CN104849532A - 一种精密电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种精密电流传感器，包括闭环铁芯以及分别绕制在所述闭环铁芯两侧的绕组，其中一侧绕组与采样电阻相连；所述闭环铁芯包括同轴设置的主铁芯和辅助铁芯。本发明提供的技术方案有效实现了传感器输入输出信号的电气隔离，大大提高了电流测量的安全性和准确性，可用作电流精密测量用传感器，也可作为检定/校准普通电流电压传感器的标准装置使用。本发明相比单级结构，可将电流转化精度提升1-2个数量级；提高了测量的安全性和整体准确性。

Description

一种精密电流传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种将被测电流转换为电压进行测量的精密电流传感器。

背景技术

在电工测试领域，对电流的测量通常是将其转换成电压信号后进行测量，因此电流电压转换精度是影响电流测量准确性的关键技术。目前，采样电阻和分流器是常用的两种电流电压转换器件，用于交直流转换和交流功率测量中。但在测量回路串联采样电阻或分流器测量电流时会改变测量回路的负载阻抗，从而影响测量精度，而且电流回路与测量回路没有电气隔离，在对安全要求较高的场合不适合使用。此外，随着智能电网的建设和变电站自动化技术的快速发展，电子式互感器成为承担智能变电站信息化、数字化、自动化、互动化任务的关键设备之一，在数字化、智能化及安全性等方面显示出了独特的优势。而作为计量装置，误差校验技术是保证其计量性能的关键技术。在对电子式电流互感器的校验中，需要把工频电流比例标准装置的二次电流(额定电流为5A或1A)转化为便于数字化的电压信号(一般低于5V)，其电流电压转换精度直接影响误差校验结果的准确性。

目前常用的做法是在单级电流互感器二次绕组接入精密采样电阻实现电流电压转换。由于单级电流互感器的准确度难以优于0.01级，且采样电阻阻值受电流互感器负载特性的约束，不能灵活选取。无法满足对电流电压转换精度要求很高的应用场合。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种精密电流传感器，通过将输入电流与输出电压进行精确的转换，实现对输入电流准确测量的同时，完成输出电压与被测电流回路的电气隔离。

本发明提供的技术方案是：一种精密电流传感器，包括闭环铁芯以及分别绕制在所述闭环铁芯两侧的绕组，其中一侧绕组与采样电阻相连；其改进之处在于：所述闭环铁芯包括同轴设置的主铁芯和辅助铁芯。

优选的，所述绕组包括一次绕组、二次绕组和补偿绕组；所述主铁芯与所述辅助铁芯相叠合，所述一次绕组和二次绕组分别均匀绕制在叠合后的所述主铁芯与所述辅助铁芯的圆周两侧，所述补偿绕组均匀绕制在所述二次绕组侧的辅助铁芯的圆周上。

进一步，采样电阻包括精密电阻和辅助电阻；二次绕组两端分别连接所述精密电阻，补偿绕组两端分别连接所述辅助电阻。

进一步，所述精密电阻的一端与所述辅助电阻的一端连接，其另一端以及所述辅助电阻的另一端作为所述传感器的电压输出端口。

进一步，所述精密电阻为无感电阻。

优选的，所述主铁芯和所述辅助铁芯为圆环铁芯。

进一步，主铁芯、一次绕组、所述二次绕组和所述精密电阻组成所述传感器的第一级；辅助铁芯、一次绕组、所述二次绕组、所述补偿绕组和所述辅助电阻组成所述传感器的第二级。

进一步，所述一次绕组两端输入被测电流，所述被测电流经过所述传感器的第一级和第二级后分别在所述精密电阻和所述辅助电阻上产生电压降，所述精密电阻上的电压降同所述辅助电阻上电压降的矢量和为所述传感器的输出信号。

