專利名稱：直流電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在直流漏電斷路開關(guān)之類裝置中所使用的直流電流傳感器，特別是涉及一種具有相對簡單結(jié)構(gòu)和對微弱電流變化有良好檢測能力的非常通用的直流電流傳感器，該傳感器能夠很簡單地安裝敷設到所要檢測的導線，實現(xiàn)穩(wěn)定檢測。
近些年來，隨著利用直流電流的設備，例如變換器、電力車輛等電氣裝置增加，對于為了控制而需要檢測裝在各種設備中的直流電動機負載的傳感器以及用在直流漏電斷路開關(guān)之類裝置中使用的直流電流傳感器的需要增強了。
當在交流漏電斷路開關(guān)之類裝置中使用電流傳感器時，應用電流傳感器是廣為熟知的。
然而，這種結(jié)構(gòu)方案并不能在上述直流設備中使用的漏電斷路開關(guān)中采用，因此，按常規(guī)方式熟知的分流電阻法、磁放大器法、磁多諧振蕩器法(公開號為Sho 47-1644、Sho 53-31176、Sho 59-46859的日本專利申請)、霍爾器件之類已經(jīng)研究投入實用。
分流電阻法是檢測串聯(lián)在所要檢測的連接導線回路中分流電阻兩對端處產(chǎn)生的電位差的一種方法。
在磁放大器法和磁多諧振蕩器法中，使用繞有螺線形檢測線圈的、由軟磁材料制成的鐵芯，在其中所要檢測的連接導線延伸穿過該鐵芯，在飽和磁通密度(Bs)范圍以內(nèi)，使軟磁材料制的鐵芯產(chǎn)生直流磁偏移，這種偏移由流經(jīng)所要檢測的連接導線的直流電流造成，借此使通過在繞在鐵芯上的線圈加入交流電流所產(chǎn)生的交流磁通預先沿正方向和負方向達到飽和，在某一時刻產(chǎn)生不平衡，以便由檢測線圈檢測該變化。然而磁放大器法是這樣構(gòu)成的，為了預先在鐵芯中產(chǎn)生磁通變化，一個激磁線圈繞在鐵芯上，提供具有預定值的交流電流，磁多諧振蕩器法是這樣構(gòu)成的，通過一個連接到檢測線圈的回路中的半導體器件和類似器件產(chǎn)生自激振蕩，響應于所要檢測的用于振蕩的電流，振蕩波形的占空比產(chǎn)生變化。
此外，霍爾元件法是這樣構(gòu)成的，所要檢測的連接導線按螺旋線形直接繞在由軟磁材料制成的鐵芯上，在其上局部地形成一個用于配置霍爾器件的氣隙部分，利用霍爾器件直接檢測鐵芯中的磁通變化，該磁通變化響應于流經(jīng)所要檢測的連接導線的直流電流的變化。
然而，由上述方法制成的直流電流傳感器由于如下的原因響應直流漏電斷路開關(guān)之類裝置的微弱電流變化是困難的，在目前它們實際上并沒有作為靈敏的直流電流傳感器使用。
即在分流電阻法中，由于分流電阻本身作為一個電阻配置在包含所要檢測的連接導線的回路中，引起電路中電損耗增加，使電效率變差。
同樣，由于用于檢測電阻兩對端處產(chǎn)生的電位差的檢測回路直接與所要檢測的連接導線相連，該檢測回路和所要檢測的連接導線實現(xiàn)電氣絕緣是困難的，例如，檢測回路和諸如微機控制回路之類的附加電路不能直接連接，導制通用性不佳。
除了這個缺點以外，兩個分流電阻還必須配置在所要檢測的連接導線的回路中，以便在漏電斷路開關(guān)中采用分流電阻法，事實上，要使各個分流電阻的特性一致是困難的，因此精確測量電位差是不可能實現(xiàn)的。
此外，為了通過比較由連接到各自分流電阻上的檢測回路所測量的電位差來檢測微小的漏電，必須經(jīng)過非常復雜的電路來連接各個檢測回路，因此，難于提供一種非常實用的直流電流傳感器。
在磁放大器法和磁多諧振蕩器法之中，盡管檢測回路和所要檢測的連接導線可以是電氣絕緣的，如前所述，由軟磁材料制成的鐵芯必須要用流經(jīng)所要檢測的連接導線的直流電流來產(chǎn)生磁偏移，以便使飽和狀態(tài)接近飽和磁通密度(Bs)。當使用公知的軟磁材料例如坡莫合金作鐵芯時，并且例如流經(jīng)所要檢測的連接導線的電流約為幾十毫安時，所要檢測的連接導線必須繞軟磁材料鐵芯幾十到幾百匝或更多，因此，對原本要求待測的連接導線一匝貫穿的漏電斷路開關(guān)之類裝置來說，使用該直流電流傳感器是困難的。
此外，在霍爾器件法中，檢測能力必然由霍爾器件的特性決定，當使用目前所知的霍爾器件時，例如流經(jīng)待測的連接導線的電流大約為幾十毫安，待測的連接導線在軟磁材料鐵芯上必須繞幾百到幾千匝，因此，與磁放大器法和磁多諧振蕩器法相似，對要求待測連接導線單匝貫穿的漏電斷路開關(guān)之類的裝置來說，作為直流電流傳感器使用是困難的。
本發(fā)明的目的是提供一種靈敏的直流電流傳感器，它解決了上述難題，并具有相對簡單的結(jié)構(gòu)和良好的檢測能力，適用于直流漏電斷路開關(guān)之類裝置，特別是對微弱電流變化的檢測。
具體說，本發(fā)明的另一目的是提供一種通用的直流電流傳感器，對待測的連接導線安裝非常簡單。
本發(fā)明人已經(jīng)指出這樣的事實，當待測的連接導線延伸貫通過由環(huán)狀軟磁材料構(gòu)成的檢測鐵芯時，連接導線以螺旋線形繞在檢測鐵芯上并使其通以直流電流，相對于直流電流的方向產(chǎn)生一個順時針方向的磁場并在檢測鐵芯中產(chǎn)生磁通φ0，因為流經(jīng)待測的連接導線的電流是直流電流，磁通φ0是恒定的，在檢測線圈中沒有產(chǎn)生電動勢，要想在檢測線圈中產(chǎn)生電動勢，是通過在檢測鐵芯中局部形成一個氣隙，該氣隙利用一個磁體使之開閉以構(gòu)成一個磁開關(guān)，利用該磁開關(guān)使磁通φ0隨時間改變(開通-斷開)。
此外，為使上述結(jié)構(gòu)更具體，作為各種研究的結(jié)果，本發(fā)明人已經(jīng)證實，通過在檢測鐵芯中配置一個用于周期性地局部形成磁氣隙的裝置，可以實現(xiàn)這個目的，取代機械的磁開關(guān)，相對于由流經(jīng)連接導線的直流電流在檢測鐵芯中沿環(huán)繞方向產(chǎn)生的磁通，該檢測鐵芯產(chǎn)生一個基本上沿正交方向的磁通，從而實現(xiàn)與上述磁開關(guān)基本相類似的工況。
就特定結(jié)構(gòu)而言，它可以這樣構(gòu)成，除了配置一個與檢測鐵芯的環(huán)繞方向垂直正交連接的、由軟磁材料構(gòu)成的激磁鐵芯以形成環(huán)形以外，在檢測鐵芯的一部分上，激磁線圈整體呈螺旋線形繞在激磁鐵芯上，另外，沿一個相對于檢測鐵芯的環(huán)繞方向的垂直正交方向，通過向激磁線圈施加直流電流使激磁鐵芯勵磁，以便使檢測線圈和激磁鐵芯的相交處周期性地產(chǎn)生磁飽和，借此，磁飽和的相交處基本形成在磁氣隙中。
即事實上，檢測鐵芯的磁飽和的相交處的相對導磁率μ無限地接近于1，該磁飽和部分的功能與磁氣隙相同，在檢測鐵芯中的磁通φ0按照恒定的時間階段降低，隨著磁通變化在檢測線圈中可以產(chǎn)生電動勢。
本發(fā)明人已經(jīng)對上述基本結(jié)構(gòu)的直流電流傳感器進行了各種改進，特別是為了將直流電度傳感器簡便地安裝到連接導線上，采用這樣一種方式，即在貫穿檢測鐵芯配置被測連接導線時，至少在沿環(huán)繞方向的一個部分處該檢測鐵芯是可分開的，使用若干檢測鐵芯元件，通過將激磁鐵芯、激磁線圈和檢測線圈有效地配置在各檢測鐵芯中的一個上，來實現(xiàn)該目的。
