CN103180742B - Rogowski线圈组装件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于高频电流的测量的Rogowski线圈组装件（1），其包括以回顾性阻抗影响减小耦合串联设置的线圈段（3）。

Description

Rogowski线圈组装件

技术领域

本发明涉及特别地用于在特别用于测量高频电流的电流测量设备（例如Rogowski传感器）中使用的Rogowski线圈组装件。

背景技术

在目前的工艺水平中Rogowski线圈是众所周知以提供测量和感测电系统中给定点处的电流流动的可靠手段。

它的功能基于以下事实：流过导体的电流产生磁场，其进而在线圈中感应电压。这基于法拉第定律，其阐明“在闭合电路中感应的电动势与链接电路的总磁通的时间变化率成比例”。

Rogowski线圈一般由盘绕或缠绕在非磁性的芯上的导体制造，所述非磁性的芯例如可以是空气或非磁性的材料。

线圈可环绕其电流要用线圈测量的导体来放置或弯曲。

然而，当试图将长的Rogowski线圈用于在需要大的带宽的MHz范围内测量和感测电流时出现物理问题。

实际上，Rogowski线圈的带宽取决于绕组数量、长度和横截面，而灵敏性取决于每长度的绕组数量和横截面。

因此，在需要具有大的带宽的长Rogowski线圈的一些应用中，每长度的绕组数量或横截面减少，从而导致对于一些应用是不能接受的较低灵敏性。

已经实施一些特定尝试来克服该问题。

文献WO0072027公开了电流传感器，其具有非常复杂的绕组方案以便减少磁干扰场并且从而实现在高频的良好灵敏性。

文献WO9848287提出一种设备，其具有宽的通带以用于通过使用Rogowski线圈和若干磁场检测器（例如霍尔传感器）的特定组合测量导体中的电流强度，其中处理器组合测量结果的所有信息以便在高频带中实现有关的响应。

然而，由于它们的复杂性和结构，这些解决方案不令人满意。

另外，如在US7,102,379中描述的，当例如对故障检测来监测电机的轴电流时它们似乎不适合。实际上，当火花侵蚀在轴上发生时，可在1.5MHz至40MHz的频率带宽内在轴电流的时间信号中观察到尖峰，轴典型地具有0.6至1.5m的直径。

发明内容

本发明提出更简单且更不昂贵的解决方案，其允许构造具有可期望长度的Rogowski线圈，其甚至在MHz频带中仍具有高灵敏性。

这通过用于高频电流的测量的Rogowski线圈组装件（其包括以回顾性阻抗影响减小耦合串联设置的线圈段）实现。

从而，Rogowski线圈组装件由至少两个线圈段形成，两个段的长度总和近似是能够围绕其电流应该被测量的导体的Rogowski线圈组装件的总长度。

这样的设置的效应是可单独评估每个线圈段的贡献并且这些段各自至多对先前或随后的线圈段有小的影响，而线圈段的串联设置起到一个Rogowski线圈的作用。

用德语称为的回顾性阻抗影响减小耦合将被限定使得信号流主要在段的输入和输出之间实现。

这允许选择具有高灵敏性和大的带宽的线圈段，整个Rogowski组装件具有与这些线圈段的灵敏性和带宽相当的灵敏性和带宽。

根据一个实施例，至少两个线圈段通过信号去耦电路串联连接到彼此，其中一个线圈段的输出连接到信号去耦电路的输入并且随后的线圈段的输入连接到信号去耦电路的输出。

根据一个方面，信号去耦电路包括具有高输入阻抗和低输出阻抗的阻抗转换电组件，其中一个线圈段的输出连接到阻抗转换电组件的输入并且随后的线圈段的输入连接到阻抗转换电组件的输出。

