专利名称：用桥电路传感输入电流的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明是关于传感电流的传感器，更具体地说，是关于一种电流传感器，它能产生与被传感的输入电流相关的输出信号。
很多电气设备，如用于测量电能和能量使用量的电子电表和感应型或电子型电度表，都需要电流传感器传感输电线上的电流和产生与输电线电流相关的输出信号。这些设备需要的传感器要能对大范围内变化的输电线电流进行精确测量。
多年来，一直使用感应型电度表以千瓦时为单位测量单个用电户的耗电量。通常感应型电度表有分离的电流线圈和电压线圈，以及由这两个线圈的磁通量组合驱动的转动盘。传统的感应型电度表包括一个电流传感电路，其中的传送输电线电流的导体在铁芯周围中缠绕，构成电流线圈。由于导体中的电流，在铁芯中造成磁通量。铁芯中的这个磁通量与来自类似的电压线圈的磁通量组合在一起使一园盘转动，其转动速率与用户的电能消耗速率有联。
使用一个电流互感器与上述电流传感电路相连，用于降低较大的输电线电流(即大于320安培左右的电流)，因为要适当测定这种较大的输电线电流，所需要的铁芯线圈匝数会大到不可容忍的程度。电流互感器置于输电线导体和电流传感器之间。尽管这种电流互感器的变换率通常是使次级绕组中的标称电流为5A(安培)，但通常在次级绕组中出现20A左右的电流也不会超过互感器的热额定值。这样，即使在导线和电流传感器之间引入了电流互感器，电感型电度表仍然必须能测量较大电流，例如20A的电流。
然而，那些通常使用电子或集成电路测量单个用户所用电流和电压的电子电表(例如电子电度表或其他电子测量装置)不能精确测定这种较大的电流。这些集成电路通常是专用集成电路(“ASIC”)，是专门设计成接收和测量小信号电平的，例如通常是小于2mA和小于5V。所以，在电子电度表中的电流传感器必须有一个大的变换比，以使较大的输电线电流缩小到可为传感器集成电路接受的较小输入电平。
为了产生这种较小的输出信号，通常的电流互感器会是不可容忍地大而且昂贵。这一增大了的尺寸和费用，部分地归因于为了正常运转必须使初级绕组和次级绕组的安匝数相等。还必须选择绕组数以使最大输入输电线电流缩小到小于集成电路要求的2mA电流极限。由于输电线电流通常的变化范围是0.5A至320A，于是典型的电流互感器的变换比需要大约是160,000∶1，以便把320A的输电线电流缩小到2mA的输出电流。然而，160,000∶1这样一个变换比需要较大的绕组数和一个过大和过于昂贵的电流互感器。
除了过大和过于昂贵以外，如果输电线导体上流过的交变电流(“AC”)叠加在一个直流(“DC”)上，典型的互感器的磁芯会饱和。这种直流以及由此产生的磁芯饱和，通常是由于连到输电线上的各种电气设备对AC信号的半波整流或者是由人有意地将直流分量加到输电线上干扰电流传感和耗电测量的正常进行以使电表舞弊。
再有，通常的电流互感器产生外磁场，它会影响附近的电设备，例如在多相电度表中的其他电流互感器。反过来，在通常的电流互感器中的电流变换也会受到来自外界源的入射磁场的影响，例如在多相电度表中使用的邻近的电流传感器的影响。
1980年1月授予Wolf等人的美国专利4,182,982号及1985年1月授予Milkovic的美国专利4,492,919号(以下称’982专利和’919专利)提供了与这种通常的电流互感器相连的另一种电流传感器。’982和’919专利提出的方法是将输电线导体分成具有不同截面积的分流电路，包括一个或多个主分流电路及一个平行的辅助分流电路。这两个分流电路之间的电流分配基本上与这两个分路的截面积成比例。辅助分路穿过一个环形磁芯内的孔洞。由这个环形磁芯、辅助分流电路(它作为有一匝的初级绕组)及绕在环形磁芯周围的多匝绕组(作为次级绕组)的组合即构成了一个电流互感器。