即本發(fā)明的直流電流傳感器包含由環(huán)形軟磁材料構(gòu)成的檢測鐵芯，在其中配置一個待測連接導線，通過該導線流有直流電流，用于實現(xiàn)無觸點檢測，檢測鐵芯是由若干檢測鐵芯元件構(gòu)成的，在貫穿該鐵芯配置待測的連接導線時，至少在沿圓周方向的一個部分處在各檢測鐵芯元件的其中一個上該鐵芯是可分開的，至少一對環(huán)形的由軟磁材料構(gòu)成的激磁鐵芯提供有與檢測鐵芯元件的環(huán)繞方向正交連接的鐵芯相交處，該對激磁鐵芯通過各檢測鐵芯元件按對置方式配置，以便利用基本垂直于由流經(jīng)待測的連接導線的直流電流所產(chǎn)生的沿環(huán)繞方向的磁通的磁通使各檢測鐵芯元件中的一部分產(chǎn)生磁飽和，并且周期性地利用沿環(huán)繞方向的磁通阻斷一個磁路。此外，各激磁線圈繞在各激磁鐵芯上，各個激磁線圈連接用于反相激磁，或者各個激磁線圈這樣連接，使得可以施加具有90°相對相位差的激磁電流，檢測線圈呈螺旋形整體繞在激磁鐵芯上。
本發(fā)明的直流電流傳感器包含一個由若干檢測鐵芯元件構(gòu)成的檢測鐵芯，以便在貫穿該鐵芯配置待測導線時，至少在沿環(huán)繞方向的一個部分處該檢測鐵芯是可分開的，其中通過將激磁鐵芯、激磁線圈和檢測線圈與各檢測鐵芯元件中的一個有效地構(gòu)成一體，不再需要在其它的檢測鐵芯元件之間相互連接，因此，它容易安裝到待測連接導線上，可以大量減少安裝時斷開導線的可能性，故可實現(xiàn)直流電流傳感器的可靠安裝。
由于如在實施例中所示的，本發(fā)明的直流傳感器對微弱電流變化具有良好的檢測能力，當在直流漏電斷路開關(guān)之類的裝置中應用時，僅僅通過將待測連接導線延伸通過檢測鐵芯，就能實現(xiàn)所要求的靈敏檢測，該結(jié)構(gòu)相對簡單，直流電流傳感器可以做得更小。
此外，不僅是流經(jīng)待測的連接導線的直流電流的絕對值，而且它的方向也能檢測，使得它能更有效地應用在這一技術(shù)領(lǐng)域，在其中需要諸如正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)或者進退控制，例如使用直流電動機的驅(qū)動裝置的控制，通過改變直流電流的方向來實現(xiàn)。


圖1是表示本發(fā)明的直流電流傳感器的一個實施例的輪廓的解釋性透視圖。
圖2是沿圖1所示的直流電流傳感器的線a-a所取的縱向斷面圖。
圖3是沿圖1所示的直流電流傳感器的線b-b所取的縱向斷面圖。
圖4是表示本發(fā)明的直流電流傳感器的另一實施例的輪廓的透視圖。
圖5是沿圖4所示的直流電流傳感器的線a-a所取的縱向斷面圖。
圖6是沿圖4所示的直流電流傳感器的線b-b所取的縱向斷面圖。
圖7是表示在圖4中所示直流電流傳感器結(jié)構(gòu)中的激磁電流、通過檢測鐵芯的磁通和檢測線圈中的電動勢之間相互關(guān)系的附圖。
圖8是表示在采用圖1和圖4所示的直流電流傳感器時的使用方式的解釋性示意圖。
圖9是表示在圖1所示的直流電流傳感器中，流經(jīng)待測的連接導線(1)的直流電流(-微小區(qū)間)和輸出之間相互關(guān)系的線性變化圖。
圖10是表示圖1所示的直流電流傳感器作為一種鉗型儀表使用的情況下的使用方式的解釋性透視圖。
圖11是表示在發(fā)明本發(fā)明的直流電流傳感器之前所發(fā)明的直流電流傳感器的輪廓的解釋性透視圖。
圖12是表示在圖10中所示的直流電流傳感器中作用頻率之間相互關(guān)系的附圖，其中圖12(A)表示頻率和激磁電流之前的相互關(guān)系，圖12(B)表示頻率和通過檢測鐵芯的磁通之間相互關(guān)系，圖12(C)表示頻率和檢測線圈中的電動勢之間的相互關(guān)系。
圖13是表示在圖10中所示的直流電流傳感器中作用頻率之間相互關(guān)系的附圖，其中圖13(A)表示頻率和激磁電流之間的相互關(guān)系，圖13(B)表示頻率和通過檢測鐵芯的磁通之間的相互關(guān)系，圖13(C)表示頻率和檢測線圈中的電動勢之間的相互關(guān)系。
圖14是表示在發(fā)明本發(fā)明的直流電流傳感器之前發(fā)明的直流電流傳感器的輪廓的解釋性透視圖。
圖15是表示在發(fā)明本發(fā)明的直流電流傳感器之前發(fā)明的直流電流傳感器的輪廓的解釋性透視圖。
下面根據(jù)附圖具體介紹本發(fā)明的直流電流傳感器的工作。
如上所述，本發(fā)明的直流電流傳感器的特征在于，檢測鐵芯是由若干檢測鐵芯元件構(gòu)成的，以便在貫穿該鐵芯配置待測的連接導線時，至少在沿檢測芯的環(huán)繞方向的一個部分處是可分開的，至少它的基本工作原理，不管該檢測鐵芯是分開的還是不分開的都基本相同。此外，為了更清楚地介紹實施本發(fā)明的細節(jié)，在下面的介紹中，首先根據(jù)不分開的檢測鐵芯結(jié)構(gòu)介紹基本工作原理。
圖11是用于介紹本發(fā)明的直流電流傳感器工作的基本原理的解釋性透視圖。圖12和圖13表示在這種結(jié)構(gòu)中在激磁電流、通過檢測鐵芯的磁通和在檢測線圈中產(chǎn)生的電動勢之間的相互關(guān)系。
在圖11中，數(shù)碼1標注待測的連接導線，其通過由環(huán)形軟磁材料構(gòu)成的檢測鐵芯2配置。數(shù)碼3標注一個以螺旋線形卷繞在檢測鐵芯2的預定位置上的檢測線圈，其連接到一個與待測連接導線1以電氣絕緣方式固定的預定檢測回路(未表示)。
數(shù)碼4標注由環(huán)形軟磁材料構(gòu)成的激磁鐵芯，在預定的位置處激磁線圈5以螺旋線形繞在激磁鐵芯4上。在沿激磁鐵芯4的環(huán)繞方向的一個部分處，激磁鐵芯4與檢測鐵芯2正交連接，并且通過下文要介紹的工況在圖中的陰影部分或在檢測鐵芯2和激磁鐵芯4的鐵芯相交處形成一個磁飽和部分。
在該圖上，數(shù)碼43標注一個調(diào)制線圈，其沿與待測連接導線1相同的方向配置，用于降低輸出特性的滯后現(xiàn)象，這種滯后據(jù)認為是由于構(gòu)成檢測鐵芯2的軟磁材料的磁化特性(矯頑力)的影響所引起的。
在圖11所示的結(jié)構(gòu)中，當直流電流流經(jīng)待測連接導線1時，在檢測鐵芯2中相對于直流電流I產(chǎn)生順時針磁場，借此在檢測鐵芯2中產(chǎn)生磁通φ0。
同時，當向激磁線圈5通入預定交流電流以產(chǎn)生磁通時，在激磁鐵芯4中的磁通周期性地沿方向α變化，并使激磁鐵芯4周期性地產(chǎn)生磁飽和，相對導磁率μ降到接近于1，作為檢測鐵芯2的圓周一部分的鐵芯相交處6(陰影部分)實際上形成一個所謂的氣隙，在檢測鐵芯2中的磁通φ0降低到φ1。
于是，當通入激磁線圈5頻率為f0的交流電流近于峰值而使激磁鐵芯4飽和時，在流經(jīng)待測的連接導線的直流電流I如圖12所示處在正(+)方向(在圖中向上)的情況下，以及在流經(jīng)待測的連接導線的直流電流I如圖13所示處在負(-)方向(在圖中向下)的情況下，在一個激磁電流周期內(nèi)，激磁鐵芯4飽和二次。
在流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流I如圖12所示處在正(+)方向(在圖中向上)的情況下，由于這種飽和，由流經(jīng)待測的連接導線的直流電流I在檢測鐵芯2中所產(chǎn)生的磁通φ0如圖12(B)所示在頻率2f0處降低為φ1。即在2f0處產(chǎn)生調(diào)制作用。因此，當磁通變化時，如圖12(C)所示，在檢測線圈3中產(chǎn)生頻率為2f0的電壓VDET。
