JP2014016347A - 電流を測定するための電流変換器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電流変換器は、ケーブル45を囲む少なくとも2つの強磁性コア46、47を有するヘッド40を備え、強磁性コア46、47がエアギャップG1、G2を有し、エアギャップG1、G2内にホール素子1、28が配置され、強磁性コア46、47が互いにほぼ平行に位置決めされ、軸50に沿って互いに所定の距離だけ間隔を置かれ、互いに対して軸50の周りに所定の回転角だけ回転させられ、エアギャップG1、G2が異なる角度に位置する。
【選択図】図23
Description
−1nTまでまたはそれ以下での非常に高い直流および低周波交流の磁気分解能;
−特定の場所での磁界、または2つの場所での磁界の差を測定する能力;
−1mmまでまたはそれ以下の、変換器(さらに磁気センサと呼ばれる)の非常に小さな寸法の磁界に高感度な部分(その結果、センサが強磁性コアのエアギャップの中に合う、またはエアギャップに近接することができ、ギャップは1mmのオーダである)。
−100μAまでまたは1μAのオーダまでもの直流および交流の非常に弱い電流を測定することができ、
−妨害する磁界、特に電流を伝える他のケーブルにより作り出される妨害する磁界に対して高い耐性を有し
−囲まれた、電流を伝えるケーブルの位置に対して感度が低い
電流変換器を開発することである。
磁界センサに結合した変圧器、
変圧器に結合した完全差動前置増幅器、
前置増幅器に結合した位相検波器、および
磁界センサを動作させて、交流出力信号を提供するように構成された論理ブロック
をさらに備えてもよい。
電子回路を備える磁気変換器に関し、電子回路が、
供給電流を提供する電流源、
2つの入力端子および2つの出力端子を備える変圧器、
2つの入力端子および2つの出力端子を備え、2つの入力端子が変圧器の前記2つの出力端子に結合した完全差動前置増幅器、
前置増幅器の出力端子に結合した2つの入力端子を備え、直流出力電圧を提供する位相検波器、および
磁界センサを動作させて、交流出力電圧を提供するように構成された論理ブロック
を備え、
磁界センサが、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ4つの端子を備えるホール素子であり、論理ブロックが、所定のスピニングカレント方式に従って、ホール素子を電流源に、および変圧器の入力端子に結合させる回路を備える、または
磁界センサが、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ4つの端子、および出力電圧の極性を変えるセットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ2つの端子を備えるAMRセンサであり、供給電流を受け取るのに役立つ端子が電流源に結合され、出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の入力端子に結合され、セットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ端子が論理ブロックに結合され、論理ブロックが、所定の周波数に従ってセットおよびリセット電流パルスを与える回路を備える、または
磁界センサが、励磁電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ4つの端子を備えるフラックスゲートセンサであり、励磁電流を受け取るのに役立つ端子が電流源に結合され、出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の入力端子に結合され、論理ブロックが、電流源を制御して、所定の周波数を有する交流電流として供給電流を提供する回路を備える。
第1の磁界センサおよび第2の磁界センサ、ならびに
電子回路を備える磁気変換器に関し、電子回路が、
第1の供給電流を提供する第1の電流源、
第2の供給電流を提供する第2の電流源、
少なくとも1つのコア、2つの一次巻線および少なくとも1つの二次巻線を備える変圧器、
2つの入力端子および2つの出力端子を備え、2つの入力端子が変圧器の少なくとも1つの二次巻線の2つの出力端子に結合した完全差動前置増幅器、
前置増幅器の出力端子に結合した2つの入力端子を備え、直流出力電圧を提供する位相検波器、および
磁界センサを動作させて、交流出力電圧を提供するように構成された論理ブロック
を備え、
第1の磁界センサおよび第2の磁界センサがそれぞれ、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ4つの端子を備えるホール素子であり、論理ブロックが、所定のスピニングカレント方式に従って、第1のホール素子を第1の電流源に、および変圧器の第1の一次巻線に結合させ、かつ所定のスピニングカレント方式に従って、第2のホール素子を第2の電流源に、および変圧器の第2の一次巻線に結合させる回路を備える、または
第1の磁界センサおよび第2の磁界センサがそれぞれ、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ4つの端子、および出力電圧の極性を変えるセットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ2つの端子を備えるAMRセンサであり、第1のAMRセンサの供給電流を受け取るのに役立つ端子が第1の電流源に結合され、第1のAMRセンサの出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の第1の一次巻線に結合され、第2のAMRセンサの供給電流を受け取るのに役立つ端子が第2の電流源に結合され、第2のAMRセンサの出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の第2の一次巻線に結合され、第1および第2のAMRセンサのセットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ端子が論理ブロックに結合され、論理ブロックが、所定の周波数に従ってセットおよびリセット電流パルスを与える回路を備える、または
