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Description
本発明は、フラックスゲート型電流センサを用いた電流検出装置に関する。 The present invention relates to a current detection device using a fluxgate type current sensor.
フラックスゲート型電流センサは、フラックスゲート型磁気センサを応用したものである。一般にフラックスゲート型磁気センサは、磁気センサであるホール素子、磁気抵抗素子に比べ磁界検出感度が高く、地磁気等の微小磁界の検出に適しており、またホール素子、や磁気抵抗素子に比べ温度依存性も優れている。このため、市販されているホール素子、磁気抵抗素子を利用した電流センサはA(アンペア)オーダの電流検出用に幅広く利用されているのに対し、フラックスゲート型電流センサはmA(ミリアンペア)オーダの電流検出に幅広く利用されているのが現状である。 The fluxgate type current sensor is an application of a fluxgate type magnetic sensor. In general, fluxgate type magnetic sensors have higher magnetic field detection sensitivity than Hall elements and magnetoresistive elements, which are magnetic sensors, and are suitable for detecting minute magnetic fields such as geomagnetism. Also, they are more temperature dependent than Hall elements and magnetoresistive elements. It has excellent properties. For this reason, commercially available current sensors using Hall elements and magnetoresistive elements are widely used for A (ampere) order current detection, whereas fluxgate current sensors are in the order of mA (milliampere). Currently, it is widely used for current detection.
従来のフラックスゲート型電流センサは、例えば特許文献1の第2図に示されているように、高透磁率材からなる磁性体リングコアに励磁巻線及び検出巻線を巻回した構造を備えており、被測定電流が流れる導体をリングコア内に貫通させている。
A conventional fluxgate type current sensor has a structure in which an excitation winding and a detection winding are wound around a magnetic ring core made of a high permeability material, as shown in FIG. 2 of
次に動作原理について説明する。励磁巻線に交流励磁電流を通電し、磁性体リングコアを周期的に磁気飽和させる。被測定電流値が零である場合、励磁電流により発生する磁界変化は磁性体リングコア材のB−H曲線の原点に対し対称となる。検出巻線には、ファラデーの電磁誘導則に従い、検出巻線を巻回した磁性体リングコア内の磁束量の変化に伴い出力電圧が発生する。そのため磁性体リングコアが十分飽和した磁界領域においては、出力電圧が零となる。すなわち、B−H曲線が原点に対し対称曲線であり、ある一定周期で磁性体リングコアを励磁した場合、出力電圧が零である時間及び周期は一定間隔となり、周期はB−H曲線の原点対称性から励磁周波数の2倍となる。 Next, the operation principle will be described. An AC exciting current is applied to the exciting winding to periodically magnetically saturate the magnetic ring core. When the measured current value is zero, the magnetic field change generated by the excitation current is symmetric with respect to the origin of the BH curve of the magnetic ring core material. In accordance with Faraday's electromagnetic induction law, an output voltage is generated in the detection winding as the amount of magnetic flux in the magnetic ring core around which the detection winding is wound changes. Therefore, the output voltage becomes zero in the magnetic field region where the magnetic ring core is sufficiently saturated. That is, when the BH curve is symmetrical with respect to the origin, and the magnetic ring core is excited with a certain period, the time and period when the output voltage is zero are constant, and the period is symmetric with respect to the origin of the BH curve. Therefore, it becomes twice the excitation frequency.
一方、被測定電流値が零でない場合、励磁電流による発生する励磁磁界に加え、被測定電流が発生する磁界が重畳される。この場合、その磁界変化が磁性体リングコア材のB−H曲線の原点に対し対称でなくなるため、ある一定周期の励磁磁界で磁性体リングコアを励磁したとしても、出力電圧が零である時間は一定間隔とならず磁界の変化が正側もしくは負側に変化した際に異なるようになる。出力電圧が零である時間間隔の差分から、被測定電流値を求めることができるため、フラックスゲート型電流センサは被測定電流線と非接触で被測定電流値を計測することができる。 On the other hand, when the measured current value is not zero, the magnetic field generated by the measured current is superimposed in addition to the exciting magnetic field generated by the exciting current. In this case, since the change in the magnetic field is not symmetrical with respect to the origin of the BH curve of the magnetic ring core material, the time during which the output voltage is zero is constant even when the magnetic ring core is excited with an excitation magnetic field having a certain period. It becomes different when the change in the magnetic field changes to the positive side or the negative side, not the interval. Since the measured current value can be obtained from the difference between the time intervals when the output voltage is zero, the flux gate type current sensor can measure the measured current value without contact with the measured current line.