此外，在流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流I如圖13所示處在負(-)方向(在圖中向下)的情況下，該工況與直流電流I處在正(+)方向(在圖中向上)的情況基本相同，由于這樣的事實，即直流電流I的方向反向，在檢測鐵芯2中所產(chǎn)生的磁通的方向也反向，在檢測線圈3中產(chǎn)生的頻率為2f0的電壓VDET的相位差變?yōu)?80°。
然而，在任何一種情況下，不管流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流I的方向如何，由于電壓VDETα直流電流I來自磁通φ0α直流電流I和電壓VDETα磁通φ0的關(guān)系，因此，利用檢測線圈3可以檢測與流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流I成正比的電動勢，并且可以知道流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流I的絕對值。
此外，由于檢測鐵芯2和激磁鐵芯4正交連接，并且在激磁鐵芯4中的激磁磁通基本上沒有漏向檢測鐵芯2和通過檢測線圈3，由于通到激磁線圈5的激磁電流并沒有在檢測線圈3中產(chǎn)生電動勢，所以當流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流I為0時，VDET＝0。
由于在檢測線圈3中所產(chǎn)生的電動勢VDET的頻率是2f0并與通入激磁線圈5的激磁電流的頻率f0不同，甚至當由于檢測線圈2和激磁線圈4的形狀、尺寸等等的準確度原因，在激磁鐵芯4中的激磁磁通會產(chǎn)生漏磁并被檢測線圈3檢測到，由于漏磁分量的頻率是f0，因而能夠很容易地利用鑒頻濾波器之類進行分離，所以它也能被用作一個靈敏的直流電流傳感器。
作為對具有上述結(jié)構(gòu)的、能夠檢測微弱電流的直流電流傳感器所進行的研究的結(jié)果，已經(jīng)證實，所謂的滯后現(xiàn)象當直流電流在微弱電流范圍內(nèi)增加或減少時，即使在相同的電流數(shù)值下也會產(chǎn)生，在存在滯后現(xiàn)象的情況下，在檢測線圈中的輸出電壓(電動勢)是不同的，在這種情況下，流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流例如約為±50毫安或更小，即使當將公知的作為高相對導磁率的材料的坡莫合金C(78%Ni-5Mo-4Cu-balFe)用作檢測鐵芯2時，特別是當直流電流約為零(±20毫安)的一個“轉(zhuǎn)換區(qū)”時，在這種情況下，當直流電流增加時，輸出電壓下降;在這些情況下都產(chǎn)生所謂的滯后現(xiàn)象。
即當流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流(待測電流)為零時，即使將上述材料用作檢測鐵芯2時，由于材料的矯頑力是限定的，在鐵芯中仍剩有磁通，直到剩磁通被待測的電流所消除，在微弱電流區(qū)域產(chǎn)生由檢測線圈中的輸出電壓的滯后現(xiàn)象引起的“轉(zhuǎn)換區(qū)”，以及在測量脈動電流時的參照電平，因此在微弱電流區(qū)域內(nèi)測量時，測量值每次都不同，不可能得到精確的數(shù)值。
為了解決這些問題，如圖11所示，以與待測的連接導線1相同方向在檢測鐵芯2上繞制調(diào)制線圈43，由調(diào)制線圈43所產(chǎn)生的交流磁場疊加在檢測鐵芯2上，借此可以降低由于鐵芯的剩磁通所造成的輸出特性的滯后。
因而，當把為產(chǎn)生高于檢測線圈2的矯頑力的磁場所需的交流電流通到調(diào)制線圈43時，由鐵芯材料的矯頑力所引起的剩磁通所產(chǎn)生的滯后特性被消除，通過利用檢測電路除去所疊加的交流分量，可以增加微弱電流下的檢測靈敏度。
于是，調(diào)制線圈43按與待測的連接導線1相同的方式繞在檢測鐵芯2上，除了通過繞檢測鐵芯2一匝，以便如在圖11中所示的實施例一樣，與待測的連接導線1相同的方向延伸通過以外，根據(jù)交流磁場的必要強度，調(diào)制線圈還要按與上述相同的方向繞幾匝，而且在繞幾匝的情況下，該線圈實際上與檢測線圈3相同，以螺旋線形繞在檢測鐵芯2上。
如在圖11所示的，由于調(diào)制線圈43基本以與檢測線圈3相同的方向，在相同的位置，以螺旋形繞在檢測鐵芯2上，檢測線圈3可以公用。
即由于流經(jīng)檢測線圈3的電流頻率和流經(jīng)調(diào)制線圈43的電流頻率彼此之間本來就差別很大，即使是當它們公用時，通過配置一個濾波器可以容易地將電信號分離，該濾波器可使由具有各自功能的頻率復合的電流適當?shù)赝ㄟ^，因此，即使當調(diào)制線圈43和檢測線圈3構(gòu)成一體時，輸出特性滯后也可以降低。
同時，考慮這樣的事實，取決于流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流的方向，在檢測線圈3中產(chǎn)生的、頻率為2f0的電壓VDET的相位差如圖12和圖13所示為180°，已經(jīng)證實，通過在某一狀態(tài)下提供激磁電流，可以容易地檢測流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流的絕對值以及方向，其中由事先提前按照激磁電流兩倍頻率振蕩的振蕩器所產(chǎn)生的激磁電流的頻率被二分頻，并通過一個相位比較電路檢測振蕩輸出和檢測線圈3輸出的相位差。
即由于由連接到激磁線圈5的振蕩器振蕩產(chǎn)生的激磁電流的頻率和來自檢測線圈3的輸出VDET的頻率兩者最終都為頻率2f0，該頻率兩倍于通入激磁線圈5的激磁電流頻率，所以相位差可以容易地比較，而且可以檢測流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流的絕對值以及方向。
同樣，通過向檢測線圈3提供一個其方向和強度周期性地隨時間線性變化的電流，例如按三角波變化的電流，以便在檢測鐵芯2中產(chǎn)生偏移磁場，這樣就可以容易地檢測流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流的絕對值以及方向。
即當向檢測圈3以這樣一種狀態(tài)提供例如以三角波形式變化的電流時，其中直流電流流經(jīng)待測的連接導線1，由三角波形電流產(chǎn)生的磁通和由流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流產(chǎn)生的磁通在檢測線圈3中疊加，因此，在對檢測線圈3中產(chǎn)生的電動勢進行限幅之后，通過檢測輸出相位和檢測在正(+)側(cè)輸出時間和負(-)側(cè)輸出時間的時間比率(占空比)，可以檢測流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流的絕對值以及方向。
特別是，當向檢測線圈3提供的上述電流的最大值足以保證調(diào)準，以便產(chǎn)的磁場超過檢測鐵芯2的材料的矯頑力(αHC)時，基本上由檢測鐵芯2的材料的磁滯引起的輸出特性滯后可以降低。
此外，通過有效地綜合各種已知的電路，按圖11所示構(gòu)成的直流電流傳感器的主要優(yōu)點實際上可以更充分地發(fā)揮。