由于阻抗转换电路，后面的段的输入阻抗对先前的段的输出信号的影响被最小化并且因此允许实现Rogowski线圈组装件的重要的总长度同时保障高灵敏性和宽的频率带宽。

根据本发明的另一个方面，阻抗转换电组件是安装为电压跟随器的运算放大器。

根据另一个方面，阻抗转换电组件的输入阻抗高于或等于1MΩ并且阻抗转换电组件的输出阻抗小于或等于1Ω。

根据另一个方面，阻抗转换组件可以包括具有高阻抗输入和低阻抗输出的电差分放大器。

在一个实施例中，阻抗转换电组件包括运算放大器和作为分压器串联的两个电阻，其中安装该运算放大器和该分压器作为非反相放大器并且线圈段的输出连接到运算放大器的非反相输入并且线圈段的输入连接到分压器的输入。

因此，可以利用的是，单独线圈段包括电放大器，其放大由段的一个或多个线圈产生的信号。

根据另一个实施例，信号去耦电路包括信号转换器，其具有电输入信号通道和电输出信号通道。

关于一个方面，信号转换器包括至少一个光电转换器，其具有电输入信号通道和电输出信号通道。

关于另一个方面，信号转换器包括高频转换器，其具有电输入信号通道和电输出信号通道。

关于另一个可能性，信号转换器包括A/D-D/A转换器。

本领域内技术人员将理解的是，在这些情况下，在一个段的输出与随后的段的输入之间发生几乎完全的电去耦。

根据另一个方面，至少一个线圈段包括第一和第二线圈，其串联连接并且缠绕使得每个线圈的感应电压相加，信号去耦电路5包括第一运算放大器70、第二运算放大器74和全差分放大器72，第一线圈的一个末端连接到具有增益A的第一运算放大器的非反相输入并且第二线圈的另一个末端连接到第一运算放大器的反相输入的输入，第一运算放大器的输出连接到明显地具有单位增益的全差分放大器的非反相输入，所述全差分放大器的输出是线圈段的输出，全差分放大器的反相输入连接到具有单位增益的第二运算放大器的输出，所述第二运算放大器的非反相和反相输入连接到先前的线圈段的输出。

根据另一个方面，线圈段环绕非磁性的芯缠绕并且返回导体被引导穿过该芯。

此外，低通滤波器（特别是阻尼电阻）一方面可在一个线圈段的输出与阻抗转换电组件的输入之间并且另一方面在所述一个线圈段的输出与返回导体之间连接。

根据另一个方面，芯由弹性、合成、非导电材料制成，特别地由聚亚安酯制成。

根据另一个方面，芯具有中空中心以及在该中空中心与芯的外周之间径向取向的纵向缝隙。

另外，芯可用具有与线圈段的长度相同的长度的芯段来建造。

在另一个发展中，芯段可通过分别固定到一个芯段和随后的芯段的互补按扣而机械连接到彼此。

这些按扣例如由硬塑料制成。

根据另一个方面，阻抗转换电组件容置在芯中。

备选地，阻抗转换电组件容置在按扣中。

Rogowski线圈组装件的总长度可被包括在1.75m与5m之间。

根据一个示例，一个芯段具有大约16mm的芯直径、大约50cm的长度和大约50个绕组。

本发明还涉及电流测量设备，其包括如上文描述的Rogowski线圈组装件。

此外，本发明涉及用于在操作期间电机的监测和/或分析的轴侵蚀监测装置，其包括如上文描述的电流测量设备。

在一实施例中，所述信号去耦电路包括信号转换器，其具有电输入信号通道和电输出信号通道。

在一实施例中，所述信号转换器包括来自下列组的至少一个要素：

－光电转换器，其具有电输入信号通道和电输出信号通道，

－高频转换器，其具有电输入信号通道和电输出信号通道，

－A/D-D/A转换器。

在一实施例中，至少一个线圈段包括第一和第二线圈L1，L2，其串联连接并且缠绕使得每个线圈L1，L2的感应电压相加，并且所述信号去耦电路包括第一、第二运算放大器以及全差分放大器，所述第一线圈L1的一个末端连接到具有增益A的第一运算放大器的非反相输入并且所述第二线圈L2的另一个末端连接到所述第一运算放大器的反相输入的输入，所述第一运算放大器的输出连接到明显地具有单位增益的全差分放大器的非反相输入，所述全差分放大器的输出是线圈段的输出，所述全差分放大器的反相输入连接到具有单位增益的第二运算放大器的输出，所述第二运算放大器的非反相和反相输入连接到先前的线圈段的输出。

