CN1959419B - 电流测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不需接入到电路中的电流测量仪器，特别适用于在与带电电路不连通的情况下测量电路中的电流。本发明包括一个具有固定的开口的绝缘材料制成的防护套和安装在内部的用软磁材料构成的导磁环和霍尔元件，被测导线通过开口进入到开口底部的测量区域；被测导线中的电流在导磁环和霍尔元件内产生磁通，利用霍尔效应对实现被测导线中的电流检测，其特征在于所述的导磁环由两部份软磁材料构成的铁心组成，并安装在用绝缘材料制成的防护套内，形成有前后两个空隙。本发明与现有技术相比，还由于开口造成的磁阻可以采用加大开口处突出部端面面积的方法有效减小，因此可以在保证预定准确度的情况下，更可靠地制造不同的或更大固定开口尺寸的电流测量仪器。

Description

电流测量仪器

技术领域

本发明涉及一种不需接入到电路中的电流测量仪器，特别适用于在与带电电路不连通的情况下测量电路中的电流。

背景技术

现有技术的测量电路电流时，常常需要把被测量的电路断开，把电流表串联在电路中，这在很多场合是不合适和不方便的。现在已经有一种电流测量仪器，如利用霍尔元件作传感器的钳形交直流电流表，可以以不接入到电路中的方式，让被测量的导线在其闭合的钳夹中通过，在与带电电路不连通的情况下测量导线中的电流。为了使被测量的导线能进入闭合的钳夹中，钳夹被设计成可以相对活动的两部分，根据需要打开和闭合。而霍尔元件安装在两部分的通常被称为铁心的软磁材料形成的磁路的空隙中，在钳夹闭合时利用霍尔效应测量在磁路中的磁场而达到测量交流和直流电流的目的，磁路中的磁场是由被测量的导线中的电流产生的。

然而在一些狭小空间场合使用体积较大的钳型电流表并不合适，于是出现了钳型电流表的另一种变型，一种不再需要有可以开启和闭合的钳夹，而是具有固定开口以使被测量的导线能够自由进入磁路测量空间的电流测量仪器被发明出来。由于它电流信号检测部分的铁心加上绝缘保护物后的形状类似于英文字母U或一个两齿叉子，常被称为U形电流表或叉形电流表。但是现有的设计由于固定开口造成的铁心大的空隙，导致电流测量灵敏度的降低和抗干扰能力较差。

本发明的目的是提供一种新的具有固定开口的，不需接入到电路中的电流测量仪器。与现有技术相比，本发明可以减小由于固定开口造成的铁心大的空隙对电流检测的影响，提高电流测量灵敏度和抗干扰能力。而且在同样的固定开口大小的情况下，可以使叉形部分的大小更紧凑，也更容易达到更高的安全标准。

发明内容

为了实现要发明的上述目的，本发明提供的具有固定开口的电流测量仪器，它的用软磁材料构成的铁心由两部分构成，在安装在用绝缘材料(例如ABS塑料)制成的防护套内后，形成了具有固定开口的电流测量仪器的电流信号检测部分。固定的开口是由绝缘防护套形成的，它可以允许直径小于开口尺寸的导线自由通过开口进入到开口底部的测量区域，绝缘防护套可以有效地把被测量的对象与电流测量电路隔开，提供安全保证。由软磁材料构成的两部分铁心在防护套内形成有前后两个空隙的导磁环，绝缘防护套形成的测量区域处于这两个空隙间的某个位置上。导磁环前面的空隙的大小由开口尺寸和防护套的厚度决定；后面空隙的尺寸取决于霍尔器件的厚度；一个霍尔元件被安装在后面的空隙中，导磁环引导被测导线中的电流产生的磁场通过霍尔元件。导磁环的截面面积并不是处处相等，通过特别增加前面开口处突出部的导磁材料面向空隙的端面的面积，可以大大减小前面开口空隙处的磁阻。霍尔元件连接在测量仪器的电路中，它的输出经放大处理后可以驱动指针仪表，或经过模拟数字转换以数字结果的形式把测得的电流值指示出来。

