CN1641365A - 零磁通电流传感器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种零磁通电流传感器电路，包括电流信号输入检测系统、激励信号驱动控制系统、信号检波变换系统和信号反馈补偿系统，其主要特点是，所述的电流信号输入检测系统包括两个彼此一致的检测磁心和一个普通磁心，两个检测线圈分别绕在所述的两个检测磁心上，一个初级线圈同时绕在所述的两个检测磁心上；所述的激励信号驱动控制系统包括一个三角波发生器。采用了该发明的零磁通电流传感器电路，测量的稳定性较高，电路结构简单，容易制造，成本较低；另一方面，除了检测磁心外还增加了一个普通磁心，增大了电流传感器的量程；而使用调整线圈使磁化状态在受到冲击后，不至于产生太大的变化，从而提高了该电流传感器电路的抗冲击能力和开机重复性。

Description

零磁通电流传感器电路

技术领域

本发明涉及电路电流测量电路领域，特别涉及电流传感器电路领域，具体是指一种零磁通电流传感器电路。

背景技术

零磁通检测技术被广泛用于测量电流及相关物理量。零磁通原理的主要内容是在环型磁芯上分别绕有初级线圈(一般为被测电流的导线经过磁芯而构成)和补偿线圈，当初级线圈上被测电流产生的磁通量和补偿线圈上电流产生的磁通量平衡时，称为零磁通平衡，此时，应有被测电流的安匝数和补偿电流的安匝数相等。测试直流电流时，其补偿电流由被测电流经过磁芯时采用一定的技术感应出相应的被测电流的检测信号经反馈放大后产生。任何安匝数不平衡，必定会导致检测磁芯的检测线圈上因加激励信号而产生的磁化电流的波形的变化。通过检测该磁化电流的波形中某一参量的变化，即可检测出检测信号，该信号经适当的电路设计形成与初始线圈上被测电流方向相反的补偿电流反馈到磁芯的补偿线圈上，以抵消被测电流产生的磁通，根据平衡时安匝数相等，通过连接在补偿线圈与地之间的电阻R0，可以测量出补偿电流，从而得到被测电流。检测信号可以有多种方法测得。

在现有技术中有如下几种零磁通电流检测电路：

第一种是从磁化电流波形的成份来进行分析，M.Groenenboom andI.Lisser等(IEEE Transactions on Nuclear Science，Vol.NS-24.No.3，Jan.1977.pp.1810-1811.及Electronics and Power Jan.1977 pp 52-55)利用零磁通平衡时，检测线圈被正弦波激励后所产生的磁化电流中只有奇次谐波成份，偏离平衡时则有偶次谐波成份，且以二次谐波为主，而采用检测二次谐波的方法来检出检测信号，该方法实现的电路复杂，由于高稳定的正弦波发生电路及高稳定的二次谐波带通滤波器复杂，利用的组件多，并且测量的精度及稳定性和频率宽度受组件的性能影响，因而对组件的选择工作量大，成本高。

第二种是从磁化电流的幅度大小来进行分析，Maarter Groenenboom等人(United States Patent 4912396)。根据正弦波信号激励检测线圈而产生的磁化电流在零磁通平衡时存在半波对称性，在偏离平衡时，磁化电流的半波不对称，而通过检测正弦信号驱动检测线圈而产生的磁化电流的正负峰值来检测被测电流的检测信号。此方法的电路比检测磁化电流二次谐波的方法简单，但还是较复杂，其正弦波发生电路复杂，峰值检测用的组件较多，且易受干扰，成本还是高。

第三种是Hans-Erik Jorgensen等的技术(United States Patent 4616474)，具体是将两个相同的检测磁芯上的检测线圈平均分成四组，每个检测磁芯上两组，同一检测磁芯上的线圈绕向相同，不同检测磁芯的线圈绕向相反。用方波信号驱动，使正负半周各两组线圈工作，另用一变换器T3，通过线圈组合使磁化电流的奇次波相抵消，偶次谐波相加，以此来获得被测电流的检测信号。此方法的优点是：方波易于产生，电路设计较简单，成本要远远低于前两种方法。不足之处是检测线圈接线较复杂。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种稳定性高、抗冲击能力强、测量电流量程大、开机重复性好、电路结构简单、成本低廉的零磁通电流传感器电路。

