CN117288988A - 用于测量ac和dc漏电流的夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量夹具，所述测量夹具包括固定夹爪(12)和移动夹爪(14)，其中固定夹爪包括被第一磁屏蔽件(24)完全包围的第一磁芯(20)，移动夹爪包括被第二磁屏蔽件(26)完全包围的第二磁芯(22)，第一磁芯和第二磁芯被两个径向相对的气隙(28、30)分开，每个气隙接收磁通传感器(32、34)，并且外部磁通消除线圈(40、42)围绕第一磁屏蔽件和第二磁屏蔽件中的一个、或另一个、或两者。

Description

用于测量AC和DC漏电流的夹具
技术领域
本发明涉及交流和/或直流电流的测量领域，并且更具体地，涉及一种用于测量漏电流的夹具，所述夹具能够可靠地(在1mA时误差小于10％)测量低值的AC和DC电流(＜1mA)。
背景技术
漏电流是同时在测量夹具中的夹持电线中流动的电流的矢量总和。与这些电线中的每个电线中流动的直流电流相比，该总和非常低。此外，为了确保可靠的测量，需要与待测量的电流相比，与外部磁场(地球磁场、夹具外部的电流等)和差模(夹具中同时通过的相位和中性点)相关的影响非常弱。
在用于测量AC和DC电流的大多数夹具中，使用磁传感器来测量信号的DC部分，AC部分由对称地围绕磁路的线圈测量，所述线圈还产生磁通的DC消除，以避免当大电流在磁路中流动时磁路饱和。两个测量系统(磁传感器和磁通消除线圈)之间的“交叉”频率，即超过其则使来自磁通消除线圈的信号以其振幅主导磁场传感器的信号的频率，通常为几赫兹至几十赫兹的量级。
某些型号的测量夹具在抑制外部磁场(通常大于100dB)方面给出了极好的结果。然而，这些型号仅针对交流电流进行操作，并且DC电流测量功能的添加需要在磁路中特别复杂地使用一个或多个磁传感器，必须在工厂中例如使用亥姆霍兹(Helmholtz)线圈来进行所述磁传感器的关于这些外部磁场的平衡。关于仅对直流电流进行操作的型号，其所使用的传感器通常是霍尔效应传感器，这些传感器被证明噪声太大，并且不能测量非常低的(100μA的量级的)漏电流，换言之，在夹具附近的电流和通过夹具的电流之间具有至少100dB的衰减，这对应于在夹具附近存在通过10A的导体的情况下测量100μA的电流，并在差模中具有至少100dB的衰减，这对应于当被10A的电流穿过的导体在夹具的两个方向上经过时不测量超过100μA的漏电流。
为了获得更高的精度，还已知使用比霍尔效应传感器噪声更小的传感器技术，诸如磁通门传感器。然而，这些至少5mm长的传感器不能被结合在磁路的气隙中，并且必须被布置在测量夹具本身的主体中，这再次不允许达到上述的抑制水平。
发明内容
因此，根据本发明的主要目的是一种用于测量AC和DC漏电流的夹具，其能够非常高地抑制外部磁场。本发明的另一目的是允许操作者单独进行测量夹具的磁传感器的平衡，而不用必须将它们送回工厂。
这些目的通过一种测量夹具来实现，所述测量夹具包括固定夹爪和移动夹爪，其特征在于，所述固定夹爪包括完全被第一磁屏蔽件包围的第一磁芯，所述移动夹爪包括完全被第二磁屏蔽件包围的第二磁芯，所述第一磁芯和所述第二磁芯被两个径向相对的气隙分开，每个气隙接收磁通传感器，并且磁通消除线圈围绕所述第一磁屏蔽件和所述第二磁屏蔽件中的一个、或另一个、或两者。
因此，通过从磁屏蔽件取出磁通消除线圈，所述磁通消除线圈则可以被分离成产生两个相反磁场的两个半线圈，从而允许在杂散外部磁场的情况下实现磁通传感器的平衡。
优选地，所述固定夹爪和所述移动夹爪中的每一者由测量半环面形成，从而确保被半屏蔽件包围的内部磁场的集中，所述半屏蔽件由保护免受外部磁场影响的磁性材料制成，优选由Mu金属制成。
有利地，所述固定夹爪的测量半环面在每个端部处包括窗口，用于从经由连接电缆连接到所述测量夹具的用户接口的电子卡提供电流。
优选地，所述外部磁通消除线圈由两个绕组组成，所述绕组围绕两个磁半屏蔽件中的一个放置，优选为所述移动夹爪的半屏蔽件，并能够在两个磁通传感器处产生在旋转参考系中的两个相反的磁场，或者两个绕组围绕两个磁半屏蔽件放置，并能够在两个磁通传感器处产生在旋转参考系中的两个相反的磁场。