在一实施例中，特别是阻尼电阻的低通滤波器一方面在一个线圈段的输出与所述信号去耦电路的输入之间并且另一方面在一个线圈段的输出与返回导体之间连接。

附图说明

-图1是根据第一实施例的Rogowski线圈组装件的一般示意表示，

-图2是图1的Rogowski线圈组装件的电路图的一示例，

-图3是图2的Rogowski线圈段的示意图，

-图4示出形成Rogowski线圈组装件的若干Rogowski线圈段的串联连接，

-图5是根据另一个示例的Rogowski线圈组装件的电路图，

-图6是根据另一个示例的图的Rogowski线圈段的示意图，

-图7是具有根据图6的线圈段的Rogowski线圈组装件的电路图的一示例，

-图8示出Rogowski线圈段的横截面的一示例，

-图9是根据第二实施例的Rogowski线圈段的一般示意表示，

-图10是图9的Rogowski线圈段的电路图的一示例，

-图11示出具有使用Rogowski线圈组装件的电流测量单元的电厂的发电机的简化方案，

-图12是设置在电机的轴周围的Rogowski线圈组装件的示意横截面图。

具体实施方式

图1是根据第一实施例的特别用于高频电流测量的Rogowski线圈组装件的一般示意表示。

如可以在图1上看到的，Rogowski线圈组装件1包括至少机械串联设置的至少两个线圈段3。应该理解可以将多于两段（例如三或四段）以导体的周长的长度需要的函数来至少机械组装在一起，Rogowski线圈组装件应该环绕所述导体来弯曲。

线圈段可以视为具有其输入和输出的单独线圈。线圈段装配在一起（如在下文描述的）以形成整个Rogowski线圈组装件。

这些线圈段3不直接而通过回顾性阻抗影响减小耦合连接到彼此。因此，输出信号将包含对电流测量的线圈段3的至少部分贡献。

如果在线圈段3的输入处，配备先前的段的输出，响应将对应于线圈段3的部分贡献和输入的总和。

更详细地，至少两个线圈段3通过信号去耦电路5串联连接到彼此，其中一个线圈段3的输出连接到信号去耦电路5的输入并且随后的线圈段的输入连接到信号去耦电路5的输出。

在图2中示出根据第一示例的Rogowski线圈组装件1的电路图。

如可以在图2上看到的，Rogowski线圈组装件1包括至少两个线圈段3。

Rogowski线圈段3通过信号去耦电路5连接到彼此。

在该示例中，信号去耦电路5包括阻抗转换电组件5，其在输入7处具有高输入阻抗并且在输出9处具有低输出阻抗，其中一个线圈段3的输出11连接到阻抗转换电组件的输入7并且随后的线圈段3的输入13连接到阻抗转换电组件5的输出9。