同時，在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)成激磁鐵芯的一對柱體相對軸線平行配置，柱體的二開口端的毗鄰側(cè)面與由軟磁材料構(gòu)成的連接極整體的聯(lián)接，以便由連接板和連接到其上的柱體側(cè)面構(gòu)成該檢測鐵芯，借此，直流電流傳感器的電磁不平衡以及噪聲被降低，信噪比S/N可以改進。
此外，通過采用由相對軸線平行配置的一對柱體構(gòu)成的激磁鐵芯的結(jié)構(gòu)，與圖11所示的結(jié)構(gòu)相比，連接到檢測鐵芯的激磁鐵芯的連接長度d(參閱圖11)實際上可以延長，因此，激磁鐵芯連接長度d對檢測鐵芯的磁路長度的比(磁隙比)增加，由于去磁磁場的作用在檢測鐵芯中的剩余磁通密度降低，此外由于因配置調(diào)制線圈帶來的幾何形狀尺寸的影響，使鐵芯材料的矯頑力的影響進一步被消弱。
例如，按照圖14構(gòu)成的直流電流傳感器包含上述各種作用，因此能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的測量。
即在圖11所示的結(jié)構(gòu)中，要實現(xiàn)直流電流傳感器的電磁平衡是困難的，因為連接到檢測鐵芯2上的激磁鐵芯4是一個，以及檢測線圈3、激磁線圈5和調(diào)制線圈43各自分別配置在一個位置上，而圖14所示的直流電流傳感器的構(gòu)成則出于激磁鐵芯4、檢測線圈3、激磁線圈5和調(diào)制線圈43的電磁平衡的考慮。
在圖14中，數(shù)碼1標注待測的連接導線，該導線延伸貫穿具有矩形框架的檢測鐵芯2的內(nèi)部中心部分。在檢測鐵芯2的矩形框架的長邊的兩相對位置處，成整體配置一對激磁鐵芯4a、4b，以便形成一個四棱柱。同時，激磁線圈5a、5b呈螺旋線形繞在一對激磁鐵芯4a、4b的最外側(cè)的柱體表面的側(cè)面處。一對檢測線圈3a、3b電連接，呈螺旋線形繞在該對激磁鐵芯4a、4b上。
此外，在矩形框架的檢測鐵芯2的側(cè)面部分邊的兩相對位置處，配置一對調(diào)制線圈43a、43b，以與待測的連接導線1相同的方向延伸通過，并利用預定裝置電氣串聯(lián)。
當在這樣一種構(gòu)造中，直流電流I流經(jīng)待測的連接導線1時，在檢測鐵芯2中產(chǎn)生對直流電流I成右旋關(guān)系的磁場，在檢測鐵芯2中產(chǎn)生磁通φ。
同時，當向激磁線圈5a、5b提供一個預定的交流電流，以便在一對激磁鐵芯4a、4b中產(chǎn)生沿方向α周期變化的磁通，該鐵芯4a、4b周期性地產(chǎn)生磁飽和時，作為矩形框架的檢測鐵芯2的四周方向上的一部分的，在長邊上的鐵芯相交處6實際上構(gòu)成為一個所謂的磁隙，其中相對導磁率μ極為接近1，借此使在檢測鐵芯中的磁通φ降低到φ1。
因此，像圖11所示的結(jié)構(gòu)一樣，上述直流電流傳感器也具有使一對檢測線圈3a、3b產(chǎn)生電動勢的相同結(jié)構(gòu)原理，而該結(jié)構(gòu)的效果的取得則與之相似。此外，在這種結(jié)構(gòu)中，能夠得到配置一對調(diào)制線圈43a，43b的效果，通過增加激磁鐵芯4的連接寬度d對檢測鐵芯2的磁路長度的比率，由去磁作用所形成的、降低在檢測鐵芯2中的剩磁通密度的效果，以及由于相對待測的連接導線1的總的對稱結(jié)構(gòu)使電磁平衡的效果。
同時，本發(fā)明人已經(jīng)研究出使上述結(jié)構(gòu)進一步改進的直流電流傳感器。雖然，在上述的任何一種直流電流傳感器的結(jié)構(gòu)中都能實現(xiàn)精確檢測，但是由于待測的連接導線1貫穿檢測鐵芯2配置，而檢測鐵芯整體構(gòu)成，因此將其安裝到穿引導線(待測的連接導線1)是很麻煩的。
那當安裝到穿引導線時，必須切斷電源，并且斷開連接線，以便貫穿檢測鐵芯2的通孔配置待測的連接導線1，特別是在與公眾利益密切相關(guān)的裝置例如電站中，不可能通過斷電來配備一個包含上述直流電流傳感器的漏電檢測器。
圖15所示的直流電流傳感器的構(gòu)成解決了這樣的問題，因此，它可以安裝到帶電的連接導線上并進行接線，在該處要對該連接導線切斷并再連接是困難的。
在圖15的解釋性透視圖中所表示的直流電源傳感器的基本結(jié)構(gòu)與具有上述的在圖14中所示結(jié)構(gòu)的直流電流傳感器相類似。
即數(shù)碼1標注待測的連接導線，其貫穿檢測鐵芯2的內(nèi)部中心部分。然而，在這種結(jié)構(gòu)中，檢測鐵芯2被分成一對，在檢測鐵芯元件2a、2b的端部處固定有由與檢測鐵芯元件2a、2b一樣的材料構(gòu)成的L形安裝元件60a、60b，在將在待測的連接導線1配置在預定的位置以后，利用螺栓61使它們連接成一整體。
一對激磁鐵芯4a、4b整體配置在檢測鐵芯元件2a、2b的分別相對的長的側(cè)面部分上形成一個方形柱體。同時，環(huán)繞成對的激磁鐵芯4a、4b的最外的周邊的二側(cè)表面以螺旋線形繞有激磁線圈5a、5b。
此外，檢測線圈3a、3b也以螺旋線形繞在激磁鐵芯4a、4b上。調(diào)制線圈43a、43b繞在與檢測線圈3a、3b相同的位置上。
在這種結(jié)構(gòu)中，當向待測的連接導線1提供直流電流I時，由于與圖14所示的結(jié)構(gòu)具有相同的結(jié)構(gòu)原理，利用檢測線圈3a、3b可以檢測流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流。另外也可以基本上實現(xiàn)與圖14中所示構(gòu)成的直流電流傳感器相同的效果。
本發(fā)明人已經(jīng)積累了如上所述的各種改進方案，此外，在擴展直流電流傳感器的應用范圍取得了成功，可以提供可以安裝到已有設備上的并能夠適應微弱電流變化的直流電流傳感器。
然而在圖15所示的結(jié)構(gòu)中，基本考慮3電磁平衡，這是來源于這樣的事實，即檢測線圈3a、3b、激磁線圈5a、5b以及調(diào)制圈43a、43b獨立地繞在分開的檢測鐵芯元件2a、2b上，當該直流電流傳感器安裝到處在帶電的設備中的待測連接導線1上時，用檢測鐵芯元件2a、2b環(huán)繞待測連接導線1，以便實際上貫穿檢測鐵芯元件配置連接導線而沒有將其切斷，在此之后，檢測鐵芯元件2a、2b組成一體，將檢測線圈3a、3b、激磁線圈5a、5b和調(diào)制線圈43a、43b連接。
事實上，這樣的連接是非常復雜的，在其中連接完成的結(jié)構(gòu)中，有可能當配置待測的連接導線1時要切斷導線，要求比所必須的操作要更多地小心處理。
為了解決這些問題，例如在如圖15所示構(gòu)成的直流電流傳感器中，可以采用將檢測線圈3a、3b、激磁線圈5a、5b和調(diào)制線圈43a、43b單個繞在分開的檢測鐵芯元件2a、2b和激磁鐵芯4a、4b上的辦法。
即其可以這樣構(gòu)成，激磁鐵芯4b、檢測線圈3b、激磁線圈5b和調(diào)制線圈43b并沒有配置在單個檢測鐵芯元件2b上，而是激磁鐵芯4a、檢測線圈3b、激磁線圈5a和調(diào)制線圈43僅配置在另一個檢測鐵芯2a上，通過使激磁線圈5a激磁，利用與前述相同的機理可以將預定的電動勢輸出到檢測線圈3a。
然而，圖15所示的直流電流傳感器是這樣的，最初是考慮電磁平衡配置各個鐵芯和線圈，因此，上述線圈配置可能破壞電磁平衡，此外由于激磁線圈5a的激磁信號相當大地混入到檢測線圈3a中，使得精確測量是不可能的。
