CN111701871B - 一种磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，包括：激励绕组，绕制于被测磁芯上；调制信号单元，与激励绕组一端连接；解调单元，与激励绕组的另一端连接；单匝的第一和第二预留导线，均穿过被测磁芯；功率放大单元，输入端连接至解调单元，输出端连接第二预留导线的一端；测试信号单元，连接至第一预留导线的一端，设置为提供测试信号；和测试信号检测单元，第一电阻和第二电阻均通过电压输出端连接到相应预留导线的另一端，且电阻均接地。本发明还提供了挑选方法。本发明的装置只在被测磁芯上绕制激励绕组，用单匝的第二预留导线代替检测头补偿线圈的绕制，不必在电流检测头上绕制补偿线圈，从而降低了检测头的绕制成本。

Description

一种磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置及方法

技术领域

本发明设计磁芯的挑选装置及方法，具体涉及磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置及方法。

背景技术

随着电学和电子学的工业应用逐步广泛和相关技术发展，大量的精细测量需求应运而生。具有交直流电流测量功能的磁调制DCCT(直流电流传感器，DC Currenttransformers)需要大量研制和生产。

磁平衡直流电流传感器可以是磁调制直流电流传感器或者也叫磁通门直流电流传感器，通常需要3个磁芯通过特定的工艺绕制成符合要求的电流检测头。其中的一个绕制线圈的磁芯作为DCCT自身反馈控制系统的磁通检测单元。由于磁芯退火、加磁的工艺偏差，磁芯的磁特性并不完全一致。这样，DCCT磁通检测单元的性能有差异，给批量生产DCCT增加了难度。而且，绕制好的DCCT电流检测头的磁通检测单元性能指标超出预定阈值， DCCT就不能正常工作。

为解决上述问题，通常的做法是重新调整DCCT电路其他参数以适合磁通检测单元，但会导致DCCT批量生产效率低下，且各电流检测头不方便通用。甚至，有些磁芯的性能指标偏离较大，即使重新调整DCCT其他电路参数整个系统的工作状态无法到达理想的稳定状态，导致绕制好的电流检测头报废，既浪费人力物力，也浪费自然资源。

研究发现，现有技术在磁调制直流电流传感器的磁芯挑选方面要么存在较大的误差不能胜任磁芯挑选任务，要么挑选过程费时费力增加人工成本，尤其试错法是线圈绕制完成后才能发现问题，造成严重的资源浪费。

为保证DCCT性能一致，通常使用磁芯挑选方法有3种：第1种是采用测量磁芯单匝电感量，该方法通过考核磁芯的单匝电感间接地考核了磁芯的平均磁导率，虽然磁芯磁导率越高对电流磁场越灵敏，但测量单匝电感的测量电流会严重影响测量结果，从而降低单匝电流的准确度；第2种是测量磁芯的磁滞回线，该方法虽然测试结果较准确但是测量过程繁琐耗时耗力；第3种是试错法：从制作好的电流检测头中挑选合适的。该方法把挑选的质控点后挪，事后挑选无法控制电流检测头的绕制补偿线圈的成本。磁调制直流电流传感器通常由3个磁芯构成，其中一个磁芯上绕组是用来激励磁芯的；另一个绕组为补偿线圈，是用来抵消激励磁芯的激励信号，以防激励信号感应到补偿线圈上；第3个磁芯是变压器磁芯，提高磁调制直流电流传感器的交流测量能力。通常补偿线圈的匝数在千匝量级且绕制完成后，激励磁芯无法更换。