本发明提供一种不需接入到电路中的电流测量仪器，在绝缘防护套内的电流检测部分，其铁心形成的导磁环具有两个开口空隙，而且导磁环的截面面积并不是处处相等。其中一个空隙位于被测量的导线进入测量区域的开口，使导磁材料位于此空隙两边的突出部的端面的面积比其它大部分部位的截面积要大很多，以达到减小这个空隙处的磁阻的目的；另一个空隙用于安装霍尔元件。

本发明与现有技术相比，具有在相同的开口尺寸下，整个导磁磁路会有更低的磁阻，因而可以有更高的测量灵敏度和测量准确度，也有更好的抗干扰能力。

本发明与现有技术相比，还由于开口造成的磁阻可以采用加大开口处突出部端面面积的方法有效减小，因此可以在保证预定准确度的情况下，更可靠地制造不同的或更大固定开口尺寸的电流测量仪器。

附图说明

图1表示按照本发明实施的，在绝缘防护套内安装铁心导磁环及霍尔元件的电流信号检测部分的示意图；

图2表示现有的技术的电流信号检测部分的示意图，用于与本发明对照；

图3表示空隙部分磁力线流通的示意图；

图4表示一种按照本发明实施的电流测量仪器的方框图。

具体实施方式

下面参考附图进一步详细描述本发明的一种电流测量仪器的实施例。

图1表示按照本发明实施的，在绝缘防护套内安装铁心导磁环及霍尔元件的电流信号检测部分结构的示意图，它包括：一个由绝缘材料(例如塑料ABS)制成绝缘防护套1，它形成一个在上部开口的U形结构；由软磁材料构成的铁心3，它由左右两部分3A和3B构成，在上下部各形成一个空隙；霍尔元件2，安放在铁心下部的空隙内。铁心和霍尔元件被绝缘防护套1所完全包裹，不会与被测对象直接接触，也就是说它们与被测对象之间是绝缘的。

在图1中，4代表被测对象——带电导线，可以通过绝缘防护套1形成的固定大小的U形开口自由进入或退出，在测量时它被安放到U形开口的底部附近的测量区域。

在图1中，特别使铁心在U形开口的上部的突出部具有相当长的长度，使其两个突出部面向中间的端面具有较大的面积，也就是说，在这空隙两边形成与导磁铁心其余部分截面面积不一样的端面面积，目的是通过增大面积来减小此处空隙的磁阻。也可以用加厚这部分的导磁材料的方法来增大端面面积。

在图1中，靠近霍尔器件两边的铁心截面可以适当减小，使磁通量汇聚到霍尔元件上。霍尔元件所在的空隙大小取决于所用霍尔元件的厚度。铁心使霍尔元件离开U形开口的底部一段距离，以减小被测导线在U形开口中不同位置的影响。

由于图1中在铁心前部不需要安装其它零部件，因此可以把绝缘防护套直接注塑成一个完整的套，铁心在安装时采用插入的方式就可以准确地安装在绝缘防护套内预定的位置。

作为对比说明参考用，画出了用现有技术构成的固定开口的电流测量仪器，其电流信号检测部分结构的大致示意图见图2，它包括：一个由绝缘材料制成的绝缘防护套1，它形成一个在上部开口的U形结构；由软磁材料构成的U形铁心3，它是一个整体；两个霍尔元件2A和2B安放在铁心上部的空隙内，靠近霍尔元件的铁心突出部的端面积必需与霍尔元件的大小相适应，以使磁通量汇聚到霍尔元件上。它不可能如同本发明那样加大开口处突出部的端面面积，因为这会使通过霍尔元件的磁通量减小，反而降低测量的灵敏度。

