KR101329240B1

KR101329240B1 - 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기

Info

Publication number: KR101329240B1
Application number: KR1020120122450A
Authority: KR
Inventors: 이상철
Original assignee: 이상철
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2013-11-20
Also published as: JP2015533424A; WO2014069841A1; US20150331015A1; CN104871015A

Abstract

본 발명은 피측정 전류가 흐르는 도선 주위의 전자기장을 검출하여 피측정 전류를 계측하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기에 관한 것으로서, 두개의 코어를 서로 반대 극성으로 자화하기 위한 발진 신호를 인가하여 발진 신호의 변화로 직류 성분을 검출하되, 하나의 코어에 권선한 코일의 인덕턴스를 그대로 이용하여 LC발진회로를 구성하고 LC발진한 신호를 다른 하나의 코어에 권선한 코일에 인가하여 직류 성분을 검출하고, 또다른 코어를 이용하여 교류 성분을 검출하며, 검출한 직류 및 교류 성분에 상응하는 보상전류를 피측정 전류에 의한 자속을 상쇄하는 조건으로 수렴시켜 수렴한 상태에서 보상전류의 측정으로 피측정 전류를 계측하고, LC발진하는 코어가 피측정 전류에 의해 포화되는 상황이 발생하더라도 자동적으로 탈자시켜 정상적으로 전류를 계측하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기에 관한 것이다.

Description

플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기{NON-CONTACT CURRENT MEASURING APPARATUS USING FLUX GATE}

도선에 흐르는 전류를 측정하는 방법으로는, 전류 계측기를 그 도선에 전기적으로 직접 연결하여 측정하는 직접측정방법과 그 도선의 전류에 의해 주변에 발생하는 전자기장을 전류 계측기로 검출하여 도선의 전류를 측정하는 간접측정방법이 있다.

여기서, 직접측정방법은 계측기를 연결하기에 번거롭고 어려우며 회로적으로 분리할 수도 없는 등의 제약조건이 뒤따라서, 최근에는 이러한 직접측정방법의 제약조건을 탈피하기 위한 간접측정방법이 대두되고 있다.

간접측정방법은 대표적인 예로서 플럭스 게이트(Flux Gate) 방식을 이용하는 방법이 있다. 이러한 플럭스 게이트(Flux Gate) 방식을 이용한 전류 측정방법에 따르면 두개의 코어에 교류 자화 방향이 서로 반대가 되도록 교류전류를 인가하고, 두개의 코어에 각각 권선한 코일에 발생하는 기전력 변화를 감지하여 도선에 흐르는 전류에 의한 직류 자속(Magnetic Flux)를 검출한다. 그리고, 도선의 전류에 의한 교류 자속은 별도의 코일을 이용하여 검출하고, 이와 같이 검출한 직류 자속 및 교류 자속에 대응되는 전류를 인가하여 도선에 흐르는 전류에 의한 전자기장을 상쇄하게 구성함으로써, 인가한 전류의 검출로 도선에 흐르는 전류를 측정한다.

이와 같이 플럭스 게이트(Flux Gate) 방식으로 전류를 계측하는 종래기술들로서, 등록실용신안 제20-0283971호, 공개특허 제10-2010-0001504호, 공개특허 제10-2004-0001535호 등이 있었다. 상기 종래기술들에 따르면, 구형파 또는 정현파로 발진한 전류를 인가하여 서로 반대되는 방향으로 두개의 코어를 자화시킨 상태에서 도선의 피측정 전류로 인한 전자기장의 영향에 의해 두개의 코어에 발생하는 왜곡을 전압 신호로 감지하여 직류 성분을 검출하고, 교류 성분은 별도의 코어 또는 별도의 회로구성으로 검출한다. 그리고, 검출한 성분에 상응하는 보상 전류로 자속을 가하여 피측정 전류에 의한 자속을 상쇄하도록 보상 전류를 수렴시키고, 그 수렴한 보상 전류를 측정하여 피측정 전류를 계측하였다.

하지만, 상기한 종래기술들에 따른 플럭스 게이트 방식의 전류 계측기는, 사인파 또는 구형파의 발진신호를 생성하는 구성을 코어에 권선한 코일과는 별도로 마련하여 그 구성에 의한 발진신호를 양 코어의 권선 코일에 동시 인가하였다. 이에 따라, 코어의 자성 특성에 따라 시정수가 달라지게 되고, 결국, 코어의 자성 특성을 반영하지 아니한 고정된 주파수의 발진신호를 인가함에 따라 코어를 불완전하게 자화시켜 전류 계측의 정확도를 저하시키는 요인으로 나타나게 되었다. 이러한 요인을 제거하기 위해서는, 코어의 자성 특성에 맞는 발진신호를 생성하여야 하지만, 전류 계측기의 제작상 코어의 오차율 편차가 심하므로 발진신호를 생성하는 회로요소를 코어에 맞추기란 매우 어렵고, 생산하는 계측기마다 일일이 맞추는 것도 매우 번거로워서 생산성의 저하 및 성능 저하라는 문제점을 갖게 되었다.

더욱이, 상기한 종래기술들은 양측 코어를 반대 극성이 나타나도록 코일을 직렬(발진신호의 입력을 위해 연결하는 접속점에서 보면 병렬)로 연결한 후에 발진신호를 양 코일의 직렬 접속점에 인가하여 양측 코어를 서로 반대방향으로 자화시키고 있어서, 양측 코어에 약간의 자화 오차가 발생하더라도 계측 성능에는 큰 편차로 나타나는 문제점이 있었다.

