具有磁通門(mén)檢測(cè)器的電流變換器制造技術(shù)

一種閉環(huán)型電流變換器(2)，用于測(cè)量在初級(jí)導(dǎo)體(1)中流動(dòng)的初級(jí)電流(IP)，包括磁通門(mén)測(cè)量頭(7)和電子電路(16)，電子電路(16)包括用于數(shù)字信號(hào)處理的微處理器(18)。測(cè)量頭包括次級(jí)線(xiàn)圈(6)和磁通門(mén)檢測(cè)器(4)，磁通門(mén)檢測(cè)器(4)包括激勵(lì)線(xiàn)圈和磁材料芯。電子電路包括激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路(14)，激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路(14)被配置為產(chǎn)生交變激勵(lì)電壓以向激勵(lì)線(xiàn)圈供應(yīng)交變激勵(lì)電流(Ifx)，次級(jí)線(xiàn)圈(6)在電子電路的反饋回路(12)中被連接到激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路(14)，電子電路還包括紋波補(bǔ)償電路(26、28)，紋波補(bǔ)償電路被配置為補(bǔ)償由交變激勵(lì)電壓產(chǎn)生的紋波信號(hào)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利技術(shù)】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及包含用于測(cè)量在初級(jí)導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的磁通門(mén)(fluxgate)磁場(chǎng)檢測(cè)器的電流變換器(transducer)。
技術(shù)介紹
測(cè)量在初級(jí)導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的最常見(jiàn)的方式之一是檢測(cè)由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。用于電流感測(cè)應(yīng)用的電流變換器模塊可以依賴(lài)于各種參數(shù)(諸如電流測(cè)量范圍、要求的準(zhǔn)確性、噪聲不靈敏性、緊湊性、制造成本、頻率范圍以及其它)有不同的配置。在開(kāi)環(huán)型電流變換器中，磁場(chǎng)檢測(cè)器產(chǎn)生要被測(cè)量的電流的圖像，該圖像表示測(cè)量信號(hào)。在閉環(huán)型電流傳感器中，磁場(chǎng)檢測(cè)器在反饋回路中被連接到次級(jí)線(xiàn)圈，其中次級(jí)線(xiàn)圈產(chǎn)生趨于抵消由初級(jí)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的補(bǔ)償電流。閉環(huán)電流變換器總體上較準(zhǔn)確，并且可以采用較靈敏的磁場(chǎng)檢測(cè)器，因?yàn)橛捎谘a(bǔ)償，所檢測(cè)的磁場(chǎng)的強(qiáng)度低。其中，最靈敏和最準(zhǔn)確的磁場(chǎng)檢測(cè)器是磁通門(mén)檢測(cè)器。這些檢測(cè)器包含被激勵(lì)線(xiàn)圈圍繞的可飽和軟磁芯，其中激勵(lì)線(xiàn)圈連接到產(chǎn)生交變電信號(hào)的振蕩電路，其中交流電信號(hào)被配置為交替地使軟磁芯飽和。磁場(chǎng)(例如由初級(jí)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng))在交變信號(hào)上產(chǎn)生偏置，該偏置可以被通過(guò)各種方法測(cè)量并且表示外部磁場(chǎng)。可用的最準(zhǔn)確的電流變換器之一(尤其對(duì)于高電流應(yīng)用)是如在圖1a中說(shuō)明的具有環(huán)形檢測(cè)器芯的基于磁通門(mén)的電流變換器。這樣的已知的變換器能夠測(cè)量過(guò)大而不能由其它傳統(tǒng)的電流變換器直接測(cè)量的電流，并且誤差為ppm水平或者甚至ppm水平以下。這是因?yàn)榄h(huán)形磁通門(mén)檢測(cè)器能夠準(zhǔn)確地拾取補(bǔ)償磁場(chǎng)，其中補(bǔ)償磁場(chǎng)的幅值的量級(jí)為10-6或者補(bǔ)償磁場(chǎng)比由初級(jí)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)更低。然而，這也導(dǎo)致了不是要測(cè)量的信號(hào)的部分的噪聲信號(hào)即使小也干擾測(cè)量的缺點(diǎn)。這些噪聲信號(hào)中的一個(gè)由磁通門(mén)檢測(cè)器的運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生。