CN1547034A - 一种电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流传感器，包括多通道多空气隙环形铁芯、霍尔元件，它的特点是：对称两个通道中按照Rogowski线圈方式绕制的反馈绕组相串联，串联后的一端接地，另一端接对应采样电阻的一端；对称两个通道中，对称布置的两个霍尔元件为一组，每个霍尔元件由恒流源控制，两个霍尔元件的输出经运算放大器放大后再进行滤波、电压—电流变换、电流放大处理，其输出端接上述采样电阻的另一端，将采样电阻两端的检测电压信号送到计算机进行数据处理，处理后的被测电流的大小送到显示器显示。本发明明显改善了传感器的饱和特性和线性度；精度优于0.5％，功耗小，温度附加误差＜0.1％/10℃，抗磁干扰能力强；结构简单，安装、调试、维护均很方便。

Description

一种电流传感器

技术领域：

本发明涉及一种电流传感器，特别是涉及一种用于测量直流大电流的传感器。

背景技术

目前不论在冶金、化工工业中的电解，机械工业中的电镀，电气机车和电力系统等领域，还是在核物理、大功率电子学等学科领域都涉及到直流大电流测量问题，并且它常常处于高压环境中。因此，测量直流大电流的问题，已经成为电磁测量技术领域中不可缺少的重要部分。

由于冶金、化工和高压直流输电(HVDC)等事业的蓬勃发展，直流用电量越来越大。直流大电流测量是当前迫切需要解决的问题，它对节约能源有很大影响。根据世界一些技术先进国家统计，直流用电量约占总用电量的20-50％，其中大型铝电解厂的整流系统直流电流已高达320KA。并且直流大电流传感器的测量范围已从5000A扩展到300KA。在直流大电流测量中，除了对仪表的一般要求(如稳定、可靠、使用方便等)外，还要求测量仪器有足够的准确度，否则测量就失去意义。现在工程上要求测量的准确度一般为0.5％，有的要求0.1-0.2％。

现在研究出了诸如直流电流比较仪、直流电流互感器、分流器等直流大电流测量仪器；也出现了以霍尔效应、磁光效应和核磁共振等物理效应为基础的一些测量仪器。这些仪器就其工作原理大致可分为两大类：根据被测电流在已知电阻上的电压降，来确定被测直流大电流大小的测量装置，如分流器；根据被测电流所建立磁场来确定被测电流大小的测量装置，如霍尔元件直接测量装置。

对于含铁芯式直流电流比较仪、直流电流互感器等装置，性能稳定，功率消耗较小(与分流器相比)，能承受较大的负载，安装时可不断开被测电路。但是由于使用铁芯材料，并非具有理想的磁化特性，易饱和，对被测直流电流的大小有所限制。

霍尔大电流测量装置作为测量直流大电流较普遍使用的测量仪器，它是利用霍尔元件测量被测电流在铁芯(围绕被测载流导体)气隙里的磁感应强度来判定被测电流大小的。它的特点是结构简单，安装时可不断开被测电路。霍尔元件的输入电阻和输出电阻的数值不是恒定不变的，由于变换器存在磁阻效应，它是随磁感应强度而不断增长的。在单个霍尔元件除了霍尔电势之外，在输出电压中还存在其他几种剩余电势。霍尔元件的霍尔系数、输入电阻、输出电阻和剩余电势都与温度有关，因此霍尔元件存在着较大的温度误差。

现在虽然有了霍尔检零式直流比较仪，该比较仪中也设计了多个通道，每个通道由霍尔元件构成了检测元件。但是，其反馈绕组相互串联，各个霍尔元件相当于串联结构，所以每个霍尔元件相互关联，并不独立；并且，每个通道的输出量仅仅是采用简单的相加来得到总的测量结果，一旦某个通道的传感器闭锁或者坏死，其计算结果就会有较大误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种多通道直流电流传感器，它明显改善传感器的饱和特性和线性度，将零磁通原理能有效提高测量准确度，霍尔元件对电流较敏感和Rogowski线圈抗电磁干扰能力强等优点集于一身。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电流传感器，包括多通道多空气隙环形铁芯、霍尔元件，上述对称两个通道中的反馈绕组相串联，串联后的一端接地，另一端接对应采样电阻的一端；上述对称两个通道中，对称布置的两个霍尔元件为一组，每个霍尔元件由恒流源控制，每组中两个霍尔元件的输出端分别与运算放大器的正、负输入端相接，经运算放大器放大后进行滤波、电压—电流变换、电流放大处理，其输出端接上述采样电阻的另一端，将该采样电阻两端的检测电压信号送到计算机进行数据处理，处理后的被测电流的大小送到显示器显示。

