專利名稱：一種電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電流傳感器，特別是涉及一種用于測量直流大電流的傳感器。
背景技術(shù)：
目前不論在冶金、化工工業(yè)中的電解，機械工業(yè)中的電鍍，電氣機車和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，還是在核物理、大功率電子學等學科領(lǐng)域都涉及到直流大電流測量問題，并且它常常處于高壓環(huán)境中。因此，測量直流大電流的問題，已經(jīng)成為電磁測量技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的重要部分。
由于冶金、化工和高壓直流輸電(HVDC)等事業(yè)的蓬勃發(fā)展，直流用電量越來越大。直流大電流測量是當前迫切需要解決的問題，它對節(jié)約能源有很大影響。根據(jù)世界一些技術(shù)先進國家統(tǒng)計，直流用電量約占總用電量的20-50％，其中大型鋁電解廠的整流系統(tǒng)直流電流已高達320KA。并且直流大電流傳感器的測量范圍已從5000A擴展到300KA。在直流大電流測量中，除了對儀表的一般要求(如穩(wěn)定、可靠、使用方便等)外，還要求測量儀器有足夠的準確度，否則測量就失去意義?，F(xiàn)在工程上要求測量的準確度一般為0.5％，有的要求0.1-0.2％。
現(xiàn)在研究出了諸如直流電流比較儀、直流電流互感器、分流器等直流大電流測量儀器；也出現(xiàn)了以霍爾效應(yīng)、磁光效應(yīng)和核磁共振等物理效應(yīng)為基礎(chǔ)的一些測量儀器。這些儀器就其工作原理大致可分為兩大類根據(jù)被測電流在已知電阻上的電壓降，來確定被測直流大電流大小的測量裝置，如分流器；根據(jù)被測電流所建立磁場來確定被測電流大小的測量裝置，如霍爾元件直接測量裝置。
對于含鐵芯式直流電流比較儀、直流電流互感器等裝置，性能穩(wěn)定，功率消耗較小(與分流器相比)，能承受較大的負載，安裝時可不斷開被測電路。但是由于使用鐵芯材料，并非具有理想的磁化特性，易飽和，對被測直流電流的大小有所限制。
霍爾大電流測量裝置作為測量直流大電流較普遍使用的測量儀器，它是利用霍爾元件測量被測電流在鐵芯(圍繞被測載流導(dǎo)體)氣隙里的磁感應(yīng)強度來判定被測電流大小的。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，安裝時可不斷開被測電路?；魻栐妮斎腚娮韬洼敵鲭娮璧臄?shù)值不是恒定不變的，由于變換器存在磁阻效應(yīng)，它是隨磁感應(yīng)強度而不斷增長的。在單個霍爾元件除了霍爾電勢之外，在輸出電壓中還存在其他幾種剩余電勢?；魻栐幕魻栂禂?shù)、輸入電阻、輸出電阻和剩余電勢都與溫度有關(guān)，因此霍爾元件存在著較大的溫度誤差。
現(xiàn)在雖然有了霍爾檢零式直流比較儀，該比較儀中也設(shè)計了多個通道，每個通道由霍爾元件構(gòu)成了檢測元件。但是，其反饋繞組相互串聯(lián)，各個霍爾元件相當于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以每個霍爾元件相互關(guān)聯(lián)，并不獨立；并且，每個通道的輸出量僅僅是采用簡單的相加來得到總的測量結(jié)果，一旦某個通道的傳感器閉鎖或者壞死，其計算結(jié)果就會有較大誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種多通道直流電流傳感器，它明顯改善傳感器的飽和特性和線性度，將零磁通原理能有效提高測量準確度，霍爾元件對電流較敏感和Rogowski線圈抗電磁干擾能力強等優(yōu)點集于一身。