一種新研閉環(huán)大電流傳感器校準裝置

杜玲玲，唐武忠，曾渭平，張曉勇，曹云飛

(1.中航工業(yè)第一飛機設計研究院，陜西西安710089;2.武漢龍成電氣設備廠，湖北武漢430074)

0 引言

傳感器是一種將物理量、化學量、生物量等轉換成電信號的器件。其輸出信號有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等。電流傳感器主要用來擴大儀表的量限和實現(xiàn)測量儀表與被測電路間的隔離，進行電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)的測量。這些參數(shù)的準確可靠度直接影響試驗的準確度，而試驗數(shù)據(jù)的準確可靠，是判定設計是否滿足要求的重要依據(jù)。為了確保綜合試驗中測量數(shù)據(jù)的準確可靠，必須定期對電流傳感器進行校準［1］。而目前，隨著變頻電源及多電飛機、全電飛機的出現(xiàn)及得到廣泛應用，300～800 Hz的變頻電源也得到了應用。變頻電流的最大特征是電流信號中含有各種頻率成分的頻譜信息，而且其頻率成分比較復雜，因此準確測量變頻電流比測量恒頻電流要難得多。并且，綜合試驗中使用的LEM公司霍爾閉環(huán)電流傳感器上限電流已達到2000 A，而這種變頻、閉環(huán)大電流傳感器，國內(nèi)外無現(xiàn)成的標準裝置能夠對其進行校準。本文介紹的新研大電流傳感器校準裝置能夠解決閉環(huán)大電流傳感器的校準問題。

1 傳感器工作原理與特點

LEM電流傳感器采用磁補償原理，即原邊電流Ip產(chǎn)生的磁場與副邊線圈電流產(chǎn)生的磁場相平衡。HALL裝置與輔助電路產(chǎn)生副邊磁補償電流，此電流可精準反映原邊電流［2］。原理圖如圖1所示。

圖1 傳感器工作原理圖

閉環(huán)霍爾電流傳感器有頻帶范圍寬、精度高、響應時間快、溫漂小、線性度好及抗干擾能力強等特點。

2 現(xiàn)狀分析

通過對閉環(huán)大電流傳感器精度校準的現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)開展閉環(huán)大電流傳感器校準的機構普遍存在以下問題［3］:

1)校準耗時長、耗費資源多。需要搭建臨時平臺，用電源、數(shù)字多用表、跨導放大器、標準源等搭建臨時校準電路，而校準過程至少需要兩名校準人員，一位負責調(diào)解電流輸出，一位負責讀數(shù)和記錄數(shù)據(jù)。

2)測量誤差大。采用對電流傳感器繞線圈等方法完成的校準，校準誤差較大，影響校準結果的可信度，使校準結果的符合性判斷存在一定風險。

3 校準裝置的技術指標

針對目前閉環(huán)大電流傳感器校準存在的問題，需要研制一種專用的校準裝置，以解決大電流傳感器校準工作中存在的校準時間長、耗費資源多、人力多、校準誤差大、可信度低等問題。

該裝置研制需實現(xiàn)的主要技術指標如下:

1)裝置測量電流范圍:0～2000 A;

2)裝置測量頻率范圍:300～800 Hz;

3)整套裝置精度:0.02級。

4 裝置的原理

大電流校準裝置是由大功率交、直流穩(wěn)流源，交、直流電流比較儀 (以下稱電流比例標準)，標準電阻器，高精度數(shù)字多用表，大電流導線及計算機系統(tǒng)組成。原理框圖如圖2所示。

圖2 校準裝置原理圖

大電流校準裝置工作原理:大功率交、直流穩(wěn)流源提供0～2000 A分檔電流，大電流通過被校傳感器以及電流比例標準。其中電流比例標準既作為采樣穩(wěn)流源部件，又作為校準電流的標準器，當大電流變化時，通過電流比例標準把大電流檢測出來后，控制電流源的輸出電流，從而使得大電流達到穩(wěn)定的目的。將2000 A以下的大電流轉換為1 A后通過1 Ω電阻轉換為1 V電壓，用高精度數(shù)字多用表電壓檔測1 V電壓，實現(xiàn)大電流傳感器的校準。計算機系統(tǒng)進行傳感器輸出信號的采集、處理與分析，將結果反饋給交直流穩(wěn)流源，對頻率的信號輸出進行微調(diào)，對定點數(shù)據(jù)進行采集等，從而實現(xiàn)高精度的傳感器校準。

5 裝置各部分設計

閉環(huán)大電流傳感器校準裝置為一套完備的高精度校準裝置，解決了2000 A交、直流電流源的控制技術，電流比例標準的制造技術，300～800 Hz變頻技術及計算機聯(lián)機功能，使高精度電流源和電流比例標準有機結合。

