CN108761164A - 一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈及其测量方法，包括骨架A、骨架B、被测线圈c3、空心线圈c1与空心线圈c2；骨架B分为完全相同的两个柱状结构B1与B2，B1与B2对称拧入骨架A内部的中间螺纹孔；空心线圈c1与c2紧贴在B1与B2外周，采用相同的绕线方式，且在B1与B2的末端绕制成盘型线圈；轴向线槽、轴向通孔、径向圆孔为被测线圈c3和空心线圈c1、c2提供一个垂直于工作磁场的走线，避免近距离磁场干扰。安装于不同位置的空心线圈c1与c2输出的感应电势信号经差分电路处理，能够得到准确反应被测线圈c3中脉冲电流变化的电势信号。本发明空心差分线圈产生的感应电动势信号稳定、灵敏度高、安装简捷，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈及其测量方法

技术领域

本发明属于脉冲电流功率检测技术领域，尤其涉及到一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈及其测量方法。

背景技术

随着高电压传输技术的进步，脉冲电流功率检测技术的研究日益受到人们的重视并得到了快速发展。脉冲电流信号一般具有电流幅值变化大、上升时间短、频率范围宽等特点。

脉冲电流的测量相比于一般电流的测量难度大。传统的脉冲电流测量技术包括分流器法、罗氏线圈法、霍尔效应法、法拉第电磁筒法等。其中利用磁电感应原理制成的互感式空心线圈传感器，如罗氏线圈，是常用的测量方式之一。但是在工程实际应用中，被测线路都不是单一存在的，一般被测线路的周围分布着大量干扰磁场。罗氏线圈传感器处在不均匀的干扰磁场下，其检测结果的不确定度受环境磁场影响较大。尤其对小电流信号的检测受到外界环境的干扰影响更严重，使得测量误差增大，波形畸变。人们通过在空心线圈中增加铁芯，使其低频截止频率大大降低，频带拓宽，灵敏度与稳定性相应提高，但是又会造成磁场饱和与铁芯涡流损耗等问题。

为了有效抑制电磁干扰，采用差分电路对传感器输出信号处理。通过在位置相近且轴心方向相同处设置两线圈，两线圈受干扰电磁场的产生的干扰电动势也相等，由于他们的信号极性相反，其干扰电磁场产生的电动势将相互抵消，对电流测量影响可大大减小。对于罗氏线圈，需要采用双线绕制法制作差分线圈，获取差动信号。其具有线性度好，测量范围宽，瞬态响应特性好的特点，但是对绕线均匀度以及线圈位置排布要求较高。采用差分法绕制的罗氏线圈要求线匝绕制严格对称，在生产中存在绕制复杂、成本高等问题。

因此，研究适合脉冲电流信号特点的脉冲电流检测的互感式传感器及其测量方法，具有重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

为了解决脉冲电流检测的不确定度低、易受环境影响，以及目前基于差分法绕制的罗氏线圈传感器制作繁琐，且不易实现的问题和不足,本发明综合空心线圈和差分绕线法的优点，提供了一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈及脉冲电流测量的方法。

本发明具体实现的技术方案是：一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，包括骨架A、骨架B1和B2、屏蔽罩、被测线圈c3、空心线圈c1和空心线圈c2；环形线圈槽、轴向线槽、径向圆孔以及轴向通孔开设在骨架A上。

所述的骨架A，其由圆筒形骨架A1与圆筒形骨架A3以及支架A2组成，骨架A1套在骨架A3外面，支架A2在两者之间；骨架A1、骨架A3以及支架A2均采用硬性塑料绝缘体材料一体化制造。

所述的骨架A1，环形线圈槽7开设在骨架A1的外周轴向比1:3的位置，被测线圈c3埋线于环形线圈槽中，被测线圈c3可以是单匝或者多匝；轴向线槽开设起始于环形线圈槽、途经径向圆孔后直至骨架A1末端，其方向为轴向。轴向线槽与环形线圈槽都开设在圆筒A1的外周表面。