一些傳統(tǒng)的基于磁通門(mén)的電流變換器允許對(duì)這一激勵(lì)信號(hào)的一定水平的補(bǔ)償，以使得其被降低為輸出信號(hào)中和要測(cè)量的電流的電路中的小的殘余。然而，這增大了變換器的成本。已知的基于磁通門(mén)的電流變換器的在圖1a和1c中說(shuō)明的已知的磁通門(mén)測(cè)量頭7包含圍繞著兩個(gè)環(huán)狀磁通門(mén)檢測(cè)器4、4’的磁屏蔽件8，其中磁通門(mén)檢測(cè)器4、4’中的每個(gè)由纏繞在軟磁材料芯5周?chē)募?lì)線(xiàn)圈3構(gòu)成。次級(jí)線(xiàn)圈6纏繞在磁屏蔽件周?chē)Ｈ缭趫D3a中說(shuō)明的，磁通門(mén)檢測(cè)器4、4’的激勵(lì)信號(hào)的電壓特性有幾乎為矩形的輪廓。激勵(lì)頻率由激勵(lì)電壓和磁通門(mén)的飽和磁通確定以使得激勵(lì)頻率是自激振蕩的，或者，激勵(lì)頻率在相對(duì)小的頻率范圍內(nèi)與外部信號(hào)同步。磁通門(mén)檢測(cè)器中的一個(gè)經(jīng)常被用于僅補(bǔ)償激勵(lì)信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是在變換器的初級(jí)側(cè)上和次級(jí)側(cè)上存在的殘余紋波相對(duì)低，其中殘余紋波影響要測(cè)量的電流。然而，缺點(diǎn)包括第二磁通門(mén)的制造成本以及在初級(jí)電路和次級(jí)電路中存在的高頻噪聲，其中該高頻噪聲由具有陡邊沿的幾乎為矩形的激勵(lì)電壓的諧波導(dǎo)致。在圖1a和1c中說(shuō)明的磁通門(mén)測(cè)量頭的等效電路在圖1b中表示，其中：Lh是主電感Rfe是鐵耗電阻Cs是繞組的寄生電容Ls是泄漏電感Rcu是繞組的電阻NS是次級(jí)線(xiàn)匝的數(shù)量Nfx是檢測(cè)器線(xiàn)匝的數(shù)量Rm_S是次級(jí)電路的測(cè)量電阻器的電阻Rm_fx是磁通門(mén)檢測(cè)器的測(cè)量電阻器的電阻參考圖1b和1c，磁通門(mén)檢測(cè)器4、4’兩者與次級(jí)主電感Rcu_fx加Ls_fx串聯(lián)連接，并且其整體與初級(jí)電路P和次級(jí)電路S并聯(lián)連接。對(duì)于高頻范圍，必須要測(cè)量的來(lái)自初級(jí)導(dǎo)體的電流通過(guò)電流互感器效應(yīng)被直接傳遞到次級(jí)電路。由于是閉環(huán)系統(tǒng)，對(duì)于DC信號(hào)和低頻信號(hào)，通過(guò)磁通門(mén)檢測(cè)器的電流允許次級(jí)電路補(bǔ)償初級(jí)導(dǎo)體安培匝數(shù)(ampereturn)。一般以方形電壓對(duì)磁通門(mén)檢測(cè)器激勵(lì)，如圖3a中可以看出的，由于激勵(lì)電壓的陡峭的斜率，通過(guò)電磁耦合，方形電壓在初級(jí)側(cè)上和次級(jí)電路上產(chǎn)生紋波。第二磁通門(mén)檢測(cè)器的目的是最小化這些非期望的效應(yīng)。圖2表示沒(méi)有第二磁通門(mén)檢測(cè)器4’的等效電路。激勵(lì)電壓Vfx_in通過(guò)變壓器效應(yīng)產(chǎn)生電壓U1。這一電壓被分配在電路部分Z2和Z3上(初級(jí)電路P斷開(kāi))，并且因此產(chǎn)生耦合到次級(jí)電路S的電壓U3。結(jié)果是通過(guò)測(cè)量電阻器Rm_fx1的噪聲電流的基頻與激勵(lì)電壓的頻率相同。圖3a-3c的圖像說(shuō)明了這一效應(yīng)。圖3a示出了激勵(lì)電壓Vfx_in和通過(guò)磁通門(mén)測(cè)量電阻器的電壓Um_fx。圖3b呈現(xiàn)了由于磁通門(mén)檢測(cè)器電路與次級(jí)電路之間的磁耦合導(dǎo)致的在次級(jí)測(cè)量電阻器兩端的紋波電壓Um_s的全局視圖。圖3b和3c中的峰主要是由于激勵(lì)電壓切換期間的寄生耦合。在確保變換器的帶寬的條件下，可以通過(guò)濾波部分地降低峰。通過(guò)如圖1a到1c中示出的將第二磁通門(mén)檢測(cè)器4’放置在屏蔽件5中，并且以與激勵(lì)電壓Vfx_in相同但相位偏移180°的電壓對(duì)第二磁通門(mén)檢測(cè)器4’激勵(lì)，可以減少低頻紋波。由此，電壓U1和U1’的和應(yīng)趨于零，從而抵消如在圖1d的等效電路中說(shuō)明的耦合的效應(yīng)。總之，第一磁通門(mén)4被用作檢測(cè)器(主)，而第二磁通門(mén)4’被用于減少紋波(從)。雖然第二磁通檢測(cè)器允許對(duì)紋波的部分抵消，但是沒(méi)有抵消峰。這一已知的系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高。