TW504577B - Sensor for measure a direct current and a measure method - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 504577 A7 ----B7 "丨_ _丨.丨丨丨丨丨丨丨 _" 酬· 五、發明說明（1 ) 由DE 3 1 30 277 A1中已知一些測量直流電流用之感測 器，其使用一種有狹縫之軟磁性鐵心，在空氣狹縫中配置 一種霍爾感測器。待測量之電流導入一種導體中，此導體 設置在軟磁性鐵心之周圍以作爲繞組或經由此種除了氣隙以外 而成環形閉合之鐵心而延伸。 但這些感測器只能以複雜而昂貴之計算電路來製成，這 是因爲所測得之測定値與即將決定之測量値之間存在一種 非線性之相關性。此測量結果另外又與間隙大小及所使用 之霍爾（Ha 11)感測器有關，使習知之感測器亦須以較大之 準確性製成。 其它習知之電流感測器是由軟磁性環形鐵心所構成，藉 此可引導一種待測量之電流所用之導體。在鐵心周圍設一 測定繞組（二次繞組），其上施加一種交流電流。在DE 36 1 3 99 1 A1中已爲人所知之感測器中在接地繞組上測定電 壓，因此可形成時間上之導數（d e r i v a t i v e )且此導數之正 半波和負半波之期間可考用來計算此種待測量之直流電流 之大小和方向。在DE-OS 2300802中已爲人所知之直流電 流感測器中，該測定繞組是以可控之電流源來驅動，此電 流源產生一種線性上升或下降之泵電流，直至鐵心之磁性 飽和已達到爲止，這是在另一測定繞組中決定。泵電流之 時間上之平均値適合用作待測量之電流之値。由DE 22 2 8 8 6 7 B 2中已知一種直流感測器，其中在測定繞組中饋 入一種矩形之半波電流，須調整此種電流，使鐵心之週期 性磁通（flux)改變値保持定値。由DE 38 27 75 8 C2中已 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） . Μ,--------i— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) S— 504577 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2 ) 知一種感測器用來監視交流電流之電流強度。 本發明之目的是提供一種直流電流測量用之感測器，其 提供一種測量値，此種測量値在僅可能寬之電流値範圍中 具有一種對即將測量之電流強度儘可能是線性之關係，使 測量値在所需之整個測量範圍中是與即將測量之電流成比 例。 依據本發明，此目的藉由一種具有申請專利範圍第1項 特徵之感測器來達成。本發明之測量方法以及有利之形式 描述在其餘各項申請專利範圍中。 本發明之感測器具有一種軟磁性鐵心，其是以環形方式 閉合著或其構造須使鐵心內部形成一種閉合之磁場。在鐵 心周圍設置至少一種測定繞組，此測定繞組是與一種適合 測量此測定繞組上之阻抗及/或電感所用之元件相連接。 傳送此種待測量之電流所用之電流導體經由閉合之鐵心之 開口而延伸，使磁場可圍繞在導體周圍。 (傳統之）由軟磁性材料所構成之磁性閉合之鐵心具有一 種鐵心區，其橫切面之至少一部份或整個橫切面是由磁性 粉狀複合材料所形成。習知之具有軟磁性之材料是由母體 (matrix)(特別是聚合物母體）所構成，母體中埋入傳統之 由金屬或金屬氧化物所構成之微粒。其它材料，特別是無 機材料（例如，水泥）亦適用於此種母體中。粉狀複合材料 之磁性因此是由軟磁性微粒所決定，特別是由母體中微粒 之數目或密度所決定，或由微粒之大小及由軟磁性微粒之 材料選取所決定。此種母體只是一種可形成所需之機械牢 - 4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音心事項再填寫本頁) 裝 -----訂---- i 504577 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 固性所用之母體且須選取此種母體，使其在此感測器之可 允許之操作條件之範圍中保持穩定而不會對粉狀複合材料 之機械特性有不良之影響。 