• 【导语

    根据被测电流所建立磁场为基础,通过一定的手段测量其磁密、磁通或磁势等方法来测量电流,是传统磁通门电流传感器的技术起步阶段,而自激振荡磁通门技术的出现为直流测量的发展筑起了更高的台阶。

    电流传感器的技术演进

    2009年,西门子(中国)有限公司--Xu Zeliang等--基于开环自激振荡磁通门技术研制出B型剩余电流检测器,其中滤波解调电路采用了2阶有源低通滤波器,其输出信号经单片机片上 A/D转换为数字量再由单片机进行处理。

     


    2014年,河北工业大学-武一等--基于磁化曲线的分段线性函数模型,推导了考虑磁芯磁滞效应情况下自激振荡磁通门激磁电流平均值与被测电流之间的关系方程,指出通过合理选择磁芯饱和电流值可以得到与不考虑磁滞效应时相同的关系方程。

     


    2014年,河北工业大学--杨晓光等--对G. Velasco-Quesada 等提出的三磁芯三绕组闭环测量方案进行了改进,研制出两磁芯三绕组闭环自激振荡磁通门电流传感器。虽然该方案实现了低成本,但满量程±20A 内的测量精度仅为 0.7%。

     


    2015~2016 年,河北工业大学--杨晓光等又对该方案的磁芯和绕组结构进行了改进,但由于未解决上述限制测量精度的核心问题,最终导致优化版的传感器满量程±25A内的测量精度最高仅为0.4%。

     


    2011~2016年,哈尔滨工业大学张钟华院士团队基于国家重大科学仪器设备开发专项—“宽量限超高精度电流测量仪”(项目编号:2011YQ090004),用5年时间探索基于自激振荡磁通门技术实现直流大电流测量的新方案,取得了很大的进展。其团队提出三磁芯四绕组方案,研制了600A精密电流传感器,其最高测量精度达到十万份之一以内,达到传统磁通门传感器技术精度。

    2. 国内对自激振荡磁通门技术的研究

    近年来我国在直流大电流的计量校准、量值传递与溯源方面取得了巨大成就,对传统磁通门技术及应用掌握的已经非常成熟,很难再有所突破。因此,直流测量技术必须寻找新的突破口,而自激振荡磁通门技术的出现为直流测量技术提供了一个契机。

    1991年,加拿大阿尔伯塔大学(University of Alberta)I. M. Filanovsky和前苏联科学家V. A. Piskarev提出一种由非线性互感器和运算放大器构成RL多谐振荡器测量直流电流的新方法,这标志着基于自激振荡磁通门技术测量直流电流的开始。

     


    2007年,贝尔格莱德大学M. M. Ponjavic 和R. M. Duric 基于磁化曲线的反正切函数模型再次对I. M. Filanovsky 和V. A. Piskarev 提出的测量方法进行了数学证明,并在近似条件下建立了激磁电流平均值与被测电流之间的简化线性方程,通过降低激磁电流采样电阻将测量范围提高到±250A。但是,受滤波解调方式限制,满量程内的线性度仅达到1.2%。

     


    2009年,日本东京大学(The University of okyo)和瑞士LEM公司在当年的电机与系统国际会议(International Conference on Electrical Machines and Systems)上报道了基于开环自激振荡磁通门技术研制的用于车载蓄电池电流监测的商用电流传感器,同时提出通过检测自激振荡磁通门饱和区的自激振荡频率扩展测量范围的方法,但测量精度无法保证。

     


    2011年,西班牙加泰罗尼亚技术大学(Technical University of Catalonia)G. Velasco-Quesada等和西班牙Premo公司F. Jeréz合作将开环自激振荡磁通门技术与传统交流电流互感器技术相结合,研制出类似传统磁通门电流传感器的三磁芯三绕组闭环自激振荡磁通门电流传感器,将测量范围提高到±700A。但是,其满量程内的测量精度仅0.2%。

    1.  国外自激振荡磁通门技术的发展

    二、自激振荡磁通门电流传感器的技术演进

    1978年,华北电力科学研究院--彭时雄--研制出国内第一台40kA多比例交流电流比较仪,比例精度优于10−6量级,填补了国内空白。

     


    1982 年,中国科学院电工研究所---刘廷文等--将二次谐波磁调制器技术和传统交流电流互感器技术相结合研制出5000:1 的零磁通直流电流互感器,满量程±5k A内的直流比例精度达到3×10−6。

     


    2013 年,华中科技大学任士焱课题组建立了60kA强直流计量标准装置,相对比例精度达到5×10−6。

     


    2013年,中国计量科学研究院--邵海明课题组--建立了国家5kA直流大电流计量标准,提出了抑制大电流母线漏磁干扰的“分布式均匀化空间磁势法”,推导了带气隙磁屏蔽效能的理论计算公式,提出了在额定磁势下高准确度自校准的“串并联法”,最终建立的比例标准在10A:1A~5k A:5A 范围内的相对比例精度达到2×10−8~5×10−7,邵海明课题组也因此获得2013年国家科学技术进步二等奖。