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種電流傳感器，包括多通道多空氣隙環(huán)形鐵芯、霍爾元件，上述對稱兩個通道中的反饋繞組相串聯(lián)，串聯(lián)后的一端接地，另一端接對應(yīng)采樣電阻的一端；上述對稱兩個通道中，對稱布置的兩個霍爾元件為一組，每個霍爾元件由恒流源控制，每組中兩個霍爾元件的輸出端分別與運算放大器的正、負輸入端相接，經(jīng)運算放大器放大后進行濾波、電壓—電流變換、電流放大處理，其輸出端接上述采樣電阻的另一端，將該采樣電阻兩端的檢測電壓信號送到計算機進行數(shù)據(jù)處理，處理后的被測電流的大小送到顯示器顯示。
上述每個通道中的反饋繞組按照Rogowski線圈方式繞制。
在反饋繞阻的絕緣層及保護層之外，專門設(shè)置地線層以代替上述地線，在該地線層外面依次設(shè)置絕緣層及保護層、電磁屏蔽層、最外層的絕緣層及保護層。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、采用多組并聯(lián)聯(lián)接形式，每組對稱的兩個通道中的反饋繞組相串聯(lián)，串聯(lián)之后一端接地，另一端接對應(yīng)的采樣電阻的一端。在這種并聯(lián)聯(lián)接模式中，一旦某個通道的傳感器閉鎖或者壞死，不影響整個傳感器繼續(xù)工作；2、由于每兩個霍爾元件均對稱性地布置，當來自同方向的干擾磁場進入霍爾元件時，磁密會在兩個對稱分布的霍爾元件上面產(chǎn)生相反的霍爾干擾電勢并在電路中自行抵消；3、由于該多通道傳感器為并聯(lián)聯(lián)接模式，因此，可以采用并聯(lián)的數(shù)據(jù)融合模型，利用數(shù)據(jù)融合方法，有效地將各個通道的測量信息整合到計算機中；4、通道中的反饋繞組按照Rogowski線圈方式繞制，即均勻密繞多圈成螺旋狀的線圈之后，再回繞一圈，該繞制方法可以明顯提高整個傳感器的抗電磁干擾能力，適合現(xiàn)場測量大電流。
5、該多通道傳感器，采用具有較強的帶負載能力的電壓—電流轉(zhuǎn)換的恒流源電路，為了使輸出電流穩(wěn)定，除各個環(huán)節(jié)引入深度負反饋外，還從輸出電流取樣經(jīng)電壓跟隨器反饋加法器，形成一個大的外反饋，進一步增強了輸出電流的穩(wěn)定度，使恒流源在負載變化較大范圍內(nèi)輸出電流具有高穩(wěn)定度。
總之，明顯改善了傳感器的飽和特性和線性度；精度優(yōu)于0.5％，功耗小，溫度附加誤差＜0.1％/10℃，抗磁干擾能力強；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，價格低，安裝、校準、調(diào)試、維護均十分方便。


圖1為本發(fā)明一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中霍爾元件H1、H5對稱布置電路圖。
圖3(a)為圖1中霍爾元件H1的恒流源電路圖。
圖3(b)為圖1中霍爾元件H5的恒流源電路圖。
圖4(a)為本發(fā)明圓形截面鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4(b)為本發(fā)明矩形截面鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
