专利名称：用于可变电流测量的电流强度变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于变化电流测量的电流强度变换装置，它由一个带有磁路的电流变换器构成，该磁路至少有一个装有磁场检测器的气隙，所以磁路设计得使之能与待测电流通过的导体磁耦合，并且与至少一个测量线圈磁耦合。
这种类型的装置，在例如0194225号欧洲专利申请中已有介绍。
这种已知装置的工作是根据对一方面，由待测电流产生而另一方面，由流经测量线圈的测量电流产生的磁场进行补偿的原理实现的。
显然，在某些应用中，比如测量具有极不对称的波形的脉冲电流或间断电流、或者交流电网的闭合电流时，普通的电流变换器会饱和，并因此而无法使用。而且，通常希望能用一种较简单、廉价并小巧的装置，来测量带有叠加的高频的直流电流或低频交变电流。
本发明旨在提供一种满足这个需要的装置。
为了这个目的，本发明所述装置中包括一个电测电路，它设计得可一方面提供作为磁路中气隙间磁场函数的第一测量信号(Us)，而另一方面提供作为测量线圈内电流函数的第二测量信号(UR)。
磁场检测器最好是一个霍尔效应器件，测量电路设计得可提供作为第一测量信号的可调节正比于气隙间磁场的第一测量电压(Us)，而第二测量信号就是出现在与所述测量线圈串联的测量电阻两端的电压(UR)。
测量电路最好设计得能将所述第一和第二测量电压叠加起来。
测量电路还最好设计和调整得使得当测量线圈断开时，流经所述供待测电流通过的导体的正弦参考电流产生一个与由一个无气隙的理想电流强度变换器在所述测量电阻的两端所产生的理论电压相等的测量电压。
在一个优选实施例中，霍尔效应器件通过一个电源输入端和一个电源输出端连接到一个激励电流发生器上，并且所述霍尔效应器件的电源输出端连接到一个运算放大器的输出端，后者有两个输入端，其中之一接测量用的参考电位，比如说地线，另一个输入端连接到霍尔效应器件的一个测量端上。在这种情况下，霍尔效应器件的一个测量端保持于参考电位，而由霍尔效应器件输出的测量电压出现在相对于所述参考电位另一测量端上。
该装置最好装有一个增益可调放大器，其一个输入端加有霍尔效应器件输出的测量电压而其一个输出端接在所述测量电阻的一端，这个测量电阻的另一端作为测量电路的输出端。测量电阻还可以连接到霍尔效应器件的一个输出端上，输出测量信号;霍尔效应器件通过电源端由一个提供可调激励电流的电流发生器来供电。
这个装置可以带有两个或更多的气隙，每个配有一个磁场检测器每个检测器提供为相应气隙内磁场函数的信号。测量电路设计得能够完成这些检测器所提供的信号与测量线圈内电流函数的第二测量信号的叠加。
这个装置最好还包含一个保护电路，以便能检测出由霍尔效应器件所产生测量电压是否超出至少一个阈值，并且当这样的超出出现时发出一个出错信号。
本发明的其它特点、优点和细节可从以下对附图中所示的一个典型实施例的描述中明显看出，其中仅有的
图1表示一个本发明所述带有测量电路的电流变换装置。
在图1中，待测的初级电流Ip流经一个横向由一个带有气隙3的磁路2所环绕的导体1。这个磁路可以是诸如由一种具有良好磁导率的材料或由形成类似于变压器铁芯的叠层结构的叠层金属片制成的环形铁芯的形状。一个测量线圈4装在这个磁路上并通过一个用开关6示意性地表示出的接续器件连接到一个测量电阻R上。一只霍尔元件放在气隙3内，以便受到出现在这个气隙内的磁场的作用。
在图1的接线图中单独表示了带有其连接线的霍尔元件5。激励电流i通过由例如包括一只晶体管T、电阻r1和r2以及一只齐纳二极管在内的如图1所示连接在该元件第一电源端7上的电路所构成的电流发生器送至元件5。该元件的第二电源端8的电位由一个按图1所示安装的运算放大器11连续控制，从而使得连接在放大器11第一输入端(一)上的霍尔元件第一测量端9保持于加在这个放大器第二输入端(十)上的电位，这个电位为一个参考电位，比如图1的例子中的地。相应地在霍尔元件的第二测量端10，出现一个与存在于气隙3内的磁场H成正比的相对于这个地的测量电压。