さらに近年では、フラックスゲート型電流センサの検出精度を向上させるために、検出巻線を鎖交する磁界変化に対し、励磁磁界の影響を除去させるような構造、例えば特許文献2の図2に示されているように、励磁磁界と被測定電流が発生する磁界の向きを直交させた構造が提案されている。また、特許文献3の図2に示されているように、2つの磁性体リングコアにそれぞれ逆向きの励磁磁界を印加し、検出巻線を一体巻回し、差動検出する構造が提案されている。また、特許文献4の図1に示されているように、2つの磁性体リングコアに検出巻線をそれぞれ巻回し、後段回路にて差動処理する構造では、被測定電流線から生じる磁界成分のみを検出することができる。さらに、検出した磁界を打ち消すように、磁性体リングコアにフィードバックコイルに電流を流すクローズドループ制御をすることによって、被測定電流値を高精度に計測することができる。加えて、差動化およびクローズドループ制御により、使用環境温度の変化による磁性体リングコアの磁気特性の変化および磁性体リングコアのヒステリシス特性を相殺することができ、使用環境温度の変化に対しても堅牢で、かつ高精度な電流センサを構築することができる。
Further, in recent years, in order to improve the detection accuracy of the fluxgate type current sensor, a structure that removes the influence of the excitation magnetic field with respect to the magnetic field change interlinking the detection winding, for example, as shown in FIG. As described above, a structure in which the excitation magnetic field and the direction of the magnetic field generated by the current to be measured are orthogonal to each other has been proposed. Further, as shown in FIG. 2 of
フラックスゲート型電流センサは磁性体コアの非線形磁気特性を利用したセンサである。そのため、センサの使用環境温度の変化により磁性体コアの磁気特性が変化し、結果的にセンサ感度が変化するといった課題を有する。センサの使用環境温度が一定の場合、センサ感度は一定であるため、特に問題にはならない。しかし、温度変化の大きい自動車向けおよび産業機器向けにフラックスゲート型電流センサを適用する場合、センサ感度の温度特性を補正する必要がある。温度特性を補正する従来の手法では、2つの磁性体コアを用いて差動処理したり、あるいは、検出した磁界を打ち消すように、磁性体リングコアにフィードバックコイルに電流を流すクローズドループ制御をすることによって、温度特性を相殺している。 The fluxgate type current sensor is a sensor that utilizes the non-linear magnetic characteristics of a magnetic core. For this reason, there is a problem that the magnetic characteristics of the magnetic core change due to a change in the ambient temperature of the sensor, resulting in a change in sensor sensitivity. When the ambient temperature of the sensor is constant, there is no particular problem because the sensor sensitivity is constant. However, when the fluxgate type current sensor is applied to automobiles and industrial equipment having a large temperature change, it is necessary to correct the temperature characteristics of the sensor sensitivity. In the conventional method of correcting the temperature characteristics, the differential processing is performed using two magnetic cores, or the closed loop control in which the current is fed to the feedback coil through the magnetic ring core so as to cancel the detected magnetic field. This cancels the temperature characteristics.
しかしながら、磁性体コアを2つ用いた場合、センサ寸法の大型化、部材コストの増加を招くことから、小型化、部材コストの低減が課題であった。また、フィードバック制御を用いる場合、検出した磁界を打ち消すために要する電流が消費電力の増加を招き、消費電力の低減が課題であった。 However, when two magnetic cores are used, the size of the sensor is increased and the member cost is increased. Therefore, downsizing and reduction of the member cost are problems. In addition, when using feedback control, the current required to cancel the detected magnetic field causes an increase in power consumption, and reducing power consumption is a problem.
本発明の目的は、フラックスゲート型電流センサにおいて、被測定電流線に電流が通電している状態を再現できる電流検出装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a current detection device capable of reproducing a state in which a current is supplied to a current line to be measured in a fluxgate type current sensor.
また本発明の目的は、センサの使用環境温度が変化する状況下でも、センサ感度を補正し、被測定電流を高精度に検出できる電流検出装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a current detection device capable of correcting the sensor sensitivity and detecting the current to be measured with high accuracy even under a situation where the use environment temperature of the sensor changes.
上記目的を達成するために、本発明に係る電流検出装置は、閉磁路を形成する磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、及び該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート型電流センサと、
励磁巻線に交流励磁信号を通電して励磁磁界を発生させる励磁処理部と、
検出巻線の出力電圧波形から励磁磁界の第2高調波成分のみを抽出して信号処理を行う検出処理部と、
交流励磁信号に対して予め定めたタイミングでオフセット信号を重畳するオフセット制御部と、を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a current detection device according to the present invention comprises a magnetic core forming a closed magnetic circuit, an excitation winding wound around the magnetic core, and a detection wound around the magnetic core. A fluxgate type current sensor having a winding and a current wire to be measured penetrating the magnetic core;
An excitation processing unit for generating an excitation magnetic field by energizing an AC excitation signal to the excitation winding;
A detection processing unit that performs signal processing by extracting only the second harmonic component of the excitation magnetic field from the output voltage waveform of the detection winding;
An offset control unit that superimposes an offset signal on the AC excitation signal at a predetermined timing.
