一种新研闭环大电流传感器校准装置

杜玲玲，唐武忠，曾渭平，张晓勇，曹云飞

(1.中航工业第一飞机设计研究院，陕西西安710089;2.武汉龙成电气设备厂，湖北武汉430074)

0 引言

传感器是一种将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。其输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等。电流传感器主要用来扩大仪表的量限和实现测量仪表与被测电路间的隔离，进行电流、功率、功率因数等参数的测量。这些参数的准确可靠度直接影响试验的准确度，而试验数据的准确可靠，是判定设计是否满足要求的重要依据。为了确保综合试验中测量数据的准确可靠，必须定期对电流传感器进行校准［1］。而目前，随着变频电源及多电飞机、全电飞机的出现及得到广泛应用，300～800 Hz的变频电源也得到了应用。变频电流的最大特征是电流信号中含有各种频率成分的频谱信息，而且其频率成分比较复杂，因此准确测量变频电流比测量恒频电流要难得多。并且，综合试验中使用的LEM公司霍尔闭环电流传感器上限电流已达到2000 A，而这种变频、闭环大电流传感器，国内外无现成的标准装置能够对其进行校准。本文介绍的新研大电流传感器校准装置能够解决闭环大电流传感器的校准问题。

1 传感器工作原理与特点

LEM电流传感器采用磁补偿原理，即原边电流Ip产生的磁场与副边线圈电流产生的磁场相平衡。HALL装置与辅助电路产生副边磁补偿电流，此电流可精准反映原边电流［2］。原理图如图1所示。

图1 传感器工作原理图

闭环霍尔电流传感器有频带范围宽、精度高、响应时间快、温漂小、线性度好及抗干扰能力强等特点。

2 现状分析

通过对闭环大电流传感器精度校准的现状分析，发现开展闭环大电流传感器校准的机构普遍存在以下问题［3］:

1)校准耗时长、耗费资源多。需要搭建临时平台，用电源、数字多用表、跨导放大器、标准源等搭建临时校准电路，而校准过程至少需要两名校准人员，一位负责调解电流输出，一位负责读数和记录数据。

2)测量误差大。采用对电流传感器绕线圈等方法完成的校准，校准误差较大，影响校准结果的可信度，使校准结果的符合性判断存在一定风险。

3 校准装置的技术指标

针对目前闭环大电流传感器校准存在的问题，需要研制一种专用的校准装置，以解决大电流传感器校准工作中存在的校准时间长、耗费资源多、人力多、校准误差大、可信度低等问题。

该装置研制需实现的主要技术指标如下:

1)装置测量电流范围:0～2000 A;

2)装置测量频率范围:300～800 Hz;

3)整套装置精度:0.02级。

4 装置的原理

大电流校准装置是由大功率交、直流稳流源，交、直流电流比较仪 (以下称电流比例标准)，标准电阻器，高精度数字多用表，大电流导线及计算机系统组成。原理框图如图2所示。

图2 校准装置原理图

大电流校准装置工作原理:大功率交、直流稳流源提供0～2000 A分档电流，大电流通过被校传感器以及电流比例标准。其中电流比例标准既作为采样稳流源部件，又作为校准电流的标准器，当大电流变化时，通过电流比例标准把大电流检测出来后，控制电流源的输出电流，从而使得大电流达到稳定的目的。将2000 A以下的大电流转换为1 A后通过1 Ω电阻转换为1 V电压，用高精度数字多用表电压档测1 V电压，实现大电流传感器的校准。计算机系统进行传感器输出信号的采集、处理与分析，将结果反馈给交直流稳流源，对频率的信号输出进行微调，对定点数据进行采集等，从而实现高精度的传感器校准。

5 装置各部分设计

闭环大电流传感器校准装置为一套完备的高精度校准装置，解决了2000 A交、直流电流源的控制技术，电流比例标准的制造技术，300～800 Hz变频技术及计算机联机功能，使高精度电流源和电流比例标准有机结合。