上述每个通道中的反馈绕组按照Rogowski线圈方式绕制。

在反馈绕阻的绝缘层及保护层之外，专门设置地线层以代替上述地线，在该地线层外面依次设置绝缘层及保护层、电磁屏蔽层、最外层的绝缘层及保护层。

本发明的优点在于：

1、采用多组并联联接形式，每组对称的两个通道中的反馈绕组相串联，串联之后一端接地，另一端接对应的采样电阻的一端。在这种并联联接模式中，一旦某个通道的传感器闭锁或者坏死，不影响整个传感器继续工作；

2、由于每两个霍尔元件均对称性地布置，当来自同方向的干扰磁场进入霍尔元件时，磁密会在两个对称分布的霍尔元件上面产生相反的霍尔干扰电势并在电路中自行抵消；

3、由于该多通道传感器为并联联接模式，因此，可以采用并联的数据融合模型，利用数据融合方法，有效地将各个通道的测量信息整合到计算机中；

4、通道中的反馈绕组按照Rogowski线圈方式绕制，即均匀密绕多圈成螺旋状的线圈之后，再回绕一圈，该绕制方法可以明显提高整个传感器的抗电磁干扰能力，适合现场测量大电流。

5、该多通道传感器，采用具有较强的带负载能力的电压—电流转换的恒流源电路，为了使输出电流稳定，除各个环节引入深度负反馈外，还从输出电流取样经电压跟随器反馈加法器，形成一个大的外反馈，进一步增强了输出电流的稳定度，使恒流源在负载变化较大范围内输出电流具有高稳定度。

总之，明显改善了传感器的饱和特性和线性度；精度优于0.5％，功耗小，温度附加误差＜0.1％/10℃，抗磁干扰能力强；结构简单，体积小，重量轻，价格低，安装、校准、调试、维护均十分方便。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意图。

图2为图1中霍尔元件H₁、H₅对称布置电路图。

图3(a)为图1中霍尔元件H₁的恒流源电路图。

图3(b)为图1中霍尔元件H₅的恒流源电路图。

图4(a)为本发明圆形截面铁芯结构示意图。

图4(b)为本发明矩形截面铁芯结构示意图。

具体实施方式

由图1所示，1为显示器，2为处理来自四个并联通道的检测电压信号的计算机；3～6为四个并联通道的霍尔电压滤波、电压-电流变换、电流放大电路；A₁～A₄为运算放大器；7为专用地线层；8为被测电流母线；R_S1～R_S4为四个并联通道的采样电阻；I_f1～I_f4为四个并联通道的反馈电流；U_S1～U_S4为对应采样电阻的端电压；H₁～H₈为八个霍尔元件；U_H1～U_H8为八个霍尔元件所输出的霍尔电压；W₁～W₈为通道的八个Rogowski线圈式反馈绕组；*号表示Rogowski线圈式反馈绕组的同名端。

在铁芯的直径方向开设空气隙，每个通道的铁芯长度相等，气隙均匀分布，霍尔元件置于气隙中。每个通道中的反馈绕阻按照Rogowski线圈方式绕制，即在铁芯外绝缘材料上，均匀密绕多圈成螺旋状的线圈之后，再回绕一圈。绕制Rogowski线圈式反馈绕组时，必须注意线圈绕向，确保传感器实现零磁通检测原理。气隙长度可小于铁芯截面积平方根的10～15倍，兼顾被测电流大小和铁芯尺寸大小要求，否则会影响传感器测量精度；为了增强传感器感应信号，在不改变传感器其它尺寸前提下，可以尽可能增大传感器轴向厚度，则气隙长度也可以相应增大。另外，气隙数目可选为大于、等于4小于、等于130的偶数。

采用多组并联联接模式，每组两个对称的反馈绕组W₁和W₅相串联、W₂和W₆相串联、W₃和W₇相串联、W₄和W₈相串联，串联后一端接地，另一端分别接对应采样电阻R_S1、R_S2、R_S3、R_S4的一端。

