專利名稱：讀取直流和/或交流電流的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及讀取直流和/或交流電流的設(shè)備，該設(shè)備優(yōu)選地用于實(shí)現(xiàn)高靈敏度電流測量計(jì)或讀取伴隨自動開關(guān)的差分故障(通地漏泄)。
背景技術(shù)：
如所述，已有不同種類基于不同工作原理的交流/直流檢測器。例如，一種檢測器是基于霍爾效應(yīng)傳感器的使用；而另一類型使用了具有載頻的被驅(qū)動磁芯，以便利用磁芯的磁特性的聯(lián)系，尤其是磁芯材料的磁滯回線。
US 4276510專利中給出了這種檢測器的一個(gè)例子。具體的，所述電流計(jì)通過利用在非磁飽和區(qū)域產(chǎn)生高頻磁場的驅(qū)動變壓器磁芯來測量差分故障，并通過次級線圈檢測用于讀取的有用信號。
US 5223789專利中說明的另一個(gè)例子中，檢測設(shè)備采用通過高頻電壓源產(chǎn)生磁場的線圈。
上述及其他現(xiàn)有解決方案帶來不便。具體的，基于霍爾傳感器的方案由于對外部磁場高度敏感，因而用于低成本差分系統(tǒng)時(shí)效率不高，它們需要復(fù)雜的屏蔽系統(tǒng)。此外，這些方案具有涉及到相對高的能量消耗及讀數(shù)動態(tài)范圍差等問題。
而基于在非飽和區(qū)域被供應(yīng)的磁傳感器的方案，其精度極大地受到磁芯公差以及構(gòu)成設(shè)備的眾多模擬裝置的影響。大量的元件使得這些方案造價(jià)非常昂貴，如US4276510專利預(yù)見到了磁芯上附加的線圈。
在非飽和區(qū)工作的方案的另一缺點(diǎn)在于不期望的“剩磁”現(xiàn)象，其產(chǎn)生于被測量導(dǎo)體出現(xiàn)浪涌電流時(shí)。這種只能在長時(shí)間使用后消失的剩磁，將導(dǎo)致故障和誤讀。
這一方案的另一限制，例如US5223789專利中，涉及到其功能是基于BH圖為常數(shù)的假設(shè)，而忽略了磁芯材料BH圖的漂移，該漂移例如與被測導(dǎo)體強(qiáng)電流通過同時(shí)發(fā)生。此外，其工作依賴于恒定頻率源且沒有反饋，這需要使用特定的高價(jià)的磁芯材料(高磁導(dǎo)率及具有對稱和矩形磁滯回線的材料)。

發(fā)明內(nèi)容
基于以上考慮，本發(fā)明的主要任務(wù)在于提供一種能克服上述不便的交流/直流電流檢測器。
本任務(wù)范圍內(nèi)，本發(fā)明的主要目的在于提供一種能保證電流的高精確度和大讀數(shù)范圍的交流/直流電流計(jì)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種基本上不受外部磁場和剩磁現(xiàn)象影響的交流/直流電流檢測器。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種由極少數(shù)元件組成并能在很低能量消耗下工作的電流檢測設(shè)備。
本發(fā)明的另一目的但不是最不重要的目的在于提供一種既很可靠，相對容易制造且價(jià)格有競爭力的自動系統(tǒng)。
所述的任務(wù)和目標(biāo)根據(jù)權(quán)利要求1通過一種交流/直流電流檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明電流檢測設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)將重點(diǎn)通過反饋調(diào)整系統(tǒng)說明，該系統(tǒng)允許有效利用所選材料的自然特性。這使得所述儀器能與使用非常經(jīng)濟(jì)材料的磁芯兼容，并區(qū)別于不完全對稱的磁滯回線。


本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)主要來自，但不限于對根據(jù)本發(fā)明的交流/直流電路檢測設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例的描述。本發(fā)明通過以下附圖示例，但并不局限于這些附圖圖1示出了本發(fā)明的電壓檢測設(shè)備的可能實(shí)施例的示意圖。