所述的骨架A3，骨架A3中间位置有一实心节隔板将其均分为上下两部分，实心节的轴心位置开设一螺纹孔，用于连接位于螺纹孔两边的骨架B1和B2；螺纹孔旁开设一轴向通孔，轴向通孔与径向圆孔连通。

所述的骨架B1与骨架B2，骨架B1与B2材料、结构和加工方法完全相同，材料为硬性塑料绝缘体；结构是一个规整的柱形实体，空心线圈c1与空心线圈c2分别绕制在骨架B1、骨架B2上；骨架B1、骨架B2的顶端打磨成半径比骨架B1、骨架B2柱体半径小的管型螺纹头，用作与骨架A3实心节隔板轴心处的螺纹孔连接。

所述的骨架B1、骨架B2与骨架A3的安装方法，即空心差分线圈的安装方法：骨架B1首端向下，骨架B1的螺纹头拧入螺纹孔中，骨架B2首端向上，骨架B2的螺纹头拧入螺纹孔中。空心线圈c1与空心线圈c2相对称的安装在圆筒A3内。

所述的空心线圈c1和空心线圈c2的绕线方法为：空心线圈c1沿顺时针方向自下而上均匀地缠绕在骨架B1上，并在骨架B1的上端沿着线圈绕线方向绕制成盘型线圈，空心线圈c2也是采用相同的方法，即自上而下顺时针均匀绕制在骨架B2上，并在骨架B2的下端沿着线圈绕线方向绕制成盘型线圈。空心线圈c1与空心线圈c2的材质为均匀的铜制漆包线。

所述的屏蔽罩，其为圆筒状，分为大小参数相同的两块，紧贴在骨架A3的内壁上，分别包裹着空心线圈c1与c2,屏蔽其轴线垂直方向的干扰磁场。

所述的一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈的走线方法：用于信号线与被测电流线(被测线圈c3)走线的环形线圈槽、轴向线槽、径向圆孔及轴向通孔，它们的主要作用是为检测线圈(空心线圈c1、空心线圈c2)和被测线圈c3提供一个垂直于工作磁场的走线，有效避免了近距离磁场干扰。

所述的一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，被测线圈c3与空心线圈c1的几何中心重合，被测线圈c3、空心线圈c1与空心线圈c2的圆心轴在同一条直线上，结构参数完全相同的空心线圈c1与c2方向相对，利用互感效应和差分原理进行脉冲电流的测量。

脉冲电流测量原理是：

利用互感效应是指其特有的环形被测线圈c3结构在不增大测量电流的情况下，单位时间内通过环形导流线圈使得磁通量在环流的圆心区域内实现线性叠加，而经过圆心区域内的干扰磁场的磁通量并没有改变。位于圆心区域内的互感线圈检测到的有效感应电动势增加，环境干扰电动势没有变化，从而降低了环境磁场对检测造成的干扰。

空心差分线圈脉冲电流测量法是指，相同属性参数的空心线圈c1与空心线圈c2通过骨架B1与B2安装，对称的固定在圆筒A3内部，被测线圈c3埋线于环形线圈槽内。安装完成后，空心线圈c1与被测线圈c3共圆心轴，空心线圈c1的几何中心到被测线圈c3的距离为r1，而空心线圈c2几何中心与被测线圈c3距离为r2。这种位置组合使得两线圈有效感应电动势有一定差别，其有效感应电动势比例近似为而环境磁场中的磁场干扰源距离空心线圈c1和c2较远，两线圈在同一时刻受环境磁场干扰所产生的干扰电动势差距极小，两线圈所受干扰电动势比例近似为

差分信号处理方法是指利用反向串联差动放大器分别接入空心线圈c1和空心线圈c2的输出信号，其具有抑制共模信号，输入阻抗低的优点。通过调整阻值参数对差分信号e(t)₁、e(t)₂进行处理，Δe(t)₁和Δe(t)₂为环境磁场干扰信号，其输出信号为