例如，阻抗转换电组件5的输入阻抗高于或等于1MΩ并且阻抗转换电组件5的输出阻抗小于或等于1Ω。

这可在将安装为电压跟随器的运算放大器用作阻抗转换电组件中实现，如在图2中示出的。

这样的组装件允许安装具有能修改长度的Rogowski线圈组装件，其中带宽和灵敏性以及测量精度保持恒定。

在这样的组装件1中，随后的线圈段的输入阻抗关于先前的线圈段的输出信号的影响被最小化。

这样的Rogowski线圈段在图3中示出。

典型地，对于一个段，Rogowski线圈段3的芯直径d是大约16mm，长度l是大约50cm并且一个段具有大约50个绕组（为了简单起见，在图3中仅表示一些绕组）。

另外，为了减少外部磁场扰动，返回导体19被引导穿过芯。

现在返回到图2，还示出第一和最后的Rogowski线圈段通过安装为电压跟随器并且起到阻抗转换电组件5的作用的运算放大器来连接到测量端21和23。

在图4中示出形成Rogowski线圈组装件的若干Rogowski线圈段的串联连接。

这样的Rogowski线圈组装件的总长度可被包括在1.75m（4个Rogowski线圈段连接在一起）与5m（10个Rogowski线圈段连接在一起）之间，从而允许围绕具有0.6m至1.5m直径的导体（电机的轴）。

在图5中示出的另一个示例中，其与图2至4中示出的那些差别在于低通滤波器25（特别是阻尼电阻Rd），其一方面在一个线圈段3的输出11与阻抗转换电组件5的输入7之间并且另一方面在一个线圈段3的输出11与返回导体19之间连接。

这样的阻尼电阻可以用于减少可能出现的谐振现象。实际上，可能发生的是，测量信号所位于的频率范围越高，测量链的灵敏性由于谐振效应而以不成比例的方式上升。

关于先前的示例，未放大一个线圈段3的输出。

在图6中示出具有信号放大的线圈段的一示例。

根据该示例，阻抗转换电组件5包括作为分压器串联的两个电阻R1、R2和运算放大器，其中安装该运算放大器和该分压器作为非反相放大器并且线圈段的输出连接到运算放大器的非反相输入并且线圈段的输入连接到分压器R1/R2的输入。

在该情况下，U_in是Rogowski线圈段3的输入电压，特别是先前的段3的输出电压，并且U_out是Rogowski线圈段3的输出电压。

在该情况下，运算放大器输出处的放大是

A=（R1+R2）/R2

图7示出具有根据图6的三个线圈段的Rogowski线圈组装件的电路图的一示例。

U_out是Rogowski线圈组装件1的输出电压。

现在返回到图1，信号去耦电路5根据另一个示例可包括信号转换器，其具有电输入信号通道和电输出信号通道。

根据一个示例，信号转换器包括A/D-D/A转换器。

根据另一个示例，信号转换器仅包括A/D转换器并且所有线圈段3的数字结果在数字处理单元（例如微处理器）中异地（atdistance）加和。

关于另一个方面，信号转换器包括至少一个光电转换器，其具有电输入信号通道和电输出信号通道。在该情况下，电信号被转换成光信号并且然后转换回电信号。

从电信号到光信号的转换可以是直接地或通过A/D和D/A转换器。

在该情况下，可实现几乎完全的电去耦。

根据另一个示例，信号转换器包括高频转换器，其具有电输入信号通道和电输出信号通道。

这样的高频转换器可包括具有小的HF变压器（其具有例如用作耦合器的铁氧体芯）的去耦链路，其将由一个线圈段（和例如由放大器放大的功率）接收的Hf信号直接传送到下一个线圈段，或它可以是具有例如1.5GHz载波频率和频率调制的无线电传送链路。

在利用信号转换器的所有解决方案的情况下，应该记住牵涉的信号频率高达5MHz或更多，并且因此将需要具有至少10比特的分辨率的高取样率（例如，50MSample/s）。

