CN107102187A - 一种用于交直流大电流测量的零磁通磁通门电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于交直流大电流测量的零磁通磁通门电流传感器，所述传感器包含一次电流线、二次电流线、环形磁芯、磁通门测量磁芯单元以及处理电路，所述一次电流线穿过环形磁芯中心，与待测电流线相连；所述二次电流线绕制在环形磁芯上；所述环形磁芯的几何对称线上设置有两个对称的凹槽，所述磁通门测量磁芯单元固定于环形磁芯的凹槽内，与处理电路的输入端连接；所述一次电流线穿过环形磁芯中心产生一次磁通量；所述磁通门测量磁芯单元根据感应到的磁通量生成电压信号，电压信号经处理电路输出二次电流至二次电流线，所述二次电流线在环形磁芯上生成二次磁通量，与一次磁通量形成动态平衡；依据二次电流的测量结果，可得到待测一次电流值。

Description

一种用于交直流大电流测量的零磁通磁通门电流传感器

技术领域

本发明涉及测量电变量技术领域，更具体地，涉及一种用于交直流大电流测量的零磁通磁通门电流传感器。

背景技术

电流测量是人类观察和利用电现象的一门历史悠久并不断发展的技术学科。电流测量的覆盖范围很广，对于电流幅值大小的不同，电流变化特性的不同有着不同的测量方法。普通的电流传感器一般只能测量交流，而许多基础科学、应用科学研究以及应用技术等领域需要检测、调节、和控制直流电流。传统的交直流检测方法一般采样电阻分流器检测法，这种检测技术原理简单，在低频率小幅值的电流测量中，表现出高的精度和较快的响应速度，但其测量回路与被测电流没有电气隔离，一般情况下，被测电流都带有几百伏的电压的，而测量回路一般为几伏的系统，如果测量回路与被测电流没有电气隔离，极易损坏昂贵的测量回路系统。并且，在测量100A到1000A大幅值的电流时，电阻分流器的发热巨大，温飘问题不可避免，需要安装复杂的散热系统以保证电阻分流器的正常工作。还有一种交直流检测方法为闭环霍尔电流传感器检测法，虽然闭环霍尔电流传感器实现了测量回路与被测电流的电气隔离，也避免了在测量100A到1000A大幅值电流时的发热问题，但由于霍尔器件本身的缺陷，极易受到外部环境因素的影响，精度等级难以做高，误差很少能做到0.5％以下。

发明内容

为解决技术背景中存在的测量大电流时没有电气隔离，温飘问题以及误差问题等，本发明提供了一种用于交直流大电流测量的零磁通磁通门电流传感器及其测量方法，该传感器可实现测量回路与被测电流的电气隔离，不存在发热发烫问题，可同时测量交流直流电流信号，通过磁通门电路和处理电路实现对二次电流的动态的补偿，抗干扰能力强，精度较高。

所述一种用于交直流大电流测量的零磁通磁通门电流传感器包括：

环形磁芯，所述环形磁芯的几何对称线上设置有两个对称的凹槽，每个凹槽用于将一组磁通门检测磁芯单元固定至环形磁芯内；

两组磁通门检测磁芯单元，每组磁通门检测磁芯单元均包含磁通门检测磁芯以及激励绕组，所述激励绕组绕制在磁通门检测磁芯上，所述激励绕组与磁通门电路相连；

一次电流线，所述一次电流线穿过环形磁芯的中心，并且连接到被测电流的输出端，所述一次电流线穿过环形磁性中心的匝数为N1匝，其中N1为自然数；

二次电流线，所述二次电流线绕制在环形磁芯上，绕制匝数为N2匝，所述二次电流线的输入端连接放大电路的输出端，所述二次电流线的输出端连接过载保护电路的输入端，其中N2为自然数；

处理电路，所述处理电路包含放大电路、过载保护电路以及两组磁通门电路；每组磁通门电路用于控制磁通门检测磁芯，第一组磁通门电路的输入端连接第一组磁通门检测磁芯上绕制的激励绕组，第二组磁通门电路的输入端连接第二组磁通门检测磁芯上绕制的激励绕组，两组磁通门电路的输出端均连接放大电路的输入端；所述放大电路用于放大电压信号，所述放大电路的输入端与两组磁通门电路相连，放大电路的输出端与二次电流线输入端相连；所述过载保护电路输入端与二次电流线输出端连接。

进一步的，所述每个磁通门检测磁芯为两个棒形磁芯，所述每组磁通门检测磁芯单元包含第一棒形磁芯、第二棒形磁芯、第一激励绕组以及第二激励绕组；所述第一激励绕组绕制于第一棒形磁芯，所述第二激励绕组绕制于第二棒形磁芯；所述第一激励绕组与第二激励绕组反向串联，并与磁通门电路输入端相连；