取R₂/R₁＝R₄/R₅＝1,R₆/R₅＝k/(k-1)使得两信号输入端的系数相等，对上述公式联立，可以得出输出信号为

e(t)_out＝e(t)₁

通过对差分电路中电阻值的选取，可以控制差分电路的输出信号为空心线圈c1的测量真值。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

(1)本发明基于空心线圈和差分式空心线圈结构测量脉冲电流测量的互感式传感器，特殊的盘形绕组结构,与屏蔽罩相结合具有更好的抗外界磁场干扰能力。相比于一般的双线并绕的差分式互感线圈，由于采用差分式空心线圈结构的设计，差分信号严格对称抗环境磁场干扰能力得到了有效的提高。

(2)本发明空心差分线圈结构独特，制作方法简捷，相对于一般的双线并绕的差分式互感线圈，安装使用方便、易于维护且受温度、振动等环境的影响更低，抗干扰能力更强。

(3)主要用于干扰磁场环境下的脉冲电流的检测领域，提高脉冲电流测量的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明设计的差分线圈传感器的外观图；

图2是本发明设计的差分线圈传感器的局部剖视放大图；

图3是本发明所设计的差分线圈传感器顶面透视图；

图4是常见罗氏线圈传感器的骨架结构截面示意图；

图5是本发明所设计的空心线圈c1和空心线圈c2以及被测线圈c3的位置分布示意图；

图6是本发明所设计的双盘型线圈工作示意图；

图7是本发明所设计的骨架A与骨架B1、骨架B2的安装示意图；

图8是本发明设计所使用的差分信号处理电路图。

其中，骨架A1、骨架A3和支架A2为骨架A的组成部分。4为轴向通孔；5为径向圆孔；6为轴向线槽；7为环形线圈槽；8为屏蔽罩；9为螺纹孔；10为骨架B1的螺纹头；11为骨架B2的螺纹头；r1和r2分别为空心线圈c1和空心线圈c2的几何中心到被测线圈c3的距离；r为空心线圈c1和c2的半径；L和l分别为罗氏线圈的骨架半径和线圈绕制半径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-3所示，本发明所述的一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈包括骨架A、骨架B、屏蔽罩8、被测线圈c3、空心线圈c1和空心线圈c2；其中，骨架A由外至内依次由圆筒形骨架A1支架A2、以及圆筒形骨架A3三部分组成，骨架A1与骨架A3同轴套接，A2位于A1与A3之间，起支撑作用；在骨架A1上端距下端1：3的位置开设环形线圈槽7，轴向线槽6的一端起始于环形线圈槽7、另一端终结于A1底部，径向圆孔5一端位于轴心线槽6内、另一端连通至骨架A的内部；骨架A3的中间位置有一实心节隔板，实心节隔板的轴心处开有螺纹孔9，螺纹孔9旁开有轴向通孔4，轴向通孔4开设在距轴心的位置，轴向通孔4与径向圆孔5连通；

骨架B为量产加工，空心线圈c1和空心线圈c2是量产绕制在骨架B上，本发明设计取用两块绕制了线圈的骨架B，分别命名为骨架B1与骨架B2，首端相对安装在骨架A中。

如图1所示，上述骨架A，其由骨架A1与骨架A3以及支架A2组成，骨架A采用硬性塑料绝缘导体材料整体制造，可以是聚苯硫醚。

如图1所示，上述骨架A1，环形线圈槽7开设在骨架A1的外周轴向比1:3的位置，被测线圈c3埋线其中，被测线圈c3可以是单匝或者多匝；轴向线槽6开设起始于环形线圈槽7，途经径向圆孔5直至骨架A1末端，其方向为轴向。轴向线槽6与环形线圈槽7都开设在圆筒A1的外周表面。

