CN1161619C - 电流检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测量供给负载中的能量的财务电量计。负载电流流过一个传感器的初级线圈并感应可以表示流过次级线圈中的电流的EMF(电动势)。次级线圈包括一个设置成可以更强烈地耦合初级线圈的传感绕组以及一个抵消补偿绕组，这两个绕组具有相同并相对的多匝导体面积，以便可以提供对外界磁场的无效响应。绕组设置成它们的磁轴共轴并对齐，这样它们还可以对具有场梯度的外界磁场提供无效响应。

Description

电流检测器
技术领域
本发明涉及一种检测器，其可用于测量导体中流动的电流。更具体的但非唯一的是，本发明涉及一种构成交流电(AC)财务电量计的一部分的电流检测器，此电量计用于计量由公用事业公司提供给商业或住宅房屋的能量。
背景技术
已知用于测量电流的若干种不同的方法。这些方法中的一种是在电路中使用电阻确立电阻两端的电压，该电压正比于流经该电阻的电流。但是，这个方法因旁路电阻的欧姆加热以及被测电流与确立电压之间缺少电流隔离而遭受损害。
另外的一些电流测量方法检测和测量由流经导体的电流引起的磁场。这些方法通常具有在被测的电流与实施测量的电流之间提供电隔离的优点。可通过霍尔传感器或者电流互感器检测磁场。使用霍尔传感器的缺点是，霍尔传感器受温度影响并且还比较昂贵。
US5521572披露了一种空气耦合电流互感器，其使用的两个铁磁性棒极被一对大面积的空气间隙分隔开。但是，这种电流互感器在一些应用诸如固定的电力计量中达不到足够的精度要求，这是因为它敏感于非期望的、外部产生的磁场梯度。US5736846披露了一种用于监测声频放大器负载电流的空气耦合电流互感器。但是，这种电流互感器也敏感于磁场梯度且因此当用于财务电量计时达不到足够的精度要求。
因此，所有这些电流互感传感器现有技术的例子都敏感于外部的非均匀磁场(即磁场强度随空间位置不同而不同)，该磁场可能是由流经位于电流检测器附近的电线的、与被检测电流具有同一频率的电流引起的。
当电流检测器用作财务电量计一部分的场合，尤其重要的是，该电量计不会过度敏感于外部磁场的影响。有各种已出版的标准涉及到财务电量计的性能，例如ANSI C12-1993，“Electricity Metering(电力计量)”以及IEC1036第二版1996-09。更明确地，ANSI C12.16，“Solid StateElectricity Meters(固态电量计)”，条款10.2.4“Effect of ExternalMagnetic Field Test No.16(外部磁场影响测试第16)”，规定了财务电量计可以受磁干扰影响的程度。该测试规定，以3A电流流经电量计，且将该电量计放在1.8米乘1.8米环路中三个规定位置中的一个上，绕该环路流动的100安培(100A)的电流(与被检测电流具有同样的频率和相位)引起的计量读数变化不能超过1％。
因此对电流检测器提出这样的要求：费用低廉，提供与被检测电流的隔离，便于利用现代电子制造方法集成化，并且实质上不敏感于：
(i)例如由远距离(远场)磁源产生的磁场；
(ii)例如由流经导体近旁的大电流产生的非均一磁场(即场梯度)；
(iii)由ANSI标准规定的磁场。
发明内容
依照一个方面，本发明提供了一种基本为平面型的电流检测器，其用于确立与负载导体中的电流的变化率成正比例的电动势，该电流检测器包括线圈部分，线圈部分确立的电动势对远离干扰源的均匀场而言实质上相等且相反，而对局部场则是不同的。
这样的传感器可制造为印刷线路板(PCB)形式，其提供了一种费用低廉的制造方法，构成线圈部分的导体的配置定位能够达到优良的公差且因此获得良好的再现性。
依照第二个方面，本发明提供了一种电量计，其包括：用于从电力供应接入供应电流的入口；用于将供应电流输出到负载的出口；连结入口和出口用于给供应电流流经该电量计提供电流路径的原导体；用于检测流经原导体的供应电流并输出一个测量值的电流检测器；用于提供电力供应的电压的测量值的装置；以及根据电流测量值与电压测量值确定并输出负载的能量消耗的指示值的装置；其特征在于所述电流检测器包括一个传感线圈，该传感线圈具有：(a)内传感线圈部分，其具有实质上位于同一平面上的多个导电匝圈且具有由这些导电匝圈构造限定的磁中心；以及(b)外传感线圈部分，其具有至少一个导电匝圈，实质上与内传感线圈部分的导电匝圈位于同一平面上，且其具有由该至少一个导电匝圈的构造限定的磁中心；内传感线圈与外传感线圈的配置使得它们的有效磁中心实质上是共轴的；其中内、外传感线圈部分具有实质上相同的匝数与面积的乘积，它们串接且配置使得(i)在内、外传感线圈部分中由公共的背景交变磁场而感应生成的电动势彼此方向相反；且使得(ii)它们的有效磁中心实质上位于同一位置；其中所述原导体具有环路部分，该环路部分位于内、外传感线圈部分两者其中一个的近旁，且位于一个实质上与传感线圈部分所处平面相平行的平面上；并且其中原导体和所述传感线圈的配置是这样的，响应在原导体中流动的电流，在所述传感线圈中感应生成一个信号，其根据在原导体中流动的电流而变化。
附图说明
现在将结合附图描述本发明的典范实施例，附图包括：
图1是财务电量计的一部分的部件分解立体图，该财务电量计结合包括了两个负载导体以及电流检测器，适合用于美国；
