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大直流电流精确测量的实现

2017-07-26 11:15:18

[导读] 虽然有许多仪器可以精确地测量小的直流电流(最大3A),但很少有仪器可以精确地(好于1%)测量50A以上的直流电流。这么大的电流范围是电动汽车(EV)、电网能量存储和光伏(光电)可再生能源装置等的负载典型值。另外,这些系统需要精确地预测相关能量存储电池的电荷状态(SOC)。对电荷状态的估计可以根据电流和电荷(库伦计数)测量实现,而精确的测量数据对于精确的电荷状态估计来说是必要条件。

虽然有许多仪器可以精确地测量小的直流电流(最大3A),但很少有仪器可以精确地(好于1%)测量50A以上的直流电流。这么大的电流范围是电动汽车(EV)、电网能量存储和光伏(光电)可再生能源装置等的负载典型值。另外,这些系统需要精确地预测相关能量存储电池的电荷状态(SOC)。对电荷状态的估计可以根据电流和电荷(库伦计数)测量实现,而精确的测量数据对于精确的电荷状态估计来说是必要条件。

一般来说,用于电流或电荷测量的任何系统都设计包含有内置数据采集部件,如合适的放大器滤波器、模数转换器(ADC)等。电流传感器用于检测电流。电流传感器的输出需要通过一个电路转换成可用的形式(即电压)。接着对信号进行滤波,以减少电磁和射频干扰。然后进行放大和数字化。再将每个电流数据样本乘以合适的时间间隔,(通过数字化计算)累加算出电荷值。

另一方面,如果以恒定不变的频率进行数字化,那么首先累积的电流样本,然后当累积电荷值被读出或以某种方式利用时才乘以合适的时间间隔。同时需要考虑选择合适的最小奈奎斯特采样率,并在模数转换器之前使用足够窄的抗混叠滤波器。

 

图1:典型的现代电流测量系统中的信号链。

用于大电流测量的实用性传感器技术

在用于测量大电流的技术中,有两种传感器技术最常见。第一种技术是检测承载电流的导体周围的磁场。第二种技术是测量承载待测电流(和电荷)的电阻(经常称之为分流器)上的压降。这个压降遵循欧姆定律(V = I × R)。

用于大电流测量的器件通常称为霍尔效应电流传感器。这种传感器内置有一个载流元件。当电流和外部磁场施加于该元件上时,元件两侧会呈现一个垂直于电流方向并垂直于外部磁场方向的压差。普通金属中的霍尔效应压差值很小。值得注意的是,并不是所有测量载流导体周围磁场的直流电流传感器都是基于霍尔效应。下面会简要介绍它们之间的区别。

大电流霍尔效应传感器

为了做成一个带霍尔效应器件的电流传感器,需要用一个磁芯将导体电流周围的磁场集中起来,同时这个磁芯中要开一个槽,用于容纳实际的霍尔元件。尺寸相对较小的槽(相对于整个磁路长度而言)会形成一个接近均匀且垂直于霍尔元件平面的磁场。当霍尔元件获得电流能量时,将产生一个正比于励磁电流和磁芯磁场的电压。这个霍尔电压经放大后从电流传感器的输出端输出。

 

图2:导体周围磁场、线性开环霍尔效应传感器和闭环传感器示意图。

由于载流导体和磁芯之间没有电气上的连接(耦合的只是磁场),传感器实际上是与待测电路隔离的。载流导体可能有很高的电压,而霍尔效应电流传感器的输出可以安全地连接到接地电路,或连接到相对载流导体任意电位的电路,因此提供满足最严格安全标准的间隙与爬电值也相对比较容易。

然而,这种线性传感器也存在一些缺点。其中最不重要的缺点也许是霍尔效应传感器要求恒定励磁电流这个事实。另外,处理来自霍尔效应传感器的信号的放大和调节电路通常要消耗显着的能量。当然,这个能耗也许不那么显着,要看具体的应用。尽管如此,用于连续测量电流的霍尔传感器能耗也不能小至毫瓦级。

霍尔效应传感器:漂移大,可用工作温度范围小

因为典型的线性传感器输出是按比例量测的(不仅取决于被测的磁场强度,而且取决于励磁电流值),励磁电流的稳定性将极大地影响待测电流幅度以及没有电流流动时的零偏移。一般来说,后两者都取决于供电电压的稳定和温度变化(因为影响励磁电流和霍尔电压本身的霍尔传感元件电阻取决于工作温度)。

