CN1731194A - 陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈，在一铁氧体环型磁芯上用罗哥夫斯基线圈绕线方式绕制相同匝数的两部分线圈，两部分线圈的绕线和回线分别按照差分方式耦合到一无感电阻上。所述的两线圈的信号输出按照差分方式耦合到无感电阻是指一线圈的绕线逆时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯上，另一线圈的绕线顺时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯上，两部分线圈的绕线共接于无感电阻的一端，回线共接于无感电阻的另一端。本发明具有更高的信噪比因而提供更好的性能，并使其具有稳定性好、线性度好、角差小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强；结构简单、安装和维护方便的优点。

Description

陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈

技术领域

本发明涉及一种线圈，适于电流脉冲的测量，尤其是受干扰影响较大的陡脉冲小电流信号的测量，特别涉及一种陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈。

背景技术

用罗哥夫斯基(以下简称Rogowski)线圈对电流进行测量的实验和理论研究始于1912年，其后许多人在理论分析、结构改进、材料选取、制作工艺等方面不断丰富，发展了这一测量技术，特别是在大电流陡脉冲测量中其技术指标已达到上升时间小于1ns；但在测量陡脉冲小电流领域Rogowski线圈的频带远不能满足实际要求。带磁芯的Rogowski线圈由于磁芯的应用，使其低频截止频率大大降低，频带进一步拓宽，灵敏度相应提高，应用Rogowski线圈不加放大器检测到真实的电流信号成为可能，但小电流信号的检测受到外界环境的干扰十分严重，加之电流信号极其微弱，传统Rogowski线圈所检测到的小电流信号或多或少都存在干扰信号，使得测量误差增大，波形畸变。差分式Rogowski线圈对于干扰信号具有非常完美的免疫力，能把各种干扰的影响降到最低，从而精确的再现被测电流波形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陡脉冲小电流测量用差分式Rogowski线圈，该线圈在检测高频信号电流时能降低外界的干扰，避免干扰信号迭加到待测电流信号上造成的波形畸变，并拓宽频带和提高灵敏度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括一铁氧体环型磁芯，在一铁氧体环型磁芯上用罗哥夫斯基线圈绕线方式绕制相同匝数的两部分线圈，两部分线圈的绕线和回线分别按照差分方式耦合到一无感电阻上。

所述的两线圈的信号输出按照差分方式耦合到无感电阻是指一线圈的绕线逆时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯上，另一线圈的绕线顺时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯上，两部分线圈的绕线共接于无感电阻的一端，回线共接于无感电阻的另一端。

所述的两部分线圈的信号输出按照差分的方式耦合到无感电阻是指两部分线圈的绕线同时顺时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯上，或同时逆时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯上，一线圈的绕线与另一线圈的回线共接于无感电阻的一端，一线圈的回线与另一线圈的绕线共接于无感电阻的另一端。

所述的铁氧体环型磁芯根据测量电流的频率范围选用对应范围的磁性材料，其截面为正方形。

两部分线圈均匀绕在铁氧体环型磁芯上。

对于测量电流信号幅值为μA级到mA级的陡脉冲小电流信号，每部分线圈绕线匝数为5～25匝，无感电阻为50Ω～1000Ω，灵敏度为0.5V/A～2.5V/A，最大带宽为230kHz～120MHz，最小带宽为3.8MHz～14MHz。

对于测量电流信号幅值为μA级到mA级的陡脉冲小电流信号，信号输出电阻为无感电阻的全部值或部分值，取为50Ω或75Ω。

无感电阻(9)采用金属膜电阻或釉膜电阻，可直接接在线圈出线的两端，或者是鼠笼式匹配电阻接在屏蔽盒外，再接信号电缆。

在理论分析的基础上，确定了无感电阻的取值范围；通过实验得到了最佳的无感电阻，绕线匝数和磁芯形状参数，并通过校验脉冲和实际电流的测量证明了该差分式Rogowski线圈能精确的再现被测电流信号的真实波形。

本发明的技术效果在于：

1.采用差分方式绕制的Rogowski线圈能有效的抑制外界干扰，具有更高的信噪比从而在测量陡脉冲小电流信号时提供更好的性能。

2.差分式Rogowski线圈经过精心设计大大拓展了带宽(230kHz～120MHz)，尤其在测量小信号时提高了灵敏度(最高可达2.5V/A)，不用放大器就可以检测到陡脉冲小电流信号，避免了放大器带来的各种噪声干扰引起波形失真，且对电网的谐波不敏感。

3.差分式Rogowski线圈经过测试具有稳定性好、线性度好、角差小和抗电磁干扰能力强的优点，且结构简单、安装和维护方便。

附图说明

图1为本发明一种陡脉冲小电流测量用差分式Rogowski线圈的整体外观结构及使用方法示意图。

图2为本发明的一种差分式绕线结构示意图。

图3为本发明的另一种差分式绕线结构示意图。

图4为本发明一种陡脉冲小电流测量用差分式Rogowski线圈的幅频响应特性和最小二乘法拟合所得线性度最优曲线图。

图5为本发明一种陡脉冲小电流测量用差分式Rogowski线圈的角差图。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，使被测电流导体2居于差分式Rogowski线圈的中心位置以降低由于导体的位置和倾斜度引起的测量误差，屏蔽盒3可防止外界干扰信号，BNC电缆头4连接屏蔽盒3和信号电缆1，信号电缆1末端接匹配电阻5匹配后，可直接接在示波器上读取电流波形，也可接信号调理电路(放大器、滤波器)，经高速数据采集卡传输到PC机，利用相关软件把波形重现。

