专利名称：电流测量装置及其电流测量方法
技术领域：
本发明涉及电流测量装置及其电流测量方法，特别是基于磁性调制原理的电流测量装置及其电流测量方法，它们尤其适用于交流和/或直流电流的B类剩余电流的测量。
背景技术：
基于磁性调制技术的交流和/或直流电流测试方法已经得到了广泛的应用，它通过一个驱动电压源将磁芯的工作状态交替的置于如图1所示磁芯磁化曲线(又称磁滞曲线、BH曲线，下称BH曲线)的线性和非线性区域，其中判断BH曲线中线性区域和非线性区域的交点(如图中虚线圆所示)是非常重要的，这有利于在非线性区域靠近上述交点处将驱动电压源的输出电压反向。欧洲专利EP12U821公开了一种基于磁性调制的交流和/或直流电流测量装置。 具体来说，是通过一个电压驱动源产生一个交流电压驱动信号来调制被测信号，由于交流电压驱动信号的产生和被测信号没有关系，所以磁芯的工作状态很难控制。该方案造成的一个限制在于要求所选磁芯材料具有非常好的一致性，从而需要较高的磁芯材料成本和加工制造成本。该方案造成的另一限制在于磁芯可能置于过饱和状态，所以会造成较高的功率损耗。欧洲专利EP1610133公开了另一种基于磁性调制的交流和/或直流电流测量装置。该方案在线圈上串联一个采样电阻，当该采样电阻上的电压信号高于预设值时反转电压驱动源。由于交流电压驱动信号的产生引入了反馈信号，使得对于磁芯材料的一致性要求减弱。但是该方案同样具有局限性，因为反馈信号不能精确反应线圈电感的变化，当被测电流变化时，磁芯的反转转折点也会发生变化，这会影响电流测量精度。为增大电流检侧范围并避免转折点可能进入线性区，该转折点需设置的使其尽量远离线性区和非线性区的交点，但这会导致较高的功率损耗。同时该方案需要一个连接到采样电阻的输入端的放大装置，增加了电路的复杂度。

发明内容
本发明的目的是提供一种电流测量装置，它能使设置在磁环BH曲线非线性区域中的驱动电压反向控制点尽可能紧靠非线性区域和线性区域的真实交点，扩展待测电流的测量范围，提高测量精度，同时降低测试过程中测量装置的功耗。本发明还提供了电流测量方法，使得设置在磁环BH曲线非线性区域中的驱动电压反向控制点可以紧靠非线性区域和线性区域的真实交点，由此可以扩展待测电流的测量范围，提高测量精度，同时降低测试过程中测量装置的功耗。本发明提供了一种电流测量装置，包括一个供可通过待测电流的导体穿过的磁环；一个设置在磁环上的线圈；一个与线圈的一端可电连接的采样电阻；一个驱动电压源， 线圈的另一端与该驱动电压源的输出端可电连接；一个比较器，该比较器的输出端与驱动电压源的一个输入端可电连接；一个第一反馈单元，它可采集采样电阻上的第一反馈信号，且该第一反馈信号与驱动电压源中的另一个输入端可电连接；和一个第二反馈单元，它可采集所述采样电阻上的第一反馈信号，且将该第一反馈信号微分处理后得到第二反馈信号，该第二反馈信号与比较器的一个输入端可电连接。在电流测量装置的再一种示意性的实施方式中，比较器中设置第一预设值，该第一预设值控制所述驱动电压的极性，使得驱动电压的极性反向点设置在所述磁环工作的饱和区域中。比较器中还设有第二预设值，第二预设值控制驱动电压极性不能反向，其中第二预设值可以大于或等于第一预设值。在电流测量装置的另一种示意性的实施方式中，比较器的输出电压为幅值固定的方波电压。在电流测量装置的还一种示意性的实施方式中，驱动电压源还包括一个加法器， 比较器的输出电压和第一反馈单元的电压信号共同输入到加法器的一个输入端，经叠加后得到驱动电压。在电流测量装置的又一种示意性的实施方式中，还可以设置一个检测电路，采集采样电阻上的第一反馈信号。本发明还提供了一种电流测量方法，包括在包括采样电阻和线圈的电流测量回路中产生驱动电流；采集所述驱动电流在采样电阻上产生的第一反馈信号；将驱动电流的微分信号作为第二反馈信号；比较第二反馈信号与预设值，并根据比较结果输出一个输出电压信号；用输出电压信号控制驱动电压的极性；第一反馈信号与所述输出电压信号叠加，得到所述驱动电压。