专利名称：高精度快响应直流漏电流传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及漏电流检测产品领域。是一种对车辆、直流设备或装置中的漏电流情况进行快速检测的高精度快响应直流漏电流传感器。
背景技术：
在使用直流供电系统的企业，如电力、电信、铁路、冶金等行业，直流系统的安全运行要求十分严格。如果设备或装置上不是等电位的两点同时接地，会引起设备和装置的误 动作，造成安全事故。实时监测直流系统对地的漏电流状况，尤其是对直流系统中设备对地微小漏电流的监测，对于避免事故的发生，就显得尤其重要。因此，将直流系统接地故障隐患提前消除，避免因两点同时接地带来的危害，以及如何及时准确地排除直流系统接地故障，是长期以来急需解决的问题。特别是随着直流装备的发展和直流供电系统的大量采用，对直流漏电流的检测需求更是越来越多。直流漏电流传感器是针对直流装备及系统中的漏电流的检测需要而设计的一种穿芯式小电流传感器产品。该产品采用磁调制原理和磁平衡原理相结合的技术方案设计，传感器的综合性能得到了极大提高。特别是传感器的非线性误差和温度漂移很小，抗干扰能力较强，工作稳定性好，通过合理的结构设计和器件参数的选择，传感器的响应时间得到了极大提高，对系统的实时测量和防护效果显著。该传感器主要用于对设备的直流泄漏电流进行检测，广泛应用于直流输电、蓄电检测、直流屏、直流电源、大型医疗卫生设备、光伏、风力发电、通信基站等行业设备中，对设备的漏电情况进行反馈，通过相关的漏电保护系统对设备进行防护，以避免事故的发生，确保设备安全和人身安全。在直流设备和系统中，根据国家相关安全使用标准，对于安全防护方面都有一定的硬性要求，直流漏电流传感器是确保设备安全运行的不可或缺的一个重要元器件。
发明内容本实用新型的目的是提供一种高精度快响应直流漏电流传感器，它采用磁调制隔离技术作为小电流采样的核心技术来进行产品的设计。为了提高产品的响应时间和输出信号的温度特性，采用的是磁调制原理和磁平衡原理相结合的技术方案，采用封闭式铁芯、双线圈结构。本实用新型的目的是这样实现的它包括有传感器壳体、激磁振荡线圈、平衡反馈线圈、环形磁芯和信号处理电路，其特征是在高导磁率制作的环形磁芯的对应位置上分层绕制有两组线圈，该两组线圈分别为内层的平衡反馈线圈和外层的激磁振荡线圈，绕制好线圈的环形磁芯放置在屏蔽壳中，然后放置在耐高温传感器壳体内，用耐高温环氧树脂灌封，耐高温传感器壳体内还设置有信号处理电路，耐高温传感器壳体内的信号输出线为耐高温的电缆导线。所述的信号处理电路上依次包括有激磁振荡电路、滤波电路、放大电路、平衡驱动电路和稳压电源电路。其主要元器件包括高速低漂移运算放大器、精密稳压基准源、稳压电源模块、保护器件及电阻、电容。本结构的传感器的磁芯为高导磁率材料制成，为环形磁芯结构,被测电流从传感器环形磁芯的穿孔中通过。传感器的环形磁芯上采用高强度的耐高温漆包线绕制两组线圈，在内部绕制平衡反馈线圈，外部绕制激磁振荡线圈。耐高温的传感器壳 体内采用耐高温环氧树脂灌封，将线圈、线路板和外壳封装在一起，信号输出线采用耐高温电缆。传感器的技术实现(I)采用低漂移、高稳定性运算放大器组成磁调制振荡电路，外围辅助电阻选用温度漂移优于10PPM的产品；降低振荡线圈的电感量，保证振荡电路产生的PWM波形频率在200Hz以上，提高了传感器的响应时间；(2)有源滤波电路中的电容采用低温漂系数的电容，保证了传感器在整个温区内的滤波效果，即保证了传感器的纹波控制在一定的水平。(3)放大电路和平衡反馈电路中采用高速、低漂移运算放电器，保证了平衡反馈线圈电流能及时抵消被测电流。(4)采用屏蔽磁场效果好的硅钢片制成的屏蔽壳对测试线圈和平衡反馈线圈进行整体屏蔽，保证传感器的抗干扰性能(5)采用耐高温屏蔽导线作为传感器引出线，传感器用环氧树脂进行整体灌封，提高了产品的可靠性。本实用新型通过选取合适的磁路材料、适当的线圈电感设计和滤波电路的器件参数的设计，实现了对直流漏电流的高精度、快速隔离检测。传感器在设备运行中可以实时监测系统的漏电流状态，对设备的漏电情况进行反馈，通过相关的漏电保护系统对设备进行防护，以达到有效地避免事故的发生，确保设备安全和人身安全的目的。
