專利名稱：電流測量設備和包括這樣的設備的處理單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及電流測量設備，包括 -測量電阻器，)t人電流傳感器^^收測量電流，和
-信號放大器，具有連接到所述測量電阻器的輸入端和提供表示要被測 量的電流的測量信號的輸出端。
背景技術：
諸如圖l所示的已知電流測量設備通常包括低值的測量電阻器1,用來 接收要被測量的電流。為了大大地減小測量電阻器的值，具有寬的動態測量 范圍的設備還包括信號放大器2,其連接到測量電阻器，以放大由于測量電 阻器的很低的值導致的弱值的信號。連接到放大器的輸出端的模擬-數字信 號轉換器提供表示流過測量電阻器的電流的數字信號。通常，測量電阻器和 放大器輸入端由電壓浪涌限制器4來保護。當測量設備用于測量強AC電流 時，電流互感器(current transformer ) 5包括^皮設計為具有要^皮測量的流過 后者的電流的初級電路和將測量電流提供給電阻器1的次級繞組。
弱值的測量電阻器的使用使得在其上測量電流的電路不被干擾。特別 是，當使用電流互感器時，次級繞組上的弱測量電阻器防止所述互感器的磁 路飽和。
但是，弱的電阻值需要使用高增益的信號放大器。可以對電阻器l布置 幾個放大級，適合于流入電阻器的不同的電流電平。大的增益還致使噪聲以 及特別是存在于工業環境中的雜散信號的放大。增加的增益還導致放大器或 其它電子電路的偏移(offset)的過度放大。自動放大器增益控制確實存在。 但是，這些復雜的以及不很可靠的電路也引入了很大的測量誤差。

發明內容
本發明的目的是提供一種具有寬的動態測量范圍、弱的輸入阻抗和簡單 而可靠的結構的電流測量設備。本發明的進一步的目的是提供包括這樣的測量設備的處理單元。
根據本發明的電流測量設備包括 -第一測量電阻器，接收測量電流，
-第一信號放大器，具有連接到所述第一測量電阻器的輸入端和提供第 一測量信號的輸出端，
-第二測量電阻器，與所述第一測量電阻器串聯連接，和
-第一電壓限制裝置，與第一測量電阻器并聯連接，以當所述第一測量 電阻器上達到第一限制電壓時，分流第一分路電流，
第一測量電阻器的值大于第二測量電阻器的值。
在優選實施例中，該測量設備包括第二電壓限制裝置，與第二測量電阻 器并聯連接，以當所述第二測量電阻器上達到第二限制電壓時，分流第二限 制電流。
在特定的實施例中，該測量設備包括第二信號放大器，連接到第二測量 電阻器，以提供第二測量信號，所述第一放大器具有比所述第二放大器的增 益高的增益。
第一限制裝置優選地具有小于1伏特的限制電壓，用于小于1安培的分 路電流。有利地，第一限制裝置包括兩個首尾反向并聯連接的二極管。
第二限制裝置優選地具有小于2伏特的限制電壓，用于小于2安培的分 路電流。有利地，第二限制裝置包括首尾反向并聯連接的兩組二極管，每組 二極管包括兩個串聯連接的二極管。
優選地，由第一測量電阻器、第二測量電阻器和所述第一放大器的放大 系數組成的第一增益通路對由第二測量電阻器和所述第二放大器的放大系 數組成的第二增益通路之比近似等于由要被測量的電流的最大值和要被測 量的電流的最小值相比而定義的動態測量范圍的平方根。
有利地，所述第一測量電阻器的值和所述第二測量電阻器的值之間的比 -陂包括在5和15之間。
有利地，所述第一放大器的放大系數和第二放大器的放大系數(或第二 增益通路的放大系數)之間的比被包括在5和20之間。
根據本發明的 一種處理單元包括
-至少一個電流互感器，包括接收要被測量的初 電流的初級電路和提 供表示所述要被測量的初級電流的次級測量電流的次級繞組，-至少一個電流測量設備，連接到所述電流互感器的次級繞組，以測量 所述次級電流并且提供表示該次級電流的測量信號，
-處理裝置，連接到所述測量設備，以接收所述測量信號，所述至少一
個測量設備是根據上面定義的測量設備，其接收該次級測量電流并提供
-表示流過第 一測量電阻器的電流的第 一測量信號，和
-表示流過第二測量電阻器的電流的第二測量信號。


通過下面對本發明的特定實施例的描述，其他優點和特征將變得更清楚
其中
-圖l表示根據現有技術的電流測量設備的圖，