为克服以上各办法的不足，需要提供一种方法在DCCT生产流程中把质控点向前设定，且兼顾DCCT批量调试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置及方法，以实现低成本的DCCT磁芯挑选，并能保证批量DCCT的一致性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，包括：激励绕组，其绕制于一被测磁芯上；调制信号单元，其与激励绕组的一端连接，用于产生一调制信号，给被测磁芯提供励磁电流；解调单元，其与激励绕组的另一端连接，用于获得所述被测磁芯的解调信号，获得被测磁芯内低频磁通变化量，并转化为电压信号；单匝的第一预留导线和第二预留导线，其均穿过所述被测磁芯；功率放大单元，其输入端连接至所述解调单元，输出端连接所述第二预留导线的一端；测试信号单元，其连接至第一预留导线的一端，设置为提供一测试信号，所述测试信号用于测试被测磁芯的性能；和测试信号检测单元，包括第一电阻和第二电阻，第一电阻通过第一电压输出端连接到第一预留导线的另一端，第二电阻通过第二电压输出端连接到第二预留导线的另一端，且第一电阻和第二电阻均接地，第一电压输出端设置为输出测试信号，第二电压输出端设置为输出对应的检测信号。

所述激励绕组的匝数等于被测磁芯在用于直流电流传感器的激励磁芯时的下安全绕制匝数。

所述测试信号单元通过第一接线端子连接至第一预留导线的一端，功率放大单元的输出端经导线和第二接线端子连接所述第二预留导线的一端，第一接线端子连接于第一预留导线的一端，第二接线端子连接于第二预留导线的一端。

所述调制信号设置为使被测磁芯处在高频临近饱和状态，所述调制信号包括方波、正弦波、梯形波、三角波和锯齿波中的至少一种。

所述测试信号包括方波、正弦波、三角波、梯形波和锯齿波中的至少一种。

所述被测磁芯的形状包括矩形、圆环形和菱形中的一种；被测磁芯的形状是闭合的或C形不闭合的；且所述被测磁芯是刚性的或柔性的。

所述调制信号单元、解调单元、功率放大单元与被测磁芯形成闭环负反馈系统。

另一方面，本发明提供一种磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选方法，包括：

S1：选择被测磁芯，并在该被测磁芯上搭建根据上文所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置；

S2：开启其调制信号单元、解调单元和功率放大单元，调节该磁芯挑选装置的参数，使之工作在稳定状态；

S3：开启其测试信号单元，以施加一测试信号；

S4：测量其第一电压输出端输出的测试信号和第二电压输出端输出的检测信号，比对测试信号和检测信号，从而确定被测磁芯是否合格。

所述步骤S1包括：

S11：在被测磁芯上绕制一激励绕组，将激励绕组的两端分别连接一调制信号单元和一解调单元；其中，激励绕组的匝数等于被测磁芯在用于直流电流传感器的激励磁芯时的下安全绕制匝数；

S12：将单匝的第一预留导线和第二预留导线穿过所述被测磁芯；将一功率放大单元的输入端与解调单元连接，将其输出端与第二预留导线的一端连接；将一测试信号单元与第一预留导线的一端连接；将一测试信号检测单元的第一电阻和第二电阻分别通过第一电压输出端和第二电压输出端与第一预留导线和第二预留导线的另一端连接；且将第一电阻和第二电阻接地。

所述调制信号单元、解调单元、功率放大单元与被测磁芯形成闭环负反馈系统；且在所述步骤S2中，在所述磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置工作在稳定状态时，被测磁芯上的磁通为零。

在所述步骤S4中，当所述检测信号与所述测试信号满足幅值相等且相位相反时，被测磁芯合格；否则，被测磁芯不合格。

磁平衡的实现方式是磁调制或者是磁通门。

本发明的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置的装置简单，信号流程清晰，避免了用磁芯电感量估测磁材性能带来不确定性误差；其次，本发明的装置降低了磁芯挑选工作的劳动强度，避免了采用磁芯磁滞回线评估磁材费时费力的弊端，只在单个被测磁芯上绕制磁平衡的激励绕组，用单匝的第二预留导线代替检测头补偿线圈的绕制，不必在电流检测头上绕制补偿线圈，从而降低了检测头的绕制成本，方便简单，成本低廉。

另外，本发明的装置还可以根据需要灵活改变激励信号的信号特征，比如，频率和幅度，更接近实际DCCT的磁芯工作状态，从而真实反映磁芯是否符合DCCT的磁芯要求。最后，本发明的装置还可以改变测试信号单元的信号特征，以适应磁芯不同性能的测试需要。

