CN2482694Y - 穿孔式直流小电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于测量、测试技术领域。确切说,本案涉及一种采用单个铁芯、且激磁信号与激磁绕组直接连接形成激磁信号源、铁芯和电路板密封为一体的穿孔式直流小电流传感器。以期实现高灵敏度、高稳定度、抗干扰能力强、结构简单、线路简捷、体积小重量轻、成本低廉的目的。用于实现对直流系统漏电流的监测,特别是针对高精密系统中微小电流的监测。该传感器包括封闭的单个铁芯,其上绕有振荡交流激磁线圈W1和反馈线圈W2。还包括以运算放大器为核心的监测部件,该监测部件包括振荡磁调制器(激磁信号源);有源滤波器;积分无差调节放大器等部件。

Description

穿孔式直流小电流传感器

技术领域：

本实用新型属于测量、测试技术领域。确切说，本案涉及一种直流穿孔式小电流传感器。

背景技术：

发电厂和变电站以及一切使用直流控制系统的工业企业，如电力、化工、电信、铁道等部门，对直流系统的安全运行要求十分严格。如果发生两点同时接地可能引起上述装置误动作，造成事故。实施监测直流系统对地漏电流状况，尤其是对直流系统对地漏电流中的微小电流的监测，对于避免事故的发生，就显得尤为重要。因此，将直流系统接地故障隐患提前消除，避免因两点同时接地所能带来的危害，以及如何及时准确地排除直流系统接地故障，是长期以来人们急需解决的问题。

近年来，在直流母线上加一低频信号源的方法因给直流系统安全稳定运行带来了不稳定因素，已经很少被使用。在前专利申请(申请号为95106128.3)曾公开了一种采用直流传感器监测系统漏电流的在线巡回监测装置，该装置包括直流传感器，专用交流激磁信号源，以及显示等部分。直流传感器是两个结构尺寸相同、磁特性一致的铁芯C1、C2。在每个铁芯上分别绕有交流激磁绕组，并使其中一个铁芯上的直流信号与磁通方向一致，而另一个铁芯上的直流信号与磁通方向相反。当有直流漏电流时，利用两个铁芯中磁通不相等的原理监测电压的偶次谐波分量。上述装置中所用的交流激磁信号源是一个独立专用部件。是由震荡电路、分频电路、开关控制电路、功放电路等组成。并通过一特定的交流互感器(PT)提供激励信号。在前专利申请存在下述不足：1.由于采用双铁芯，增加了产品体积。并且，由于工艺所限，大批量生产时很难保证两个铁芯特性完全一致，从而难以实现高精度的监测。2.交流激磁信号源是为该监测系统专门设置的方波振荡器，不但线路复杂，可靠性不稳定，并且必须通过交流互感器才能为激磁线圈提供激励信号。一般直流在线监测是要配备多个直流传感器。因此，该交流激磁信号源是供给多个直流传感器工作的，一但发生故障，会影响多个传感器工作。造成整个系统的瘫痪。3.由于构造复杂，线路繁琐，成本自然提高，不宜广泛推广应用。

为克服现有技术存在的不足，特提出本实用新型。

发明内容：

本实用新型的目的在于：提供一种采用封闭式单个铁芯、且激磁信号与激磁绕组直接连接形成激磁信号源，铁芯和电路板密封为一体，形成穿孔式直流小电流传感器。各支路所述的传感器相互独立供电。以实现高灵敏度、高稳定度、抗干扰能力强、结构简单、线路简捷、体积小重量轻、成本低廉的目的。用于实现对直流系统漏电流的监测，特别是针对高精密系统中微小电流的监测。

为实现上述目的，本实用新型利用磁调制和磁平衡相结合原理，设计出穿孔式直流小电流传感器。以实现对直流在线系统漏电流的监测。特别是针对高精密系统中微小电流的监测。所述的传感器采用新颖的电路设计，选用优良的元材料，电路板采用SMT贴片焊接加工工艺。上述严格的工艺确保了本实用新型目的的实现。