在电流测量方法的又一种示意性的实施方式中，预设值可以包括第一预设值和第二预设值，当所述第二反馈信号与第一预设值相同时，输出的所述电压信号使所述驱动电压反向；当所述第二反馈信号处于除与第一预设值相同的其余时域时，第二预设值用于阻止驱动电压反向。在电流测量方法的又一种示意性的实施方式中，输出电压信号为电压幅值固定的方波电压信号。使用本发明的电流测量装置及电流测量方法，通过采样电阻上的电压信号来控制驱动电压的幅值，由此控制驱动电流的大小，磁芯的工作状态与待测电流无关，因此对于待测电流，具有一个较宽的电流测量范围。使用本发明的电流测量装置及测量方法，由于减少了磁芯饱和的工作时间，因此可以有效地降低测量功耗。另外，由于驱动电压的反向控制点设置在磁芯BH曲线非线性区域中紧靠线性区和非线性区的真实交点，并且该反向控制点与待测电流无关，因此，本发明的装置及方法测量具有较高的测量精度。还有，由于驱动电压的极性反向控制点设置在磁芯BH曲线中的非线性区域内，因此采用本发明的电流测量装置及方法可以实现自动磁复位。


图1是磁环的BH曲线示意图。图2是本发明的电流测量装置一种示意性实施方式的电路结构示意图。
图3是图2的电流测量装置一种具体示意性实施方式的电路结构示意图。图4是图2中电路的等效电路。图5是图2所示电路的一种时序关系示意图。标号说明10线圈11导体12磁环14采样电阻16比较器18驱动电压源 20第二反馈单元30第一反馈单元40检测电路
具体实施例方式为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照

本发明的具体实施方式
，在各图中相同的标号表示结构相同或结构相似但功能相同的部件。图2为本发明电流测量装置的一种示意性实施方式中，它包括磁环12、线圈10、采样电阻14、驱动电压源18、比较器16、第一反馈单元30和第二反馈单元20。可通过待测电流(直流或交流)的导体11穿过磁环12，线圈10缠绕在磁环12上， 采样电阻14与线圈10的一端串联连接，线圈10的另一端与驱动电压源18的输出端可电连接，驱动电压源18输出驱动电压L，并在采样电阻14和线圈10中产生驱动电流i。比较器16输出端的输出电压为U63，它与驱动电压源18的一个输入端可电连接。 在电流测量装置中，第一反馈单元30采集采样电阻14上的第一反馈信号111，在图2所示的示意性实施方式中，该第一反馈信号111为电压信号，即iR，该第一反馈信号 111输入到驱动电压源18的一个输入端。第二反馈单元20同样可采集第一反馈信号111，在图2所示的示意性实施方式中， 该第一反馈信号111为电压信号，即iR，第二反馈单元20对其中的电流信号进行微分处理后，形成第二反馈信号112，即驱动电流i的微分信号，该第二反馈信号112输入到比较器 16的一个输入端。第二反馈单元20用于控制驱动电压源18输出的驱动电压Ue2的极性， 而第一反馈单元30与第二反馈单元20的输出信号叠加，控制驱动电压源18输出的驱动电压&的输出电压信号。本领域的技术人员可以理解，第二反馈单元可以通过一个微分器实现对驱动电流 i的微分。图3是图2的电流测量装置一种具体示意性实施方式的电路结构示意图。它包括磁环12、线圈10、采样电阻14、驱动电压源18、比较器16、第一反馈单元30、第二反馈单元 20和检测电路40。其中第一反馈模块20设有一个微分器，驱动电压源50设有一个加法器， 比较器16输出端的输出电压和第二反馈模块30的电压信号共同输入到加法器的一个输入端。图4是图2中电路的等效电路，若设&为驱动电压源18驱动电压，^为比较器 16的输出电压，R是采样电阻14的阻值，L是线圈60的电感量，则Ue2 = iR+L' i公式 O)同时Ue2 = Ue3+iR 公式(3)公式⑵和公式(3)中，i代表驱动电流，i'代表i的微分，由公式⑵和公式(3)可以推导出
