AC-DC泄漏電流檢測(cè)(修訂).doc

開口AC和DC泄漏電流檢測(cè)器摘要：本文探討了一種通過兩個(gè)相同開口鐵芯測(cè)量較小直流或交流電流的探測(cè)器特性。為了測(cè)量直流電流，利用了由磁調(diào)制器中的交變參考電壓產(chǎn)生的不對(duì)稱磁化電流。這種磁調(diào)制器的調(diào)制頻率通常少于1kHz。由于調(diào)制頻率的限制，磁調(diào)制器對(duì)于高頻電流的測(cè)量是無能為力的。當(dāng)測(cè)量高頻電流的時(shí)候，檢測(cè)器誤差上升的同時(shí)線性度也下降了。我們使用了一種不同的技術(shù)，改善了AC/DC測(cè)量系統(tǒng)的誤差和線性度。我們沒有使用類似零磁通電流互感器之類的調(diào)制器，而是使用帶變換器和電子線路的雙極電流互感器來測(cè)量交流電流，從而提高了互感器的線性度，降低了誤差。我們制作了一種開口的、微電子電路手提式AC/DC泄漏電流檢測(cè)器。在200：1的變比下，它的電流幅值誤差小于0.3%，相角誤差小于10mrad。電流測(cè)量范圍為10mA2A，頻率范圍：0Hz10kHz。1 簡(jiǎn)介 數(shù)種電流檢測(cè)器常常用來測(cè)量線路電流。特別是鉗形電流檢測(cè)器有時(shí)會(huì)用來在不剪斷線路的情況下測(cè)量已經(jīng)安裝好的、地下電力系統(tǒng)和汽車引擎上復(fù)雜電纜的電流。在很多工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹂_口式直流、交流檢測(cè)器的需求不斷增長(zhǎng)。鉗形AC/DC電流檢測(cè)器主要是利用一個(gè)帶反饋線圈的霍爾裝置來測(cè)量電流的。這種辦法是可行的，但是有時(shí)候精度達(dá)不到要求。進(jìn)一步來說，霍爾元件需要在溫度變化的時(shí)候進(jìn)行誤差補(bǔ)償，而且它的一大缺點(diǎn)是需要一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)。在微弱電流的檢測(cè)中，霍爾元件的線性度是很差的。電子式鉗形AC/DC電流傳感器可以用來單獨(dú)測(cè)量AC、DC，或者同時(shí)測(cè)量AC和DC電流。傳統(tǒng)的鉗形AC/DC電流傳感器主要是用于工頻大電流的測(cè)量。零磁通AC/DC電流測(cè)量檢測(cè)器主要是檢測(cè)由磁調(diào)制器產(chǎn)生的不對(duì)稱磁化電流。由于磁調(diào)制器的頻率限制，這些檢測(cè)器只能用來測(cè)量直流大電流或者是低頻的交流電流。本文介紹了一種新型的使用了幾種不同技術(shù)的AC和DC電流檢測(cè)器。這種檢測(cè)器在誤差、靈敏度、線性度方面有所改善，而且它的測(cè)量頻率可以擴(kuò)展到幾百kHz，測(cè)量電流可以小到1mA。檢測(cè)器由磁芯和一個(gè)帶調(diào)制器的電子電路組成。這兩個(gè)磁鐵芯都分為兩個(gè)獨(dú)立的半繞組，每個(gè)半繞組占據(jù)著一個(gè)半矩形型芯，并且一致使用一種半矩形模型繞制。對(duì)于AC測(cè)量裝置來說，沒有使用調(diào)制器，比如零磁通電流傳感器或者是帶開關(guān)的雙極電流傳感器而是使用了一種電子電路來提高電流檢測(cè)器的線性度。在測(cè)量直流電流的情況下，檢測(cè)器使用了調(diào)制器的電流信號(hào)，這個(gè)信號(hào)由一個(gè)參考交變電壓源控制。這個(gè)電壓信號(hào)供給雙極線圈使用，所以由兩個(gè)鐵芯產(chǎn)生的感應(yīng)電流抵消了。我們制作了一種手持式的小電流鉗形AC/DC電流檢測(cè)器，檢測(cè)器使用了多芯結(jié)構(gòu)和微型電子電路。2 檢測(cè)器結(jié)構(gòu)探測(cè)器由兩對(duì)有相同繞組的半矩形結(jié)構(gòu)的矩形鐵芯裝配而成。圖1顯示的是在磁芯上一次繞組和二次繞組的繞制情況。T1和T2是磁芯。W1是單根待測(cè)電流線圈。線圈W3在磁芯T1上，在磁芯T2上的線圈W4是二次繞組。輸出線圈W2纏繞在T1和T2上。W3和W4平均地分配到兩個(gè)磁芯上（每個(gè)磁芯100圈）。探測(cè)器的尺寸為長(zhǎng)22mm，厚12mm，寬16mm。 