AC-DC泄漏電流檢測(修訂).doc

開口AC和DC泄漏電流檢測器摘要：本文探討了一種通過兩個相同開口鐵芯測量較小直流或交流電流的探測器特性。為了測量直流電流，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)制器對于高頻電流的測量是無能為力的。當測量高頻電流的時候，檢測器誤差上升的同時線性度也下降了。我們使用了一種不同的技術，改善了AC/DC測量系統(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。電流測量范圍為10mA2A，頻率范圍：0Hz10kHz。1 簡介 數(shù)種電流檢測器常常用來測量線路電流。特別是鉗形電流檢測器有時會用來在不剪斷線路的情況下測量已經(jīng)安裝好的、地下電力系統(tǒng)和汽車引擎上復雜電纜的電流。在很多工業(yè)領域?qū)﹂_口式直流、交流檢測器的需求不斷增長。鉗形AC/DC電流檢測器主要是利用一個帶反饋線圈的霍爾裝置來測量電流的。這種辦法是可行的，但是有時候精度達不到要求。進一步來說，霍爾元件需要在溫度變化的時候進行誤差補償，而且它的一大缺點是需要一個很強的磁場。在微弱電流的檢測中，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測量AC、DC，或者同時測量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量。零磁通AC/DC電流測量檢測器主要是檢測由磁調(diào)制器產(chǎn)生的不對稱磁化電流。由于磁調(diào)制器的頻率限制，這些檢測器只能用來測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的AC和DC電流檢測器。這種檢測器在誤差、靈敏度、線性度方面有所改善，而且它的測量頻率可以擴展到幾百kHz，測量電流可以小到1mA。檢測器由磁芯和一個帶調(diào)制器的電子電路組成。這兩個磁鐵芯都分為兩個獨立的半繞組，每個半繞組占據(jù)著一個半矩形型芯，并且一致使用一種半矩形模型繞制。對于AC測量裝置來說，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器的線性度。在測量直流電流的情況下，檢測器使用了調(diào)制器的電流信號，這個信號由一個參考交變電壓源控制。這個電壓信號供給雙極線圈使用，所以由兩個鐵芯產(chǎn)生的感應電流抵消了。我們制作了一種手持式的小電流鉗形AC/DC電流檢測器，檢測器使用了多芯結構和微型電子電路。2 檢測器結構探測器由兩對有相同繞組的半矩形結構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平均地分配到兩個磁芯上（每個磁芯100圈）。探測器的尺寸為長22mm，厚12mm，寬16mm。 圖1 開口AC/DC電流檢測器結構測量原理主要和檢測由磁調(diào)制器參考交變電壓產(chǎn)生的一個不對稱磁化電流相關。磁調(diào)制器的運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)制器的檢測器原理。在回路中（圖2），一個磁調(diào)制器由兩個磁芯組成。磁體上主線圈和雙極線圈依次相連。待測直流反應到主線圈W1中，同時一個對稱的參考交變電壓信號G1提供給雙極線圈。這個信號周期性的在兩個方向進行驅(qū)動使得磁芯飽和。作為電流中直流分量的測量后果就是磁芯的預磁方向依賴于直流分量在一次繞組中的流動方向。磁化電流由G1產(chǎn)生。它雖然有一個對稱的結構，也沒有對磁芯進行預磁，但由于磁化曲線的非線性因數(shù)，也會造成預磁鐵芯的不對稱效果。不對稱的程度取決于預磁的程度。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。在電子線路的進一步輔助下，磁化電流的不對稱度和方向是可以檢測出來的，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的情況（平均磁通為零）。圖2c中描繪的是有剩余磁場的情況（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，磁化電流就會是對稱的。正的峰值和負的峰值是相等的。在磁通的平均值不為零的情況，作為測量直流電流的結果，磁調(diào)制器的磁化電流不再是對稱的，就像是在圖2c中顯示的那樣。正負峰值不再相等。交流檢測器的結構，包含一個電子輔助的雙極電流帶開關傳感器和一個電子電路，這與直流電路檢測器帶電磁調(diào)制器和W3W4線圈不同。一般來說高頻交流電流是不能測量的，因為參考交流電壓信號的頻率小于幾百個Hz。在這篇文章里，參考交流電壓信號的頻率是一個330Hz的矩形波。雙級電流傳感器由兩個鐵芯組成（T1和T2），它們都有一次線圈W1和二次線圈W2隔離和勵磁。圖.3. 電流檢測器的電路圖3 檢測器與電子線路圖3顯示的是AC/DC電流檢測器的電路圖。電路圖由一個磁調(diào)制器（T1，T2，W3，W4），AC/DC選擇開關（S1-S5），電阻R1和R2，一個交變電壓信號G1，兩個峰值檢測器和一個放大器組成。當開關選擇為DC時，直流檢測功能啟動。當R1和R2的值相對于兩個鐵芯（T1T2）的自感應很小時，在鐵芯飽和的情況下，直流電流通過電阻時就會相對增長的十分快。那么這些電阻上就會呈現(xiàn)出一種電壓脈沖。兩個峰值檢測器不同的輸出信號可以由差分放大器A4得到，它的信號提供給感應線圈W3。放大器A5的信號與被測直流信號成比例。圖.4 AC/DC電流檢測器的測量誤差4 試驗結果圖.5 當輸入頻率變化時，交流電流檢測器的測量誤差我們使用FLUKE 5720A作為AC/DC電流源，測試電流從0.001A到2A，頻率從直流到10kHz。圖4和圖5顯示的是檢測裝置的誤差和頻率特性。測量的最大值有0.25%的變動，這取決直流電流的方向。對于直流測量裝置來說在濕度（555）%，開氏溫度295K的情況下準確率為0.3%。交流測量裝置的允許頻率從40Hz到10kHz這時的誤差在+-0.3%。檢