直流电能计量的电流测量

时间:2023-07-20
    电流可以通过直接连接来测量,也可以通过感测电荷载流子流动产生的磁场来间接测量。下一节讨论的直流电流测量传感器。
    分流电阻
    直接连接电流传感是一种经过验证的测量交流和直流电流的方法。电流通过已知值的分流电阻器。分流电阻两端的电压降与流动的电流成正比,如众所周知的欧姆定律 (V = R × I) 所描述的那样,并且可以将其放大和数字化,从而准确表示电路中流动的电流。
    分流电阻传感是一种廉价、准确且功能强大的方法,用于测量 mA 至 kA 的电流,理论上具有无限的带宽。然而,该方法存在一些缺点。
    当电流流经电阻器时,会产生与电流的平方成比例的焦耳热。这不仅会导致效率损失,而且自加热会改变分流电阻值本身,从而导致精度下降。为了限制自热效应,使用低阻值电阻。然而,当使用小电阻时,传感元件两端的电压也很小,有时与系统的直流偏移相当。在这些条件下,在动态范围的低端实现所需的精度可能不是一项简单的任务。的模拟前端具有超低直流偏移和超低温度漂移,可用于克服小值分流电阻器的限制。然而,由于运算放大器具有恒定的增益带宽积,
    低值电流传感分流器通常由特定的金属合金制成,例如锰铜或镍铬合金,它们可以抵消其成分的相反温度漂移,从而导致总体漂移达到数十 ppm/°C 的量级。
    直接连接直流测量中的另一个误差来源可能是热电动势 (EMF) 现象,也称为塞贝克效应。塞贝克效应是一种现象,其中形成结的至少两个不同的电导体或半导体之间的温差在两者之间产生电势差。塞贝克效应是一种众所周知的现象,广泛用于热电偶的温度传感。

    图 2. 温度梯度引起的分流器中的热电动势。()
    在 4 线连接分流器的情况下,焦耳热将在电阻合金元件的中心形成,并在铜传感线的同时传播,铜传感线可能连接到 PCB(或不同的介质),并且可能具有不同的温度。
    传感电路将形成不同材料的对称分布;因此,负极和正极传感线连接处的电势将大致抵消。然而,热容量的任何差异,例如连接到较大铜块(接地层)的负传感线,都可能导致温度分布不匹配,从而导致热电动势效应引起的测量误差。
    因此,必须注意分流器的连接和产生的热量的分布。
    磁场传感 - 间接电流测量
    开环霍尔效应
    该传感器由高导磁率环构成,感测电流线穿过该环。这将被测导体周围的磁场线集中到霍尔效应传感器上,该传感器插入磁芯的横截面积内。该传感器的输出经过预处理,通常有不同的版本。常见的是:0 V 至 5 V、4 mA 至 20 mA 或数字接口。虽然以相对较低的成本提供隔离和高电流范围,但精度通常不会低于 1%。
    闭环霍尔效应
    由电流放大器驱动的导磁磁芯上的多匝次级绕组提供负反馈以实现零总磁通条件。通过测量补偿电流,线性度得到改善,并且不存在磁芯迟滞,与开环解决方案相比,整体具有优越的温度漂移和更高的精度。典型误差范围低至 0.5%,但额外的补偿电路使传感器更加昂贵,有时带宽也受到限制。
    磁通门
    是一个复杂的开环或闭环系统,通过监测有意饱和磁芯的磁通量变化来测量电流。线圈缠绕在高磁导率铁磁芯上,该铁磁芯故意由对称方波电压驱动的次级线圈饱和。

    

    图 3. 基于通量集中器和磁传感器的开环电流传感器。()

 


    图 4. 闭环电流传感器工作原理示例。()
    每当磁芯接近正饱和或负饱和时,线圈的电感就会崩溃,并且其电流的变化率会增加。线圈的电流波形保持对称,除非额外施加外部磁场,在这种情况下波形变得不对称。通过测量这种不对称性的大小,可以估计外部磁场的强度,从而估计产生磁场的电流。它具有良好的温度稳定性和低至 0.1% 的精度。然而,传感器的复杂电子器件使其成为一种昂贵的解决方案,价格比其他隔离解决方案高出 10 倍。
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