然而，为了在可能的输电线电流的大变化范围上适当地按比例换算输电线电流，则主分流电路和辅助分流电路的截面积就会分别变得过大和过小。再有，这平行的主、辅分流电路不仅受到外源产生的磁场的影响，而且还受到其他分流电路电流产生的磁场的影响。例如，在主分流电路中的电流受到辅助分流电路中的电流产生的磁场的影响。此外，在分流器中平行导体之间的磁耦合在这两个平行导体之间产生一个互感。这个互感使一个较简单的电阻分流器变成了一个复杂的阻抗分流器，它使主分流电路和辅助分流电路中电流的相移依赖于这个互感。由于适当的测量精度要求电流传感器的比例输出信号的振幅和相角都能精确地反映输电线电流的振幅和相角，而在平行分流电路中的相移转而反映在电流传感器的输出信号中，从而降低了测量精度。
一种同轴电流传感器公开于1991年11月19日颁给Bullock的美国专利5,066,904号，它已转让给本发明的受让人，该专利的公开内容已作为参考引入本文。同轴电流传感器把输电线导体中的电流在同轴排列的导体中分配。中心同轴导体直接穿过磁性环形芯内的孔洞并在环形芯中感应出磁势。
传感和反馈次级绕组也都绕在环形芯周围。由于环形芯中磁势的时间变化，在传感绕组中感应出与磁势时间变化率成正比的电压。一个放大器响应传感次级绕组中感应出的电压，向反馈次级绕组提供一个控制或补偿信号。由于控制信号在反馈绕组中产生的电流造成环形芯中的一个磁势，它基本上与中心同轴导体中的电流感应出的磁势大小相等但极性相反。在稳定状态下，其结果造成的在环形磁芯内得到的交流(AC)磁势近似于零。这样，便显著地减小了磁芯中饱和的可能性。再有，环形磁芯中任何电流主要是归因于与中心同轴导体中电流有关的输入电流的变化。反馈次级绕组也产生输出电流，它与中心同轴导体中的电流成正比。
差电流传感器公开于1993年4月7日提交的美国专利申请序号08/043,903，该申请已转让于本发明的受让人，其披露内容作为参考引入本文。该差电流传感器将输入线电流分成有预定比例的第一和第二两部分。然后这第一和第二部分的电流差被传感，例如由与输入电流第一和第二部分磁耦合的环形绕组进行传感。根据传感到的第一和第二部分之间的电流差，产生出与电流差有关的输出电流，该电流因此也与输入电流有关。
具体地说，输入电流分成第一和第二两部分，并分别由第一和第二导体传送，这第一和第二导体延伸穿过环形绕组的孔洞。输入电流的第一部分沿第一方向穿过环形绕组，而输入电流的第二部分沿着与第一方向相反的第二方向穿过环形绕组的孔洞。这样，第一和第二部分之间的电流差在环形绕组中感生出电压。差动电流传感器最好包括磁性传感在环形绕组中感生的电压并产生相应输出电流的装置。磁性传感电流差的装置通常是缠绕在上述环形磁芯周围的传感和反馈次级绕组。
尽管同轴传感器和差电流传感器代表了在传感和按比例变换传输线电流(特别是用诸如电子电度表等电表中的)技艺的巨大进步，但仍需要进一步改进。特别是，同轴电流传感器的同轴导体由于每个导体中的电流所产生的磁场及在另一个导体中造成的自感而造成磁耦合。这个互感导致在造成的按比例变换输出电流中的相移或误差。
此外，由于同轴导体之间分配的电流比率依赖于导线的截面积，电流分配比率可以通过削减导线的电阻来调整，例如从导线的一端钻掉一部分。由于导体的排列和尺寸，对导体去掉或钻掉一部分可能是困难的。再有，同轴电流传感器和差电流传感器都是比较复杂的设计，因此制作起来会昂贵。
