浅析电流检测技术

浅析电流检测技术

何贺恩叶志强

（广东电网有限责任公司东莞供电局广东东莞523660）

摘要：本文介绍了直流电流的三种检测方法，简要分析了其工作原理及应用范围，最后总结了三种检测方法的优缺点。

关键词：电流检测；霍尔传感器；双磁环

电流作为一个基本的量值其重要性是显而易见的，对其检测有非常广泛的应用场合，比如可用于各种电源的电流模式控制，各种设备的电流监测等。在各种不同的应用场合，对电流的检测要求也因物而异，但主要是从精度、反馈速度、功耗、体积等几个方面考虑。测量电流的方法一般分为直接式和非直接式。直接式一般是通过串联电阻进行。非直接式测量一般通过监控电流产生的磁场得到，由于电流周围本身会产生磁场，因此可以通过测量磁场的大小得到要测电流的大小。

1电阻检测法

电阻检测法属于直接式检测法，一般是通过测量串接电路中电阻两端的电压信号来计算得到所要测的电流大小，测量电流的上限一般不能太大。直接得到的电信号是模拟信号，一般都比较微弱，还须外接放大电路将信号放大，再通过A/D转换电路将其转化为数字信号。测量的基本原理图如图1所示。

图1电阻串联检测电流法

此法具有精度高、简单、成本低等诸多优点。但对串接的测量电阻和外接的信号放大电路有一定的要求。首先，这一电阻要有较高的精度和较好的温漂特性。测量电阻的阻值在一定的环境下是不变的，可以通过使用一些较好的测量仪器及较先进的测量方法得到所需的精度要求；但是温度漂移不可预测，补偿也比较困难。电阻检测法一般用于电压不高，电流相对较小的情况，电流如果太大，电阻上就会产生比较大的损耗，如通过100A电流时，即使用毫欧级别的电阻产生的功耗也是很惊人的，而电阻上的损耗几乎都转化为热能，这又增加了散热的难度。此外，这种方法输出信号小，须要另外附加放大电路，这是电阻检测法的局限处。

2电流检测方式

一、检测电阻+运放优势：成本低、精度较高、体积小劣势：温漂较大，精密电阻的选择较难，无隔离效果。分析：这两种拓扑结构，都存在一定的风险性，低端检测电路易对地线造成干扰；高端检测，电阻与运放的选择要求高。检测电阻，成本低廉的一般精度较低，温漂大，而如果要选用精度高的，温漂小的，则需要用到合金电阻，成本将大大提高。运放成本低的，钳位电压低，而特殊工艺的，则成本上升很多。

二、电流互感器CT/电压互感器PT在变压器理论中，一、二次电压比等于匝数比，电流比为匝数比的倒数。而CT和PT就是特殊的变压器。基本构造上，CT的一次侧匝数少，二次侧匝数多，如果二次开路，则二次侧电压很高，会击穿绕阻和回路的绝缘，伤及设备和人身。PT相反，一次侧匝数多，二次侧匝数少，如果二次短路，则二次侧电流很大，使回路发热，烧毁绕阻及负载回路电气。CT,电流互感器，英文拼写CurrentTransformer，是将一次侧的大电流，按比例变为适合通过仪表或继电器使用的，额定电流为5A或1A的变换设备。它的工作原理和变压器相似。也称作TA或LH（旧符号）工作特点和要求：

1、一次绕组与高压回路串联，只取决于所在高压回路电流，而与二次负荷大小无关。

2、二次回路不允许开路，否则会产生危险的高电压，危及人身及设备安全。

3、CT二次回路必须有一点直接接地，防止一、二次绕组绝缘击穿后产生对地高电压，但仅一点接地。

4、变换的准确性。

PT，电压互感器，英文拼写PhasevoltageTransformers，是将一次侧的高电压按比例变为适合仪表或继电器使用的额定电压为100V的变换设备。电磁式电压互感器的工作原理和变压器相同。也称作TV或YH（旧符号）。