霍尔元件H₁和H₅、H₂和H₆、H₃和H₇、H₄和H₈各自成组对称布置，每个霍尔元件均由恒流源控制，每组中两个霍尔元件的输出端分别与运算放大器A₁、A₂、A₃、A₄的正、负输入端相接，放大后送到电路3、电路4、电路5、电路6进行滤波、电压—电流变换、电流放大处理，各个电路的输出端接采样电阻R_S1、R_S2、R_S3、R_S4的另一端，然后各自输送到反馈绕阻以平衡被测电流所产生的主磁通，实现零磁通测量目的。既然整个多通道传感器为并联联接模式，因此，可以将采样电阻两端的检测电压信号U_S1、U_S2、U_S3和U_S4送到计算机2，借助数据融合方法进行数据处理，处理后的被测电流的大小送到显示器1。上述电路3～6为通常的滤波、电压—电流变换、电流放大电路。

由图2所示，H₁和H₅为两个对称安置的霍尔元件；I₊和I_-为由正负电源分别供电给两个霍尔元件H₁、H₅的电流；R_f1和R_f2表示恒流源I₊和I_-的反馈电阻；a₁、c₁端子表示霍尔元件H₁的直流控制电流输入、输出端，b₁、d₁端子表示霍尔元件H₁的霍尔电压输出端，a₅、c₅端子表示霍尔元件H₅的直流控制电流输入、输出端，b₅、d₅端子表示霍尔元件H₅的霍尔电压输出端；A₁表示运算放大器；R_K表示运算放大器A₁的放大倍数控制电阻；8为被测电流母线。

该电路接法为，霍尔元件H₁的d₁端、霍尔元件H₅的b₅端分别与运算放大器A₁的负输入端、正输入端相接，霍尔元件H₁的a₁端与恒流源(供给H₁的电流为I₊)反馈电阻R_f1相接，另一端c₁接地，霍尔元件H₅的c₅端与恒流源(供给H₅的电流为I_-)反馈电阻R_f2相接，另一端a₅接地，霍尔元件H₁的b₁端与霍尔元件H₅的d₅端相接。Rogowski线圈式反馈绕组W₁和W₅串联后，一端与采样电阻Rs₁相接，另一端接地。采样电阻Rs₁的两端接到计算机2。上述电阻R_K可以选用高精度电阻，运算放大器A₁可以选用如INA128仪用运算放大器、或者由OP07、OP27等精密运算放大器构成仪用运算放大器电路结构。

由于将霍尔元件H₁的b₁与霍尔元件H₅的d₅相接，c₁与a₅相接并接地，当来自同方向的干扰磁场进入霍尔元件时，磁场会在两个对称分布的霍尔元件H₁、H₅上面产生相反的霍尔干扰电势，并在电路中自行抵消。

当霍尔元件H₁、H₅的直流控制电流输入端a₁、c₁(或者a₅、c₅)流过来自恒流源的直流电流，其垂直表面有磁场并有磁力线穿过时，其霍尔电压输出端b₁、d₁(或者b₅、d₅)端子便产生霍尔电压，运算放大器A₁可以放大霍尔电势差即U_H＝U_H1-U_H5，其放大倍数由控制电阻R_K控制，即放大倍数近似为1+50kΩ/R_K，再送入电路3处理。其它三组霍尔元件分别为H₂和H₆、H₃和H₇、H₄和H₈，它们的对称安置类同H₁和H₅。

由图3(a)所示，其具体接法为，运算放大器A₅的正输入端通过电阻R₂接到基准源U_ref1，且正输入端通过电阻R₃接地，运算放大器A₅的负输入端通过电阻R₄接到其输出端，且负输入端通过电阻R₁接到运算放大器A₇的输出端，运算放大器A₅的输出端通过电阻R₅接到运算放大器A₆的负输入端，运算放大器A₆的负输入端通过电阻R₆接到功率放大管T₂的发射极，正输入端通过电阻R₇接到功率放大管T₁的发射极，并接地，输出端通过电阻R₈接到功率放大管T₁的基极。功率放大管T₁的集电极接功率放大管T₂的基极，且通过电阻R₉接功率放大管T₂的集电极和+15V电源。运算放大器A₇的输出端通过电阻R₁₀接到其负输入端，其正输入端通过电阻R_f1接到功率放大管T₂的发射极。霍尔元件H₁的直流控制电流输入端a₁与运算放大器A₇的正输入端相接，直流控制电流输出端c₁接地。