进一步的，所述每组磁通门检测磁芯为一个或多个其他形状磁芯，所述其他形状磁芯为任意立体几何形状磁芯，且满足放置于两个凹槽内的其他形状磁芯关于环形磁芯中心是对称的；

进一步的，所述环形磁芯的结合对称线上设置有两个对称的凹槽，将一组磁通门检测磁芯单元正向固定在一个凹槽中，将另一组磁通门检测磁芯单元反向固定在另一个凹槽内；

进一步的，所述磁通门电路包含：磁通门驱动芯片以及转接头；所述磁通门驱动芯片的驱动端与磁通门检测磁芯单元激励绕组连接，所述磁通门驱动芯片输出端与转接头连接，磁通门驱动芯片用于将激励绕组感应的磁通量信号转化为电压信号；

进一步的，所述放大电路包含：两个转接头，运算放大器A1、A2、A3以及A4，集成功率放大器A5；所述运算放大器A1通过一个转接头与第一磁通门电路连接，所述运算放大器A2通过另一个转接头与第二磁通门电路连接；所述运算放大器A1的输出端与运算放大器A3的反相输入端连接，所述运算放大器A2的输出端与运算放大器A3的反相输入端连接；运算放大器A3的输出端与集成功率放大器A5的反向输入端连接；所述集成功率放大器A5的输出端与二次电流线的输入端连接；集成功率放大器A5的输出端通过过载保护电路与二次电流线的输出端连接；二次电流线的输出端与运算放大器A4的同相输入端连接；运算放大器A4的输出端与集成功率放大器A5的同相输入端连接；

进一步的，所述环形磁芯为超微晶环形磁芯；

进一步的，所述磁通门检测磁芯为坡莫合金磁芯。

所述一种使用零磁通磁通门电流传感器测量交直流大电流的方法包括：

步骤一，一次电流线在环形磁芯上产生一次电流磁通量；

步骤二，磁通门检测磁芯单元根据环形磁芯磁通量产生相应感应信号，并将所述感应信号输出至磁通门电路；

步骤三，磁通门电路将相应的感应信号转换为电压信号并输出至放大电路；

步骤四，放大电路将两个磁通门电路输出的电压信号进行叠加并放大，将处理后的电压信号输出至二次电流线，形成二次电流；

步骤五，二次电流在环形磁芯上产生二次磁通量；所述二次磁通量与一次磁通量方向相反，所述二次磁通量与一次磁通量相互作用，使总的磁通量之和为零；

步骤六，测量二次电流值大小，计算得出待测的一次电流值。

进一步的，所述一次电流的安匝数等于所述二次电流的安匝数，所述安匝数为线圈匝数与通过电流的乘积，一次电流值为N2/N1倍的二次电流值，其中N1为一次电流线穿过环形磁芯中心的匝数，N2为二次电流线在环形磁芯上的绕制匝数，N1以及N2均为自然数。

本发明的有益效果为：本发明的技术方案，给出了一种用于交直流大电流测量的零磁通磁通门电流传感器，该传感器可实现测量回路与被测电流的电气隔离，对测量回路形成电气保护的同时彻底解决发热问题；该传感器通过磁通门电路和处理电路实现对二次电流的动态的补偿，可测量交流电流和直流电流，抗干扰能力强，精度较高。

附图说明：

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为本发明具体实施方式的一种用于交直流大电流测量的零磁通磁通门电流传感器的结构图；

图2为本发明具体实施方式的一种使用零磁通磁通门电流传感器测量交直流大电流的方法的流程图；以及

图3为本发明具体实施方式的一种用于实现测量交直流大电流的零磁通磁通门电流传感器的处理电路原理图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为本发明具体实施方式的一种用于交直流大电流测量的零磁通磁通门电流传感器的结构图；所述实施方式提出了一种用于测量交直流大电流的零磁通磁通门电流传感器，所述传感器包含：

环形磁芯101，所述环形磁芯101的几何对称线上设置有两个对称的凹槽，每个凹槽用于将一组磁通门检测磁芯单元102固定至环形磁芯内；

两组磁通门检测磁芯单元102，每组磁通门检测磁芯单元102均包含磁通门检测磁芯以及激励绕组，所述激励绕组绕制在磁通门检测磁芯上，所述激励绕组与磁通门电路相连；

一次电流线103，所述一次电流线103穿过环形磁芯的中心，并且连接到被测电流的输出端，所述一次电流线103穿过环形磁性中心的匝数为N1匝，其中N1为自然数；

二次电流线104，所述二次电流线绕104制在环形磁芯上，绕制匝数为N2匝，所述二次电流线104的输入端连接放大电路的输出端，所述二次电流线104的输出端连接过载保护电路的输入端，其中N2为自然数；