i ‘ = Ue3/L公式由于公式(4)中^是比较器16输出的方波电压，且^幅值为常量，当磁芯工作进入非线性区域(饱和区域)后，磁环的电感量L很快降低到很小的数值，使得i'很快地增加，通过第二反馈单元20对i ‘的监测可以准确地反应如图1所示磁环的BH曲线中线性区域和非线性区域之间的转变，使得在非线性区中设置对应驱动电压反向的控制点时，可以非常靠近真实线性区域和非线性区域的交点。电流i与导体11中的待测电流相关，由于公式(3)中Ue3的幅值是常量，电流i只与驱动电压源18的输出电压幅值有关，而电流i通过第一反馈单元30可以控制驱动电压源18的输出电压的幅值，因此，使用一种电流测量方法及使用该方法的电流测量装置具有一个较宽的电流测量范围。使用一种电流测量方法及使用该方法的电流测量装置，由于驱动电压反向的控制点设置在磁芯BH曲线非线性区域内靠近真实线性区和非线性区的交点处，减少了磁芯饱和的时间，可以有效地降低功耗。使用一种电流测量方法及使用该方法的电流测量装置，由于驱动电压的反向控制点设置在磁芯BH曲线中的非线性区域内，可以实现自动磁复位。在图2所示的示意性实施方式中，比较器16中可以设定两个预设值第一预设值和第二预设值，其中第二预设值大于第一预设值(参见图幻，在测量电流时，当第一预设值 (正向或反向)与第二反馈单元20的输出值i'相同时，比较器22的输出信号使驱动电压源50上中产生的驱动电压Ue2反向。在图5所示的实施方式中，第二预设值远大于第一预设值，在整个的时域内，第二反馈单元20的输出值i'都无法与第二预设值相同，因此第二预设值可以控制驱动电压源Ue2在除i'与第一预设值相同的其余时域上，驱动电压Ue2不能发生反向。设置采样电阻上的电压与比较器的输出电压之和等于驱动电压Ue2。本领域的技术人员可以理解，第一预设值大小的选取与磁芯BH曲线中驱动电压反向点离真实线性区和非线性区的转折点的远近有关，可以根据需要调整。另外考虑预设值的偏置、极性，第一预设值也可以是大于、等于或小于第二预设值的情况。在图2所示的一种示意性实施方式中，比较器22的输出信号为幅值固定的方波电压Ue3，方波电压^可以控制驱动电压的极性，当方波电压Ue3反向时，驱动电压Ue2同时发生反向。在一种示意性的实施方式中，驱动电压源18还包括一个加法器(图中未示出)，比较器16的输出信号Ue3和第一反馈单元30的电压信号共同输入到加法器的一个输入端，比较器16的输出信号Ue3和第一反馈单元30的电压信号之和等于驱动电压源18输出的驱动
电压Ue2。本领域的技术人员可以理解，驱动电压源18中的加法器，可以将第一反馈单元和第二反馈单元的输出信号输入到该加法器的一个输入端，也可以将第一反馈单元和第二反馈单元的输出信号分别输入到该加法器的两个输入端，通过这两种方式中的任意一种都可以实现对第一反馈单元和第二反馈单元输出信号的叠加。另外，在一种示意性的实施方式中，电流测量装置还设置了一个检测电路40，该检测电路采集采样电阻14上的电压信号，可得到被测的电流信号。该检测电路40中可以包括一个低通滤波器(图中未标识)，例如，巴特沃斯滤波器(butterworth filter)。