图2是印刷线路板的俯视图，其构成了图1所示电流检测器的一部分，且图解说明了电流检测器的线圈配置；
图3a是经图1中XX′剖切的剖视图，图解说明了与流经负载导体的电流相关联的磁场以及那个磁场是如何干扰图2中的线圈配置的；
图3b是经图1中XX′剖切的剖视图，图解说明了横穿过图2中线圈配置的平面的磁场(当由局部磁源产生时)强度变化线性；
图4是图1中财务电量计的方框原理图；
图5a显示了在优选的本发明具体实施例PCB电流检测器的顶层上印制的导体；
图5b显示了在优选的PCB电流检测器的底层上印制的导体(从顶层往下看)；
图6显示了一个优选的财务电量计的电路图，其适合结合图5a与5b中的电流检测器一起使用；
图7显示了一个适合于测量三相电流的负载导体配置，且还显示了一个电流检测器系统的可选实施例；以及
图8显示了一个可选的传感器线圈配置，其可用于图1的电流检测器系统中。
具体实施方式
图1显示了财务电量计20的局部部件分解图，财务电量计20包括电量计底座30、电力线输入21、电力线输出22以及电流检测器1。电流检测器1包括第一负载导体2以及第二负载导体32，两者连接在电力线输入21与电力线输出22之间，并且主电流通过第一负载导体2以及第二负载导体32流动。电力线输入21可连接到“2S”3线制的、240伏特(120V)均方根值(RMS)60赫兹(60Hz)的单相的中间抽头的供电干线(通常用于美国住宅房屋的)上，从供电干线上可流出均方根值为0A至200A的电流。电力线输出22可连接到住宅房屋。电流检测器1还包括传感器印制线路板5，传感器印制线路板5上形成有包括传感部分6和抵消补偿部分7的电流传感线圈4。在这个实施例中，传感部分6是环形的且共轴地位于同样是环形的抵消补偿部分7中。传感器电路9和液晶显示器(LCD)10安装在传感器印制线路板5上，传感器电路9用于处理电流传感线圈4的输出，液晶显示器(LCD)10用于显示从供电干流中抽吸出来的累计能量(以千瓦时)。
在这个实施例中，负载导体2、32由铜制成且具有2.5毫米(2.5mm)厚度与5mm宽度。如图1所示，负载导体2的造型具有环路部分2a，环路部分2a具有9.8mm内径和与传感部分6的外径相同的外径。尽管由于传感器印制线路板5的遮蔽而看不到了，负载导体32也有一个环路部分，该环路部分实质上与负载导体2的相同。如图1所示，负载导体与PCB5的配置使得穿过环路部分的有效磁场中心的磁力线实质上垂直于传感器印制线路板5。利用2S3线制供电，电流的大部分(通常)将通过负载导体2或者负载导体32流到连接到中性导体上的负载；从这些负载返回到供电线的回流经过了中性导体(中线是2S制供电的”第三条”线且不连接到电量计)。其他电流可从负载导体2经过负载流到负载导体32而不会经中性导体返回供电线。经过具有19.5mm宽度的刀片部分12a、b、c、d实现电力线输入21和电力线输出22的电连接。刀片部分经过12mm宽度的铜导体连接到它们适当的负载导体2、32。
在这个实施例中，利用传感器印制线路板5与负载导体2、32之间的绝缘纸(未示出)使传感器印制线路板5与负载导体2、32绝缘。利用绝缘的非铁的夹持螺栓(未示出)将负载导体2、32、绝缘纸、以及传感器印制线路板5夹持到一起。在负载导体2、32与传感器印制线路板5之间还设置有静电屏蔽，以减少电力网上的干扰(或交流电力网电压势能)对从负载导体2、32到电流传感线圈4的电容耦合。
工作概述
在工作中，在电力线输入21与电力线输出22之间流动的AC电流流经了负载导体2、32的环路部分，且因此在传感线圈4附近区域确立了一个时变磁场。这个磁场在线圈4中感应生成了一个电动势(EMF)，其正比例于在负载导体2、32中流动的电流。然后通过传感器电路9处理该感应电动势以测量在负载导体2、32中流动的电流。然后将该电流测量值结合负载导体2、32之间的电压测量值以推导出连接(经由负载导体2、32)到电力线输出22的负载的瞬时功率测量值。该瞬时功率关于时间积分以便确定该负载消耗的能量。然后将这个消耗的能量以千瓦时为单位显示在LCD显示器10上。
传感器印制线路板
图2显示了传感器印制线路板5且还更详细地图解说明了电流传感线圈4中的传感部分6与抵消补偿部分7之间的关系。在这个实施例中，传感器印制线路板5是一个单面的印刷线路板并且以实线形式显示在传感器印制线路板5上形成的铜质的图案。在图2中显示的虚线8表示连接传感部分6最内端与传感器电路9的线连接位置。
如图2所示，传感部分6是具有四匝的螺旋形线圈，每匝实质上半径为r1。抵消补偿部分7是单匝，其半径为r2。传感部分6与抵消补偿部分7的有效磁偶极子位置中心实质上是重合的，且分别表示为点15a、15b。线圈的有效磁中心由无穷小偶极子(具有适当的磁场强度)的位置与方向给定，当在线圈和偶极子的远场观测时，它们是无差别的。抵消补偿部分7的半径实质上是传感部分6的半径的两倍。因此尽管传感部分6与抵消补偿部分7具有不同数目的匝数以及具有不同的尺寸大小，它们实质上具有相同的匝数与面积的乘积。