本实用新型具体技术方案如下：本实用新型其结构包括封闭单个铁芯T，并将所述的传感器设计为穿孔式的，被测电流导线从所述的传感器绝缘孔穿过，还包括以运算放大器为核心的监测部件，所述的监测部件包括振荡磁调制器(激磁信号源)，该振荡磁调制器是由运算放大器A1与激磁线圈W1直接连接形成，振荡磁调制器输出端连接有源滤波器，有源滤波器输出端连接积分无差调节放大器，积分无差调节放大器输出端连接反馈线圈W2的G点，反馈线圈W2的H点通过通过电阻R0接地。上述的被测电流导线与所述的传感器全部电路之间没有电的联系。在输入电流导线为单匝情况下应用时，已有足够的分辨率和灵敏度。倘若增加输入电流导线的匝数，灵敏度成比例增加。以实现对直流微小电流的监测。该封闭铁芯可以做成环形，也可以做成矩形。所述的铁芯材料采用具有高导磁系数、低矫顽力的坡莫合金薄带制成。其上绕有振荡交流激磁线圈W1和反馈线圈W2。线圈采用高强度漆包线绕制，两线圈之间采用坡莫合金材料N作屏蔽层。其作用在于屏蔽外磁场对铁芯的影响，同时增加铁芯的电感量，用以减少对反馈线圈电流的冲击。所述的振荡磁调制器是由运算放大器A1与交流激磁线圈W1直接连接组成，共同构成交流振荡激磁信号源。其中，运算放大器A1的反相端连接激磁线圈W1的E端，并通过电阻R2接地。运算放大器A1的同相端通过电阻R1接地，并通过电阻R3与运算放大器A1的输出端连接，同时连接激磁线圈W1的F端。有源滤波器是由运算放大器A2与A3组成。其中，运算放大器A2的同相端接地，反相端通过电容C2、电阻R4与运算放大器A1的输出端连接：并通过电阻R5与R6与运算放大器A2的输出端相连，同时通过电容C1与R4、C2的结点与运算放大器A3的同相端连接。运算放大器A3的反相端与运算放大器A3的输出端、电阻R7连接。积分无差调节放大器是由运算放大器A4组成，通过电阻R7的另一端与运算放大器A4的反相端连接，同时通过电容C3与运算放大器A4的输出端和反馈线圈W2中的G点连接，反馈线圈W2中的H点通过电阻R0接地。运算放大器A4同相端接地。运算放大器A4的反相端通过电阻R8与电位器的活动端RP连接。输出端作为与被测直流小电流成线性关系的电压输出。上述铁芯线圈和电路板通过灌封环氧树脂将铁芯线圈、电路板和塑料外壳封装在一起，使其绝缘性能高，防潮能力强，外形美观。如图3所示。其中内孔尺寸及形状(圆形或矩形)可根据客户的需求而予以系列化。

本实用新型与现有技术相比，可产生如下积极效果：

1.由于采用单个铁芯，工艺简单，易于实现。

2.由于选择运算放大器作为监测部件，并将振荡磁调制器与交流激磁线圈W1直接连接，省略了交流互感器。致使线路简洁，大大减少故障的发生。

3.本实用新型由于增加了反馈线圈，平衡了外直流电流产生的磁场，使铁芯不致于因外电流过大而饱和。从而提高了灵敏度和线性度。本实用新型的分辩率可达1μA，线性度＜1％。而且铁芯截面也可以小一些，节约了原材料。、

4.本实用新型由于将铁芯和电路板密封为一体，所述的传感器各支路是相互独立的，一但线路出现故障，也仅仅是一个支路问题，不会影响整个系统的监测。给维护与维修带来极大便利。

