CN116829962A - 二合一线圈电流传感器 - Google Patents

Abstract

电流传感器(100)，包括：‑一对(130)相同电线圈(131、132)，其具有超顺磁芯并被共用的屏蔽编织物包围；‑DC激励部件(110)，其被配置为使DC电流(IDC)流过线圈对中的至少一个线圈(131)，以及用于调节DC电流的量值的调节部件；‑第一AC激励部件(110)，其被配置为使AC电流(IBF)以第一频率流过线圈对中DC电流流过的(多个)线圈(131)；‑第二AC激励部件(120)，其被配置为使AC电流(IHF)以第二频率流过线圈对中的两个线圈(131、132)，第二频率大于第一频率；‑用于测量在线圈对中的两个线圈(131、132)的端子处的尼尔效应电动势(VN)的测量部件(160)。

Description

二合一线圈电流传感器

技术领域

本发明涉及电流传感器的一般领域，并且更特别地涉及允许执行两次电流测量的电流传感器。

背景技术

为了测量导体中的电流，使用了型或罗戈夫斯基(Rogowski)型的传感器。/>技术对外部场几乎没有敏感度。它允许测量直流电流。而罗戈夫斯基技术由于没有磁芯的事实，允许测量交流电流并创建对电流的直流分量不敏感的紧凑型传感器，并且允许覆盖很宽的频率范围。然而，罗戈夫斯基型的传感器对温度变化敏感。

专利EP 3 314 281中描述的型的传感器包括两对带芯的线圈，线圈有直流电流和两个频率不同的交流电流流过它们，以便提高传感器的信噪比并因此测量小电流值。为了增加传感器的通带并测量交流电流，可以向其添加罗戈夫斯基型的测量。然而，由于其三重电流激励的事实，该传感器的线圈无法被用来完成这两种类型的测量。因此，需要为罗戈夫斯基型测量添加附加的线圈，这使得传感器体积更大且更昂贵。

因此，希望有一种紧凑的电流传感器，其对温度不敏感并且允许完成双电流测量。

发明内容

本发明涉及一种电流传感器，包括：

-一对相同电线圈，其具有超顺磁芯并且被共用的屏蔽编织层包围；

-直流电流激励部件，其被配置为使直流电流在线圈对中的至少一个线圈中流动；以及用于调节直流电流的强度的部件；

-第一交流电流激励部件，其被配置为使第一频率的交流电流在线圈对中直流电流流过的线圈中流动；

-第二交流电流激励部件，其被配置为使交流电流以第二频率在线圈对的两个线圈中都流动，第二频率大于第一频率；以及

-测量线圈对中的两个线圈的端子处的型电动势的部件。

磁芯是超顺磁性的，这意味着组成它们的材料是非线性磁性材料，当施加到该材料上的磁场周期性变化时，该材料不会表现出滞后现象。例如，构成磁芯的材料是填充有超顺磁性纳米粒子的复合材料。

根据本发明的电流传感器允许确定流过被置于线圈中心或线圈附近的导体的电流。

用于测量型电动势的部件允许测量在线圈对的两个线圈的端子处的电压分量。测得的/>型电动势与期望确定的电流与由直流电流激励部件所生成的反馈电流之差成比例。因此，通过改变直流激励电流(即，反馈电流)，可以抵消所测量的型电动势并因此确定所寻求电流值的直流分量。

因此，根据本发明的电流传感器允许用单个线圈对来完成电流测量。这允许获得比专利EP 3 314 281中提出的更节约能源的更紧凑、更便宜的传感器，这是有利的，特别是对于测量强电流，例如大于50A的电流。

根据本发明的一个实施例，该传感器还包括具有与第一对线圈相同的超顺磁芯的第二对电线圈，激励部件分别被配置为使直流电流在第二对的至少一个线圈中流动，使第一频率的交流电流在第二对中直流电流流过的线圈中流动，并且使第二频率的交流电流在第二对中的两个线圈中都流动。

例如，这第二对允许增加信噪比，并且因此改进了电动势的测量并且因此改进电流的测量。

根据本发明的一个实施例，该传感器还包括用于测量线圈对之一中没有第一频率的交流电流和直流电流流过的至少一个线圈的端子处的罗戈夫斯基(Rogowski)型电动势的部件。