如图2所示，传感部分6远离中心的外匝连接到抵消补偿部分7，传感部分6与抵消补偿部分7的另一端都连接到传感器电路9。如图所示，传感部分6与抵消补偿部分7连接在一起，因此两者以相反的方向盘绕。因此，传感部分6中的感应电动势的方向与抵消补偿部分7的相反。而且，由于传感部分6的匝数与面积的乘积与抵消补偿部分7的实质上是相等的，因此响应远处的(且因此在空间上是均匀的)时变磁场产生的传感部分6中的感应电动势将和响应同一远处的时变磁场产生的抵消补偿部分7中的感应电动势抵消补偿掉。因此，电流检测器1相比较而言就会不受背景磁场的干扰。
图3a是沿着图1中所示的线X-X′剖切的传感器印制线路板5的截面，截面穿过的平面包含了有效磁偶极子中心15a、15b。该截面显示了实质上位于同一个公共平面上的传感部分6与抵消补偿部分7，且显示了在一个平行平面上的负载导体2，其恰好位于传感部分6的上方。图3a还显示了无关的场力线3a、与传感器有关的场力线3b、以及与抵消补偿有关的场力线3c，这些都表示当电流流经负载导体2时在负载导体2周围产生的磁场。场力线3描述的是一个瞬时的(此时流经负载导体2的电流处于其正峰值)。
为了图面清楚明晰，没有在图3a中表示出第二负载导体32，但是其位于传感器印制线路板5的与负载导体2位置相反的一侧，关于电流传感线圈4所在平面与负载导体2的位置镜像对称。第二负载导体32连接在电力线输入21与电力线输出22之间以便将流经第二负载导体32的电流产生的磁场叠加到流经负载导体2的负载电流(Is)产生的磁场。
负载导体磁力线3围绕负载导体2构成封闭的环。无关的场力线3a仅只围绕负载导体2构成封闭的环，且因此不会在传感部分6或者抵消补偿部分7中产生感应电动势。与传感器有关的场力线3b构成的封闭环围绕着负载导体2和传感部分6两者，但没有围绕着抵消补偿部分7，且因此这些场力线将仅仅与传感部分6耦合。与抵消补偿有关的场力线3c使传感部分6和抵消补偿部分7两者都与负载导体2耦合，且因此不会对电流传感线圈4产生影响(由于传感部分6和抵消补偿部分7以相反的传感方向盘绕着)。
因此，由于由流经负载导体2的电流产生的磁场3与传感部分6的耦合多于与抵消补偿部分7的耦合，在电流传感线圈4的线圈中产生一个净电动势，其随着流经负载导体2的电流的改变而改变。然后可利用如上所论述的这个电动势来确定连接到电力网的负载所用的电流。
尽管前面的论述是就磁力线3a、3b、3c而言的，本领域普通技术人员将能够理解，那些论述是对实际情况的简化描述。例如，基于有限元模型的全矢量场分析可用于计算矢量磁场和线圈中的感应电动势。
场梯度
如上所论述的那样，财务电量计的一个重要的性能特征是其敏感于磁干扰，例如在ANSI C12.16中所规定的磁干扰。下面将解释，通过配置传感部分6和抵消补偿部分7来使得它们的磁中心15a、15b实质上位置重合，电流传感线圈4有效地避免了线性场梯度的影响。线性场梯度关于位置的一阶导数是常数，而高阶导数实质上是零。
图3b显示了由局部的、随时间变化的磁源产生的在一个瞬时的场强梯度。这里的局部源是足够强的，且当产生具有显著非均匀组成成分的磁场时足够地靠近传感线圈4。一个局部源的实施例是这样一种导体：该导体距离传感线圈4有0.2m，且承载着相位、频率与财务电量计20测量的电流相同的大电流。通常，这样的源产生的磁场具有三个正交分量。这些正交分量中的两个的磁力线位于传感线圈4的平面中，且因此不能与传感线圈4耦合。其它的正交分量的磁力线垂直于传感线圈4的平面且因此与该分量有关的磁通量将与传感部分6和抵消补偿部分7耦合。由于线性场梯度，穿过传感线圈4的这个垂直分量的磁力线的通量密度将线性变化，并且在图3b中用线16图解说明。
如图3b所示，在传感部分6和抵消补偿部分7的左边，穿过传感线圈4的磁场强度16较高，但是随着往传感部分6和抵消补偿部分7的右边推移磁场强度16线性减小。作为穿过传感线圈4的磁场强度16变化的结果，抵消补偿部分7的左边将经受较强的磁场而抵消补偿部分7的右边将经受较弱的磁场。同样地，传感部分6的左边将经受比抵消补偿部分7的左边为弱的磁场，但传感部分6的右边将经受比抵消补偿部分7的右边为强的磁场。因此，因为传感部分6和抵消补偿部分7的磁中心15a与15b是位置重合的，磁场强度16在传感部分6和抵消补偿部分7上产生的效应彼此实质上是抵消掉了。(假设磁场16是完全线性的则传感部分6和抵消补偿部分7彼此将完全抵消掉。)
处理电路
图4图解说明了财务电量计20的原理图，且显示了电力线输入21通过第一带电导线L1与第二带电导线L2连接到电力线输出22。沿着带电导线L1从电力线输入21流到电力线输出22的电流Is经过了电流检测器1的负载导体2。电流Is可沿着带电导线L2从电力线输出22返回到电力线输入21，途经了电流检测器1的第二负载导体32。配置负载导体2和第二负载导体32使得当电流Is流经它们时它们产生的磁场彼此增强。
传感器电路9包括积分器23、电压检测器25、包括一个模拟数字转换器(ADC)26的微控制器24、以及显示器10。该电路还包括电源28，其将经由L1与L2的电力网供电转换为直流电压，以便于为传感器电路9中的其它部分供电。
积分器23对由电流传感线圈4输出的电动势进行积分以产生输出电压，其与在负载导体2、32中流动的电流成正比例，但和电流的频率没有关系。然后经由微控制器24的ADC26将该积分值转换为数字。本领域普通技术人员明白，积分器23对电流传感线圈4输出的电动势正比于流经负载导体2、32的电流变化率这样一个情况进行了补偿，且因此确保ADC24转换得到的数字信号是供应电流的真实测量。