現(xiàn)將裝置的各部分設計原理介紹如下。

5.1 大功率交流穩(wěn)流源原理

大功率交流穩(wěn)流標準源原理框圖如圖3所示。

圖3 交流穩(wěn)流標準源原理框圖

5.2 大功率直流穩(wěn)流源原理

大功率直流穩(wěn)流標準源原理框圖如圖4所示。

圖4 直流穩(wěn)流標準源原理框圖

大功率直流穩(wěn)流源工作原理:交流輸入電壓經(jīng)過整流電路濾波后，得到較高直流電壓。“變頻轉換”將高壓直流逆變成高頻交流，經(jīng)高頻變壓器變換到次級，再經(jīng)高頻整流濾波得到需要的輸出電壓。控制電路對輸出電壓和輸出電流取樣，閉環(huán)反饋后產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號控制“功率轉換”電路，使輸出電壓或電流保持穩(wěn)定。

5.3 交流電流比例標準原理

交流電流比例標準原理圖如圖5所示。

圖5 交流電流比例標準原理圖

交流電流比例標準原理:檢測繞組Nd，檢測主鐵芯的磁通，調(diào)節(jié)二次繞組電流I2，使得主鐵芯的磁通為零。

根據(jù)安培環(huán)路定律有:∫H·dl=∑I

由于檢測繞組電壓為零，有H=0，即∫H·dl=0

式中:N1為一次繞組;N2為二次繞組。

電流與匝數(shù)成反比，把大電流準確變成小電流。

5.4 直流電流比例標準原理

直流電流比例標準原理圖如圖6所示。

圖6 直流電流比例標準原理圖

直流電流比例標準原理:直流電流比較儀原理比交流要復雜一點，但本質(zhì)相同，是通過磁調(diào)器的原理檢測主磁通的直流磁通為零，從而達到直流安匝平衡。

同樣有:N1×I1=N2×I2

電流比較儀利用負反饋技術，使檢測主鐵芯的磁通運行在零磁通狀態(tài)，使電流與匝數(shù)成反比，從而達到把大電流變成小電流的目的。

5.5 計算機系統(tǒng)

大電流校準裝置的計算機系統(tǒng)能夠控制高精度數(shù)字多用表，實現(xiàn)對定點數(shù)據(jù)的自動采集、存儲等，并將數(shù)據(jù)傳回到計算機，生成word文檔，完全消除人為誤差。

具有設備查詢功能，可根據(jù)設備名稱、編號、校準日期、檢定員等項目進行單項或組合式查詢。還具有自動生成與打印功能，能夠自動生成校準結果文件，打印校準數(shù)據(jù)、校準證書、通知書。

該系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)采集界面如下圖7所示。

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面

6 校準試驗

校準試驗接線圖如圖11所示。圖中，V1為監(jiān)測用高精度數(shù)表，V2為讀數(shù)的高精度數(shù)表。

圖11 校準試驗接線圖

電流源:2 kA;

濾波器:2 kA電源濾波器;

電流比例標準:2000/1;

被試品:LEM公司電流傳感器，型號為ST1005-S，測量范圍為0～1000 A，技術指標為±0.4%。

校準試驗按圖11搭建線路后，用直流電源給被校傳感器供電，二次端鏈接負載，用高精度數(shù)字多用表監(jiān)測電流比例標準提供的相應電壓值，用另一臺高精度數(shù)表讀取被校電流傳感器，測量電壓值，校準數(shù)據(jù)詳見表1、表2、表3。

根據(jù)校準數(shù)據(jù)及誤差結果可得出本文設計的大電流校準裝置符合閉環(huán)大電流傳感器校準要求。

表1 直流電流校準數(shù)據(jù) (0～1000 A)

表2 交流電流校準數(shù)據(jù) (0～1000 A，頻率:400 Hz)

表3 交流電流校準數(shù)據(jù) (0～1000 A，頻率:800 Hz)

7 結束語

本文介紹了一套閉環(huán)大電流傳感器校準裝置的研制，通過使用該閉環(huán)大電流傳感器測試裝置對LEM公司閉環(huán)大電流傳感器進行校準，得出試驗校準數(shù)據(jù)及誤差結果符合閉環(huán)大電流傳感器校準需求。試驗結果說明該裝置設計合理，解決了2000 A交、直流電流源的控制技術問題及電流源和電流比例標準有機結合在一起的技術問題，滿足閉環(huán)大電流傳感器的校準需求。

此閉環(huán)大電流傳感器校準裝置的成功研制，能夠解決研制、試驗、生產(chǎn)過程中使用的2000 A以下交、直流兩用高精度閉環(huán)大電流傳感器的校準問題。該套裝置在300～800 Hz頻率下，可以直接讀取閉環(huán)大電流傳感器誤差。該套裝置具有精度高、穩(wěn)定性好、頻率高、可靠性強等特點，還可以用來開展交、直流大電流互感器等大電流測量設備的校準工作。但目前該裝置還沒有實現(xiàn)程控自動校準，未來將不斷完善改進。

［1］金海彬，王文海.400 Hz電流互感器檢定裝置及量程溯源系統(tǒng) ［J］.航空計測技術，2001，21(2):17－22.

［2］李靖，黃紹平，張深基.LEM傳感器在電氣參數(shù)測試中的應用［J］.湖南工程學院學報，2004，14(2):12－15.

［3］余英娥.霍爾電流傳感器精度測試的不確定度分析［D］.廣州:華南理工大學理學院，2011.