圖2示出了本發(fā)明的檢測設(shè)備的元件特征信號的走向。
圖3涉及作為構(gòu)成本發(fā)明的檢測設(shè)備磁芯的材料的特征的磁滯回線。
具體實(shí)施例方式
參照所述附圖，本發(fā)明的電流檢測設(shè)備包括環(huán)繞一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體6的磁芯5，直流或交流電流從所述導(dǎo)體通過。具體的，如果設(shè)備1用作電流計(jì)，磁芯5只被一個(gè)導(dǎo)體6穿過，反之，如果設(shè)備用作自動開關(guān)，磁芯將有利地被不同導(dǎo)體穿過，以便讀出在磁芯內(nèi)流過的電流矢量和的幅度。以下描述主要涉及檢測設(shè)備1用于電流計(jì)，它具有與差分使用相關(guān)的同樣的物理原理。
參考圖1，所述發(fā)明的設(shè)備1包括環(huán)繞磁芯5的線圈10以及與線圈10電氣連接(最好串聯(lián))的電阻器60。電壓源40提供驅(qū)動電壓Vexcit，緊接著產(chǎn)生在所述線圈10和所述電阻器60中流動的接觸電流(pick-up current)Iexcit。放大裝置20接入在所述電阻器60的輸入端，用于產(chǎn)生正比于在所述同一電阻器60兩端的電壓Vsense的初級輸出信號Vampl。
本發(fā)明的設(shè)備具有如下的特征包含連接到所述放大器20和電壓源40的反饋調(diào)整電路塊70。具體的，電路塊70接收由放大器20產(chǎn)生的第一輸入信號Vampl，接著產(chǎn)生第二輸出信號，該第二輸出信號被送往所述電壓源40，以在所述線圈10和電阻器60中流動的電流Iexcit達(dá)到預(yù)置值時(shí)，反轉(zhuǎn)上述驅(qū)動電壓Vexcit。
這些預(yù)置值在定義時(shí)考慮了磁芯5的磁化周期并使得每一次反轉(zhuǎn)周期時(shí)飽和條件都能安全達(dá)到。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，電壓源40包含有電路，例如一個(gè)H跳線(H jumper)，它產(chǎn)生方波，該方波的幅度介于兩個(gè)預(yù)置電壓值Vexcit+和Vexcit-之間，并且周期可變，并由反饋調(diào)整電路塊70產(chǎn)生的所述第二信號連續(xù)控制。
參照圖1和3，當(dāng)流動在所定義導(dǎo)體中的被讀電流I為零時(shí)，施加電壓Vexcit，則依賴于元件本身構(gòu)造特性的可變電流Iexcit開始在線圈10和電阻器60中流動。在磁芯5中，所述Iexcit電流產(chǎn)生可變磁場H，如所述，該磁場與圖3顯示的BH圖的磁感應(yīng)B相聯(lián)系，BH圖的趨勢基于構(gòu)成磁芯5的材料。具體的，隨著磁場H的增加，磁感應(yīng)B逐漸增加達(dá)到與磁芯5的正向飽和相對應(yīng)的值Bsat+。當(dāng)施加Vexcit-電壓時(shí)，模擬和有效邏輯相應(yīng)地改變符號。
參考圖3，為了有效產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，最好使用具有低飽和值Hsat+和Hsat-的材料，以及對相應(yīng)磁感應(yīng)值Bsat+和Bsat-的明確定義。如上所述，當(dāng)這些參數(shù)被定義后，他們可用于描述在線圈10和電阻器60中流動的Iexcit電流。
如上所述，在電阻器60兩端建立起與在線圈10和電阻器60中流動的Iexcit電流成正比的Vsense電壓。具體的，所述Vsense電壓的最大值取與具有相反符號的接觸電流Iexcit+和Iexcit-相對應(yīng)的相反的驅(qū)動電壓Vexcit+和Vexcit-。連接到電阻器60兩端的放大裝置20，產(chǎn)生與Vsense成正比的初級Vampl信號，并立即用于反饋以及被低通濾波器30傳送到之后的捕獲級。
