CN106597054A - 电流测量装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一电流测量装置包括主导体，其具有两个端面，电流于两个端面间流动，所述主导体还包括至少两个平行于电流流动方向的侧平面；第一、第二场修正元件由磁性材料制成且分别靠近所述两个侧平面中的其中一个侧平面；至少一个感应线圈包括一线轴，线轴位于所述两个侧平面间，所述主导体产生电磁场，所述电磁场经由所述场修正元件修正成更平行感应线圈的线轴，其中，所述感应线圈的感应电动势与流入所述主导体的电流量成正比。

Description

电流测量装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种电流测量装置，与所述电流测量装置装置配合的校正电路及一种电流测量的方法。此外，本发明还涉及一种使用所述电流测量装置提高感应线圈中的感应电动势在相对于电流流入主导体中的相称性的方法，及一种使用所述电流测量装置提高当测量电流流入载流主导体中时感应线圈分辨率的方法。
背景技术
根据电磁感应原理可知，通电导体如电线等会产生电磁场，且这种电磁场将在邻近的感应线圈中产生一个可测量的电压信号。感应线圈输出的信号至少有一部分是跟流入导体的电流量有关。
现有技术中，需要较大的感应线圈的尺寸以保持输出信号所需的分辨率或精确度，这即增加了电流测量装置的总体体积，而且生产成本也随之增加。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种解决上述问题的解决方法。
一种电流测量装置，包括：
一主导体，具有两个端面，电流于两个端面间流动，所述主导体还包括至少两个平行于电流流动方向的侧平面；
一第一场修正元件采用磁性材料且所述第一场修正元件设置于或靠近设置于所述主导体的第一侧平面；
一第二场修正元件采用磁性材料且所述第二场修正元件设置于或靠近设置于所述主导体的第二侧平面；
至少一第一感应线圈设置于或靠近设置于所述主导体、所述第一和第二场修正元件，所述第一感应线圈包括一线轴，所述线轴位于所述第一与第二侧平面之间；
其中，电流流入所述主导体形成的电磁场经所述第一与第二场修正元件修正后平行或大体平行于所述第一感应线圈的线轴。
一种与电流测量装置一同使用的校正电路，所述校正电路包括一信号输入端与一差相校正积分电路，所述信号输入端用于接收从所述感应线圈输出的且对应一感应电动势的输出信号，所述差相校正积分电路具有一运算放大器、用于改变所述输出信号的相差，以使所述输出信号与所述主导体中的电流同相或大体上同相。
一种使用电流测量装置的电流测量的方法，所述方法包括：利用所述载流主导体相对的侧平面和相应的第一和第二场修正元件对由载流主导体产生的电磁场进行修正，经所述第一与第二场修正元件修正后平行或大体平行于所述感应线圈的线轴，以提高所述感应线圈中产生的感应电动势与所述主导体中的电流的相称性。
一种使用电流测量装置以提高感应线圈中的感应电动势在相对于电流流入主导体中的相称性的方法，所述方法包括步骤：在所述主导体上提供相对的侧平面；利用与所述侧平面相关联的第一和第二场修正元件对一由所述载流主导体产生的电磁场进行修正，经所述第一与第二场修正元件修正后平行或大体平行于所述感应线圈的线轴。
一种使用电流测量装置提高当测量电流流入载流主导体中时感应线圈分辨率的方法，所述方法包括利用与在所述载流主导体上相对的侧平面相关联的第一和第二场修正元件将由所述载流主导体产生的电磁场修正的步骤，经所述第一与第二场修正元件修正成更平行或大体上更平行于所述感应线圈的线轴。
上述电流测量装置通过设置于或靠近设置于所述主导体的至少两个相对的侧平面上的修正元件，使得所述电流测量装置能够提供一个更加平行的电磁场，从而在所述传感线圈中的有源尺寸范围内实现更精确的或更高分辨率的电流测量感测装置。
附图说明
下面将结合说明书附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1示出了本发明一实施方式中电流测量装置的分解图，其中，所述电流测量装置的两个感应线圈未装设于电流测量装置上；
