是ZDL-1型传感器部分的铁心结构及交直流磁力线走向示意图。

图3是100A～-3KA直流电流传感器（ADL-3型）的外型图。

图4是ZDL-3型传感器传感部分的铁心结构及交直流磁力线走向示意图。

图5是6KA～100KA直流电流员感器（EDL-Z型）的外型图。

图6是ZDL-Z型传感器传感部分的铁心结构及交流直流磁力线走向示意图。

图1～6中各标号代表的名称是：1传感器外壳，2导电母排，3传感部分，4测量放大器电路部分，5电路盒，6固定脚，7前层铁心，8铁心（图4中表示后层铁心），9交流磁力线，10直流磁力线，11气隙与霍尔元件，12交流线圈，13铁心开口，14被测导电母排。I_A交流电流，I_D被测直流电流。

下面结合图2、4、6进一步叙述本发明原理。如图2所示，在被测直流电流所产生的直流磁场中预先加有交变磁场，即在交流去磁线圈12中加入很小的交流电流I_A，在磁路中产生交变磁力线9为闭合磁路，且走遍整个铁心8，气隙11的磁阻比较大，不会有多大交流分量。整个磁路铁心8采用高导磁矽钢片叠制而成，磁路是具有1-2个气隙的均匀磁路，每个气隙中放置霍尔元件。霍尔元件为磁敏器件，其输出电压为V_H＝S_M·I·BSin∮，其中S_H为灵敏度mv/mA·KGS，I为器件的工作电流，B为被测直流电流在磁路中产生的磁感应强度，Sin∮为B与器件平面垂直线的夹角的正弦，当S_H、I、Sin∮确定时，则V_H正比于B值。本发明选用磁线性度≤0.05%霍尔元件，其工作电流在1mA左右恒流，并在5mA100℃下老炼试验48小时，稳定可靠的霍尔元件，将它与热敏阻件组合成对环境温度影响≤±0.05%/10℃的组件，牢固地固定于气隙中。被测电流的导线14套在磁心8的中心柱上，可以是1匝或多匝，所产生的直流磁力线10必定通过气隙11。在气隙11中与磁力线垂直放置霍尔元件，外干扰磁场对该磁路的作用可认为是检测元件的周围有闭合磁路作屏蔽，所以抗外磁能力强。

图4基本原理与图2相同，铁心分为前层铁心7，后层铁心8两层，在下将两层左右各自结合，可以做成1-2个气隙，在气隙11中放置霍尔元件，在交流线圈12中加交流电I_A所产生的交变磁力线9，在前层铁心7中为逆时针方向，经结合部到后层铁心8则为顺时针方向。整个为闭合磁路，而被测直流I_D所产生的直流磁力线10必须通过气隙11中的霍尔元件，取其测量或控制讯号。

图6中基本原理同前，铁心8做成直角形和直边形两种时则量程大，框架大时直角、直边两种一起组合。气隙11有2-8个。每段铁心均加交流线圈12，对交流磁力线9而言各自封闭。而被测直流电ID所产生的磁力线10则要通过每个气隙11，在气隙11中放置霍尔元件，取其I_D所感生的讯号电压，将全部霍尔输出电压求和放大后所输出的电压值或电流值正比于I_D，再加在配套的数字显示二次仪表或智能测量仪上直接显示出来，和实现自动控制。

如果将作为去剩磁用的交流线圈两端的交流电压，采用恒压，则流过线圈的I_A则随I_D同相变化，将I_A取出经求和放大处理也可取出讯号作为测量与控制I_D用。ZDL-Z型用两套检测电路，以实现自校自检目的和保证仪器可靠工作。

按本发明原理设计的传感器，其主要技术指标列于表1。

表1 本直流电流传感器主要技术指标

按本发明原理设计制造的系列传感器与国内外直流电流测量器的技术对比列于表2。

表2 本传感器与国内外同类产品技术对比

本发明的直流电流传感器经武汉市三五仪表厂电磁测量研究所试验，其结果列于表3、表4。

表3 ZDL-1型直流电流传感器的试验数据

一、温度试验

温度℃	零点	满度
			25	0.000V	5.000V
60	0.035V	4.997V
			温度附加误差	0.9%/10℃	0.015%/10℃

二、精度试验量程0～30A 输出0～5.000V

上升标准值 0.000 0.500 1.000 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000

实测值（V） 0.000 0.498 1.496 1.997 2.499 2.998 3.499 3.998

标准值 4.500 5.000 6.000

实测值（V） 4.498 4.997 5.992

下降标准值 5.000 4.500 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500

实测值（V） 5.003 4.503 4.003 3.502 3.001 2.501 2.001 1.502

标准值 1.000 0.500 0.000

实测值（V） 1.000 0.500 0.001

无去剩磁标准值 0.000 5.000 5.000 0.000

（V）上升下降

实测值 0.000 4.856 4.982 0.120

表4 ZDL-2型直流电流传感器试验数据

一、温度试验温度℃ 零点满度

30 0.0000V 1.0000V

70 -0.0004 1.0018V

温度附加误差 -0.01%/10℃ 0.045%/10℃

二、精度试验量程0～6000A 输出0～1.0000V

上升标准值 0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000

实测值（V） 0.0000 0.1004 0.2006 0.3004 0.4004 0.5000

标准值 0.6000 0.7000 0.8000 0.9000 1.0000

实测值（V） 0.5997 0.6995 0.7994 0.8993 0.9993

标准值 1.000 0.9000 0.8000 0.7000 0.6000

下降实测值（V） 0.9998 0.8995 0.7995 0.6998 0.6001

标准值 0.5000 0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 0.0000

实测值（V） 0.5004 0.4007 0.3006 0.2006 0.1004 0.0001

Claims

1、多通道多气隙霍尔检测式直流电流传感器，其特征是：

a、在普通矽钢片做的测量磁路中绕有交流线圈，直接用50HZ或振荡方法产生交流电感生的交变磁力线消减测量磁路中的剩磁到万分级。

b、用1-8个气隙，每个气隙都装霍尔元件。

2、如权利要求1的直流电流传感器，其特征是霍尔元件单独补偿，补偿元件（热敏元件）与霍尔元件放在一起组成组件，固定在气隙中，并在电路上用高精度集成块或恒温槽、使温度附加误差在10℃万分级。

3、如权利要求1或2的直流电流传感器，其特征是选用的霍尔元件是磁线性度≤0.05%，其工作电流在1mA左右恒流，且在5mA100℃下老炼48小时稳定的器件。