再有，差电流传感器的环形芯的孔洞基本上垂直于孔洞外部由电流传感器传导的第一和第二部分电流。因此，在环形芯孔洞外部由电流传感器传导的电流所感应出的磁通量磁性耦合于传感和反馈次级绕组，从而在按比例变换输出电流中引起相移。再有，同轴电流传感器和差电流传感器的设计比较复杂，因而制造起来会很昂贵。
这样，尽管希望有一种电流传感器，它所产生的输出电流的振幅和相角与输入电流相关联，特别是能用于诸如电子电度表之类电表中去传感输电线电流，但是这些电流传感器仍然有许多不足，包括设计复杂和费用高，而且不希望的磁耦合会造成输出信号的相移。特别是，希望有一种设计比较简单的电流传感器，它产生的输出信号振幅大约为2-3mA，其输出信号与输入电流的振幅和相位有关，它能用于利用电子或集成电路的电表，以测量用户的耗电量。
所以，本发明的一个目的是提供一种改进的检测输入电流的方法和设备。
本发明的另一个目的是提供一种改进的用于传感输入电流信号并产生相关的输出电流信号的方法和设备。
本发明的又一个目的是提供一种改进的用于传感输入电流信号和产生其振幅和相位与输入电流信号相关的输出电流信号的方法和设备。
根据本发明，这些目的和其他目的是由这样一个电流传感器提供的，这个电流传感器包括第一和第二导电装置，它们由一个互连导电装置彼此连接，并有一个传感装置与这个互连导电装置磁耦合在一起。第一导电装置传导输入电流的第一部分而且最好包括第一和第二导体，通常是第一和第二电阻，它们分别有预先确定的第一和第二电阻值。第二导电装置传导输入电流的第二部分而且最好包括第三和第四导体，通常是第三和第四电阻，它们分别有预先确定的第三和第四电阻值。
互连导电装置最好包括一个中心导体，或者说是第五导体，通常是第五电阻，它有第五个预定电阻值而且从第一和第二导体的第一端延伸到第三和第四导体的第二端，从而构成一个桥电路。在互连导体中形成一个与输入电流有预定关系的电流。而传感装置又产生一个与互连导体中电流相关的输出信号。这个输出电流可以被一个电子电表(例如电子电度表)中的集成电路检测到，以精确地测量用户的耗电量。
传感装置最好是一个环形电流比较器，而且最好包括一个环形(磁)芯，该(磁)芯带有穿透的孔洞。互连导体穿过这一环形(磁)芯的孔洞，并与磁芯一起构成了电流比较器的一匝初级绕组。由互连导体传导的电流在环形磁芯内感应出一个相关的磁势。利用感应出的磁势来传感互连导体中的电流从而感知输入电流，借助这种方法使输出信号与输入信号隔离，从而抑制了输入电流中的电压瞬变，并保护了电流传感器。
传感装置最好还包括一个装置，它能磁传感环形磁芯内感应出的磁势的时间变化率。用于磁传感环形磁芯内感应出的磁势的时间变化率的装置最好包括一个次级绕组，它绕在环形磁芯周围并与其磁耦合以产生输出信号。用于磁传感环形磁芯中磁势时间变化率的装置最好还包括一个反馈次级绕组和一个传感次级绕组，每个次级绕组绕在环形磁芯周围并与之磁耦合，两个次级绕组之间放置一个放大器电路。反馈次级绕组、传感次级绕组以及与之相连的放大器电路的组合产生的输出信号与输入电流信号的振幅和相位有关，而且最好是与输入电流信号的振幅和相位成正比。次级绕组和相关放大器电路在环形磁芯中感应一个磁势与互连导体中的电流感应的磁势幅值相等极性相反，从而在磁芯中得到的交流磁势在稳态约为零并且在环形磁芯中任何磁势的变化是因为互连导体电流的变化引起的。
第一和第二导体的预定第一和第二电阻值与第三和第四导体的预定第三和第四电阻值之比最好保持不变，不因导体温度变化而变化。更具体地讲，第一和第四导体最好由第一种材料例如Copel(一种镍铜合金)或锰铜合金以及第二种材料(例如铜)构成。第二和第三导体最好单一地由第二种材料(例如铜)构成。第一种材料的电阻率最好不随温度变化而显著变化。然而，第二种材料(例如铜)的电阻率确实随温度变化。这样，最好是适当选择构成各导体的第一和第二种材料的相对量，以使第一和第二预定电阻值与第三和第四预定电阻值之比不随温度变化。