图2是图1中电流测量装置的示意图，其中，该两个感应线圈装设于电流测量装置；
图3示出了图2中电流测量装置的侧视图；
图4示出了与电流测量装置配合的校正电路的电路图。
具体实施方式
本发明的各种实施方式将参照附图进行说明。在说明书及附图中，具有类似结构或功能的元件将用相同的元件符号表示。可以理解，附图仅为提供参考与说明使用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为便于清晰描述，而并不限定比例关系或对本发明进行穷尽性的说明，也不是对本发明的范围进行限制。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的所有的和任意的组合。
请参考图1至图3，其示出了本发明一种实施例的电流测量装置。所述电流测量装置10包括一主导体12、一第一场修正元件14、一第二场修正元件16、以及两个感测装置18，在本实施例中，所述两个感测装置18分别为感应线圈18a及18b。
所述主导体12优选地为一母排，也可以是任何其他合适的导电元件。在本实施例中，所述母排12或其他合适的主导体是刚性的或至少是硬的，优选地，所述母排12为一电接触器开关或其他合适的接触器开关的一部分。所述母排12为长条形，优选地，所述母排12由金属例如黄铜、钢铁或铜制成，所述母排12可以是直的，弯曲的或其他形状。
优选地，所述母排12在第一方向上具有长度L1，所述母排12在该方向上具有两个相对的端面20，所述母排12在第二方向上具有宽度W1，在第三放向上具有高度H。优选地，所述宽度方向、高度方向及长度方向彼此相互垂直，其中，所述长度尺寸大于宽度尺寸，所述宽度尺寸大于高度尺寸。如此使所述母排12或其他合适的主导体在长度方向上具有矩形或大体上呈矩形的横截面。
尽管所述主导体的横截面优选为矩形或大体上呈矩形，在本发明的其他实施方式中，所述主导体的横截面也可为多边形或大体上呈多边形。相对而言，呈矩形或大体呈矩形的横截面的一个好处是具有两个相背的窄侧面22，所述窄侧面22较优为平面，其从一端面20延伸至另一端面20，或者，所述窄侧面22仅为两端面20之间的部分主导体沿纵向延伸的表面。在本实施例中，所述窄侧面22界定了所述宽度W1。
矩形或大体呈矩形的横截面的另一个好处是具有两个相背的主侧面24，所述主侧面24较优为平面，其从一端面20延伸至另一端面20，或者，所述主侧平面24仅为两端面20之间的部分主导体沿纵向延伸的表面，所述主侧面24较优为垂直于所述窄侧面22。在本实施方式中，所述主侧面24界定了所述高度H。
所述第一场修正元件14和第二场修正元件16可由磁性材料制成，在本实施例中，优选地，所述场修正元件分别为坚硬或刚性的平面或基本为平面的板件14a和16a。在本实施例中，所述板件14a和16a可由可磁化的材料制成，所述可磁化的材料为软磁材料如铁、钴、镍或钢铁。同样的，所述板件14a和16a也可由硬磁材料制成，例如由永久磁铁及稀土磁铁如钕铁硼或钐钴磁铁制成。此处“软”与“硬”指的是铁磁性，而非硬度。
虽然第一与第二场修正元件在本实施方式中推荐用连续无断开的平面板，且在本实施方式中较优为矩形，但采用非平面板或者只是一部分是非平面板也是可行的，如此在电流流过所述主导体12时，能对感应产生的磁场进一步修正。这部分后续将在本实施例中有更加详细的描述。
进一步地或可选地，所述第一与第二场修正元件在需要的情况下可以是中间有断开或有开口的，以便对感应产生的磁场进一步修正。
在本实施例中，所述两感应线圈18a及18b用于将第一与第二场修正元件14、16较好地支撑在所述主导体12的窄侧平面22上或靠近所述窄侧平面22，所述第一和第二场修正元件14和16的宽度宽于所述窄侧平面22的宽度W1。优选地，所述第一与第二场修正元件14、16被夹持且与所述主导体12隔开一段距离。所述感应线圈18a及18b具有一个线架26，导线28反复紧密缠绕于所述线架26以构成多匝叠加的线圈。