参照图2所示，线圈6的绕线11逆时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯8上，线圈7的绕线13顺时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯8上，两部分线圈6、7的绕线11、13共接于无感电阻9的一端，回线10、12共接于无感电阻9的另一端；或线圈6的绕线11顺时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯8上，线圈7的绕线13逆时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯8上，两部分线圈6、7的绕线11、13共接于无感电阻9的一端，回线10、12共接于无感电阻9的另一端。当导体中有电流通过时，根据电磁感应定律和安培环路定律，在铁氧体环型磁芯8上的两部分绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，从而在无感电阻9上产生相应的感应电动势，此感应电动势正比于被测电流，这样，只要准确测量信号输出电阻上的感应电动势就可得出成比例的被测电流波形。

参照图3所示，两部分线圈6、7的绕线11、13同时逆时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯8上，线圈6的绕线11与线圈7的回线12共接于无感电阻9的一端，线圈6的回线10与线圈7的绕线13共接于无感电阻9的另一端；或两部分线圈6、7的绕线11、13同时顺时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯8上，线圈6的绕线11与线圈7的回线12共接于无感电阻9的一端，线圈6的回线10与线圈7的绕线13共接于无感电阻9的另一端。当导体中有电流通过时，根据电磁感应定律和安培环路定律，在铁氧体环型磁芯8上的两部分绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，从而在无感电阻9上产生相应的感应电动势，此感应电动势正比于被测电流，这样，只要准确测量信号输出电阻上的感应电动势就可得出成比例的被测电流波形。

参照图4所示，两条曲线分别为差分式Rogowski线圈的幅频响应特性和应用最小二乘法计算所得最优线性度曲线，最大频带为230kHz～120MHz，覆盖中频、高频，并包括低频和甚高频的一部分，大大拓宽了Rogowski线圈的频带，且在此频带内其线性度良好，为2.52％，横坐标为频率，单位为MHz；纵坐标为增益，单位为dB。

参照图5所示，图中曲线为差分式Rogowski线圈的角差，角差随频率增加由正变负，在接近频率上限处有震荡，但均保持在较小的范围内，对陡脉冲小电流的测量并无影响，横坐标为频率，单位为MHz；纵坐标为角差，单位为度。

Claims (8)

1、一种陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈，包括一铁氧体环型磁芯(8)，其特征在于：在一铁氧体环型磁芯(8)上用罗哥夫斯基线圈绕线方式绕制相同匝数的两部分线圈(6、7)，线圈(6、7)的绕线(11、13)和回线(10、12)按照差分方式耦合到一无感电阻(9)上。

2、根据权利要求1所述的陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈，其特征在于：所述的两线圈(6、7)的信号输出按照差分方式耦合到无感电阻(9)上是指线圈(6)的绕线(11)逆时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯(8)上，线圈(7)的绕线(13)顺时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯(8)上，两部分线圈(6、7)的绕线(11、13)共接于无感电阻(9)的一端，回线(10、12)共接于无感电阻(9)的另一端。

3、根据权利要求1所述的陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈，其特征在于：所述的两部分线圈(6、7)的信号输出按照差分的方式耦合到无感电阻(9)是指两部分线圈(6、7)的绕线(11、13)同时顺时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯(8)上，或同时逆时针方向缠绕在铁氧体环型磁芯(8)上，线圈(6)的绕线(11)与线圈(7)的回线(12)共接于无感电阻(9)的一端，线圈(6)的回线(10)与线圈(7)的绕线(13)共接于无感电阻(9)的另一端。

4、根据权利要求1所述的陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈，其特征在于：所述的铁氧体环型磁芯(8)根据测量电流的频率范围选用对应范围的磁性材料，其截面为正方形。

5、根据权利要求1所述的陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈，其特征在于：两部分线圈(6、7)均匀绕在铁氧体环型磁芯(8)上。

6、根据权利要求1所述的陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈，其特征在于：对于测量电流信号幅值为μA级到mA级的陡脉冲小电流信号，每部分线圈(6、7)绕线(11、13)匝数为5～25匝，无感电阻(9)为50Ω～1000Ω，灵敏度为0.5V/A～2.5V/A，最大带宽为230kHz～120MHz，最小带宽为3.8MHz～14MHz。

7、根据权利要求1或6所述的陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈，其特征在于：对于测量电流信号幅值为μA级到mA级的陡脉冲小电流信号，信号输出电阻为无感电阻(9)的全部值或部分值，取为50Ω或75Ω。

8、根据权利要求1所述的陡脉冲小电流测量用差分式罗哥夫斯基线圈，其特征在于：无感电阻(9)采用金属膜电阻或釉膜电阻，可直接接在线圈出线的两端，或者是鼠笼式匹配电阻接在屏蔽盒(3)外，再接信号电缆(1)。

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