由激勵(lì)信號(hào)導(dǎo)致的噪聲的問(wèn)題不限于以上描述的特定配置，并且可能在其它基于磁通門(mén)的變換器中被發(fā)現(xiàn)，尤其是在被用于要求高精確度的應(yīng)用的基于磁通門(mén)的變換器中。本專(zhuān)利技術(shù)的一個(gè)目的是提供具有準(zhǔn)確的磁通門(mén)磁場(chǎng)檢測(cè)器的電流變換器，并且該電流變換器對(duì)于生產(chǎn)和裝配是緊湊和經(jīng)濟(jì)的。提供可靠的、容易實(shí)現(xiàn)的和使用上經(jīng)濟(jì)的電流變換器是有利的。提供在其預(yù)期壽命內(nèi)穩(wěn)健的并且穩(wěn)定的電流變換器是有利的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本文公開(kāi)了用于測(cè)量在初級(jí)導(dǎo)體中流動(dòng)的初級(jí)電流的閉環(huán)型電流變換器，該電流變換器包含磁通門(mén)測(cè)量頭和電子電路，該電子電路包括用于數(shù)字信號(hào)處理的微處理器。測(cè)量頭包括次級(jí)線(xiàn)圈和磁通門(mén)檢測(cè)器，磁通門(mén)檢測(cè)器包含安裝在磁屏蔽件內(nèi)部的激勵(lì)線(xiàn)圈和磁材料芯。電子電路包含激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路，激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路被配置為產(chǎn)生交變激勵(lì)電壓以向激勵(lì)線(xiàn)圈供應(yīng)交變激勵(lì)電流。次級(jí)線(xiàn)圈在電子電路的反饋回路中連接到激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路。電子電路還包含紋波補(bǔ)償電路，紋波補(bǔ)償電路被配置為通過(guò)將紋波補(bǔ)償信號(hào)注入測(cè)量頭的線(xiàn)圈中來(lái)補(bǔ)償由交變激勵(lì)電壓產(chǎn)生的紋波信號(hào)。根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的第一方面，紋波補(bǔ)償電路包含纏繞在磁屏蔽件周?chē)蛘呃p繞在次級(jí)線(xiàn)圈周?chē)膶?zhuān)用的紋波補(bǔ)償線(xiàn)圈，其中該磁屏蔽件圍繞磁通門(mén)檢測(cè)器，紋波補(bǔ)償信號(hào)被注入到紋波補(bǔ)償線(xiàn)圈中。在一個(gè)變形中，紋波補(bǔ)償信號(hào)可以被注入到測(cè)量頭的次級(jí)線(xiàn)圈中。在一個(gè)變形中，紋波補(bǔ)償信號(hào)可以被注入到測(cè)量頭的纏繞在次級(jí)線(xiàn)圈周?chē)撵o電屏蔽線(xiàn)圈中。根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的第二方面，微處理器包含控制器，該控制器被配置為控制被施加到磁通門(mén)檢測(cè)器的阻抗兩端的交變激勵(lì)電壓的幅值，從而維持磁通門(mén)檢測(cè)器中預(yù)設(shè)的飽和水平。通過(guò)對(duì)所施加的交變激勵(lì)電壓的數(shù)字采樣和信號(hào)處理以及對(duì)采樣的信號(hào)的幅值進(jìn)行增大或減小來(lái)執(zhí)行幅值控制。根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的第三方面，交變激勵(lì)電壓基本為正弦波的形式。在有利的實(shí)施例中，微處理器包含控制器，該控制器被配置為通過(guò)對(duì)被施加到磁通門(mén)檢測(cè)器的阻抗兩端的交變激勵(lì)電壓進(jìn)行數(shù)字采樣和信號(hào)處理以及通過(guò)比較所述施加的交變激勵(lì)電壓與儲(chǔ)存在電子電路的查找表中的預(yù)設(shè)值，控制紋波補(bǔ)償信號(hào)的幅值。在有利的實(shí)施例中，預(yù)設(shè)值包括激勵(lì)電壓對(duì)應(yīng)的三個(gè)值：在限定的參考溫度處、在限定的最小運(yùn)行溫度處以及在限定的最大運(yùn)行溫度處。有利地，可以通過(guò)線(xiàn)性插值獲得預(yù)設(shè)值之間的其它值。