在所述线架26的每个端部设置了一把持部32，所述把持部32用于收容所述第一、第二场修正元件14、16的端部或侧边，优选地，所述把持部32为细长型。通常，所述把持部上可具有一凹口34，所述凹口34可以为槽状凹口，所述凹口34具有足够的尺寸以收容第一或第二场修正元件14、16的一部分，且与之形成互补性配合。例如，可与对应的第一或第二场修正元件14、16之间形成公差配合或紧配合。
在所述第一和第二场修正元件14和16分别与所述两感应线圈18a和18b的端部卡合后，所述线圈18a和18b经由挂钩36直接物理连接或机械连接至所述主导体12上，所述挂钩36可以是夹子或支架36a。
所述夹子或支架36a为细长的刚性或半刚性臂38，优选地，所述臂38从线架26上呈悬臂式伸出，并朝向对侧的线圈18a和18b。所述夹子或支架36a之间相互重叠并置于窄侧面22上，以支撑所述感应线圈18a和18b使感应线圈18a和18b与对应的主侧平面24之间隔开一段距离。
虽然所述感应线圈18a和18b与主侧平面24具有气隙，但在其他实施方式中所述感应线圈18a和18b也可直接安装至对应的主侧平面24上，优选地，在这种情况下利用电绝缘层或绝缘件使感应线圈18a和18b与主导体12之间电绝缘，避免电流流入主导体12中。
采用所述挂钩的好处在于，所述感应线圈18a和18b能可拆卸地安装于所述主导体12上。但根据需要，所述感应线圈18a和18b也可不可拆卸地安装于所述主导体12上，如将支架例如通过焊接、粘合或经由螺丝锁合使之不可拆卸地安装于所述主导体12上。
虽然两个感应线圈30为优选，然也可应用一个感应线圈或者应用其他合适的感应装置。
请一并参考图3所示，每一所述感应线圈18a和18b具有一宽度W2和一深度D，优选地，所述宽度W2大于所述深度D。所述感应线圈18a和18b还具有一长度L2，其沿线轴40的方向分别延伸至对应窄侧面22所在的平面42，所以每一感应线圈18a和18b的横侧面也较优为多边形或大体为多边形，更优为矩形或大体为矩形，在本实施方式中，每一感应线圈18a和18b的横截面沿线圈18a和18b长度L2方向至少大部分是大小一致的或大体一致的。
在每一线圈18a和18b的每一端部，设置有一二次导体44，所述二次导体44从该端部延伸出，以便根据感应电动势EMF监测电压信号。
虽然以上描述中，应用窄侧面22的情况下，所述主导体12的窄侧面22横截面为矩形或大体为矩形，然所述主侧面24在需要的情况下也可为弓形或部分为弓形。
在使用所述电流测量装置时，电流在所述扁平主导体12的两个端面20之间流动，从而确定了电流流向46，一由所述扁平主导体12中的电流感应的电磁场F被所述第一和第二场修正元件14和16所修正，从图1及图2中可以看出，所述电磁场F被修正成更平行或大体上更平行于所述感应线圈18a和18b的线轴40。请再次参考图1，所述电磁场F为未安装所述感应线圈18a和18b所产生的电磁场。
将所述感应线圈18a和18b机械连接于所述主导体12上，感应线圈18a和18b产生感应电动势，并输出一电压信号。由于所述主导体12设置为横截面呈矩形或大体呈矩形，以及所述第一、第二场修正元件14、16将产生的磁场F修正为平行或大体平行于所述感应线圈的线轴40，所述感应电动势以及与之相关的感测电压信号与所述主导体12中电流成比例。提高所述感测电压信号与主导体12中电流之间的相称性。
因此，为确保当前检测电流的精确性，此在本应用中实际已足够。所述感测线圈18a和18b可减少其体积或尺寸，如此节省了感测线圈18a和18b所用材料、生产时间以及费用。此外所述主导体12的尺寸也可减少，同样又节省了主导体12所用材料、生产时间以及费用。因此，能减少所述电流测量装置10的体积与制造成本。
如图4所示，一校正电路48与上述的电流测量装置10一并使用。由于二次导体44的输出信号相位滞后90度，因此所述主导体12中被监测电流及其相位可同时被侦测。
所述校正电路48优选包括一信号输入端50用于从所述感测线圈18a和18b处接收一输出信号，所述输出信号对应于一感应电压。所述校正电路48还包括一差相校正积分电路52以及一比例校准电路56。所述差相校正积分电路52包括一第一运算放大器54，所述比例校准电路56包括一第二运算放大器58。