导体的电阻值除了与构成导体的材料的固有性质有关外，一般还依赖于它们各自的截面积。这样，可以在导体上刻槽或从导体上去掉一些材料来容易地修改或调整各自的电阻值，以得到第一和第二预定电阻值与第三和第四预定电阻值之间的适当比例。
第一和第三电阻最好构成的带有第一和第二臂的第一U形部件，并在它们各自的第一端连接到第一引出腿上。第二和第四电阻也最好构成带有第一和第二臂的第二U形部件，并最好在它们各自的第一端分别接到第一和第三电阻的第二端上，并在它们的第二端接到第二引出腿。互连导体最好是连在第一和第三电阻的第二端之间的导线并且延伸穿过环形磁芯的孔洞。由环形磁芯孔洞确定的纵轴最好平行于第一个和第二个一般为U形的部件，从而减小一般U形的两个部件中的电流和环形磁芯周围的次级绕组之间的磁耦合。输入电流最好由第一引出腿传导，而输出电流最好由第二引出腿传导。此外，第一和第二引出腿的设计最好是使它们与通常的电表插口相配并与其实现电接触。
本发明的电流传感方法和设备能让输入电流信号被检测出并能根据一个不平衡桥电路的互连或中心导体中的电流产生出与输入电流信号的振幅和相位相关的输出电流信号。输出电流信号与输入电流信号的振幅和相位相关，这是因为在桥电路的互连或中心导体中的电流与桥电路接收的输入电流信号成正比。此外，本发明的电流传感器减小了由于第一和第二导体分支和环形磁芯周围次级绕组之间的互感或耦合所造成的相位误差。
图1是根据本发明的电流传感器的透视图。
图2是沿图1中线2-2画出的图1电流传感器的放大截面图。
图3是图1的电流传感器的电路示意图。
图4是根据本发明的电流传感器的示意图，其中包括环形绕组和传感与反馈次级绕组。
下面将参考附图更充分地描述本发明，在附图中显示了本发明的一个最佳实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，而且不应认为是局限于这里所提出的实施例；恰恰相反，对于精通本门技艺的人们而言，提供这一实施例会使本说明更加透彻和完全，并能充分地表述本发明的范围。在整个说明中相同标号代表相同部件。
现在参考图1和图3，图中显示了根据本发明的电流传感器10。电流传感器10包括第一和第二导电装置13和15(例如第一和第二分支)，分别用于传导输入电流Iin的第一和第二部分；还包括一个互连导电装置(例如中心导体20)，在第一和第二分支13和15之间延伸，从而构成一个桥电路。电流传感器10还包括传感装置11，它与中心导体20磁耦合以产生与输入电流Iin的相位和振幅相关的输出信号Iout。
如图3中的示意图所示，第一导电装置或者说第一分支13包括第一和第二导体12和14，最好分别是第一和第二电阻，它们分别有第一和第二预定电阻值。类似地，第二导电装置或者说第二分支15包括第三和第四导体16和18，最好分别是第三和第四电阻，它们分别有第三和第四预定电阻值。此外，互连装置或者说中心导体20最好也是一个电阻，它有第五个预定电阻值，并且从第一导电装置的第一和第二导体12和14之间的第一端22延伸到第二导电装置的第三和第四导体16和18之间的第二端24。
第一分支13最好传导输入电流Iin的第一部分I1，而第二分支15传导输入电流Iin的第二部分I2。这个桥电路最好是不平衡的，即分别在第一和第二分支13和15中的第一和第二部分电流是不相等的，从而在互连或中心导体20上造成一个电压差。于是在互连或中心导体20中造成一个电流Ic。互连或中心导体20中的电流与分别在第一和第二分支13和15中的输入电流Iin的第一和第二部分相关，因而与输入电流Iin相关。具体地说，在互连或中心导体20中的电流与输入电流Iin成正比，并可按下式计算这里R1、R2、R3、R4和Rc分别是第一、第二、第三、第四和互连导体的电阻值。