在图3中，形象地画出了按现有技术和按本发明的实施例中各自在开口空隙中磁力线通过的情况。其中图3(a)是按现有技术的实施例，图3(b)是按本发明的实施例。显然由于开口处突出部的端面面积不同，磁力线集中通过的空间是不同的，可以形象地说明在铁心U形开口的上部开口产生的磁阻会有很大的不同。

显然本发明与现有技术相比，在相同的开口尺寸下(例如图1和2中所示的10mm)，整个导磁磁路会有更低的磁阻，因而可以有更高的测量灵敏度和测量准确度，也有更好的抗干扰能力。我们通过对磁路作理论上的近似分析来做进一步的说明：

根据磁学原理，如果有一个截面积为S，平均周长为L，磁导率为μ的软磁铁心园磁环，磁环上绕有N匝线圈，有一电流I通过，则园磁环内的磁场H为

$H=\frac{\mathrm{NI}}{L}---\left(1\right)$

磁场H的方向与环的轴线平行。在无漏磁的情况下，穿过环的截面的磁通量Φ为

Φ＝BS    (2)

B为磁环内的磁感应强度，B＝μH，即

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{BS}=\mathrm{\μS}\frac{\mathrm{NI}}{L}=\mathrm{NI}\÷\left(\frac{L}{\mathrm{\μS}}\right)---\left(3\right)$

也即 $\mathrm{\Φ}=\mathrm{NI}\÷\left(\frac{L}{\mathrm{\μS}}\right)---\left(4\right)$

如果与电路的欧姆定律对应，磁通量相当于电路中的电流，磁动势NI相当于电路中的电压，而相当于电路中的电阻而被称为磁阻，记为Rm。

而如果在磁导率为μ₁，长为L₁的环型线圈铁心中有一长度为L₀磁导率为μ₀的空气隙，则假设在系统没有漏磁通的情况下

$\mathrm{NI}=\mathrm{\Φ}(\frac{L_1}{{\mathrm{\μ}}_1{S}_1}+\frac{L_0}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_0})---\left(5\right)$

式中S₁，S₀分别为铁心的截面积和空隙的截面积。

如果存在第二个长度为L₀₁，面积为S₀₁的空隙，式(5)可以推广为

$\mathrm{NI}=\mathrm{\Φ}(\frac{L_1}{{\mathrm{\μ}}_1{S}_1}+\frac{L_0}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_0}+\frac{L_{01}}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{01}})---\left(6\right)$

以上的公式在铁心不是园环的情况下和存在着漏磁的情况下，不能完全使用于对磁路做精确的定量分析。但在磁路形状基本相同的情况下，进行比较分析还是有用的。

以附图1和2为例，在开口为10mm的情况下，由于铁心环上的空隙相当大，而在铁心中的磁导率μ₁要比空气隙磁导率μ₀高得多，从而整个磁路的磁阻主要是由空隙所造成。所以，如果能够减小空隙产生的磁阻，整个磁路的磁阻将会明显下降，也意味着在测量同一个电流的情况下，霍尔元件可以有更大的信号输出，不但提高了灵敏度，也提高了信噪比和抗干扰能力。

在图1和图2中，为了使磁通量汇聚通过霍尔元件的平面以感测磁场的变化，必需使在霍尔元件两边磁路的截面减小到与霍尔元件尺寸相配合，在通常情况下霍尔元件的面积在2mm²以下，因此在图1和图2中霍尔元件两边的铁心端面是不能过大的。