5.本实用新型由于上述措施的实施，致使产品价格低廉。便于推广应用。

附图说明：

现结合附图及实施例，进一步阐述本实用新型工作原理：

图1为本实用新型原理方框图。

图2为本实用新型原理线路图。

图3为本实用新型外形图。

图4为本实用新型置于被测系统中的现场应用原理图。其中“多路选择器”等虚线部分是整个被测系统中的外设部分。不在本实用新型保护之列。

具体实施方式：

参见图1：本实用新型是利用磁调制和磁平衡调节系统有机结合的原理而进行对直流小电流进行测试的。运算放大器A1与交流激磁线圈W1组成的磁振荡调制器是一个能产生方波信号的激磁振荡源。在具有直流偏移磁势和不具有直流偏移磁势的两种情况下，交流激磁线圈W1中方波波形将不同。当有直流偏移磁势的情况下，通过有源滤波器，滤出与直流偏移磁势大小和方向有关的电压信号，经积分无差调节放大器进行处理，经反馈线圈W2组成磁平衡调节系统，从而获得被测的直流小电流(既系统中的漏电流)与输出电压信号大小和方向成线性比例关系的电信号。从而实现对直流小电流的检测。

参见图2：图2是本实用新型原理线路图。由运算放大器A1与电阻R1、R2、R3及线圈W1组成方波振荡器。当没有外加直流磁场时(直流母线没有接地，此时无漏电流产生。)，运算放大器A1输出对称的方波信号，经运算放大器A2与电容C1、C2、C0和电阻R4、R5、R6组成的快速响应有源滤波器滤波、运算放大器A3的输出直流电压为零。当有外加直流电流I时(直流母线接地，此时有漏电流产生。)，外加直流磁场使运算放大器A1输出的方波不对称。此时，运算放大器A3输出直流电压信号的大小及方向正比于外加直流电流(漏电流)的大小和方向。运算放大器A4与电容C3和电阻R7组成的积分无差调节放大器，经运算放大器A4输出到反馈线圈W2中的反向电流I2产生的磁势与外加直流电流产生的磁势相平衡。因而，外加直流电流的大小及方向正比于直流电压信号的大小及方向。由于外加直流电流产生的磁势与反馈线圈W2中的反向电流I2产生的磁势相平衡，则铁芯中的合成磁势趋于零。为此，不但铁芯截面积可以做的很小。(这对于减小传感器的体积具有很大意义。)而且使传感器线性度得以提高，温度性能好，且有很高的响应速度。电位器RP与电阻R8起零点调整作用。

参见图3：图3是本实用新型外形图。以用户要求可以做成被测电流导线直接从绝缘孔穿过，也可以与特定的端子连接。

参见图4：图4是本实用新型置于被测系统中的现场应用原理图。穿孔式直流小电流传感器1...传感器n被接于直流系统中的任一馈电支路，从电源正端流出的电流为I₊，流经全部支路负载后反回电流负端支路电流为I_-，当该支路没有漏电流时穿过传感器的电流大小相等，方向相反。I₊和I_-产生的磁场相互抵消。传感器输出电压为零。当该支路有接地情况发生时，假设正电源端通过电阻Rr接地，此时，I_+-I_{_}＝Ir，假设负电源端通过电阻Rr接地，此时，I_+-I_-＝_-Ir。这时，传感器输出一个反映该差值Ir大小方向的信号。该信号通过多路选择器、A/D转换器后，送到微机控制器，进行判断。根据信号的方向可以确定馈线支路的接地极性。故障显示可以设置在现场(传感器安置处)，也可以设置在中央巡检装置中。根据直流母线电压及平衡支路阻值以及Ir的大小，可以计算出该支路的电阻值为Rr＝1/2(U/Ir-Rg)。其中，Rr为支路电阻，Rg为平衡支路接地电阻，U为直流母线电压，Ir为漏电流。

