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LEM高精度大电流传感器

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发表于 2014-1-1 21:12:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、简介
LEM是一家以生产电流传感器见长的厂家,总部在瑞士,产品也涉及各种电量传感器,广泛用于工业、能源、自动化和汽车等行业。1989年全资在北京顺义创办北京莱姆电子有限公司,是全球三大电量传感器生产基地之一。

大电流在工业上常见,而且由于涉及较大的能量,因此电压也比较高,这就给电流的检测带来一定的挑战,不太适合用普通的分流电阻来测量,因为这样一来会有较大的功率损失,另一方面也是非隔离的。各种电流传感器的使用就可以解决这两个问题。也就是说,电流传感器具有损失小、隔离两个优势。

常见的电流传感器从原理上看,可以分成以下四类:
1、电流互感器

ctransf.gif 电流互感器.jpg

也就是变流器,一般用闭合环形磁心,原边1匝直通或2到3匝,副边匝数较多,均匀绕在磁心上,根据电磁感应原理,原边的安匝数与副边的安匝数相等。例如原边1匝、100A,副边50匝则就有2A,由于匝数固定,因此副边的电流就与原边的成正比。此规律必须要求副边不能开路,负载不能大,最好是短路,才能成立。这种互感器广泛用于各种电力设备,把各种电流转换成统一的5A满度(或1A满度)。互感器具有结构简单、坚固耐用、无需供电的特点,精度也不错,精度高的互感器有计量级别的,可以达到0.2%甚至0.1%以上。不过,此法只能用于交流电,不能用于直流。

2、线性霍尔电流传感器,也叫直放式、开环式、直测式霍尔传感器线性霍尔器件,简单说就是利用霍尔原理,可以输出与外加磁场成正比的4端器件
Hall.jpg

Hall2.gif

线性霍尔在使用的时候,首先要在对角端加上稳定的电压(或电流),输出端就可以得到与磁场成正比的电压信号,类似一个电阻桥/传感器桥,其输出的差模信号在外磁场=0的情况下也为0,共模信号为供电电压的1/2,因此后面需要差分放大器。

利用线性霍尔的直放式电流传感器的原理如下:
ct1.jpg


被测电流Ip从穿过磁心的导线流过,在环形磁心的间隙产生磁场,这个磁场大小与通过的电流成正比(假设磁心是线性的)。间隙中放置一个线性霍尔器件,利用其输出电压与外加磁场成正比的特性,得到与Ip成正比的电压,经过差分放大后作为传感器的输出。
这种传感器具有原理简单、检测电流范围宽阔、电气隔离、交直流两用等优势,广泛用在各种大电流设备的内部作为检流。我们常见的钳形表,很多也是这种原理。由于磁心上面没有线圈,制作起来也简单,开口方便,类似以下这种可拆合的:

CS500K.jpg


线性霍尔的弱点,是精度不高,因为电流转变成磁场和磁场转变成电压的两个环节上,均存在非线性和不稳定因素,一般为5%左右,高精度的可以达到1%或更好一点。下图是自己对一个100A传感器的实测,可见电流用在最大的2/3之内比较好:
100A.gif


3、磁平衡传感器,也叫闭环式、补偿式、零磁通式传感器

ct2.jpg


在有开口的磁环绕制多匝副线圈,馈给与原边方向相反的安-匝,比如原边Ip=100A,副边1000匝,则输入一个方向相反的Is=0.1A电流,同样具有1000安匝,但磁感应强度方向相反,就可以补偿/抵消原边电流所产生的磁场,使得磁芯及间隙中的磁通为零。类似,开口磁环的磁隙中也放置一个线性霍尔传感器,但此时的目的是检测磁场的有无和方向,对是否线性好基本没有要求,因此可以选择高灵敏的霍尔器件,或者放大器的放大倍数可以取的比较高。当电流有轻微i不平衡后,霍尔器件就有非零输出,通过放大,调整副边电流Is,这样就可以使得副边电流很严格的跟随匝数比,达到补偿目的,完全补偿后磁隙的磁通为零。此时副边电流会同时流过一个检流电阻Rm,得到与输入电流Ip成正比的电压信号。
此法的优势还在于对于磁心的要求也降低,无需电流-磁场曲线的线性,同时,由于霍尔器件之工作在零点附近,因此响应速度也很快。另一方面,此种传感器也是交直流两用的。
(备注,以上二个原理图来自原上君的日志 http://blog.renren.com/share/139272762/2767496227



当然,高精度传感器也带来一些问题,比如由于磁平衡、零磁通检测原理,对外界磁场就非常敏感,地磁也会产生很大的影响。另外,由于磁心上绕有副线圈,而且最好要求均匀分布,所以磁芯难于开口,这样测量起来就不方便了。