总之，本发明在以上优点的基础上，明显降低了DCCT磁芯的挑选难度，实用方便，结果可靠，值得推广。

附图说明

图1为本发明的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示为根据本发明的一个实施例的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，其用于检测一被测磁芯10，其包括激励绕组1、调制信号单元2、解调单元3、两根单匝的预留导线、两个接线端子p1、p2、功率放大单元4、测试信号单元5和测试信号检测单元6。

激励绕组1，其绕制于被测磁芯10上；该激励绕组1的匝数根据被测磁芯10批次的需要来设定，激励绕组1的匝数等于被测磁芯10在用于直流电流传感器的激励磁芯时的下安全绕制匝数；

所述被测磁芯10可以是多种形状，其形状包括矩形、圆环形、菱形等但不限于这些形状。被测磁芯10的形状既可以是闭合的也可以是C形不闭合的。被测磁芯10既可以是刚性的也可以是柔性的。

由于激励绕组的绕制匝数仅是激励磁芯的下安全绕制，不包括直流电流传感器的补偿线圈绕制，通常补偿线圈的匝数在千匝量级且绕制完成后，激励磁芯无法更换，所以本发明的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置通过激励绕组的设置，避免了检测绕制完成的直流电流传感器所带来的绕制补偿线圈的成本。本发明解决了试错法的绕制成本的问题，用第二预留导线代替检测头补偿线圈的绕制，而第二预留导线只用一匝，方便简单，成本低廉。

调制信号单元2，其与激励绕组1的一端连接，用于产生一调制信号，给被测磁芯10提供励磁电流；其中，调制信号为高频信号，设置为使磁芯处在高频临近饱和状态；所述调制信号包括方波、正弦波、梯形波、三角波和锯齿波等等中的至少一种，以提供足够的励磁电流。

解调单元3，其与激励绕组1的另一端连接，用于获得所述被测磁芯 10的解调信号，获得被测磁芯10内低频磁通变化量，并转化为电压信号；由此，检测了被测磁芯10内磁通偏离零的程度。

单匝的第一预留导线和第二预留导线，其均穿过所述被测磁芯10；

两个接线端子p1、p2包括第一接线端子p1和第二接线端子p2，第一接线端子p1连接于第一预留导线的一端，第二接线端子p2连接于第二预留导线的一端；

功率放大单元4的输入端连接至所述解调单元3，输出端经导线和第二接线端子p2连接所述第二预留导线的一端，设置为根据输入信号输出相应电流；

测试信号单元5通过所述第一接线端子p1连接至第一预留导线的一端，设置为提供一测试信号，所述测试信号用于测试被测磁芯10的性能(即测试被测磁芯10上搭建的磁芯挑选装置的阶跃响应)，是可调幅值、可调频率的低频电压信号，其频率根据被测磁芯10的批次来确定具体数值。所述测试信号包括阶跃信号如低频方波信号，但不局限于阶跃信号，也可以包括：方波、正弦波、三角波、梯形波和锯齿波等等中的至少一种，从而提供测试需要的多种电流波形。

其中，上文所述的调制信号的频率是检测信号的频率的上千倍，确定满足组奈奎斯特采样定理。两者的波形无相关性。

测试信号检测单元6包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1通过第一电压输出端u1连接到第一预留导线的另一端(即远离第一接线端子p1 的一端)，第二电阻R2通过第二电压输出端u2连接到第二预留导线的另一端 (即远离第二接线端子p2的一端)，且第一电阻R1和第二电阻R2均接地。

第一电压输出端u1设置为输出第一电阻R1的对地电压(即测试信号)，第二电压输出端u2设置为输出第二电阻R2的对地电压(即对应的检测信号)，由此，通过第一电压输出端u1和第二电压输出端u2的输出来比对测试信号和对应的检测信号。

