快響應(yīng)穿芯式直流漏電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于漏電流檢測產(chǎn)品領(lǐng)域，尤其涉及一種快響應(yīng)穿芯式直流漏電流傳感器，包括交流；激磁振蕩線圈（W1)、平衡反饋線圈（W2)、磁環(huán)及信號處理模塊；被測電流導(dǎo)線從磁環(huán)穿孔通過；所述平衡反饋線圈（W2)及交流激磁振蕩線圈(W1)分層繞制于磁環(huán)上；內(nèi)層為平衡反饋線圈(W2);外層為交流激磁振蕩線圈（W1);所述平衡反饋線圈（W2)與交流激磁振蕩線圈（W1)的信號傳輸端口分別與信號處理模塊的信號傳輸端口相接；信號處理模塊包括激磁振蕩電路、濾波電路、放大電路、平衡驅(qū)動電路及穩(wěn)壓電源電路。本發(fā)明具有非線性誤差及溫度漂移小，抗干擾能力強，檢測精度高，可靠性好等特點。
【專利說明】快響應(yīng)穿芯式直流漏電流傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬漏電流檢測產(chǎn)品領(lǐng)域，尤其涉及一種對車輛、直流設(shè)備或裝置中的漏電 流情況進行快速檢測的快響應(yīng)穿芯式直流漏電流傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 在使用直流供電系統(tǒng)的企業(yè)，如電力、電信、鐵路、冶金等行業(yè)，直流系統(tǒng)的安全運 行要求十分嚴格。如果設(shè)備或裝置上不是等電位的兩點同時接地，會引起設(shè)備和裝置的誤 動作，造成安全事故。實時監(jiān)測直流系統(tǒng)對地的漏電流狀況，尤其是對直流系統(tǒng)中設(shè)備對地 微小漏電流的監(jiān)測，對于避免事故的發(fā)生，就顯得尤其重要。因此，將直流系統(tǒng)接地故障隱 患提前消除，避免因兩點同時接地帶來的危害，以及如何及時準確地排除直流系統(tǒng)接地故 障，是長期以來急需解決的問題。特別是隨著直流裝備的發(fā)展和直流供電系統(tǒng)的大量采用， 對直流漏電流的檢測需求更是越來越多。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種非線性誤差及溫度漂移小，抗干 擾能力強，檢測精度高，可靠性好的快響應(yīng)穿芯式直流漏電流傳感器。本發(fā)明快響應(yīng)直流漏 電流傳感器系采用磁調(diào)制隔離技術(shù)作為小電流采樣的核心技術(shù)來進行產(chǎn)品的設(shè)計。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的。
[0005] 快響應(yīng)穿芯式直流漏電流傳感器，它包括交流激磁振蕩線圈W1、平衡反饋線圈 W2、磁環(huán)及信號處理模塊；被測電流導(dǎo)線從磁環(huán)穿孔通過；所述平衡反饋線圈W2及交流激 磁振蕩線圈W1分層繞制于磁環(huán)上；內(nèi)層為平衡反饋線圈W2 ;外層為交流激磁振蕩線圈W1 ; 所述平衡反饋線圈W2與交流激磁振蕩線圈W1的信號傳輸端口分別與信號處理模塊的信號 傳輸端口相接。
[0006] 作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述信號處理模塊包括激磁振蕩電路、濾波電路、放大 電路、平衡驅(qū)動電路及穩(wěn)壓電源電路；所述激磁振蕩電路產(chǎn)生PWM方波，并經(jīng)濾波電路實現(xiàn) 脈沖信號向直流電壓的轉(zhuǎn)換；待處理直流信號再經(jīng)放大處理后送至平衡驅(qū)動電路，以驅(qū)動 平衡反饋線圈W2。
[0007] 進一步地，本發(fā)明所述磁環(huán)可采用高導(dǎo)磁率材料制成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
[0008] 進一步地，本發(fā)明所述交流激磁振蕩線圈W1及平衡反饋線圈W2可采用耐高溫漆 包線。