較佳之粉狀複合材料是鐵酸鹽聚合物合成物（Fe r r i t e Polymer Composite)，亦簡稱爲 FPC。 只有利用此種由FPC所構成之鐵心，本發明之感測器才 可具備所需之特性，以便在廣泛之電流範圍中可靠地決定 電流大小。這在本發明之感測器中是可能的，其是藉由阻 抗（Z)或電感（L)之測量値幾乎與即將測量之電流大小成線 性關係來達成。 反之，若使用一種鐵心作爲感測器，其完全由傳統之軟 磁性材料構成，則相對應之感測器只可用在一種較本發明 更有限之測量區中。 具有傳統式無間隙軟磁性鐵心之相對應之感測器在即將 測量之電流較小時此測量値Z或L顯示一種非線性之特 性。在較小之電流時，須注意各測量値之陡峭之下降。可 靠地設定此種待測量之電流之測量値只有在有限之測量區 中才有可能。 具有由間隙傳統式軟磁性材料所構成之鐵心之此種感測 器電流較小時其測夏値是疋値的且只有在電流較大時才顯 示一種非線性之下降現象。此處亦可得到一種下降之測量 區。 本發明之電流感測器（其具有由磁性粉狀複合材料（特別 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂---- #· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 504577 A7 B7 五、發明說明（4) (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 是FPC)所構成之鐵心區）可以有利之方式補償上述缺點， 其方式是此FPC鐵心之特性須與傳統軟磁性其餘鐵心之特 性疊加且因此而依據已疊加之DC-電流而在廣泛之測量區 中形成各測量値L和Z之線性特性。 本發明之感測器之其它優點是：此感測器可以簡易之方 式適應於各種不同之電流測量區，其方式是改變一些簡易 之參數，例如，鐵心形式，鐵心大小，材料選取和FPC成 份。在此種適應過程中測量値仍可與即將測量之直流電流 保持廣泛之線性關係。 相較於習知之有狹縫之軟磁性鐵心所構成之電流感測器 (其在狹縫中安裝霍爾感測器）而言，本發明之感測器由於 大很多之製造上之容許度（tolerance)而可較簡易地製 造。 測量阻抗Z或電感L所用之元件早已爲人所知且能以簡 易之組件構成。由於測量値Z，L相對於待測量之値I有 幾乎是線性之相關性，因此不須昂貴之計算電路，使相關 之計算電路不複雜而能以較少之費用製成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 若使待測量之直流電流疊加一種基準（basis)直流（DC) 電，則可由測量値改變來決定電流之極性。 本發明以下將依據實施例及4個圖式來詳述。圖式簡單 說明： 第1圖本發明之感測器，其具有環形之鐵心。 第2圖具有E-鐵心之感測器。 第3圖具有U-鐵心之感測器。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 504577 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5 ) 第4圖測量値L與測量値I之相關性之圖解。 第1圖是本發明之感測器之構造。軟磁性鐵心K以環形 方式而閉合著且具有至少一個鐵心區KB，其由FPC所構 成。此圖中顯示二個由FPC所構成之鐵心區KB。這樣所具 有之優點是可簡單地製成，因爲此二個相同之部份鐵心K1 和K2可形成在相對應之位置中且此二個部份鐵心K1和K2 之末端之間的間隙隨後以FPC塡入。電流導體SL經由鐵 心而延伸，即將測量之電流I流經此電流導體SL。一種環 繞此鐵心K之測定繞組MW用來測量此測量値Z或L。這些 値在計算單元AE中決定，此計算單元經由終端接觸區AK 而與該測定繞組MW相連接。計算單元AE含有一種習知之 電路以測量此測量値阻抗Z或電感L，其是在該測定繞組 MW之終端接觸區AK中測得。這些測量値例如可傳送至電 腦或選擇性地經由一個顯示器D而顯示出來。電流値I (其 表示此種待測定之測量値）亦可顯示在顯示器D上。 鐵心K之幾何形狀（此處以圓形簡易地表示）可任意地改 變。鐵心之橫切面亦可以是任意的，例如，其可以是圓形 ，卵形，矩形或多邊形或任意之形式。 此外，含有FPC成份之鐵心區KB在整個鐵心K上亦可 變化。在本發明之實施形式中整個鐵心K由FPC構成。 