为了实现上述的目的，本发明的零磁通电流传感器电路具有如下构成：

该零磁通电流传感器电路，包括电流信号输入检测系统、激励信号驱动控制系统、信号检波变换系统和信号反馈补偿系统，其主要特点是，所述的电流信号输入检测系统包括两个彼此一致的检测磁心和一个普通磁心，两个检测线圈分别绕在所述的两个检测磁心上，一个初级线圈同时绕在所述的两个检测磁心上；所述的激励信号驱动控制系统包括一个三角波发生器，所述的电流信号输入检测系统中的两个检测线圈的正端或负端与该三角波发生器的正向输出端相连接；所述的信号检波变换系统的输入端与所述的电流信号输入检测系统中的两个检测线圈输出端相连接；所述的信号反馈补偿系统包括一个同时绕在所述的电流信号输入检测系统中的两个检测磁心和一个普通磁心上的补偿线圈，且该信号反馈补偿系统的输入端与所述的信号检波变换系统的输出端相连接。

该零磁通电流传感器电路的激励信号驱动控制系统中的三角波发生器的输入端与一个方波发生器的输出端相连接。

该零磁通电流传感器电路的信号检波变换系统包括一个脉冲变压器、一个相敏检波器和一个RC求和电路，该脉冲变压器的初级线圈的中心点与所述的三角波发生器的负向输出端相连接，且该初级线圈的两外端分别与所述的电流信号输入检测系统中的两个检测线圈的两外端相连接，该脉冲变压器的次级线圈的中心点接地，且该次级线圈的两外端分别与相敏检波器的两个输入端相连接，该次级线圈的两外端与中心点之间分别接有一个阻值相同的电阻，所述的相敏检波器的控制端与所述的方波发生器的输出端相连接，且该相敏检波器的输出端与所述的RC求和电路相连接。

该零磁通电流传感器电路的信号检波变换系统中的相敏检波器的真值表为：

K＝0    b-F断，    a-E通；

K＝1    b-F通，    a-E断。

该零磁通电流传感器电路的信号检波变换系统中的RC求和电路包括两个阻值相同的电阻和一个电容，所述的两个电阻的一端分别与所述的相敏检波器的两个输出端相连接，另一端汇接于所述的电容的一端，同时该电容的另一端接地。

该零磁通电流传感器电路，其特征在于，所述的电流信号输入检测系统的两个检测磁心上还各绕有一个调整线圈，该两个调整线圈的负端与负端相连接，其正端通过一个小阻值的电阻相连接。

该零磁通电流传感器电路，其特征在于，所述的信号反馈补偿系统还包括一个集成运算放大器，该集成运算放大器的输入端同时与所述的RC求和电路的输出端和绕在所述的电流信号输入检测系统中的两个检测磁心和普通磁心上的一个交流感应线圈相连接，而该集成运算放大器的输出端与所述的补偿线圈相连接。

该零磁通电流传感器电路的电流信号输入检测系统中的两个检测磁心基本一致并采用高磁导率的磁心材料。

由于采用了该发明的零磁通电流传感器电路，使用三角波调制信号作为激励信号并且利用磁化电流正负半周期求和的方法来检出被测电流的检测信号，测量的稳定性较高，电路结构简单，容易制造，成本较低；另一方面，除了检测磁心外还增加了一个普通磁心，增大了电流传感器的量程；而使用调整线圈使磁化状态在受到冲击后，不至于产生太大的变化，从而提高了该电流传感器电路的抗冲击能力和开机重复性。

