一种高抗干扰的新型交流电流/磁场传感器制造技术

本实用新型专利技术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补偿支路。本实用新型专利技术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。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
Rogowski线圏可用来测量> 兹场的变化，因此可通过测量#^则电流周围 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线圏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线圏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线圏电流传感器，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线圏可以独立使用。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线圏的骨架可以是由非铁磁材料构造(即空芯线圏)或由基 于开口铁芯的Rogowski线圈作为传感单元构成。本技术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4艮少。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线圏的二次绕组额定感应电势约为数百毫伏。但目 前所有的Rogowski线圏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團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线圏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线圏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l中，Rl是输入电阻，R2是平衡电阻，Cl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线圏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 线圏电流传感器，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圏高很多，在同样的额定电流下，线圏 输出电压比空芯线圈高4艮多，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。也是本技术所采取的技术手段解决的关键技术问题。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于开口铁芯的Rogowski线圏和积 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 线圏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。本技术提供的一种电流传感器由基于开口铁芯的Rogowski线圏 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线圏的输出，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，用软件樹成数字积分器，还原被 测电流信号。以前的Rogowski线圏对二次绕组绕线没有特殊要求，以致于其抗干扰 性能较差。本技术的技术手段之一是本技术采取了特殊的二次 绕组绕线的技术措施，以提高其性能。本技术的基于开口铁芯的 Rogowski线圏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勻地绕在气隙上，而不是 象以往Rogowski线圏绕在铁芯上。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 线圏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 线圏窗口中位置的任意变化而引起线圏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。本技术的技术手段之二是， 本技术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，Ul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，本技术将这种仪表放大 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，Rll、 R12 与图1的R1相等，图2中，Cll、 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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦峭奇，
申请(专利权)人：武汉格蓝若光电互感器有限公司，
类型：实用新型
国别省市：83[]