由圖1所示，1為顯示器，2為處理來自四個并聯(lián)通道的檢測電壓信號的計算機；3～6為四個并聯(lián)通道的霍爾電壓濾波、電壓-電流變換、電流放大電路；A1～A4為運算放大器；7為專用地線層；8為被測電流母線；RS1～RS4為四個并聯(lián)通道的采樣電阻；If1～If4為四個并聯(lián)通道的反饋電流；US1～US4為對應(yīng)采樣電阻的端電壓；H1～H8為八個霍爾元件；UH1～UH8為八個霍爾元件所輸出的霍爾電壓；W1～W8為通道的八個Rogowski線圈式反饋繞組；*號表示Rogowski線圈式反饋繞組的同名端。
在鐵芯的直徑方向開設(shè)空氣隙，每個通道的鐵芯長度相等，氣隙均勻分布，霍爾元件置于氣隙中。每個通道中的反饋繞阻按照Rogowski線圈方式繞制，即在鐵芯外絕緣材料上，均勻密繞多圈成螺旋狀的線圈之后，再回繞一圈。繞制Rogowski線圈式反饋繞組時，必須注意線圈繞向，確保傳感器實現(xiàn)零磁通檢測原理。氣隙長度可小于鐵芯截面積平方根的10～15倍，兼顧被測電流大小和鐵芯尺寸大小要求，否則會影響傳感器測量精度；為了增強傳感器感應(yīng)信號，在不改變傳感器其它尺寸前提下，可以盡可能增大傳感器軸向厚度，則氣隙長度也可以相應(yīng)增大。另外，氣隙數(shù)目可選為大于、等于4小于、等于130的偶數(shù)。
采用多組并聯(lián)聯(lián)接模式，每組兩個對稱的反饋繞組W1和W5相串聯(lián)、W2和W6相串聯(lián)、W3和W7相串聯(lián)、W4和W8相串聯(lián)，串聯(lián)后一端接地，另一端分別接對應(yīng)采樣電阻RS1、RS2、RS3、RS4的一端。
霍爾元件H1和H5、H2和H6、H3和H7、H4和H8各自成組對稱布置，每個霍爾元件均由恒流源控制，每組中兩個霍爾元件的輸出端分別與運算放大器A1、A2、A3、A4的正、負輸入端相接，放大后送到電路3、電路4、電路5、電路6進行濾波、電壓—電流變換、電流放大處理，各個電路的輸出端接采樣電阻RS1、RS2、RS3、RS4的另一端，然后各自輸送到反饋繞阻以平衡被測電流所產(chǎn)生的主磁通，實現(xiàn)零磁通測量目的。既然整個多通道傳感器為并聯(lián)聯(lián)接模式，因此，可以將采樣電阻兩端的檢測電壓信號US1、US2、US3和US4送到計算機2，借助數(shù)據(jù)融合方法進行數(shù)據(jù)處理，處理后的被測電流的大小送到顯示器1。上述電路3～6為通常的濾波、電壓—電流變換、電流放大電路。
由圖2所示，H1和H5為兩個對稱安置的霍爾元件；I+和I-為由正負電源分別供電給兩個霍爾元件H1、H5的電流；Rf1和Rf2表示恒流源I+和I-的反饋電阻；a1、c1端子表示霍爾元件H1的直流控制電流輸入、輸出端，b1、d1端子表示霍爾元件H1的霍爾電壓輸出端，a5、c5端子表示霍爾元件H5的直流控制電流輸入、輸出端，b5、d5端子表示霍爾元件H5的霍爾電壓輸出端；A1表示運算放大器；RK表示運算放大器A1的放大倍數(shù)控制電阻；8為被測電流母線。
該電路接法為，霍爾元件H1的d1端、霍爾元件H5的b5端分別與運算放大器A1的負輸入端、正輸入端相接，霍爾元件H1的a1端與恒流源(供給H1的電流為I+)反饋電阻Rf1相接，另一端c1接地，霍爾元件H5的c5端與恒流源(供給H5的電流為I-)反饋電阻Rf2相接，另一端a5接地，霍爾元件H1的b1端與霍爾元件H5的d5端相接。Rogowski線圈式反饋繞組W1和W5串聯(lián)后，一端與采樣電阻Rs1相接，另一端接地。采樣電阻Rs1的兩端接到計算機2。上述電阻RK可以選用高精度電阻，運算放大器A1可以選用如INA128儀用運算放大器、或者由OP07、OP27等精密運算放大器構(gòu)成儀用運算放大器電路結(jié)構(gòu)。
由于將霍爾元件H1的b1與霍爾元件H5的d5相接，c1與a5相接并接地，當來自同方向的干擾磁場進入霍爾元件時，磁場會在兩個對稱分布的霍爾元件H1、H5上面產(chǎn)生相反的霍爾干擾電勢，并在電路中自行抵消。