附图说明

图1为本发明的电流信号输入检测系统的单检测线圈电路原理图。

图2为图1情形下的正向磁化电流波形示意图。

图3为图1情形下的反向磁化电流波形示意图。

图4为本发明的电流信号输入检测系统的双检测线圈电路原理图。

图5为本发明的完整电路原理图。

图6为工作状态下方波发生器和三角波发生器输出的波形图。1

图7为零磁通状态下的电路电流工作波形图。

图8为正向磁化状态下的电路电流工作波形图。

图9为反向磁化状态下的电路电流工作波形图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，其中，T₁为检测磁芯，u为激励信号，N_p为初级线圈，由被测电流的导线经过检测磁芯时形成的。N₁为检测线圈，u为激励信号，为说明方便，以正弦信号u＝Umcosωt为激励信号，Z为电阻。再请参阅图2所示，其中单检测线圈在正弦信号u＝Umcosωt激励下，其磁化电流波形随被测电流I_p产的直流磁通密度B₀的变化示意图。曲线(a)为u＝Umcosωt激励下产生的磁通密度B＝Bmsinωt曲线；曲线(c)为磁芯材料的磁化曲线；曲线(b)为有被测电流I_p时，与激励信号共同产生的磁通密度曲线B＝Bo+Bmsinωt；曲线(d)为只有激励信号作用时(零磁通状态)检测线圈产生的磁化电流波形，因为磁化曲线在零磁通附近为线性区域，因此，磁化电流波形与磁通密度波形相同，可用i＝Imsinωt表示；曲线(e)为有被测电流I_p作用时(偏离零磁通状态)所产生的磁化电流波形，由于偏离零磁通状态，磁化曲线在非线性区域，因此，磁化电流i(t)不再与磁通密度的波形相同，由图2可知，B₀＞0时，磁化电流的前半周期比后半周期的幅度大，同样的道理，请参阅图3所示，当B₀＜0时，磁化电流前半周期的幅度要比后半周期的幅度小，即不管其是否饱和，磁化电流的波形幅度都随B₀变化(即I_p的变化)而单调变化，即磁化电流的波形幅度随被测直流单调变化。因此，正负半波的面积和可以直接反映I_p的大小和方向。这种方式的不足之处在于：由于激励u同样也会在被测线圈上产生感应电流，不仅会影响被测电流值，还会对被测电流的回路产生影响。

请参阅图4所示，为了消除此影响，可以采用双检测线圈，图中，T₁，T₂为相同的检测磁芯，N₁，N₂为检测线圈，N₁＝N₂，但绕向相反，Z₁＝Z₂。N_p为被测电流的导线同时通过两个检测磁芯而形成的初级线圈，u为激励信号，同时使T₁，T₂反向磁化；这样使得两线圈上的调制信号在被测线圈上产生的感应电流大小相等、方向相反而抵消，从而避免了对被测电流回路的影响。而被测电流I_p产生的直流磁通使其中一个磁芯的磁通量增加，另一个减少，相当于一个磁芯感应了+B₀的磁密，另一个磁芯感应了-B₀的磁密，根据上面的分析，A、B两点的磁化电流波形的正负半波的面积和将随I_X变化。