    3.  实际应用中,国内推动磁通门法发展的主要研究单位有华北电力科学研究院、中国科学院、华中科技大学和中国计量科学研究院。

    1978年,中国计量科学研究院郭来祥对磁调制器技术进行了系统研究,他应用图解法分别推导了方波恒压源、正弦波恒流源、三角波恒流源、梯形波恒流源和脉冲波恒流源激励下二次谐波磁调制器的灵敏度公式,并分析了灵敏度的影响因素及提高措施,同时以正弦波恒流源激励为例应用解析法推导了二次谐波磁调制器的理论输出公式,此外还对磁调制器的传输特性进行了理论分析。

     


    2005年,华中科技大学李前等基于MATLAB建立了正弦波电压源激磁的双铁芯磁调制器仿真模型,为快速研究各个参数对磁调制器的性能影响提供了便利。

     


    2008年,海军工程大学张民等建立了正弦波电压源激励下的二次谐波磁调制器灵敏度公式,分析了灵敏度的主要影响因素,指出提高灵敏度的主要措施是选用高磁导率、低饱和磁感应强度的矩磁性材料制作激磁磁芯。


    至此,有关磁调制器的理论研究趋于完善。

    2.  国内对磁调制器的理论研究则推迟到了20世纪70年代。

    1.  国外对磁调制器的理论研究始于20世纪30年代,其中具有代表性的有:

    1951年,英国曼彻斯特大学(The University of Manchester)F. C. Williams 和英国电信研究所(Telecommunications Research Establishment)S. W. Noble 对二次谐波磁调制器的理论模型进行了深入研究,他们应用图解法基于磁化曲线的分段线性函数模型推导了三角波恒流源激励的双磁芯磁调制器的输出电压方程,深入分析了磁调制器的失调和噪声来源,并在简化假设条件下建立了巴克豪森噪声的频谱表达式;

     


    1959年,美国雪城大学(Syracuse University)E.  J. Kletsky同样应用图解法基于磁化曲线的分段线性近似模型推导了正弦波恒流源激励的双铁芯磁调制器的输出电压方程式,并通过理论分析和实验建立了二次谐波磁调制器的优化设计原则。

    一、传统磁通门电流传感器的技术演进

    对直流电流的测量方法就其工作原理而言主要分为两大类。一类是根据被测电流在已知电阻上的电压降来确定被测直流大电流的大小,如分流器;另一类是根据被测电流所建立磁场为基础,实际上是将电流的测量问题转变为磁场的测量问题,通过一定的手段测量其磁密、磁通或磁势等方法来测量电流。


    磁场测量的理论基础是磁调制器技术,磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下,其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”,通过这道“门”,相应的磁通量即被调制,并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场,从而间接的达到测量电流的目的,这正是许多研究人员将这类传感器称为磁通门电流传感器的原因。

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    激磁闭环控制技术:使激磁系统内部磁通自动平衡,对外呈现零磁通,从而使激磁系统不会对比例绕组及检测绕组造成干扰,并且形成磁通隔离带,防止激磁绕组被外界磁通干扰,省去了现有电流传感器复杂的磁屏蔽系统设计,降低了产品工艺复杂度。

     


    自激磁通门技术:与传统方案比省去了激磁发生器,提高了系统可靠性和抗干扰能力。

     


    自激退磁技术:传感器零漂小,拓展了量程宽度,原来用两个传感器解决的问题,现在只需要一个传感器。

     


    多闭环控制技术:通过对激励磁通、直流磁通、交流磁通以及高频磁通的零磁通闭环控制,实现了对直流电流、高频电流以及交流电流的精密检测,提高了传感器的电流检测精度,降低了传感器的生产成本。

     


    多级量程自动切换技术:采用多级量程自动切换技术对微伏级弱信号进行精准放大,实现了高精度数字化输出,为大数据远程传输提供了必要条件。

     

    温控补偿技术:对传感器全温度范围的非线性温漂进行了大数据处理,实现了比较精确的温度补偿,降低了传感器的温漂。

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    以多点零磁通技术为核心,深圳航智精密陆续推出了1A、100A、200A、300A、 600A、1000A型号的精密模拟电流传感器,传感器的最高测量精度达到1ppm,并实现了单款产品从1000A 到 1A 全量程10 ppm的检测精度。在此基础上,采用多量程自动切换技术,研制出 600A 、1000A高精度数字电流传感器,实现了额定量程10 ppm的检测精度。

     


    航天品质,匠心智造,让高精度直流传感器得到普及,这是航智精密人的伟大使命。航智精密正在以服务型的品牌营销理念以及定制化的产品理念为广大客户提供全方位服务,并成功通过资本融资助推企业发展。