在有利的實(shí)施例中，通過(guò)電子電路的微處理器的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種閉環(huán)型電流變換器(2)，用于測(cè)量在初級(jí)導(dǎo)體(1)中流動(dòng)的初級(jí)電流(IP)，所述閉環(huán)型電流變換器包括磁通門(mén)測(cè)量頭(7)和電子電路(16)，所述電子電路(16)包括用于數(shù)字信號(hào)處理的微處理器(18)，所述測(cè)量頭包括次級(jí)線(xiàn)圈(6)、以及包括激勵(lì)線(xiàn)圈和磁材料芯的磁通門(mén)檢測(cè)器(4)，并且所述測(cè)量頭可選地包括圍繞所述磁通門(mén)檢測(cè)器的磁屏蔽件，所述電子電路包括激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路(14)，所述激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路被配置為產(chǎn)生交變激勵(lì)電壓以向激勵(lì)線(xiàn)圈供應(yīng)交變激勵(lì)電流(Ifx)，所述次級(jí)線(xiàn)圈(6)在所述電子電路的反饋回路(12)中被連接到所述激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路(14)，其特征在于，所述電子電路還包括紋波補(bǔ)償電路，所述紋波補(bǔ)償電路被配置為通過(guò)將紋波補(bǔ)償信號(hào)注入到所述測(cè)量頭的線(xiàn)圈來(lái)補(bǔ)償由所述交變激勵(lì)電壓產(chǎn)生的紋波信號(hào)。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利技術(shù)】2014.07.30 EP 14179204.41.一種閉環(huán)型電流變換器(2)，用于測(cè)量在初級(jí)導(dǎo)體(1)中流動(dòng)的初級(jí)電流(IP)，所述閉環(huán)型電流變換器包括磁通門(mén)測(cè)量頭(7)和電子電路(16)，所述電子電路(16)包括用于數(shù)字信號(hào)處理的微處理器(18)，所述測(cè)量頭包括次級(jí)線(xiàn)圈(6)、以及包括激勵(lì)線(xiàn)圈和磁材料芯的磁通門(mén)檢測(cè)器(4)，并且所述測(cè)量頭可選地包括圍繞所述磁通門(mén)檢測(cè)器的磁屏蔽件，所述電子電路包括激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路(14)，所述激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路被配置為產(chǎn)生交變激勵(lì)電壓以向激勵(lì)線(xiàn)圈供應(yīng)交變激勵(lì)電流(Ifx)，所述次級(jí)線(xiàn)圈(6)在所述電子電路的反饋回路(12)中被連接到所述激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路(14)，其特征在于，所述電子電路還包括紋波補(bǔ)償電路，所述紋波補(bǔ)償電路被配置為通過(guò)將紋波補(bǔ)償信號(hào)注入到所述測(cè)量頭的線(xiàn)圈來(lái)補(bǔ)償由所述交變激勵(lì)電壓產(chǎn)生的紋波信號(hào)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變換器，其中所述測(cè)量頭包括專(zhuān)用的紋波補(bǔ)償線(xiàn)圈(26)，所述紋波補(bǔ)償線(xiàn)圈纏繞在所述次級(jí)線(xiàn)圈周?chē)蛘呃p繞在所述磁屏蔽件(8)周?chē)黾y波補(bǔ)償信號(hào)被注入到所述紋波補(bǔ)償線(xiàn)圈中。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流變換器，其中所述次級(jí)線(xiàn)圈的線(xiàn)匝的數(shù)量(N_S)是所述紋波補(bǔ)償線(xiàn)圈的線(xiàn)匝的數(shù)量(Nfxc)的至少十倍。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變換器，其中所述紋波補(bǔ)償信號(hào)被注入到所述測(cè)量頭的所述次級(jí)線(xiàn)圈中。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變換器，其中所述紋波補(bǔ)償信號(hào)被注入到所述測(cè)量頭的屏蔽線(xiàn)圈中。6.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的電流變換器，其中所述交變激勵(lì)電壓基本為正弦波的形式。7.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的電流變換器，其中所述電子電路包括控制器(40)，所述控制器(40)被配置為控制被施加到所述磁通門(mén)檢測(cè)器的阻抗(Rm_fx)兩端的所述交變激勵(lì)電壓的...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：W·泰潘，D·阿佐尼，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：萊姆知識(shí)產(chǎn)權(quán)股份有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：瑞士;CH