罗戈夫斯基型的测量部件的存在允许完成双电流测量：第一个基于第二个基于罗戈夫斯基效应。测得的罗戈夫斯基型电动势与期望确定的电流的时间导数成比例。因此，电流传感器允许确定正在寻找的电流的直流分量和交流分量二者。没有直流电流流过且被用于罗戈夫斯基型电动势的测量的线圈允许消除根据/> 的电动势测量中的罗戈夫斯基效应。

此外，通过添加第二对线圈，可以根据罗戈夫斯基效应对电流进行差分测量。

根据本发明的一个特定特征，该传感器包括自动部件，用于校正测量罗戈夫斯基型电动势的部件的灵敏度。

测量罗戈夫斯基型电动势(因此罗戈夫斯基型传感器)的灵敏度与待测量的电流在其中流动的导体和测量线圈之间的互感成比例。这种互感对于所有线圈都是相同的，无论它们是用于测量型还是罗戈夫斯基型电动势。然而，互感随温度而略有变化，特别是由于线圈匝的横截面的扩大。这种现象相对较弱，但当寻求在大温度范围(例如，在-40℃和+85℃之间)内准确的电流传感器时，这种现象就会变得明显。因此，校正部件允许自动校正测量罗戈夫斯基型电动势的灵敏度，以获得对温度不敏感的电流传感器。

根据本发明的一个实施例，该传感器包括两对线圈以及测量罗戈夫斯基型电动势的部件，如前所述，以及直流电流激励部件和第一交流电流激励部件，其被配置为分别使直流电流和第一频率的交流电流在每对线圈中的仅一个线圈中流动，并且用于测量罗戈夫斯基型电动势的部件包括两个输入，两个输入连接到每对线圈中没有第一频率的交流电流和直流电流流过的每个线圈。

测量罗戈夫斯基型电动势的部件的两个输入每个都连接到两对线圈中的一个线圈，这允许完成该电动势的差分测量。差分测量允许提高传感器在恶劣电磁环境中的抗扰度。

根据本发明的一个实施例，该传感器包括两对如前所述的线圈，以及两个直流电流激励部件，每个直流电流激励部件被配置为使直流电流在每对线圈中的线圈中流动，用于调节直流激励电流的强度的部件，以及测量每对线圈中的两个线圈的端子处的型电动势的两个部件。

因此，两个直流电流激励部件和两个测量电压分量的部件的存在允许通过测量根据的两个电动势来完成双电流测量。因此，例如，基于电网的剩余电流(或共模电流)和网络电流(或差模电流)可以生成两个反馈电流，这两个反馈电流将根据提供两个不同的电动势测量值。这允许衰减由于两对线圈中磁场的不均匀性引起的非线性效应。

根据本发明的一个实施例，该电流传感器包括：

-四对相同的电线圈；在每一对内，线圈具有超顺磁芯并且每一对都被线圈对中两个线圈共用的屏蔽编织物包围；

-两个直流电流激励部件，每个被配置为使直流电流在每对线圈中的仅一个线圈中流动，以及调节由每个直流电流激励部件所提供的直流电流的强度的至少一个部件；

-第一交流电流激励部件，其被配置为使交流电流以第一频率在每个线圈对中直流激励电流流过的线圈中流动；

-第二交流电流激励部件，其被配置为使第二频率的交流电流在每对线圈中的两个线圈中都流动，第二频率大于第一频率；

-测量型电动势的两个部件，第一测量部件被配置为测量在两个第一对线圈中的线圈的端子处的所述/>型电动势，而第二测量部件被配置为测量在另外两对线圈中的线圈的端子处的所述/>型电动势；以及

-测量在没有直流电流流过的线圈的端子处的罗戈夫斯基型电动势的两个部件，这两个部件各自包括两个输入，第一个的输入连接到两个第一对线圈中没有两个直流激励电流流过的线圈，并且第二个的输入连接到另外两对线圈中没有直流激励电流流过的线圈。

这允许完成型电动势的两次测量，以及罗戈夫斯基型电动势的两次差分测量。因此，在传感器内有两个完全不同的换能器，每个换能器包括两对线圈和测量根据尼尔效应和罗戈夫斯基型电动势的两个部件。例如，其中一个换能器专用于测量剩余电流，另一个专用于测量电网的网络电流，同时汇集用于两个换能器的电流激励部件。

