羅氏線圈又叫電流測量線圈、微分電流傳感器,是一個均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈。輸出信號是電流對時間的微分。通過一個對輸出的電壓信號進行積分的電路,就可以真實還原輸入電流。
不含鐵磁性材料,無磁滯效應(yīng),幾乎為零的相位誤差;無磁飽和象,因而測量范圍可從數(shù)安培到數(shù)百千安的電流;
結(jié)構(gòu)簡單,并且和被測電流之間沒有直接的電路聯(lián)系;響應(yīng)頻帶寬0.1Hz-1MHz。與帶鐵芯的傳統(tǒng)互感器相比,洛氏線圈具有測量范圍寬,精度高,穩(wěn)定可靠,響應(yīng)頻帶寬,同時具有測量和繼電保護功能,體積小、重量輕、安全且符合環(huán)保要求。
基于洛氏線圈的具有電流可實時測量、響應(yīng)速度快、不會飽和、幾乎沒有相位誤差的特點,故其可應(yīng)用于繼電保護,可控硅整流,變頻調(diào)速,電阻焊等信號嚴重畸變的場合。
電流互感器與羅氏線圈的區(qū)別
電流互感器CT(current transformer),是應(yīng)用變壓器的原理(有鐵心),一般是把原邊的大電流變換成副邊的小電流,然后通過I/V變換,輸入到ADC采樣。
而羅氏線圈,英文為Rogwski coil,是空心的,即沒有鐵心,可以認為就是利用最基本的法拉第電磁感應(yīng)定律,直接在副邊產(chǎn)生電壓信號。羅氏線圈相對于普通電流互感器的好處是,因其沒有鐵心,因此不存在鐵心飽和現(xiàn)象,可以直接測量很大的電流。但是,正是因為其沒有鐵心,羅氏線圈感應(yīng)出的電壓信號相對于CT來說非常微弱,而且非常容易受到外部環(huán)境雜散磁場的影響,因此對繞制工藝的要求是很高的。另外,羅氏線圈感應(yīng)出來的電壓信號,不能直接用作電流信號,必須要對其進行微分運算,才可以還原回你要的電流信號。
目前羅氏線圈僅用于特大電流的場合,一般計量儀表都是采用的CT 羅氏線圈的放大積分電路的設(shè)計原理。
羅氏線圈測量電流的理論依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律,當被測電流沿軸線通過羅氏線圈中心時,在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場。
若想準確還原測量的交流電流i,必須加一個反相積分電路。因羅氏線圈感應(yīng)出的電壓很小,為了放大該感應(yīng)電壓,須在積分器前面加一放大電路。積分是一個非常重要的環(huán)節(jié),被還原的信號非常小,為方便測量,先將信號放大再積分,這樣一方面可以增大還原信號,另一方面,電容的存在可以過濾掉不必要的干擾。
基本放大積分電路設(shè)計如圖:
通過對羅氏線圈感應(yīng)電壓的放大和積分處理,可還原出所測量的交流電流。
羅氏線圈是一種空心環(huán)形的線圈,可以直接套在被測量的導(dǎo)體上。導(dǎo)體中流過的交流電流會在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個交替變化的磁場,從而在線圈中感應(yīng)出一個與電流變比成比例的交流電壓信號。線圈的輸出電壓可以用公式Vout=M
di/dt 來表示。其中M 為線圈的互感.di/dt 則是電流的變比。通過采用一個專用的積分器將線圈輸出的電壓信號進行積分可以得到另一個交流電壓信號,這個電壓信號可以準確地再現(xiàn)被測量電流信號的波形。
線圈和積分器:
羅氏線圈及配套積分器是一種通用的電流測量系統(tǒng),應(yīng)用的場合很廣泛,它對待測電流的頻率、電流大小、導(dǎo)體尺寸都無特殊要求。系統(tǒng)的輸出信號與電流頻率無直接關(guān)系,相位差小于0.1度,可測量波形復(fù)雜的電流信號,如瞬態(tài)沖擊電流。
線性度:
羅氏線圈電流測量系統(tǒng)一個突出的特點就是線性度好。線圈不含磁飽和元件,在量程范圍內(nèi),系統(tǒng)的輸出信號與待測電流信號一直是線性的。而系統(tǒng)的量程大小不是由線性度決定的,而是取決于特大擊穿電壓。積分器也是線性的,量程取決于本身的電氣特性。線性度好使得羅氏線圈非常容易標定,因為系統(tǒng)可以使用常見的基準信號進行標定,標定后的系統(tǒng)在整個量程范圍內(nèi)都是線性的,測量結(jié)果都是準確的。同時由于線性度好,系統(tǒng)的量程可以隨意確定,瞬態(tài)反應(yīng)能力突出。
輸出指示:
積分器輸出的交流電壓信號可以在任何輸入阻抗大于10kohm 的電氣設(shè)備上使用,例如電壓表,示波器,瞬態(tài)沖擊記錄儀或保護系統(tǒng)。積分器輸出的直流電流信號可以廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)中。
羅氏線圈(羅果夫斯基線圈)用于測量交流電流,頻率從低于0.1Hz到1MHz,測量范圍從1mA到1MA,精度從0.1%到1%。線圈具有極佳的瞬態(tài)反應(yīng)能力,可以用于測量尺寸很大或尺寸形狀不規(guī)則的導(dǎo)體。羅氏線圈可廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)電流測量裝置如電流互感器無法正常使用的場合用于電流測量,尤其是大電流測量。
羅氏線圈與傳統(tǒng)電流測量裝置相比有以下突出優(yōu)點:
無飽和
線性度好,標定容易
瞬態(tài)反應(yīng)能力突出,可用于中高壓保護
待測電流頻率范圍寬,從0.1Hz到1MHz,可用于測量諧波
待測電流量程大,可從1mA到1MA
相位差在中頻時小于0.1度
線圈絕緣電壓10kV
無二次開路危險
無過載危險
尺寸極小,安裝簡單方便,無須破壞導(dǎo)體
維修簡單方便
羅氏線圈的技術(shù)難度在于:測量線圈因為熱的原因,其阻值會發(fā)生變化,測量集成電路的輸入端必須予以補償。由于補償與環(huán)境溫度有關(guān),還與電流大小有關(guān),在微電子技術(shù)未出現(xiàn)之前,這項工作無法實現(xiàn),所以羅氏空心線圈盡管測量品質(zhì)出色,但無法實用。羅氏線圈的應(yīng)用與集成電路的發(fā)展是分不開的。
目前,施耐德公司、ABB公司、西門子公司生產(chǎn)的ACB斷路器中,都使用羅氏線圈來測量三相電流和N線電流。