當霍爾元件H1、H5的直流控制電流輸入端a1、c1(或者a5、c5)流過來自恒流源的直流電流，其垂直表面有磁場并有磁力線穿過時，其霍爾電壓輸出端b1、d1(或者b5、d5)端子便產(chǎn)生霍爾電壓，運算放大器A1可以放大霍爾電勢差即UH＝UH1-UH5，其放大倍數(shù)由控制電阻RK控制，即放大倍數(shù)近似為1+50kΩ/RK，再送入電路3處理。其它三組霍爾元件分別為H2和H6、H3和H7、H4和H8，它們的對稱安置類同H1和H5。
由圖3(a)所示，其具體接法為，運算放大器A5的正輸入端通過電阻R2接到基準源Uref1，且正輸入端通過電阻R3接地，運算放大器A5的負輸入端通過電阻R4接到其輸出端，且負輸入端通過電阻R1接到運算放大器A7的輸出端，運算放大器A5的輸出端通過電阻R5接到運算放大器A6的負輸入端，運算放大器A6的負輸入端通過電阻R6接到功率放大管T2的發(fā)射極，正輸入端通過電阻R7接到功率放大管T1的發(fā)射極，并接地，輸出端通過電阻R8接到功率放大管T1的基極。功率放大管T1的集電極接功率放大管T2的基極，且通過電阻R9接功率放大管T2的集電極和+15V電源。運算放大器A7的輸出端通過電阻R10接到其負輸入端，其正輸入端通過電阻Rf1接到功率放大管T2的發(fā)射極。霍爾元件H1的直流控制電流輸入端a1與運算放大器A7的正輸入端相接，直流控制電流輸出端c1接地。
圖3(a)的工作原理簡述如下基準源Uref1，經(jīng)過加法器A5、反饋放大器A6，由電流放大驅(qū)動電路(T1、T2)輸出高穩(wěn)定的電流。因為運算放大器A7構(gòu)成跟隨電路，其輸入阻抗很高(≥1012Ω)，則流過反饋電阻Rf1的電流全部流向霍爾元件H1。為了使輸出電流穩(wěn)定，除各個環(huán)節(jié)引入深度負反饋外，還從輸出電流取樣經(jīng)電壓跟隨器A7反饋給運算放大器A5，形成一個大反饋，進一步增強了輸出電流的穩(wěn)定度，使恒流源在負載變化較大范圍內(nèi)輸出電流具有高穩(wěn)定度。
由圖3(b)所示，其具體接法為，運算放大器A8的正輸入端通過電阻R12接到基準源Uref2，且正輸入端通過電阻R13接地，運算放大器A8的負輸入端通過電阻R14接到其輸出端，且負輸入端通過電阻R11接到運算放大器A10的輸出端，運算放大器A8的輸出端通過電阻R15接到運算放大器A9的負輸入端，運算放大器A9的負輸入端通過電阻R16接到功率放大管T4的發(fā)射極，正輸入端通過電阻R17接到功率放大管T3的發(fā)射極，并接地，輸出端通過電阻R18接到功率放大管T3的基極。功率放大管T3的發(fā)射極接功率放大管T4的基極，其集電極通過電阻R19接功率放大管T4的集電極和-15V電源。運算放大器A10的輸出端通過電阻R20接到其負輸入端，其正輸入端通過反饋電阻Rf2接到功率放大管T4的發(fā)射極?；魻栐﨟5的直流控制電流輸出端c5與運算放大器A10的正輸入端相接，直流控制電流輸入端a5接地。
圖3(b)的工作原理簡述如下基準源Uref2，經(jīng)過加法器A8、反饋放大器A9，由電流放大驅(qū)動電路(T3、T4)輸出高穩(wěn)定的電流。因為運算放大器A10構(gòu)成跟隨電路，其輸入阻抗很高(≥1012Ω)，則流過反饋電阻Rf2的電流全部流經(jīng)霍爾元件H5。為了使輸出電流穩(wěn)定，除各個環(huán)節(jié)引入深度負反饋外，還從輸出電流取樣經(jīng)電壓跟隨器A10反饋給運算放大器A8，形成一個大反饋，進一步增強了輸出電流的穩(wěn)定度，使恒流源在負載變化較大范圍內(nèi)輸出電流具有高穩(wěn)定度。