本発明によれば、交流励磁信号に対して予め定めたタイミングでオフセット信号を重畳することによって、被測定電流線に電流が通電している状態を再現することができる。そのため検出処理部からの出力信号波形はオフセット信号の有無に応じて変化するようになり、フラックスゲート電流センサのセンサ感度を演算することが可能になり、演算したセンサ感度に基づいてフラックスゲート型電流センサからの出力を補正することが可能になる。その結果、センサの使用環境温度が変化する状況下においても、高精度に被測定電流を検出することができる。 According to the present invention, it is possible to reproduce a state in which a current is supplied to the current line to be measured by superimposing an offset signal at a predetermined timing on the AC excitation signal. For this reason, the output signal waveform from the detection processing unit changes depending on the presence or absence of the offset signal, and it becomes possible to calculate the sensor sensitivity of the fluxgate current sensor. Based on the calculated sensor sensitivity, the fluxgate current It becomes possible to correct the output from the sensor. As a result, the current to be measured can be detected with high accuracy even under conditions where the ambient temperature of the sensor changes.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1を示す構成図である。電流検出装置101は、フラックスゲート型電流センサ51と、センサ感度演算処理部71とを備える。
FIG. 1 is a configuration
フラックスゲート型電流センサ51は、環状の磁性体コア2と、該磁性体コア2に巻回された励磁巻線3及び検出巻線4と、励磁処理部61と、検出処理部62とを備え、被測定電流線1が磁性体コア2内を貫通した状態で使用される。磁性体コア2は、例えば珪素鋼板、アモルファス磁性体、PCパーマロイのような高透磁率材料で形成される。なお、磁性体コア2は、閉磁路を形成する形状であればよく、円環状に限定されない。
The flux gate type
励磁処理部61は、交流励磁信号を発生する交流励磁電源5と、交流励磁電源5からの出力を増幅する増幅回路6と、励磁巻線3に供給する励磁電流を電圧に変換するための励磁電流−電圧変換回路7とを備える。
The
検出処理部62は、検出巻線4の出力電圧に対し、励磁電流の周波数の2倍の信号成分を抽出するフィルタ回路8と、フィルタ回路8の出力を整流、好ましくは全波整流して、平滑化する整流回路9と、センサ感度記憶回路10と、センサ感度補正回路11を備える。センサ感度記憶回路10は、フラックスゲート型電流センサ51のセンサ感度情報を記憶する機能を有する。センサ感度補正回路11は、センサ感度記憶回路10に予め記憶されたセンサ感度情報に基づいて整流回路9の出力を補正することによって、フラックスゲート型電流センサ51のセンサ感度を補正する機能を有する。
The
センサ感度演算処理部71は、オフセット電源21と、オフセット制御回路22と、同期回路23と、センサ感度演算回路24とを備える。オフセット電源21は、予め定めたオフセット電流を供給する機能を有する。オフセット制御回路22は、交流励磁信号と同期して予め定めたタイミングで、このオフセット電流を交流励磁電源5からの交流励磁信号に対して重畳する機能を有する。
The sensor sensitivity
同期回路23は、整流回路9の出力から、オフセット制御回路22のオフセット電流に同期した信号成分を抽出する機能を有する。センサ感度演算回路24は、同期回路23の出力に基づいてセンサ感度を演算するとともに、得られたセンサ感度を、センサ感度記憶回路10に記憶したセンサ感度に上書きする機能を有する。
The
電流検出装置101は、被測定電流線1の近傍に生じる磁界を非接触で検出可能なフラックスゲート型磁気センサの技術を応用している。フラックスゲート型磁気センサは、ホール素子、磁気抵抗素子(MR素子またはGMR素子)といった磁気センサに比べ、微小磁界を検出することができ、温度依存性も良いことが知られている。フラックスゲート型磁気センサを応用したフラックスゲート型電流センサ51の動作原理について図1〜図4を用いて説明する。
The
まず、被測定電流線1に流れる電流が零の場合を考える。励磁巻線3に三角波形状の励磁電流を通電することにより、図2(a)に示すように、正負対称の励磁磁界31が磁性体コア2に印加される。なお、励磁磁界Hは、式(1)で表すことができる。
First, consider the case where the current flowing through the measured
ただし、N1は励磁巻線3の巻数、Iは励磁電流、rは磁性体コアの平均半径を表す。 Here, N 1 is the number of turns of the excitation winding 3, I is the excitation current, and r is the average radius of the magnetic core.
磁性体コア2は、ある一定以上の磁界に対して磁束密度が増加しない磁気特性(B−H特性)32を有しているため、励磁磁界31に対し、磁性体コア2内の磁束密度が飽和する磁気飽和現象が得られる。一方、磁性体コア2の断面積をS、磁性体コア2の磁束密度をBとすると、磁性体コア2を貫く磁束φはφ=B×Sで表すことができる。検出巻線4は磁性体コア2に巻回している。よってファラデーの電磁誘導則に従って、式(2)で表す出力電圧を得ることができる。
Since the
ただし、N2は検出巻線4の巻数、μは磁性体コア2の透磁率、μ0は真空の透磁率(4π×10−7H/m)、μrは磁性体コア2の比透磁率、Sは磁性体コア2の断面積、fは励磁磁界の周波数、Hは励磁磁界を表す。
Where N 2 is the number of turns of the detection winding 4, μ is the magnetic permeability of the
磁性体コア2の断面積Sは定数であるため、磁性体コア2の磁束密度Bの時間変化33に応じた出力電圧が検出巻線4に得られる。検出巻線4の出力電圧波形34は、図2(a)に示すように、磁性体コア2が磁気飽和している状態では磁束の時間変化は零である。よってその間、検出巻線4の出力電圧は式(2)に従って零となる。磁性体コア2の磁気特性32は、励磁磁界に対し原点対称の特性を示すため、励磁磁界の2倍の周期で零電圧が繰り返されることが特徴である。
Since the cross-sectional area S of the
次に、被測定電流線1に流れる電流が零でない場合を考える。被測定電流線1の近傍にはアンペールの法則に従い、磁界が発生する。尚、発生磁界Hdは式(3)で表すことができる。
Next, let us consider a case where the current flowing through the measured
ただし、Idは被測定電流、rは磁性体コア2の平均半径を表す。
Here, I d represents the current to be measured, and r represents the average radius of the
被測定電流線1に流れる電流が直流電流である場合、該電流によって発生した磁界は、図2(b)に示すように直流のバイアス磁界として励磁磁界に重畳し、磁性体コア2に印加されることになる。そのため、検出巻線4の出力電圧は、磁性体コア2に印加される磁界の極に応じて零電圧の時間間隔が異なり、一方は零電圧の時間間隔が増加し、一方は減少する波形35となる。
When the current flowing through the
この変化は、励磁磁界の2倍の周期で得られる。よって、フィルタ回路8を用いて検出巻線4の出力電圧波形から、励磁磁界の周波数の2倍に相当する成分(第2高調波成分)V2fのみを抽出する。
This change is obtained with a period twice that of the exciting magnetic field. Therefore, only the component (second harmonic component) V 2f corresponding to twice the frequency of the excitation magnetic field is extracted from the output voltage waveform of the detection winding 4 using the
検出巻線4の第2高調波成分の実効値V2fの被測定電流値Idに対する変化は、例えばIdをa(aは任意の値)、2a、3aとした場合、図3(a)に示すような変化を得ることができる。具体的に、被測定電流値Idと検出巻線4の出力電圧の関係を数式にて説明する。図2(b)に示した検出巻線4の出力電圧波形Vc35に対し、フーリエ級数展開を行うと、式(4)が得られる。
The change of the effective value V 2f of the second harmonic component of the detection winding 4 with respect to the measured current value I d is, for example, when I d is a (a is an arbitrary value), 2a, 3a, as shown in FIG. ) Can be obtained. Specifically, the relationship between the measured current value Id and the output voltage of the detection winding 4 will be described using mathematical expressions. When Fourier series expansion is performed on the output
ただし、N2は検出巻線4の巻数、μは磁性体コア2の透磁率、μ0は真空の透磁率(4π×10−7H/m)、μrは磁性体コア2の比透磁率、Sは磁性体コア2の断面積、fは励磁磁界の周波数、Hmは励磁磁界の最大値、Hdは被測定電流による発生磁界、Hsは磁性体コア2の飽和磁界を表す。
Where N 2 is the number of turns of the detection winding 4, μ is the magnetic permeability of the
さらに、式(4)より、第2高調波成分の振幅値を求めると、式(5)が得られる。 Furthermore, when the amplitude value of the second harmonic component is obtained from Expression (4), Expression (5) is obtained.
