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[制作] DIY大电流直流电流比较仪(DIY High Current DCC)

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发表于 2011-9-1 23:07:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
DCC是英文
Direct Current Comparator
的缩写。 翻译过来就是直流电流比较仪。

DCC本身就很难,再加上大电流,很难很难的东西,所以,这贴注定要成为马拉松贴。。。或者太监贴。。。。

而且不一定能成功,甚至不会有啥结果。。。。。。

不过,不就是试验么,不就是学习么,不动手哪能有收获?

什么高导磁率,什么超强屏蔽,什么对称性,以前仅仅是停留在理论上,到底这些东西有什么影响,要亲自尝试一番,才能知道滋味。
 楼主| 发表于 2011-9-1 23:07:41 | 显示全部楼层
DIY 大电流 DCC有啥用?

DCC最原始的应用,就是能获得非常稳定的电流比率,因此可以把大电流转换成小电流,所以应用之一就是精密测试大电流、发生精密大电流。

也有人问,大电流直接用分流器测试不就行了,还麻烦DCC做啥?事实上,大电流用分流器测试处于两难的地步。比如500A电流下用多大的阻值分流器?用0.1mR,那么,压降只有0.05V,这么小的电压难于精确测试,放大、噪音、热电动势影响大,势必要增大采样电阻才好。但另一方面,0.1mR电阻的功率已经有25W了,再增加电阻会造成功率进一步的增大,发热厉害,温漂大,热电动势也随之增大,散热不好将严重影响精度。所以,分流器很难在大电流下测试精确的电流。而有了DCC,就可以把大电流转换为小电流,方便测试了。

两个精密可控的电流源有了,然后让它们通过不同的电阻,对比其电压是否相同,就是先了精密电阻对比,用来精密测试小电阻、精密模拟小电阻。
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 楼主| 发表于 2011-9-1 23:07:45 | 显示全部楼层
到底什么是大电流 DCC?

有源平衡法电流互感器,是通过在气隙上放置线性霍尔,通过平衡线圈引入另一个大小相同、方向相反的安匝,当气隙的磁场为零,说明达到安匝平衡,电流就可以测试出来。大电流的原边基本都是1匝,副边N匝则电流为原边的1/N即可达到平衡,取得以小测大的目的。下图这个LC500-S-SP7就是采用此法的500A精密电流比率测试器,比率精度可以达到0.2%: LC500-S-SP7.jpg

DCC也类似,只不过零磁通平衡检测是用了另外一个绕组,加上方波驱动,通过探测二次谐波的方法来检测是否达到了平衡,具有灵敏度超高的特点,可以判断很小的失衡。
0-I原理.gif
右边的主电流源流过铁心绕组圈数很少(大电流1匝)的原边,圈数很多的副绕组流过电流值较小的跟踪电流源,最后达到平衡,使得原边和副边都具有相同的匝数×电流(安匝,AT)。Np = Ns ×n,其中n为匝数比。假设原边为1匝,副边为1000匝(n=1000),那么就可以把500A电流转换成0.5A,而测试0.5A就容易得多了(比如图中的用Rd=1欧标准电阻采样和高位表测试)。由于线圈的匝数没什么可变的量,n是固定不变的,因此这种方式可以得到非常精确的电流比率。


测量用的DCC(例如我的9975:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=4488),原边和副边安匝都是100,这是比较优化和均衡后的。然而,要测试大电流,例如500A,原边至少一匝,这样势必要500安匝,很大了,担心短暂失衡的时候,铁心磁通密度太高达到饱和甚至被磁化,因此就要采取特别措施(比如加粗铁芯截面积)。

上面图片的接法,实际上就是一个大电流模拟电阻,主电流源就是电阻的电流引线,而电压表测试的两个端子就是模拟电阻的电压引线。兰斯汀的RT600就是这样一个仪器,其中间的两个巨大电流端子就是输入外接大电流的(如果不太大也可以在1/100和1/10柱子上输入,接了电阻的P1、P2在最右边接线柱输出。当然,这个仪器完全可以作为电流互感器来用,需要把连接Rd的短路片断开即可。
RT600.jpg

也许有人会问,既然是模拟电阻,如何改变阻值?
实际上RT600有电阻箱拨盘,在后面。
RT600-Dial.gif



也可以看一下兰斯丁的另外一个类似的东西,RT300,也就是BZ6D
RT300.jpg




DCC的另外一个应用,是可以直接对比两个不同阻值的电阻。
本来作为传统的DCC电阻桥,其主电源是内部发生的(也有外部扩展),但电流很大的场合还是要外接,然后再原边电路里增加一个标准电阻,就可以实现电阻桥的功能了。
0原理cn2.gif

与上一幅图不同,主电流源回路里串入了被测电阻Rx,而Rd的要选择成正好为Rx的n倍。
例如n=1000,那么当Rx选1mR的时候,Rd就选1欧。由于两个电流源完全独立,因此可以把两个电阻的下端用导线链接,实现电阻的背靠背测试。



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 楼主| 发表于 2011-9-1 23:07:50 | 显示全部楼层
要求是怎样的?