输出端10连接到运算放大器13的第一输入端12，而其第二输入端14连接到一个接在地与运算放大器13的输出端15之间的分压器的中点上。在这种情况下该分压器包括一只固定电阻和一只能控制出现在输出端15的测量电压Us值，换句话说，能调节这个电压与磁场H之间比例系数的可变电阻r。
当待测电流Ip带有比如说一个直流成分和一个可变成分时，后者会在线圈4内感生出一个反电动势。这个线圈连接到电阻R，相应的安匝数ATs、初级安匝数ATp，即此处的Ip，和磁场H由关系式ATp＝HL+ATs联系起来，其中L为气隙的长度。因而电压Us可作为初级电流Ip的成分HL的量度，该成分造成磁路的磁化，即实际上形成了气隙内的磁通，因为磁路铁质部分极高的磁导率允许忽略使磁通环绕磁路其余部分所必需的磁通势。至于电阻R两端的电压UR，它是一个由磁通变化而产生并由次级安匝数补偿的初级电流成分的量度。
为了将电压Us相对于电压UR作标准，采用一个直流的或正弦电流的参考初级电流。用正弦电流校准时，将开关6打开，使线圈4断开，从而使对电流测量仅通过气隙内磁场测量来完成。然后通过用电阻r调节放大器13的增益来调节电压Us，使得Us的幅度等于一个无气隙的理想电流强度变换器所产生的电压UR幅度的理论值，即此处Us＝R·Ip/Ns，其中Ns是线圈4的匝数。因而电压UR和Us可以叠加起来作为包括直流成分在内的总电流强度的量度。在图1的线路图中，总测量电压出现在M端，电阻R接在端15与M之间。
按照本发明的一个实施例(未予图示)，测量电阻R直接接到霍尔元件，就是说接到其端头10，这个元件由一个提供可调激励电流的电流发生器供电，从而使得可以调节霍尔元件的输出电压。
还可以将电阻R的一端接地并按照已知的方法用连接到运算放大器“一”输入端的合适电阻来把电压UR加到经或未经放大的霍尔元件输出电压上。然而，将电阻R与测量电压Us串联具有不会因限制幅度和运算放大器带宽而引起测量信号UR失真的优点。
这种装置特别有利于脉冲电流或大幅值的短路电流的准确测量，或用于连续成分相对较小的大的初级电流的情况，还可用于在一个有限的时间间隔内具有直流成分的交变初级电流如交流电网闭合电流的情况。
图1还表示装有一个由16简略示出的保护电路，它设计得可检测出霍尔元件输出的测量电压在一个极性或另一个极性方向上是否超过某个阈值。为了这个目的，端头15分别接到两个比较器17、18的输入端“-”和“+”上，这些比较器相应的符号相反的输入端连接到两只串联的齐纳二极管的两端，它们的公共接点接地并且它们的外侧端头分别通过电阻接到电路的电压源的正负极上。与这些齐纳二极管并联接有一只电位器19，其滑动端通过一只电阻r4连接到运算放大器11的输入端20，低阻值的电阻r5接在这个输入端与地之间。这只电位器能够抵消无初级电流时信号Us的偏移电压，该偏移电压是由元件5和运算放大器11、13的偏移电压叠加在一起形成的。
由集电极开路的晶体管组成的比较器17、18的输出端接在一起并通过一只电阻接到电压源的正极。每个比较器的设置方法是当加在其上的测量电压在该电压的极性方向上超过相应的齐纳二极管所限定的阈值时使之导通。于是一个输出信号，如负出错信号D，出现在图示的电路中并指示譬如磁路饱和或者工作于霍尔元件的非线性区域。
根据应用，将磁路分成两个分支以便得到一个可以断开，使初级导体进入磁路内的电路可能是有利的。在这种情况下，磁路将带有比如说两个气隙，每个配有一只霍尔元件，这些元件的独立可调的测量电压在测量电路中叠加。测量线圈可装在两个分支磁路上，而后者可以比如钳式电流表的方式铰接起来。