根据有利的实施例，其中所述磁通传感器是AMR传感器，所述测量夹具还包括测试线圈和相关联的测试电路，所述测试线圈被布置在所述AMR传感器的每个的下方，以便在所述AMR传感器处产生已知值的磁场，所述测试电路用于确定所述AMR传感器的饱和状态。
所述AMR传感器优选地由连接到惠斯通电桥的四个薄膜铁磁电阻、反位线圈和相关联的控制电路组成，所述控制电路能够通过向所述反位线圈施加电流设置和复位脉冲来反转所述电桥的输出电压的极性。
有利地，以具有几百纳秒至几微秒的持续时间的几kHz的频率控制设置/复位脉冲。
优选地，所述气隙的宽度小于1mm，并大于所述磁通传感器的宽度。
附图说明
参考示出了示例性实施例的附图，本发明的其它特征和优点将从下面给出的描述中变得显而易见，所述示例性实施例不是限制性的，并且其中：
[图1]图1示出了根据本发明的具有开口夹爪的测量夹具的内部结构；
[图2]图2图示了形成图1的测量夹具的两个夹爪的各个组件；
[图3]图3示出了承载磁传感器的夹爪的端部的细节；
[图4]图4示出了使得可以知道磁传感器的饱和状态的测试线圈的定位；
[图5]图5图示了与测量夹具的磁传感器相关联的测量电路；和
[图6]图6图示了与测试线圈相关联的测量电路。
具体实施方式
本发明的原理在于使用AMR(各向异性磁阻)磁通传感器作为被添加有磁通消除绕组和传感器的饱和度的测试线圈的磁场传感器。
图1中的夹爪打开的测量夹具的内部结构用于测量AC和DC电流，更具体地漏电流。它被示出为没有外壳，并且其用户接口包括通常被布置在其握持手柄上的控制按钮和显示屏。夹具10通常由固定夹爪12和移动夹爪14组成，所述移动夹爪可以通过绕铰接轴16枢转而与固定夹爪分离，因此能够使得一个或多个导体(在说明书的其余部分中称为内部导体)插入，所述一个或多个导体被夹持在该夹具的夹爪中并期望被测量电流，所述铰接轴16刚性地连接到手柄18的主体。
在图2中，可以看出，两个夹爪(固定夹爪12和移动夹爪14)各自由子组件组成，所述子组件由确保磁场集中的测量半环面20、22组成，各自被由磁性材料制成(优选为由Mu金属制成)的半屏蔽件24、26完全包围，所述半屏蔽件在其两端彼此互锁，以确保免受外部磁场的干扰(然而，这种互锁不是强制的，而是滑动的，从而在两个半屏蔽件之间产生非常小的自由空间，以允许移动夹爪的旋转)。在两个半环面20、22之间的两个径向相对的接合部28、30处(被称为“气隙”)，两个磁传感器32、34被布置、焊接在相同的电子卡36上，所述电子卡36与单个固定半环面20成一体，并接收连接电缆38以确保与测量夹具的用户接口连接。
很重要地，需要注意的是，磁屏蔽件存在于测量环面的整个圆周上，而不是如现有技术中可能存在的那样仅仅在气隙处。这种包络的屏蔽件的有效性是简单的端部屏蔽件的约十倍，其无法与之相比。应该记得，为了有效性，磁屏蔽件必须通过较大的空气叶片与测量环面分离，并且具有尽可能小的气隙，以便促进杂散磁场尽可能地在屏蔽件中通过。
为了避免磁路饱和，两个外部的彼此独立的磁通消除绕组40、42被放置在两个半屏蔽件中的一个周围，优选地是移动夹爪14的半屏蔽件26(然而，仍然可以在每个固定半环面或移动半环面上放置绕组)。这种在半屏蔽件外部的非对称性配置对测量没有贡献，而仅对磁通量的消除有贡献，并且还使得可以消除这些半屏蔽件中的磁通量，因此即使当大电流在半环面20、22中流动时，这些半屏蔽件也始终保持有效。传统的磁通消除线圈不再需要是对称以补偿外部杂散场，因此可以如所提出的那样放置在单个半环面上。此外，两个绕组(两个半线圈)形式的磁通消除线圈的生产使得可以在旋转参考系中在两个磁通传感器处产生两个相反的磁场，从而在存在杂散外部磁场的情况下设置磁传感器，而无需求助现有技术，如将进一步解释的。
图3更详细地示出了气隙28、30处的接合部，其中插入了磁传感器32、34以测量DC电流。使用AMR技术，传感器必须与场线平行放置，并完全在气隙的中间定中心，气隙的宽度e大于传感器的宽度，所述传感器的宽度通常具有小于1mm的量级(例如0.7mm)。气隙的低值还允许尽可能多地限制杂散外部场的穿透。然而，这些杂散场已经设法穿过在半屏蔽件24、26的端部之间延伸的空间，但是仍然保持两个大的杂散场，并且如果单个磁传感器被用于该测量，则可能使测量较大的失真。这就是本发明使用两个磁传感器(每个气隙处一个传感器)的原因，并通过增加这两个传感器的测量来克服这些杂散外部场。实际上，由内部导体在两个测量半环面中产生的旋转场被相加，而由外部导体在两个传感器中产生的在相同方向上流动的场被相减。
