当前位置:首页检测中心基础知识 │ 零磁通电流传感器的工作原理

零磁通电流传感器的工作原理

  • 浏览次数:990次
  • 发布时间:2018/1/21 18:12:42
  • 作者:银河电气

  19世纪,英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。麦克斯韦认为,变化的磁场之所以会使导体产生电流,是因为变化的磁场产生了涡旋电场。

  零磁通电流传感器的工作原理基于磁-电转换,依赖于磁材料的强非线性。根据麦克斯韦方程组,直流电流产生的静磁场没有可测的电效应,如果是线性系统,则系统的输出与输入电流之间没有任何关系,即线性系统不可能通过磁通感应测量直流电流。非线性系统可以在输入的直流电流和输出之间建立联系。

AnyWay零磁通电流传感器原理图

AnyWay零磁通电流传感器原理图

  由于直流电流没有可测的电效应,为使系统能够“动”起来,首先需要构造一个交变电流Iac与直流输入电流Idc叠加,它们共同作用在非线性的磁材料上,即“磁调制”过程。设系统的响应函数为f(Idc+Iac),它是一个非线性方程,为简单起见,这里仅考虑到二次项,忽略更高阶,即形式为:

f(x)=ax+bx2      公式(1)

  “调制”过程可表述为:

f(Idc+Iac)=a(Idc+Iac)+b(Idc+Iac)2

=(a*Idc+b*Idc2)+(a*Iac+ b*Iac2+2b*Idc*Iac)     公式(2)

  由于直流电流没有可测电效应,公式(2)中的前一部分没有作用,即等于0,仅保留作用项:

f(Idc+Iac)=a*Iac+ b*Iac2+2b*Idc*Iac      公式(3)

  请注意公式(3)中的最后一项2b*Idc*Iac,该项体现了直流电流的影响,即通过调制,非线性系统可以对直流电流做出响应;且非线性越强,即系数b越大,直流响应越强。如果是线性系统,系数b=0,则不会响应直流电流。这就是为什么必须采用非线性系统的原因,幸运的是,磁材料本身的B-H特性就是强非线性的。

  上述非线性系统的输出,不但包含了有用的直流电流信息,也包含了不需要的“调制”交流电流信息,整个系统的响应设计为与“调制”交流电流无关。即需要一个“解调”过程将不需要的“调制”交流电流信息去掉,即去掉项a*Iac、b*Iac2,还要将项2b*Idc*Iac中的Iac化为常数。最终形式为:f(Idc+Iac)=a*Idc。

  原理图中的“DC Stim & Sense”部分代表直流电流激励和感应,包含“调制”过程。采用两个反激的磁心可抵消公式(3)中的aIac项。“Signal Condition”部分包含“解调”部分,解调部分需要低通滤波器配合,用以去掉公式(3)中的bIac2项。这会造成DC支路信号带宽较低,此支路主要响应直流和低频交流输入。为拓展带宽,引入AC支路,即第三个磁心“AC Sense”,中高频交流电流输入主要靠此支路感应。“Signal Condition”部分的输出经过功放(PA)电路放大,输出电流Iout,抵消掉输入电流Iin产生的磁通,平衡时达到零磁通状态,即Iin-Iout*NS=0,也即

Iin:Iout=NS:1 公式     (4)

  输入-输出电流之比等于线圈匝比,与其他因素,如温度变化等无关。公式(4)不仅对直流成立,对一定频率范围内的交流电流同样成立,响应频率可实现百kHz~MHz量级。因此,传感器具备宽频工作特性,工作频率可从直流一直到MHz量级。

  由于磁通几乎被完全封闭在环形铁芯中,有效磁导率非常高,漏磁非常少,加上系统很高的开环环路增益,公式(4)在很高的精度上成立,一般可达10-6量级。这样的高精度带来多方面的好处,一是电流测量动态范围非常宽,单一传感器可从mA量级一直覆盖到kA量级;二是可以实现非常大的电流变比,Ns取值可高达1000~10000或更高。另一方面,磁通状态受电流母线的相对位置、温度、外部电磁干扰等环境影响非常轻微,一般在10-6量级附近。

  输出电流信号Iout可通过高精度负载电阻RM转换为电压V=Iout·RM,用于进行测量。