特別是，由于原本在構(gòu)成檢測鐵芯2a和激磁鐵芯4a的軟磁材料中具有的磁化特性的非線性所引起的激磁信號的二次諧波混入到檢測線圈3a中，此外由于該二次諧波信號與檢測信號(檢測線圈3a的電動勢)具有相同的頻率，因此不可能以電方式將它們分開。
因此，在上述結(jié)構(gòu)中，要提供一種易于處理和通用的，具有高信噪比S/N的直流電流傳感器是困難的。
本發(fā)明的直流電流傳感器已經(jīng)被發(fā)展了，從上面介紹各種改進的細節(jié)可以明顯看出，采用圖11所示的結(jié)構(gòu)作為基本的結(jié)構(gòu)，在圖14中所表示的是考慮電磁平衡的改進結(jié)構(gòu)，在圖15中所表示的是為了擴大圖14中所示構(gòu)成的直流電流傳感器的通用性的改進結(jié)構(gòu)，它能安裝到已有的待測連接導線而無須切斷該導線，此外，為了克服圖15中所示結(jié)構(gòu)的缺點，解決上述問題，通過檢測鐵芯由若干檢測鐵芯元件構(gòu)成，以便當貫穿鐵芯配置待測的連接導線時檢測鐵芯至少在一個部分上是可分的，以及激磁鐵芯、激磁線圈和檢測線圈有效地配置在各檢測鐵芯元件的其中一個上。通過下面表述的實施例具體介紹詳細結(jié)構(gòu)。
圖1是表示本發(fā)明的直流電流傳感器一個實施例的解釋性透視圖，圖2是沿1中線a-a所取的縱斷面圖，圖3是沿圖1中線b-b所取的縱斷面圖。
在圖中，數(shù)碼1標注待測的連接導線，其配置在整體構(gòu)成一個矩形框架的檢測鐵芯2的內(nèi)側(cè)。檢測鐵芯2由檢測鐵芯元件2a和U形檢測鐵芯元件2b構(gòu)成的，檢測鐵芯元件2a是由利用下文要介紹的激磁鐵芯4的一部分連接的I形檢測鐵芯元件21a、21b整體構(gòu)成的，檢測鐵芯元件2b是預先整體構(gòu)成的。
激磁鐵芯4實際上由4個矩形柱體的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d構(gòu)成的，它們經(jīng)過I形檢測鐵芯元件21a、21b相對配置，面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d的對置部分52a、52b、52c、52d通過連接檢測鐵芯元件21a、21b整體形成并構(gòu)成為檢測鐵芯2a的一部分。
即面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d的各對置部分52a、52b、52c、52d構(gòu)成激磁鐵芯的鐵芯相交處，其基本上與檢測鐵芯元件的環(huán)繞方向成正交關(guān)系連接起來。
在圖中，數(shù)碼5a、5b標注一對激磁線圈，它們繞在激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d的相互吡鄰的部分51a、51b、51c和51d之上。同時，該對激磁線圈5a、5b連接，用于對各自的激磁線圈5a、5b進行反相激磁。數(shù)碼3標注檢測線圈，其整體呈螺旋線形繞在激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d之上。
在這樣一種結(jié)構(gòu)中，當該對激磁線圈5a、5b受到反相激磁時，由激磁線圈5a、5b在激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d中產(chǎn)生的磁通φ11、φ12、φ13、φ14方向如圖2所示。于是，當向待測的連接導線1提供一個直流電流I時，沿檢測鐵芯2的環(huán)繞方向產(chǎn)生磁通φ0，鐵磁2由該對檢測鐵芯元件2a、2b構(gòu)成，該磁通還產(chǎn)生在上面介紹的面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4a、4b、4d的各對置部分(激磁鐵芯的鐵芯相交處)52a、52b、52c、52d中，所產(chǎn)生的磁通φ沿相同的方向(環(huán)繞方向)。
由該對激磁線圈5a、5b的反相激磁所產(chǎn)生的磁通φ11、φ12、φ13、φ14，在面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d的各對置部分52a、52b、52c、52d處，實際上沿著相對磁通φ0成垂直的方向，而磁通φ0是由流經(jīng)待測的連接導線1的直流沿環(huán)繞的方向產(chǎn)生的，借此，沿環(huán)繞方向的磁通的磁路周期性地被這些部分阻斷了，利用與先前介紹的、在圖11、14和15中所示構(gòu)成的直流電流傳感器相同的電動勢產(chǎn)生的機理，在檢測線圈3中可以得到所需輸出。
然而，由于在這種結(jié)構(gòu)中該對激磁線圈5a、5b受到反相激磁，所以在激磁鐵芯元件4a和4c、4b和4d中產(chǎn)生的磁通φ11和φ13、φ12和φ14相對于檢測線圈3的繞向，彼此之間沿相反的方向，激磁鐵芯元件4a和4c、4b和4d經(jīng)過檢測鐵芯元件21a、21b而相對配置，并且與由于激磁線圈5a、5b的激磁所產(chǎn)生的漏磁通相同，激磁信號的二次諧波基本上也是不存在的，所以，可以防止激磁信號混入檢測線圈3。
特別是，選用這樣一種結(jié)構(gòu)，其中任一對激磁線圈5a、5b之間配置一個平衡電位器＞0(參閱圖1)，以便以這樣一種方式平衡向激磁線圈5a、5b提供的激磁電流，可以最大程度地去掉磁通φ11和φ13、φ12和φ14的影響(參照圖2)或者使從檢測線圈3的殘留偏差輸出變?yōu)樽钚?，S/N比可以進一步改進。
圖4是表示本發(fā)明的直流電流傳感器的另一實施例的解釋性透視圖。圖5是沿圖4中線a-a所取的縱斷面圖，圖6是沿圖4中線b-b所取的縱斷面圖。
此外，在這種直流電流傳感器中，檢測鐵芯2和激磁鐵芯4基本上與圖1所示的直流電流傳感器的對應物相似。
即在圖中，數(shù)碼1標注待測的連接導線，其配置在實際上由一矩形框架構(gòu)成的檢測鐵芯2的內(nèi)部。檢測鐵芯2由檢測鐵芯元件2a和U型檢測鐵芯元件2b構(gòu)成，元件2a通過利用下文將介紹的檢測鐵芯4的一部分連接I形的檢測鐵芯元件21a、21b而整體構(gòu)成，元件2b預先整體構(gòu)成。
激磁鐵芯4實際上由4個矩形柱形的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d構(gòu)成，它們經(jīng)過I形檢測鐵芯元件21a、21b而相對配置，面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d的對置部分52a、52b、52c、52d通過連接檢測鐵芯元件21a、21b而整體構(gòu)成，以便構(gòu)成為檢測鐵芯元件2a的一個部分。
即面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d的各對置部分52a、52b、52c、52d構(gòu)成激磁鐵芯的鐵芯相交處，它基本上以與檢測鐵芯元件的環(huán)繞方向按正交關(guān)系連接。
在圖中，數(shù)碼5a、5b標注一對激磁線圈，它們繞在激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d的各吡鄰的部分51a、51b和51c、51d上。該對激磁線圈5a、5b這樣連接，使得可以通入相對相位差為90°(90°或270°的相位差)的激磁電流，例如它們經(jīng)過如數(shù)碼71所示的(參閱圖4)90°移相電路連接到電源上。