进一步，所述补偿绕组和所述二次绕组均包括100匝漆包线绕组；所述一次绕组包括1匝漆包线绕组；所述精密电阻和所述辅助电阻的阻值均为10Ω。

与最接近的技术方案相比，本发明具有如下显著进步：

1、精密电流传感器采用双级电磁单元结构，其中主铁芯、一次绕组、二次绕组和精密电阻组成传感器的第一级，辅助铁芯、一次绕组、二次绕组、补偿绕组和辅助电阻组成传感器的第二级，这种结构减小了激磁电流对电流变比误差的影响，相比单级结构，可将电流转化精度提升1-2个数量级；

2、一次绕组绕制在铁芯一侧，二次绕组和补偿绕组绕制在铁芯另一侧，并且二次绕组两端分别连接精密电阻，补偿绕组两端分别连接辅助电阻。采用这种电磁与电阻相结合的方式，有效实现了传感器输入输出信号的电气隔离，相比采样电阻和分流器等非隔离传感器，大大提高了测量的安全性；

3、本发明提供的精密电流传感器的准确级可以达到0.002级或者更高，测量不确定度可优于1×10^-6，可用作检定/校准普通电流电压传感器的标准装置使用，进一步提高电流电压传感器的整体准确性。

附图说明

图1为本发明所提供的精密电流传感器的结构原理图；

图2为本发明所提供的精密电流传感器的等效电路图。

其中：1－主铁芯，2－辅助铁芯，3－一次绕组，4－二次绕组，5－补偿绕组，6－精密电阻，7－辅助电阻，8－传感器第一级，9－传感器第二级。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明所提供的精密电流传感器的结构原理图如图1所示，包括闭环铁芯以及绕制在所述闭环铁芯两侧的绕组，所述闭环铁芯包括同轴设置的主铁芯1和辅助铁芯2。所述绕组包括一次绕组3、二次绕组4和补偿绕组5；所述主铁芯1与所述辅助铁芯2相叠合，所述一次绕组3和二次绕组4分别均匀绕制在叠合后的所述主铁芯1与所述辅助铁芯2的圆周两侧，所述补偿绕组5均匀绕制在所述二次绕组侧的辅助铁芯2的圆周上。所述二次绕组4两端分别连接精密电阻6，所述补偿绕组5两端分别连接辅助电阻7。所述精密电阻6的一端与所述辅助电阻7的一端连接，其另一端以及所述辅助电阻7的另一端作为所述传感器的电压输出端口。

图1中精密电流传感器的等效电路如图2所示，精密电流传感器采用双级电磁单元结构，其中所述主铁芯、所述一次绕组、所述二次绕组和所述精密电阻组成传感器第一级8；所述辅助铁芯、所述一次绕组、所述二次绕组、所述补偿绕组和所述辅助电阻组成传感器第二级9。

以额定电流电压转换比10A/1V，准确度0.005级的设计要求为例。主铁芯1和辅助铁芯2选用高磁导率铁磁材料。在辅助铁芯2的圆周上均匀绕制漆包线100匝作为补偿绕组5，辅助铁芯2与主铁芯1叠合后，再均匀绕制漆包线100匝作为二次绕组4，穿心绕制1匝作为一次绕组3。精密电阻6与二次绕组4两端连接，标称阻值R_n＝10Ω，误差为ε_r1，即有：Z₁＝R_n(1+ε_r1)，其中Z₁为精密电阻6的阻抗。辅助电阻7与补偿绕组5两端连接，标称阻值R_n＝10Ω，误差为ε_r2，即有：Z₂＝R_n(1+ε_r2)，其中Z₂为辅助电阻7的阻抗。精密电阻6和辅助电阻7串联后的电压降即为传感器的输出电压U_out，其与输入电流I_in之比即为电流电压实际转换比，记为K_iu，误差为ε_iu。

在本发明实施例中，设双级电磁单元结构电流传感器的额定变比为K_ni，其中第一级误差为ε_i1，第二级误差为ε_i2，整体误差为ε_i，根据双级电磁单元结构电流传感器误差原理，ε_i＝-ε_i1·ε_i2。