根据本发明的特定特征，第一频率是低频，即，它包含在10Hz和100kHz之间。

根据本发明的另一个特定特征，第二频率是高频，即，它大于100kHz。

本发明的另一个目的是一种用于测量流入导体的电流的方法，包括以下步骤：

-将根据本发明的电流传感器的线圈对布置在期望测量的电流流过的导体周围；

-同时激活第一交流电流激励部件和第二交流电流激励部件以及直流电流激励部件，并且调节直流电流激励部件的直流电流的强度，以便抵消所测量的 型电动势的幅值。

由于使用根据本发明的电流传感器，根据本发明的方法允许确定流入导体的电流，特别至少是直流分量以及在传感器中存在测量罗戈夫斯基型电动势的部件的情况下可能的交流分量。

附图说明

参考说明其实施例不具有任何限制性的附图，本发明的其他特征和优点将通过下面给出的描述来揭示。

[图1]图1示意性且部分地示出了根据本发明一个实施例的电流传感器，其包括用于测量型电动势的部件和用于测量罗戈夫斯基(Rogowski)型电动势的部件。

[图2]图2示意性且部分地示出了根据本发明一个实施例的电流传感器，其包括测量型电动势的部件和测量罗戈夫斯基型电动势的差分部件。

[图3]图3示意性且部分地示出了根据本发明一个实施例的电流传感器，其包括测量型电动势的两个部件。

[图4]图4示意性且部分地示出了根据本发明一个实施例的电流传感器，其包括测量型电动势的两个部件和测量罗戈夫斯基型电动势的两个差分部件。

具体实施方式

图1示意性且部分地示出了根据本发明的第一实施例的电流传感器。

传感器100包括线圈对130(131、132)。两个线圈131、132是相同的并且每个都包括超顺磁芯。两个线圈131、132被共用的屏蔽编织物包围，以便使线圈131、132免受电磁扰动。传感器100还包括三个使用电流来激励线圈131、132的部件。激励部件110是用于线圈对130中的线圈131的第一频率的交流电流IBF和直流电流IDC激励部件。激励部件120是用于线圈对130中的每个线圈131和132的第二频率的交流电流IHF激励部件，第二频率大于第一频率。因此，第一频率和第二频率的两个交流电流和直流电流流过线圈131，并且仅有第二频率的交流电流流过线圈132。

传感器100还包括两个测量电动势的部件：第一个160允许根据 来测量电动势，第二个170允许测量罗戈夫斯基(Rogowski)型电动势。因此，第一测量部件160测量两个线圈131和132的端子处的电动势VN。而第二测量部件170测量仅有第二频率的交流电流流过的线圈132的端子处的电动势VR。

图2以示意性且部分的方式示出了根据本发明第二实施例的电流传感器。

传感器200包括两对230、240线圈231、232、241和242。四个线圈231、232、241和242是相同的并且每个都包括超顺磁芯。同一对230或240的两个线圈231、232或241、242被共用的屏蔽编织物包围，以便使线圈免于电磁扰动。传感器200还包括三个使用电流来激励线圈231、232、241和242的部件。激励部件210是用于线圈对230的线圈231并且用于线圈对240的线圈241的第一频率的交流电流IBF和直流电流ICD激励部件。激励部件220是用于两对230、240的所有线圈231、232、241和242的第二频率的交流电流IHF激励部件，第二频率大于第一频率。因此，第一频率和第二频率的两个交流电流和直流电流流过线圈231和241，而只有第二频率的交流电流流过线圈232和242。

传感器200还包括两个测量电动势的部件：第一个260允许根据来测量电动势，第二个270允许测量罗戈夫斯基型电动势。罗戈夫斯基型的测量部件270包括两个输入271和272，每个输入连接到没有直流电流流过的线圈。因此，输入271连接到线圈232，而输入272连接到线圈242。因此，第一测量部件260测量每对230、240的两个线圈231、232和241、242的端子处的电动势VN。而第二测量部件270差分地测量仅有第二频率的交流电流流过的线圈232和242的端子处的电动势VR。

与图1的传感器100相比，由于两对230、240线圈231、232、241和242用于根据来测量电动势，该传感器允许完成罗戈夫斯基型电动势的差分测量并增加信号的功率。