图3(a)的工作原理简述如下：基准源U_ref1，经过加法器A₅、反馈放大器A₆，由电流放大驱动电路(T₁、T₂)输出高稳定的电流。因为运算放大器A₇构成跟随电路，其输入阻抗很高(≥10¹²Ω)，则流过反馈电阻R_f1的电流全部流向霍尔元件H₁。为了使输出电流稳定，除各个环节引入深度负反馈外，还从输出电流取样经电压跟随器A₇反馈给运算放大器A₅，形成一个大反馈，进一步增强了输出电流的稳定度，使恒流源在负载变化较大范围内输出电流具有高稳定度。

由图3(b)所示，其具体接法为，运算放大器A₈的正输入端通过电阻R₁₂接到基准源U_ref2，且正输入端通过电阻R₁₃接地，运算放大器A₈的负输入端通过电阻R₁₄接到其输出端，且负输入端通过电阻R₁₁接到运算放大器A₁₀的输出端，运算放大器A₈的输出端通过电阻R₁₅接到运算放大器A₉的负输入端，运算放大器A₉的负输入端通过电阻R₁₆接到功率放大管T₄的发射极，正输入端通过电阻R₁₇接到功率放大管T₃的发射极，并接地，输出端通过电阻R₁₈接到功率放大管T₃的基极。功率放大管T₃的发射极接功率放大管T₄的基极，其集电极通过电阻R₁₉接功率放大管T₄的集电极和-15V电源。运算放大器A₁₀的输出端通过电阻R₂₀接到其负输入端，其正输入端通过反馈电阻R_f2接到功率放大管T₄的发射极。霍尔元件H₅的直流控制电流输出端c₅与运算放大器A₁₀的正输入端相接，直流控制电流输入端a₅接地。

图3(b)的工作原理简述如下：基准源U_ref2，经过加法器A₈、反馈放大器A₉，由电流放大驱动电路(T₃、T₄)输出高稳定的电流。因为运算放大器A₁₀构成跟随电路，其输入阻抗很高(≥10¹²Ω)，则流过反馈电阻R_f2的电流全部流经霍尔元件H₅。为了使输出电流稳定，除各个环节引入深度负反馈外，还从输出电流取样经电压跟随器A₁₀反馈给运算放大器A₈，形成一个大反馈，进一步增强了输出电流的稳定度，使恒流源在负载变化较大范围内输出电流具有高稳定度。

上述所讲的恒流源，其元器件选择方法为，R₁～R₇、R₁₁～R₁₇选用高精密电阻；R₈、R₉、R₁₈、R₁₉选用炭膜电阻；反馈电阻R_f1和R_f2选用高精密电阻，并且其阻值接近霍尔元件的输入电阻值R_Hi(i＝1，2，…8)，满足R_f+R_Hi＜＜R₁；基准源U_ref1和U_ref2可以选用PMI公司生产的REF02P芯片产生获得，该芯片是+5V精密电压基准/温度传感器；A₅～A₁₀全部采用高精度、低漂移、动态校零CMOS型斩波稳零式ICL7650(或CF7650)集成运算放大器。

由图4(a)、图4(b)所示，环形铁芯结构可以选取硅钢片或者坡莫合金叠片组成，可以加工成矩形或者圆形截面的环形铁芯。在铁芯9的绝缘层及保护层10之外均匀密绕多圈成螺旋状的Rogowski线圈式反馈绕组11，再在绕组11外面绕制绝缘层及保护层12，其外，再专门设置传感器的地线层7，在该地线层7外面依次设置绝缘层及保护层13、电磁屏蔽层14，最外层的绝缘层及保护层15。这种结构形式提高了整个传感器的抗电磁干扰能力。

Claims (5)

1、一种电流传感器，包括多通道多空气隙环形铁芯、霍尔元件，其特征在于：

上述对称两个通道中的反馈绕组相串联，串联后的一端接地，另一端接对应采样电阻的一端；

上述对称两个通道中，对称布置的两个霍尔元件为一组，每个霍尔元件由恒流源控制，每组中两个霍尔元件的输出端分别与运算放大器的正、负输入端相接，经运算放大器放大后进行滤波、电压—电流变换、电流放大处理，其输出端接上述采样电阻的另一端，将该采样电阻两端的检测电压信号送到计算机进行数据处理，处理后的被测电流的大小送到显示器显示。

2、根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：上述反馈绕组按照Rogowski线圈方式绕制。

3、根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于：在上述反馈绕阻的绝缘层及保护层之外，专门设置地线层以代替上述地线，在该地线层外面依次设置绝缘层及保护层、电磁屏蔽层、最外层的绝缘层及保护层。