なお、被測定電流による発生磁界Hdは式(3)に示したとおりであり、式(3)を式(5)に代入することで、式(6)の被測定電流Idに比例した関係式を導くことができる。 Note that the generated magnetic field H d by the current to be measured is as shown in equation (3), by substituting equation (3) into equation (5), proportional to the measured current I d of the formula (6) Relational expressions can be derived.
式(6)より、検出巻線4の出力電圧における第2高調波成分の振幅b2、すなわちV2fは、励磁磁界の周波数f,検出巻線4の巻数N2、励磁磁界の最大値Hm、磁性体コア2の飽和磁界Hs、磁性体コア2の比透磁率μr、磁性体コア2の断面積S等に依存することがわかる。
From equation (6), the amplitude b 2 of the second harmonic component in the output voltage of the detection winding 4, that is, V 2f is the frequency f of the excitation magnetic field, the number of turns N 2 of the detection winding 4, and the maximum value H of the excitation magnetic field. It can be seen that this depends on m 2, the saturation magnetic field H s of the
続いて、整流回路9が検出巻線4の出力を全波整流及び平滑化することによって、図3(b)に示すような電圧Vdを得ることができる。さらに、整流回路9の出力電圧Vdを、センサ感度記憶回路10に予め記憶していたセンサ感度に基づいて、センサ感度補正回路11にてセンサ感度を補正することによって、被測定電流値Idを求めることができる。なお、本明細書において、「センサ感度」は、被測定電流値Idに対する整流回路9の出力電圧Vdの変化を意味する。
Subsequently, the rectifier circuit 9 performs full-wave rectification and smoothing on the output of the detection winding 4, whereby a voltage V d as shown in FIG. 3B can be obtained. Furthermore, the output voltage V d of the rectifier circuit 9 is corrected by the sensor
励磁磁界波形が三角波で、かつ磁性体コアが磁気飽和に至るまで比透磁率μrが一定である場合、式(2)より、検出巻線4の出力電圧Vの振幅値は一定の値を示す。よって被測定電流により変化を受けるのは、零電圧の時間間隔のみである。即ち、被測定電流値Idに比例して零電圧の時間間隔は増減するため、整流回路9の出力電圧Vdの変化は、図4に示すように線形的な特性を得ることができる。また、式(5)、式(6)からも同様なことを数式により説明することができ、この線形性を利用して、被測定電流値Idを求めることができる。 By the excitation magnetic field waveform is a triangular wave, and when the magnetic core is a relative magnetic permeability mu r up to the magnetic saturation constant, from equation (2), the amplitude value of the output voltage V of the detection winding 4 is a constant value Show. Therefore, only the time interval of zero voltage is affected by the current to be measured. That is, since the time interval of the zero voltage increases or decreases in proportion to the measured current value I d , the change in the output voltage V d of the rectifier circuit 9 can obtain a linear characteristic as shown in FIG. Further, the same thing can be explained from the equations (5) and (6), and the measured current value I d can be obtained by using this linearity.