在圖中，數(shù)碼3a、3b標注檢測線圈，它們呈螺旋線形繞在激磁鐵芯元件4a、4b以及激磁鐵芯元件4c、4d上，激磁線圈5a繞的元件4a、4b上，激磁線圈5b繞在元件4c、4d上。該對檢測線圈3a、3b反相串聯(lián)。
在這種結(jié)構(gòu)中，當向該對激磁線圈5a、5b提供具有90°相位差的激磁電流時，如圖5所示，在激磁鐵芯元件4a、4b和4c、4d中按照激磁電流的相位差，產(chǎn)生磁通φ21、φ22和φ23、φ24。然而，盡管在激磁鐵芯元件4a和4c、4b和4d中沿相同的方向產(chǎn)生各磁通，由于激磁電流存在相位差，當激磁鐵芯元件4a、4b激磁時，激磁鐵芯元件4c、4d不激磁。
于是，當向待測的連接導線1提供直流電流I時，沿該對檢測鐵芯元件2a、2b構(gòu)成的檢測鐵芯2的環(huán)繞方向以及還在先前介紹的，面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d的各對置部分(激磁鐵芯的鐵芯相交處)52a、52b、52c、52d處產(chǎn)生磁通φ0，磁通φ按相同的方向產(chǎn)生(環(huán)繞方向)。
此外，通過向該對激磁線圈5a、5b提供相對相位差為90°的激磁電流所產(chǎn)生的磁通φ21、φ22、φ23、φ24，在面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d的各對置部分52a、52b、52c、52d處，基本上沿著與磁通φ0正交的方向，該磁通φ0是由流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流沿環(huán)繞方向產(chǎn)生的，因此，沿環(huán)繞方向的磁通的磁路被周期性地由這些部分所阻斷。
然而，如上所述，由于激磁電流存在相位差，在面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d的各對置部分52a、52b、52c、52d處，當沿環(huán)繞方向的磁通的磁路被對置置部分52a、52b所阻斷時，對置部分52c、52d是連通的，沒有阻斷磁路。
下面進一步詳細介紹，例如當將圖7(a)中實線所示的激磁電流提供給激磁線圈5a時，在檢測鐵芯2中沿環(huán)繞方向產(chǎn)生磁通φ0的情況下，由于在面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4a、4b的對置部分52a、52b處產(chǎn)生的磁通φ21、φ22的作用，如圖7(B)中的實線所示，磁通φ0周期性地降到φ1。
同樣，如圖7(A)中間斷線所示，當向激磁線圈5b提供相對于向激磁線圈5a提供的激磁電流具有90°相位差的激磁電流時，由于在面向檢測鐵芯元件21a、21b的激磁鐵芯元件4c、4d的對置部分52c、52d處產(chǎn)生的磁通φ23、φ24的作用，如圖7(B)中的間斷線所示的，磁通φ0周期性地降到φ1。
即在檢測線圈3a和3b中，響應于在圖7(B)中實線和間斷線所示的磁通變化，利用先前介紹的、在圖11、14和15中所示構(gòu)成的直流電流傳感器的相同的電動勢產(chǎn)生機理，得到如圖7(C)中用實線和間斷線所表示的預定輸出。然而，當該對檢測線圈3a、3b正相串聯(lián)時，如在圖7(C)中所示的，檢測線圈3a、3b的電動勢彼此對消，實際上不能得到所需的輸出特性。
但是，當檢測線圈3a和3b反向串聯(lián)時，響應于如圖7(B)中用兩點鏈線所示的磁通變化，在檢測線圈3b中實際上產(chǎn)生如圖7(C)中用兩點鏈線所示的電動勢，因此，輸出檢測線圈3a、3b的電動勢的和。
此外，由于檢測線圈3a、3b是反相連接的，即使當外部噪聲混入到其中時，該噪聲彼此抵消，僅能精確(準確)地輸出由流徑待測的連接導線的直流電流所產(chǎn)生的電動勢。
而且，在這樣構(gòu)成的直流電流傳感器中，由于提供到激磁線圈5a、5b的激磁電流的相對相位差是90°，如前所述，由流經(jīng)待測的連接導線1的直流電流在檢測鐵芯2中沿環(huán)繞方向產(chǎn)生的磁通φ0基本上維持在一個恒定的數(shù)值，從檢測鐵芯2看來整體上并沒有被阻斷(即使當部分阻斷時，通過其它部分它還是連通的)，由于檢測鐵芯2材料的交流磁化特性變差而使輸出下降的現(xiàn)象可以防止。
即當沿對置部分52a、52b的縱方向產(chǎn)生的磁通是φab，沿對置部分52c、52d的縱方向所產(chǎn)生的磁通是φcd時，φ0＝φab+φcd，由圖7(B)看出φab+φcd＝φ0，它是恒定的，因此，在該對檢測鐵芯元件2a、2b中產(chǎn)生的磁通并沒有改變而是維持在一個與I成比例的恒定數(shù)值上。因此，檢測鐵芯元件2a、2b正是需要由具有良好的直流磁化特性的材料來構(gòu)成，可以不考慮交流磁化特性，因此例如可以采用在強度方面優(yōu)異的坡莫合金塊狀材料。
由于按圖1和圖14所示構(gòu)成的直流電流傳感器是這樣的，檢測線圈3，激磁鐵芯4和激磁線圈5整體僅配置在一對可以分開的檢測鐵芯元件2a、2b中的一個之上。它不需要連接到另外的檢測鐵芯元件上，因此易于安裝到已有的待測連接導線上，于是在安裝點斷開導線的可能性被明顯地降低了，直流電流傳感器安裝更可靠。
圖8是表示檢測鐵芯元件2a、2b結(jié)構(gòu)的解釋性示意圖，按照這種方式使用，可以使如圖1和圖4所示構(gòu)成的直流電流傳感器安裝更容易。
在圖中，數(shù)碼81a標注用于支承和固定檢測鐵芯元件2a的支承元件，81b標注用于支承和固定檢測鐵芯元件2b的支承元件，這兩者都是由具有電氣絕緣的和由非磁性材料的酚醛塑料板或有機樹脂板構(gòu)成的。同時，環(huán)氧玻璃板82a、82b粘接到支承元件81a、81b的外表面，以改進它的機械強度并保證在檢測鐵芯2、檢測線圈3、激磁鐵芯4、激磁線圈5以及外轉(zhuǎn)之間的電絕緣。另外，這些元件全部都用一防護殼83所復蓋，該防護殼由一種異向性的硅鋼片或類似材料構(gòu)成的，以防止感生的噪生混入其中。在實際使用中，為了避免在檢測鐵芯元件2a、2b的對接面處不適當?shù)碾娺B接，例如對接面被拋光，以便保證高度平整，以及為了維持良好連接，希望在支承元件81a、81b上配置各種已知的固定裝置。
本發(fā)明的直流電流傳感器是這樣的，可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)選用各種結(jié)構(gòu)，并不局限于前面介紹的、如圖1和圖4所示的結(jié)構(gòu)。
例如，盡管配置在圖11、14和15中的結(jié)構(gòu)中的調(diào)制線圈43在圖1和圖4所示的結(jié)構(gòu)中未予表示，通過在圖1和圖4所示的結(jié)構(gòu)中配置調(diào)制線圈43可以得到相同的結(jié)果。此外，通過共同采用調(diào)制線圈43和檢測線圈3為一整體的結(jié)構(gòu)，可以降低輸出特性滯后的現(xiàn)象。