请参阅图5所示，该零磁通电流传感器电路，包括电流信号输入检测系统、激励信号驱动控制系统、信号检波变换系统和信号反馈补偿系统，其中，所述的电流信号输入检测系统包括T₁、T₂两个检测磁芯，并且为高磁导率的磁芯材料，同时要求T₁、T₂尽量一致。T₃为一般的磁芯，N₁、N₂为匝数相同的检测线圈，分别绕在T₁、T₂上，其负端(为叙述方便起见，图中以*表示正端)相连到三角波发生器S的输出端C上。N₅、N₆为分别绕在T₁、T₂上的调整线圈，其负端与负端相连，正端与正端通过一小电阻r相连。其作用主要是当电路受冲击后，使检测磁芯的磁状态不突变。N_p为初级线圈，由被测电流的导线经过T1，T2，T3时形成的；N3为补偿线圈绕在T₁、T₂和T₃上，正端接放大器的输出端，负端通过输出电阻R₀接地。这样，放大器输出的补偿电流通过补偿线圈以抵消初级电流I_p在T₁、T₂和T₃中产生的磁通，通过R₀上的电压降即可测量平衡时补偿电流的大小，从而由零磁通平衡原理，利用初级电流与补偿电流安匝数相等的关系求出被测电流I_p。N₄为绕在T₁、T₂和T₃上的交流感应线圈，其负端接地，正端直接接放大器的输入端，感应交流信号。F为方波发生器，S为三角波发生器，由方波发生器产生的频率为f的方波由f₂经S产生同频率的三角波。T₄为脉冲变压器磁芯，脉冲变压器的初级线圈N₇的中心点接三角波发生器的负端，N₇的两端点接检测线圈N₁、N₂的两端。T₄的次级线圈N₈的中心点接地，两端接相敏检波器的输入端a、b。在N₈的两外端与中心点之间接电阻R₁、R₂，R₁＝R₂。相敏检波器的控制端K接方波发生器的f₁，由方波发生器输出2f的方波控制，E、F为相敏检波器的输出端，外接由R₃、R₄、C₁组成的求和电路。相敏检波的真值表为：

K＝0    b-F断，    a-E通。

K＝1    b-F通，    a-E断。

这样，检测线圈N₁、N₂两端B、A间的磁化电流转换为a、b间的电压信号，由相敏检波后求和所得的值即为与A、B点磁化电流正负半波对应面积和相关的信号，此信号由G输出经放大器A放大后控制补偿电流的大小。

再请参阅图6所示，其中为方波发生器和三角波发生器输出的波形图。请参阅图7所示，在零磁通状态下，I_p＝0时，由于i_A、i_B的波形幅度相同，方向相反，其任一半周期内的两波形不同的四分之一(1/4)周期面积和(即阴影部分面积和)为零，输出信号为零。再请参阅图8和图9所示，为偏磁状态的工作波形图，图8为I_p＞0状态，当I_p＞0时，由于i_A、i_B的波形幅度正大负小，方向相反，其任一半周期内的两波形不同的四分之一(1/4)周期面积和(即阴影部分面积和)大于零，输出信号为正。图9为I_p＜0状态，当I_p＜0时，由于i_A、i_B的波形幅度正小负大，方向相反，其任一半周期内的两波形不同的四分之一(1/4)周期面积和(即阴影部分面积和)小于零。输出信号为负。从图可知，用磁化电流面积求和的方法可直接得到被测电流的检测信号。此信号送入放大器Amp后控制补偿电流的大小。

另外，本发明共使用了三个磁芯(环形磁芯)。两个相同的磁芯组成检测磁芯，在其上除了绕有两个绕向相反匝数相同的检测线圈N₁、N₂外，还绕有两个匝数相同的调整线圈N₅、N₆，N₅、N₆的匝数与N₁、N₂的匝数不等，N₅、N₆的负端与负端相连，正端通过一小电阻相连，当电路受到冲击时两线圈的磁化电流相互抵消，使因冲击而产生的磁化电流小，检测磁芯的磁状态不突变。检测线圈公共端与三角波调制器相连，用一定频率的三角波调制信号同时使两个检测线圈以相反的方向磁化，补偿电流与被测电流产生的磁通平衡时磁芯在零磁通状态下，此时两检测线圈的磁化电流波形正负半波对称，其正负半波面积相等，当偏离零磁通状态时，其中一个检测磁芯的磁通量增加，另一个检测磁芯的磁通量减小，由于磁性材料的非线性特性，其输出的磁化电流的波形正负半波不对称，且两检测线圈的磁化电流变化方向相反，若一个检测线圈磁化电流波形前半周期幅度比后半周期幅度大，则另一个检测线圈磁化电流波形前半周期比后半周期幅度小，即任何检测线圈磁化电流的正负半波的面积和与被测电流与补偿电流产生的磁通的不平衡程度有关。