所述调制信号单元2、解调单元3、功率放大单元4与被测磁芯10形成闭环负反馈系统。调制信号单元2连接到磁芯的激励绕组1的一端，激励绕组1的另一端通过解调单元3内部电阻串联到地。调制信号单元2通过施加调制信号使磁芯在调制信号的峰值时处于饱和或临近饱和状态。解调单元3 通过检测内部电阻两端电压，利用峰值检波方法获得被测磁芯内磁通偏离零的信号。该被测磁芯内磁通偏离零的信号推动功率放大单元4在第二预留导线上产生相应的电流，以抵消磁芯内的磁通，实现被测磁芯内零磁通状态。这样，调制信号单元2、解调单元3和功率放大单元4就与所述被测磁芯构成了闭环负反馈系统。当第一预留导线上有测试信号时，测试信号的电流在被测磁芯中产生磁通，被测磁芯内磁通偏离零状态则在解调单元3 获得磁芯内磁通偏离零的对应的检测信号。

基于上文所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，所实现的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选方法，包括以下步骤：

步骤S1：选择被测磁芯10，并在该被测磁芯10上搭建上文所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置；

步骤S1具体包括：

步骤S11：在被测磁芯10上绕制一激励绕组1，将激励绕组1的两端分别连接一调制信号单元2和一解调单元3；其中，激励绕组1的匝数等于被测磁芯10在用于直流电流传感器的激励磁芯时的下安全绕制匝数；

步骤S12：将单匝的第一预留导线和第二预留导线穿过所述被测磁芯 10；将一功率放大单元4的输入端与解调单元3连接，将其输出端通过第二接线端子p2与第二预留导线的一端连接；将一测试信号单元5通过第一接线端子p1与第一预留导线的一端连接；将一测试信号检测单元6的第一电阻 R1和第二电阻R2分别通过第一电压输出端u1和第二电压输出端u2与第一预留导线和第二预留导线的另一端连接；且将第一电阻R1和第二电阻R2接地；由此，上文所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置搭建完成。

需要说明的是，这里的磁平衡直流电流传感器中的磁平衡的实现方式可以是磁调制或者是磁通门。

步骤S2：开启所述调制信号单元2、解调单元3和功率放大单元4，调节该磁芯挑选装置的参数，使之工作在稳定状态；由于调制信号单元2、解调单元3、功率放大单元4与被测磁芯10形成闭环负反馈系统，且本发明的磁芯挑选装置是基于零磁通原理工作的，因此在本发明的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置工作在稳定状态时，被测磁芯10上的磁通为零。

步骤S3：开启测试信号单元5，以施加一测试信号；

其中，所述测试信号包括阶跃信号如低频方波信号，但不局限于阶跃信号，也可以包括：方波、正弦波、三角波、梯形波、锯齿波，等等，从而提供测试需要的多种电流波形。由此，可以测试被测磁芯10上搭建的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置的阶跃响应，通过阶跃响应获得被测磁芯10 的性能描述。

步骤S4：测量第一电压输出端u1输出的测试信号和第二电压输出端 u2输出的检测信号，比对测试信号和检测信号，从而确定被测磁芯10是否合格。

其中，当检测信号与第一电压输出端u1输出的测试信号满足幅值相等且相位相反时，被测磁芯10合格；否则，被测磁芯10不合格。

由于磁平衡直流电流传感器是基于零磁通原理工作的，在系统正常工作时，施加在第一预留导线的测试信号和第二预留导线上的补偿电流的共同作用使磁芯上的磁通为零。因此，在第二预留导线上能得到与第一预留导线上等值且反相的电流信号，通过观测对应的检测信号并结合阶跃响应理论可以获知被测磁芯10的性能，从而确定磁芯的类别，即是否属于合格类别。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (12)