处理电路105，所述处理电路105包含放大电路、过载保护电路以及两组磁通门电路；每组磁通门电路用于控制磁通门检测磁芯，第一组磁通门电路的输入端连接第一组磁通门检测磁芯上绕制的激励绕组，第二组磁通门电路的输入端连接第二组磁通门检测磁芯上绕制的激励绕组，两组磁通门电路的输出端均连接放大电路的输入端；所述放大电路用于放大电压信号，所述放大电路的输入端与两组磁通门电路相连，放大电路的输出端与二次电流线104输入端相连；所述过载保护电路输入端与二次电流线104输出端连接；

进一步的，所述每个磁通门检测磁芯为两个棒形磁芯，所述每组磁通门检测磁芯单元包含第一棒形磁芯、第二棒形磁芯、第一激励绕组以及第二激励绕组；所述第一激励绕组绕制于第一棒形磁芯，所述第二激励绕组绕制于第二棒形磁芯；所述第一激励绕组与第二激励绕组反向串联，并与磁通门电路输入端相连；

进一步的，所述每组磁通门检测磁芯为一个或多个其他形状磁芯，所述其他形状磁芯为任意立体几何形状磁芯，且满足放置于两个凹槽内的其他形状磁芯关于环形磁芯中心是对称的；

进一步的，所述环形磁芯的结合对称线上设置有两个对称的凹槽，将一组磁通门检测磁芯单元正向固定在一个凹槽中，将另一组磁通门检测磁芯单元反向固定在另一个凹槽内；

进一步的，所述环形磁芯为超微晶环形磁芯；

进一步的，所述磁通门检测磁芯为坡莫合金磁芯。

图2为本发明具体实施方式的一种使用零磁通磁通门电流传感器测量交直流大电流的方法的流程图；所述实施方式提供了一种使用零磁通磁通门电流传感器测量交直流大电流的方法，所述方法包含：

步骤201，一次电流线在环形磁芯上产生一次电流磁通量；

步骤202，磁通门检测磁芯单元根据环形磁芯磁通量产生相应感应信号，并将所述感应信号输出至磁通门电路；

步骤203，磁通门电路将相应的感应信号转换为电压信号并输出至放大电路；

步骤204，放大电路将两个磁通门电路输出的电压信号进行叠加并放大，将处理后的电压信号输出至二次电流线，形成二次电流；

步骤205，二次电流在环形磁芯上产生二次磁通量；所述二次磁通量与一次磁通量方向相反，所述二次磁通量与一次磁通量相互作用，使总的磁通量之和为零；

步骤206，测量二次电流值大小，计算得出待测的一次电流值；

进一步的，所述一次电流的安匝数等于所述二次电流的安匝数，所述安匝数为线圈匝数与通过电流的乘积，一次电流值为N2/N1倍的二次电流值，其中N1为一次电流线穿过环形磁芯中心的匝数，N2为二次电流线在环形磁芯上的绕制匝数，N1以及N2均为自然数。

图3为为本发明具体实施方式的一种用于实现测量交直流大电流的零磁通磁通门电流传感器的处理电路原理图，所述实施方式提供了一种实现测量交直流大电流的零磁通磁通门电流传感器的处理电路，所述处理电路包括：

磁通门电路单元301：所述磁通门电路单元301包含两组磁通门电路，第一磁通门电路包含第一磁通门检测磁芯单元、磁通门驱动芯片IC1以及转接头P11；所述磁通门驱动芯片IC1的驱动端与第一磁通门检测磁芯单元激励绕组连接，所述磁通门驱动芯片IC1输出端与转接头P11连接；第二磁通门电路包含第二磁通门检测磁芯单元、磁通门驱动芯片IC2以及转接头P21；所述磁通门驱动芯片IC2的驱动端与第二磁通门检测磁芯单元激励绕组连接，所述磁通门驱动芯片IC2输出端与转接头P21连接；磁通门驱动芯片用于将激励绕组感应的磁通量信号转化为电压信号；

放大单元302：所述放大单元302包含：两个转接头P12以及P22，运算放大器A1、A2以及A3，集成功率放大器A5；所述运算放大器A1通过转接头P12与第一磁通门电路连接，所述运算放大器A2通过转接头P22与第二磁通门电路连接；所述运算放大器A1的输出端与运算放大器A3的反相输入端连接，所述运算放大器A2的输出端与运算放大器A3的反相输入端连接；运算放大器A3的输出端与集成功率放大器A5的反向输入端连接；所述集成功率放大器A5的输出端与二次电流线的输入端连接；