如图所示，上述骨架A3，骨架A3中间位置有一实心节将其均分为上下两部分，实心节轴心位置开设一螺纹孔9，用于连接骨架B1和骨架B2；螺纹孔9旁开设一轴向通孔4，与径向圆孔5相连通。

如图2所示，所述的骨架B1与骨架B2，骨架B1与骨架B2是材料、结构和加工方法完全相同的两个零件，材料为硬性塑料绝缘导体；结构是一个规整的柱形实体，用作空心线圈c1与空心线圈c2的绕制骨架；顶端打磨成半径比柱体半径小的管型螺纹头，用作与骨架A连接。

如图7所示，上述骨架B1、骨架B2与骨架A的安装方法，骨架B1首端向下，骨架B1的螺纹头10拧入螺纹孔9中，骨架B2首端向上，骨架B2的螺纹头11拧入螺纹孔9中。

如图2所示，上述空心线圈c1和空心线圈c2，其绕线方法为，空心线圈c1沿顺时针方向自下而上均匀地缠绕在骨架B1上，并在骨架B1的上端沿着线圈绕线方向绕制成盘型线圈，空心线圈c2也是采用相同的方法绕制在骨架B2上。空心线圈c1与空心线圈c2的材质为均匀的铜制漆包线。所述的盘型结构提高了空心线圈c1与空心线圈c2的自感和内阻。两内端绕制的盘型线圈绕制方向相同，因此在检测过程中产生的感应电磁场方向相同。如图6所示，当被磁场H1、H2通过空心线圈c1、空心线圈c2后产生的感应电流会流过盘型线圈，由于盘型线圈特有的结构，其会产生大量规则的感应电磁场投射在屏蔽罩8上，其中一束磁感线，如H1′H2′所示，在屏蔽罩8上产生一个感应涡流i_e，可以增强屏蔽罩抵御外界电磁场的效果。

如图6所示，上述的屏蔽罩8为圆筒状，分为大小相同的两块，紧贴在骨架A3的内壁上，包裹着空心线圈c1与空心线圈c2,屏蔽其轴线垂直方向的干扰磁场。

如图1所示，上述一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈的走线方法，用于信号线(空心线圈c1与空心线圈c2的引出线)与被测电流线(被测线圈c3的引出线)走线的环形线圈槽7、轴向线槽6、径向圆孔5及轴向通孔4，它门的主要作用是为检测线圈(空心线圈c1与空心线圈c2)和被测线圈c3提供一个垂直于工作磁场的走线，有效避免了近距离磁场干扰。

如图2所示，上述一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈工作原理示意图，如图5所示,被测线圈c3与空心线圈c1的几何中心为同一个点，被测线圈c3与空心线圈c1、空心线圈c2的圆心轴在同一条直线上，利用互感效应进行脉冲电流的测量。

上述一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，在结构上与常用脉冲电流传感器(如图4所示)不同之处在于，如图2所示将被测电流接入围成一个正圆的被测线圈c3，c3可是多匝或单匝，用于检测的空心线圈c1与空心线圈c2为参数相同且绕制均匀的多匝铜质漆包线圈，如图3、图5所示，被测线圈c3与空心线圈c1在同一平面上，且空心线圈c1处于被测线圈c3的圆心位置，利用互感效应进行对脉冲电流的测量。其特有的环形被测线圈c3结构在不能增大测量电流的情况下，使得导线上的磁场强度在圆心区域内线性叠加，而经过圆心区域内的干扰磁场的磁通量并没有改变，从而空心线圈c1测量的感应电动势真值e(t)增大，干扰电动势△e(t)未变。干扰电动势所造成的影响减小，相比于现有的互感式电流传感器以及罗氏线圈传感器。本发明设计的产品首先从结构上降低了环境干扰所造成的影响，此种结构制作流程简单，易于安装与拆卸，精巧轻便，优于普通线圈互感器。