典型情况是使所选定的第一和第四预定电阻值大大地大于第二和第三预定电阻值。例如，第一和第四预定电阻值最好比第二和第三预定电阻值大25至40倍。于是等式(1)可以简化为这样，根据对于预先确定的输入电流Iin在互连或中心导体20中IC=(R1R4)IinR1R4+RC(R1+R4)(2)]]>IC=(R1R4-R2R3)Iin(R1+R2)(R3+R4)+RC(R1+R2+R3+R4)(1)]]>的电流IC的希望值，便可以确定第一和第四电阻值以及互连或中心导体20的电阻值。或者，对于给定的第一、第四和互连电阻，可以按下式确定互连或中心导体20中的电流Ic与输入电流Iin的比值ICIin=R1R4R1R4+RC(R1+R4)(3)]]>传感装置11产生一个与互连或中心导体20中的电流Ic相关的最好是与之成比例的输出信号Iout。传感装置11最好是包括一个环形电流比较器，而且最好包括一个带有穿透孔洞28的环形磁芯26，如图2和图3所示。环形磁芯26一般由如铁磁体材料组成。如图2及图3所示，互连或中心导体20最好延伸穿过环形磁芯26的孔洞28并与其磁耦合。
具体地说，在互连或中心导体20中的电流Ic在环形磁芯26中感应出磁通量或者说磁势。在环形磁芯26中感应出的磁势与互连或中心导体20中的电流Ic有关，而且最好是成比例，这样便与输入电流Iin相关而且最好是成比例。通过根据感生磁势来感知输入电流Iin，电流传感器10提供了输出信号Iout和输入信号Iin之间的隔离，从而抑制了输入电流Iin上的瞬时高电压，并保护了电流传感器免受其害。
传感装置11最好还包括能感知环形磁芯26内感生磁势时间变化率的磁传感装置。这个对环形磁芯26内感生磁势时间变化率进行磁传感的装置最好包括环绕在环形磁芯周围并与其磁耦合的次级绕组，用以产生输出信号IOUT。
环形磁芯26内磁势时间变化率的磁传感装置最好还包括图3所示的一个反馈次级绕组30、传感次级绕组32和放大器电路34。由于环形磁芯26中磁势的变化，在传感绕组32中感应出与这磁势成正比的电压。放大电路34响应传感绕组32中感生的电压，并向反馈绕组30提供一个控制或补偿信号。由于控制信号的作用而在反馈绕组30中产生的电流在环形磁芯中产生一个磁势，它基本上与互连导体20中的电流所感应出的磁势大小相等而极性相反。在稳态条件下在环形磁芯中最终得到的AC(交流)磁势近似为零。这样，由于输入电流Iin的变化在环形磁芯26中感生出的磁势都是与互连导体20中的电流Ic相关地被感应出来，因为保持一个最小的稳态最终磁势防止了环形磁芯26发生饱和。反馈次级绕组30还提供输出信号Iout，它与输入电流信号Iin相关，而且最好是与输入电流信号Iin的振幅和相位成比例。
为了得到利用集成电路的电子电度表所需要的大变换比，本发明的电流传感器10提供了两个不同的变换，它们确定了两个不同的变换比。这两个变换比的乘积就是整个电流传感器10的变换比，并且确定了被感知的输出信号Iout的振幅与输入电流Iin的振幅之间的关系。
特别是，如等式(3)所示，由互连或中心导体20中电流Ic与输入电流Iin之间的关系给出第一变换比。在一个实施例中，第一桥电路最好确定变换比为3∶200，从而使互连或中心导体20中建立的电流为3A时对应于输入电流Iin为200A。