图3以示意性且部分的方式示出了根据本发明第三实施例的电流传感器。

传感器300包括两对330、340线圈331、332、333和334。四个线圈331、332、333和334是相同的并且每个都包括超顺磁芯。同一对的两个线圈被共用的屏蔽编织物包围，以便使线圈免于电磁扰动。传感器300还包括四个使用电流来激励线圈331至334的部件。激励部件311是用于两对330和340的所有线圈331、332、333、334的第一频率的交流电流IBF和直流电流IDC Res激励部件。激励部件310是用于两对330和340的所有线圈331至334的直流电流IDC Net激励部件。激励部件320是用于所有线圈331至334的第二频率的交流电流IHF激励部件，第二频率大于第一频率。因此，第一频率和第二频率的两个交流电流和两个直流电流流过四个线圈。

传感器300还包括用于根据来测量电动势的两个部件360和361。第一部件361允许测量与两个直流电流之和成比例的电动势VN Net+VN Res，而第二部件360允许测量与两个直流电流之差成比例的电动势VN Net–VN Res。因此，通过将这两个电动势相加或相减，可以确定在靠近线圈或线圈中心放置的导体中流动的电流。例如，两个直流激励电流是电网的网络和剩余电流。

图4以示意性且部分的方式示出了根据本发明第四实施例的电流传感器。

传感器400包括四对4301、4302、4303、4304线圈431至438。这八个线圈是相同的并且每个都包括超顺磁芯。因此，第一对4301包括线圈431和432，第二对4302包括线圈433和434，第三对4303包括线圈435和436，第四对4304包括线圈437和438。每一对的两个线圈被共用的屏蔽编织物包围，以使线圈免于电磁扰动。

传感器400还包括使用电流的线圈的磁芯的四个激励部件。激励部件410是直流电流IDC1激励部件，激励部件411是直流电流IDC2激励部件，激励部件412是第一频率的交流电流IBF激励部件，而激励部件420是大于第一频率的第二频率的交流电流激励部件。

激励部件410允许使直流电流IDC1在每一对4301至4304中的仅一个线圈431、433、435和437中流动。激励部件411允许使直流电流IDC2在每一对4301至4304中的仅一个线圈431、431、435和437中流动。激励部件412允许使交流电流IBF以第一频率在线圈对中直流激励电流IDC1和IDC2流过的线圈431、433、435和437中流动。

激励部件420允许使交流电流IHF以第二频率在每对线圈4301至4304中的所有线圈431至438中流动，第二频率大于第一频率。

传感器400还包括四个用于测量电动势的部件：两个测量部件460和461允许根据每一对的两个线圈中的来测量电动势，而另外两个470和471允许测量没有直流电流流过的线圈中的罗戈夫斯基型电动势。因此，部件461根据线圈对4301和4304的线圈431、432、437和438中的/>来测量电动势VN1，而部件460根据线圈对4302和4303的线圈433、434、435和436中的/>来测量电动势VN2。部件470测量线圈对4301和4304的线圈432和438中的罗戈夫斯基型电动势VR1，而部件471测量线圈对4302和4303的线圈434和436中的罗戈夫斯基型电动势VR2。两个部件470和471各自包括两个输入以便完成差分测量。

在所描述的所有实施例中，电流传感器还包括至少一个调节(多个)直流激励电流的强度的部件。这将允许根据抵消电动势，从而确定所寻求的电流的直流分量。

在所有实施例中，电流传感器可以包括测量由传感器的一个或多个直流电流激励部件提供的直流激励电流的一个或多个部件。

在包括测量罗戈夫斯基型电动势的部件的所有实施例中，传感器可以包括自动校正该测量部件的灵敏度的部件。

例如，校正部件可以校正由于直流电流流过的线圈的电感测量而导致的罗戈夫斯基型测量部件的热漂移。事实上，所有线圈都是相同的，并且在相同的环境温度下，它们具有相同的互感。从阻抗的测量开始，特别是直流电流流过的线圈的电感，可以确定罗戈夫斯基型测量部件的变压比，从而校正该测量部件的温度漂移和灵敏度。

因此，根据本发明的传感器允许测量在导体中流动的电流。相关联的测量方法包括以下步骤：

-将根据本发明的电流传感器的线圈对布置在期望测量的电流在其中流动的导体周围；

-同时激活第一和第二交流电流激励部件和直流电流激励部件，并且调节直流电流激励部件的直流电流强度，以便抵消所测量的型电动势的幅值。

通过抵消型电动势的幅值，可以确定在导体中流动的电流的直流分量，其将等于反馈电流，即，等于由传感器的直流电流激励部件生成的电流。

Claims (6)

