一種電子互感器的製作方法
2023-04-30 08:04:41
本實用新型屬於電力測量技術領域，具體涉及一種電子互感器，尤其涉及一種用於故障指示器全範圍電流測量的電子互感器。
背景技術：
傳統的故障指示器採用的電子互感器，由卡線6、鐵芯7和常規繞線線圈8構成(參加圖1所示的例子)。這種結構的互感器受實際線路導線線徑(即安裝位置)影響大，其次卡線受高低溫影響膨脹不同，導致鐵芯閉合變化，影響測量精度；同時一致性差、線性度差的特點也對生產和測試人員造成不小的麻煩；受鐵芯磁飽和的影響，測量範圍較小，線圈匝數也會依據測量需求進行更換。
一旦測試環境發生變化，很多已經調整好的參數、係數可能就不再可靠。當用戶需求變動時需要對物料進行大的變動來需求。以上種種都無形增加了生產成本、硬體成本、維護成本等。
現有技術中，存在測量範圍小、操作過程複雜和抗幹擾能力弱等缺陷。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於，針對上述缺陷，提供一種電子互感器，以解決現有技術中操作過程複雜的問題，達到簡化操作過程的效果。
本實用新型提供一種電子互感器，包括：信號採集裝置和信號處理裝置；其中，所述信號採集裝置，用於採集待測線路的電流信號，並將所述電流信號轉換為自身的感應電勢；所述信號處理裝置，用於對所述感應電勢進行信號處理，以得到能夠滿足預設應用需求的所述待測線路的電流信號和/或電壓信號。
可選地，所述信號採集裝置，包括：基於差分布線的4層PCB羅氏線圈的電流感應器；所述電流感應區，用於採集待測線路的電流信號，並根據法拉第電磁感應定律，確定所述電流信號與自身的感應電勢的微分關係，以將所述電流信號轉換為自身的感應電勢。
可選地，所述電流感應器，包括：4塊半環形4層PCB羅氏線圈；其中，所述4塊半環形4層PCB羅氏線圈，包括：2組對稱線圈；每組對稱線圈包括：2個走線完全對稱的4層PCB線圈。
可選地，每個所述4層PCB線圈的內層平面，包括：第一內層板和第二內層板；所述第一內層板和所述第二內層板之間的繞線方向相反；所述2組線圈通過每組對稱線圈內層平面的繞線末端串聯，每組對稱線圈內層平面的繞線始端為信號連接端。
可選地，每個所述4層PCB線圈，包括：59組差分布線的PCB線圈；每組PCB線圈，1對差分布線的線圈；該線圈包括：2對通孔、線路板頂層銅走線層的2條平行走線、線路板底層的絲印層的2條平行走線；其中，所述線路板頂層銅走線層的2條平行走線、所述線路板底層的絲印層的2條平行走線的延長線，不經過該組PCB線圈所屬的半環形4層PCB羅氏線圈的公共圓心，並分別與靠近該圓心的半徑為r的圓的兩側相切；所述半徑r為所述通孔的半徑。
可選地，每個所述4層PCB線圈中，每組平行的差分59組PCB線圈之間均勻分布，相角相同；和/或，在每組PCB線圈中，通過雙面由內外徑均勻密布的所述通孔直連構成雙匝線圈。
可選地，所述信號處理裝置，包括：積分電路和同相放大電路；其中，所述積分電路，用於基於所述電流信號與自身的感應電勢的微分關係，進行積分處理，以將所述信號採集裝置採集得到的感應電勢還原為所述電流信號；和/或，所述同相放大電路，用於基於所述預設應用需求，對所述電流信號進行適配地放大或縮小處理，以得到所述電流信號。
可選地，所述積分電路，包括：模擬積分器；和/或，所述同相放大電路，包括：雙通道運算放大器。
可選地，所述信號處理裝置，還包括：濾波電路和信號輸出電路的至少之一；其中，所述濾波電路，用於對所述信號採集裝置採集所得所述感應電勢進行濾波處理後，輸出至所述積分電路；和/或，所述信號輸出電路，用於對所述同相放大電路得到的所述電流信號進行輸出、和/或將所述電流信號轉換為所需所述電壓信號進行輸出。
可選地，所述濾波電路，包括：阻容濾波器；和/或，所述信號輸出電路，包括：單片機AD採樣I/O埠。
由此，本實用新型的方案，通過感應待測線路的電流信號並對該電流信號進行信號處理，解決現有技術中操作過程複雜的問題，從而，克服現有技術中測量範圍小、操作過程複雜和抗幹擾能力弱的缺陷，實現測量範圍大、操作過程簡單和抗幹擾能力強的有益效果。