本发明的空心差分线圈将被测电流值转换为电势信号的计算方式如下：

本发明实施例的脉冲电流空心差分线圈传感器如图3、图5所示，其中被检电流的载体被测线圈c3的绕制半径为r1，由毕奥-萨伐尔定律可以求出被测线圈c3与空心线圈c1圆心位置的磁场强度为：

i(t)为被测线圈c3中的电流；

当空心线圈c1的半径r远小于r1时，可认为空心线圈c1内场强分布均匀，磁通量为：

有法拉第电磁感应定律即可算出感应电动势变换为：

其中r为空心线圈c1半径，r1为被测线圈c3的半径，μ为大气磁导率，μ＝4π×10^-7H/m，N为漆包空心线圈c1的匝数。

而作为对比示例，如图4所示，相同结构参数下的罗氏线圈所测感应电动势为：

其中L为罗氏线圈骨架的半径，l为罗氏线圈的线圈绕制半径，μ为大气磁导率，μ＝4π×10^-7H/m，N_罗为罗氏线圈的匝数。

当空心线圈c1与罗氏线圈至于环境干扰磁场相同位置时，两者收受到的环境电势干扰分别为：

其中H₀为空心线圈c1与罗氏线圈所在位置的干扰磁场强度。

本发明所设计的单个空心线圈受到磁场干扰的影响为：

相同体积参数下的罗氏线圈受到磁场干扰的影响：

当被测线圈c3的半径r1与罗氏线圈绕制半径L相等时，可见：

n_罗<n₁

所以，本发明所设计的空心差分线圈从被测线圈c3与空心线圈c1的互感方式提高了在同等检测距离下空心线圈抗环境磁场干扰的能力，提高了空心线圈的不确定度。

本发明所述的差分线圈测量，采用一个高共模抑制、低输入阻抗的差分电路(电路结构如图8所示)进行信号处理：

空心线圈c1和空心线圈c2的几何中心到被测线圈c3的距离分别为r1和r2。由于空心线圈c1和空心线圈c2在同一条中心轴上，所以两者所受环境磁场干扰近乎相同，在这里都记为△e(t)。根据毕奥萨伐尔定律同时考虑到环境磁场的干扰，空心线圈c1和空心线圈c2实际感应电动势为:

采用空心差分线圈将空心线圈c1和空心线圈c2的信号线分别接入差分电路的两个输入端，是将空心线圈c1和空心线圈c2的信号输出口分别接入差分电路的两输入端。取R₂/R₁＝R₄/R₅＝1使得两信号输入端的系数相等，耦合后的输出电动势为：

参照图6所示，两空心线圈间的距离是固定的，所以可令k＝r₂/r₁，k为常数，且k>1，取R₆/R₅＝k/(k-1)上式联立可得

由此可见在理想的条件下，通过空心差分线圈设置两参数相同的空心线圈进行电流检测，并将输出信号分别接入至差分电路的检测脉冲电流方法在理想环境下可以达到消除环境磁场干扰的效果，在实际应用中也有一定的抗干扰能力。

综上所述的，本发明提供的用于脉冲电流的检测的空心差分线圈，由于其独特的结构设计，不仅减小了体积，简化了绕制过程，降低了制作成本，还使得线圈相对于罗氏线圈，不易变形，能适用于各种复杂的应用场合，由于线圈均匀性较高，批量制作具有较好的一致性，同时因为采用了被测线圈环形围绕测量线圈的结构，使得线圈在外界磁场干扰时具有良好的抵御能力。本发明能够提高脉冲电流传感器对环境磁场的抗干扰能力，同时不影响对脉冲电流的测量，提高了空心线圈的经济性、稳定性和适用性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，其特征在于，包括：骨架A、骨架B、空心线圈c1、空心线圈c2、以及被测线圈c3；所述骨架B位于所述骨架A内部；所述空心线圈c1、空心线圈c2位于所述骨架B上，所述被测线圈c3位于所述骨架A上；所述被测线圈c3与所述空心线圈c1的几何中心相重合，并且所述空心线圈c1、空心线圈c2、以及被测线圈c3的几何中心在同一轴线上。