为了确定经由电力线输出22供给负载的能量，财务电量计20需要知道电压Vs以及电流Is。通过电压检测器25测量电压Vs(当L1与L2都标称为120V但彼此相对错位180°时将电压Vs标称为240V)，电压检测器25测量L2相对于L1的电压并且将预定部分测量值回馈给ADC26的另一个通道，以进行数字转换。然后微控制器24将电压Vs与电流Is的数字值一起相乘，以确定连接到电力线输出22的负载所用的瞬时功率Ps。然后微控制器24对瞬时功率Ps进行时间积分，以确定供给负载的能量Es。然后将供给负载的累计能量显示在显示器10上。
如已经描述的那样，电流检测器1用于构造财务电量计20，其中负载导体2、32与电流检测器1是电隔离的，并且其实质上不受线性磁场梯度以及均匀磁场的影响。
另一个实施例
现在将结合附图5与6来描述说明一个优选的电流检测器101。电流检测器101与电流检测器1相似，但如图5a与5b所示的差动传感线圈104不同。差动传感线圈104形成在1.6mm标准厚度印制线路板的顶层与底层上。图5a显示了在印制线路板顶层的导体轨迹而图5b显示了在印制线路板底层的导体轨迹(当从印制线路板顶层往下看时)。如图5a所示，差动传感线圈104的顶层包括的导体从中间抽头(CT)起沿着逐渐增大的顺时针螺旋方向盘绕12匝。然后该导体以反方向沿着逐渐增大的逆时针螺旋方向盘绕5匝。顺时针螺旋线圈定义为内侧传感部分106，而逆时针螺旋圈定义为外侧抵消补偿部分107。同理，该印制线路板底层具有的导体从中间抽头(CT)起沿着逐渐增大的逆时针螺旋方向盘绕12匝，而后沿着逐渐增大的顺时针螺旋方向盘绕5匝。逆时针螺旋线圈定义为内侧传感部分106′，而顺时针螺旋圈定义为外侧抵消补偿部分107′。在这个实施例中，印制线路板顶层与底层的线圈通过设置在中间抽头(CT)处的过孔连接到一起，而另外的线圈端点连接到处理电路(未示出)。
对于电流检测器101，内侧传感部分106与106′都具有5mm内径和10mm外径，且外侧抵消补偿部分107与107′都具有12mm内径和14mm外径。将传感与抵消补偿部分的轨迹宽度便利地设定为0.008″(0.20mm)。电流传感线圈104优选地和具有内径约为5mm且外径约为10mm的环路部分(例如在图1中显示的那些)的负载导体一起使用。负载导体优选地由2.5mm厚的铜板压制而成，因此它们能够承载200A的额定电流而不会过热。该负载导体优选地和传感器印制线路板的顶层与底层间隔0.5mm。利用这种构造，差动传感线圈104对流经负载导体的200A 60Hz负载电流的响应输出是20mV均方根值。
图6a、6b与6c显示了优选的财务电量计120的原理图，其包括另一可选择的传感器电路109，适合于和差动电流检测器101一起使用。优选的财务电量计120显示在图16中，还适合于和2S 3线制的美国干线供电一起使用。
象显示的那样，财务电量计120包括电力线输入121，电力线输入121连接在2S 3线制240V(120V)中心抽头的供电干线的两个带电相上。这两个带电相分别标示为L1与L2，且相对于中线(未示出)都是120VRMS60Hz，两者具有180°相位差因此它们之间扩大为240V RMS。电量计120和中性导线没有连接。火线L1依次连接电力线输入121、负载导体102与电力线输出122。同样地，火线L2依次连接电力线输121、负载导体132与电力线输出122。如此配置负载导体102、132使得沿着带电相流动的电流产生磁场，该磁场在电流检测器101彼此增强。
如图6a所示，电流检测器101包括在前面描述过的差动电流传感线圈104，电流传感线圈104的输出通过差分积分器123积分。然后差分积分器123的输出通过增益调整电路129，增益调整电路129借助于可变电阻R16对差分积分器123的输出进行调整。增益调整电路129还包含抗混叠电路R29、C25与R30、C26，其具有5kHz的-3dB截止频率。这些抗混叠电路在60Hz具有很小的相移大约0.2°。然后将增益调整电路129的输出输入到处理器124以进行数字转换，且随后与由电压检测器125(显示在图6b中)获取的供电电压测量值一起进行处理。
电压检测器125测量火线L2相对于L1的电压。这个测量使得财务电量计120能够通过将干线供电电压和供给电力线输出122的电流一起相乘计算供给负载的功率。电压检测器125有三个功能元件(其中的某些是共用部件)：电压衰减器，用于将干线供电电压减少到便于通过处理器124进行数字转换的程度；抗混叠电路；以及相位补偿电路，其在60Hz干线频率处具有很小程度的相移。相位补偿电路主要由C29、C6与电压检测器125的该部件的其余部分的相互作用构成，且通过财务电量计120的电压传感部分和电流传感部分来补偿累积的相位偏移(包含由抗混叠电路引起的小相移)。