第三个磁芯为增加磁路分路而设置，其材料不必与检测磁芯同，一般的铁芯即可。主要用来增加交流阻抗，提高测量量程。

信号检出由脉冲变压器完成。其初级线圈的中心点与三角波调制器另一端相连，外端与两检测线圈的另外两端相连。其次级线圈的中心端接地，在次级线圈的外端与中心端之间并联两个相同的电阻，并与相敏检波器的两输入端相连，保证了检测线圈与工作电路的分离，并将两检测线圈磁化电流的波形转化为电压信号波形，经相敏检波并求和后，即可得到磁化电流的波形面积的变化与被测量电流的关系，即得到了被测电流的检测信号。该信号输入放大器控制补偿电流的大小与方向。

本技术因使用了调整线圈N₅、N₆，提高了电流传感器的稳定性和抗冲击能力及开机重复性，使用三角波调制信号及采用对检测线圈磁化电流正负半波面积和的方法使传感器电路简化，成本降低。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1、一种零磁通电流传感器电路，包括电流信号输入检测系统、激励信号驱动控制系统、信号检波变换系统和信号反馈补偿系统，其特征在于，所述的电流信号输入检测系统包括两个彼此一致的检测磁心和一普通磁心，两个检测线圈分别绕在所述的两个检测磁心上，一初级线圈同时绕在所述的两个检测磁心上；所述的激励信号驱动控制系统包括一三角波发生器，所述的电流信号输入检测系统中的两个检测线圈的正端或负端与该三角波发生器的正向输出端相连接；所述的信号检波变换系统的输入端与所述的电流信号输入检测系统中的两个检测线圈输出端相连接；所述的信号反馈补偿系统包括一同时绕在所述的电流信号输入检测系统中的两个检测磁心和一普通磁心上的补偿线圈，且该信号反馈补偿系统的输入端与所述的信号检波变换系统的输出端相连接。

2、根据权利要求1所述的零磁通电流传感器电路，其特征在于，所述的激励信号驱动控制系统中的三角波发生器的输入端与一方波发生器的输出端相连接。

3、根据权利要求2所述的零磁通电流传感器电路，其特征在于，所述的信号检波变换系统包括一脉冲变压器、一相敏检波器和一RC求和电路，该脉冲变压器的初级线圈的中心点与所述的三角波发生器的负向输出端相连接，且该初级线圈的两外端分别与所述的电流信号输入检测系统中的两个检测线圈的两外端相连接，该脉冲变压器的次级线圈的中心点接地，且该次级线圈的两外端分别与相敏检波器的两个输入端相连接，该次级线圈的两外端与中心点之间分别接有一阻值相同的电阻，所述的相敏检波器的控制端与所述的方波发生器的输出端相连接，且该相敏检波器的输出端与所述的RC求和电路相连接。

4、根据权利要求3所述的零磁通电流传感器电路，其特征在于，所述的信号检波变换系统中的相敏检波器的真值表为：

K＝0  b-F断，a-E通；

K＝1  b-F通，a-E断。

5、根据权利要求3所述的零磁通电流传感器电路，其特征在于，所述的信号检波变换系统中的RC求和电路包括两个阻值相同的电阻和一电容，所述的两个电阻的一端分别与所述的相敏检波器的两个输出端相连接，另一端汇接于所述的电容的一端，同时该电容的另一端接地。

6、根据权利要求1所述的零磁通电流传感器电路，其特征在于，所述的电流信号输入检测系统的两个检测磁心上还各绕有一调整线圈，该两个调整线圈的负端与负端相连接，其正端通过一小阻值的电阻相连接。

7、根据权利要求3所述的零磁通电流传感器电路，其特征在于，所述的信号反馈补偿系统还包括一集成运算放大器，该集成运算放大器的输入端同时与所述的RC求和电路的输出端和绕在所述的电流信号输入检测系统中的两个检测磁心和普通磁心上的一交流感应线圈相连接，而该集成运算放大器的输出端与所述的补偿线圈相连接。

8、根据权利要求3所述的零磁通电流传感器电路，其特征在于，所述的电流信号输入检测系统中的两个检测磁心基本一致并采用高磁导率的磁心材料。

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