CN116953324A - 一种非接触式宽频电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非接触式宽频电流传感器，涉及电流测量技术领域，包括：带磁芯线圈，包括一磁芯，磁芯上绕制有多层线圈，相邻两层线圈之间设有一隔离层；带磁芯线圈具有一第一输出端口和一第二输出端口，第一输出端口和第二输出端口处并联一取样电阻；信号处理电路，与取样电阻并联；在对一被测载流导体进行电流测量时，带磁芯线圈将被测载流导体激发的空间磁场信号转换为电压信号，随后信号处理电路将取样电阻的电压信号进行信号处理后作为电流测量结果输出。有益效果是能够同时满足安全可靠、高精度、大量程、以及宽频带的电流测量要求；可以通过配置线圈的匝数、层数以及取样电阻，灵活调整非接触式宽频电流传感器的灵敏度和工作频带范围。
Description
技术领域
本发明涉及电流测量技术领域，尤其涉及一种非接触式宽频电流传感器。
背景技术
在电力系统和脉冲功率领域中，具有广泛的大量程的电流测量需求，如电力工业中的电能计量、继电保护、行波测量及故障定位、雷电流测量，以及脉冲功率中的大电流测量等均需要安全可靠、精度高、量程大、频带宽的电流传感器。
目前应用于上述领域的电流传感器主要包括电流互感器和罗氏线圈，电流互感器在电力系统中被广泛使用，而罗氏线圈在脉冲大电流测量领域被广泛使用，近年来，也有将罗氏线圈用于电力系统中行波电流或雷电流测量的案例。电流互感器和罗氏线圈能够基本满足测量精度和量程这两个要求，但是二者均不能很好的满足安全可靠、宽频带这两个要求。具体为：电流互感器在进行电流测量时需要与被测高压导体有直接接触，存在安全问题，且受限于铁芯的限制，其仅能测量数千赫兹频率以下的电流。同样地，罗氏线圈也需要很靠近被测导体周围进行电流测量，同样存在安全问题，且无法同时满足高灵敏度和宽频带的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种非接触式宽频电流传感器，包括：
带磁芯线圈，包括一磁芯，所述磁芯上绕制有多层线圈，相邻两层所述线圈之间设有一隔离层；
所述带磁芯线圈具有一第一输出端口和一第二输出端口，所述第一输出端口和所述第二输出端口处并联一取样电阻；
信号处理电路，与所述取样电阻并联；
在对一被测载流导体进行电流测量时，所述带磁芯线圈将所述被测载流导体激发的空间磁场信号转换为电压信号，随后所述信号处理电路将所述取样电阻的所述电压信号进行信号处理后作为电流测量结果输出。
优选的，所述磁芯为直线型磁芯，所述线圈沿所述磁芯的轴向绕制。
优选的，所述磁芯为长圆柱状，所述磁芯的长度大于所述线圈在所述磁芯的轴向上的分布宽度。
优选的，绕制所述线圈的导线外覆一绝缘层，所述导线的两端分别作为所述第一输出端口和所述第二输出端口。
优选的，所述磁芯的相对磁导率大于1000，所述磁芯的工作频带涵盖所述被测载流导体的被测电流的频率范围。
优选的，所述隔离层为绝缘的非磁性材料制备而成。
优选的，所述信号处理电路包括依次连接的滤波电路、放大电路和采样电路，用于依次对所述电压信号进行滤波、放大和采样处理后作为所述电流测量结果输出。
优选的，还包括一结果输出模块，连接所述信号处理电路的输出端，用于将所述电流测量结果通过有线或无线的方式输出至外部设备。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
1)本技术方案的非接触式宽频电流传感器能够同时满足安全可靠、高精度、大量程、以及宽频带的电流测量要求；
2)通过带磁芯线圈使得在进行电流测量时，与被测载流导体没有任何接触，也不需要包绕被测载流导体，实现了远距离非接触的电流测量；
3)可以根据需求配置带磁芯线圈中线圈的匝数、层数以及取样电阻，以灵活调整本技术方案的非接触式宽频电流传感器的灵敏度和工作频带范围；
4)通过设置信号处理电路能够进一步提升本技术方案的非接触式宽频电流传感器的灵敏度和工作频带范围。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中，一种非接触式宽频电流传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种非接触式宽频电流传感器，如图1所示，包括：
带磁芯线圈100，包括一磁芯1，磁芯1上绕制有多层线圈2，相邻两层所述线圈3之间设有一隔离层3；
带磁芯线圈具有一第一输出端口A和一第二输出端口B，第一输出端口A和第二输出端口B处并联一取样电阻4；
信号处理电路200，与取样电阻4并联；
在对一被测载流导体进行电流测量时，带磁芯线圈100将被测载流导体激发的空间磁场信号转换为电压信号，随后信号处理电路将取样电阻的电压信号进行信号处理后作为电流测量结果输出。
具体地，本实施例中，磁芯1为直线型磁芯，线圈2沿磁芯1的轴向绕制。在对被测载流导体进行电流测量时，本技术方案的非接触式宽频电流传感器与被测载流导体之间具有一定的空间距离，但由于空间距离会影响非接触式宽频电流传感器的灵敏度，该空间距离不宜过远，优选为5米，以在保证的测量安全性的同时保持较高的灵敏度。更为优选的，在电流测量时，可以使得磁芯1的轴线方向与被测载流导体的导线方向垂直，以保证被测载流导体的被测电流激发的空间磁场能够最大程度穿过磁芯1，提高传感器的灵敏度。