本實用新型的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。
下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
附圖說明
圖1為現有的故障指示器電流測量裝置的結構示意圖；
圖2為本實用新型的電子互感器的一實施例的結構示意圖；
圖3為本實用新型的電子互感器的一實施例的工作原理示意圖；
圖4為本實用新型的電子互感器中4層PCB羅氏線圈的一實施例的結構示意圖。
結合附圖，本實用新型實施例中附圖標記如下：
1-PCB羅氏線圈；2-濾波電路；3-積分電路；4-同相放大電路；5-單片機AD採樣I/O埠；6-卡線；7-鐵芯；8-常規繞線線圈；9-第一內層平面；10-第二內層平面；11-頂層、底層重疊部分。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型具體實施例及相應的附圖對本實用新型技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
在電子式電流互感器領域，PCB羅氏線圈因為比普通線圈具有更好的線性度、更優異的溫度特性、更小的位置誤差、更高的準確度、更好的一致性、更小的結構誤差(體現為更高的容錯率)、無磁飽和現象、測量範圍更寬等諸多優良特性，得到了廣泛的關注。若將PCB羅氏線圈應用於技術要求更高的故障指示器，可以提升測量範圍。
根據本實用新型的實施例，提供了一種電子互感器。該電子互感器可以包括：信號採集裝置和信號處理裝置。
在一個可選實施方式中，參見圖2至圖4所示的例子，在該電子互感器中，信號採集裝置可以包括：4層PCB羅氏線圈(例如：PCB羅氏線圈1)；信號處理裝置可以包括：濾波電路(例如：濾波電路2)、積分電路(例如：積分電路3)、同相放大電路(例如：同相放大電路4)和信號輸出電路(例如：單片機AD採樣I/O埠5)。
可選地，4層PCB羅氏線圈輸出信號至濾波電路，濾波電路輸出信號到積分電路，積分電路輸出信號至同相放大電路，同相放大電路輸出信號至單片機AD採樣埠(例如：單片機AD採樣I/O埠5)。
例如：4層PCB羅氏線圈的輸出端與濾波電路的輸入端連接。
例如：所述濾波電路的第一輸出端與積分電路的第一輸入端連接；濾波電路第二輸出端與積分電路的第二輸入端連接；濾波電路的第三輸出端與同相放大電路的第二輸入端連接。
例如：所述積分電路的輸出端與同相放大電路的第一輸入端連接。
例如：所述同相放大電路的輸出端與單片機AD採樣I/O埠連接。
在一個可選例子中，4層PCB羅氏線圈負責採集線路電流信號，轉化為線圈的感應電勢；由於根據法拉第電磁感應定律，可以推導出線圈的感應電勢與被測電流成微分關係，因此，需要通過積分電路的積分環節；然後，再通過同相放大電路將輸出電壓轉換成與被測電流i(t)的同相關係。
在一個可選具體例子中，所述積分電路能夠對線圈感應電勢信號高準確度的還原。
在一個可選具體例子中，基於差分布線的4層PCB羅氏線圈的電流感應器，可以包括：第一PCB板(例如：圖3中左側部分)和第二PCB板(例如：圖3中右側部分)。
可選地，所述第一PCB板，可以由59組差分布線(例如：差分布線，可以是指兩條走線在布線過程中等間距、等長)的PCB線圈組成。其中，每組線圈都是差分布線，通過2對通孔、線路板頂層銅走線層(即Top Layer)的2條平行的走線、線路板底層的絲印層(即Bottom Layer)的2條平行的走線構成1對差分布線的線圈。
其中，線路板頂層銅走線層(即Top Layer)和線路板底層的絲印層(即Bottom Layer)的兩組平行走線的延長線的最終走線，不經過環形PCB板的公共的圓心，並分別與該圓心附近半徑為r大小的圓的兩側相切。
例如：半徑r大小與通孔的半徑相同。
可選地，由於羅氏線圈和載流導體的理想相對位置是載流導體垂直於線圈平面且穿過線圈中心。由於製造、安裝以及振動等原因使載流導體偏離理想位置而引起輸出信號的相對誤差稱為線圈的位置誤差。位置誤差會降低線圈電流測量的準確度。例如：通常的位置誤差主要有以下兩種形式：
⑴偏心位置誤差(載流導體垂直於線圈平面，但不位於線圈中心)；