当磁传感器的宽度大于气隙时，固定夹爪12的测量半环面20的两端包括窗口44，以便腾出空间用于安装磁传感器。对于宽度小于气隙的磁传感器，该窗口便于通过电子卡36提供电流。在功能上，仅该窗口的高部分和低部分用于产生用于磁传感器的磁场，但是该窗口的两个侧部44a具有屏蔽作用，以防止场辐射通过在两个半屏蔽件之间延伸的空间。
AMR传感器对磁场敏感的部分由连接到惠斯通(Wheatstone)电桥的四个薄膜铁磁电阻组成。除了桥接电路之外，AMR传感器还包括其他部件，例如外部反位线圈和相关电路，所述相关电路可以通过向反位线圈施加电流设置和复位脉冲来周期性地反转电桥的输出电压的极性。事实上，这些AMR传感器具有以不可忽略的方式根据温度和时间而变化的偏移。被定位成尽可能靠近部件的设置/复位电路(也称为翻转电路)的作用是周期性地反转传感器的极性，并有助于在测量信号的处理期间消除这种偏移，如下所示出的。
这些AMR传感器也具有非常低的饱和场(＜1mT)，因此可以快速饱和(例如在测量范围变化的情况下或在存在电流的情况下开始测量时)。因此，需要知道磁传感器的饱和状态，以便避免测量中的任何误差。然而，当AMR传感器饱和时，在存在磁场变化的情况下，输出电压的变化被反转或为零。而且，根据本发明并如图4所示，从电流发生器(图6中进一步示出)提供的电线46、48(或几匝(通常是两匝)线圈)被布置在传感器下方，以便在传感器处产生已知值的磁场，并在传感器的输出电压没有变化或在错误方向上变化的情况下确定传感器的饱和度。
测量采集系统的原理如图5所示。应该注意的是，该采集系统可以完全用“全差分”放大器以及简单的标准(单端)差分放大器生产。
它是围绕多个功能组织的。由逻辑部件Z111至Z115和开关Q101、Q102以及电容器C102和C103产生的第一功能可以控制磁传感器的反位线圈，使得这些传感器的输出以翻转频率调制。以具有几百纳秒至几微秒的持续时间的几kHz的频率控制设置/复位命令。
由放大器Z102至Z105执行的第二功能可以放大来自磁传感器AMR 32、34的信号。这些放大器必须被定位成尽可能靠近传感器，以限制周围电磁噪声对信号的污染。然后，来自第一放大器的两个信号被发送到具有以下双重功能的差分放大器Z106：一方面，它可以减去这些信号，从而消除信号的来自外部磁场的部分；另一方面，用电容器C100和C101可以从磁传感器中删除调制信号的DC分量，所述DC分量是期望进行消除的偏移。
然后，可以通过转换开关Z107和Z108对信号进行解调，所述信号的输出给出了磁路中的差分或“旋转”磁场的图像。转换开关Z201和Z202闭合，则由差分放大器Z109放大的该信号被传输到外部的磁通消除绕组40、42，以便消除(或者更确切地说是减少，这是因为其操作需要最小磁通)传感器中的感应。线圈的匝数是几百匝，放大器提供的电流只有几毫安。测量电流的图像是电阻器R120和R121的端子处的电压之和，测量输出由磁通消除电流组成。
磁传感器32、34被放大器Z300和Z301提供电流，所述放大器Z300和Z301传递受控的电流，通过经由分别连接到这些磁传感器的分流电阻器R309和R310测量通过传感器的电流进行控制，并通过调节连接这两个放大器的输入的电位计R300来实现平衡。该电位计可以有利地由数字电位计代替，以便产生完全自动的校准，使得测量夹具指示0mA的电流。
由于气隙28、30在机械上不可能完全相同，杂散场将不会均匀地分布在每个气隙中，并且如前所述，仅使用上述功能不能完美地进行补偿，因此需要结合调节磁传感器的增益的功能来完美地平衡两个传感器的测量，这种增益的调节也必须能够在测量夹具的整个寿命期间进行，因为它在例如冲击之后的屏蔽件处或者在形成气隙的材料(垫)处劣化。