原边电流范围:50A~500A
电流比:1000:1
副边电流范围:0.05A~0.5A

原边电流范围:5A~50A
电流比:100:1
副边电流范围:0.05A~0.5A
副边电阻:1欧姆标准电阻
比率不确定度:10ppm


由于必须有个目标,因此先初步给出以上参数,实在有困难再调整。
500A对于自己来说不算小了,无论是500A的电源、500A的开关、500A的调整,都很具有挑战性,参考:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=10230
因此,500A的目标已经很高了,不会去考虑600A甚至1000A。

比率1000:1也很自然,最好是10进制的,以前考虑过500:1,结果换算麻烦,取消。
100:1也太小,换算下来的5A也大,不便于测试。而10000:1走了另一个极端,得到的50mA倒是不错,就是这1万圈线圈绕不起。1000圈是我手工绕制能接受的上限。

至于10ppm,很可能也有难度。国产的成品小电流下也就做到1ppm而已。

其它的要求例如温漂,这个一般不用去说了,DCC都不会很差,就像PWM的温漂不大一样。

这些要求,就是瞎琢磨的,但后来找到JJF 1087-2002,居然还真差不多
JJF 1087-2002直流大电流测量过程控制技术规范.gif
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 楼主| 发表于 2011-9-1 23:07:53 | 显示全部楼层
别人都说怎么做的?
在自己做事之前,参考一下别人成功的案例,是很有必要的。
可惜,大电流DCC太专业,难于找到实物,不可能有机会拆。找不到电流图,甚至连使用手册也都没有。

1、高联的150A扩展器
6623.jpg

6623A-150.jpg



2、高联的3000A扩展器
6623A-3000A.jpg

6623A-CS100.jpg
6623A-spec.gif



3、MI的100A和2000A系统
6010-100A.jpg

6010-2000A.jpg

MI6011B-spec.gif



4、兰斯丁的RT200扩展器
RT200.jpg

技术指标
1.电流范围: 0-200 安
2.匝比准确度:
   1:1000 ≤ 5×10-6 最大电流 200 安
   1:100   ≤ 3×10-6 最大电流10安
   1:10     ≤ 2×10-6 最大电流1安
3.噪 声: ≤ 3 微安匝
4.漂 移: ≤ 3 微安匝/30分钟
5.跟踪误差: ≤ 2 微安匝/格
6.输出最大电流:≤ 200 mA


5、武汉龙成600A模拟电阻
MZB600s.jpg

MZB600.gif


6、武汉龙成1000A电流表
cpjs_2009825135358s.jpg



7、文献中的100A直流大电流标准及检定系统

100A直流大电流标准及检定系统.gif





8、600A直流电流自动化测量系统的建立
600A直流电流自动化测量系统的建立.gif





9、20000A直流电流比较仪
20000A直流电流比较仪.gif





10、100kA多通道开口磁调制式直流大电流比较仪
100kA多通道开口磁调制式直流大电流比较仪.gif





11、大电流比较仪电磁屏蔽的研究
大电流比较仪电磁屏蔽的研究.gif





12、多通道开口式直流大电流比较仪
多通道开口式直流大电流比较仪-2a.gif

多通道开口式直流大电流比较仪-b1.gif





其中2、3为铁心,4、5为两个大小相同、电流方向相反的激励/探测线圈,8是磁屏蔽也是框型铁心,9是副边补偿线圈。
13、直流大电流测量技术研究
直流大电流测量技术研究.gif





14、“等安匝绕组串并联法”进行直流大电流校准
“等安匝绕组串并联法”进行直流大电流校准.gif


15、美国发明专利US3153758,Current comparator device having plural magnetic cores and multiple windings
http://www.freepatentsonline.com/3153758.html
US3153758--DCC.gif

10、内铁心
11、检测绕组
12、静电屏蔽
13、静电屏蔽非短路开口
14、偏差绕组
15a、内部励磁绕组
16、第二铁心
17、第二铁心气隙
15b、内部励磁绕组
18、次级绕组
19、主绕组




16、美国发明专利US3490038,RESISTANCE MEASURING APPARATUS HAVING A MAGNETIC MODULATOR FOR COMPARING THE RESISTANCE RATIO OF TWO RESISTORS  
http://www.freepatentsonline.com/3490038.html
US3490038--DCCR.gif

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 楼主| 发表于 2011-9-1 23:07:59 | 显示全部楼层
你打算怎么做?方案?