本领域普通技术人员明白，电压检测器125包含相位补偿是考虑到了差分积分器123不是一个完美的积分器这一因素。(差动线圈104输出的电动势与流经负载导体102、132的电流的变化率成正比例，且因此这个电动势相对于该电流具有90°超前相移。)理想的积分器应具有90°滞后相移，因此90°超前相移与90°滞后相移将相互抵消，从而使得积分器输出电压与流经负载导体102、132的电流同相。但在实际上，差分积分器123不具有理想的90°滞后相移，且因此相位抵消是不完全的，使得它的输出电压带有少许程度的残余相移(相对于流经负载导体102、132的电流)。相位补偿电路用于补偿这个残余相移，以确保在处理器124进行数字转换的这两个信号(分别指干线供电电压和电流)彼此精确地同相(优选地要好于0.1°)。
这个很重要，因为一些可能连接到电力线输出122上的负载可能会具有电抗分量，在这种情况下供给负载的功率将具有一个非同式的功率因数(即cos≠1)。通过财务电量计120精确维持相对于电压相位的电流相位，因此使得电量计120能够精确地测量真实的而非表观的供给电力线输出122的能量。
在这个实施例中，处理器124是由Analogue Devices制造的AD7750积分电路。AD7750包括两个20-位的、差分输入的、A/D转换器，其典型的模拟输入带宽3.5kHz，使得能够在60Hz电力网的每个周期对输入信号(指供给负载的电流与电压)进行大约180次的数字转换。AD7750还包括数字乘法器与数字低通滤波器，其使得AD7750能够计算连接到电力线输出122的负载用的功率。AD7750通过产生一个脉冲串且通过与该负载用的功率成正比例地改变这个脉冲串的频率来表示该功率(这样每个脉冲表示一定量的能量)。通过显示器110对这些脉冲计数，因此显示的数目表示了供给该负载的累计能量。
通过电源128(表示在图6c中)提供了传感器电路109的用电。电容器C2用于将电网干线电压降到较低值，然后将其整流且调整以提供+5V的直流供电。电源128还包括后备电池以便于当干线供电断电时能够保存住通过显示器110显示的计数值。在这个实施例中，传感器电路109的接地参考基准是火线L1，且因此传感器电路109“浮动”在火线L1的电压之上。中间抽头(CT)、差分积分器123以及处理器124中的模数转换器都连接到滤过的且相对无噪声的型式的这个接地参考基准上。
在这个实施例中，在负载导体102、132与传感器106、106′和抵消补偿部分107、107′之间设置有静电屏蔽(未示出)，以减少噪声尖峰以及AC干线供电势能对差分积分器123产生的电容耦合。为了更有效，将静电屏蔽连接到“接地”参考基准(火线L1)上。
在上述实施例中，描述了单相的电流测量系统。现在将结合附图7描述说明三相电流的测量系统。这个系统可以用于，例如检查三相系统的负载导体之间的电流平衡，或者测量三相系统用的功率。如图7所示，图示说明了三个相同的组装部件，每个分别后缀标注为a、b、c，包括：三个负载导体40a、40b、40c，三个电流检测器41a、41b、41c，狭槽42a、42b、42c，信号调节电路43a、43b、43c，以及导线44a、44b、44c。每个负载导体40都是带有实质上平面的环路部分的铜母线。如图7所示，在这些环路部分中的每一个中设置狭槽42，其中利用适当的安装托架(未示出)将各个电流检测器41相对于它们各自的负载导体40定位且保持在适当位置上。象显示的那样，电流检测器41是实质上平面的且相对于与它们有关的负载导体40定向，因此集中在环路部分的磁通量实质上垂直穿过电流检测器41的平面。
每一个电流检测器41各自本身都包括信号调节电路43以生成一个根据在相关的负载导体40中流动的电流而变化的信号。在这个实施例中，这个信号沿着各自的导线44输出到监视系统(未示出)。
负载导体40彼此以足够的间距间隔分离，从而保证任何相邻的电流检测器41a、41b、41c之间的磁耦合是足够低的，低到能够保证应用所需精度的程度。因此由每个电流检测器41得到的电流测量值实质上将不受流经相邻的其它相导体40的电流的影响。
在上述实施例中，使用了环电流传感线圈。本领域普通技术人员明白，可以使用也能够提供本发明优点的其它几何形状的传感线圈。例如，图8显示了一种可选择的电流传感线圈，其包括位于方形抵消补偿部分7″中的三角形传感部分6″。如上面描述的实施例所述，三角形传感部分6″与方形抵消补偿部分7″的有效磁偶极子中心的位置与方向实质上是重合对准的，而它们的匝数面积乘积实质上是相等的。而且，尽管前面的财务电量计20、120的实施例使用的是环形螺旋线的电流传感线圈4、104，但实际上，真实的螺旋线线圈是难于设计与加工的。因此螺旋线线圈优选的类型是大致由半径逐渐增大/减小的半圆形片断组成的。
现在来描述说明可对上述任意实施例进行的各种修改。尽管上述实施例使用的负载导体2实质上包括一匝，而其它的配置是可能的。例如，为了确立一个增强的磁场以增加电流检测器1的灵敏度，负载导体2可包括多匝。使用盘成螺旋形的负载导体的缺点包含增加了制造费用与过多的自热。在另一个实施例中可使用导线来代替铜母线形成负载导体2。使用导线，将导线夹紧在保持架(未示出)中以形成环形区域。保持架可以是塑料造型，放在传感器印制线路板5上。使用导线的缺点包含不能形成最佳化的磁场以及与预先成型的负载导体相比减小了可复制生产的能力。
