罗氏线圈原理

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罗氏线圈原理

2024-02-18 10:56| 来源: 网络整理| 查看: 265

Rogowski线圈以德国物理学家Walter Rogowski的名字命名罗柯夫斯基线圈、又称罗氏线圈或空心线圈。是一种用于测量交流电(AC)(例如高速瞬变)的电气设备。脉冲电流或工频正弦电流。

最简单的形式是Rogowski线圈,是在恒定横截面积A的非磁性线圈架上每米均匀缠绕N匝的线圈。绕组线沿着线圈架的中心轴返回到起点,并且两端通常连接到电缆。线圈的自由端通常以允许其拔出的方式插入与电缆连接相邻的插座中,从而使线圈能够绕着承载有待测量电流的导体成环。

工作原理

罗氏线圈是一种空心环形的线圈,有柔性罗氏线圈和刚性罗氏线圈两种,与之常搭配使用的还有罗氏线圈积分器,可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流。其设计基本原理如图:

Rogowski线圈是放置在导体周围的“空芯”环形线圈。由电流产生的交变磁场在线圈中感应出一个电压,该电压与电流的变化率成比例。

线圈的直接输出由Vout = M dI / dt给出,其中M是 线圈的互感和dI / dt是电流的变化率。为了完成换能器的工作,对电压进行电子积分,以使积分器的输出为能精确再现电流波形的电压。

线圈的组合和一个积分器 提供了一个极其丰富多样的电流测量系统,该系统可以被设计成容纳一个广阔范围内的频率,电流水平和导体尺寸。输出与频率无关。它具有准确的相位响应,可以测量复杂的电流波形和瞬变。

导体中的交流电或脉冲电流会产生磁场,该磁场与磁场局部的Rogowski线圈的相互作用会在线圈内产生感应电压,该感应电压与被测电流的变化率成比例。假设线圈构成不间断的闭环,则可以证明,根据关系E = H.dI / dt,线圈中感应的电压E与环流I的变化率成比例,其中H,线圈灵敏度(Vs / A)与NA成正比。

运作方式-Rogowski为了获得与I成比例的输出电压V OUT,必须对线圈电压E进行积分;因此,电子积分器用于提供向下延伸至1Hz以下的带宽。

最简单形式的运算放大器积分器具有输入电阻R sh和反馈电容器C,其输出V out =(1 / CR)∫Ett。因此,总的传感器增益由Vout = R sh I给出,其中R sh = H / CR是传感器灵敏度(V / A)。

与I成正比的关系V out在整个传感器带宽内都是有效的。带宽定义为从f L到f H的频率范围,在该范围内可以测量正弦电流至指定灵敏度R sh的3dB之内。

低频时,积分器增益增加,理论上,随着频率接近零,积分器增益将变为无限大。这将导致不可接受的直流漂移和低频噪声。因此,积分器增益必须在低频下受到限制。通过将低通滤波器与积分电容器并联来实现此限制。低通滤波器设置低频带宽f L,通常小于1Hz。

罗戈夫斯基频率响应

此外,由于Rogowski线圈的分布电感和电容,存在一个高频带宽f H(通常为1MHz或更大),在该带宽之上,测量衰减,并且出现明显的相位延迟。电子积分器的带宽以及将积分器连接到线圈的电缆长度也会影响此限制。

罗氏线圈优势

与其他电流测量方法相比,使用Rogowski线圈测量AC或快速瞬态电流具有许多优势:      

可折叠式Rogowski线圈传感器易于改装,轻巧,轻巧,坚固耐用    

线圈尺寸不取决于待测电流的大小

线圈足够小,可以放在TO-220半导体的支腿之间;

20m的线圈适合风轮机。

非侵入式(仅相当于被测电路的几个pH)

具有可预测频率响应的宽带设备,非常适合电能质量测量或监视复杂波形。

本质安全-无二次回路开路的危险。

电隔离

出色的线性度(Rogowski线圈没有磁性材料会饱和)

能够承受巨大的过载电流而不会造成损坏

不受直流电流的影响-因此,它可以在存在较大直流分量的情况下测量较小的交流电流

其他相关线性:

Rogowski线圈测量系统最重要的特性之一就是它固有的线性。线圈不包含可饱和组件,并且输出与电流成比例线性增加,直至达到电压击穿确定的工作极限。积分器也固有地线性,直到电子器件饱和。线性度使Rogowski线圈易于校准,因为可以在任何方便的电流水平下对换能器进行校准,并且校准对于所有电流(包括非常大的电流)都是准确的。而且,由于其线性,换能器具有非常宽的动态范围和出色的瞬态响应。

线圈绕组:

对于Rogowski线圈,重要的是要确保绕组尽可能均匀。不均匀的绕组使线圈易于受到来自相邻导体或其他磁场源的磁吸的影响。我们已经开发出用于制造精确绕组的专用机器。线圈有多种样式,包括刚性和柔性线圈,但我们还开发了其他几种变型以满足特定需求。 输出指示:

积分器的输出可用于输入阻抗大于5kohm的任何形式的电子指示设备,例如电压表,示波器,瞬态记录仪或保护系统。

分离线圈:

某些设计的线圈可以安装在导体上,而无需断开导体。大多数挠性线圈都可以通过这种方式进行安装,也可以制造分体式刚性线圈。如果两半的对中误差很小,则铁心分体式设备(例如电流互感器)会遭受明显的幅度和相位误差。Rogowski线圈不存在此问题。分开的Rogowski线圈的连接面未对准对幅度的影响很小,对相位没有影响。



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