CN101033983A - 一种高抗干扰的新型交流电流/磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高抗干扰的新型交流电流/磁场传感器，由开口铁芯的线圈和积分电路组成，线圈的两个输出端以导线连接至补偿式差动积分放大电路的两个输入端，开口铁芯的线圈开有气隙，且对称分布，将气隙的两端用非铁磁材料与铁芯连接成整体，二次绕组均匀的绕在气隙上；积分电路为补偿式差动积分放大电路，补偿式差动积分放大电路包括差动积分和放大调理电路，差动积分电路采用对称的差动输入方式类比到运放积分器中构成差动的积分电路，差动积分电路并在运放积分器的积分电容的并联电阻上引入了补偿支路。本发明消除被测导线形状变化或相对位置发生变化及外界磁场干扰等因素，有效的减小积分电容经过并联电阻的泄漏电流，低频特性得到改善。
Description
技术领域
本发明属于一种测量交流磁场或交流电流的传感器，具体地说，是涉及一种高抗干扰和抗直流饱和的新型交流电流/磁场传感器。
背景技术
Rogowski线圈可用来测量磁场的变化，因此可通过测量被测电流周围磁场强度的变化，推算出被测电流的大小。将Rogowski线圈二次绕组均匀地绕在一个环形的骨架上。载有被测电流的导线从环形骨架的中心穿过。Rogowski线圈二次绕组的感应电势和穿过中心的被测电流的微分成正比，故将Rogowski线圈的感应电势经过积分处理即可得到正比于被测电流的电压信号。因此由Rogowski线圈和积分电路两个部分就可组成电流传感器。
在许多情况下，也可以单独由Rogowski线圈构成电流传感器，即独立式Rogowski线圈电流传感器，这时该电流传感器的输出即Rogowski线圈的输出，与被测电流的微分信号成正比，在允许有固定相移的场合，该Rogowski线圈可以独立使用。也可以用后续信号处理电路将该信号变成数字信号后，用软件构成数字积分器，还原被测电流信号。
Rogowski线圈的骨架可以是由非铁磁材料构造(即空芯线圈)或由基于开口铁芯的Rogowski线圈作为传感单元构成。
本发明是针对基于开口铁芯的Rogowski线圈。
一般而言，在需要测量不规则电流的工业现场，比如对变频器的二次输出电流的测量，霍尔电流传感器用量最大。在诸如电子式电能表等工业现场，需实现对频率45Hz以上的交流电流的准确测量，同时又要求有较高的抗直流电流饱和能力的场合，空芯线圈用的较多，而基于开口铁芯的Rogowski线圈用的很少。主要原因在于，基于开口铁芯的Rogowski线圈易受干扰：
1.被测导线形状变化或与铁芯的相对位置发生变化以及临近的外界磁场干扰变化等因素，这些因素对测量精度的影响甚至可达到10％。
开口铁芯在变压器、电焊机、电抗器等领域被广泛的使用，其相对磁导率介于闭环铁芯和非铁磁材料之间，一般设计为10～200。在被测电流产生的磁场影响下，开口铁芯不会象闭环的铁芯那样轻易的饱和，而气隙中产生的磁场强度也不会象非铁磁材料中的那么小，一般而言，设计的基于开口铁芯的Rogowski线圈的二次绕组额定感应电势约为数百毫伏。但目前所有的Rogowski线圈都被同样的问题所困扰：线圈的互感系数受到载流导线与线圈之间的相对位置的影响，在有些情况下，这种影响可达到10％以上，使得Rogowski线圈的应用被极大的限制，有时，载流导线形状的改变甚至都会影响测量的准确度。而邻相电流的存在也会对测量造成不可忽略的影响。
2.Rogowski线圈的感应电势和被测电流的微分成正比，需经过积分处理方可得到正比于被测电流的电压信号。但积分电路原理及结构上设计的不合理，使得测量受外界空间电磁干扰的影响很大，在一般工业现场几乎不能使用。