过载保护单元303：所述过载保护单元303包含过载保护电路以及运算放大器A4；所述集成功率放大器A5的输出端通过过载保护电路与二次电流线的输出端连接；二次电流线的输出端与运算放大器A4的同相输入端连接；运算放大器A4的输出端与集成功率放大器A5的同相输入端连接。

Claims (10)

1.一种用于交直流大电流测量的零磁通磁通门电流传感器，所述传感器包含：

环形磁芯，所述环形磁芯的几何对称线上设置有两个对称的凹槽，每个凹槽用于将一组磁通门检测磁芯单元固定至环形磁芯内；

两组磁通门检测磁芯单元，每组磁通门检测磁芯单元均包含磁通门检测磁芯以及激励绕组，所述激励绕组绕制在磁通门检测磁芯上，所述激励绕组与磁通门电路相连；

一次电流线，所述一次电流线穿过环形磁芯的中心，并且连接到被测电流的输出端，所述一次电流线穿过环形磁性中心的匝数为N1匝，其中N1为自然数；

二次电流线，所述二次电流线绕制在环形磁芯上，绕制匝数为N2匝，所述二次电流线的输入端连接放大电路的输出端，所述二次电流线的输出端连接过载保护电路的输入端，其中N2为自然数；

处理电路，所述处理电路包含放大电路、过载保护电路以及两组磁通门电路；每组磁通门电路用于控制磁通门检测磁芯，第一组磁通门电路的输入端连接第一组磁通门检测磁芯上绕制的激励绕组，第二组磁通门电路的输入端连接第二组磁通门检测磁芯上绕制的激励绕组，两组磁通门电路的输出端均连接放大电路的输入端；所述放大电路用于放大电压信号，所述放大电路的输入端与两组磁通门电路相连，放大电路的输出端与二次电流线输入端相连；所述过载保护电路输入端与二次电流线输出端连接。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述每个磁通门检测磁芯为两个棒形磁芯，所述每组磁通门检测磁芯单元包含第一棒形磁芯、第二棒形磁芯、第一激励绕组以及第二激励绕组；所述第一激励绕组绕制于第一棒形磁芯，所述第二激励绕组绕制于第二棒形磁芯；所述第一激励绕组与第二激励绕组反向串联，并均与磁通门电路输入端相连。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述每组磁通门检测磁芯为一个或多个其他形状磁芯，所述其他形状磁芯为任意立体几何形状磁芯，且满足放置于两个凹槽内的其他形状磁芯关于环形磁芯中心是对称的。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：一组磁通门检测磁芯单元正向固定在所述环形磁芯的一个凹槽内，另一组磁通门检测磁芯单元反向固定在另一个凹槽内。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述磁通门电路包含：磁通门驱动芯片以及转接头；所述磁通门驱动芯片的驱动端与磁通门检测磁芯单元激励绕组连接，所述磁通门驱动芯片输出端与转接头连接，磁通门驱动芯片用于将激励绕组感应的磁通量信号转化为电压信号。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述放大电路包含：两个转接头，运算放大器A1、A2、A3以及A4，集成功率放大器A5；所述A1通过一个转接头与第一磁通门电路连接，所述A2通过另一个转接头与第二磁通门电路连接；所述A1的输出端与A3的反相输入端连接，所述A2的输出端与A3的反相输入端连接；A3的输出端与A5的反向输入端连接；所述A5的输出端与二次电流线的输入端连接；A5的输出端通过过载保护电路与二次电流线的输出端连接；二次电流线的输出端与A4的同相输入端连接；A4的输出端与A5的同相输入端连接。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述环形磁芯为超微晶环形磁芯。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述磁通门检测磁芯为坡莫合金磁芯。

9.一种使用零磁通磁通门电流传感器测量交直流大电流的方法，所述方法包含：

步骤一，一次电流线在环形磁芯上产生一次电流磁通量；

步骤二，磁通门检测磁芯单元根据环形磁芯磁通量产生相应感应信号，并将所述感应信号输出至磁通门电路；

步骤三，磁通门电路将相应的感应信号转换为电压信号并输出至放大电路；

步骤四，放大电路将两个磁通门电路输出的电压信号进行叠加并放大，将处理后的电压信号输出至二次电流线，形成二次电流；

步骤五，二次电流在环形磁芯上产生二次磁通量；所述二次磁通量与一次磁通量方向相反，所述二次磁通量与一次磁通量相互作用，使总的磁通量之和为零；

步骤六，测量二次电流值大小，计算得出待测的一次电流值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：一次电流的安匝数等于所述二次电流的安匝数，所述安匝数为线圈匝数与通过电流的乘积，一次电流值为N2/N1倍的二次电流值，其中N1为一次电流线穿过环形磁芯中心的匝数，N2为二次电流线在环形磁芯上的绕制匝数，N1以及N2均为自然数。