由围绕环形磁芯26的次级绕组的数目提供第二变换比。更具体地讲，电流比较器的初级侧和次级侧的安匝数最好相等。当互连或中心导体20有效地构成围绕环形磁芯26的单匝初级绕组时，反馈次级绕组30的绕组匝数可以改变，以使输出信号Iout达到最佳。这样，单匝初级绕组和互连或中心导体20的电流之积，即1匝×3A＝3安匝，等于反馈次级绕组30的匝数与所产生的输出信号Iout之积。所以，通过增加反馈次级绕组30匝数，使造成的输出信号IOUT相应地减小，从而使电流比较器的初级和次级两侧的安匝数相等。
整个电流传感器10的变换比，也就是输出信号Iout和输入电流Iin之间的关系，是由互连或中心导体20中的电流Ic与输入电流Iin之比所确定的第一变换比与根据构成电流比较器的环形磁芯26的初级与次级绕组之间安匝关系确定的第二变换比二者的乘积。具体地说，整个电流传感器10的变换比最好把输入传输线电流Iin按比例变换为大约2mA的输出电流IOUT，从而使输出电流IOUT可以被相连的集成电路或ASIC所接受。
这样，对于一个设计成要接受最大输入电流200A的电子电度表，整个电流传感器的变换比必须是100,000∶1以产生一个2mA的输出电流IOUT。如所解释的那样，当输入电流Iin为200A时，由桥电路提供的第一变换比在互连或中心导体20中产生一个3A电流。这样，由环形磁芯26的初级绕组和次级绕组之间的安匝关系所提供的第二变换比最好能由互连或中心导体20中的3A电流产生一个2mA的输出电流IOUT。所以，次级绕组与互连导体20构成的单匝初级绕组之比必须为1500∶1以提供该第二变换比。
如图1和图2所示，第一和第四导体12和18最好由第一和第二种材料的组合构成。与此相反，第二和第三导体14和16最好只由第二种材料构成。尽管可以使用各种材料而不偏离本发明的精神和范围，但第一种材料最好是镍铜合金或例如锰铜合金。最好是第一种材料的电阻值不随温度变化而发生很显著的变化。例如，manganin(锰铜)的电阻率变化是0.000015Ω/℃。
与此相反，第二种材料(例如铜或铝)的电阻值与第一种材料相比最好是比较低的。例如，第一种材料的电阻值最好是至少比第二种材料的电阻值大25倍。这样，第二和第三导体14和16的电阻值与第一和第四导体12和18(它们包含有较大电阻的第一种材料)的电阻值相比最好是较小的。然而，第二种材料的电阻值通常是随温度变化而变化的。
即使第二种材料的电阻值随温度变化而变化，但电流传感器10的性能最好是不随温度变化而变化。这样，由预定的各导体电阻造成的变换比必须不依赖于温度。因此，第一和第二预定电阻值与第三和第四预定电阻值之比在导体温度变化时最好保持不变。于是在温度变化时互连或中心导体20中的电流Ic相对于输入电流Iin的相对振幅和相位将保持常数。
由于第二种材料(例如铜)的电阻率随温度变化而变化，所以每个导体最好都含有预定量的第二种材料，从而使第一和第二预定电阻值与第三和第四预定电阻值之比在总体上不依赖于温度变化。特别是，互连或中心导体20不需要是线性的，但可以构造成如图1和图2所示的那样，使每个导体含有预定量的第二种材料。例如，可以选择一端(如图1和图2所示的第二端24)的位置，从而使第一和第二分支的电阻值之比保持常数而不依赖于温度。
除了组成导体的材料性质之外，导体的电阻值还决定于导体的截面积。为了调节或修整各导体的电阻，可以在至少一个导体上刻槽或磨平，或者还可以从导体之一去掉一部分材料，借以增加它的电阻和减小其中的电流(见图1)。被切削的导体的电阻值直接随着刻槽或削平处36的尺寸或从较大刻槽中去掉的材料量(这造成较大的电阻值)而改变，或者说去掉的材料量越大则造成的电阻值越大。这样，通过对导体的这种调节或修整，可以实现对导体预定电阻值的进一步精细修正，从而修正了第一和第二分支之间的电阻值之比。