1.一种电流传感器(100、200、300、400)，包括：

-一对(130、230、330、4301)相同电线圈(131、132、231、232、331、332、431、432)，其具有超顺磁芯并且被共用的屏蔽编织物包围；

直流电流激励部件(110、210、310、410)，其被配置为使直流电流(IDC、IDC Res、IDC1)在线圈对中的至少一个(131、231、331、332、431)线圈中流动，以及用于调节直流电流的强度的部件；

-第一交流电流激励部件(110、210、311、412)，其被配置为使交流电流(IBF)以第一频率在线圈对中直流电流流过的线圈(131、231、331、332、431)中流动；

-第二交流电流激励部件(120、220、320、420)，其被配置为使交流电流(IHF)以第二频率在线圈对中的两个线圈(131、132、231、232、331、332、431、432)中都流动，所述第二频率大于所述第一频率；

-测量线圈对中的两个线圈(131、132、231、232、331、332、431、432)的端子处的型电动势(VN、VN Net+VN Res、VN1)的部件(160、260、361、461)，以及

-测量线圈对(130、230、240)中的一个中没有直流电流(IDC)和交流电流(IBF)以第一频率流过的至少一个线圈(132、232、242)的端子处的罗戈夫斯基型电动势(VR)的部件(170、270)。

2.根据权利要求1所述的电流传感器(200、300、400)，还包括具有与第一对相同的超顺磁芯的第二对(240、340、4302)的电线圈(241、242、333、334、433、434)，激励部件分别被配置为使直流电流在第二对(240)中的至少一个线圈(241)中流动，使第一频率的交流电流在第二对(240)中直流电流流过的线圈(241)中流动，并且使第二频率的交流电流在第二对(240)中的两个线圈(241、242)中都流动。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的电流传感器，包括校正用于测量罗戈夫斯基型电动势的部件的灵敏度的自动部件。

4.根据权利要求1至3中的一项结合权利要求2所述的电流传感器(200)，其中直流电流激励部件(210)和第一交流电流激励部件(210)被配置为使直流电流(IDC)和交流电流(IBF)分别在每对(230、240)线圈中的仅一个线圈(231、241)中以第一频率流动，并且测量罗戈夫斯基型电动势的部件(270)包括两个输入(271、272)，所述两个输入(271、272)连接到每对线圈中没有第一频率的交流电流和直流电流流过的每个线圈(232、242)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电流传感器(400)，包括：

-四个相同对(4301、4302、4303、4304)的电线圈(431至438)；在每一对内，线圈具有超顺磁芯，并且每一对都被该对线圈共用的屏蔽编织物包围；

-两个直流电流激励部件(410、411)，每个被配置为使直流电流(IDC1、IDC2)在每对线圈(4301至4304)中的仅一个线圈(431、433、435、437)中流动，以及调节由每个直流电流激励部件所提供的直流电流的强度的至少一个部件；

-第一交流电流激励部件(412)，其被配置为使交流电流(IBF)以第一频率在每对(4301至4304)中直流激励电流(IDC1、IDC2)流过的线圈(431、433、435、437)中流动；

-第二交流电流激励部件(420)，其被配置为使第二频率的交流电流(IHF)在每对线圈(4301至4304)中的两个线圈(431至438)中都流动，第二频率大于第一频率；

-测量型电动势(VN1、VN2)的两个部件(460、461)，第一测量部件(461)被配置为测量在两个第一对(4301、4304)中的线圈(431、437)的端子处的所述/>型电动势(VN1)，而第二测量部件(460)被配置为测量在另外两对(4302、4303)中的线圈(433、435)的端子处的所述/>型电动势(VN2)；以及

-测量在没有直流电流流过的两个线圈(432、438和434、436)的端子处的罗戈夫斯基型电动势(VR1、VR2)的两个部件(470、471)，两个部件各自包括两个输入，第一个的输入连接到两个第一对(4301、4304)中没有直流激励电流(IDC1、IDC2)流过的线圈(432、438)，并且第二个的输入连接到另外两对(4302、4303)中没有直流激励电流(IDC1、IDC2)流过的线圈(434、436)。

6.一种用于测量在导体中流动的电流的方法，包括以下步骤：

-将根据权利要求1至5中任一项所述的电流传感器的线圈对布置在期望测量的电流流过的导体周围；

-同时激活第一交流电流激励部件和第二交流电流激励部件以及直流电流激励部件，并且调节直流电流激励部件的直流电流的强度，以便抵消所测量的 型电动势的幅值。