2.根据权利要求1所述的一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，其特征在于，所述骨架A包括：骨架A1、支架A2以及骨架A3；所述骨架A1与骨架A3为套接的圆筒，所述支架A2位于骨架A1与骨架A3之间；所述骨架A1的外表面开有环行线圈槽，所述环形线圈槽的位置在A1一端距另一端的比例为1：3的位置，所述被测线圈c3能够埋线于所述环形线圈槽(7)内。

3.根据权利要求2所述的一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，其特征在于，所述骨架A1上设有轴向线槽(6)和径向圆孔(5)；所述轴向线槽(6)的一端与所述环形线圈槽(7)连通、另一端到达骨架A1的另一端；所述径向圆孔(5)位于轴向线槽内、并沿圆筒径向延伸至骨架A3。

4.根据权利要求2所述的一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，其特征在于，所述骨架A3中间位置设有实心节隔板将其分为两部分；所述实心节隔板轴心处开有螺纹孔(9)；所述螺纹孔(9)附近开有轴向通孔(4)，所述轴向通孔(4)与所述径向圆孔(5)相连通。

5.根据权利要求4所述的一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，其特征在于，所述骨架B包括骨架B1和骨架B2，所述骨架B1和骨架B2为结构相同的柱形实体；所述骨架B1一端和骨架B2的一端均为管型螺纹头，所述骨架B1和骨架B2的管型螺纹头能够与所述骨架A3的螺纹孔(9)连接；所述空心线圈c1、空心线圈c2分别相对称地绕在骨架B1、骨架B2上面。

6.根据权利要求5所述的一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，其特征在于，所述空心线圈c1沿顺时针方向自下而上均匀地缠绕在骨架B1上，并在骨架B1的上端沿着线圈绕线方向绕制成盘型线圈；所述空心线圈c2的绕线方式与所述空心线圈c1相同且对称。

7.根据权利要求1所述的一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，其特征在于，所述A3内壁上设有屏蔽罩(8)。

8.根据权利要求1所述的一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈，其特征在于，所述骨架A与骨架B为硬性塑料绝缘导体；所述被测线圈c3可以是单匝或者多匝。

9.根据权利要求1-8任一项所述一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈的脉冲电流测量方法，其特征在于，包括如下：

(1)选择合适的测量空心线圈c1与c2；根据所需测量的脉冲电流大小，选择线圈匝数适合的零件Bc1与零件Bc2，脉冲电流较大时选用绕线匝数较少的零件，反之则选择匝数较多的；所述零件Bc1与零件Bc2是指将空心线圈c1、c2绕制在骨架B1、骨架B2后的组合；

(2)对差分线圈进行安装接线；首先将空心线圈c1、c2的信号输出线穿入轴向通孔(4)，然后分别经过径向圆孔(5)与轴向线槽6之后再接入差分信号处理电路；将Bc1与零件Bc2装入骨架A；将被测线圈c3的输入输出线通过轴向线槽(6)后引出，串联接入被测电流电路；

(3)利用空心差分线圈进行脉冲电流测量前的准备：将空心差分线圈置于温度稳定且无振动的环境，固定在某一位置；导通被测脉冲电流，并进行数十分钟的预热，使差分线圈及差分电路达到稳态；

(4)空心差分线圈的测量过程；脉冲电流通过被测线圈c3时产生电磁感应，在圆心位置磁通变化量最大；空心线圈c1处于被测载流线圈c3的圆心位置，空心线圈c2的位置偏离被测线圈c3的圆心，利用两者输出的感应电动势信号不同，经后续差分电路处理，得到能够准确反映脉冲电流变化情况的电压信号e(t)_out。