为了提高闭环传感器的精度,要减少漏磁,使得原边副边的电流均能反映在磁隙中不漏掉,这就要求磁芯有较高的导磁率;减少磁隙开口的缝隙也能减少干扰,但有限与霍尔器件,所以一般缝隙到1mm最小;为了减少漏磁,也应该提高对称性,比如采用圆形铁心、均匀绕线,但这也使得体积增大、加工成本提高;为了防止外界磁场的影响,需要加上铁磁物质进行磁屏蔽,这当然也要增加体积和成本。


4、磁通门传感器
与上述闭环方式比,磁通门传感器也是闭环零磁通检测方式,只不过磁路是闭合的,去掉了线性霍尔零磁通检测器,代之以额外的检测线圈,利用高导磁率铁心在方波激励下可以饱和的非线性特性来探测微弱磁场。
fluxgate.gif

当检测线圈D通以足够的方波电流,磁芯就会反复饱和,如果原边电流Ip=0,那么在检测线圈上就可以出现正负峰值对称的波形。
若Ip有出现使得磁通不为零,则检测线圈的正负峰值就不对称了,出现了偶次谐波,这样就可以经过放大,产生副边电流Is,使得原边电流Ip得到补偿,磁心重新回到零磁通。以上是磁通门传感器的简要描述,实际的工作原理要复杂得多,比如为了不让周期性的驱动电流反过来向原边注入,要采取双磁心,激励绕组D分成两半反向串联抵消,同时在外边增加第三个空心磁心作为磁屏蔽和有效铁心,再在上面绕制高频补偿线圈W,最后绕上副边补偿线圈S。较详细的原理图如下:
IT3.jpg
the cc.jpg

这种现象对被测弱磁场就好比一道门,使得磁场通过调制方式得以转变成电信号,从而达到测试弱磁场的目的。
由于磁通门检测具有非常高的灵敏度,因此理论上可以保持严格的Ip/Is比率,采取更多的相应措施后,该技术的传感器就具有非常高的稳定性、良好的线性、超低的温漂,同时也具有较快的反应时间,适合高精度交直流检测。

fluxgate.jpg

原理参考: 基于磁通门原理的高精度电流传感器的研制.pdf (1.12 MB, 下载次数: 414)
 楼主| 发表于 2014-1-1 21:12:57 | 显示全部楼层
二、LEM LC500-S/SP7介绍
LC500-S属于LEM的一款精度较高的闭环霍尔器件检零电流传感器,有0.2%的不确定度指标,非线性0.1%,额定电流500A。同系列的里面还有其它电流的,但结构类似。一个电流里面还有好多小版本或改进,SP7应该就是第7次改进,这款常见还有SP4的。
P1010101s.jpg
之所以首先拿这款传感器说事,是因为我从淘宝上买过,尽管是老式的已停产,但仍然具有较高的精度,尤其电路结构是开放式的,方便分析和改造。
上图中,左边的传感器原边绕了100圈导线,目的在于以小电流的输入得到等价的100倍的大电流输入,进行测试。

从外观上就可以得知,此传感器只需三根外接引线:正负15V电源和输出端,输出端接一个电阻Rm到地即可,因此非常简单而方便。
conn.gif


只要原边有电流,就在输出端输出一个方向相同、大小为1/3000的电流。比如原边有300A的电流,副边就会出现0.1A,接一个高精度的电阻RM,就可以方便的在低压隔离侧得到与原边电流成正比的电压。

这款传感器已经停产,也找不到说明,但找到一个类似的1000A的:
LC1000-S-SP7.pdf (53.22 KB, 下载次数: 87)
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 楼主| 发表于 2014-1-1 21:13:11 | 显示全部楼层
三、LC500-S/SP7测试

静态指标
+15V静态电流:17mA
-15V静态电流:17mA
输出零电流:30uA(相当于原边30mA,也就是500A的不到0.01%)
霍尔器件内阻:630欧


动态供电电流测试
就是有输入和输出电流的时候,电源电流是多少。其实结果很简单,就是静态电流+输出电流。
例如输入+300A、输出+100mA,那么+15V电流就是117mA,但-15V电流保持不变,仍为17mA;
再如输入-300A、输出-100mA,那么-15V电流就是117mA,但+15V电流保持不变,仍为17mA。