在再一个实施例中，可利用铁质夹紧螺栓将传感器印制线路板夹紧到负载导体上。因此这个铁质夹紧螺栓可以作为集中负载导体磁力线3的磁元件，以便于增加负载导体2与传感部分6之间的磁通匝连数。但是，使用铁质夹紧螺栓潜在的缺点是流经负载导体2的交流负载电流Is将在夹紧螺栓中感应生成涡电流，涡电流会导致那里的过热。假如负载导体2是绝缘的或者假如不需要绝缘，则可以使用不绝缘的夹紧螺栓。可选择地，在另一个实施例中，为了进一步增加负载导体2与传感部分6之间的磁耦合，可以使用铁氧体磁芯形成环绕负载导体2、传感部分6以及抵消补偿部分7的封闭的磁路。
在上述的实施例中，电流检测器1、41、101都描述了带有构成传感部分与抵消补偿部分的印刷电路的印制电路板。虽然印制线路板典型地能够以较低的费用与良好的可复制生产能力制造电流检测器，但也可以设想使用其它具体实施方式。例如，可方便地用导线盘绕制造传感与抵消补偿部分。可选择地，可将传感与抵消补偿部分所需的电路图形(以及非强制性的还有负载导体)丝网印刷到作为部分混合电路单元的陶瓷衬底上。
在图2中，传感部分6与抵消补偿部分7都位于传感器印制电路板的同一个层上。这保证了它们的有效磁偶极矩的中心实质上是重合的。但是，也可以使用非共平面的线圈配置，同时保持了第一个实施例中具有的的优点即传感部分与抵消补偿部分的有效磁偶极子中心实质上是重合的。例如，在一个可选择的实施例中，可使用3层的印制电路板，其中抵消补偿部分形成在中间层上而传感部分形成形式为在底层与顶层两个层上的完整的匝圈。在这样一个实施例中，在印制电路板的底层与顶层之间分派配置传感部分匝圈以及这些匝圈的直径时，必须同时考虑中间层与顶层之间的间隔和中间层与底层之间的间隔，以便于底层与顶层组合构成的传感部分6的有效磁偶极子中心与抵消补偿部分的在中间层中位置重合。
一般地说，为了达到第一个实施例的优点，传感部分与抵消补偿部分的磁偶极子应当完全重合且方向要沿着同一个轴。因此尽管上述实施例的线圈配置中传感部分与抵消补偿部分没有重叠，但重叠的配置也是可能的。线圈重叠配置的一个例子包括较小的多匝矩形线圈和较大的单匝矩形线圈，两者具有相等的匝数面积乘积。较小的与较大的线圈的纵长轴垂直正交，而在尺寸上较小线圈的长度大于较大线圈的宽度，较大线圈的长度大于较小线圈的宽度。在这样的一个实施例中，负载导体平行于较小的矩形线圈的长边中的一个且刚好超出在该边的外边。作为对这样一个实施例的进一步的改动，两个平面矩形线圈每个都是1匝且大小一样，可将它们正交地配置在同一个平面中。负载导体将耦合这两个线圈，但负载导体沿着其中一个线圈的长边靠近时对该长边所在的线圈的耦合作用非常强。
尽管到现在为止，已经描述过的实施例中，传感与抵消补偿部分实质上是位置重合的，且实质上是方向重合的，在一个可选择的实施例中传感与抵消补偿部分可以是实质上分隔设置的，同时保持传感与抵消补偿部分的磁偶极轴实质上是共轴的。但是，由于传感部分与抵消补偿部分的平面之间的间隔，这样一个补充实施例将敏感于沿这两部分共轴的轴方向上的磁场梯度。尽管如此，这样一个实施例仍然对与公共轴相垂直的方向上的磁场梯度不敏感(如前面关于传感部分与抵消补偿部分的“左边”与“右边”所说明的那样)。
在上述实施例中，传感部分与抵消补偿部分串联连接在印制线路板上。本领域普通技术人员明白，通过在处理电路中将这些部分有效连接在一起能够达到同样的目的。在这样一个实施例中，可以分别对传感部分与抵消补偿部分产生的电动势进行放大、积分以及数字转换，然后在处理器中将其组合以产生一个信号，其实质上不受外部磁场的影响。而且，利用这样一个实施例，由于可对在传感部分与抵消补偿部分中的感应电动势进行差额放大，所以传感部分与抵消补偿部分可以具有不同的匝数面积乘积。因此，例如，假如传感部分具有的匝数面积乘积是抵消补偿部分匝数面积乘积的三分之一，则传感部分的放大器增益将设定为抵消补偿部分放大器增益的三倍。
在上述实施例中，设定负载导体的尺寸大小使得对内匝(传感部分)的耦合比对外匝(抵消补偿部分)的耦合更强。在一个可选择的实施例中，可以设定负载导体的尺寸大小使得对外匝(抵消补偿部分)的耦合比对内匝(传感部分)的耦合更强。但是将传感部分6保持在内部可使得电流检测器1的尺寸最小化，减小尺寸是有益的，因为电流检测器1的线性尺寸以因数2减小会使其对非均匀磁场的敏感度以约因数10减小。但是，限制电流检测器1、101小型化的因素是负载导体2、32中的功率消耗。尤其，负载导体2、32必须如此设置尺寸大小以便具有适宜地低的电阻以及提供有效的热传导，使热量从负载导体的环形区域散失。
上述描述中电流检测器1、101具有它们的传感部分6、106与抵消补偿部分7、107，传感部分与抵消补偿部分共平面，且它们的有效磁偶极子中心是位置重合与共轴的，实际上有一点儿偏差也是容许的。可以容许的偏差程度将取决于应用：偏差增加将减弱电流检测器抵制有害磁场的能力。例如，传感部分与抵消补偿部分的非共面性将导致电流检测器对垂直于传感与抵消补偿部分平面的磁场梯度敏感。同样地，传感与抵消补偿部分之间或它们各自放大器之间的不对称性将导致电流检测器对均匀磁场与具有场梯度的场两者都有一些敏感。而且，假如传感与抵消补偿部分的有效磁偶极子的方向不是完全共向的，则电流检测器将变得对均匀磁场和梯度场都敏感。