图I是本实用新型的直流漏电流传感器原理图；图2是本实用新型的直流漏电流传感器电路图；图3是本实用新型的外形结构简图；图4是图3的俯视图；图5是本实用新型的内部结构示意简图。下面将结合附图，通过实例对本实用新型进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本实用新型中的例子而已，并不代表本实用新型所限定的权利保护范围，本实用新型的权利保护范围以权利要求为准。
具体实施方式
图1-5所示，图中的I为传感器壳体，环形磁芯2，在高导磁率制作的环形磁芯2的对应位置上分层绕制有两组线圈，该两组线圈分别为内层的平衡反馈线圈W2和外层的交流激磁振荡线圈W1，绕制好线圈的环形磁芯2放置在屏蔽壳中，然后放置在耐高温传感器壳体I内，用耐高温环氧树脂灌封，耐高温传感器壳体内还设置有信号处理电路板3，耐高温传感器壳体I内的信号输出线为耐高温的电缆导线。Wl为交流激磁振荡线圈，W2为平衡反馈线圈，磁环由高磁导率的坡莫合金材料制成，两组线圈分层绕制在环形磁芯2上。由激磁振荡线圈Wl和运算放大器及电阻、电容器件组成磁调制振荡电路。磁调制振荡电路产生的是PWM方波，PWM方波通过RC滤波网络可以得到与信号占空比成线性关系的直流电压，从而实现从脉冲信号到直流电压的转换。当磁环中有电流流过时，会引起PWM波的占空比变化，进而使得滤波后的直流电压变化。经过有源滤波后的直流电压信号经放大后输入给平衡驱动放大器，驱动平衡反馈线圈W2，平衡反馈线圈中的电流为I2则I2 = ^ / R，根据磁平衡传感器的等安匝原理，当磁路平衡时N1I1=N2I2，贝IJ I1 = N2I2 / N1, = N2U0 /N1R即传感器输出电压U0与被测电流I1成线性的对应关系，这样通过测量传感器的输出电压就得到了被测电流值。由于传感器是用于小电流检测，因此必须采用起始磁导率高的材料作为环形磁芯2，以确保非常小的电流就引起磁路中磁通量的变化，以便提高传感器的灵敏度和稳定性。根据传感器的响应时间，可以确定激磁振荡电路产生的PWM波形频率的最低值，只有适当提高PWM的波形频率，这样才能保证传感器的输出基本是一条直线，即传感器的纹波保持在合适的水平。PWM波形频率主要取决于激磁振荡线圈的电感，在磁芯体积固定的情况下，通过调整激磁振荡线圈的匝数可以保证线圈的电感设计成合适的值。为了提高产品的抗干扰性，在绕制好铁芯外面加了一层屏蔽，屏蔽壳是选用硅钢片叠制而成，目地是屏蔽低频磁场的影响，增强产品的抗干扰性。 磁调制振荡电路产生的是PWM方波。PWM方波通过RC滤波网络可以得到与信号占空比成线性关系的直接电压，从而实现从脉冲信号到直流电压的转换。滤波电路中的R，C参数与PWM的周期以及直流电压的精度要求直接相关。设计PWM波RC滤波电路时，应根据响应时间要求，确定时间常数，并且使RC时间常数远大于PWM周期。RC充放电时间常数应尽量相等。此外还应根据电压精度要求确定RC参数。传感器的电路板3上包括有激磁振荡电路、滤波电路、放大电路、平衡驱动电路和稳压电源电路。