CN204556703U - 漏电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种漏电流传感器，包括聚磁环、磁性传感器芯片以及电路，其特征在于：所述聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，聚磁环内部穿过两条电流流向相反的电流导线；所述磁性传感器芯片位于所述聚磁环的气隙内，用以测量所述聚磁环气隙处汇聚的磁场场强；所述磁性传感器芯片由磁性传感元件构成，所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件；所述电路与所述磁性传感器芯片电连接，用以导入工作电流和信号输出。本实用新型传感器可以精确测量包含直流分量的交流供电的漏电电流，在此基础上具有更优异的精度和温度稳定性，出色的灵敏度和大的测量范围，提高了用电安全度。
Description
技术领域
本实用新型涉及电流传感器领域，具体涉及一种漏电流传感器。
背景技术
目前主流的漏电流测量采用的是互感器，互感器由闭合磁芯和线圈构成，采用互感器检测漏电流的漏电断路保护器的工作方式是：同一回路的两根导线穿过磁芯内部，由于每根导线上的电流大小相等，方向相反，所以，其总的电流矢量和为零，当发生漏电时，由于回路有了分支，因此穿过互感器磁芯的电流矢量和不再等于零，互感器次级有感应电势产生，从而推动执行机构跳开主回路，起到保护作用。根据国家标准，漏电流断路保护器按照其剩余电流带有直流分量时动作特性分为AC型漏电断路器和A型漏电断路器。AC型漏电断路器是对无论是突然施加或缓慢上升的无直流分量的剩余正弦交流确保脱扣的断路器，A型漏电断路器是对无论是突然施加或缓慢上升的剩余正弦电流和剩余脉动直流电流确保脱扣的断路器。
一般交流电源供电的交流负载是没有或直流分量的，近二十年来，随着社会的发展和技术的进步，许多新的电器和节能产品进入我们的日常生活和视野，例如：(1)家用方面：电磁炉、微波炉、电子烹食器、变频空调、计算机、UPS、充电器等；(2)工业方面：变频器、软启动、电焊机、点焊机、逆变器、高中频炉等；(3)其他的如医疗CT机、网吧设备等，由于这些用电设备导致电路中出现多种频率的谐波及直流分量，导致普通的互感器不能满足电路监控的要求。
采用闭合磁芯的互感器在测量漏电流时有一个缺陷，那就是在直流分量作用下磁导率会迅速下降而饱和，采样值随之迅速降低，从而出现误判，错判现象，进而对家居、工业以及医疗等领域的用电安全带来极大的隐患。
不难看出，现有的互感器式漏电断路器的测量漏电流的方式无法完成对含有直流分量的交流负载的漏电状况进行精确有效的测量和保护。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供了一种可以精确测量包含直流分量的交流供电的漏电电流的漏电流传感器。
本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：
漏电流传感器，包括聚磁环、磁性传感器芯片以及电路，其特征在于：
所述聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，聚磁环内部穿过两条电流流向相反的电流导线；
所述磁性传感器芯片位于所述聚磁环的气隙内，用以测量所述聚磁环气隙处汇聚的磁场场强；
所述磁性传感器芯片由磁性传感元件构成，所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件；
所述电路与所述磁性传感器芯片电连接，用以导入工作电流和信号输出。
其进一步特征在于，所述电路包含放大单元和滤波单元。
所述聚磁环上缠绕有消磁线圈。
上述漏电流传感器包括屏蔽外壳，所述屏蔽外壳为金属材料，将所述聚磁环、磁性传感器芯片以及电路包覆其中。
上述磁性传感器芯片为单电阻、半桥或全桥结构。
本实用新型传感器可以精确测量包含直流分量的交流供电的漏电电流，在此基础上具有更优异的精度和温度稳定性，出色的灵敏度和大的测量范围，提高了用电安全度。
附图说明
图1是穿心式互感器的结构示意图。
图2是本实用新型提出的漏电流传感器的结构示意图。
图3是绕有线圈的漏电流传感器的结构示意图。
图4是磁性传感器芯片的输出曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
图1是一个典型的穿心式互感器结构图。如图所示，封闭的磁环12上缠绕有线圈16，待检测电流导线13、14穿过磁环12内部，其分别为电流进的导线和电流出的导线，若没有漏电发生，则流经电流导线13的电流值I1（31）和流经电流导线14的电流值I2（32）相等且方向相反，则在电流导线13和14附近产生的合磁场可近似为零，因此缠绕有线圈的磁环12不会产生感生磁场，则没有相应的感生电流I。若有漏电现象，则流经电流导线13的电流值I1和流经电流导线14的电流值I2不等，其附近产生的合磁场不为零，磁环12产生感应电势，由法拉第电磁感应定律，缠绕在磁环12上的线圈16内产生感生电流I。