4、根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于：接到上述每组中霍尔元件的两个恒流源电路为，运算放大器A₅的正输入端通过电阻R₂接到基准源U_ref1，且正输入端通过电阻R₃接地，运算放大器A₅的负输入端通过电阻R₄接到其输出端，且负输入端通过电阻R₁接到运算放大器A₇的输出端，运算放大器A₅的输出端通过电阻R₅接到运算放大器A₆的负输入端，运算放大器A₆的负输入端通过电阻R₆接到功率放大管T₂的发射极，正输入端通过电阻R₇接到功率放大管T₁的发射极，并接地，输出端通过电阻R₈接到功率放大管T₁的基极，功率放大管T₁的集电极接功率放大管T₂的基极，且通过电阻R₉接功率放大管T₂的集电极和+15V电源，运算放大器A₇的输出端通过电阻R₁₀接到其负输入端，其正输入端通过电阻R_f1接到功率放大管T₂的发射极，霍尔元件H₁的直流控制电流输入端a₁与运算放大器A₇的正输入端相接，直流控制电流输出端c₁接地；

运算放大器A₈的正输入端通过电阻R₁₂接到基准源U_ref2，且正输入端通过电阻R₁₃接地，运算放大器A₈的负输入端通过电阻R₁₄接到其输出端，且负输入端通过电阻R₁₁接到运算放大器A₁₀的输出端，运算放大器A₈的输出端通过电阻R₁₅接到运算放大器A₉的负输入端，运算放大器A₉的负输入端通过电阻R₁₆接到功率放大管T₄的发射极，正输入端通过电阻R₁₇接到功率放大管T₃的发射极，并接地，输出端通过电阻R₁₈接到功率放大管T₃的基极，功率放大管T₃的发射极接功率放大管T₄的基极，其集电极通过电阻R₁₉接功率放大管T₄的集电极和-15V电源，运算放大器A₁₀的输出端通过电阻R₂₀接到其负输入端，其正输入端通过反馈电阻R_f2接到功率放大管T₄的发射极，霍尔元件H₅的直流控制电流输出端c₅与运算放大器A₁₀的正输入端相接，直流控制电流输入端a₅接地。

5、根据权利要求3所述的电流传感器，其特征在于：接到上述每组中霍尔元件的两个恒流源电路为，运算放大器A₅的正输入端通过电阻R₂接到基准源U_ref1，且正输入端通过电阻R₃接地，运算放大器A₅的负输入端通过电阻R₄接到其输出端，且负输入端通过电阻R₁接到运算放大器A₇的输出端，运算放大器A₅的输出端通过电阻R₅接到运算放大器A₆的负输入端，运算放大器A₆的负输入端通过电阻R₆接到功率放大管T₂的发射极，正输入端通过电阻R₇接到功率放大管T₁的发射极，并接地，输出端通过电阻R₈接到功率放大管T₁的基极，功率放大管T₁的集电极接功率放大管T₂的基极，且通过电阻R₉接功率放大管T₂的集电极和+15V电源，运算放大器A₇的输出端通过电阻R₁₀接到其负输入端，其正输入端通过电阻R_f1接到功率放大管T₂的发射极，霍尔元件H₁的直流控制电流输入端a₁与运算放大器A₇的正输入端相接，直流控制电流输出端c₁接地；

运算放大器A₈的正输入端通过电阻R₁₂接到基准源U_ref2，且正输入端通过电阻R₁₃接地，运算放大器A₈的负输入端通过电阻R₁₄接到其输出端，且负输入端通过电阻R₁₁接到运算放大器A₁₀的输出端，运算放大器A₈的输出端通过电阻R₁₅接到运算放大器A₉的负输入端，运算放大器A₉的负输入端通过电阻R₁₆接到功率放大管T₄的发射极，正输入端通过电阻R₁₇接到功率放大管T₃的发射极，并接地，输出端通过电阻R₁₈接到功率放大管T₃的基极，功率放大管T₃的发射极接功率放大管T₄的基极，其集电极通过电阻R₁₉接功率放大管T₄的集电极和-15V电源，运算放大器A₁₀的输出端通过电阻R₂₀接到其负输入端，其正输入端通过反馈电阻R_f2接到功率放大管T₄的发射极，霍尔元件H₅的直流控制电流输出端c₅与运算放大器A₁₀的正输入端相接，直流控制电流输入端a₅接地。

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