使用一种电流测量方法及使用该方法的电流测量装置，通过反馈信号可以精确的反应线圈电感的变化，当待测电流变化时，可以准确的反应磁芯的反转转折点的变化，因此具有很高的电流测量精度。在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。应当理解，虽然本说明书是按照实施例的方式加以描述的，但并非仅包含一个实施例的一个技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，将实施例中的所披露的技术方案经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明， 它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种电流测量装置，包括一个磁环，至少一个通过待测电流的导体可穿过所述磁环； 一个设置在所述磁环上的线圈； 一个与所述线圈的一端可电连接的采样电阻； 一个驱动电压源，所述线圈另一端与该驱动电压源的输出端可电连接； 一个比较器，该比较器的输出端与所述驱动电压源的一个输入端可电连接； 其特征在于所述的电流测量装置还包括一个第一反馈单元，所述第一反馈单元可采集所述采样电阻上的第一反馈信号，且该第一反馈信号与所述驱动电压源中的另一个输入端可电连接；和一个第二反馈单元，所述第二反馈单元可采集所述采样电阻上的第一反馈信号，且将该第一反馈信号经微分器处理后得到第二反馈信号，该第二反馈信号与所述比较器的一个输入端可电连接。
2.如权利要求1所述的电流测量装置，其中所述比较器中设置第一预设值，该第一预设值控制所述驱动电压源的输出极性，使得所述驱动电压源的输出极性反向点设置在所述磁环工作的饱和区域中。
3.如权利要求2所述的电流测量装置，其中所述比较器中还设有第二预设值，该第二预设值控制所述驱动电压源的输出极性不发生反向。
4.如权利要求1所述的电流测量装置，其中所述比较器的输出电压为幅值固定的方波电压。
5.如权利要求1所述的电流测量装置，其中所述驱动电压源还包括一个加法器，所述比较器输出电压和所述第一反馈单元的电压信号共同输入到所述加法器的输入端。
6.如权利要求1所述的电流测量装置，其中还设置了一个检测电路，所述检测电路采集所述采样电阻上的第一反馈信号，可得到被测的电流信号。
7.一种电流测量方法，包括驱动电压在包括采样电阻和线圈的电流测量回路中产生驱动电流； 采集所述驱动电流在采样电阻上产生的第一反馈信号； 将驱动电流的微分信号作为第二反馈信号；比较第二反馈信号与预设值，并根据比较结果输出一个输出电压信号； 所述第一反馈信号与所述输出电压信号叠加，得到所述驱动电压； 所述输出电压信号控制所述驱动电压的极性。
8.如权利要求7所述的电流测量方法，其中所述预设值包括第一预设值和第二预设值，当所述驱动电流微分信号与第一预设值相同时，输出的所述电压信号使所述驱动电压反向；当所述驱动电流微分信号处于除第一预设值相同的其余时域时，第二预设值用于阻止所述驱动电压反向。
9.如权利要求7所述的电流测量方法，其中所述输出电压信号为电压幅值固定的方波电压信号。
全文摘要
本发明提供了一种电流测量装置，包括磁环、线圈、采样电阻、驱动电压源、比较器，微分器，还包括第一反馈单元，它采集采样电阻上的第一反馈信号，且第一反馈信号与驱动电压源中的一个输入端可电连接；和第二反馈单元，它可采集所述采样电阻上的第一反馈信号，且第一反馈信号微分处理后得到第二反馈信号，该第二反馈信号与比较器的一个输入端可电连接，比较器的输出与驱动电压源的另一个输入端可电连接。本发明电流测量装置，能使设置在磁环BH曲线非线性区域中的驱动电压源输出电压反向控制点尽可能紧靠非线性区域和线性区域的真实交点，扩展待测电流的测量范围，提高测量精度，同时降低测试过程中测量装置的功耗。本发明还提供了一种电流测量方法。特别是基于磁性调制原理的直流或交流电的电流测量。
文档编号G01R15/18GK102338822SQ20101023015
公开日2012年2月1日 申请日期2010年7月15日 优先权日2010年7月15日
发明者卓越, 杜峰, 闵应宗, 陈维刚, 马里奥·丹克特 申请人:西门子公司