由于可以容易檢測流經(jīng)待測的連接導線的直流電流的絕對值以及方向，可以選用以某一狀態(tài)向激磁線圈5提供激磁電流的裝置，其中預先由一振蕩器按激磁電流兩倍頻率振蕩輸出的激磁電流的頻率被2分頻，以便利用一個相位比較電路檢測振蕩器輸出和檢測線圈輸出的相位差;或者選用向檢測線圈3提供電流的裝置，該電流的方向和強度線性地隨時間周期性變化。例如按三角波變化，以便在檢測鐵芯中產(chǎn)生調(diào)制的磁場。此外，通過有效地綜合各種已知電路，使本發(fā)明的直流電流傳感器的主要優(yōu)點可以更有效地得到利用。
在本發(fā)明的直流電流傳感器中，當用環(huán)形軟磁材料構(gòu)成檢測鐵芯和激磁鐵芯時，對應于流經(jīng)待測的連接導線電流的強度或該傳感器所需的檢測靈敏度選擇合意的軟磁材料。通常，雖然考慮激化特性和可加工性是很好的，但是也可以單獨或綜合使用其它已知的軟磁材料，例如硅鋼片、非晶的電磁軟鐵和軟純鐵體。
環(huán)狀的軟磁材料并不局限于該所謂的環(huán)形軟磁材料，它只不過是可以選定構(gòu)成一個電磁閉合回路，除了在圖中所示的矩形框架狀檢測鐵芯和矩形柱體的激磁鐵芯以外，也可以選用各種構(gòu)造的例如圓的或橢圓的環(huán)形檢測鐵芯。
特別是，就檢測鐵芯而論，由于它是由若干檢測鐵芯元件構(gòu)成的，以便至少在沿環(huán)繞方向的一個部分處是可分開的，當配置待測的連接導線時，希望設計一種檢測鐵芯元件結(jié)構(gòu)，其易于最終組裝在一起。正如上述的實施例，還可以激磁鐵芯的一部分作為構(gòu)成激磁鐵芯元件的一個元件。當考慮最終組裝成一體時，希望檢測鐵芯盡可能少地分割開，盡可能地降低檢測鐵芯元件的數(shù)量。
還可以通過選用圖10所示的結(jié)構(gòu)用于鉗型計量器。圖10表示的是圖1中的檢測鐵芯元件2a、2b的改進結(jié)構(gòu)。即在構(gòu)成檢測鐵芯元件2a的I形檢測鐵芯元件21a、21b的端部以及U形的檢測鐵芯元件2b的端部處分別形成多處凹槽和凸起物以便嚙合元件21a和21b與激磁鐵芯4連成整體，元件2b是預先整體形成的。此外，嚙合部分之一(檢測鐵芯元件21b側(cè))用螺釘90安裝固定，另一側(cè)的嚙合部分(檢測鐵芯21a側(cè))圍繞著螺釘90開閉。
上述的凹槽和凸起物可通過對檢測鐵芯元件21a、21b的對置端部以及由厚板制成的元件2b進行機加工來形成，適當?shù)乩镁哂胁煌L度的分層的薄板來構(gòu)成檢測鐵芯元件21a、21b和2b，可以更容易地將它們制成。檢測鐵芯元件21a、21b、2b的對置部分是需要的，但不局限于凹槽和凸起物的結(jié)構(gòu)，根據(jù)所需的測量精度可以選擇使各自表面精確地精加工的結(jié)構(gòu)，以便將平整表面彼此對接。
在圖4中所示構(gòu)成的直流電流傳感器中可以相似地選用上述的結(jié)構(gòu)。
盡管，在該實施例中以這樣方式構(gòu)成激磁鐵芯，兩個矩形柱體的激磁鐵芯元件整體地吡鄰并經(jīng)過檢測鐵芯元件相對配置以形成一對激磁鐵芯，這是希望選擇的一種形式，它對應于配置激磁線圈的現(xiàn)場，例如可以經(jīng)過檢測鐵芯元件配置每一個矩形柱體的激磁鐵芯元件，或者可以配置4個矩形柱體的激磁鐵芯元件。與之相似，激磁線圈也可以根據(jù)激磁鐵芯的配置形式而繞制，例如，即使是當其構(gòu)成時是將若干激磁線圈繞在一對激磁鐵芯上，也能電連接，以使構(gòu)成該對激磁線圈，以此在整體上可以獲得前面介紹的工作效果。
在本發(fā)明的直流電流傳感器中，關(guān)于在檢測鐵芯和激磁鐵芯之間的鐵芯相交處的磁飽和，例如即使當該鐵芯相交處沒有完全飽和時，也能基本上達到飽和狀態(tài)，可以實現(xiàn)所需的檢測。
因此，通過對包括上述軟磁材料、鐵芯形狀和尺寸以及檢測線圈和激磁線圈的匝數(shù)選擇最佳狀態(tài)條件，可以提供能夠更實用的傳感器。
同時，在任何一個上述的實施例中，貫穿檢測鐵芯配置待測連接導線并不局限于一根，根據(jù)所需傳感器的尺寸也可以配置若干待測連線導線。例如當配置兩根待測連接導線而流經(jīng)兩根待測的連接導線的電流方向不同時，可僅輸出流經(jīng)兩個導體電流值的差，因此，當用于直流設備的漏電檢測時，可以最有效地實現(xiàn)本發(fā)明的直流電流傳感器的效果。
實施例1通過將由坡莫合金C(78%Ni-5%Mo-4%Cu-bal Fe)制成的0.35毫米厚的薄板沖壓成預定的形狀，制備4個矩形柱體的激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d，它們被在預定的位置彎曲并通過點焊組裝。對與激磁鐵芯元件成分相同的1.5毫米厚的薄板進行沖壓形成一對I形的檢測鐵芯元件21a、21b和U形的檢測鐵芯元件2b。然后，4個激磁鐵芯元件4a、4b、4c、4d與該對I形檢測鐵芯元件一起點焊成一整體，接著這些組合元件和U形檢測鐵芯元件2b在1100℃的氫氣環(huán)境氣體中被加熱持續(xù)3小時，在此之后，通過在400℃到600℃之間按照100℃/小時多級的冷處理進行熱處理。
以上述方式得到圖1所示的鐵芯組件。其中近似地，長度L＝26毫米，高度H＝7.5毫米，厚度W＝27毫米。
在環(huán)境矩形柱體的激磁鐵芯元件的毗鄰部分繞上一種絕緣保護的乙烯樹脂帶之后，繞一匝0.3毫米外徑的規(guī)格導線以便形成激磁線圈5a、5b，它們連接用來反相激磁。
另外，在環(huán)繞激磁鐵芯元件繞上絕緣保護的乙烯樹脂帶之后，繞300匝0.1毫米外徑的規(guī)格導線以便形成檢測線圈3。檢測線圈3與預定的濾波電路組合，以便公用一個調(diào)制線圈。
按這種方式可以完成圖1所示的本發(fā)明的直流電流傳感器。
同時，配置構(gòu)成直流電流傳感器的檢測鐵芯2a、2b，并整體連接環(huán)繞由乙烯樹脂包復層構(gòu)成外徑為8毫米的待測連接導線，最終待測連接導線1貫穿檢測鐵芯2裝置。
圖9表示在利用低通濾波器濾去11赫茲的交流分量之后，在經(jīng)過相位比較電路輸出的，檢測線圈3的輸出電動勢V的輸出變化，當配置交流電流提供裝置時，在該裝置配置一個產(chǎn)生激磁電流的振蕩器，該激磁電流具有的頻率兩倍于最終提供給激磁線圈5的激磁電流頻率，按照本發(fā)明的直流電流傳感器，在激磁線圈5a、5b和檢測線圈3上的相位比較電路以及其它回路向激磁線圈5a、5b提供頻率為3.5千赫、0.1安的交流電流作為激磁電流用來反相激磁，從振蕩器提供11赫和1毫安(峰值)的正弦交流，以使檢測線圈具有調(diào)制線圈的功能，并還向待測的連接導線1提供直流電流I，范圍為±100毫安。輸出電壓Vout是一個經(jīng)過一個具有放大作用的放大電路的輸出值，并且為了清楚地了解本發(fā)明的效果，在鄰近待測的連接導線1的直流電流為±10毫安處該輸出被放大。
從上述測量結(jié)果可以明顯看出，根據(jù)本發(fā)明的直流電流傳感器，即使在檢測鐵芯是可分開的情況下，可逆電流產(chǎn)生的輸出誤差也是很小的，甚至提供10毫安的微弱電流時，在S/N比為10或其以上可以進行有效的測量，靈敏測量是可能的。
實施例2使用實例1中的鐵芯組件。在環(huán)繞矩形柱體的激磁鐵芯元件的毗鄰部分繞上絕緣保護的乙烯樹脂帶之后，各繞15匝外經(jīng)0.3毫米的規(guī)格導線以便形成激磁線圈5a、5b，該線圈經(jīng)過預定的移相電路連接到電源上，以便向激磁線圈5a、5b提供具有90°相位差的激磁電流。