[0009] 本發(fā)明是針對直流裝備及系統(tǒng)中的漏電流的檢測需要而設(shè)計的一種穿芯式小電 流傳感器產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用磁調(diào)制原理和磁平衡原理相結(jié)合的技術(shù)方案設(shè)計，傳感器的綜 合性能得到了極大提高。特別是傳感器的非線性誤差和溫度漂移很小，抗干擾能力較強，工 作穩(wěn)定性好，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和器件參數(shù)的選擇，傳感器的響應(yīng)時間得到了極大提高， 對系統(tǒng)的實時測量和防護效果顯著。
[0010] 該傳感器主要用于對設(shè)備的直流泄漏電流進行檢測，廣泛應(yīng)用于直流輸電、蓄電 檢測、直流屏、直流電源、大型醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備、光伏、風力發(fā)電、通信基站等行業(yè)設(shè)備中，對設(shè) 備的漏電情況進行反饋，通過相關(guān)的漏電保護系統(tǒng)對設(shè)備進行防護，以避免事故的發(fā)生，確 保設(shè)備安全和人身安全。在直流設(shè)備和系統(tǒng)中，根據(jù)國家相關(guān)安全使用標準，對于安全防護 方面都有一定的硬性要求，直流漏電流傳感器是確保設(shè)備安全運行的不可或缺的一個重要 元器件。
[0011] 傳感器的技術(shù)實現(xiàn)。
[0012] (1)采用低漂移、高穩(wěn)定性運算放大器組成磁調(diào)制振蕩電路，外圍輔助電阻選用溫 度漂移優(yōu)于10PPM的產(chǎn)品；降低振蕩線圈的電感量，保證振蕩電路產(chǎn)生的PWM波形頻率在 200Hz以上，提高了傳感器的響應(yīng)時間。
[0013] (2)有源濾波電路中的電容采用低溫漂系數(shù)的電容，保證了傳感器在整個溫區(qū)內(nèi) 的濾波效果，即保證了傳感器的紋波控制在一定的水平。
[0014] (3)放大電路和平衡反饋電路中采用高速、低漂移運算放電器，保證了平衡線圈電 流能及時抵消被測電流。
[0015] (4)采用屏蔽磁場效果好的硅鋼片制成的屏蔽殼對測試線圈和平衡線圈進行整體 屏蔽，保證傳感器的抗干擾性能。
[0016] (5)采用耐高溫屏蔽導(dǎo)線作為傳感器引出線，傳感器用環(huán)氧樹脂進行整體灌封，提 高了產(chǎn)品的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明的保護范圍不僅局 限于下列內(nèi)容的表述。
[0018] 圖1為本發(fā)明的工作原理圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明的電路圖。

【具體實施方式】
[0020] 為了提高產(chǎn)品的響應(yīng)時間和輸出信號的溫度特性，本發(fā)明采用的是磁調(diào)制原理和 磁平衡原理相結(jié)合的技術(shù)方案，采用封閉式鐵芯、雙線圈結(jié)構(gòu)。傳感器在磁路的材料選擇及 處理工藝上，在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，在激磁振蕩線圈和平衡線圈的參數(shù)設(shè)計上采取了新 的技術(shù)和方法，克服了常規(guī)產(chǎn)品小電流測量值不穩(wěn)定，響應(yīng)速度達不到設(shè)備保護要求的缺 陷。
[0021] 本發(fā)明通過選取合適的磁路材料、適當?shù)木€圈電感設(shè)計和濾波電路的器件參數(shù)的 設(shè)計，實現(xiàn)了對直流漏電流的高精度、快速隔離檢測。傳感器在設(shè)備運行中可以實時監(jiān)測系 統(tǒng)的漏電流狀態(tài)，對設(shè)備的漏電情況進行反饋，通過相關(guān)的漏電保護系統(tǒng)對設(shè)備進行防護， 以達到有效地避免事故的發(fā)生，確保設(shè)備安全和人身安全的目的。