很清楚，在一系列比例元件末尾的第一Vampl信號本身與接觸電流Iexcit成正比。具體的，根據(jù)本發(fā)明，在圖3中用Bsat+和Bsat-指出的磁飽和條件下，相應(yīng)的值Vampl+和Vampl-有利地被用于反饋調(diào)整電路塊70來反轉(zhuǎn)Vexcit驅(qū)動電壓。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，反饋調(diào)整電路塊70包括一個(gè)放大器75和驅(qū)動電路50。所述放大器75接收第一Vampl輸入信號，條件滿足時(shí)該信號激發(fā)驅(qū)動電路50，產(chǎn)生用于相關(guān)的源40的電壓反轉(zhuǎn)的所述第二個(gè)信號。
參考圖1和2，低通濾波器30具有提供代表在導(dǎo)體6中流動的電流的第三Vout信號的任務(wù)。具體的，濾波器30濾除了第一Vampl信號中的高頻分量，并返回包含單一直流或低頻分量的第三Vout模擬信號。例如，這可通過傳統(tǒng)的RC濾波器來實(shí)現(xiàn)，該濾波器能自然返回基本表示整個(gè)輸入信號的信號。參數(shù)R(電阻)和C(電容)的計(jì)算基于工作范圍和積分進(jìn)行的時(shí)間。所述時(shí)間計(jì)算時(shí)考慮了電壓源40振蕩的主要頻率范圍以及計(jì)劃讀入最大頻率，電流I和設(shè)備1的其他參數(shù)中。
參考圖2，在導(dǎo)體6中無電流流動的電流I條件下，存在一個(gè)與上述基本對稱的現(xiàn)象；因而低通濾波器30輸入零信號。
如果非零電流I在導(dǎo)體6中流動，這將在磁芯5中產(chǎn)生一個(gè)磁場，該磁場將與由線圈10中流動的接觸電流Iexcit產(chǎn)生的磁場相交迭。所述交迭導(dǎo)致在線圈10和電阻器60中流動的Iexcit電流值的瞬時(shí)改變；這一改變和導(dǎo)體6中流動的電流I的值成正比。在幾何術(shù)語上，圖2中的Vexcit曲線，如前所述，與接觸電流Iexcit成正比，經(jīng)歷與在導(dǎo)體6中流動的電流I成正比的向上或向下運(yùn)動。Vampl曲線呈現(xiàn)了與代表所述第一信號的趨勢相同的趨勢。因此從這一情況可看出低通濾波器怎樣返回一個(gè)與電流I成正比的第三Vout信號，并因而能顯示電流值本身，只不過小了一個(gè)相對轉(zhuǎn)換系數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及進(jìn)一步提高性能的目的，設(shè)備1包含一個(gè)放置在低通濾波器30下游的初始化器。通過一個(gè)合適的比較周期，初始化器80方便地允許精確地設(shè)置設(shè)備1的各變量，以便在導(dǎo)體6中無電流I的情況下將放大器的第一Vampl輸出信號的零點(diǎn)置中。
基于以上所述，本發(fā)明因此還與讀取直流和/或交流電的方法相關(guān)，該方法用于包含一個(gè)磁芯5的設(shè)備，所述磁芯環(huán)繞在至少一個(gè)承載電流I的導(dǎo)體6周圍。具體的，所述發(fā)明方法的特征在于包含以下階段-提供了能產(chǎn)生接觸電流(Iexit)的驅(qū)動電壓(Vexcit)，該電流環(huán)繞設(shè)備的磁芯(5)的線圈(10)中流動，所述線圈連接到電阻器(60)；-讀取所述電阻器(60)的兩端的電壓(Vsense)，產(chǎn)生和在所述電阻器(60)兩端的所述電壓(Vsense)成正比的第一電壓信號(Vampl)；-基于所述第一電壓信號(Vampl)產(chǎn)生第二信號，該第二信號能在線圈(10)和電阻器(60)中流動的電流(Iexcit)達(dá)到預(yù)置值時(shí)反轉(zhuǎn)驅(qū)動電壓(Vexcit)。