在第二个实施例中，图示传感部分106、106′与它们各自的抵消补偿部分107、107′以相反方向盘绕。在一个可选择的实施例中，传感部分可以与它们各自的抵消补偿部分以相同方向盘绕，但是以反向极性连接到们各自的抵消补偿部分。但是，以相反方向盘绕传感部分106、106′与它们各自的抵消补偿部分107、107′的优点是，传感部分106、106′与它们各自的抵消补偿部分107、107′之间的相互连接可以方便地通过将传感部分106、106′的外匝直接连接到它们各自的抵消补偿部分107、107′的内匝来实现，避免了通道或电线连接(其还需要跨过线圈绕组以及相互连接)。
在差动电流传感线圈104的进一步的修改变型中，可以省却中间抽头CT(接地的)，因此象第一个实施例中的电流传感线圈的那样形成单端输出。本领域普通技术人员明白，这样一个无抽头线圈实际上由两个线圈串接(一个位于印制线路板105的顶层而另一个位于底层)组成，并且因此将产生的电动势等于其它相等的单层电流传感线圈的电动势的两倍。由于每一层都实质上不敏感于磁场梯度，所以由多个这样的层可堆叠到一起形成螺线管形状的、而不是平面的电流传感线圈。在这样一个实施例中，应当注意保证层与层之间以及从螺线管端点到传感器电路之间的相互连接自身不构成严重的磁通环形区域从而产生额外的电动势。另一方面，可以通过将一个细长的螺旋形线圈放置在另一个细长螺旋形线圈的内部而不是通过将多个层堆叠到一起来形成螺线管电流检测器。
在上述实施例中，通过模拟积分器对传感线圈输出的信号进行积分。在一个可选择的实施例中，这个积分过程可以通过微处理器数字地完成。还有一种选择方案，对电流传感线圈的信号的积分过程可以省却。但是，如果没有这样一个积分过程，电流传感线圈4的信号将正比例于供给的电流Is以及电力线输入21的频率(典型地为60Hz，对于任意谐波频率是倍数增加的)。在多数情况下，电力的可测量部分是谐波-即其频率是电力网干线频率的整数倍。由于电流传感线圈4的输出正比例于磁通量变化率，因此测量谐波电流不成比例地得到较大读数。这个效应可通过对测量得到的电流进行快速傅里叶变换(FFT)以及通过减小与它们的基频倍数成正比的任意谐波的振幅来补偿。因此，为了避免这些处理难度，对电流检测器获取的信号的积分过程是优选的。积分过程还允许通过对流经负载导体2的直流电流任意变化进行积分来测量该直流电流。
即使不对电流信号进行积分，在电流通路中通常仍然需要90°相移(以补偿由电流检测器1、101引起的90°的超前相移)以使得电压与电流信号同相，由此测得负载用的有效功率(REAL POWER)。可选择地，为了测量负载用的无功功率，电压与电流信号可用于求积分(例如通过使电流信号相对于电压信号+90°)。根据负载用的有效功率与无功功率的知识可以确定求出功率因数。
在另一个实施例中，财务电量计20可省却电压检测器25。电压检测器25用于测量电力线输入21的实际电压而不是标称电压。在电力线输入21的电压充分稳定或者可接受精度降低的情况下，可以用标称值计算供给负载的功率。使用标称电压的测量只需要一个ADC数字转换通道。
可对上述财务电量计120实施例作出各种修改。例如，给差分积分器123增加附加电路以滤除非范围内的(例如非60Hz的)频率分量。进一步的修改是使用由Analogue Devices制造的AD7756活动计量集成电路(ActiveMetering IC)替代了前面描述的AD7750。AD7756是一种更加完善的器件，具有便于提供自动校准接口的串行接口。还包括用于校准能量测量值的片上寄存器，因此避免了使用测试选择或调整器部件、以及用于相位补偿的寄存器。相位补偿用数学计算方法平衡积分器123与电压检测器125的信号相位，而省却或者简化了电压检测器125相位补偿电路。在进一步的实施例中，显示器除了显示累计能量之外还可以显示电流、电压、功率或时间，或者显示器显示电流、电压、功率或时间而不显示累计能量。
对图7中描述的实施例的各种方案是可行的。例如，假设已知在三个负载导体40中的电流是平衡的，则只需对负载导体40中的两个进行测量，第三相导体40中的电流可由其它两个的测量值推断得到。而且，尽管电流检测器41可以由传统的印制电路板形成，但是对于高压应用优选的做法是，这三个电流检测器部件41中每一个的至少一部分是由例如氧化铝的优质绝缘材料形成的。这样的构造有助于得到诸如UL、CSA与VDE的管理机构的承认。而且，尽管每一个电流检测器部件41优选地具有其自己的信号调整电路43，但是可利用这样一个装置，其中导引44将各个传感与抵消补偿部分产生的电动势传送到远程的信号调整电路。这样一个装置的缺点是导引44中任何截面积捕获的任何通量都将导致误差电动势，其叠加到想得到的信号上。
图7显示了每个电流检测器41安装在位于各自的负载导体40中的各个狭槽42中。作为一种选择，电流检测器41可以安装在与它们关联的负载导体40的环形区域的一个侧面上，而不是安装在狭槽42中。对于有较高精度要求的应用情况，每个负载导体40可设置带有两个电流检测器41，安装在环形区域的两个侧面上。然后将两个电流检测器41的信号组合，例如通过取其平均值，并且进行处理以生成流经负载导体40的电流的较高精度测量值。
在另一个实施例中，可用单个电流检测器同时测量流经两个负载导体的电流。通过将一个负载导体安装在电流检测器一侧而将另一个负载导体安装在电流检测器另一侧可以方便地实施这个实施例。则该电流检测器可测量两相导体产生的磁场叠加。
在上述实施例中，财务电量计20、120直接连接到电力网供电干线的一个火线上以提供一个接地基准。在一个改进实施例中，财务电量计可以是处于例如地电位上。这样一个电量计能够与电力网干线充分隔离开，且能够通过对电力网干线的电容耦合来获取电能、以及电网干线电压的测量值。