圖1 開口AC/DC電流檢測(cè)器結(jié)構(gòu)測(cè)量原理主要和檢測(cè)由磁調(diào)制器參考交變電壓產(chǎn)生的一個(gè)不對(duì)稱磁化電流相關(guān)。磁調(diào)制器的運(yùn)算是基于磁性材料的非線性磁化曲線。圖2顯示的是使用磁調(diào)制器的檢測(cè)器原理。在回路中（圖2），一個(gè)磁調(diào)制器由兩個(gè)磁芯組成。磁體上主線圈和雙極線圈依次相連。待測(cè)直流反應(yīng)到主線圈W1中，同時(shí)一個(gè)對(duì)稱的參考交變電壓信號(hào)G1提供給雙極線圈。這個(gè)信號(hào)周期性的在兩個(gè)方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)使得磁芯飽和。作為電流中直流分量的測(cè)量后果就是磁芯的預(yù)磁方向依賴于直流分量在一次繞組中的流動(dòng)方向。磁化電流由G1產(chǎn)生。它雖然有一個(gè)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，也沒有對(duì)磁芯進(jìn)行預(yù)磁，但由于磁化曲線的非線性因數(shù)，也會(huì)造成預(yù)磁鐵芯的不對(duì)稱效果。不對(duì)稱的程度取決于預(yù)磁的程度。圖2.（a）磁調(diào)制器和電流方向（b）沒有直流情況下的磁化電流和相反方向的調(diào)制電流（c）和調(diào)制電流相同方向直流情況下的磁化電流。在電子線路的進(jìn)一步輔助下，磁化電流的不對(duì)稱度和方向是可以檢測(cè)出來的，并且直流分量的方向也能獲得。圖.2.b中顯示的是磁化電流的形式，它描繪的是沒有剩余磁場(chǎng)的情況（平均磁通為零）。圖2c中描繪的是有剩余磁場(chǎng)的情況（磁通不為零）。從圖2b中的虛線看來，如果鐵芯中的磁通平均值為零，磁化電流就會(huì)是對(duì)稱的。正的峰值和負(fù)的峰值是相等的。在磁通的平均值不為零的情況，作為測(cè)量直流電流的結(jié)果，磁調(diào)制器的磁化電流不再是對(duì)稱的，就像是在圖2c中顯示的那樣。正負(fù)峰值不再相等。交流檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)電子輔助的雙極電流帶開關(guān)傳感器和一個(gè)電子電路，這與直流電路檢測(cè)器帶電磁調(diào)制器和W3W4線圈不同。一般來說高頻交流電流是不能測(cè)量的，因?yàn)閰⒖冀涣麟妷盒盘?hào)的頻率小于幾百個(gè)Hz。在這篇文章里，參考交流電壓信號(hào)的頻率是一個(gè)330Hz的矩形波。雙級(jí)電流傳感器由兩個(gè)鐵芯組成（T1和T2），它們都有一次線圈W1和二次線圈W2隔離和勵(lì)磁。圖.3. 電流檢測(cè)器的電路圖3 檢測(cè)器與電子線路圖3顯示的是AC/DC電流檢測(cè)器的電路圖。電路圖由一個(gè)磁調(diào)制器（T1，T2，W3，W4），AC/DC選擇開關(guān)（S1-S5），電阻R1和R2，一個(gè)交變電壓信號(hào)G1，兩個(gè)峰值檢測(cè)器和一個(gè)放大器組成。當(dāng)開關(guān)選擇為DC時(shí)，直流檢測(cè)功能啟動(dòng)。當(dāng)R1和R2的值相對(duì)于兩個(gè)鐵芯（T1T2）的自感應(yīng)很小時(shí)，在鐵芯飽和的情況下，直流電流通過電阻時(shí)就會(huì)相對(duì)增長(zhǎng)的十分快。那么這些電阻上就會(huì)呈現(xiàn)出一種電壓脈沖。兩個(gè)峰值檢測(cè)器不同的輸出信號(hào)可以由差分放大器A4得到，它的信號(hào)提供給感應(yīng)線圈W3。放大器A5的信號(hào)與被測(cè)直流信號(hào)成比例。圖.4 AC/DC電流檢測(cè)器的測(cè)量誤差4 試驗(yàn)結(jié)果圖.5 當(dāng)輸入頻率變化時(shí)，交流電流檢測(cè)器的測(cè)量誤差我們使用FLUKE 5720A作為AC/DC電流源，測(cè)試電流從0.001A到2A，頻率從直流到10kHz。圖4和圖5顯示的是檢測(cè)裝置的誤差和頻率特性。測(cè)量的最大值有0.25%的變動(dòng)，這取決直流電流的方向。對(duì)于直流測(cè)量裝置來說在濕度（555）%，開氏溫度295K的情況下準(zhǔn)確率為0.3%。交流測(cè)量裝置的允許頻率從40Hz到10kHz這時(shí)的誤差在+-0.3%。檢