互连导体20也最好是由第一种材料组成。这样，与第二种材料构成的第二和第三导体14和16相比，互连导体20有较大的电阻值。由于互连导体20的截面积与其他导体相比相对较小以及由于它的长度，使得它的电阻值进一步增大。
如图1和图2所示，输入电流最好由第一引出腿38提供，它通常由铜或铝构成，第一和第二两个分支的第一端与其相连。第一和第二两个分支的第二端与第二引出腿40相连，它向被测量的用户电负载供给一个输出负载电流Io。第一和第二引出腿38、40的设计是使它们与标准的测量仪器插口或安装装置相匹配并能与之电连接，从而允许对提供给用户的输出负载电流进行测量。
也如图1和图2所示，第一和第三导体12和16最好构成有第一和第二臂的一般为U形的第一部件，而且它们在各自的第一端与第一引出腿38相连。类似地，第二和第四导体14和18最好构成有第一和第二臂的一般为U形的第二部件，而且它们在各自的第一端与第二引出腿40相连。此外，这一般为U形的第一和第二部件最好分别以电子束焊接到第一和第二引出腿上。
第一个一般为U形的部件的第一和第二臂的第二端分别与第二个一般为U形的部件的第一和第二臂的第二端相连。此外，如图1和图2所示，第一和第二U形部件最好是共平面的。再有，中心导体20最好是一个导线，它在第一和第二U形部件的第一臂的两个第二端以及第一和第二U形部件的第二臂的两个第二端之间延伸。
如图2的图示及图3的示意图所展示的那样，该导线延伸穿过环形磁芯26的孔洞28。由孔洞28确定的纵轴28a基本上平行于第一和第二U形部件，而且最好是与它们共平面。于是，第一和第二U形部件中的电流与环形磁芯26周围次级绕组的磁耦合被减小了，结果在输出电流IOUT和输入的输电线电流IIN之间的相位误差也被减小了。
尽管电流传感器10的具体结构可以是多样变化的，但最好是把传感装置11用绝缘材料42封装起来，以利于它的运转和延长寿命。这绝缘材料最好是塑料。
此外，图1中被封装的传感装置11的引出线44与一个外加放大器电路(图中未画出)相连。导线44从一个普通印刷电路板46延伸出去，在印刷电路板44上实现了传感器及反馈次级绕组30和32的每一端以及导线44的一端之间的电连接。外加放大器电路30可以和传感装置11封装在一起从而去掉了由它引出的导线44，这样做不偏离本发明的范围。另一种作法是传感器和反馈次级绕组30和32以及地线都从封装的传感装置11中引出去，不用连到封装内的一个印刷电路板上。
如前面所解释的那样，本发明的电流传感器的第一和第二引出腿38和40被设计成与通常的电表插口相配。于是，由于本发明的电流传感器制造费用较低而且能与数以百万计的电子电表联合使用，因而本发明的电流传感器所提供的潜在费用节省是很重要的。此外，本发明的电流传感器的设计与先前的设计相比减小了第一和第二分支13和15以及次级绕组之间的互感或磁耦合，并增大了电流传感器的电阻电抗比。这样，输出电流IOUT的相角更精确地反映了输入电流IIN的相角。
在附图和说明中已披露了本发明的典型最佳实施例。虽然使用了具体术语，但这些术语只是在其一般意义和描述性意义上使用，并不是为了限定的目的，本发明的范围在下列权利要求中提出。
权利要求
1.一种传感输入电流的设备，包括传导输入电流第一部分的装置；传导输入电流第二部分的装置；传导所述第一和第二传导装置之间电流的互连装置；以及与所述互连装置磁耦合的传感装置，用以产生与所述互连装置传导的电流相关的输出信号。
2.根据权利要求1的电流传感设备，其特征在于所述第一传导装置由第一和第二导体组成，它们分别有第一和第二预定电阻值；所述第二传导装置由第三和第四导体组成，它们分别有第三和第四预定电阻值。