现将装置的各部分设计原理介绍如下。

5.1 大功率交流稳流源原理

大功率交流稳流标准源原理框图如图3所示。

图3 交流稳流标准源原理框图

5.2 大功率直流稳流源原理

大功率直流稳流标准源原理框图如图4所示。

图4 直流稳流标准源原理框图

大功率直流稳流源工作原理:交流输入电压经过整流电路滤波后，得到较高直流电压。“变频转换”将高压直流逆变成高频交流，经高频变压器变换到次级，再经高频整流滤波得到需要的输出电压。控制电路对输出电压和输出电流取样，闭环反馈后产生脉宽调制(PWM)信号控制“功率转换”电路，使输出电压或电流保持稳定。

5.3 交流电流比例标准原理

交流电流比例标准原理图如图5所示。

图5 交流电流比例标准原理图

交流电流比例标准原理:检测绕组Nd，检测主铁芯的磁通，调节二次绕组电流I2，使得主铁芯的磁通为零。

根据安培环路定律有:∫H·dl=∑I

由于检测绕组电压为零，有H=0，即∫H·dl=0

式中:N1为一次绕组;N2为二次绕组。

电流与匝数成反比，把大电流准确变成小电流。

5.4 直流电流比例标准原理

直流电流比例标准原理图如图6所示。

图6 直流电流比例标准原理图

直流电流比例标准原理:直流电流比较仪原理比交流要复杂一点，但本质相同，是通过磁调器的原理检测主磁通的直流磁通为零，从而达到直流安匝平衡。

同样有:N1×I1=N2×I2

电流比较仪利用负反馈技术，使检测主铁芯的磁通运行在零磁通状态，使电流与匝数成反比，从而达到把大电流变成小电流的目的。

5.5 计算机系统

大电流校准装置的计算机系统能够控制高精度数字多用表，实现对定点数据的自动采集、存储等，并将数据传回到计算机，生成word文档，完全消除人为误差。

具有设备查询功能，可根据设备名称、编号、校准日期、检定员等项目进行单项或组合式查询。还具有自动生成与打印功能，能够自动生成校准结果文件，打印校准数据、校准证书、通知书。

该系统软件数据采集界面如下图7所示。

图7 系统数据采集界面

6 校准试验

校准试验接线图如图11所示。图中，V1为监测用高精度数表，V2为读数的高精度数表。

图11 校准试验接线图

电流源:2 kA;

滤波器:2 kA电源滤波器;

电流比例标准:2000/1;

被试品:LEM公司电流传感器，型号为ST1005-S，测量范围为0～1000 A，技术指标为±0.4%。

校准试验按图11搭建线路后，用直流电源给被校传感器供电，二次端链接负载，用高精度数字多用表监测电流比例标准提供的相应电压值，用另一台高精度数表读取被校电流传感器，测量电压值，校准数据详见表1、表2、表3。

根据校准数据及误差结果可得出本文设计的大电流校准装置符合闭环大电流传感器校准要求。

表1 直流电流校准数据 (0～1000 A)

表2 交流电流校准数据 (0～1000 A，频率:400 Hz)

表3 交流电流校准数据 (0～1000 A，频率:800 Hz)

7 结束语

本文介绍了一套闭环大电流传感器校准装置的研制，通过使用该闭环大电流传感器测试装置对LEM公司闭环大电流传感器进行校准，得出试验校准数据及误差结果符合闭环大电流传感器校准需求。试验结果说明该装置设计合理，解决了2000 A交、直流电流源的控制技术问题及电流源和电流比例标准有机结合在一起的技术问题，满足闭环大电流传感器的校准需求。

此闭环大电流传感器校准装置的成功研制，能够解决研制、试验、生产过程中使用的2000 A以下交、直流两用高精度闭环大电流传感器的校准问题。该套装置在300～800 Hz频率下，可以直接读取闭环大电流传感器误差。该套装置具有精度高、稳定性好、频率高、可靠性强等特点，还可以用来开展交、直流大电流互感器等大电流测量设备的校准工作。但目前该装置还没有实现程控自动校准，未来将不断完善改进。

［1］金海彬，王文海.400 Hz电流互感器检定装置及量程溯源系统 ［J］.航空计测技术，2001，21(2):17－22.

［2］李靖，黄绍平，张深基.LEM传感器在电气参数测试中的应用［J］.湖南工程学院学报，2004，14(2):12－15.

［3］余英娥.霍尔电流传感器精度测试的不确定度分析［D］.广州:华南理工大学理学院，2011.