优选地，所述差相校正积分电路52中的所述第一运算放大器54的输入端通过第一电阻60和第二电阻62与所述感应线圈18a和18b的输出端相连接。分别连接的电感器代表了所述感应线圈18a和18b。在所述第一运算放大器54的负反馈回路中设置一由一第一电容器66和一第三电阻68组成的第一并联RC电路64，一由一第二电容器72和一第四电阻74组成的第二并联RC电路70连接于接地端与所述第一运算放大器54的正极输入端之间。
为了校准所述相差已纠正的输出信号，所述第二运算放大器58的负极输入端通过一第五电阻76连接于所述第一运算放大器54的输出端。所述第二运算放大器58的负反馈回路包含一与串联RC电路80并联连接的第六电阻78，所述串联RC电路80包含一第七电阻82和一第三电容器84。所述电路组件的值取决于所需的校准标准。
虽然上文建议所述场修正元件与所述主导体的窄侧面隔开设置，然也可以是直接设置于所述窄侧面上。例如，可以在所述场修正元件与窄侧平面之间设置电绝缘层，使所述场修正元件可以之间设置于所述窄侧平面上。虽然上文建议场修正元件靠近或设置于所述窄侧平面上，所述感测装置靠近所述一或多个主侧平面设置，然根据需要，所述场修正元件与感测装置的位置也可以对调。
所述感测装置，在本实施方式中为一或多个感应线圈，优选地，沿线架轴心方向提供非圆横截面。然，其他形状的绕组截面也是可行的，例如圆形。然，使用细长绕组截面的一个有益效果在于所述感测装置具有较大的感应面积或体积。
综上，本发明实施例提供一种电流测量装置，能更好地修正由一载流导体产生的感应电磁场。在本实施例中，所述载流导体为一个开关中的母排。上述效果通过在设置于或靠近设置于所述母排的至少两个相对的侧平面上设置修正元件实现。优选地，所述侧平面是所述载流主导体的两个相对的窄侧平面，所述侧平面为多边形的一部分且优选为矩形。所述电流测量装置能够提供一个更加平行的电磁场，从而在所述传感线圈中的有源尺寸范围内实现更精确的或更高分辨率的电流测量感测装置。因此可在使用中的主导体中保持测量电流当前的精确度或分辨率，若有必要的话，可减少所述感应线圈的尺寸。进一步地，提供至少一个感测装置，所述感测装置优选为两个感应线圈，所述感应线圈与所述载流主导体是拆卸连接的，因此，在制造所述电流测量装置时能够简单、高效的安装及调整位置。此外，由于提高感应电压在所述感应线圈或其他合适的感应电动势感测或检测装置中的相对于电流流入所述扁平主导体中的比例，还提供一种改进电流测量的精确度、和/或分辨率的方法。
本申请的说明书和权利要求中，词语“包括/包含”和词语“具有/包括”及其变形，用于指定所陈述的特征、数值步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、数值、步骤、组件或它们的组合。
为清楚起见，本发明在单独实施例中所描述的某些特征，可以组合在单个实施例中使用。而且，在单个实施例中描述的本发明的各种特征，也可以在单独地或以任何合适形式在子组合中使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种电流测量装置，包括：
一主导体，具有两个端面，电流于两个端面间流动，所述主导体还包括至少两个平行于电流流动方向的侧平面；
一第一场修正元件采用磁性材料且所述第一场修正元件设置于或靠近设置于所述主导体的第一侧平面；
一第二场修正元件采用磁性材料且所述第二场修正元件设置于或靠近设置于所述主导体的第二侧平面；
至少一第一感应线圈设置于或靠近设置于所述主导体、所述第一和第二场修正元件，所述第一感应线圈包括一线轴，所述线轴位于所述第一与第二侧平面之间；
其中，电流流入所述主导体形成的电磁场经所述第一与第二场修正元件修正后平行或大体平行于所述第一感应线圈的线轴。
2.如权利要求1所述的电流测量装置，其中，所述主导体沿电流方向具有呈多边形或大体呈多边形的横截面。
3.如权利要求1或2所述的电流测量装置，其中，所述主导体沿电流方向具有呈矩形或大体呈矩形的横截面。