由上述可知，由于磁环12闭合，互感器测量漏电流通常只能测较低频率的电流脉冲分量，在高频或直流分量的冲击下，闭合磁环12的磁导率μ值会迅速降低达到饱和，采样值随之迅速降低，从而出现误判，错判现象，进而对家居、工业以及医疗等领域的用电安全带来极大的隐患。
如图2所示，本实用新型提出的漏电流传感器包括磁性传感器芯片11、聚磁环12以及电路15。聚磁环12是带有气隙的金属环，待检测电流导线13、14穿过聚磁环12内部，磁性传感器芯片11位于聚磁环12的气隙处，其敏感轴1垂直于聚磁环12的横截面，且与聚磁环12的气隙中心处的切线平行。电流导线13和14分别为电流进的导线和电流出的导线，若没有漏电发生，则流经电流导线13的电流值I1（31）和流经电流导线14的电流值I2（32）相等且方向相反，则在电流导线13和14附近产生的合磁场可近似为零，因此缠绕有线圈的聚磁环12不会产生感生磁场，磁性传感器芯片11的输出为零。若有漏电现象，则流经电流导线13的电流值I1和流经电流导线14的电流值I2不等，聚磁环12将流导线13和14附近产生的合磁场汇集至气隙处，磁性传感芯片11感应到磁场21，进而产生输出。
由于采用带气隙的聚磁环结构，在直流分量的作用下，聚磁环的磁导率不会迅速衰减，其饱和场相比于闭合磁环要高得多。
如图3所示，为了降低磁滞，聚磁环12可缠绕一定匝数的线圈16接入电路15，电路15的作用是为磁性传感器芯片11导入工作电流以及信号输出，电路15还可包括放大单元和滤波单元，磁性传感器芯片11的输出信号通过放大和滤波后导入系统可供使用。电路15和磁性传感器芯片11可设置于一个印刷线路板上，也可以集成在一个芯片上。
为了避免外部的电流和磁场的干扰，所述漏磁场传感器还包括一个屏蔽外壳17，该屏蔽外壳17为金属材料，将磁性传感器芯片11、聚磁环12以及电路15包覆其中。
所述磁性传感器芯片11由磁性传感元件构成，磁性传感元件可选用饱和场较大且精度很高的巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。巨磁电阻元件和磁性隧道结元件是一种阻值随外磁场变化而变化的磁电阻元件，通过现有的技术磁电阻元件的R-H（阻值-外磁场）曲线具有低磁滞，高饱和场和宽线性范围的特性，相对于传统的磁性传感元件如电感线圈和霍尔元件具有更高的精度和更好的温度特性，相比于各向异性磁电阻元件具有更高的饱和场，其作为漏电传感器的敏感元件是最理想的。
磁性传感器芯片11可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件串联和/或并联组成，每个桥臂我们可以等价于一个磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的磁电阻连接构成，使用时都要通入稳恒电压或电流。其中，半桥或全桥结构为最优的选择，其输出曲线如图4所示，其中，VMAX+和VMAX-为最大输出值，HS为饱和场，其工作区域为输出曲线的线性区域。
巨磁电阻元件以及磁性隧道元件的结构图和工作原理，以及磁性传感器芯片的具体工作方式可参考公开号为CN103645369A的中国专利：一种电流传感装置。
应当理解，以上借助优选实施例对本实用新型的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本实用新型说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.漏电流传感器，包括聚磁环、磁性传感器芯片以及电路，其特征在于：
所述聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，聚磁环内部穿过两条电流流向相反的电流导线；
所述磁性传感器芯片位于所述聚磁环的气隙内，用以测量所述聚磁环气隙处汇聚的磁场场强；
所述磁性传感器芯片由磁性传感元件构成，所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件；
所述电路与所述磁性传感器芯片电连接，用以导入工作电流和信号输出。
2.如权利要求1所述的漏电流传感器，其特征在于，所述电路包含放大单元和滤波单元。
3.如权利要求1所述的漏电流传感器，其特征在于，所述聚磁环上缠绕有消磁线圈。
4.如权利要求1-3任一项所述的漏电流传感器，其特征在于，所述漏电流传感器包括屏蔽外壳，所述屏蔽外壳为金属材料，将所述聚磁环、磁性传感器芯片以及电路包覆其中。
5.如权利要求1-3任一项所述的漏电流传感器，其特征在于，所述磁性传感器芯片为单电阻、半桥或全桥结构。
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