霍尔灵敏度测试
断开输出,让电路为开环,原边加1A则霍尔输出5.25mV,即综合灵敏度为5.25mV/A。由此,30mA的零点相当于霍尔输出的0.15mV。


电流精度
原边输入Ip=300A,输出100.07mA(HP34401A测试),因此可以认为在0.1%之内。

线性
同样利用100圈的原边绕线,用高精度电源IT8512输出0-3.1A、电流间隔0.1A,34401A测试副边电流,归一化后得到:
non-lin.gif

可以看到,非线性在+-50ppm之内,非常不错,完全满足+-0.1%指标。



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 楼主| 发表于 2014-1-1 21:13:21 | 显示全部楼层
四、LC500-S/SP7的分析与可能改进

看板子,该传感器电路并不复杂,双面PCB,大部分元件裸露,因此扒出电路图如下:
LC500SSP7p.gif

其中,R6-R9提供了霍尔所需的低压,R4a和R5再次不平衡分压得到一个相对地电位的基础但有很小的偏离,供给运放3脚。霍尔输出通过2个1k电阻送到运放的输入端,放大后驱动二级三极管共射放大,此处有较大的额外电压增益,使得运放输出无需很高,同时可以得到接近电源输出电压摆幅。由于整体增益太高可能不稳定,引入C1、R10和C2、R11防自激,同时有高频截至的作用。
放大器的输出电流先通过内部副边线圈,然后通过输出端子到测量电阻RL,完成电流反馈。当原边的电流产生一个安匝后,副边会产生一个大小相等、方向相反的补偿安匝,而副边匝数为3000,所以副边电流就仅为原边的1/3000,完成电流变换功能。此电流用Rm就可以转换成电压,因此对Rm的精度要求很高,无论温漂还是长期稳定性,都应该高于传感器本身几倍,以便不成为系统的短板。


电路很完美,但大概是年代久远的原因,有几个可能的不足:
1、电源电压较高
霍尔、运放都可以低压供电,唯一的限制低压供电的就是输出,19欧的线圈内阻加上10欧Rm,在700A的输入下有233mA的次级电流,需要6.77V的压降,因此,用15V还是有些过高,或者说有较大的余量。也许是因为+-15V也是以前运放供电的标准,LEM统一了此种模块的供电电压。如果只用于500A直流,那么输出还会更进一步降低,为了减少功耗,供电电压可以降低到+-9V。实测300A输入下+-6V也可以工作,只不过霍尔的供电电压降低,会同时降低整体的灵敏度,同时零点也发生变化。所以,要想降低供电电压,可以引入霍尔稳压或把R6到R9改小,R4a也要调节一下取得好的零点。

2、运放LM201A精度较差
首先,Vos较大,2mV,相当于0.4A的信号,因此不得不在电路板的背面用电阻进行调整;
其次Vos的温漂也不小,达到15uV/K,这样10度的变化就可能有0.15mV,相当于28mA的误差;
运放的Ib=75nA也不算小,在1k电阻上的压降75uV,不过温漂不大,不超过0.2nA/K,因此Ib的影响还不算不大;
如果换高精度运放的话,除了选择电源电压要高于35V外,注意电压摆率要达到要求,LM201为10V/us,目的在于高速响应。
可以考虑的替代运放比如LT1037C,Vos<0.06mV,Ib<55nA,供电电压44V,电压摆率>11V/us。另外,LT1037的共模抑制比、电源抑制比、噪声等指标也比LM201有很大的提高。



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 楼主| 发表于 2014-1-1 21:13:28 | 显示全部楼层
五、LC500-S/SP7的用途之一:100A恒流发生器

100A是大电流的一个标志点,电流刚刚够大达到大电流范围,又同时足够小可以能够较方便的精确用传统方式测量。
高联、Fluke等厂家均有高精度的100A分流器,达到年稳定度18ppm、直流年不确定度35ppm之内,成为大电流高精度的标杆。

以下是Fluke A40B:
Fluke A40B.jpg

Fluke A40B-case.jpg

Fluke A40B-spec.gif
这套要卖几十万,一般的计量单位都买不起。


以下是高联7340A,也是价格不菲。
7340.jpg
7340A.gif

然而,如何发出高稳定的100A是个问题。没有100A恒流源,那些100A的分流器就是一个死东西。
Fluke自己推荐的52120A跨导放大器,可以从外加电压转换成较大电流,最大可以120A:
Fluke52120A-1.jpg

不过这个东西不是一般人能摸得到的,况且其250ppm的年不确定度也远低于其自家的100A分流器,甚至没有短稳/噪声指标。

另外,国内常见的还有一款CLARKE-HESS跨导放大器8100,最大可以输出100A:
8100.jpg
这款也是专业计量用的,体积重量都很大,直流精度0.04%、短期稳定度40ppm,指标也不高。