尽管已经描述说明了电流检测器1、41、101在财务电量计20、120中的应用，它们还适用于其它应用，包括对电动机的起动电流传感/抵消补偿以及对功率因数补偿的电流传感等等。可选择地，电流检测器可用于表示负载所用的功率(而不是储能)。
在上面已经描述说明了财务电量计的实施例，使用实质上敏感于磁场梯度的电流检测器1、41、101。在其它实施例中，较常规的电流检测器形成在印制线路板上，用作财务电量计的一部分。在较常规的电流检测器的一个实施例中，在单面印制线路板的印制层上形成有分别为顺时针与逆时针的两个螺旋线圈。这两个线圈是对称的，但是配置的负载导体穿过了顺时针螺旋的中心(经由穿通印制线路板的适当尺寸的孔)。在印制线路板的元件面上的有线连接用于两个线圈最里面一匝的相互连接。尽管这个较常规的电流检测器的实施例具有对磁场梯度灵敏的缺点，但是其优点是形成在印制线路板上；尤其是当信号处理电路与传感器形成在同一个印制线路板上时，这使得利用信号处理电路进行积分变得简便。

Claims (7)

1.一种电流检测器，其包括：
导体，其用于接受被检测电流且用于响应生成一个相应的局部磁场；以及
检测装置，其用于检测由所述导体生成的局部磁场且用于输出一个表示被检测电流的输出信号，该检测装置包括：
传感器绕组，其具有一匝或多匝导体，所述一匝或多匝导体限定了传感器绕组的有效磁中心，传感器绕组用于检测磁场且用于生成随被检测磁场的变化而变化的检测信号；以及
抵消补偿绕组，其具有一匝或多匝导体，所述一匝或多匝导体限定了抵消补偿绕组的有效磁中心，抵消补偿绕组用于检测磁场且用于生成随被检测磁场的变化而变化的抵消补偿信号；
用于确定抵消补偿信号与检测信号之间的差值以提供一个差信号的装置；以及
用于根据确定的差信号生成所述输出信号的装置；
其中传感器绕组与抵消补偿绕组的配置使得它们的有效磁中心实质上是位置重合的。
2.一种电流检测器，其包括：
导体，其用于接受被检测电流且用于响应生成一个相应的局部磁场；以及
检测装置，其用于检测由所述导体生成的局部磁场且用于输出一个表示被检测电流的输出信号，该检测装置包括：
传感器绕组，其具有一匝或多匝导体，所述一匝或多匝导体限定了传感器绕组的有效磁中心，传感器绕组用于检测磁场且用于生成随被检测磁场的变化而变化的检测信号；以及
抵消补偿绕组，其具有一匝或多匝导体，所述一匝或多匝导体限定了抵消补偿绕组的有效磁中心，抵消补偿绕组用于检测磁场且用于生成随被检测磁场的变化而变化的抵消补偿信号；
用于确定抵消补偿信号与检测信号之间的差值以提供一个差信号的装置；以及
用于根据确定的差信号生成所述输出信号的装置；
其中传感器绕组与抵消补偿绕组的配置使得它们的有效磁中心实质上是共轴的。
3.一种电流检测器，其包括：
导体，其用于接受被检测电流且用于响应生成一个相应的局部磁场；以及
检测装置，其用于检测由所述导体生成的局部磁场且用于输出一个表示被检测电流的输出信号，该检测装置包括：
传感器绕组，其具有一匝或多匝导体，所述一匝或多匝导体限定了传感器绕组的有效磁中心，传感器绕组用于检测磁场且用于生成随被检测磁场的变化而变化的检测信号；以及
抵消补偿绕组，其具有一匝或多匝导体，所述一匝或多匝导体限定了抵消补偿绕组的有效磁中心，抵消补偿绕组用于检测磁场且用于生成随被检测磁场的变化而变化的抵消补偿信号；
用于确定抵消补偿信号与检测信号之间的差值以提供一个差信号的装置；以及
用于根据确定的差信号生成所述输出信号的装置；
其中传感器绕组与抵消补偿绕组相对于所述导体的配置是，当所述导体响应被检测电流而生成磁场时，所述传感器绕组与所述抵消补偿绕组非铁磁性地耦合到所述导体。
4.一种电流检测器，其包括：
导体，其用于接受被检测电流且用于响应生成一个相应的局部磁场；以及
检测装置，其用于检测由所述导体生成的局部磁场且用于输出一个表示被检测电流的输出信号，该检测装置包括：
传感器绕组，其具有一匝或多匝导体，所述一匝或多匝导体限定了传感器绕组的有效磁中心，传感器绕组用于检测磁场且用于生成随被检测磁场的变化而变化的检测信号；以及
抵消补偿绕组，其具有一匝或多匝导体，所述一匝或多匝导体限定了抵消补偿绕组的有效磁中心，抵消补偿绕组用于检测磁场且用于生成随被检测磁场的变化而变化的抵消补偿信号；
用于确定抵消补偿信号与检测信号之间的差值以提供一个差信号的装置；以及
用于根据确定的差信号生成所述输出信号的装置；
其中传感器绕组与抵消补偿绕组配置形成为同一印制线路板上的印制导线。
5.一种依照权利要求4的电流检测器，其特征在于，印制线包含穿过印制线路板的空心。
6.一种电量计，其包括依照任一前述权利要求中的电流检测器，还包括：
用于提供电力供应电压测量值的测量装置，所述电力供应提供了被所述电流检测器检测的电流；以及
计算装置，其用于根据电流测量值与电压测量值来确定与输出作为被检测电流交付对象的负载的电特性的表示值。
7.一种依照权利要求6的电量计，其特征在于，所述电流检测器、所述测量装置以及所述计算装置形成在一个共同的印制线路板上。
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