如图2所示，电源电路包括有电源稳压模块U3、U4，电容CA1、CA3、CA5、CA2、CA4、CA6，电源电路的输出电压为+9V和-9V ；D1和D2为防止输入电源接反的保护二极管；该电源为信号处理电路中运算放大器的工作电源，保证PWM波的幅值不随传感器工作电源的变换而变化；运算放大器U1A，激磁振荡线圈Wl，电阻Rl、R2、R3、R4组成PWM振荡电路，当环形磁芯2中通过被测电流时，线圈Wl的电感发生变化，使得PWM波的占空比发生变化；运算放大器U1B，电容C1、C4、C5，电阻R6、R20、R21组成RC有源滤波电路，PWM波经RC滤波电路滤波后变为直流电压信号；运算放大器U2B，电阻R7、R8、R9组成放大电路，对滤波后的直流电压信号进行适当放大，电容C6、C7是为了进一步提高滤波效果；Zl和Z2是两个稳压二极管，通过电阻R13、R14、R14B、R15、R16、RlO和电位器W3组成零点调整电路，通过调整电位器来调整传感器的零点输出；运算放大器U2A是平衡驱动电路，其输出端接平衡反馈线圈W2的其中一端，平衡反馈线圈的另一端接RF1、RF2、RF3、RF0电阻组成的限流电阻网络，通过调整网络电阻的大小来调整传感器的满量程输出，电阻R12 —端接运算放大器U2A的I脚输出端，一端接传感器的输出信号线，起保护作用；测量直流漏电流时，将被测电流导线穿过传感器的穿孔，电流导线的穿过方向按传感器电流标识的方向，否则传感器输出是负值。将两根导线按电流相互抵消的方式穿过传感器的通孔，还可以实现对两根电流导线中的电流差值的测量。当被测电流导线中的电流变化时，磁路中的磁场会发生变化，进而引起Wl线圈的电感发生变化，变化的电感会引起振荡电路PWM波的PWM波的占空比改变，进而使得滤波后·的直流电压变化。经过有源滤波后的直流电压信号经放大后输入给平衡驱动放大器驱动平衡反馈线圈W2，平衡反馈线圈中的电流产生反向磁场，与被测电流产生的磁场进行抵消，达到新的工作平衡，这样通过测量传感器的输出电压就得到了被测电流值的大小。综上所述，实现了本实用新型的目的。
权利要求1.一种高精度快响应直流漏电流传感器，它包括有传感器壳体、激磁振荡线圈、平衡反馈线圈、环形磁芯和信号处理电路，其特征是在高导磁率制作的环形磁芯的对应位置上分层绕制有两组线圈，该两组线圈分别为内层的平衡反馈线圈和外层的激磁振荡线圈，绕制好线圈的环形磁芯放置在屏蔽壳中，然后放置在耐高温传感器壳体内，用耐高温环氧树脂灌封，耐高温传感器壳体内还设置有信号处理电路，耐高温传感器壳体内的信号输出线为耐高温的电缆导线。
2.根据权利要求I所述的高精度快响应直流漏电流传感器，其特征是所述信号处理电路上依次包括有激磁振荡电路、滤波电路、放大电路、平衡驱动电路和稳压电源电路。
3.根据权利要求I所述的高精度快响应直流漏电流传感器，其特征是传感器的磁芯为高导磁率材料制成,为环形磁芯结构,被测电流从传感器环形磁芯的穿孔中通过。
4.根据权利要求I所述的高精度快响应直流漏电流传感器，其特征是传感器的环形磁芯上采用高强度的耐高温漆包线绕制两组线圈，在内部绕制平衡反馈线圈，外部绕制激磁振荡线圈。
5.根据权利要求I所述的高精度快响应直流漏电流传感器，其特征是耐高温的传感器壳体内采用耐高温环氧树脂灌封，将线圈、线路板和外壳封装在一起，信号输出线采用耐高温电缆。
专利摘要一种高精度快响应直流漏电流传感器，包括传感器壳体、激磁振荡线圈、平衡反馈线圈、环形磁芯，技术要点是在高导磁率制作的环形磁芯对应位置上分层绕制有两组线圈，该两组线圈分别为内层的平衡反馈线圈和外层的激磁振荡线圈，绕制好线圈的环形磁芯放置在屏蔽壳中并放置在传感器壳体内，用耐高温环氧树脂灌封，传感器壳体内还设有信号处理电路，在传感器壳体内的信号输出线为耐高温电缆导线。本新型通过测量导线中的直流小电流，实现了对单路直流漏电流和双路电流差值的高精度、快速隔离检测，在设备运行中可以实时监测系统的漏电流状态，对设备的漏电情况进行反馈，通过相关的漏电保护系统对设备进行防护，可以有效地避免事故的发生，确保设备及人身安全。
文档编号G01R19/00GK202770898SQ201220468638
公开日2013年3月6日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者李洪儒, 王晓雯, 徐海宁, 张军, 刘筝, 郑强, 白玉学, 李玲玲 申请人:沈阳仪表科学研究院