適當之FPC材料之成份例如描述在Siemens Matsushita Components Datenbuck "Ferrites and Accessoried" 1 999 on page 42。適當之 FPC 該處是以符 號C302，C3 50和C351表示。此種FPC成C351特別適用 -7- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^ ---^ - ------^--------I S (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 504577 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 於200°C範圍中操作之感測器，因爲此種FPC材料具有一 種相對應之溫度固定性。 包含此FPC之幾何形狀之鐵心區KB可任意改變。此鐵 心區KB可以是實心的（massive)，完全由FPC所構成且其 橫切面是與其餘之鐵心k者相同。但亦可使此鐵心區之橫 切面相對於其餘鐵心之橫切面而改變且例如可保持一種中 空區。此種中空區可簡易地使用一種FPC箔來製成。此種 FPC箔由聚合物所構成，其在所期望之操作條件中具有足 夠之可撓性，使此種箔可任意地形成，折疊且特別是可捲 撓。其餘鐵心k之材料是一種傳統之軟磁性材料，特別是 鐵酸鹽（Fe r r i t e )。材料之選擇是藉由導磁性 (Permeabi 1 i ty)及所期望之溫度特性來達成。藉由導磁性 可以某種方式來調整此種待測量之測量區，較大之導磁性 可在電流較小時即達成飽和現象，使得其它參數仍保持相 同時，導磁性較大之鐵心材料較導磁性較小之鐵心材料更 適合用來電流源更小之電流。 調整本發明之感測器之測量區所用之其它可能方式是改 變此測定繞組之繞組數目。此FPC之成份包含鐵心區KB 或其它參數保持相同時亦包含此種以FPC塡入之間隙範 圍。其它待觀察之値是此測量電流之施加至此測定繞組MW 之頻率。適當之測量頻率例如是在1至100MHZ之範圍 中。 本發明之感測器之其它變型主要是包FPC之鐵心區KB 之數目及位置之不同。在本發明之其它實施形式中可使鐵 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------I · I------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 504577 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7 ) 心之數目任意提高。 依據這些含有FPC之鐵心區KB之數目及大小，則直流 鐵心K之該測定繞組之位置亦可改變。 第2圖是本發明以及雙E-鐵心爲主之另一感測器。此 圖中顯示的是一種中央支柱區中含有FPC之鐵心區KB。此 測定繞組MW在含有此FPC之鐵心區KB中圍繞此中央支 柱。電流導體SL同樣是圍繞此中央支柱而成爲繞組。雙 E-鐵心之二個半部在雙E-鐵心之二其餘之分隔接縫處相碰 觸而沒有氣隙。但亦可在此二個接縫位置F1和F2之區域 中設置其它含有FPC之鐵心區。 在此種雙E·鐵心中可就鐵心材料，FPC，鐵心-橫切 面，鐵心區之大小及成份來對其餘鐵心作任意之改變。 本發明另一感測器之實施形式顯示在第3圖中。此處 分別使用一種U形之鐵心，其在二個接縫位置（此處此二 個U形鐵心半部互相接觸）處具有鐵心區（其含有FPC )。此 外，此種形式是第1圖所示鐵心形式之變形。 第4圖是本發明之感測器中此測量値（此處是L)相對於 待測量之測量値I之關係，此測量値I首先以傳統之電流 測量元件來決定以便測量。測量値L對測量値I之關係實 際上是一種直線，其即爲測量値L對測量値I之幾乎是線 性之相關性。由於很高之線性關係，使待測量之測量値I 可特別簡易，正確且明確地測得而被決定。此測量値本身 是以感測器測得，此感測器具有第3圖所示之雙U形之鐵 心。在整個支持長度大約40mni時，此種由FPC所構成之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — t--------訂--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 504577 A7 B7 五、發明說明（ 鐵心區大約是14mm。