本实用新型用于现场监测时，对被测电流的测量可以是实在的测量一根导线的小电流(毫安、微安级)。用户可以将被测电流导线直接从绝缘孔穿过(如图1及图2带箭头黑线所示)。也可以是二根馈电支线中正反向电流的差值电流。二根馈电支线间是负载(如图4所示)，负载电流可以是安培或数十安培。假如不存在漏电流时，两导线电流大小相等方向相反，其代数和为零，相当于传感器的输入电流等于零。当出现毫安、微安级漏电流时，例如正向电流为10.00安培，反向电流为9.99安培，既相当于传感器的输入电流为10微安。传感器将有足够的输出电信号用于监控系统。既警告该馈电支线出现了漏电故障。在另一实施例中本实用新型置于被测的中央监控系统中。特定的端子分别与直流母线，馈电支线连接。

本实用新型积分无差调节放大器输出量的形式，可以是电压比例型的(如0-5伏))；也可以是电流比例型的；(0-20毫安)；还可以是开关型的(如达到设定电流后，电平由低变高，或电平由高变低)。

Claims (9)

1、一种由封闭铁芯线圈，电子线路组成的穿孔式直流小电流传感器，其特征是：所述的传感器为穿孔式的，被测电流导线从所述的传感器绝缘孔穿过，该传感器包括单个铁芯，其上绕有振荡交流激磁线圈W1和反馈线圈W2，还包括以运算放大器为核心的监测部件，该监测部件包括振荡磁调制器(激磁信号源)，该振荡磁调制器是由运算放大器A1与激磁线圈W1直接连接而形成，振荡磁调制器输出端连接有源滤波器，有源滤波器输出端连接积分无差调节放大器，积分无差调节放大器输出端连接反馈线圈W2的G点，反馈线圈W2的H点通过通过电阻R0接地。

2、根据权利要求1所述的穿孔式直流小电流传感器，其特征是：所述的振荡磁调制器中的运算放大器A1反相端连接激磁线圈W1的E端，并通过电阻R2接地，运算放大器A1的同相端通过电阻R1接地，并通过电阻R3与运算放大器A1的输出端连接，同时连接激磁线圈W1的F端。

3、根据权利要求1所述的穿孔式直流小电流传感器，其特征是：所述的有源滤波器是由运算放大器A2与A3组成，其中，运算放大器A2的同相端接地，反相端通过电容C2、电阻R4与运算放大器A1的输出端连接，并通过电阻R5与R6与运算放大器A2的输出端连接，并通过电容C1与R4、C2的结点与运算放大器A3的同相端连接，运算放大器A3的反相端与运算放大器A3的输出端、电阻R7连接。

4、根据权利要求1所述的穿孔式直流小电流传感器，其特征是：所述的积分无差调节放大器是由运算放大器A4组成，电阻R7的另一端与运算放大器A4的反相端联接，同时通过电容C3与运算放大器A4的输出端和反馈线圈W2中的G点连接，反馈线圈W2中的H点通过电阻R0接地，运算放大器A4同相端接地，运算放大器A4的反相端通过电阻R8与电位器的活动端RP连接。

5、根据权利要求1所述的穿孔式直流小电流传感器，其特征是：所述的铁芯线圈和电路板通过灌封环氧树脂将铁芯线圈、电路板和塑料外壳封装在一起。

6、根据权利要求1所述的穿孔式直流小电流传感器，其特征是：所述的铁芯做成环形，或者做成矩形。

7、根据权利要求1所述的穿孔式直流小电流传感器，其特征是：所述的线圈采用高强度漆包线，两线圈之间采用坡莫合金材料作屏蔽层。

8、根据权利要求1所述的穿孔式直流小电流传感器，其特征是：被测的直流馈电支线穿入传感器的绝缘孔中，或者特定的端子分别与馈电支线连接。

9、根据权利要求1所述的穿孔式直流小电流传感器，其特征是：积分无差调节放大器输出量的形式，是电压比例型的(如0-5伏)，或者是电流比例型的(0-20毫安)，或者是开关型的(如达到设定电流后，电平由低变高，或电平由高变低)。

Images