国产的,上海兰斯汀有一款199.9A的恒流源RT200A:http://www.raysting.com.cn/?p=49&a=view&r=9
RT200A.jpg

输出电压很小最大1V,电流稳定度每分钟500ppm,比较差了,应该是里面用的分流器不太好,比如普通的0.5级别的那种,定价2.75万元。
电流调节分成粗、细二个旋钮,电流指示为3.5位表头。

兰斯汀有另外一款RT350A
RT350A.jpg
350A,输出<=3V,由于采用了直流比较仪技术和线性电源技术组合而成,使得短期稳定度达到50ppm每分钟,比上述RT200A好10倍,线性优于10ppm,没有报价。


为了能够解决方便提供100A高精度恒流源的问题,需要考虑DIY。传统的电阻分流器式恒流源,因为电流太大使得功耗剧增,发热严重影响了分流器的稳定度。上面几款大电流源,输出不是很理想,应该就与内部采用了分流电阻做检流有关。尽管Fluke的A40B,是不惜成本用几百个金属箔电阻并联得到的,达到很高的水准,但也是天价。DIY分流器不太可能仿造一个A40B放在内部。而采用电流传感器就是一个很好的选择,理论上损耗和发热就非常小,因为原边只有一根导线而已。

因此,若能采用闭环电流传感器作为检测电流的手段,有望可以达到较高的指标,尤其是采用高精度电流传感器的时候。
例如DIY 100A恒流源,可以采用下述电路,用闭环电流传感器作为输出电流检测装置:
100A恒流.gif

U1是2.5V电压基准,其输出经过R1、R2分压后得到0.5V基准,用运放U2与传感器副边100mA流过10欧采样电阻得到的0.5V做比较,如果不同则输出偏差信号驱动三个并联的MOS管,改变传感器原边电流,从而使得运放U2的误差信号趋于零。达到平衡后,Rs的电压也是0.5V,说明Rs的电流为100mA,只要传感器工作正常,原边就是1000倍也就是100A电流,这个电流也同时流向负载电阻RL,就得到了所需要的100A恒流。

由于电流较大,输出调整管采用多管并联。同时由于分流器电压不高,因此这部分可以低压供电,3.3V到3.7V均可,以便降低功耗。即便是3.6V、100A,调整管也可能要承受360W的功率,必须有大散热片,还要风冷。
结构上,如果嫌LC500电流太大,可以选300A的。即便这样,距离传感器满度也有较大距离,可以让原边电流从磁心中穿过多次,以便加倍电流,这也是交流互感器上常用的办法。当然,也要注意,多绕几圈可能空间不够,采用细线也会造成发热较大。

考虑由于MOS管驱动不足,可以用二个三极管接成互补射随。另外,考虑到电流传感器响应时间比较慢,会引起较大的相移而产生振荡,可以引入较大时间常数的积分来防止振荡。

由于该恒流源的指标与传感器的指标密切相关,因此到底采用何种传感器,就看要求和性价比的了。采用LC300这样的传感器,会取得非常不错的长期稳定性、很低的温漂,同时噪声和短稳指标会与分流器的相当。如果采用高精度的磁通门电流传感器,那恒流源的指标会远超采用分流器的恒流源。




点评

同意你的观点: 5.0
同意你的观点: 5
A40B-SET全套包含分流器和接头,最近我询过价大概64万含税,相当于一台FLUKE 5730打个折扣  发表于 2014-1-17 11:50
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 楼主| 发表于 2014-1-1 21:13:39 | 显示全部楼层
LEM其它电流传感器

LAH-100P
LAH-100P.jpg

这是LEM一款小巧的100A霍尔闭环传感器,没有空心穿线洞,电流引线是预埋的,底面PCB端有6个大电流焊接端子,电流比率1:2000,精度达到0.25%也是很不错的,重量只有24克。


LA 50-S
LA50s.jpg

这也是LEM一款霍尔闭环传感器,尽管额定50A,但最大允许通过100A的直流,具有0.1%的非线性,电流比率也为1:2000,因此测试100A的时候副边为50mA。


LC300-S/SP
300A,指标与LC500-S类似
LC300S.jpg



LC1000-S/SP7
1000A,指标类似
LC1000S.jpg


IT150-S ULTRASTAB
这是LEM采用磁通门技术的高精度电流传感器模块。
+-150A,正好也可以测试交流100A(峰峰值+-141.4A)。超高精度,厂家指导价1260美金。
初始总精度达到0.008%(零点+自磁化+地磁影响),低频噪声最大仅为0.2ppm,非线性最大4ppm,温漂只有不到0.8ppm/K。