[0022] 圖1中W1為交流激磁振蕩線圈，W2為平衡反饋線圈，磁環(huán)由高磁導(dǎo)率的坡莫合 金材料制成，兩組線圈分層繞制在磁環(huán)上。由交流激磁振蕩線圈W1和運算放大器及電阻、 電容器件組成磁調(diào)制振蕩電路。磁調(diào)制振蕩電路產(chǎn)生的是PWM方波，PWM方波通過RC濾波 電路可以得到與信號占空比成線性關(guān)系的直流電壓，從而實現(xiàn)從脈沖信號到直流電壓的轉(zhuǎn) 換。當磁環(huán)中有電流流過時，會引起PWM波的占空比變化，進而使得濾波后的直流電壓變 化。經(jīng)過有源濾波后的直流電壓信號經(jīng)放大后輸入給平衡驅(qū)動電路，驅(qū)動平衡反饋線圈W2， 平衡反饋線圈中的電流為12則I2 =隊/ R，根據(jù)磁平衡傳感器的等安匝原理，當磁路平衡 時 NJpNA，貝 1J 山=N2I2 / %，= NJo/XR。
[0023] 即傳感器輸出電壓隊與被測電流L成線性的對應(yīng)關(guān)系，這樣通過測量傳感器的輸 出電壓就得到了被測電流值。
[0024] 由于傳感器是用于小電流檢測，因此必須采用起始磁導(dǎo)率高的材料作為鐵芯，以 確保非常小的電流就引起磁路中磁通量的變化，以便提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。
[0025] 根據(jù)傳感器的響應(yīng)時間，可以確定磁調(diào)制振蕩電路產(chǎn)生的PWM波形頻率的最低 值，只有適當提高PWM的波形頻率，這樣才能保證傳感器的輸出基本是一條直線，即傳感器 的紋波保持在合適的水平。PWM波形頻率主要取決于激磁線圈的電感，在磁芯體積固定的情 況下，通過調(diào)整交流激磁振蕩線圈的匝數(shù)可以保證線圈的電感設(shè)計成合適的值。
[0026] 為了提高產(chǎn)品的抗干擾性，在繞制好鐵芯外面加了一層屏蔽，屏蔽殼是選用硅鋼 片疊制而成，目地是屏蔽低頻磁場的影響，增強產(chǎn)品的抗干擾性。
[0027] 磁調(diào)制振蕩電路產(chǎn)生的是PWM方波。PWM方波通過RC濾波電路可以得到與信號占 空比成線性關(guān)系的直流電壓，從而實現(xiàn)從脈沖信號到直流電壓的轉(zhuǎn)換。
[0028] 濾波電路中的R，C參數(shù)與PWM的周期以及直流電壓的精度要求直接相關(guān)。設(shè)計 PWM波RC濾波電路時，應(yīng)根據(jù)響應(yīng)時間要求，確定時間常數(shù)，并且使RC時間常數(shù)遠大于PWM 周期。RC充放電時間常數(shù)應(yīng)盡量相等。此外還應(yīng)根據(jù)電壓精度要求確定RC參數(shù)。
[0029] 傳感器的信號處理模塊包括激磁振蕩電路、濾波電路、放大電路、平衡驅(qū)動電路及 穩(wěn)壓電源電路。
[0030] 如圖2所示，電源電路包括有電源穩(wěn)壓模塊U3、U4,電容CA1、CA3、CA5、CA2、CA4、 CA6,電源電路的輸出電壓為+9V和-9V ;D1和D2為防止輸入電源接反的保護二極管；該電 源為信號處理電路中運算放大器的工作電源，保證PWM波的幅值不隨傳感器工作電源的變 換而變化。
[0031] 運算放大器U1A，激磁振蕩線圈W1，電阻Rl、R2、R3、R4組成PWM振蕩電路，當磁環(huán) 中通過被測電流時，線圈W1的電感發(fā)生變化，使得PWM波的占空比發(fā)生變化。
[0032] 運算放大器譏8，電容(：1、04、05，電阻1?6、1?20、1?21組成1^有源濾波電路，？11波 經(jīng)RC濾波電路濾波后變?yōu)橹绷麟妷盒盘枴?br> [0033] 運算放大器U2B，電阻R7、R8、R9組成放大電路，對濾波后的直流電壓信號進行適 當放大，電容C6、C7是為了進一步提高濾波效果。