-圖2表示根據本發明的實施例的電流測量設備的第 一圖，
-圖3表示根據本發明的實施例的電流測量設備的第二圖，
-圖4表示根據本發明的實施例的電流測量設備的增益通路的曲線圖。
具體實施例方式
圖2所述的根據本發明的實施例的電流測量設備包括接收測量電流IsA 的第一測量電阻器1A，和具有連接到所述第一測量電阻器1A的輸入端和提 供第一測量信號SA的輸出端的第一信號放大器2A。根據本發明的此實施 例，該設備有利地包括與所述第 一 電阻器1A串聯連接的第二測量電阻器IB, 第一測量電阻器1A的值大于第二測量電阻器1B的值。第一測量電阻器1A 被設計成測量弱電流，而非常低的值的電阻器IB祐 沒計成測量強電流。第 一電壓限制器6A與較高值的第一測量電阻器1A并聯連接，用于一旦超過 第一電壓閾值VL1，則將分路電流IL1分流到第二測量電阻器1B。
在圖2所示的設備中，對于很弱的電流，幾乎所有的測量電流Is流經第 一電阻器1A并且流經非常低的值的第二電阻器1B。從而在第一電阻器1A 上產生第一電壓V1A，并且在第二電阻器1B上產生第二電壓V1B。因為電 阻器1A的值大于電阻器1B的值，所以電壓V1A高于電壓V1B。當測量電 流增大時，電壓VIA以相同比例增大。然后， 一旦超過第一電壓限制器的 閾值VL1，則電流IL1被從第一電阻器1A中分流以直接施加到第二電阻器1B。在這種情況下，電流Is凈皮分成流入電阻器1A的電流Isl和流經第一電 壓限制器6A的電流ILl ，這兩個電流Isl和ILl的和對應于電流Is，它們在 第二測量電阻器IB中得到。在此電流電平時，電阻器IA上的電壓被限制， 并且電流測量通路是僅使用第二電阻器IB的那個通路。經由參考線14電流 Is返回。
這樣的設備
-通過中間值的電阻器1A或電阻器IA和IB的串聯連接結合利用中間 增益;^文大器，增強了弱電流的測量，
-在強電流的情況下，增強了第一測量電阻器上的電壓的限制，以特許 電流流到第二測量電阻器IB中并且限制測量設備的輸入阻抗，以及
-增強了在僅僅具有低值的第二測量電阻器IB上的強電流的測量。
圖2的設備還包括與第二測量電阻器IB并聯連接的第二電壓限制器 6B，以將第二測量電阻器IB上的電壓VB1限制到第二限制值VL2,用于 能夠超過測量動態范圍的很強的電流Is。第二限制器6B通過對于任何電流 值都使得其變低，而進一步地改善了弱阻抗。因而，當超過電阻器IB上的 電壓VL2時，電流IL2流入電壓限制器6B。串^L的電阻器IA和IB上的總 電壓Vs限于電壓限制器6A和6B的限制電壓VL1和VL2的總和，即使對 于超過測量范圍的非常高的電流也是如此。
有利地，連接到第二測量電阻器的第二信號放大器2B使得能夠提供第 二放大的測量信號，所述第一放大器2A具有比所述第二放大器2B的增益 高的增益。
從第一和第二放大器2A和2B輸出的信號SA和SB優選地;波施加于分 別用于模數轉換的轉換器3A和3B的輸入端。來自于轉換器的輸出端上的 數字信號被提供給處理電路7。電路7可以具體地是可以被定制的微處理器、 微控制器或混合電路。
第一電壓限制器優選地具有小于1伏特的限制電壓，用于小于1安培的 分路電流。如圖3所示，第一電壓限制器包括首尾反向并聯連接的兩個二極 管8和9。在此實施例中，限制電壓對應于二極管DC電壓。首尾連接使得 可以在AC中雙向工作。
第二電壓限制器優選地具有小于2伏特的限制電壓，用于小于2安培的 分路電流。在圖3的實施例中，第二電壓限制器包括首尾反向并聯連接的兩組二4及管， 一組包括兩個串聯連接的二極管10、 11，另一組包括兩個串聯連
接的二極管12、 13。則限制電壓對應于能夠在AC中雙向工作的兩個二極管 DC電壓的和。
在圖2和3的實施例中，存在第一增益通路，對應于第一電阻器的值(根 據所使用的布局，增加第二測量電阻器的值)以及對應于第一放大器的放大 值，以及存在第二增益通路，對應于第二電阻器的值，以及如果使用第二放 大器的話，對應于第二放大器的值。有利地，由第一測量電阻器、第二測量 電阻器和所述第一放大器的放大系數組成的第一增益通路對由第二測量電 阻器和所述第二放大器的放大系數組成的第二增益通路之間的比近似等于 由要被測量的電流的最大值和要被測量的電流的最小值相比而定義的動態 測量范圍的平方根。