上述所講的恒流源，其元器件選擇方法為，R1～R7、R11～R17選用高精密電阻；R8、R9、R18、R19選用炭膜電阻；反饋電阻Rf1和Rf2選用高精密電阻，并且其阻值接近霍爾元件的輸入電阻值RHi(i＝1，2，…8)，滿足Rf+RHi＜＜R1；基準源Uref1和Uref2可以選用PMI公司生產(chǎn)的REF02P芯片產(chǎn)生獲得，該芯片是+5V精密電壓基準/溫度傳感器；A5～A10全部采用高精度、低漂移、動態(tài)校零CMOS型斬波穩(wěn)零式ICL7650(或CF7650)集成運算放大器。
由圖4(a)、圖4(b)所示，環(huán)形鐵芯結(jié)構(gòu)可以選取硅鋼片或者坡莫合金疊片組成，可以加工成矩形或者圓形截面的環(huán)形鐵芯。在鐵芯9的絕緣層及保護層10之外均勻密繞多圈成螺旋狀的Rogowski線圈式反饋繞組11，再在繞組11外面繞制絕緣層及保護層12，其外，再專門設(shè)置傳感器的地線層7，在該地線層7外面依次設(shè)置絕緣層及保護層13、電磁屏蔽層14，最外層的絕緣層及保護層15。這種結(jié)構(gòu)形式提高了整個傳感器的抗電磁干擾能力。
權(quán)利要求
1.一種電流傳感器，包括多通道多空氣隙環(huán)形鐵芯、霍爾元件，其特征在于上述對稱兩個通道中的反饋繞組相串聯(lián)，串聯(lián)后的一端接地，另一端接對應(yīng)采樣電阻的一端；上述對稱兩個通道中，對稱布置的兩個霍爾元件為一組，每個霍爾元件由恒流源控制，每組中兩個霍爾元件的輸出端分別與運算放大器的正、負輸入端相接，經(jīng)運算放大器放大后進行濾波、電壓—電流變換、電流放大處理，其輸出端接上述采樣電阻的另一端，將該采樣電阻兩端的檢測電壓信號送到計算機進行數(shù)據(jù)處理，處理后的被測電流的大小送到顯示器顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于上述反饋繞組按照Rogowski線圈方式繞制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流傳感器，其特征在于在上述反饋繞阻的絕緣層及保護層之外，專門設(shè)置地線層以代替上述地線，在該地線層外面依次設(shè)置絕緣層及保護層、電磁屏蔽層、最外層的絕緣層及保護層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流傳感器，其特征在于接到上述每組中霍爾元件的兩個恒流源電路為，運算放大器A5的正輸入端通過電阻R2接到基準源Uref1，且正輸入端通過電阻R3接地，運算放大器A5的負輸入端通過電阻R4接到其輸出端，且負輸入端通過電阻R1接到運算放大器A7的輸出端，運算放大器A5的輸出端通過電阻R5接到運算放大器A6的負輸入端，運算放大器A6的負輸入端通過電阻R6接到功率放大管T2的發(fā)射極，正輸入端通過電阻R7接到功率放大管T1的發(fā)射極，并接地，輸出端通過電阻R8接到功率放大管T1的基極，功率放大管T1的集電極接功率放大管T2的基極，且通過電阻R9接功率放大管T2的集電極和+15V電源，運算放大器A7的輸出端通過電阻R10接到其負輸入端，其正輸入端通過電阻Rf1接到功率放大管T2的發(fā)射極，霍爾元件H1的直流控制電流輸入端a1與運算放大器A7的正輸入端相接，直流控制電流輸出端c1接地；運算放大器A8的正輸入端通過電阻R12接到基準源Uref2，且正輸入端通過電阻R13接地，運算放大器A8的負輸入端通過電阻R14接到其輸出端，且負輸入端通過電阻R11接到運算放大器A10的輸出端，運算放大器A8的輸出端通過電阻R15接到運算放大器A9的負輸入端，運算放大器A9的負輸入端通過電阻R16接到功率放大管T4的發(fā)射極，正輸