4.如权利要求3所述的电流测量装置，其中，所述主导体为母排。
5.如权利要求4所述的电流测量装置，其中，所述母排为一电接触器开关的一部分。
6.如权利要求5所述的电流测量装置，其中，所述第一和第二场修正元件为板件。
7.如权利要求6所述的电流测量装置，其中，所述第一和第二场修正元件包括可磁化材料。
8.如权利要求6所述的电流测量装置，其中，所述第一和第二场修正元件包括永磁材料。
9.如权利要求8所述的电流测量装置，其中，所述第一和第二场修正元件与所述主导体隔开设置。
10.如权利要求9所述的电流测量装置，其中，所述电流测量装置还包括一第二感应线圈，所述第二感应线圈设置于或靠近设置于所述主导体、所述第一和第二场修正元件，且所述第二感应线圈包括一线轴，所述线轴位于所述第一与第二侧平面之间。
11.如权利要求10所述的电流测量装置，其中，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈分别设置于所述主导体的两相对侧面。
12.如权利要求11所述的电流测量装置，其中，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈面对面设置。
13.如权利要求12所述的电流测量装置，其中，所述第一及第二感应线圈中至少一个感应线圈沿所述线轴的方向具有呈多边形或大体呈多边形的横截面。
14.如权利要求13所述的电流测量装置，其中，所述第一及第二感应线圈中至少一个感应线圈沿所述线轴的方向具有呈矩形或大体呈矩形的横截面。
15.如权利要求14所述的电流测量装置，其中，所述第一及第二感应线圈中至少一个感应线圈包括一挂钩，所述挂钩用于将对应的感应线圈物理连接至所述主导体。
16.如权利要求15所述的电流测量装置，其中，所述挂钩是一夹子。
17.如权利要求15或16所述的电流测量装置，其中，所述第一及第二感应线圈中至少一个感应线圈包括两个所述挂钩。
18.如权利要求17所述的电流测量装置，其中，所述第一及第二感应线圈中至少一个感应线圈包括一把持部，所述把持部用于将所述第一与第二场修正元件与所述主导体隔开设置。
19.如权利要求18所述的电流测量装置，其中，所述把持部为凹口，所述凹口设置于对应的感应线圈的端部，所述第一与第二场修正元件的端部分别收容于所述凹口内。
20.一种与如权利要求1-19中任一项所述的电流测量装置一同使用的校正电路，所述校正电路包括一信号输入端与一差相校正积分电路，所述信号输入端用于接收从所述感应线圈输出的且对应一感应电动势的输出信号，所述差相校正积分电路具有一运算放大器、用于改变所述输出信号的相差，以使所述输出信号与所述主导体中的电流同相或大体上同相。
21.如权利要求20所述的校正电路，其中，所述校正电路还包括一比例校准电路用于校准所述相差已纠正的输出信号，所述比列校准电路包括一运算放大器。
22.一种使用如权利要求1-19中任一项所述的电流测量装置的电流测量的方法，所述方法包括:
利用所述载流主导体相对的侧平面和相应的第一和第二场修正元件对由载流主导体产生的电磁场进行修正，经所述第一与第二场修正元件修正后平行或大体平行于所述感应线圈的线轴，以提高所述感应线圈中产生的感应电动势与所述主导体中的电流的相称性。
23.一种使用如权利要求1-19中任一项所述的电流测量装置以提高感应线圈中的感应电动势在相对于电流流入主导体中的相称性的方法，所述方法包括步骤：在所述主导体上提供相对的侧平面；利用与所述侧平面相关联的第一和第二场修正元件对一由所述载流主导体产生的电磁场进行修正，经所述第一与第二场修正元件修正后平行或大体平行于所述感应线圈的线轴。
24.一种使用如权利要求1-19中任一项所述的电流测量装置提高当测量电流流入载流主导体中时感应线圈分辨率的方法，所述方法包括利用与在所述载流主导体上相对的侧平面相关联的第一和第二场修正元件将由所述载流主导体产生的电磁场修正的步骤，经所述第一与第二场修正元件修正成更平行或大体上更平行于所述感应线圈的线轴。
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