进一步具体地，在进行电流测量时，上述磁芯1会影响被测载流导体激发的空间磁场，具有增大电流传感器灵敏度的作用。线圈2以磁芯1为轴进行绕制，能够将磁芯内部变化的磁场信号转化为电压信号，其基本理论依据是电磁感应定律，使得线圈2的第一输出端口A和第二输出端口B的输出电压与被测电流之间通过磁场建立联系。其中，线圈2绕制为多层，可以理解的是，图1中仅给出了两层线圈的示意，并不以此对线圈的层数进行限定，线圈2的层与层之间通过隔离层3进行隔离和支撑，并方便线圈2的绕制，且各层线圈2是连续的，换言之，线圈2为采用一根导线连续绕制而成。取样电阻4并联于线圈2两端的第一输出端口A和第二输出端口B，其作用是形成电压信号，以供后级信号处理电路使用。
本实施例中，带磁芯线圈100中线圈2的匝数、层数以及取样电阻4均会影响本技术方案的非接触式宽频电流传感器的灵敏度和工作频带范围，其中，增大匝数能够改善低频下的响应特性，但会降低灵敏度；增大层数能够能够改善低频下的响应特性，但会降低灵敏度；增大取样电阻能够提高灵敏度，但会使传感器对低频和高频电流响应能力均变差。基于此，可以根据需求配置带磁芯线圈中线圈的匝数、层数以及取样电阻，以灵活调整本技术方案的非接触式宽频电流传感器的灵敏度和工作频带范围。
本发明的较佳的实施例中，磁芯1为长圆柱状，磁芯1的长度大于线圈2在磁芯1的轴向上的分布宽度。
具体地，本实施例中，磁芯1的长度需要稍大于线圈2在磁芯1的轴向上的分布宽度，优选的，磁芯1的长度与上述分布宽度的差值不小于磁芯1的长度的10％。
本发明的较佳的实施例中，绕制线圈2的导线外覆一绝缘层，导线的两端分别作为第一输出端口A和第二输出端口B。
本发明的较佳的实施例中，磁芯1的相对磁导率大于1000，磁芯1的工作频带涵盖被测载流导体的被测电流的频率范围。
本发明的较佳的实施例中，隔离层3为绝缘的非磁性材料制备而成，优选的，该非磁性材料的相对磁导率接近于1亨/米。
本发明的较佳的实施例中，信号处理电路200包括依次连接的滤波电路5、放大电路6和采样电路7，用于依次对电压信号进行滤波、放大和采样处理后作为电流测量结果输出。
具体地，本实施例中，信号处理电路200包括滤波、放大、采样三个环节，其作用是将取样电阻4上的原始电压信号进行滤波、放大、采集处理，以调节信号的频率成分、增大信号的幅值、便于采样电路7进行采集和信号后续的输出显示。其中，滤波电路5和放大电路6能够进一步调节传感器的频带范围，放大电路能够进一步增大传感器的灵敏度。
本发明的较佳的实施例中，还包括一结果输出模块8，连接信号处理电路200的输出端，用于将电流测量结果通过有线或无线的方式输出至外部设备。
作为有优选的一个实施方式，磁芯1的相对磁导率应大于1000，最高工作频率应大于30MHz，可以选用镍锌铁氧体材料制成的磁芯1。其中，磁芯1的直径取为8mm，磁芯1的长度取为150mm，线圈2的在磁芯1的轴向上的分布宽度取为120mm。线圈2每层的匝数取为300，线圈2的层数取为7层。选用外径0.4mm的聚酯漆包线绕制线圈2。选用聚四氟乙烯薄膜进行包绕以形成厚度为1mm的隔离层3。取样电阻4的电阻值选为1200Ω。最终线圈2的第一输出端口A和第二输出端口B上并联的取样电阻4上的电压信号的的灵敏度为1.5V/kA，频带范围为13Hz～18.7MHz。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种非接触式宽频电流传感器，其特征在于，包括：
带磁芯线圈，包括一磁芯，所述磁芯上绕制有多层线圈，相邻两层所述线圈之间设有一隔离层；
所述带磁芯线圈具有一第一输出端口和一第二输出端口，所述第一输出端口和所述第二输出端口处并联一取样电阻；
信号处理电路，与所述取样电阻并联；
在对一被测载流导体进行电流测量时，所述带磁芯线圈将所述被测载流导体激发的空间磁场信号转换为电压信号，随后所述信号处理电路将所述取样电阻的所述电压信号进行信号处理后作为电流测量结果输出。
2.根据权利要求1所述的非接触式宽频电流传感器，其特征在于，所述磁芯为直线型磁芯，所述线圈沿所述磁芯的轴向绕制。
3.根据权利要求2所述的非接触式宽频电流传感器，其特征在于，所述磁芯为长圆柱状，所述磁芯的长度大于所述线圈在所述磁芯的轴向上的分布宽度。
4.根据权利要求1所述的非接触式宽频电流传感器，其特征在于，绕制所述线圈的导线外覆一绝缘层，所述导线的两端分别作为所述第一输出端口和所述第二输出端口。
5.根据权利要求1所述的非接触式宽频电流传感器，其特征在于，所述磁芯的相对磁导率大于1000，所述磁芯的工作频带涵盖所述被测载流导体的被测电流的频率范围。
6.根据权利要求1所述的非接触式宽频电流传感器，其特征在于，所述隔离层为绝缘的非磁性材料制备而成。
7.根据权利要求1所述的非接触式宽频电流传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括依次连接的滤波电路、放大电路和采样电路，用于依次对所述电压信号进行滤波、放大和采样处理后作为所述电流测量结果输出。
8.根据权利要求1所述的非接触式宽频电流传感器，其特征在于，还包括一结果输出模块，连接所述信号处理电路的输出端，用于将所述电流测量结果通过有线或无线的方式输出至外部设备。
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