例如，如果要被測量的電流的最大值等于額定電流In的40倍，如果要 被測量的電流的最小值等于額定電流的0.1倍，以及如果諸如互感器的電流 傳感器是1安培和5安培類型的兩個電流傳感器，則動態測量范圍是(40/0.1) *( 5/1 ) =2000。為了轉換器的最佳使用，每個轉換器將不得不處理等于該 測量動態范圍的平方根的動態范圍，即在該例子中大約為45。增益通路之 間的比可以被分配在放大器幅度的比以及電阻器或幾組電阻器(1A+1B)對 最弱的電阻器1B的值之間的比之間。在這種情況下，由電阻器1B形成的 第二增益通路(具有增益為1的第二放大器2B或不具有放大器)具有為1 的增益，由電阻器1A和1B以及由放大器2A形成的第一通路具有為45的 增益。此增益45被有利地分配在電阻器1A和1B的值以及放大器2A的放 大系數之間。在此例子中，如果參考電阻器1B具有1歐姆，則電阻器1A 可以具有6.5歐姆，并且第一放大器的放大系數可以是6。
第一通路具有增益為((1 + 6.5 ) * 6 ) = 45，并且使得轉換器能夠在有 用動態范圍為45的范圍內精確地處理相對電平為1到45的弱信號。
第二通路具有增益為(1* 1 ) = 1,并且使得轉換器能夠在有用動態范圍 為45的范圍內處理相對電平為45到2000的強信號。
在本發明的這些實施例中，所述第一測量電阻器1A的值和所述第二測 量電阻器1B的值之間的比被包括在5和15之間。有利地，第一放大器2A 的放大系數和第二放大通路的放大系數之間的比被包括在5和20之間。第 二放大通路可以具有放大器，但是具有增益為l,因此它可以不放大。在圖2和3的實施例中，可以從兩個電阻器1A和1B的總和開始考慮 增益通路的參考。在這種情況下，第一增益通路對應于第一放大器的放大系 數，第二增益通路對應于由串聯連接的電阻器1A和1B形成的電阻分壓器 引起的衰減和用于要被施加于第二放大器2B的第二信號的公共中點和輸出 端(如果應用第二放大器2B的話)。在與上述例子相同的例子中，第一增益 通路具有放大值為6,第二增益通路是分壓器電橋的衰減，即，(IB / 1A+1B ) =(1/ (1+6.5)) =1/7.5，兩個增益通路之間的比也是6/ (1/7.5) =45。
圖4示出了根據本發明的實施例的電流測量設備的增益通路的曲線圖。 此圖示出了轉換器3A和3B在轉換點的最小數MIN和對應于轉換器的最大 輸入信號的轉換點的最大數MAX之間的轉換窗CONV。在這些轉換窗中， 第一增益通路20A具有高增益并且工作在要被測量的電流的最小極限L和 切換點C之間，第二增益通路20B具有低增益或衰減，并且工作在切換點C 和要被測量的電流的最大極限H之間。
如上所述的測量設備特別適合于用于監視或保護電開關裝置的處理單 元。在這種情況下，處理單元包括至少一個電流互感器5，包括接收要被測 量的初級電流Ip的初級電路和提供表示所述要被測量的初級電流的次級測 量電流Is的次級繞組。電流測量設備連接到所述電流互感器的次級繞組，以 測量所述次級電流并且提供表示所述次級電流Is的測量信號。處理電路連接 到所述測量設備，以接收所述測量信號并且處理控制/監視和保護功能。用于 模數轉換的信號轉換器3A和3B可以被合并到處理電路7中。
對于高或中間電壓和/或強電流開關裝置，電流互感器可以是具有兩個或 三個電流互感器的通路。要被測量的電流可以是相電流或中性極化電流或同 極電流(例如接地故障電流)。在這種情況下，測量范圍可以不同。
根據本發明的設備可以在非常不同的測量電流Is的情況下工作，該測量 電流Is可以是例如AC或DC中的^^人幾毫安到幾安。
在上述實施例中，串聯連接的測量電阻器被布置為使得弱值的第二電阻 器1B連接到參考線14。當然，電阻器的次序可以相對于參考線反向。該兩 個電阻器還可以是獨立的，特別是使用用于放大信號的差動放大器。
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權利要求