气隙和相应的霍尔元件数目不仅仅限于两套并且在有极大的待测电流情况下最好超过两套。
在有几个元件的装置的情况下，各个元件电压的相加是通过比如说将第一个元件的端头10接到下一个元件电源电路的输入端，即接到与端头20相对应的一端来实现的。因而出现在每个元件输出端，如10处的电压就作为下一个元件的参考电位，而所有元件测量电压的总和出现在最后一个元件的输出端。
另一方面，在所测电流相对较小的情况下，最好采用有若干匝的初级导体以提高直流成分测量的准确度。
权利要求
1.一种用于可变电流测量的电流强度变换装置，它包括一个带有磁路的电流变换器，该磁路至少有一个装有磁场检测器的气隙，所述磁路设计得使之能与待测电流通过的导体磁耦合，并与至少一个测量线圈磁耦合，其特征包括一个设计得能一方面提供作为所述磁路气隙内磁场函数的第一测量信号(Us)，另一方面提供作为所述测量线圈内电流函数的第二测量信号(UR)的电测电路。
2.权利要求1所述装置，其特征是磁场检测器是霍尔效应器件，测量电路设计得能提供作为第一测量信号的与气隙内磁场正比可调的第一测量电压(Us)，且所述第二测量信号是出现在一只与所述测量线圈串联的测量电阻两端的电压(UR)。
3.权利要求2所述装置，其特征是测量电路设计得能将第一和第二测量电压叠加起来;
4.权利要求3所述装置，其特点是测量电路设计并调整得使一个流经供待测电流通过的所述导体的正弦参考电流在测量线圈断开状态下产生一个与由无气隙理想电流强度变换器在测量电阻两端产生的理论电压相等的测量电压。
5.权利要求1所述装置，其中磁场检测器是霍尔效应器件，或如权利要求2至4所述的装置，该霍尔效应器件通过一个电源输入端和一个电源输出端连接到一个激励电流发生器上，并具有第一和第二测量端，其特点是所述霍尔效应器件电源输出端连接到一个带有第一和第二输入端的运算放大器的一个输入端，所述第一输入端接至一个测量用的参考电位上，比如地线，而所述第二输入端接至霍尔效应器件的第一测量端上，从而所述第一测量端保持在参考电位，并且相对于所述参考电位的由霍尔效应器件输出的测量电压出现在所述的第二测量端上。
6.权利要求3或4，或者权利要求3和5或4和5所述的装置，其特征是它包含一个增益可调放大器，其一个输入端加有由霍尔效应器件输出的测量信号，而其一个输出端接在测量电阻的一端上，这个电阻的另一端作为测量电路的输出端;
7.权利要求3或4所述、或者权利要求3和5或4和5所述的装置，其特点是测量电阻接在霍尔效应器件的一个输出端上，所述霍尔效应器件通过电源端由一个提供可调激励电流的电流发生器来供电。
8.上列权利要求所述的任何一个装置，其特征是磁路包含两个或更多个各自配有一个磁场检测器的气隙，每个检测器提供一个为相应气隙内磁场函数的信号，测量电路设计得可以完成这些检测器所提供的信号与为测量线圈内电流函数的第二测量信号的叠加。
9.权利要求2至8所述装置，其特点是它包含一个保护电路，以便能检测出霍尔效应器件产生的测量电压是否超出至少一个阈值，并且当这种超出出现时发生一个出借信号。
全文摘要
一种用于可变电流测量的电流强度变换装置，它包括一个带有磁路的电流变换器，该磁路至少有一个装有磁场检测器的气隙，所述磁路设计得使之能与待测电流通过的导体磁耦合，并与至少一个测量线圈磁耦合，其特征包括一个设计得能一方面提供作为所述磁路气隙内磁场函数的第一测量信号(Us)，另一方面提供作为所述测量线圈内电流函数的第二测量信号(UR)的电测电路。所述磁场检测器是霍尔效应器件。
文档编号G01R19/00GK1046981SQ9010206
公开日1990年11月14日 申请日期1990年4月12日 优先权日1989年4月13日
发明者彼得·马塞尔 申请人:机电结合股份有限公司