1.一种磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，其特征在于，包括：

激励绕组(1)，其绕制于一被测磁芯(10)上；

调制信号单元(2)，其与激励绕组(1)的一端连接，用于产生一调制信号，给被测磁芯(10)提供励磁电流；

解调单元(3)，其与激励绕组(1)的另一端连接，用于获得所述被测磁芯(10)的解调信号，获得被测磁芯(10)内低频磁通变化量，并转化为电压信号；

单匝的第一预留导线和第二预留导线，其均穿过所述被测磁芯(10)；

功率放大单元(4)，其输入端连接至所述解调单元(3)，输出端连接所述第二预留导线的一端；

测试信号单元(5)，其连接至第一预留导线的一端，设置为提供一测试信号，所述测试信号用于测试被测磁芯(10)的性能；和

测试信号检测单元(6)，包括第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，第一电阻(R1)通过第一电压输出端(u1)连接到第一预留导线的另一端，第二电阻(R2)通过第二电压输出端(u2)连接到第二预留导线的另一端，且第一电阻(R1)和第二电阻(R2)均接地，第一电压输出端(u1)设置为输出测试信号，第二电压输出端(u2)设置为输出对应的检测信号。

2.根据权利要求1所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，其特征在于，所述激励绕组(1)的匝数等于被测磁芯(10)在用于直流电流传感器的激励磁芯时的下安全绕制匝数。

3.根据权利要求1所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，其特征在于，所述测试信号单元(5)通过第一接线端子(p1)连接至第一预留导线的一端，功率放大单元(4)的输出端经导线和第二接线端子(p2)连接所述第二预留导线的一端，第一接线端子(p1)连接于第一预留导线的一端，第二接线端子(p2)连接于第二预留导线的一端。

4.根据权利要求1所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，其特征在于，所述调制信号设置为使被测磁芯(10)处在高频临近饱和状态，所述调制信号包括方波、正弦波、梯形波、三角波和锯齿波中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，其特征在于，所述测试信号包括方波、正弦波、三角波、梯形波和锯齿波中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，其特征在于，所述被测磁芯(10)的形状包括矩形、圆环形和菱形中的一种；被测磁芯(10)的形状是闭合的或C形不闭合的；且所述被测磁芯(10)是刚性的或柔性的。

7.根据权利要求1所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置，其特征在于，所述调制信号单元(2)、解调单元(3)、功率放大单元(4)与被测磁芯(10)形成闭环负反馈系统。

8.一种磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选方法，其特征在于，包括：

步骤S1：选择被测磁芯(10)，并在该被测磁芯(10)上搭建根据权利要求1-7之一所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置；

步骤S2：开启其调制信号单元(2)、解调单元(3)和功率放大单元(4)，调节该磁芯挑选装置的参数，使之工作在稳定状态；

步骤S3：开启其测试信号单元(5)，以施加一测试信号；

步骤S4：测量其第一电压输出端(u1)输出的测试信号和第二电压输出端(u2)输出的检测信号，比对测试信号和检测信号，从而确定被测磁芯(10)是否合格。

9.根据权利要求8所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S11：在被测磁芯(10)上绕制一激励绕组(1)，将激励绕组(1)的两端分别连接一调制信号单元(2)和一解调单元(3)；其中，激励绕组(1)的匝数等于被测磁芯(10)在用于直流电流传感器的激励磁芯时的下安全绕制匝数；

步骤S12：将单匝的第一预留导线和第二预留导线穿过所述被测磁芯(10)；将一功率放大单元(4)的输入端与解调单元(3)连接，将其输出端与第二预留导线的一端连接；将一测试信号单元(5)与第一预留导线的一端连接；将一测试信号检测单元(6)的第一电阻(R1)和第二电阻(R2)分别通过第一电压输出端(u1)和第二电压输出端(u2)与第一预留导线和第二预留导线的另一端连接；且将第一电阻(R1)和第二电阻(R2)接地。

10.根据权利要求8所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选方法，其特征在于，所述调制信号单元(2)、解调单元(3)、功率放大单元(4)与被测磁芯(10)形成闭环负反馈系统；且在所述步骤S2中，在所述磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选装置工作在稳定状态时，被测磁芯(10)上的磁通为零。

11.根据权利要求8所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选方法，其特征在于，在所述步骤S4中，当所述检测信号与所述测试信号满足幅值相等且相位相反时，被测磁芯(10)合格；否则，被测磁芯(10)不合格。

12.根据权利要求8所述的磁平衡直流电流传感器的磁芯挑选方法，其特征在于，磁平衡的实现方式是磁调制或者是磁通门。

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