方案暂时没有,采取摸石头过河的方法,试验到哪里归纳到哪里,不会有太多的提前。


磁芯与屏蔽。。。
现有一个外径145mm、截面15mm×15mm的坡莫合金:
P1100207s.jpg


数量上是不够的,因此这个只能是做铁心性能测试用。让我们再看一下目标结构:

the cc.jpg

此图来自国外的一本叫做《The Current Comparator》的书中,除了双铁心、双检测绕组外,紧接着要有铜箔静电屏蔽,这个倒是好办。
但接下来需要一个框式磁屏蔽,同时也作为第三个铁心,也是要求高导磁率,这个就比较难。看结构要有一定厚度,是4片拼接起来的:2个同样的圆盘、两片长度不同的片,而且要合并的严丝合缝,否则漏磁,这是难点。当然,加工的时候可以先拿下来在外边把两个圆弧焊接在圆盘上,但最后一个圆盘一定要放上去再“焊接”,温度不能高,或者干脆不焊接,靠公差压紧。
再外边有一个铜箔屏蔽,也好办。


方案更新,2014-1-30
由于最近得到几只IT 600-S ULTRASTAB,就是基于与DCC相同的磁通门原理,但为小型化的电流传感器。
通过简单解剖,查看别人的文章和论文,重新改变自己的路子如下:

仿造电路部分
---抄电路
---分析原理
---确定元件参数。这一步也有一些难点,比如电容的容量可能需要拆下来才能精确测试,电感线圈的匝数和磁心磁导率从外部不太可能精确得到
---制板、找元件、焊接、板级单元测试
---整板替代测试,功能和性能要达到原电路水准
---替换元件,甚至更改电路,争取提高性能

仿造磁头部分
---拆解一个磁头,完全拆掉,但磁芯和屏蔽一定要争取不破坏
---利用原磁心和屏蔽,重新绕线,复原磁头,评估因不规范绕线、非对称绕线对性能的影响
---可以重复拆开、重复绕线,改变各种参数继续评估
---寻找全新替换材料,自己做全新磁头。电路可以用原来IT600-S的,也可以用仿造的。



为了能够得到优良的性能、好零点、高线性,需要在以下两个方面努力:
1、电转磁,有原边和副边电流不平衡,就能体现出铁心的非零磁通。这就需要所有的“电”都转换成“磁”,不能有漏磁。需要超高导磁率铁心、需要磁屏蔽、需要绕线平均、平衡。
2、磁转电,铁心只要有非零磁通,就能正确的检测出来。这就需要合适的探测技术,包括电子电路部分,也包括驱动/检测线圈参数、屏蔽、防干扰等。

也许材料还好办,因为尽管DCC的线性超高,但并不需要材料的高线性,这就需要在工艺上多下工夫了。


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 楼主| 发表于 2011-9-1 23:08:19 | 显示全部楼层
绕组。。。当然是用漆包线了;
还要均匀绕制;
载流2.5-4.0A/mm2;
也许要考虑内阻,嫌大的话可以加粗;
激励/探测线圈,两个并联,当然要方向相反;
(暂时就想这么多)


看一个高联9975的铁心/绕组吧,手边只有这个实物,而且还不能继续拆,原理还不太一样,这个不需要再穿入测试电流线了,因此铁心是满绕、没有空间了。
it3.jpg



IT 600-S的内部和磁头
P1160606s.jpg

P1160607s.jpg


其中,最外边是副边绕组,2绕组,每绕组750匝,漆包线是0.38mm的,截面积0.11平方,合计电阻25.4欧(指标<28欧)。
铁心+线包外直径90mm,内直径大约30mm,猜测内部还有磁框和2个铁心。
有一个补偿绕组,同线径,但内阻只有4.2欧,因此圈数大约280匝。
最内部有2个相同的激励/检测绕组,线更细,圈数更少,大约每个只有100匝。
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 楼主| 发表于 2011-9-1 23:08:23 | 显示全部楼层
主恒流源。。。
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 楼主| 发表于 2011-9-1 23:08:27 | 显示全部楼层
跟踪恒流源。。。
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 楼主| 发表于 2011-9-1 23:08:31 | 显示全部楼层
平衡检测。。。
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