続いて、使用環境温度の変化により磁性体コア2の磁気特性が変化した場合、フラックスゲート型電流センサ51の出力に与える影響について説明する。
Next, the influence on the output of the fluxgate type
図5は、使用環境温度を変化させた場合の、磁性体コアの励磁磁界に対する磁気特性の一例を示すグラフである。真空の透磁率μ0と比透磁率μrの積である透磁率μは、磁束密度Bと磁界の強さHとの比で表される。よって図5中、低温時は高温時と比較して、磁性体コア2の比透磁率μrの値及び、飽和磁束密度の値が増加していることがわかる。被測定電流線1に流れる電流が零である場合、図6(a)に示すように、励磁磁界31に対する磁性体コア2内の磁束密度の変化は、使用環境温度によって異なる。その結果、図7(a)に示すように、使用環境温度によってピーク値が異なる出力電圧が得られる。これは式(2)の磁性体コアの比透磁率μrが使用環境温度によって変化したことが影響している。
FIG. 5 is a graph showing an example of the magnetic characteristics with respect to the excitation magnetic field of the magnetic core when the use environment temperature is changed. The magnetic permeability μ, which is the product of the vacuum magnetic permeability μ 0 and the relative magnetic permeability μ r , is represented by the ratio between the magnetic flux density B and the magnetic field strength H. Thus in Figure 5, low temperature is compared with at high temperatures, the value of the relative permeability mu r of the
被測定電流線1に流れる電流が零でない場合、磁性体コア2内の磁束密度の変化および出力電圧の波形は、図6(b)、図7(b)のようになる。被測定電流に比例して零電圧の時間間隔は増減するため、被測定電流値Idに対する整流回路9の出力電圧Vdの変化は、図8に示すように使用環境温度によって異なる。即ち、センサ感度は使用温度環境によって変化する。図5では、室温時に比べ使用環境温度が上昇すると、比透磁率μrの値は小さくなるため、センサ感度も減少する。使用環境温度の変化に対するセンサ感度の変化率は、式(6)より磁性体コア2の比透磁率μrの変化率によって説明することができる。例えば、磁性体コア2の比透磁率μrの値が10%減少した場合、センサ感度は10%減少する。すなわち、フラックスゲート型電流センサは、使用環境温度によって、センサ出力が変化するといった温度特性を有している。
When the current flowing through the
そこで、本実施形態に係る電流検出装置101では、フラックスゲート型電流センサ51にセンサ感度演算処理部71を設け、フラックスゲート型電流センサ51が温度特性を有する場合においても、使用環境下におけるセンサ感度を逐一演算し、センサ感度を補正している。
Therefore, in the
まず、オフセット電源21及びオフセット制御回路22の役割について説明する。オフセット電源21は、例えば図9(a)に示すように、電流値Ioのオフセット電流36を連続して出力する電源として機能する。オフセット制御回路22は、例えば図9(b)に示すように、周期的にオフセット電流をオン、オフと切り替え、オフセット電流のスイッチング波形37を出力する。続いて、オフセット制御回路22によって得られたスイッチング波形37は交流励磁電源5のオフセット信号として重畳される。具体的には、例えば図10に示すように、交流励磁電流波形38にスイッチング波形37を重畳する。なお、図10では、説明の便宜上、励磁電流の1周期毎にスイッチング波形のオン、オフ状態を同期させている。このように、交流励磁電流波形38にオフセット電流のスイッチング波形37を重畳した電流を、フラックスゲート型電流センサ51の励磁巻線3に供給した場合に生じる現象について、図10に示すタイムシーケンスt1、t2、t3、t4毎に説明する。タイムシーケンスt1、t2、t3、t4それぞれにおけるフィルタ回路8の出力電圧V2f、整流回路9の出力電圧Vdをそれぞれ図11に示す。
First, the roles of the offset
図11に示すように、オフセット電流のスイッチング波形37を重畳した場合、整流回路9の出力電圧Vdもスイッチングされた波形40となっていることがわかる。直流のオフセット成分を励磁信号に重畳することは、すなわち、ある一定の直流磁界を計測していることと等価であることを意味する。
As shown in FIG. 11, when the offset
そこで、整流回路9の出力電圧波形40に対し、同期回路23にてオフセット制御回路22の信号と同期させ、さらにはオフセット電流がオフの場合およびオフセット電流がオンの場合の情報から、センサ感度演算回路24にてセンサ感度を求めることができる。そのため、使用環境温度を変化させた場合においても、励磁電流の2周期毎にセンサ感度を求めることができ、センサ感度記憶回路10に記憶されたセンサ感度に関する情報を励磁電流の2周期毎に上書きすることにより、センサの使用環境温度が変化する状況下においても被測定電流を高精度に検出できる電流検出装置を実現することができる。
Therefore, the
具体的には、使用環境温度の変動によってセンサ出力が変化した場合、センサ感度が、例えば10%変化したことを本発明の構成では検知することができる。ある使用環境温度におけるセンサ感度が室温時に比べて10%低下した場合は、整流回路8の出力電圧に対して100/90を乗算することによって、室温時と同じ整流回路8の出力電圧を得ることができる。
Specifically, when the sensor output changes due to a change in the use environment temperature, the configuration of the present invention can detect that the sensor sensitivity has changed by, for example, 10%. When the sensor sensitivity at a certain ambient temperature is 10% lower than that at room temperature, the output voltage of the
なお、図1では、環状の磁性体コア2に対して、励磁巻線3、検出巻線4を局所的に巻回した場合を例示しているが、励磁巻線3及び/又は検出巻線4を全周に均一巻きにしてもよい。磁性体コア2に関しても、必ず環状の形状である必要もなく、フラックスゲート型電流センサを構成できるのであれば、例えば、三角、四角、多角といった形状でも問題ない。
1 illustrates the case where the excitation winding 3 and the detection winding 4 are locally wound around the annular
環状の磁性体コア2を用いた場合、磁性体コア2からの漏れ磁束は小さくなる。その場合、励磁巻線3と検出巻線4の両端電圧において、トランスが形成されており、励磁巻線3と検出巻線4の巻数が同じ場合、検出巻線4の出力電圧は励磁巻線の入力電圧と等価と考えることもできる。そのため励磁巻線3および検出巻線4は単一巻線として共通化し、検出巻線4の役割を励磁巻線3にて代用することも可能である。
When the annular
第2高調波成分の抽出は、励磁磁界の制御と同期したロックインアンプを用いて実行してもよい。さらに本実施形態において、フィルタ回路8は、アナログ回路で構築したバンドパスフィルタまたはデジタル回路で構築したデジタルフィルタを用いた形態、マイクロコンピュータを用いてフーリエ演算による特定周波数成分のみを抽出する形態、その他、検出巻線4の出力電圧波形から励磁磁界の周期の2倍周期の信号のみを抽出可能な形態などを含む。また、整流回路9、センサ感度記憶回路10、センサ感度補正回路11についても、先に述べたような機能を実現できる構成であれば、アナログ回路に限ることはなく、デジタル回路またはマイコンピュータを用いて構成することが可能である。
The second harmonic component may be extracted using a lock-in amplifier synchronized with the excitation magnetic field control. Further, in the present embodiment, the
また、オフセット電流37は、交流励磁電流の1周期毎にオン、オフ制御を行ったが、オン期間およびオフ期間が各々1周期以上であれば問題なく、例えば、9周期は連続してオフ、1周期のみオンといったような制御を行うことも可能である。この場合、温度特性の補正を行う頻度が2周期に1回の場合と比べて少なくなるが、オフセット電流を交流励磁電流に重畳する頻度も少なくなるため、温度特性の補正に要する消費電力を低減することが可能となり、例えば、使用環境温度の変化が少ない場所では好都合である。 The offset current 37 is controlled to be turned on and off every cycle of the AC excitation current. However, there is no problem if the on period and the off period are each one period or more, for example, nine periods are continuously off, It is also possible to perform control such that only one cycle is on. In this case, the frequency of correcting the temperature characteristic is less than that in the case of once every two cycles, but the frequency of superimposing the offset current on the AC excitation current is also reduced, so the power consumption required for correcting the temperature characteristic is reduced. For example, it is convenient in a place where there is little change in the use environment temperature.