因此通過這樣實(shí)現(xiàn)的設(shè)備和方法，測量的動態(tài)范圍基本等同于電源的動態(tài)范圍；事實(shí)上，電源電壓圖(圖2)未經(jīng)受任何切斷，這與許多現(xiàn)有方案中預(yù)見的相反。該動態(tài)范圍的完整的開發(fā)與其它條件相同地被自動地轉(zhuǎn)移到設(shè)備的高級動態(tài)范圍和一般的精度。
有必要指出的是上述反饋調(diào)整電路塊70導(dǎo)致磁芯5在飽和區(qū)域保持很短的時(shí)間，其優(yōu)勢在于這種方式下能量消耗將極大減少。
所述設(shè)備和利用其實(shí)現(xiàn)的檢測方法，借助于能量吸收的優(yōu)化以及非常低數(shù)量的無源元件，其特點(diǎn)是具有極低功耗。這使得它特別適用于可用能量有限的系統(tǒng)。
依照本發(fā)明的電流檢測設(shè)備不受剩磁現(xiàn)象的影響，因?yàn)樵诿總€(gè)磁化周期，磁芯飽和所需的磁場值均被有意超過。這一正負(fù)交替變換的磁場導(dǎo)致每個(gè)磁化半周期達(dá)到正(Bsat+)和負(fù)(Bsat-)飽和，這基本上導(dǎo)致正常工作條件的自動重置，即使在例如由被測量導(dǎo)體之一的過電流引起的磁芯的意外的和不期望的飽和之后。
從前面的描述應(yīng)該理解，本檢測設(shè)備和方法可以作出各種修改和改變而不偏離本發(fā)明的真實(shí)構(gòu)思。此外，所有細(xì)節(jié)都可有技術(shù)上等效的元素代替。
基本上，材料和尺寸可根據(jù)技術(shù)要求和工藝任意選取。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測直流和/或交流電流的設(shè)備(1)，該設(shè)備包括能放置在至少一個(gè)承載電流(I)的導(dǎo)體(6)周圍的磁芯(5)；環(huán)繞所述磁芯(5)并連接到電阻器(60)的線圈(10)；電壓源(40)，該電壓源能提供驅(qū)動電壓(Vexcit)，并隨之產(chǎn)生在所述線圈(10)和所述電阻器(60)中流動的接觸電流(Iexcit)；連接到所述電阻器(60)的輸入端的放大裝置(20)，該放大裝置能產(chǎn)生與在所述電阻器(60)兩端產(chǎn)生的電壓(Vsense)成正比的第一輸出電壓信號(Vampl)；所述設(shè)備的特征在于包含一個(gè)反饋調(diào)整電路塊(70)，該反饋調(diào)整電路塊從操作角度看連接到所述放大裝置(20)和所述電壓源(40)，所述反饋調(diào)整系統(tǒng)(70)檢測所述第一輸入電壓信號(Vampl)并產(chǎn)生第二輸出信號，該第二輸出信號能在所述線圈(10)和所述電阻器(60)中所述流動電流(Iexcit)達(dá)到預(yù)置值時(shí)反轉(zhuǎn)所述驅(qū)動電壓(Vexcit)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(1)，其特征是當(dāng)在所述線圈(10)和在所述電阻器(60)中流動的所述接觸電流(Iexcit)的值能保證達(dá)到磁芯(5)的飽和條件(Bsat+，Bsat-)時(shí)，反饋調(diào)整電路塊(70)產(chǎn)生所述第二輸出信號。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備(1)，其特征是所述電壓源(40)包含有能夠產(chǎn)生方波的電路裝置，該方波構(gòu)成幅度介于兩個(gè)預(yù)置電壓值(Vexcit+，Vexcit-)之間，該方波周期可調(diào)，并可由通過反饋調(diào)整電路塊(70)產(chǎn)生的所述第二信號連續(xù)控制。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備(1)，其特征是所述電路裝置包含一個(gè)H跳線。
5.如權(quán)利要求1至4中一個(gè)或多個(gè)所述的設(shè)備(1)，其特征是包含低通濾波器(30)，該低通濾波器能產(chǎn)生代表在所述導(dǎo)體(6)中流動的電流(I)的第三模擬信號(Vout)，所述低通濾波器(30)被連接到所述放大裝置(20)的輸出端。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備(1)，其特征是所述低通濾波器(30)包含尺寸基于所述設(shè)備(1)的工作范圍的電阻器(R)和電容器(C)。