入端通過電阻R17接到功率放大管T3的發(fā)射極，并接地，輸出端通過電阻R18接到功率放大管T3的基極，功率放大管T3的發(fā)射極接功率放大管T4的基極，其集電極通過電阻R19接功率放大管T4的集電極和-15V電源，運算放大器A10的輸出端通過電阻R20接到其負輸入端，其正輸入端通過反饋電阻Rf2接到功率放大管T4的發(fā)射極，霍爾元件H5的直流控制電流輸出端c5與運算放大器A10的正輸入端相接，直流控制電流輸入端a5接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電流傳感器，其特征在于接到上述每組中霍爾元件的兩個恒流源電路為，運算放大器A5的正輸入端通過電阻R2接到基準源Uref1，且正輸入端通過電阻R3接地，運算放大器A5的負輸入端通過電阻R4接到其輸出端，且負輸入端通過電阻R1接到運算放大器A7的輸出端，運算放大器A5的輸出端通過電阻R5接到運算放大器A6的負輸入端，運算放大器A6的負輸入端通過電阻R6接到功率放大管T2的發(fā)射極，正輸入端通過電阻R7接到功率放大管T1的發(fā)射極，并接地，輸出端通過電阻R8接到功率放大管T1的基極，功率放大管T1的集電極接功率放大管T2的基極，且通過電阻R9接功率放大管T2的集電極和+15V電源，運算放大器A7的輸出端通過電阻R10接到其負輸入端，其正輸入端通過電阻Rf1接到功率放大管T2的發(fā)射極，霍爾元件H1的直流控制電流輸入端a1與運算放大器A7的正輸入端相接，直流控制電流輸出端c1接地；運算放大器A8的正輸入端通過電阻R12接到基準源Uref2，且正輸入端通過電阻R13接地，運算放大器A8的負輸入端通過電阻R14接到其輸出端，且負輸入端通過電阻R11接到運算放大器A10的輸出端，運算放大器A8的輸出端通過電阻R15接到運算放大器A9的負輸入端，運算放大器A9的負輸入端通過電阻R16接到功率放大管T4的發(fā)射極，正輸入端通過電阻R17接到功率放大管T3的發(fā)射極，并接地，輸出端通過電阻R18接到功率放大管T3的基極，功率放大管T3的發(fā)射極接功率放大管T4的基極，其集電極通過電阻R19接功率放大管T4的集電極和-15V電源，運算放大器A10的輸出端通過電阻R20接到其負輸入端，其正輸入端通過反饋電阻Rf2接到功率放大管T4的發(fā)射極，霍爾元件H5的直流控制電流輸出端c5與運算放大器A10的正輸入端相接，直流控制電流輸入端a5接地。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電流傳感器，包括多通道多空氣隙環(huán)形鐵芯、霍爾元件，它的特點是對稱兩個通道中按照Rogowski線圈方式繞制的反饋繞組相串聯(lián)，串聯(lián)后的一端接地，另一端接對應(yīng)采樣電阻的一端；對稱兩個通道中，對稱布置的兩個霍爾元件為一組，每個霍爾元件由恒流源控制，兩個霍爾元件的輸出經(jīng)運算放大器放大后再進行濾波、電壓—電流變換、電流放大處理，其輸出端接上述采樣電阻的另一端，將采樣電阻兩端的檢測電壓信號送到計算機進行數(shù)據(jù)處理，處理后的被測電流的大小送到顯示器顯示。本發(fā)明明顯改善了傳感器的飽和特性和線性度；精度優(yōu)于0.5％，功耗小，溫度附加誤差＜0.1％/10℃，抗磁干擾能力強；結(jié)構(gòu)簡單，安裝、調(diào)試、維護均很方便。
文檔編號G01R15/20GK1547034SQ200310111480
公開日2004年11月17日 申請日期2003年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月29日
發(fā)明者毛承雄, 李維波, 陸繼明 申請人:華中科技大學