第1の磁界センサおよび第2の磁界センサがそれぞれ、励磁電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ4つの端子を備えるフラックスゲートセンサであり、第1のフラックスゲートセンサの励磁電流を受け取るのに役立つ端子が第1の電流源に結合され、第1のフラックスゲートセンサの出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の第1の一次巻線に結合され、第2のフラックスゲートセンサの励磁電流を受け取るのに役立つ端子が第2の電流源に結合され、第2のフラックスゲートセンサの出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の第2の一次巻線に結合され、論理ブロックが、電流源を制御して、所定の周波数を有する交流電流として供給電流を提供する回路を備える。
−論理ブロック5(図1)のスイッチ7(図4〜図7)の状態変化を起動する(クロック発生器27から得られる)内部クロック信号、
−4つの位相が動作状態にある時間(換言すれば、各位相が活動状態にある位相である時間)、および
−最後の2つの図が、オフセット電圧Voffsetと呼ばれる、ホール素子の出力信号の直流成分、およびホール電圧Vhallと呼ばれる、ホール素子の出力信号の交流成分を示す。
この場合、4つの位相のシーケンスが、最小限のスイッチが、一方の位相から次の位相に遷移するときにスイッチの状態を変えなければならないように選ばれ、その結果、ホール電圧Vhallの周波数がクロック信号の半分の周波数となる。
Bpar≒Dext 2/(a×b)×(gp/g1)×Bext
ここで、Dextはコア46の外径を示し、aおよびbはコア46の矩形断面の寸法であり、g1およびgpは、それぞれエアギャップG1およびGpの厚さである。Dext 2/(a×b)の項は、コア46の中へ外部磁束が集中する効果に起因する。この項は、さらに磁気集中(magnetoconcentration)効果と呼ばれる。(gp/g1)の項は、2つのエアギャップG1およびGpの間の集中した磁束の分担率(sharing ratio)を表す。
−強磁性部品53の形が文字Cのように見える。これは、外部磁界Bextにより生じた外部磁束Φextが、エアギャップのない(図19では左側である)磁気コア46の側面に向けられるという結果をもたらす。言い換えると、部品53がホール素子1を外部磁界Bextから遮蔽する;C字型部品53を備えるこのようなコアには自己遮蔽効果がある。
−2つの部品54および55を互いに固定して接続することができるが(図示されていない非磁気的手段による)、エアギャップG1が部品54および55の間に形成され、磁界センサがエアギャップG1内に配置される。この解決策により、エアギャップG1の幅が、常に同一のままであり、したがって、ヘッドが再度組み立てられたときにどのような機械的整列誤差とも無関係であるように、エアギャップG1以外の場所でヘッドを2つの部分に分解することが可能になる。
−部品53および54の間、ならびに部品53および55の間の接触面にそれぞれある2つの寄生エアギャップGp1およびGp2の領域が、図19に示される場合よりはるかに大きいことが好ましい。このことはまた、クランプオン動作のよりよい再現性をもたらす。
−部品53の円弧が半円よりも長くない場合、コア46のクランプオンの隙間が、コア46の内径と同じ大きさである隙間の最大値に達する。
−いくつかの手段が、これらの手段の中でも、特に、ヘッド当たり2つのホール素子またはAMRもしくはフラックスゲートもしくは磁気インピーダンスセンサを備える2つの強磁性コアの使用、完全差動動作のための電子回路の設計、等しいサイズではあるが接地に対して反対符号の電圧として磁界センサの端子に出力電圧を提供する磁界センサバイアス法、磁界センサおよび前置増幅器の間の変圧器結合が、コモンモード信号の相殺に寄与する。
−磁界センサの電圧端子を前置増幅器に変圧器で結合することにより、電子回路が、磁界センサの抵抗の熱雑音に非常に近い等価入力雑音を達成することができるようになる。
−電子回路が完全差動モードで動作する。各電流計の動作が、差動増幅器の動作に類似し、この場合、有用な磁界が差動電圧に対応し、外部磁界が、求められている磁界を外部磁界から効果的に分離することができるようになるコモンモード電圧に対応する。
−2つ以上の強磁性コアを使用することにより、外部磁界の影響が著しく低減され、したがって、電流変換器の感度が高まる。
2、29 電流源
3、3a、3b、30 変圧器
4 前置増幅器
5、5a、5c 論理ブロック
6、6a、6b 位相検波器
7 電子スイッチ
8、9 増幅器
13、16、17、18 演算増幅器
14 トランジスタ
15、17、18、22、23 抵抗器
19、19a、19d、31 AMRセンサ
20 P−MOSFET
21 N−MOSFET
24、25 コンデンサ
26 セット/リセットストラップ
27 クロック発生器
32、33 フラックスゲートセンサ
34 電圧計
40 ヘッド
45 ケーブル
46、47、48、49 強磁性コア
50 軸
51 磁力線
コイル 52
53、54、54a、54b、55 強磁性部品
57.1〜57.4 磁界センサ
G1、G1a、G1b、G2、G3、G4、 エアギャップ
Gp、G1p、G2p、G3p、G4p 寄生エアギャップ
Claims (11)