目前一般结构的积分电路如图1所示：
图1中，R1是输入电阻，R2是平衡电阻，C1是积分电容，R3与积分电容C1相并联，可避免积分电路在运放U的偏置电压影响下逐步饱和。这种采用最为广泛的积分电路结构十分简单，但是有两个致命缺陷不容忽视：一是R3的引入使得积分器的低频特性变差；二是该积分器的抗干扰能力较差，经过多次试验，该积分器在工业现场根本无法稳定工作。
Rogowski线圈和积分电路相组合非常适合于测量交流电流。在许多情况下，也可以单独由Rogowski线圈构成电流传感器，即独立式Rogowski线圈电流传感器，并且由于开口铁芯相对磁导率介于闭环铁芯和非铁磁材料之间，当被测交流电流中含有直流成分时，开口铁芯不会象闭环的铁芯那样轻易的饱和，即具有较高的抗直流电流饱和能力。但由于其相对磁导率比非铁磁材料骨架构成的空芯线圈高很多，在同样的额定电流下，线圈输出电压比空芯线圈高很多，从而大大提高了测量的抗外界干扰的能力。故这种结构简单而且价格低廉的电流传感器，应用在诸如电子式电能表等工业现场，实现对频率0.5Hz以上的交流电流的准确测量，同时又要求有较高的抗直流电流饱和能力的场合，有着极大的应用前景。但是，Rogowski线圈的测量准确度受到上述被测导线形状变化或与铁芯的相对位置发生变化以及临近的外界磁场干扰变化等因素的影响，此外，传统的积分电路低频特性差、抗干扰能力差，在工业现场根本无法稳定的工作。这两个核心技术问题的解决是这种廉价高可靠性电流传感器得以实现和推广的先决条件。也是本发明所采取的技术手段解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于开口铁芯的Rogowski线圈和积分器组成的高抗干扰能力的交流电流/磁场传感器，以解决现有Rogowski线圈传感器性能上存在的上述问题，提高其抗干扰能力，在工业现场得到应用。
本发明提供的一种电流传感器由基于开口铁芯的Rogowski线圈和高可靠性积分器组成，但在这两个部分的设计及制造上都采取特殊的技术手段，以保证其性能。此外，在允许有固定相移的场合，该Rogowski线圈也可以不需要积分电路而独立使用，这时该电流传感器的输出即Rogowski线圈的输出，与被测电流的微分信号成正比。或者也可以用后续信号处理电路将该信号变成数字信号后，用软件构成数字积分器，还原被测电流信号。
以前的Rogowski线圈对二次绕组绕线没有特殊要求，以致于其抗干扰性能较差。本发明的技术手段之一是：本发明采取了特殊的二次绕组绕线的技术措施，以提高其性能。本发明的基于开口铁芯的Rogowski线圈的特征在于：开口铁芯开有一个或一个以上的气隙，若为一个以上气隙，一般确定为偶数个，且对称分布；最重要的是，二次绕线必须尽可能的绕在气隙上，即通过在所有气隙的两端采用非铁磁材料将气隙与铁芯连接成一个整体后，再将二次绕组绕线均匀地绕在气隙上，而不是象以往Rogowski线圈绕在铁芯上。如果因为二次绕组匝数过多而在气隙上单层无法绕完，则可以反复多层绕制在气隙上；或者多余的部分均匀地绕制在尽可能靠近气隙的铁心两端。
采用上述绕线技术手段处理的Rogowski线圈，对载流导线和Rogowski线圈相对位置的敏感程度大大降低。经过多次测试，载流导线在Rogowski线圈窗口中位置的任意变化而引起线圈互感系数的变化量一般不超过0.2％，且对Rogowski线圈环形中心窗口以外的电流无感应输出，因而该性能大为提升的Rogowski线圈可被广泛的使用在工业现场。