7.如權(quán)利要求1至6中一個(gè)或多個(gè)所述的設(shè)備(1)，其特征是所述反饋調(diào)整電路塊(70)包括與驅(qū)動電路(50)串聯(lián)的放大器(75)，所述放大器(75)檢測到由所述放大裝置(20)產(chǎn)生的所述第一信號(Vampl)，所述驅(qū)動電路(50)產(chǎn)生所述第二信號，該第二信號能夠反轉(zhuǎn)由所述電壓源(40)產(chǎn)生的所述驅(qū)動電壓(Vexcit)。
8.如權(quán)利要求5至7中一個(gè)或多個(gè)所述的設(shè)備(1)，其特征是包含一個(gè)初始化器(80)，該初始化器從操作角度看連接到所述低通濾波器(30)的輸出端，所述初始化器(80)能夠通過比較周期精確設(shè)置設(shè)備(1)的變量。
9.一種用于在設(shè)備中檢測要使用的直流和交流電流的方法，所述設(shè)備包括至少一個(gè)承載電流(I)的導(dǎo)體(6)周圍的磁芯(5)，所述方法的特征為包含以下階段提供驅(qū)動電壓(Vexcit)，該電壓能夠產(chǎn)生在所述線圈(10)中流動的接觸電流(Iexcit)，所述線圈(10)環(huán)繞在所述磁芯(5)并連接到所述電阻器(60)；檢測所述電阻器(60)兩端的電壓(Vsense)，并產(chǎn)生與所述電阻器(60)兩端的電壓(Vsense)成正比的第一輸出電壓信號(Vampl)；基于所述第一電壓信號(Vampl)，產(chǎn)生第二信號，該第二信號能夠在所述線圈(10)和所述電阻器(60)中流動的所述電流(Iexcit)達(dá)到預(yù)置值時(shí)反轉(zhuǎn)所述驅(qū)動電壓(Vexcit)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征是產(chǎn)生的所述驅(qū)動電壓(Vexcit)為方波，該方波的構(gòu)成幅度介于兩個(gè)預(yù)定電壓值(Vexcit+，Vexcit-)之間，該方波周期可變，并由所述第二信號連續(xù)調(diào)整。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征是當(dāng)在所述線圈(10)和所述電阻器(60)中流動的所述接觸電流(Iexcit)的值能保證磁芯(5)達(dá)到飽和條件(Bsat+，Bsat-)時(shí)，產(chǎn)生所述第二信號。
全文摘要
本發(fā)明提供了檢測直流和/或交流電流的設(shè)備，該設(shè)備能用于實(shí)現(xiàn)高靈敏度電流測量計(jì)或檢測伴隨自動開關(guān)的差分故障。本發(fā)明的設(shè)備包含能放置在至少一個(gè)承載電流的導(dǎo)體(6)周圍的磁芯(5)。線圈(10)環(huán)繞磁芯(5)并連接到電阻器(60)。電壓源(40)產(chǎn)生驅(qū)動電壓(Vexcit)，該電壓能允許接觸電流(Iexcit)在所述線圈(10)和所述電阻器(60)中流動。放大裝置(20)用于檢測電阻器(60)兩端的電壓(Vsense)以產(chǎn)生表示上述定義的電流(Iexcit)的第一信號(Vampl)。本發(fā)明的設(shè)備還包含反饋調(diào)整電路塊(70)，其捕獲第一輸入信號(Vampl)來產(chǎn)生第二信號，該第二信號在接觸電流(Iexcit)達(dá)到預(yù)置值時(shí)反轉(zhuǎn)所述驅(qū)動電壓(Vexcit)。
文檔編號G01R15/18GK1712973SQ20051007897
公開日2005年12月28日 申請日期2005年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月21日
發(fā)明者羅馬諾·曼佐利, 佛朗西斯科·瓦羅 申請人:Abb服務(wù)有限公司