⑵傾斜位置誤差(載流導體和線圈平面不垂直，具有一定夾角)。
例如：如果線匝均勻連續分布，矩形截面線圈寬度和載流導體偏心度的大小不會造成偏心位置誤差。因此每組平行的差分59組PCB線圈之間均勻分布，相角相同，有效減少因實際應用環境不同、操作人員安裝方式不同等引起的位置誤差影響電流測量。
例如：所述4層PCB羅氏線圈由雙面由內外徑均勻密布的導孔直連構成的雙匝線圈，使矩形截面線圈寬度和載流導體偏心度的大小不會造成偏心位置誤差。
可見，所述4層PCB羅氏線圈採用差分布線，差分信號嚴格對稱，大大延長了連接PCB線圈的距離，大大提高了信噪比。
可選地，所述4層PCB羅氏線圈4層板在第一內層板(即第一InternalPlane)和第二內層板(即第二Internal Plane)的S形回線(例如：蛇形回線)設計，可以有效抵消垂直磁場幹擾，確保互感穩定。其中，第一Internal Plane和第二Internal Plane是PCB板的內層平面，主要用於電源和地線。
例如：所述4層PCB羅氏線圈，在PCB 4層板的第一Internal Plane和第二Internal Plane採用了與繞線方向相反的蛇形回線，有效消除垂直於線圈平面的磁場幹擾。
在一個可選具體例子中，4層PCB羅氏線圈，可以由4塊半環形4層PCB羅氏線圈構成。4塊半環形4層PCB羅氏線圈可以分為2組，每組有2個走線完全對稱的PCB線圈，稱為1號線圈(例如：第一PCB板)和2號線圈(例如：第二PCB板)。
可選地，所述4層PCB羅氏線圈，在PCB 4層板的第一Internal Plane和第二Internal Plane採用了與繞線方向相反的蛇形回線，以消除垂直於線圈平面的磁場幹擾。
可選地，所述4層PCB羅氏線圈，1號線圈和2號線圈通過第一Internal Plane和第二Internal Plane兩條蛇形回線的末端串聯，分別在蛇形回線的前端引出兩條輸出信號與濾波電路的輸入端連接。
可選地，所述4層PCB羅氏線圈，由雙面內外徑均勻密布的導孔直連構成的差分雙匝線圈，使矩形截面線圈寬度和載流導體偏心度的大小不會造成偏心位置誤差。
例如：參見圖3所示的例子，4層PCB羅氏線圈，包括：第一內層平面9，由頂層走線構成；第二內層平面10，由底層走線構成。其中，頂層、底層走線平行位置重疊(例如：頂層、底層重疊部分11)。
例如：所述4層PCB羅氏線圈輸入端與第一電阻R2連接；所述第一電阻R2輸出端與第一濾波電容C4、第二濾波電容C2連接；所述第二濾波電容C2輸出端與第二電阻R4連接、與積分電路第一輸入端雙通道運放A通道U1A正極輸入端連接；所述第一濾波電容C4的輸出端與第二電阻R4輸出端連接、與同相放大電路的第二輸入端雙通道運放B通道U1B的正極輸入端連接。
由此，差分布線且增加回線的4層PCB羅氏線圈互感設計值與實際值誤差在1％以內，垂直於被測導線的幹擾載流導體對線圈互感影響作用小於1％，都充分證明了採用差分布線、均勻分布、增加回線設計的4層PCB羅氏線圈具有很好的抗幹擾性。
在一個可選例子中，如圖4所示的模擬電路部分(例如：信號處理裝置)，可以包括濾波電路、積分電路、同相放大電路。4層PCB羅氏線圈的輸出信號輸入到濾波電路，濾波電路輸出到積分電路，積分電路輸出到同相放大電路，同相放大電路輸出到單片機AD採樣。
在一個可選具體例子中，積分電路可以採用積分器。積分器輸出幅度變化近似反比與頻率變化，當頻率很小時，增益可能是工頻信號的很多倍，會嚴重影響電流測量的可靠性。
可選地，所述積分電路用於還原4層PCB羅氏線圈輸出的微分信號。積分器實現形式可分為模擬積分器和數字積分器兩類。數字積分器的積分精度主要由積分算法決定，受溫漂、時漂和電磁幹擾影響小，但頻帶較窄，主要適宜於長期測量工頻信號的場合。故障指示器一般情況下測量電流頻率均為工頻信號，但是當線路發生接地故障等其他會產生高頻信號的情況出現時，高頻信號對故障判斷有著重要作用。這種情況下模擬積分器的頻帶較寬的特點決定其更適合。但模擬積分器需要考慮積分精度和穩定性問題。為提高積分精度，積分器應具有較低的上限截止頻率；當前低通濾波截止頻率F為4KHz，受限於信號採集的最大頻率。當然可以依據使用需求的不同對低通濾波電路進行調整。