工作特点和要求：

1、一次绕组与高压电路并联。

2、二次绕组不允许短路（短路电流烧毁PT）,装有熔断器。

3、二次绕组有一点直接接地。

4、变换的准确性

3霍尔电流传感器检测法

霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流到几十千赫兹的交流。它是根据霍尔效应进行测量的一种传感器。霍尔效应是指，若将某载流体置于磁场B中，当有电流I流过时，在载流体上平行于I、B的两侧面之间产生一个大小与电流I和磁场B的乘积成正比的电动势。流入激励电流的电流I越大，作用在固体材料上的磁场强度就越强，霍尔电势就越高。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件（次级线圈）和放大电路等组成，如图2所示：

图2：霍尔电流传感器

霍尔电流传感器的使用方法：电流传感器只需外接正负直流电源，被测电流母线从传感器中穿过，即可完成主电路与控制电路的隔离检测，简化了电路设计。电流传感器的输出信号是副边电流IS,它与输入信号（原边电流IP）成正比，IS一般很小，只有10～400ma。如果输出电流经过测量电阻Rm,则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。经A/D转换，可方便地与计算机和各种仪表接口，并可以长线传输。

霍尔电流传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电测量元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足。具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量的优点，但此方法易受干扰，不适合在复杂的工作环境和电气环境中使用，同时元器件也易损坏。

4基于双磁环线圈的检测法

文献[5]提出了一种以双磁环线圈作为传感器，同时结合控制电路，实现检测直流的技术手段。在该方式中，将通有电流的被测导线穿过双磁环线圈，则该导线在磁环上产生恒定的磁通，同时控制电路在双磁环中加入变化磁通，两部分磁通在每个磁环中形成合成磁通，再将每个磁环中的合成磁通所产生的磁场能经差分运算电路进行差分运算，即可实现检测出导线通过的直流电流。工作原理：电感线圈的磁场能会随磁通的变化而改变，选用双磁环线圈作为传感器，将通有直流电流的导线穿过双磁环，此电流所产生的磁通ΦX与双磁环线圈电流所产生的磁通Φ0在每个磁环内合成，从而使每个磁环线圈中的磁通发生变化，进而使每个磁环线圈中的磁场能发生改变。在此情况下，再将每个磁环线圈中的磁场能通过差分电桥电路进行差分运算。差分电路能把磁通Φ0所产生的磁场能去除，仅保留磁通ΦX所产生的磁场能，这时就可以通过磁通ΦX与其磁场能关系以及被测直流电流IX与磁通ΦX的关系，推导出被测直流电流IX与磁场能的关系，从而可以用检测能量的方式来实现对被测直流电流IX的检测。

基于双磁环线圈的直流电流检测原理框图如图5所示。

图5基于双磁环线圈的直流电流检测原理框图

根据上述检测的工作原理，图6给出了检测的原理图，它主要有两部分构成，第一部分是以NE555为核心的脉冲振荡电路，主要为双磁环线圈L2和L3提供脉冲电压，使双磁环线圈L2与L3产生周期性变化的三角波电流；第二部分是L2、L3、C4、D5、D6构成的差分运算电路，主要用来检测导线通过的直流电流IX。

图6基于双磁环线圈的直流电流检测器原理图

5总结

以上提出了的直流电流的测量方法，其中电阻测量法中电流测量的范围比较小，一般在10A以内，一般用在一些控制电路的小电流测量；霍尔电流传感器型号多、量程宽、精度高、灵敏度高、线性度好、易安装、质量可靠，但不适合在复杂的工作环境和电气环境中使用，同时元器件也易损坏；而基于双磁环线圈的检测法一方面可以实现对直流电流的检测，另一方面可有效地抑制共模干扰信号，提高了检测电路的抗干扰能力，保证了检测电路的可靠性，并能在复杂工作环境下工作，缺点是硬件电路较复杂。

项目：一种新式电流测试操作棒（031900KK52180048）