如第4圖所示，測量範圍可在 1000安培之間進行。藉由適當地調整各可變化之參 此種測量範圍可任意向上或向下擴大或偏移。 符號之說明 和 K 鐵心 KB 鐵心區 K1 ’ K2部份鐵心 SL 電流導體 MW 測定繞組 AK 終端接觸區 AE 計算單元 Z 阻抗 L 電感 D 顯示器 F1 ， F2分隔接縫 (請先閱讀背面之注咅P事項再填寫本頁) -·1111111 ·11111 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐

Claims (1)

1. 504577 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍

   1 ·一種直流電流測量用之感測器，其特徵爲具有： (90年5月修正） -一個橫切面大小已設定之軟磁性鐵心（Κ)，其中形成 一種環形閉合之磁場， -此鐵心具有一種鐵心區（ΚΒ)，其含有一種磁性粉狀 複合材料， -一種環繞鐵心（Κ)之測定繞組（MW)， if煩 丰委 有Ϊ If 窨ί 拳月 古） 准3 予曰 修所 正提 〇之 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -一種經由鐵心而延伸之傳送該待測量之電流用之電流 導體（SL)， -一種元件，其藉由一種與測定繞組（MW)相連接之測量 電路（ΑΕ )來測量此鐵心之阻抗或電感作爲測量値且依 據鐵心中所設定之線性相關性來設定此直流電流之電 流大小之測量値。 2 .如申請專利範圍第1項之感測器，其中該磁性粉狀複合 材料是一種鐵酸鹽聚合物合成物（FPC)。 3 .如申請專利範圍第1或2項之感測器，其中須選取此鐵 心（Κ)之形式使此鐵心可形成一種閉合之磁性回路。 4 .如申請專利範圍第1或第2項之感測器，其中鐵心（Κ) 除了上述之鐵心區（ΚΒ)是由鐵酸鹽所構成。 5 .如申請專利範圍第3項之感測器，其中鐵心（Κ )除了上述 之鐵心區（ΚΒ)是由鐵酸鹽所構成。 6 .如申請專利範圍第1或第2項之感測器，其中此感測器 在鐵心（Κ)中具有二個或多個在整個橫切面上之一部份 中或全部以FPC塡入之鐵心區（ΚΒ ) ° 7 .如申請專利範圍第3項之感測器’其中此感測器在鐵心 6氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 ί 098859 ABCD j修孤 504577 六、申請專利範圍 (κ)中具有二個或多個在整個橫切面上之一部份中或全 部以FPC塡入之鐵心區（ΚΒ)。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 8 ·如申請專利範圍第6項之感測器，其中此鐵心（κ)以二可 折疊之二部份構成，其中此二個分隔接縫（F )分別位於一 個包含上述FPC之鐵心區（ΚΒ)中。 9 ·如申請專利範圍第1項之感測器，其中整個鐵心（Κ)由 FPC構成。 I 〇 · —種電流導體（SL )中之直流電流之測量方法，此電流導 體（SL)經由一種環形閉合之軟磁性鐵心（κ )，鐵心（Κ)具 有一種由FPC所構成之鐵心區（ΚΒ )，本方法之特徵爲： 此鐵心之阻抗或電感經由一種圍繞此鐵心之測定繞組 (MW )藉由一種與此繞組（MW )相連接之測量電路（ΑΕ)來測 得以作爲測量値且設定成此直流電流之電流値。 II ·如申請專利範圍第1 0項之方法，其中爲了測量較大之 電流須提高此種由FPC所構成之鐵心區（ΚΒ)之成份及/ 或使鐵心材料之導磁性降低。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 2 ·如申請專利範圍第1 0或第11項之方法，其中該待測量 之電流疊加至一種基準（Ba s i s)直流電流且由測量値之 改變來決定此電流之極性。 1 3 ·如申請專利範圍第1 0項之方法，其須選取此鐵心（κ ) 之大小，此鐵心之材料和此種由FPC所構成之鐵心區（KB 之FPC或相對成份，使待測量之電流位於測量値與電流 値成線性關係之範圍中。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公