さらに、本実施形態では、説明の便宜上、被測定電線1に電流が流れていない場合について説明したが、フィルタ回路8および整流回路9の出力電圧において、オフセット電流に相当する信号成分量がオフセット制御回路22の設定値などから逆算できるため、仮に被測定電線1に電流が流れている場合でも、上述したようなセンサ感度の補正は正しく動作することは言うまでもない。そのため、オフセット電流は、オン、オフといった非零値と零値という2値の組合せだけでなく、図12に示すように、零以外の異なる2値の組合せでも構わない。この場合、フィルタ回路8の出力電圧V2f、整流回路9の出力電圧Vdはそれぞれ図13に示す波形となり、図11と同様に、センサ感度を算出することが可能である。
Furthermore, in the present embodiment, for the sake of convenience of explanation, the case where no current flows through the measured
また、図14に示すように、磁性体コア2に複数の被測定電流線1を貫通させ、零相電流センサとして使用してもよい。この場合、漏電検出センサとして使用することができる。なお、磁性体コア2に貫通する被測定電流線に関しては、零相状態を形成するものであれば、2本に限らず、3本、4本またはそれ以上でも問題ない。
Further, as shown in FIG. 14, a plurality of
また、図2、図5、図6のグラフにおいて、説明の便宜上、ヒステリシス特性及び原点付近の非線形特性を省略しているが、第2高調波成分の抽出に影響するものではない。また、説明の便宜上、励磁磁界は三角波を用いて説明しているが、励磁磁界が正弦波の場合でも、検出巻線4の出力電圧波形が多少異なるだけであり、同様の効果を得ることができる。これは、以下の記載においても同様である。また、本明細書ではオフセット電流を交流励磁電流に重畳する電流ベースの態様で説明したが、オフセット電圧を交流励磁電圧に重畳する電圧ベースの態様でも同様である。 Further, in the graphs of FIGS. 2, 5, and 6, the hysteresis characteristic and the nonlinear characteristic near the origin are omitted for convenience of explanation, but this does not affect the extraction of the second harmonic component. For convenience of explanation, the excitation magnetic field is described using a triangular wave. However, even when the excitation magnetic field is a sine wave, only the output voltage waveform of the detection winding 4 is slightly different, and the same effect can be obtained. it can. The same applies to the following description. Further, in this specification, the current-based mode in which the offset current is superimposed on the AC excitation current has been described. However, the same applies to the voltage-based mode in which the offset voltage is superimposed on the AC excitation voltage.
また、説明の便宜上、オフセット電流の立上り、立下りのタイミングが交流励磁電流のゼロクロスのタイミングと同期したように図示しているが、両者のタイミングは必ずしも合致させる必要はなく、一定の時間差(位相差)だけシフトしていても構わない。 In addition, for convenience of explanation, the offset current rise and fall timings are shown as synchronized with the zero crossing timing of the AC excitation current, but the timings of the two do not necessarily coincide with each other. It may be shifted by (phase difference).
以上、本実施形態では、交流励磁電流波形にスイッチングされたオフセット電流波形を重畳することによって、整流回路9にて得られた出力電圧波形からセンサ感度を算出することができるため、使用環境温度が変化した場合でもセンサ感度を補正することが可能になる。その結果、安定したセンサ感度で高精度の電流検出が可能になる。 As described above, in this embodiment, the sensor sensitivity can be calculated from the output voltage waveform obtained by the rectifier circuit 9 by superimposing the switched offset current waveform on the AC excitation current waveform. Even if it changes, the sensor sensitivity can be corrected. As a result, highly accurate current detection is possible with stable sensor sensitivity.
さらに、本実施形態の構成は、従来のクローズドループ制御構成及び差動化構成を有しないため、センサの消費電流は増大せず、センサの寸法も増大しないという利点を有する。特に、クローズドループ制御の場合、電流計測範囲が大きいほど、クローズドループ制御に要する電流は大きくなるが、本実施形態の方式であれば、センサが計測できる最小のオフセット電流のみを交流励磁電流に重畳すればよいため、クローズドループ制御に要する電流に比べて消費電流が少なくて済む。これは、以下の実施形態でも同様である。 Furthermore, since the configuration of the present embodiment does not have the conventional closed loop control configuration and differential configuration, the current consumption of the sensor does not increase and the size of the sensor does not increase. In particular, in the case of closed-loop control, the current required for closed-loop control increases as the current measurement range increases, but with the method of this embodiment, only the minimum offset current that can be measured by the sensor is superimposed on the AC excitation current. Therefore, less current is required than the current required for closed-loop control. The same applies to the following embodiments.