测量励磁电流并在输出中考虑该因素的传感器变种是可能的。但它要求精密的外部元件和较大的处理电路。而且霍尔电压是待测磁场的非线性函数,这进一步增加了传感器的误差。

因为在不同条件下会产生不同的误差,大多数线性霍尔效应器件制造商会将总的误差分解成许多单独的分量。有时很难计算总的合成误差。

 

闭环电流传感器

为了解决霍尔传感元件的非线性问题,业界开发出了另外一种技术。这种技术依赖于检测传感磁芯中磁场的有无或符号,而不是测量这种磁场的强度。另外,它能避免由于霍尔元件中不稳定的励磁电流引起的测量误差。

这种技术是在磁芯上增加一个绕组,用于产生符号相反的磁场,但强度与待测电流产生的磁场完全相等。现在霍尔传感元件仅用于检测磁场符号而不是磁场强度。这个绕组连接在有运放的电路中。该电路维持这种补偿绕组中的电流并使霍尔传感器感知到的磁场为零。补偿绕组中的电流要比待测导体中的电流小许多倍(也许超过1000倍),这个功能只需在制作绕组时在磁芯上多绕几匝就可以实现,而且匝数可以得到精确控制。

鉴于补偿绕组在运放反馈环路中的作用,这种电流传感器经常被称为“闭环”传感器。相反,前述简单的线性霍尔效应传感器经常被认为是“开环”传感器,以便强调在它们的工作过程中不存在反馈机制。

在霍尔效应器件中,不能将检测零磁场时的(偏移)误差减小到任意小的值,这是由于各种漂移、而且大多数是由于温度相关性漂移的原因。这也是为何一些较高性能的电流传感器采用的技术不依赖于霍尔效应的原因。然而,这些传感器一般仍被称为霍尔效应传感器,这只是因为它们在外观上与霍尔效应器件十分相似罢了。

其它磁场检测器

在非霍尔器件中,有些基于各种物理现象的传感器可以用来执行磁场检测器的功能。其中一种技术基于的是磁阻效应,即当向传感器施加一个磁场时,传感器的电阻会发生变化。

另外一种磁场检测器用的技术利用了铁氧体在磁场强度(用H表示)、磁通量密度(用B表示)和一种被称为饱和的特殊现象之间所呈现出来的非线性属性。当H场增加时,磁通量密度B最终将达到一个不再显着增加的点--这个点被称为饱和点。一些特殊配方做成的材料具有非常低的饱和点,它们被广泛用于称为磁通门的器件。

事实上,一个基于磁通门的传感器可以将一个恒定的磁场转换成一个在满量程和几乎零之间交替变化的“选通式”或“削砍式”磁场。这种磁场变化可以很容易地被磁芯上的一个绕组拾取到,然后经交流放大器进行放大。最后使用所谓的同步检测(因为电路本身会控制削砍动作)技术恢复出正比于待测恒定磁场的值。

值得注意的是,这种传感器的机械结构和相关电路的复杂性远高于闭环传感器。另外,它们的工作难度很高--当传感器没有获得能量,或者由于与外部检测电阻的松散连接导致补偿绕组电路开路的条件下进行电流测量--经常导致偏移和增益指标的不可恢复。由于补偿绕组不能抵消来自待测电流的磁场,这种传感器中的磁性元件将会永久磁化。

需要精密电阻

闭环传感器的输出信号就是补偿绕组中的电流(它的值要比待测电流小许多倍)。这个电流通常要被转换成电压值,再作进一步处理和数字化。这时只需使用普通电阻即可。

然而,这种电阻的精度和稳定性将直接影响闭环电流传感器的精度和稳定度。如果使用1%精度的检测电阻,那么基本精度规定为0.0.01%的闭环传感器很快会降低到1%精度。

但购买到一定商用数量且精度高于0.01%的电阻是很难的,即使它们只是工作在很窄的温度范围内。

大电流分流

如前所述,第二种电流测量技术采用电阻上的压降。在根据欧姆定律确定电流时,需要考虑一组独特的因素,具体跟电流大小有关。对于相对较小的电流,分流电阻上的压降可以做得相当大,以克服由于检测连接和分流电阻的散热原因或源自工作环境形成的温差造成的任何误差。然而,当电流超过50A时,热量散发和热电误差是最重要的。同样,由于分流电阻总是会被流过的电流加热,并且可能工作在温度不稳定的环境中,分流电阻阻值相对于温度的稳定性就显得尤其重要。