150s.jpg



IT200-S ULTRASTAB

这也是LEM采用磁通门技术的高精度电流传感器模块。
200A,超高精度,厂家指导价750美金,淘宝有卖,但大部分需要订货。据说曾经有拆机的卖1759-1800元,但都已无货。
初始总精度达到0.008%(零点+自磁化+地磁影响),低频噪声最大仅为0.1ppm,非线性最大3ppm,长期零点稳定性每月不到1ppm。
IT 200-S.jpg



Danfysik ULTRASTAB 866-600A
其实就是LEM IT的前身,LEM在2009年买下丹麦的Danfysik,而Danfysik本身的传感器仍然有大量在使用。
本款传感器与LEM IT 600-S等价,指标一样,但比IT 200-S的指标还要好,这种传感器一般就是越大的电流越容易做好,因为外界磁场的影响就小。这款线性误差最大才1ppm,增益温漂仅为0.3ppm/C(零点温漂为0.2ppm/C),低频噪声不超过0.05ppm,初始总精度也仅为0.002%。
Danfysik866.jpg

Danfysik ULTRASTAB 866-600.pdf (950.68 KB, 下载次数: 185)
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 楼主| 发表于 2014-1-1 21:13:44 | 显示全部楼层
ULTRASTAB与传统分流器的对比

采用磁通门技术的传感器,到底有哪些特点呢?不妨找到传统的高精度分流器RUG-Z,PK一下:

with RUG-Z.jpg


分流器为传统检流方式,简单实用,但大电流下精度一般不高,RUG-Z是差不多能找到的最好的了,而磁通门技术比较复杂,效果也好。
IT 600-S自重1kg,不算轻,但考虑到把整个磁心和磁通门技术集成在一起,也不错了;
IT600-S 1260美金的标价另使用者望而生畏,但高指标的RUG-Z也一点也不便宜;
RUG-Z尽管精密测试时需要较小的电流,但250W的功率余量允许短期超载。另一方面,IT600-S的超载能力有限;
检流电阻的问题之一就是功耗大,对被测电路可能有影响。而IT 600-S测量时只需一根测量线穿过,功耗很小
由于检流器是无源器件,因此无附加功耗;但IT 600-S就需要+-15V供电,单边最大有0.6A
零点就是输入为零时输出是否为0。检流器其实就是电阻,这一点非常好;但IT 600-S就因为电路和外干扰等问题有可能达到20ppm的偏离,这也是磁通门检测器的弱项;
有零点就会有相应的漂移,分流器可以忽略,不过IT 600-S的漂移也不算大;
满度比例误差就是通以额定电流时,输出与理想值的偏离,这一点IT 600-S做的非常好,是磁通门最大的优势,因为比率主要取决于线圈匝数比,可以精确控制;而检流器由于生产原因,偏差难于控制;
满度比例误差的温漂,就是温漂,这一点RUG-Z能控制在1ppm/K以下已经相当不错,不过IT 600-S的更小;
满度比例是否稳定,一直是测量大敌。分流器由于受到材料和功率的限制,难免有较大的变化,而IT 600-S的长期稳定性非常高,这也是磁通门另一大特点;
线性好本来是电阻的专利(欧姆定律),但大电流的检流电阻由于有功率系数,使得等价线性也不很理想;相反,IT 600-S的线性能做到1ppm也是难得;
大功率分流器输出电压偏低,因为电压高的话会增加本来很大的功耗;而磁通门技术由于把大电流转化成了小电流,因此输出电压就可以取得比较高
电阻的噪声按理说非常小,但IT 600-S能做到0.05ppm rms也难能可贵
RUG-Z是所谓无感设计,但也难免有10nH的电感,造成16kHz的交流截止频率;相反,IT 600-S采用高速率的跟踪器件,使得测量上限达到100kHz
不过,磁通门技术必定是主动跟踪,输出对输入的响应还是有点慢,在反馈应用时容易引起振荡。



LEM IT ULTRASTAB电流传感器的应用

LEM自己的资料中的描述: LEM Appl.gif


翻译如下:
●高精度电源
●校准仪
●精密和高稳定逆变器
●能量测试
●医疗设备
●高性能核磁共振用梯度放大器

FLIR0423L.jpg

P1160606s.jpg


【全文完】

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发表于 2014-1-1 21:30:13 | 显示全部楼层
终于 站了 比较靠前了  !
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发表于 2014-1-1 21:32:34 | 显示全部楼层
呵呵,留名。

当初公司实验室在有WT1600、WT230/210以后,也采购过,价格那叫一个贵啊……
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发表于 2014-1-1 21:35:38 | 显示全部楼层
老大的帖子,前排留名!!!
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