実施の形態2.
図15は、本発明の実施の形態2を示す構成図である。電流検出装置102は、フラックスゲート型センサ51と、センサ感度演算処理部72とを備え、全体として実施の形態1に係る電流検出装置101と同様な構成を有するが、センサ感度演算処理部71のセンサ感度演算回路24の代わりに正負感度演算回路25を使用している点で相違する。
FIG. 15 is a block
本実施形態では、交流励磁電流に重畳するオフセット電流37を図16に示すように、正負を含む異なる3値とした。この場合、フィルタ回路8の出力電圧V2f、整流回路9の出力電圧Vdをそれぞれ図17に示す。図11および図13と同様に、図17においてもセンサ感度を算出することは可能である。
In the present embodiment, the offset current 37 superimposed on the AC excitation current is set to three different values including positive and negative as shown in FIG. In this case, the output voltage V 2f of the
さて、フラックスゲート型電流センサは磁性体コア2の磁気特性および交流励磁電流に僅かに重畳する直流電流成分(オフセット電流成分とは異なる)によって、被測定電流が零の場合においても、センサ出力が零とならずセンサ出力にオフセットが生じたり、センサ感度が電流の正負によって異なる場合がある。このような場合、本実施形態は効果を示す。
The flux gate type current sensor has a sensor output that is zero even when the current to be measured is zero, due to the magnetic characteristics of the
具体的には、オフセット制御回路22が正負を含む異なる3値のオフセット電流37を交流励磁電流38に重畳することによって、正負感度演算回路25は正側のセンサ感度と負側のセンサ感度をそれぞれ求めることができる。例えば、同一の値で正負異なるオフセット電流を重畳した場合、正側のセンサ感度と負側のセンサ感度が同じであれば、整流回路9の出力電圧Vdの大きさは一致するはずである。また、整流回路9の出力電圧Vdの大きさが異なれば、正側のセンサ感度と負側のセンサ感度が異なることになり、あるいは被測定電流が零の場合においても、センサ出力が零ではない、すなわちセンサ出力にオフセットが生じていることが明らかになる。正側のセンサ感度と負側のセンサ感度が異なるのか、センサ出力にオフセットが生じているかの切り分けについては、さらに多くの異なる値のオフセット電流を交流励磁電流に重畳することで、明らかにすることができる。
Specifically, the offset
以上、本実施形態では、正負を含む異なる3値、またはそれ以上の多値のオフセット電流を交流励磁電流に重畳することによって、センサ出力におけるオフセットの有無を判定したり、正側のセンサ感度および負側のセンサ感度の両方を演算することができるため、より高精度にセンサ感度を補正することができる。 As described above, in the present embodiment, the presence or absence of an offset in the sensor output is determined by superimposing different three-value offset currents including positive and negative values, or more, on the AC excitation current, and the positive-side sensor sensitivity and Since both negative sensor sensitivities can be calculated, the sensor sensitivity can be corrected with higher accuracy.
実施の形態3.
図18は、本発明の実施の形態3を示す構成図である。電流検出装置103は、フラックスゲート型センサ51と、センサ感度演算処理部73とを備え、全体として実施の形態1に係る電流検出装置101と同様な構成を有するが、センサ感度演算処理部71のオフセット電源21にテストスイッチ26を設けている点、さらに2本の被測定電流線1が磁性体コア2を貫通している点で相違する。テストスイッチ26を手動で起動すると、オフセット制御回路22は、交流励磁電源5からの交流励磁信号に、上述のようなオフセット信号を強制的に重畳することが可能である。
FIG. 18 is a block
例えば、電路の漏電を検出して電路を遮断するといった漏電遮断器においては、電路に据え付け後、遮断動作および漏電センサが正しく動作するかテストするためのテストボタンを設けられている場合がある。従来のこのようなテストを行う場合、遮断器本体に設けられたテストボタンを押すことによって、漏電センサの磁性体コアに貫通もしくは巻回された3次巻線に対し、漏電を模擬したテスト電流を実際に通電するといった動作が行われる。この場合、漏電センサに別途、テスト電流を通電するための3次巻線が必要となり、装置組立て作業の煩雑化、製造コストの増加が問題になる。 For example, an earth leakage circuit breaker that detects an electric leakage in an electric circuit and interrupts the electric circuit may be provided with a test button for testing whether the interruption operation and the electric leakage sensor operate correctly after being installed in the electric circuit. When performing such a conventional test, a test current simulating a leakage is applied to the tertiary winding that is passed through or wound around the magnetic core of the leakage sensor by pressing a test button provided on the breaker body. Is actually energized. In this case, a tertiary winding for supplying a test current to the earth leakage sensor is required separately, which complicates apparatus assembly work and increases manufacturing costs.