3.根据权利要求2的电流传感设备，其特征在于所述互连传导装置是有第五预定电阻值的第五导体；所述传感装置包括一个有孔洞从中穿过的环形磁芯。
4.根据权利要求3的电流传感设备，其特征在于所述第五导体从所述第一传导装置的所述第一和第二导体之间的第一端延伸到所述第二传导装置的所述第三和第四导体之间的第二端，而且所述第五导体穿过所述环形磁芯的所述孔洞。
5.根据权利要求1的电流传感设备，其特征在于所述传感装置包括一个对磁势时间变化率进行磁传感的装置，该磁势是由所述互连装置传导的电流在所述环形磁芯内感应出来的。
6.根据权利要求5的电流传感设备，其特征在于对所述环形磁芯中感生磁势时间变化率进行磁传感的装置包括一个环绕所述环形磁芯并与该环形磁芯磁耦合的次级绕组，用以产生所述输出信号。
7.根据权利要求5的电流传感设备，其特征在于对所述环形磁芯中感应磁势时间变化率进行磁传感的装置包括绕在所述环形磁芯周围并与其磁耦合的传感次级绕组；具有与所述传感次级绕组相连输入端及输出端的放大器装置；以及绕在所述环形磁芯周围并与其磁耦合的反馈次级绕组，而且它在其第一端与所述放大器装置的所述输出端相连。
8.根据权利要求2的电流传感设备，其特征在于当所述第一、第二、第三和第四导体的温度变化时，所述第一和第二预定电阻值与所述第三和第四预定电阻值之比保持常数。
9.根据权利要求8的电流传感设备，其特征在于所述第一和第四导体由第一和第二种材料构成，所述第二和第三导体由第二种材料构成。
10.根据权利要求9的电流传感设备，其特征在于所述第一种材料的电阻率不随温度变化而变化，而所述第二种材料的电阻率随温度变化而变化；而且这里所述导体含有预定量所述第二种材料，从而在第一种和第二种材料的温度变化时第一和第二预定电阻值与第三和第四预定电阻值之比保持不变。
11.根据权利要求2的电流传感设备，其特征在于所述第一导体包括一个刻槽，从而使所述第一导体的电阻值随所述刻槽的大小而变化。
12.一个电流传感设备，包括传导输入电流的第一引出腿；第一U型部件，它的第一和第二臂分别在各自的第一端与所述第一引出腿相连；第二U形部件，它的第一和第二臂分别在各自的第二端与所述第一U形部件的第一和第二臂相连；一根导线在所述第一U形部件第一臂的第二端和所述第一U形部件的第二臂的第二端之间延伸；用于传导输出电流的第二引出腿，它与所述第二U形部件的第一和第二臂各自的第一端相连；以及一个环形芯，所带孔洞中有所述导线穿过，这里的孔洞确定了一个纵轴，它平行于所述第一和第二U形部件延伸。
13.根据权利要求12的电流传感部件，所述第一U形部件的第二臂和所述第二U形部件的第一臂由第一和第二种材料构成，这里的所述第一U形部件的第一臂和所述第二U形部件的第二臂由第二种材料构成。
14.根据权利要求12的电流传感设备，其特征在于所述第一和第二U形部件被分别用电子束焊接到所述第一和第二引出腿上。
全文摘要
一个电流传感器包括由一个中心导体互连的第一和第二分支，它们磁耦合于一个环形电流比较器以产生一个振幅和相位与输入电流相关的输出信号。输入电流根据预定关系在第一和第二分支中分配，从而使互连第一和第二分支的中心导体内的电流也与输入电流相关。在环形电流比较器中感应出的电流与中心导体中的电流相关，从而与输入电流相关。次级绕组缠绕在环形电流比较器周围并与其磁耦合，用于产生一个响应环形电流比较器中感生电流的输出信号。
文档编号G01R15/18GK1119277SQ9510216
公开日1996年3月27日 申请日期1995年2月25日 优先权日1994年2月25日
发明者D·C·科本 申请人:通用电气公司