分流器的物理组成

初看起来分流器件是一个简单的电阻。一些在体积电阻率、(温度和时间)稳定性和合适机械外形方面具有适当属性的导电材料可以用作分流电阻。低精度的分流电阻可以完全是一段长度的导线或用合适的合金构建的矩形形状,并简单地与载流导体串联焊接(或以某种电气连接)在一起。然而,将这样的分流元件插入测量电路而不影响其阻值几乎是不可能的(由于存在连接点焊料数量的变化,或连接机械细节方面的变化)。

另外,基于稳定性的原因,以分流电阻任何给定横截面内的电流密度大部分均匀的方式排列分流电阻是非常有益的。这样能防止形成所谓的热点--定义为温度比材料其它部分更高的分流电阻内部区域。除了简单的电阻变化外,热点处上升的高温可能将阻性材料带到退火点温度,在这个温度点(通过仔细控制化学成分和处理实现的)材料阻值可能开始永久改变。

即使热点的实际存在不会影响精度,但在校准分流电阻时不可能确保它们在完全相同的地方形成。因此分流电阻的设计包括了在阻性材料的横截面上、或在单个并联阻性部分和每个部分内部之间平均分配电流的方法。

这正是大多数较高精度的分流电阻由三个不同部分组成的原因:两个区域是端子,用于接入电路(几乎总是用厚的高导电率材料做成,比如铜),另外一个区或多个并联区组成了分流电阻的大部分。两个端子区之间用电阻段或使用焊接或冶金工艺的段进行连接,具有非常均匀的接缝。

精密分流电阻的阻性部分(也称为有效部分)材料必须具有对温度依赖性低的阻抗特性。由于具有合适的电阻和低温电阻系数(TCR),用于精密分流电阻的最常见合金之一是Edward Weston(因开发出电化学电池-韦斯顿电池而出名)于1892年开发的锰铜。

分流电阻中的散热

电阻散发的热量正比于电流的平方和电阻(W = I2 × R)。举例来说,一个1mΩ的分流电阻在流经50A电流时的功耗为2.5W,这个功耗在有适中散热器和静止空气条件下是一个可控的值。相反,当电流为1kA时,同样这个分流电阻将耗散1kW的热量,这个热量需要很大物理尺寸并且可能强制风冷(或液冷)的装置。

 

图3:分流电阻中散发的热量与电阻和电流之间的关系。

 

图4:分流电阻中散发的热量与满刻度输出电压和电流的关系。

从上面的图中应该可以清楚地看到,在给定电流条件下减少分流电阻中散发热量的唯一方法是减小其电阻。然而,这也会降低分流电阻上测得的电压值,信号将变得对分流电阻和检测电路中引起的误差更加敏感,从而在小电流情况下导致精度的劣化。

分流测量方法中的误差源

高的工作温度和分流电阻中的温差将对增益和偏移误差产生负面影响。对于基于分流的测量系统而言,不仅环境温度起作用,而且测量的电流本身也会起作用,因为大电流会加热分流电阻。

虽然分流元件的电阻(有效)部分是用低TCR的材料做的,但高的工作温度将不可避免地促进阻值偏离校准值,无论这个变化有多小。这将产生灵敏度(增益)误差。

由于分流电阻结构中使用了不同的材料(也就是说,连接端子和检测导线的材料一般不同于分流电阻的阻值部分材料),存在所谓的热电误差(比如塞贝克效应),它会影响偏移误差(当实际电流为零时报告有电流读数)。由于分流电阻的散热效应可以测量,并且能够用一种可预测的方式进行表达,一些基于分流电阻的系统可以补偿导致偏移和增益误差的分流电阻热效应。在任何情况下,当设计一个如图1(典型的现代电流测量系统的信号链)所示的基于分流电阻的电流测量系统时,需要仔细选择能够提供最小误差和漂移的元件。

 

选择正确的测量方法

对于测量大的直流电流来说,最基本的问题是测量精度和成本。其它重要的考虑因素包括:工作环境(尤其是温度范围),功耗,尺寸和耐用性(考虑可能的过载,瞬变和无激励工作)。为了判断任一给定方法的测量精度,考虑在所有相关的极端工作条件下所有可能的误差源很重要。

 

表1:电流分压器的比较。

[整理编辑:中国测控网]
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