本发明提出通过亥姆霍兹线圈克服传统的外部调节，并在形成磁通消除线圈的外部绕组40、42中产生杂散磁场，第一外部绕组产生以顺时针方向旋转的磁场，以及第二外部绕组产生以三角方向旋转的磁场，从而在两个磁通传感器处产生在笛卡尔参考系中以相同方向(或在旋转参考系中以相反方向)取向的两个磁场。
为此，通过将转换开关Z201和Z202切换到打开调节位置R来打开磁通消除回路。电阻器R200可以对在外部绕组中反向流动的差分电流施加零值。因此，放大器Z109的输出处的共模电压被设置为VDC/2。
然后，通过以替代共模频率(FMC)的方式控制开关Q201和Q202，可以在两个外部绕组40、42中施加共模电流，从而在磁传感器处产生沿相同方向(在笛卡尔参考系中，因此是非旋转参考系中)取向的两个磁场。
如果气隙不相等，或者如果传感器的增益不同，则在电阻器R201的端子处将出现共模频率下的电压，然后需要修改电位计R300的设置，以便在电阻器R20的端子处获得零电压，从而获得完美的平衡。
可以向该主测量和采集系统添加用于检查磁传感器的饱和度的附加测试功能，如图6所示，图6采用了关于前面图5中已经描述的元件(然而，放大器Z102至Z105的输出被连接，以便向其添加信号，而不是像图5中那样减去它们)，并向其添加附加部件，从而使得能够执行该测试功能。
为此，放大器Z403和Z404被固定有两个参考电压，使得放置在这些放大器的输出处的电容器C402和C403能够存储能量。当期望执行测试以检查磁传感器是否饱和时，TEST信号被切换至1。开关Q400和Q401导通并允许电流流动，所述电流等于参考电压除以电线或测试线圈46、48中的电阻R417(或R418)的值。参考电压已经使用电位计R419被预先设置，以便获得传感器的相同输出电压。以这种方式，两个信号的相减给出零值，并且该测试功能不影响如上所述做出反应的主测量系统。
因此，如果在电阻器R201的端子处检测到的电压为正，则磁传感器未饱和。如果是低幅值或负幅值，则磁传感器饱和。

Claims (10)

1.一种测量夹具，所述测量夹具包括固定夹爪和移动夹爪，其中所述固定夹爪包括完全被第一磁屏蔽件包围的第一磁芯，所述移动夹爪包括完全被第二磁屏蔽件包围的第二磁芯，所述第一磁芯和所述第二磁芯被两个径向相对的气隙分开，每个气隙接收磁通传感器，并且外部磁通消除线圈围绕所述第一磁屏蔽件和所述第二磁屏蔽件中的一个、或另一个、或两者。
2.根据权利要求1所述的测量夹具，其中，所述固定夹爪和所述移动夹爪中的每个由测量半环面形成，从而确保被半屏蔽件包围的内部磁场的集中，所述半屏蔽件由保护免受外部磁场影响的磁性材料制成，优选由Mu金属制成。
3.根据权利要求2所述的测量夹具，其中，所述固定夹爪的测量半环面在每个端部处包括窗口，用于从经由连接电缆连接到所述测量夹具的用户接口的电子卡提供电流。
4.根据权利要求2所述的测量夹具，其中，所述外部磁通消除线圈由两个绕组组成，所述绕组围绕所述两个磁半屏蔽件中的一个放置，优选为所述移动夹爪的半屏蔽件，并能够在两个磁通传感器处产生在旋转参考系中的两个相反的磁场。
5.根据权利要求2所述的测量夹具，其中，所述外部磁通消除线圈由两个绕组组成，所述绕组围绕两个磁半屏蔽件放置，并能够在两个磁通传感器处产生在旋转参考系中的两个相反的磁场。
6.根据权利要求1所述的测量夹具，其中，所述气隙的宽度小于1mm，并大于所述磁通传感器的宽度。
7.根据权利要求1所述的测量夹具，其中，所述磁通传感器是AMR传感器，所述测量夹具还包括测试线圈和相关联的测试电路，所述测试线圈被布置在所述AMR传感器的每个的下方，以便在所述AMR传感器处产生已知值的磁场，所述测试电路用于确定所述AMR传感器的饱和状态。
8.根据权利要求1所述的测量夹具，其中，所述磁通传感器是AMR传感器，所述AMR传感器由连接到惠斯通电桥的四个薄膜铁磁电阻、反位线圈和相关联的控制电路组成，所述控制电路能够通过向所述反位线圈施加电流设置和复位脉冲来反转所述电桥的输出电压的极性。
9.根据权利要求8所述的测量夹具，其中，以具有几百纳秒至几微秒的持续时间的几kHz的频率控制设置/复位脉冲。
10.根据权利要求1所述的测量夹具的用于测量AC和DC漏电流的用途。
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