在图8中示出Rogowski线圈段的横截面的一示例。

如可以在该图中看到的，线圈段环绕非磁性的芯30缠绕并且返回导体19被引导穿过芯。

芯由弹性、合成、非导电材料制成，特别地由聚亚安酯制成并且具有中空中心32以及在该中空中心32与芯36的外周之间的径向取向的纵向缝隙34。

芯可用具有与线圈段3的长度相同的长度的芯段来建造。

为了Rogowski线圈组装件安装的便利，芯段通过分别固定到一个芯段和随后的芯段的可由硬塑料制成的互补按扣（未表示）而机械连接到彼此。

根据一个方面，信号去耦电路5可容置在芯中，如在图8中示出的。

备选地，信号去耦电路5还可容置在按扣中。

按扣还可包括电连接器以便不仅确保机械连接还确保电连接。

图9涉及第二实施例并且以4-极表示来示出后跟信号去耦电路5的线圈段3的一般表示，其具有一个输入端口和一个输出端口。

图10示出具有采用对称差分设计的信号放大的线圈段的一实施例。

如在图10中示出的，线圈段3包括第一和第二线圈L1&L2，其串联连接并且缠绕使得每个线圈L1和L2的感应电压u₁和u₂相加。

信号去耦电路5包括第一运算放大器70、第二运算放大器74和全差分放大器72。

第一线圈L1的一个末端连接到具有增益A的第一运算放大器70的非反相输入并且第二线圈的另一个末端连接到第一运算放大器70的反相输入的输入。

第一运算放大器70的输出连接到全差分放大器72（明显地具有单位增益）的非反相输入。

所述全差分放大器的输出是线圈段3的输出。

全差分放大器72的反相输入连接到具有单位增益的第二运算放大器74的输出。

所述第二运算放大器74的非反相和反相输入经由双绞线线缆或同轴线缆76连接到先前的线圈段3的输出。

在该情况下，

U_out=U_in+A*（u1+u2）

图11和12示出这样的Rogowski线圈组装件的一可能应用。

图11示出安装在可以在轴承56中旋转的相同轴54上的涡轮机50和发电机52的一简化方案。

如已经在US7,102,379中公开的，来自轴电流的尖峰检测可指示轴上的火花侵蚀。在图中，轴电流由箭头57表示。

为了这样的电机的监测和/或分析，使用一种电流测量设备58，其包括环绕轴弯曲的上文描述的Rogowski线圈组装件1（参见图12，其示意地示出环绕轴54组装在一起的四个Rogowski线圈段3）。

可以理解本发明允许容易地修改Rogowski线圈组装件的长度同时具有大的带宽和良好的测量灵敏性和精度。

Claims (9)

1.一种Rogowski线圈组装件（1），用于高频电流的测量，其包括以回顾性阻抗影响减小耦合串联设置的线圈段（3），

其中，至少两个线圈段（3）通过信号去耦电路而串联连接到彼此，其中一个线圈段（3）的输出连接到所述信号去耦电路（5）的输入并且随后的线圈段的输入连接到所述信号去耦电路（5）的输出，

其中，所述信号去耦电路包括具有高输入阻抗和低输出阻抗输出的阻抗转换电组件（5）。

2.如权利要求1所述的Rogowski线圈组装件，其中，所述阻抗转换电组件（5）是安装为电压跟随器的运算放大器。

3.如权利要求1所述的Rogowski线圈组装件，其中，所述阻抗转换电组件（5）包括运算放大器和作为分压器串联的两个电阻，其中，安装所述运算放大器和所述分压器作为非反相放大器并且所述线圈段的输出连接到所述运算放大器的非反相输入并且所述线圈段的输入连接到所述分压器的输入。

4.如权利要求1至3中任一项所述的Rogowski线圈组装件，所述线圈段（3）环绕非磁性的芯缠绕，其中返回导体（19）被引导穿过所述芯。

5.如权利要求4所述的Rogowski线圈组装件，其中，所述芯（30）具有中空中心（32）和在所述中空中心（32）与所述芯的外周（36）之间径向取向的纵向缝隙（34）。

6.如权利要求4所述的Rogowski线圈组装件，其中，所述芯用具有与所述线圈段的长度相同的长度的芯段来建造。

7.如权利要求6所述的Rogowski线圈组装件，其中，所述芯段通过分别固定到一个芯段和随后的芯段的互补按扣而机械连接到彼此。

8.一种电流测量设备，包括如权利要求1至3中任一项所述的Rogowski线圈组装件（1）。

9.一种轴侵蚀监测装置，用于在操作期间电机的监测和/或分析，其包括如权利要求8所述的电流测量设备（58）以用于轴电流的检测。