一般形式的积分电路存在两大致命缺陷：一是低频特性差；二是抗干扰能力不足，在强干扰场合无法稳定工作。本发明的技术手段之二是，本发明设计了一种补偿式差动积分放大电路，其原理图如图2所示，图2中，U1是差动积分电路，U2是放大调理电路。与传统的积分电路不同的是：
a.采用了差动的输入方式，增强积分器的抗干扰能力；对称的差动输入方式在微弱信号的放大电路中常常被采用，本发明将这种仪表放大器的输入方式类比到积分器中，构成了差动的积分电路。图2中，R11、R12与图1的R1相等，图2中，C11、C12与图1的C1相等，经过多次测试，这种差动积分电路的抗干扰能力极强。
b.积分电容的并联电阻上引入了补偿支路，改善积分器的低频特性。
图2中，R21、R22、R23、R24与图1的R2相等，且对称分布，并在中间由R3、C2形成补偿回路，U1中从输出端经R22、R3、C2和R24构成的回路，补偿了积分电容经并联电阻的泄漏电流，这样在不改变运放直流偏置电压影响的情况下，积分电容上的泄漏电流大大减小，积分器的低频特性可得到较大改善。
本发明的技术手段之三在于利用所述开口铁芯的Rogowski线圈和积分电路的印刷电路板构成一个地电位屏蔽体，所有的电子元器件均置于这个屏蔽体之中，可有效的防护高频干扰磁场对传感器的影响。详见具体实现方式中的所述。
本发明采用特殊绕制的采用基于开口铁芯的Rogowski线圈作为传感元件，补偿式差动积分放大电路作为调理电路，线圈的输出作为积分放大电路的输入，将被测电流信号转变为低电压信号输出的具有高抗干扰能力的电流/磁场传感器。采用气隙铁芯构造Rogowski线圈，感应电势较空芯线圈大了许多，抗干扰能力增强，特别是采用将二次绕线尽可能的绕在气隙上，即通过在所有气隙的两端采用非铁磁材料将气隙与铁芯连接成一个整体后，再将二次绕组绕线均匀地绕在气隙上，而不是象以往Rogowski线圈绕在铁芯上。如果因为二次绕组匝数过多而在气隙上单层无法绕完，则可以反复多层绕制在气隙上；或者多余的部分均匀地绕制在尽可能靠近气隙的铁心两端。该方法基本上消除了被测导线形状变化或与铁芯的相对位置发生变化以及临近的外界磁场干扰等因素对Rogowski线圈测量准确度的影响。基于此技术手段特殊绕制的采用基于开口铁芯的Rogowski线圈在允许有固定相移的场合，该Rogowski线圈也可以不需要积分电路独立使用，这时该电流传感器的输出即Rogowski线圈的输出，与被测电流的微分信号成正比。
本发明设计了补偿式差动积分放大电路，与一般的积分放大电路相比，其抗干扰能力大为增强。此外，积分放大电路增加了对称补偿式回路，有效的减小了积分电容经过并联电阻的泄漏电流，积分放大电路的低频特性得到了有效改善。采用一种灵活而巧妙的屏蔽方式，将开口铁芯和积分电路的印刷电路板的正面均与电源的地线相连接，由此构成一个屏蔽体将所有的电子元器件屏蔽起来，进一步增强了电流传感器的稳定性，将传感器对外界干扰电磁场的敏感程度降到最低。本发明采取的上述技术手段大大提高了现有Rogowski线圈的抗干扰性能，解决了基于Rogowski线圈的电流传感器在工业现场实用化的关键技术问题。
附图说明
图1为现有结构传感器的积分电路图。
图2为本发明的补偿式差动积分放大电路图。
图3a为本发明的线圈二次绕组绕线示意图。
图3b为本发明的Rogowski线圈二次绕组绕线局部示意图。
图4为本发明的开口铁芯的Rogowski线圈和积分电路的印刷电路板构成一个地电位屏蔽体示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步的描述。