[0034] Z1和Z2是兩個穩(wěn)壓二極管，通過電阻R13、R14、R14B、R15、R16、R10和電位器W3 組成零點調(diào)整電路，通過調(diào)整電位器來調(diào)整傳感器的零點輸出。
[0035] 運算放大器U2A是平衡驅(qū)動電路，其輸出端接平衡線圈W2的其中一端，平衡線圈 的另一端接RF1、RF2、RF3、RF4電阻組成的限流電阻網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)電阻的大小來調(diào)整 傳感器的滿量程輸出，電阻R12 -端接運算放大器U2A的1腳輸出端，一端接傳感器的輸出 信號線，起保護作用。
[0036] 測量直流漏電流時，將被測電流導(dǎo)線穿過傳感器的穿孔，電流導(dǎo)線的穿過方向按 傳感器電流標識的方向，否則傳感器輸出是負值。將兩根導(dǎo)線按電流相互抵消的方式穿過 傳感器的通孔，還可以實現(xiàn)對兩根電流導(dǎo)線中的電流差值的測量。
[0037] 當被測電流導(dǎo)線中的電流變化時，磁路中的磁場會發(fā)生變化，進而引起W1線圈的 電感發(fā)生變化，變化的電感會引起振蕩電路PWM波的PWM波的占空比改變，進而使得濾波后 的直流電壓變化。經(jīng)過有源濾波后的直流電壓信號經(jīng)放大后輸入給平衡驅(qū)動電路驅(qū)動平衡 反饋線圈W2,平衡反饋線圈中的電流產(chǎn)生反向磁場，與被測電流產(chǎn)生的磁場進行抵消，達到 新的工作平衡，這樣通過測量傳感器的輸出電壓就得到了被測電流值的大小。
[0038] 可以理解地是，以上關(guān)于本發(fā)明的具體描述，僅用于說明本發(fā)明而并非受限于本 發(fā)明實施例所描述的技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，仍然可以對本發(fā)明進行 修改或等同替換，以達到相同的技術(shù)效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護范圍之 內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 快響應(yīng)穿芯式直流漏電流傳感器，其特征在于：包括交流激磁振蕩線圈（W1)、平衡 反饋線圈（W2)、磁環(huán)及信號處理模塊；被測電流導(dǎo)線從磁環(huán)穿孔通過；所述平衡反饋線圈 (W2)及交流激磁振蕩線圈（W1)分層繞制于磁環(huán)上；內(nèi)層為平衡反饋線圈（W2);外層為交 流激磁振蕩線圈（W1);所述平衡反饋線圈（W2)與交流激磁振蕩線圈（W1)的信號傳輸端口 分別與信號處理模塊的信號傳輸端口相接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快響應(yīng)穿芯式直流漏電流傳感器，其特征在于：所述信號處 理模塊包括激磁振蕩電路、濾波電路、放大電路、平衡驅(qū)動電路及穩(wěn)壓電源電路；所述激磁 振蕩電路產(chǎn)生PWM方波，并經(jīng)濾波電路實現(xiàn)脈沖信號向直流電壓的轉(zhuǎn)換；待處理直流信號 再經(jīng)放大處理后送至平衡驅(qū)動電路，以驅(qū)動平衡反饋線圈（W2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的快響應(yīng)穿芯式直流漏電流傳感器，其特征在于：所述磁環(huán)采 用高導(dǎo)磁率材料制成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的快響應(yīng)穿芯式直流漏電流傳感器，其特征在于：所述交流激 磁振蕩線圈（W1)及平衡反饋線圈（W2)采用耐高溫漆包線。
【文檔編號】G01R19/00GK104215817SQ201410442538
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】李洪儒, 徐海寧, 張軍, 王曉雯, 劉箏, 陳雷, 鄭強, 牟丹, 孫偉君, 王靜瑜, 祁靜, 羿麗紅 申請人:沈陽匯博自動化儀表有限公司