    二、多点零磁通技术亮点

    图1  多点零磁通技术系统原理图

    多点零磁通技术系统包括激磁模块,激励磁通闭环控制模块以及多磁通闭环控制模块。待测电路中的待测电流Id产生直流磁通、交流磁通以及高频磁通,激磁振荡器向激磁单元输出预设频率的交变电压信号以激励激磁单元产生激励磁通。激励磁通对待测电流Id产生的直流磁通进行检测,并输出与直流磁通对应的直流磁通信号。

     


    激励磁通闭环控制模块对激磁单元产生的激励磁通进行检测,并在激励磁通周围产生激磁补偿磁通,激磁补偿磁通与激励磁通相互叠加,叠加后的激磁叠加磁通穿过与其磁感线垂直平面的磁通量为零,实现了激磁磁通的零磁通闭环控制;       

     


    多磁通闭环控制模块对待测电流Id产生的直流磁通、交流磁通以及高频磁通进行检测,并在待测电路的周围产生多磁通补偿磁通,多磁通补偿磁通与待测电流Id产生的磁通相互叠加,叠加后的多磁通叠加磁通穿过与其磁感线垂直平面的磁通量为零,实现了直流磁通、交流磁通以及高频磁通的零磁通闭环控制。

    一、多点零磁通技术的技术演进

    多闭环控制的多点零磁通技术

    【导语

    与目前国外世界知名的高精密商用电流传感器相比,航智精密电流传感器的精度提高了1倍,量程宽度提高了1倍,且实现了数字化输出,零漂小,温漂小,可带载启动,具备过载保护功能,过载后可自恢复,处于国际领先水平。

    2015年,毕业于哈尔滨工业大学的田新良博士创新性提出多点零磁通技术系统应用于现有高精度直流传感器技术之上,提出了激励磁通闭环控制技术、自激磁通门技术及多闭环控制技术相结合,实现了对激励磁通、直流磁通、交流磁通以及高频磁通的零磁通闭环控制,从而使传感器在全带宽范围内拥有很高的增益和测量精度。

  • 隔离测量

    更安全、更可靠、更可信。

    智能化

    解决了目前商用化电流传感器不能带载启动,不能过载保护的问题。

    采用多级量程自动切换技术,对微伏级弱信号进行精准放大,实现了高精度数字化输出,为大数据远程传输提供了必要条件。

    数字化

    交直流通用

    可测量交流、直流、脉冲电流,实现了一机多测,给客户带来更多价值。

    长达30天的连续实测,零点时漂仅为 0.2ppm/month。

    低时漂

    低温漂

    传感器置于环境箱中,控温范围为15~50℃,步进值为5℃,测得零点温漂为 0.1ppm/K。

    高线性度

    采用多闭环控制技术与自激振荡磁通门自身线性度的优化设计,使得传感器达到全量程1ppm的线性度。

    高精度

    多点零磁通技术系统使传感器达到1ppm的测量精度,与国外高精度电流传感器的精度持平。

    低零漂

    每次关机1小时后重新开机,预热10分钟,然后测量传感器的失调电流,如此重复14次,传感器始终工作在零磁通状态, 零点偏移 1ppm,回零重复性好。

    打破国外垄断,提高自主创新能力

    【导语

    基于多点零磁通技术,深圳航智精密推出具有自主知识产权、测量精度达到1ppm量级的新型电流传感器,必将打破国外对精密磁通门电流传感器的垄断,提高国产仪器的自主创新能力和我国工业装备水平。

    一、产品特点:

    多点零磁通技术是一种集零磁通闭环控制技术、激励磁通闭环控制技术、自激磁通门技术及多闭环控制技术于一体的新型技术,实现了对激励磁通、直流磁通、交流磁通以及高频磁通的零磁通闭环控制,从而使传感器在全带宽范围内拥有很高的增益和测量精度。

     


    基于多点零磁通技术,深圳航智精密推出具有自主知识产权、测量精度达到1ppm量级的新型电流传感器,具备以下特点:

  • 专利名称:磁通门电流传感器的激磁闭环控制电路及其控制方法

    专利名称:磁通门电流传感器的多闭环控制电路

    科研硕果,助推“高精度直流传感器普及时代”再迈新高

    【导语

    “拥有核心技术,成就领导品牌”一个企业的发展离不开核心技术,有技术才有力量,企业才能快速发展。航智精密研发中心拥有一支高水平、国际化的研发团队,技术团队核心人员均有数十年以上的行业从业经验,有着丰富的理论和实践经验。研发中心团队积极创新,在设计和制造高精度电流传感器领域积累并具备了独到经验和优越,近一年多来,多项专利相继通过审核,在创新成果方面,成为行业翘楚。

    专利名称:一种高压智能开关

    专利名称:直流瞬时功率的计量电路及其准同步计算方法

    专利名称:电流倍增装置

    专利名称:磁通门电流传感器的激磁闭环控制电路

    专利名称:磁通门电流传感器的多闭环控制电路

    专利名称:直流瞬时功率的计量电路

    软件著作权名称:高精度交直流测试仪软件V1.0

    专利名称:一种高压智能开关

    软件著作权名称:高精度数字电流传感器软件V1.0

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