本実施形態では、そのような状況を鑑みて、使用者がテストスイッチ26を押した場合に、実施の形態1で示したように、オフセット電流37を交流励磁電流38に強制的に重畳できるように構成している。オフセット電流を重畳した場合、フラックスゲート型電流センサ51が直流磁界を計測しているのと同じ状態となる。つまり、交流励磁電流に重畳したオフセット電流にて、上記の漏電を模擬したテスト電流を代用することができるため、従来のような3次巻線を使用することなく、テスト動作を実施することができる。
In the present embodiment, in view of such a situation, when the user presses the
以上、本実施形態では、テストスイッチが押された際にオフセット電流を交流励磁電流に重畳する機能を設けることによって、フラックスゲート型電流センサ51が正しく動作しているか否かを検出することができる。
As described above, in this embodiment, it is possible to detect whether or not the flux gate type
1 被測定電流線、 2 磁性体コア、 3 励磁巻線、 4 検出巻線、
5 交流励磁電源、 6 増幅回路、 7 励磁電流−電圧変換回路、
8 フィルタ回路、 9 整流回路、 10 センサ感度記憶回路、
11 センサ感度補正回路、 21 オフセット電源、 22 オフセット制御回路、
23 同期回路、 24 センサ感度演算回路、 25 正負感度演算回路、
26 テストスイッチ、 31 励磁磁界、 32 磁気特性、
33 磁束時間変化、 34,35 出力電圧波形、 36 オフセット電流、
37 オフセット電流のスイッチング波形、 38 交流励磁電流波形、
40 出力電圧波形、 51 フラックスゲート型電流センサ、 61 励磁処理部、
62 検出処理部、 71,72,73 センサ感度演算処理部、
101,102,103 電流検出装置。
1 current wire to be measured, 2 magnetic core, 3 excitation winding, 4 detection winding,
5 AC
8 Filter circuit, 9 Rectifier circuit, 10 Sensor sensitivity memory circuit,
11 Sensor sensitivity correction circuit, 21 Offset power supply, 22 Offset control circuit,
23 synchronization circuit, 24 sensor sensitivity calculation circuit, 25 positive / negative sensitivity calculation circuit,
26 test switch, 31 exciting magnetic field, 32 magnetic characteristics,
33 Magnetic flux time change, 34, 35 Output voltage waveform, 36 Offset current,
37 Offset current switching waveform, 38 AC excitation current waveform,
40 output voltage waveform, 51 fluxgate type current sensor, 61 excitation processing unit,
62 detection processing unit, 71, 72, 73 sensor sensitivity calculation processing unit,
101, 102, 103 Current detection device.
Claims (8)
励磁巻線に交流励磁信号を通電して励磁磁界を発生させる励磁処理部と、
検出巻線の出力電圧波形から励磁磁界の第2高調波成分のみを抽出して信号処理を行う検出処理部と、
交流励磁信号と同期して予め定めたタイミングで、オフセット信号を交流励磁信号に重畳するオフセット制御部と、を備え、
オフセット制御部は、少なくとも2つ以上異なる値を持つオフセット信号を、励磁磁界の1周期以上の期間、交流励磁信号に重畳することを特徴とする電流検出装置。 A magnetic core that forms a closed magnetic path; an excitation winding wound around the magnetic core; and a detection winding wound around the magnetic core, and the current wire to be measured passes through the magnetic core. A fluxgate current sensor,
An excitation processing unit for generating an excitation magnetic field by energizing an AC excitation signal to the excitation winding;
A detection processing unit that performs signal processing by extracting only the second harmonic component of the excitation magnetic field from the output voltage waveform of the detection winding;
At a timing predetermined in synchronization with the AC excitation signal, comprising an offset control unit that superimposes an offset signal to the AC excitation signal, and
The offset control unit superimposes an offset signal having at least two different values on an AC excitation signal for a period of one cycle or more of the excitation magnetic field .
オフセット信号を重畳した際に得られる出力信号波形に基づいて、フラックスゲート型電流センサのセンサ感度を演算するセンサ感度演算部と、をさらに備えることを特徴とする請求項1または2記載の電流検出装置。 A synchronization processing unit that synchronizes the output signal waveform from the detection processing unit and the offset signal waveform;
Based on the output signal waveform obtained when superimposing the offset signal, fluxgate sensor sensitivity calculating unit for calculating the sensor sensitivity of the current sensor, and further comprising a claim 1 or 2, wherein the current detection apparatus.
励磁巻線に交流励磁信号を通電して励磁磁界を発生させる励磁処理部と、
検出巻線の出力電圧波形から励磁磁界の第2高調波成分のみを抽出して信号処理を行う検出処理部と、
交流励磁信号に対して予め定めたタイミングでオフセット信号を重畳するオフセット制御部と、を備え、
オフセット制御部は、少なくとも3つ以上異なる正負を含む値を持つオフセット信号を励磁磁界の1周期以上の期間、交流励磁信号にそれぞれ重畳し、
電流検出装置は、検出処理部からの出力信号波形とオフセット信号波形とを同期させる同期処理部と、
オフセット信号を重畳した際に得られる出力信号波形に基づいて、正および負の電流に対するフラックスゲート型電流センサの正側および負側のセンサ感度をそれぞれ演算する正負センサ感度演算部と、をさらに備えることを特徴とする電流検出装置。 A magnetic core that forms a closed magnetic path; an excitation winding wound around the magnetic core; and a detection winding wound around the magnetic core, and the current wire to be measured passes through the magnetic core. A fluxgate current sensor,
An excitation processing unit for generating an excitation magnetic field by energizing an AC excitation signal to the excitation winding;
A detection processing unit that performs signal processing by extracting only the second harmonic component of the excitation magnetic field from the output voltage waveform of the detection winding;
An offset control unit that superimposes an offset signal at a predetermined timing with respect to the AC excitation signal,
The offset controller superimposes an offset signal having a value including at least three different positive and negative values on the AC excitation signal for a period of one or more periods of the excitation magnetic field,
The current detection device includes a synchronization processing unit that synchronizes the output signal waveform from the detection processing unit and the offset signal waveform,
And a positive / negative sensor sensitivity calculation unit for calculating the positive and negative sensor sensitivities of the fluxgate type current sensor for positive and negative currents based on the output signal waveform obtained when the offset signal is superimposed. It is that current detection device, characterized in that.
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