首先是开口铁芯的Rogowski线圈的设计。开口铁芯的铁芯形状及尺寸、气隙数量、开口大小可根据被测电流的大小等因素设计。一般而言，被测电流越大，铁芯尺寸越大，气隙数量越多，开口尺寸越大。若选择铁芯上开一个以上的气隙时，一般确定为偶数个，且对称分布，开口铁芯的等效相对磁导率一般设计为30～100为宜。
Rogowski线圈的绕制：首先是确定二次绕组绕线的匝数，以额定电流时的二次绕组输出感应电势，计算出Rogowski线圈需要的二次绕线匝数。在所有气隙的两端用陶瓷将气隙与铁芯连接成一个整体后，也可以用塑料材料将气隙与铁芯连接成一个整体，再将二次绕组绕线均匀地绕在气隙上，而不是象以往Rogowski线圈绕在铁芯上，如果因为二次绕组匝数过多而在气隙上单层无法绕完，则可以反复多层绕制在气隙上；或者将多余的部分绕线均匀地绕制在尽可能靠近气隙的铁心两端。如图3a Rogowski线圈二次绕组绕线示意图及图3b Rogowski线圈二次绕组绕线局部示意图所示。图中1为铁芯，2为气隙，分散对称的二次绕组3绕在气隙2上，分段之间首尾相连，9为构成二次绕组3的绕线，最终经端子4引出。
积分放大电路的设计。电路基本原理遵循发明内容中的相关描述，为了保证积分器的低频特性，相关电路主要参数的选择还要遵循以下准则：
C2、C3应足够大，例如可取10uF；
2л*2R2(R1+R2)*C1/R1＞＞1/fL，fL为被测电流的下限截止频率；
2л*R4*C3＞＞1/fL，fL为被测电流的下限截止频率。
屏蔽措施，本发明利用开口铁芯的Rogowski线圈和积分电路的印刷电路板构成一个地电位屏蔽体，所有的电子元器件均置于这个屏蔽体之中，可有效的防护高频干扰磁场对传感器的影响。印刷电路板5及上的元器件、基于开口铁芯的Rogowski线圈1的相对位置如图4所示，印刷电路板的正面6为地层，印刷电路板的背面7为元件层，线圈二次绕线3与印刷电路板背面7相连接，开口铁芯与地层实现通过连接导线8实现电气上的连接，经过该技术手段，本发明设计的屏蔽体进一步改善了积分放大电路抗干扰的性能。
Claims (3)
1、一种高抗干扰的新型交流电流/磁场传感器，基于开口铁芯的Rogowski线圈和积分电路组成，基于开口铁芯的Rogowski线圈和积分电路的连接关系是：线圈的输出为积分电路的输入，其特征在于：开口铁芯的Rogowski线圈采用气隙铁芯构造的Rogowski线圈，开口铁芯开有一个或一个以上偶数个的气隙，且对称分布，并在所有气隙的两端用非铁磁材料将气隙与铁芯连接成一个整体，二次绕组的绕线均匀的绕在气隙上；积分电路为补偿式差动积分放大电路，补偿式差动积分放大电路由差动积分电路U1和放大调理电路U2构成，差动积分电路U1采用对称的差动输入方式类比到运放积分器中构成差动的积分电路，差动积分电路U1并在运放积分器的积分电容的并联电阻上引入了补偿支路。
2、根据权利要求1所述的高抗干扰的新型交流电流/磁场传感器，其特征在于：将开口铁芯和积分电路的印刷电路板的正面均与电源的地线相连接，由此构成一个屏蔽体。
3、根据权利要求2所述的高抗干扰的新型交流电流/磁场传感器，其特征在于：开口铁芯的Rogowski线圈和积分电路的印刷电路板正面为地层，印刷电路板的背面为元件层，开口铁芯的Rogowski线圈二次绕线与印刷电路板背面相连接，开口铁芯的Rogowski线圈与地层通过连接导线实现电气上的连接，构成一个地电位屏蔽体。
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