在環(huán)繞經(jīng)過檢測鐵芯元件21a、21b相對配置的激磁鐵芯元件繞上絕緣保護的乙烯樹脂帶之后，各繞上150匝的外徑0.1毫米的規(guī)格導線，以便形成檢測線圈3a、3b，它們反相串聯(lián)。檢測線圈3a、3b與預定的濾波電路綜合，以便作為調(diào)制線圈公用。
按這種方式，實現(xiàn)如圖4所示的本發(fā)明的直流電流傳感器。
同時，配置構(gòu)成直流電流傳感器的檢測鐵芯元件2a、2b，并且與環(huán)繞由乙烯樹脂包復層構(gòu)成的外經(jīng)為8毫米的待測連接導線整體連接，最終將待測的連接導線1貫穿檢測鐵芯2配置。
在利用低通濾波器濾去11赫茲的交流分量之后，在經(jīng)過相位比較電路輸出的檢測線圈3的電動勢(輸出)Vout中，如對輸出變化的測量結(jié)果所示，當配置電流提供裝置時，在該裝置中配置一個產(chǎn)生激磁電流的振蕩器，該激磁電流具有的頻率兩倍于最終向激磁線圈5a、5b提供的激磁電流頻率，按照本發(fā)明的直流電流傳感器，在激磁線圈5a、5b和檢測線圈3a、3b上的相位比較電路向激磁線圈5a、5b提供頻率為3.5千赫、0.1安、相位差為90°的激磁電流(交流電流)，從振蕩器提供一個11赫茲、1毫安(峰值)的正弦交流電流，以使檢測線圈3a、3b具有調(diào)制線圈的功能，并且還有待測的連接導線提供范圍為100毫安的直流電流，已經(jīng)證實，可以得到與圖9所示的近于相同的測量結(jié)果。
即與圖1中的直流電流傳感器相類似，在圖4所示構(gòu)成的直流電流傳感器中，即使檢測鐵芯是可以分開的，可逆電流產(chǎn)生的輸出誤差也是很小的，靈敏測量是可能的。
權(quán)利要求
1.一種直流電流傳感器，包含由環(huán)形軟磁材料構(gòu)成的檢測鐵芯，在其中配置一流有待以無觸點方式檢測的直流電流的待測連接導線，所述檢測鐵芯由若干檢測鐵芯元件構(gòu)成，在貫穿檢測鐵芯配置待測的連接導線時，該檢測鐵芯至少在環(huán)繞方向的一個部分處，在所述各檢測鐵芯中的一個上是可以分開的，至少一對激磁鐵芯經(jīng)過所述的檢測鐵芯元件而相對地配置，該對激磁鐵芯由環(huán)形軟磁材料構(gòu)成，并具有一個與所述檢測鐵芯元件的環(huán)繞方向正交連接的鐵芯交叉處，以便使所述檢測鐵芯元件的一部分，利用一個基本沿與由流經(jīng)待測連接導線的直流電流所產(chǎn)生的、沿環(huán)繞方向的磁通相正交方向產(chǎn)生的磁通來產(chǎn)生磁飽和，周期性地阻斷沿環(huán)繞方向的磁通的磁路，此外，各激磁線圈繞在各激磁鐵芯上，所述各激磁線圈連接用于反相激磁，檢測線圈整體呈螺旋線形繞在所述激磁鐵芯上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的直流電流傳感器，其中由毗鄰的兩個矩形柱體的激磁鐵芯元件構(gòu)成的激磁鐵芯經(jīng)過檢測鐵芯元件整體相對地配置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的直流電流傳感器，其中激磁線圈繞在兩個矩形柱體的激磁鐵芯元件的毗鄰部分上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的直流電流傳感器，其中檢測鐵芯由一個通過利用激磁鐵芯的一部分整體連接的一對I形檢測鐵芯元件構(gòu)成的檢測鐵芯元件，以及一個預先整體構(gòu)成的U形檢測鐵芯元件構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的直流電流傳感器，其中一對I形檢測鐵芯元件中的一個端部以這樣一種方式利用U形檢測鐵芯元件的一個端部可旋轉(zhuǎn)地安裝固定，另外的兩個端部可以自由開閉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的直流電流傳感器，其中激磁電流的平衡電位計配置在一對激磁線圈之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的直流電流傳感器，其中檢測鐵芯元件和激磁鐵芯元件是由坡莫合金構(gòu)成的。
8.一種直流電流傳感器，包含由環(huán)形軟磁材料構(gòu)成的檢測鐵芯，在其中配置一流有待以無觸點方式檢測的直流電流的待測的連接導線，所述檢測鐵芯由若干檢測鐵芯元件構(gòu)成，在貫穿檢測鐵芯配置等測的連接導線時，該檢測鐵芯至少在沿環(huán)繞方向的一個部分處，在所述各檢測鐵芯中的一個上是可以分開的，至少一對激磁鐵芯經(jīng)過所述的檢測鐵芯元件而相對地配置，該對激磁鐵芯元件由環(huán)形軟磁材料構(gòu)成，并具有一個與所述檢測鐵芯元件的環(huán)繞方向正交連接的鐵芯交叉處，以便使所述檢測鐵芯元件的一部分，利用一個基本沿與由流經(jīng)待測的連接導線的直流電流所產(chǎn)生的、沿環(huán)繞方向的磁通相正交方向產(chǎn)生的磁通來產(chǎn)生磁飽和，周期性地阻斷沿環(huán)繞方向的磁通的磁路，此外，各激磁線圈繞在各激磁鐵芯上，所述各個激磁線圈這樣連接，使得可以通以具有90°相對相位差的激磁電流，檢測線圈呈螺旋形繞在所述激磁鐵芯上，以及所述的各個檢測線圈反相串聯(lián)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的直流電流傳感器，其中由毗鄰的兩個矩形柱體的激磁鐵芯元件構(gòu)成的激磁鐵芯經(jīng)過各檢測鐵芯元件整體相對地配置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的直流電流傳感器，其中激磁線圈繞在兩個矩形柱體的激磁鐵芯元件的毗鄰部分上。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的直流電流傳感器，其中檢測鐵芯由一個通過利用激磁鐵芯的一部分整體連接的一對I形檢測鐵芯元件構(gòu)成的檢測鐵芯元件，以及一個預先整體構(gòu)成的U形檢測鐵芯元件構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的直流電流傳感器，其中一對I形檢測芯元件中的一個端部以這樣方式利用U形檢測鐵芯元件的一個端部可旋轉(zhuǎn)地安裝固定，另外的兩個端部可以自由開閉。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的直流電流傳感器，其中激磁電流的90°相差電路配置在一對激磁線圈之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的直流電流傳感器，其中檢測鐵芯元件和激磁鐵芯元件是由坡莫合金構(gòu)成的。
全文摘要
一種直流電流傳感器，待測的連續(xù)導線1貫穿檢測鐵芯2上，鐵芯2包含檢測鐵芯元件2b、檢測鐵芯21a、21b以及激磁鐵芯4的對置部分52a、52b、52c、52d；鐵芯元件4a、4b、4c、4d經(jīng)過檢測鐵芯元件21a、21b相對地配置，借此通過利用在激磁線圈5a、5b中由頻率為f
文檔編號G01R15/18GK1109974SQ9411864
公開日1995年10月11日 申請日期1994年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月12日
發(fā)明者川上誠, 山口茂 申請人:住友特珠金屬株式會社