例如：同時為解決積分漂移問題，模擬積分器通常採用改進積分器。
例如：積分電路包括第五電阻R5、第六電阻R6、第五電容C5、第六電容C6、第三電容C3、運算放大器A通道U1A。
例如：所述積分電路的第二輸入端與第五電阻R5連接；所述第五電阻R5的輸出端與第五電容C5連接、與雙通道運放A通道U1A的負極輸入端連接、與第六電阻R6連接、與第六電容C6連接；所述第六電阻R6的輸出端與第六電容C6的輸出端連接、與雙通道運放A通道U1A的輸出端連接、與第三電容C3連接；所述第三電容C3的輸出端與同相放大電路的第一輸入端連接
在一個可選具體例子中，濾波電路也是必不可少的。濾波電路的濾波範圍一般介於50Hz～2.5KHz之間，依據不同的應用環境也可以調整帶通範圍。
例如：所述濾波電路有效過濾低於工頻的無效低頻信號，減少由於積分器輸出幅度變化近似反比與頻率變化的特性導致的幹擾。
可選地，所述的濾波電路由帶通濾波構成。實際上是由一階低通濾波和一階高通濾波組成。積分器的上限截止頻率越低，構成積分器的阻容元件的數值就越大，這不僅影響到積分器的溫度特性，而且大大增加了積分器的低頻噪聲，從而降低了電流測量的準確度。高通濾波可以有效抑制低於工頻信號的低頻噪聲，保證測量準度。
例如：濾波電路可以包括第二電阻R2、第四電容C4、第四電阻R4、第二電容C2。
在一個可選具體例子中，同相放大電路可以依據不同的應用需求，針對不同的供電系統、採樣基準電壓、電流採集範圍都可以輕鬆應對。無論是5V、3.3V還是12V、24V等供電系統；1.5V、2.5V等基準電壓；採集範圍從0～600A，0～1200A，0～2000A等更大範圍的電流測量，都可以通過簡單修改放大比例來實現。
可選地，所述同相放大電路用於輸出適合於不同的單片機採樣基準、供電系統以及測量範圍的電壓信號。該電子互感器的使用對象可能由於用戶的使用需求不同，配套不同的供電系統；採樣基準的變化會影響採樣信號飽和的範圍；保持供電系統不變、基準電壓等其他因素不變的前提：測量範圍小、解析度高，測量範圍大，解析度低；需求不同，輸出電壓範圍不同，4層PCB羅氏線圈無飽和特性也決定了可以保證全範圍測量的功能，但是對於實際應用需要依據不同的測量精度、解析度和測量範圍對積分電路輸出信號進行合適的放大，以滿足使用需求。
例如：所述同相放大電路，通過放大或縮小採樣信號輸出更適合單片機處理的電壓信號。可以依據不同的電流測量需求、不同的供電系統，通過簡單更換部分元器件使整個電子互感系統應用範圍更廣、容錯率更低、生產更高效、維護更便捷。
例如：如圖4所示的例子，運算放大器U1採用德州儀器公司的OPA23x9系列晶片；第二電阻為10R，第三電阻為2M，第二電容為11uF，第四電容為1uF。
例如：同相放大電路包括第三電阻R3、第一電阻R1、第一電容C1、運算放大器B通道U1B。
例如：所述同相放大電路的第一輸入端與第三電阻R3連接；所述第三電阻R3的輸出端與雙通道運放B通道U1B的負極輸入端連接、與第一電阻R1連接、與第一電容C1連接；所述第一電阻R1的輸出端與第一電容C1的輸出端連接、與雙通道運放B通道U1B的輸出端連接；所述雙通道運放B通道U1B的輸出端與單片機AD採樣I/O埠連接。
可見，該用於故障指示器全範圍電流測量的電子互感器，採用了差分布線的4層PCB羅氏線圈、可依據測量對象靈活調整的濾波電路、積分電路以及同相放大電路，具有受安裝位置影響小、受溫度影響小、測量精度高、線性度好、測量動態範圍寬、無飽和等特點。
經大量的試驗驗證，採用本實施例的技術方案，依託PCB羅氏線圈的諸多優良特性，結合一些必要的電路處理，提出一種可用於故障指示器全範圍電流測量的、高線性度、高性能、抗幹擾更強、受溫度影響小、受安裝位置小、測試範圍更寬的、穩定性更好的電子互感器。
綜上，本領域技術人員容易理解的是，在不衝突的前提下，上述各有利方式可以自由地組合、疊加。
以上所述僅為本實用新型的實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的權利要求範圍之內。