1、一種電流測量設備，其特征在于該測量設備包括-第一測量電阻器(1A)，接收測量電流(Is，IsA)，-第一信號放大器(2A)，具有連接到所述第一測量電阻器的輸入端和提供第一測量信號(SA)的輸出端，-第二測量電阻器(1B)，與所述第一測量電阻器(1A)串聯連接，和-第一電壓限制裝置(6A，8，9)，與第一測量電阻器(1A)并聯連接，以當所述第一測量電阻器(1A)上達到第一限制電壓(VL1)時，分流第一分路電流(IL1)，第一測量電阻器(1A)的值大于第二測量電阻器(1B)的值。
2、 根據權利要求1所述的測量設備，其特征在于，該測量設備包括第 二電壓限制裝置(6B, 10-13)，與第二測量電阻器(1B)并聯連接，以當所 述第二測量電阻器(1B)上達到第二限制電壓(VL2)時，分流第二限制電 流(IL2 )。
3、 根據權利要求1或2所述的測量設備，其特征在于，該測量設備包 括第二信號放大器(2B)，連接到第二測量電阻器(1B)，以提供第二測量 信號(SB),所述第一》文大器(2A)具有比所述第二^L大器(2B)的增益高 的增益。
4、 根據權利要求1至3中任一權利要求所述的測量設備，其特征在于， 第一限制裝置(6A， 8， 9)具有小于1伏特的限制電壓(VL1)，用于小于 1安培的分^^電流(IL1 )。
5、 根據權利要求4所述的測量設備，其特征在于，該第一限制裝置(6A) 包括兩個首尾反向并聯連接的二極管(8， 9)。
6、 根據權利要求1至5中任一權利要求所述的測量設備，其特征在于， 第二限制裝置(6B)具有小于2伏特的限制電壓(VL2),用于小于2安培 的分^各電流(IL2)。
7、 根據權利要求6所述的測量設備，其特征在于，第二限制裝置(6B) 包括首尾反向并聯連接的兩組二極管(10-13)，每組二極管包括兩個串聯 連接的二極管。
8、 根據權利要求1至7中任一權利要求所述的測量設備，其特征在于，由第一測量電阻器(1A)、第二測量電阻器(IB)和所述第一放大器(2A) 的放大系數組成的第一增益通路對由第二測量電阻器(IB)和所述第二放大 器(2B)的放大系數組成的第二增益通路之比近似等于由要被測量的電流的 最大值(M)和要被測量的電流的最小值(L)相比而定義的動態測量范圍 的平方根。
9、 根據權利要求1至8中任一權利要求所述的測量設備，其特征在于， 所述第一測量電阻器(1A)的值和所述第二測量電阻器(1B)的值之間的 比被包括在5和15之間。
10、 根據權利要求1至9中任一權利要求所述的測量設備，其特征在于， 所述第一放大器(2A)的放大系數與第二放大器(2B)的放大系數或與第 二增益通路的放大系數之間的比被包括在5和20之間。
11、 一種處理單元，包括-至少一個電流互感器(5)，包括接收要被測量的初級電流(Ip)的初級 電路和提供表示所述要被測量的初級電流的次級測量電流(Is )的次級繞組， -至少一個電流測量設備，連接到所述電流互感器的次級繞組，以測量 所述次級電流(Is)并且提供表示該次級電流的測量信號，-處理裝置(7),連接到所述測量設備，以接收所述測量信號， 其特征在于，所述至少一個測量設備是根據權利要求1至10中任一權 利要求所述的測量設備，其接收該次級測量電流(Is)并提供-表示流過第一測量電阻器(1A)的電流的第一測量信號(SA),和 -表示流過第二測量電阻器(IB)的電流的第二測量信號(SB)。
全文摘要
一種電流測量設備，包括第一測量電阻器(1A)，接收測量電流(Is，IsA)，第一信號放大器(2A)，具有連接到所述第一測量電阻器的輸入端和提供第一測量信號(SA)的輸出端。第二測量電阻器(1B)與所述第一測量電阻器(1A)串聯連接，以及第一電壓限制裝置(6A，8，9)與第一測量電阻器(1A)并聯連接，以當所述第一測量電阻器(1A)上達到第一限制電壓(VL1)時，分流第一分路電流(IL1)。第一測量電阻器(1A)的值大于第二測量電阻器(1B)的值。一種處理單元包括一個這樣的電流測量設備。
文檔編號G01R19/00GK101603983SQ20091014201
公開日2009年12月16日 申請日期2009年5月27日 優先權日2008年6月11日
發明者伊范·卡萊尼內 申請人:施耐德電器工業公司