- ケーブル(45)を通って流れる電流を測定するための電流変換器であって、前記ケーブル(45)を囲む少なくとも2つの強磁性コア(46、47、48、49)を備えるヘッド(40)を備え、各前記コア(46、47、48、49)がエアギャップ(G1、G2、G3、G4)を有し、磁界センサ(57)が前記エアギャップに配置され、前記強磁性コア(46、47、48、49)が互いにほぼ平行に位置決めされ、軸(50)に沿って互いに所定の距離だけ間隔を置かれ、互いに対して前記軸(50)の周りに所定の回転角だけ回転させられ、その結果、前記強磁性コア(46、47、48、49)の前記エアギャップ(G1、G2)が異なる角度に位置する電流変換器。
- 前記ヘッド(40)の前記強磁性コア(46、47)の数が2つであり、前記所定の回転角がほぼ180°であり、その結果、前記2つの強磁性コア(46、47)の前記エアギャップ(G1、G2)が、前記軸(50)に対して直径方向に反対側に位置する、請求項1に記載の電流変換器。
- 前記ヘッド(40)の前記強磁性コア(46、47、48、49)の数が4つであり、前記所定の回転角がほぼ90°であり、その結果、前記4つの強磁性コア(46、47、48、49)の前記エアギャップ(G1、G2、G3、G4)が、ほぼ90°の角度で相互に回転させられる、請求項1に記載の電流変換器。
- 各前記強磁性コア(46、47、48、49)が少なくとも2つの部品からなり、その結果、前記ケーブルを切断することなく前記ケーブル(45)の周りに前記強磁性コアを組み立てることができる、請求項1〜3のうちいずれか一項に記載の電流変換器。
- 前記磁界センサが、前記強磁性コア(46、47、48、49)の前記エアギャップ(G1、G2、G3、G4)の内部または近傍に配置されるホールデバイス(1、28)である、請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の電流変換器。
- 前記磁界センサが、前記強磁性コア(46、47)の前記エアギャップ(G1、G2)の近傍または内部に配置される磁気抵抗センサ(19、31)である、請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の電流変換器。
- 前記磁界センサに結合した変圧器(3)、
前記変圧器(3)に結合した完全差動前置増幅器(4)、
前記前置増幅器(4)に結合した位相検波器(6)、および
前記磁界センサを動作させて、交流出力信号を提供するように構成された論理ブロック(5)
をさらに備える、請求項1〜6のうちいずれか一項に記載の電流変換器。 - 2つの入力端子および2つの出力端子を備える変圧器(3)、
2つの入力端子および2つの出力端子を備え、前記2つの入力端子が前記変圧器(3)の前記2つの出力端子に結合した完全差動前置増幅器(4)、
前記前置増幅器(4)の前記出力端子に結合した2つの入力端子を備え、直流出力電圧を提供する位相検波器(6)、ならびに
前記磁界センサを動作させて、交流出力電圧を提供するように構成された論理ブロック(5、5a)をさらに備え、
各前記磁界センサが、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ4つの端子を備えるホール素子(1)であり、前記論理ブロック(5)が、所定のスピニングカレント方式に従って、前記ホール素子(1)を電流源(2)に、および前記変圧器(3)の前記入力端子に結合させる回路を備える、または
各前記磁界センサが、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ4つの端子、および前記出力電圧の極性を変えるセットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ2つの端子を備えるAMRセンサ(19)であり、供給電流を受け取るのに役立つ前記端子が電流源(2)に結合され、出力電圧を与えるのに役立つ前記端子が、前記変圧器(3)の前記入力端子に結合され、セットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ前記端子が前記論理ブロック(5)に結合され、前記論理ブロック(5)が、所定の周波数に従ってセットおよびリセット電流パルスを与えるための回路を備える、または
各前記磁界センサが、励磁電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ4つの端子を備えるフラックスゲートセンサであり、前記励磁電流を受け取るのに役立つ前記端子が電流源(2)に結合され、出力電圧を与えるのに役立つ前記端子が前記変圧器(3)の前記入力端子に結合され、前記論理ブロック(5c)が、前記電流源(2)を制御して、所定の周波数を有する交流電流として前記供給電流を提供する回路を備える、
請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の電流変換器。 - 前記強磁性コア(46;47)の周りに巻かれた1つまたは複数のコイル(52)、および前記1つまたは複数のコイル(52)を通して電流を一時的に供給し、かつ前記強磁性コア(46;47)を消磁するように構成された電子回路をさらに備える、請求項1〜8のうちいずれか一項に記載の電流変換器。
- 別個のコイルが各前記強磁性コアの周りに巻かれ、前記電流変換器が、前記磁界センサの各々を閉ループモードで動作させるために、前記コイル(52)の各々を通して別個の電流を供給するように構成された電子回路をさらに備える、請求項9に記載の電流変換器。
- 各前記強磁性コア(46;47)の周りに巻かれた別個のコイル(52)、および前記磁界センサの各々を閉ループモードで動作させるために、前記コイル(52)の各々を通して別個の電流を供給するように構成された電子回路をさらに備える、請求項1〜8のうちいずれか一項に記載の電流変換器。
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