[发明专利]具有磁场梯度传感器的电流换能器

说明书

电流换能器包括初级导体的区段(2)和安装在初级导体附近的磁场梯度传感器(4)，磁场梯度传感器(4)被配置为测量横向于在初级导体中流动的初级电流(I_P)的流动方向(Z)的梯度测量方向(Y)上的磁场梯度。电流换能器还包括安装成与初级导体的第一外侧相邻的第一侧向磁垫片(6a)，以及安装成与初级导体的第二外侧相邻的第二侧向磁垫片(6b)，第一磁垫片和第二磁垫片的主要内表面(10)面向磁场梯度传感器并且基本上平行于初级电流的流动方向(Z)延伸。

本发明涉及一种具有磁场梯度传感器的电流换能器，其中磁场梯度传感器用于测量在导体中流动的电流。

在US 6040690和US 6636029中描述了具有磁场梯度传感器的电流换能器，其中磁场梯度传感器用于测量在导体中流动的电流。在这样的换能器中，携带电流的导体被拆分成由间隙分开的两个平行区段，这些平行导体中的每一个携带大约一半的总电流。这可以用分开的导体完成，或者通过在导体汇流条中创建孔或槽来完成。参考图1a，由待测量的初级电流I_P在间隙3中产生的磁场具有与初级电流I_P成比例的特性，但是在空间上不均匀，沿着两个正交方向具有基本恒定的梯度dBy/dx和dBx/dy，假设电流在z方向流动。这个梯度可以通过两个间隔开一定距离并且它们各自的灵敏度轴X_a、X_b在相反的方向定向的磁传感器4a、4b来测量，两个磁传感器4a、4b的输出在通过求和放大器加在一起时提供与待测量的电流成比例的信号。

上述已知电流换能器的第一个缺点是其有限且可变的频率响应和响应时间。已知换能器的灵敏度取决于初级电流与磁场传感器的磁耦合。随着频率的增加，集肤和邻近效应改变初级导体中的电流分布，从而导致变化的磁耦合和降低的灵敏度。这种效应取决于磁常数mu0和汇流条电阻率。在铜的情况下，电阻率在典型的工作温度范围内可以变化超过40％。换能器的频率响应也将随温度相应地变化，从而使得通过简单的信号处理方法补偿这种频率响应变化是不切实际的。

上述已知电流变换器的第二个缺点是它对外部磁场梯度的灵敏度。

如果将已知的电流换能器布置放置在均匀磁场中，那么扰动场将为每个磁场传感器输出添加相等但相反的贡献，因此在求和时相互抵消，条件是在局部扰动均匀场和由电流产生的梯度场的总和不超过磁传感器的线性范围。但是，均匀的外部场通常是例外而不是规则，并且在大多数应用中，电缆、电感器或变压器将产生强大且不均匀的场。由这些源在上述电流换能器中使用的一对磁场传感器的位置处产生的场梯度与由待测量的电流产生的场梯度难以区分。外部不均匀磁场将导致电流换能器输出出错。

已知提供磁路以增加磁场梯度传感器中对于给定初级电流的通量密度，例如在US6'636'029或WO2008030129中所描述的。

在US6'636'029中，磁路基本上具有C形磁芯，其围绕初级导体的区段，每个C形磁芯形成气隙，其集中由初级电流在磁梯度传感器位于其中的槽中生成的磁通量。与没有磁芯的换能器相比，C形磁芯增加了换能器的成本和体积，这不仅是因为磁芯的相对复杂性及其与初级导体的组装，而且还考虑了磁芯材料能够携带由初级电流生成的通量密度而不会饱和所需的厚度。由于通过材料的通量路径的长度以及操作期间的通量偏移(excursion)，磁芯还可能增加非线性和磁偏移。

在WO2008030129中，描述了具有更简单磁路的换能器，但是所需的磁芯材料量和非线性的问题仍然存在。而且，梯度传感器包括安装在初级导体条的相对侧上的两个分开的磁场检测器，与位于初级导体的槽中的单个磁场梯度传感器相比，这增加了梯度传感器暴露于外部场并且增加了由于初级导体的不同侧的温度或其它环境条件的差异而引起的问题。

而且，在US6'636'029或WO2008030129中，在大频率范围上测量电流的能力都是受限的。