根据等效电路2，经数学推导得：

$K_{iu}=\frac{U_{out}}{I_{in}}=\frac{1}{K_{ni}}\[Z_1(1+{\mathrm{\ϵ}}_{i1})-Z_2{\mathrm{\ϵ}}_{i1}(1+{\mathrm{\ϵ}}_{i2})\]\≈\frac{R_n}{K_{ni}}\[1+{\mathrm{\ϵ}}_{r1}+{\mathrm{\ϵ}}_{i1}({\mathrm{\ϵ}}_{r1}-{\mathrm{\ϵ}}_{r2})+{\mathrm{\ϵ}}_i\]---\left(1\right)$

在实施例中，双级电磁单元结构电流传感器的第一级误差很容易达到或优于1×10^-3，且通过合理选择电阻，可使|ε_r1-ε_r2|≤1×10^-4，因此式(1)可以简化为：

$K_{iu}=\frac{U_{out}}{I_{in}}=\frac{R_n}{K_{ni}}(1+{\mathrm{\ϵ}}_{iu})\≈\frac{R_n}{K_{ni}}(1+{\mathrm{\ϵ}}_{r1}+{\mathrm{\ϵ}}_i)---\left(2\right)$

经过实测，ε_r1＝(25+2.2j)×10^-6，ε_i＝(2.8-1.5j)×10^-6，并将R_n＝10Ω，K_ni＝100一并带入式(2)得：

K_iu＝[1+(28.3+0.7j)·10^-6]·0.1Ω   (3)

由式(2)得，ε_iu＝(28.3+0.7j)·10^-6；

该实施例方法适用于将100mA以上电流精密转换成所需电压，准确度可以达到0.002级甚至更高，频率适用范围：10Hz～500Hz，可用作电流精密测量用传感器，也可作为检定/校准普通电流电压传感器的标准装置使用。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种精密电流传感器，包括闭环铁芯以及分别绕制在所述闭环铁芯两侧的绕组，其中一侧绕组与采样电阻相连；其特征在于：所述闭环铁芯包括同轴设置的主铁芯和辅助铁芯。

2.如权利要求1所述的一种精密电流传感器，其特征在于：

所述绕组包括一次绕组、二次绕组和补偿绕组；所述主铁芯与所述辅助铁芯相叠合，所述一次绕组和二次绕组分别均匀绕制在叠合后的所述主铁芯与所述辅助铁芯的圆周两侧，所述补偿绕组均匀绕制在所述二次绕组侧的辅助铁芯的圆周上。

3.如权利要求2所述的一种精密电流传感器，其特征在于：

采样电阻包括精密电阻和辅助电阻；二次绕组两端分别连接所述精密电阻，补偿绕组两端分别连接所述辅助电阻。

4.如权利要求3所述的一种精密电流传感器，其特征在于：

所述精密电阻的一端与所述辅助电阻的一端连接，其另一端以及所述辅助电阻的另一端作为所述传感器的电压输出端口。

5.如权利要求3所述的一种精密电流传感器，其特征在于：

所述精密电阻为无感电阻。

6.如权利要求1所述的一种精密电流传感器，其特征在于：

所述主铁芯和所述辅助铁芯为圆环铁芯。

7.如权利要求3所述的一种精密电流传感器，其特征在于：

主铁芯、一次绕组、所述二次绕组和所述精密电阻组成所述传感器的第一级；辅助铁芯、一次绕组、所述二次绕组、所述补偿绕组和所述辅助电阻组成所述传感器的第二级。

8.如权利要求7所述的一种精密电流传感器，其特征在于：

所述一次绕组两端输入被测电流，所述被测电流经过所述传感器的第一级和第二级后分别在所述精密电阻和所述辅助电阻上产生电压降，所述精密电阻上的电压降同所述辅助电阻上电压降的矢量和为所述传感器的输出信号。

9.如权利要求3所述的一种精密电流传感器，其特征在于：

所述补偿绕组和所述二次绕组均包括100匝漆包线绕组；所述一次绕组包括1匝漆包线绕组；所述精密电阻和所述辅助电阻的阻值均为10Ω。