在图1和图2的实例中，由绝缘防护套形成的固定开口宽度都为10mm，也就是说可以测量直径最大为10mm的导线中的电流。但是由于图2实例中的霍尔元件是放在U形铁心的前端，霍尔元件的供电引线和信号输出引线必须从霍尔元件引到后面的电源和信号处理电路，造成了结构上的复杂性，从而使绝缘防护套必须变成底和盖两部分，在安装好铁心、霍尔元件和引线后才能把底和盖两部分用超声波压合在一起。为了达到一定的安全标准假如要求绝缘层的厚度不小于1mm，则用超声波压合时压合部的厚度最少也不可能少于1.5mm，而且不能非常可靠地保证压合后绝缘厚度处处不少于1mm。而在图1的实施例中，由于可以把绝缘材料先用注塑的方式做成一个套，安装时可以很简单地把铁心插入套内，而霍尔元件则可以直接安装在后面电源和信号处理电路所在的印刷线路板上。因此，图1的实施例中U形开口两侧的绝缘套的厚度可以很容易很可靠地控制在1mm的厚度。

因此，如果霍尔元件要求1mm的安装空间，在图1的实施例中，在开口为10mm时铁心前端的开口距离约为12mm；后端的开口距离约为1mm。而在图2的实施例中，在开口为10mm时铁心前端的开口距离约为10+2×1+2×1.5＝15mm。

我们来比较两个实施例由空隙造成的磁阻：

在图1实施例中，设霍尔元件两侧铁心端面的面积都是S₀，两端面间的距离为L₀＝1mm；铁心U形开口前端两内侧端面的面积为S₀₁＝kS₀，也就是说前端空隙处铁心突出部两内侧端面的面积是霍尔元件两侧铁心端面的面积的k倍，已知两端面间的距离为L₀₁＝12mm。则根据公式(6)这两空隙造成的磁阻为：

$\mathrm{Rm}1=\frac{L_0}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_0}+\frac{L_{01}}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{01}}=\frac{L_0}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_0}+\frac{L_{01}}{{\mathrm{\μ}}_{0}k{S}_0}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_0}+\frac{12}{{\mathrm{\μ}}_{0}k{S}_0}---\left(7\right)$

在图2实施例中，霍尔元件两侧铁心端面的面积应该也都是S₀，两端面间的距离为L₀＝15mm。根据公式(6)这空隙造成的磁阻为：

$\mathrm{Rm}2=\frac{L_0}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_0}=\frac{15}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_0}---\left(8\right)$

求取两个磁阻的比值，以比较本发明与已有技术由空隙造成的磁阻的情况。把(7)式与(8)式相除：

$\frac{\mathrm{Rm}1}{\mathrm{Rm}2}=\frac{1+12/k}{15}---\left(9\right)$

由(9)式可知，当本发明的实施例图1中铁心U形开口前端空隙两内侧端面的面积越大，减小空隙磁阻的效果就越明显。例如取k＝6，则根据公式(9)两磁阻的比例为1/5，也就是说这时按本发明的实施例在同样开口宽度的情况下，空隙造成的磁阻被降低到了按已有技术构成的实施例的磁阻的1/5。而且只要需要，还可以通过增大k值，即增加铁心U形开口前端空隙两内侧端面的面积，进一步降低开口造成的磁阻。

当然如同上面所说，由于磁路计算的复杂性，这不是一个精确的结果。但它足以说明：本发明与现有技术相比，可以有效地降低开口空隙处的磁阻，从而使整个导磁磁路有更低的磁阻，因而可以有更高的测量灵敏度和测量准确度，也有更好的抗干扰能力。

本发明与现有技术相比，如上面已经提及的，由于可以把霍尔元件安装在磁路后部的空隙中，以至于可以直接安装在后面电源和信号处理电路所在的印刷线路板上，它的结构更简单，安装更方便，生产成本更低。而且由于霍尔元件的输出可以不用经过较长的传输引线直接到达信号处理电路，输出引线离开被测对象也较远，在现有技术中引线受电场干扰的影响可以大大减小，因而更提高抗电场干扰的能力。

本发明与现有技术相比，如上面已经提及的，由于可以把绝缘防护套直接注塑成一个完整的套，而不需要先分成两部分然后使用超声波压合，可以更容易地达到安全标准的要求。

本发明与现有技术相比，由于只使用一个霍尔元件，不但降低成本，而且使霍尔元件的功率消耗比现有技术降低一半，这在用电池供电的手持式测量仪器中是很重要的。

而且由于铁心和霍尔元件已经延伸到后面电源和信号处理电路所在的印刷线路板上，因此可以很方便地在测量电流时把铁心接通信号地，起到屏蔽的作用；而在需要有非接触电压感测功能(NCV)时，又可以把铁心与信号地的连接断开，把铁心连接到非接触电压感应测试电路的输入端，铁心可以成为交流电压感应的传感器。

显然，使用本发明制造的具有固定开口的电流测量仪器，其U形电流信号检测部分整个尺寸可以做得更紧凑，因而更可以在狭窄的空间中很好地使用，发挥具有固定开口的电流测量仪器的长处。

本发明与现有技术相比，由于开口造成的磁阻可以采用加大开口处突出部端面面积的方法有效减小，因此可以在保证预定准确度的情况下，更可靠地制造不同的或更大固定开口尺寸的电流测量仪器。

在图4中给出了一种按照本发明实施的电流测量仪器的方框图。它由A，B，C，D四个部分组成，其中A部件是按本发明的具有固定开口的电流测量仪器的电流信号检测部分；B部件是由运算放大器和快速模数转换器以及微处理器电路构成的模拟数字转换电路；C部件是显示器；D部件是非接触电压感测功能(NCV)电路。部件A的霍尔元件由部件B供电，并把被测量的电流转变为电压信号传输到部件B的运算放大器进行放大，运算放大器的输出送到快速模数转换器进行快速模拟数字转换，然后经微处理器运算处理，得出被测电流的真有效值，由于可以根据被测电流是否周期性地改变方向来判别是交流还是直流，因此它具有自动识别和显示交、直流电流的功能。部件C接受部件B的输出显示测量结果的数字值、单位符号和交流或直流的符号。在进行非接触电压感测时，部件D接受交流电压感应传感器的信号，在信号达到一定强度时，发出声光报警信号。

Claims (8)

1.一种电流测量仪器，包括一个具有固定的开口的绝缘材料制成的防护套和安装在防护套内部的用软磁材料构成的导磁环和霍尔元件，被测导线通过开口进入到开口底部的测量区域，被测导线中的电流在导磁环和霍尔元件内产生磁通，利用霍尔效应实现被测导线中的电流检测，其特征在于由软磁材料构成的两部分铁心在用绝缘材料制成的防护套内形成有前后两个空隙的铁心导磁环，所述铁心导磁环的前面空隙处突出部的导磁材料的面向空隙的端面面积被特别增大。

2.根据权利要求1所述的电流测量仪器，其特征在于所述的防护套构成的测量区域处于所述铁心导磁环两个空隙间的一个位置上，所述铁心导磁环前空隙是由所述防护套的开口决定。

3.根据权利要求2所述的电流测量仪器，其特征在于所述防护套的开口为10mm时，所述铁心导磁环前空隙的开口距离约为12mm；后空隙的开口距离约为1mm。

4.根据权利要求3所述的电流测量仪器，其特征在于所述铁心导磁环的后空隙中，安装一霍尔元件，利用霍尔效应实现具有固定开口的非接触的电流测量仪器的电流信号的检测。

5.根据权利要求4所述的电流测量仪器，其特征在于所述霍尔元件所在的空隙大小取决于所述霍尔元件的厚度，铁心导磁环使所述霍尔元件离开U形开口的底部一段距离。

6.根据权利要求4所述的电流测量仪器，其特征在于所述霍尔元件只用一个安装在铁心导磁环后空隙中实现检测。

7.根据权利要求1所述的电流测量仪器，其特征在于所述铁心导磁环由两部份软磁材料构成，用插入方式安装进用绝缘材料制成的防护套内。

8.根据权利要求7所述的电流测量仪器，其特征在于所述铁心导磁环组成的两部份铁心，被用作屏蔽或非接触电压感测的电压感测传感器。

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