한편, 상기한 종래기술들에서 발진신호로 자화하려는 양측 코어가 도선에 흐르는 피측정 전류에 의해서도 자화되므로, 피측정 전류가 크면 계측 초기에 코어가 포화되어 발진신호의 주파수보다 매우 큰 고주파로 발진하므로, 플럭스 게이트 방식을 이용한 직류 성분의 검출이 불가능하게 되는 문제점도 있었다.

KR 20-0283971 Y1 2002.07.19. KR 10-2010-0001504 A 2010.01.06. KR 10-2004-0001535 A 2004.01.07.

따라서, 본 발명의 목적은 플럭스 게이트(Flux Gate) 방식으로 전류를 계측하기 위한 발진 회로를 코어의 코일과는 별도로 구성하는 것이 아니라 코어의 코일을 발진 회로의 일 구성요소로 한 자체 발진으로 코어의 자화 특성을 반영한 발진이 이루어지게 하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 발진신호에 따른 전류를 양측 코어에 인가하여 반대 극성으로 자화시킴에 있어서, 양측에 인가하는 전류 간에 상호 전기적 연결에 의한 영향을 최소화시켜 계측 정밀도를 향상시킨 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 발진신호로 자화시키려는 코어가 피측정 전류에 의해 포화되는 상황이 발생하더라도 자동적으로 탈자시켜 정상적으로 전류를 계측하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 제1 코일(W1)을 권선한 제1 코어(M1), 제2 코일(W2)를 권선한 제2 코어(M2), 및 제3 코일(W3)를 권선한 제3 코어(M3)을 피측정 전류가 흐르는 도선(W0)에 관통되게 하고, 제4 코일(W4)를 제1,2,3 코어(M1, M2, M3)에 동시에 권선되게 하며, 반대 극성으로 발진시키는 제1,2 코일(W1, W2)의 전류와 제3 코일(W3)에 유도되는 전류에 근거하여 제4 코일(W4)에 보상전류를 인가하게 구성되어서, 보상전류의 측정으로 피측정 전류를 측정하는 비접촉 전류 계측기에 있어서,

상기 제1 코일(W1)에 커패시터(C1)를 연결하여 상기 제1 코일(W1)의 인덕턴스와 상기 커패시터(C1)의 커패시턴스에 의해 LC발진하게 하여 전류를 상기 제1 코일(W1)에 인가하고, 상기 제1 코일(W1)에 인가되는 전류의 전압 극성을 반전시킨 전류를 상기 제2 코일(W2)에 인가하여서, 전류 인가에 의한 제1 코어(M1)와 제2 코어(M2)의 자화가 서로 반대 극성으로 되게 하는 발진부(10); 상기 제1 코일(W1) 및 제2 코일(W2)의 합산 전압신호와, 상기 제3 코일(W3)에 유도되는 전압신호에 대응되는 보상전류를 상기 제4 코일(W4)에 인가하는 보상전류생성부(20); 상기 제4 코일(W4)에 흐르는 보상전류를 측정하여 피측정 전류를 획득하는 검출부(40); 를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 발진부(10)는, 상기 제1 코일(W1)에 인가되는 전류의 전압신호를 높은 입력 저항 특성을 갖는 연산증폭기(A2)로 반전 증폭하여 얻는 전류로 상기 제2 코일(W2)에 인가하여, 상기 제2 코일(W2)에 인가되는 전류에 의해 제1 코일(W1)에 인가되는 전류가 왜곡되지 아니하게 함을 특징으로 한다.

상기 제1 코어(M1)의 포화에 따른 고주파 발진으로 인해 발생하는 상기 커패시터(C1)의 전압으로 턴온(TURN-ON)하고, 턴온 상태에서 보상전류를 증폭시켜 상기 제1 코어(M1)를 탈자(脫磁)시키는 포화복귀부(30); 를 더욱 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 포화복귀부(30)는, 상기 커패시터(C1)의 전압 신호를 평활회로 및 다이오드(D1)에 순차적으로 통과시켜 양극(+) 신호에 의해 턴온되게 함을 특징으로 한다.

상기 보상전류생성부(20)의 증폭은, 반전(-) 입력단에 상기 제1 코일(W1) 및 제2 코일(W2)의 합산 전압을 인가하고, 비반전(+) 입력단에 상기 제3 코일(W3)에 유도되는 전압을 인가하며, 출력단을 반전(-) 입력단에 귀환시킨 연산증폭기(A4)로 이루어지는 한편, 상기 포화복귀부(30)는, 상기 연산증폭기(A4)의 귀환회로 양단에 연결되어 상기 연산증폭기(A4)의 출력단 전압을 반전 증폭하여 상기 연산증폭기(A4)의 반전(-) 입력단에 인가함을 특징으로 한다.

상기 포화복귀부(30)는, 상기 커패시터(C1)의 양극(+)신호에 의해 턴온되게 하는 상기 평활회로 및 다이오드(D1); 보상전류에 대응되는 전압신호를 반전 증폭하는 연산증폭기(A5); 및 상기 다이오드(D1)를 통과하는 양극(+) 신호에 의해 턴온되어 상기 연산증폭기(A5)의 증폭 신호를 더욱 증폭시키는 트랜지스터(T1); 를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 제1,2,3 코어(M1, M2, M3)는, 각각 분리 및 결합이 가능한 컷코어(cut core)로 구성되되, 결합면을 서로 맞물려 끼워지는 요철로 형성함을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은, 플럭스 게이트 방식으로 전류를 계측하기 위해 발진회로를 구성함에 있어서, 코어에 권선한 코일에 커패시터를 연결하여 자체 발진하므로, 복잡한 발진회로를 별도로 마련할 필요 없이 회로를 간소화할 수 있고, 투자율과 같은 코어의 특성이 반영된 발진신호로 자화시키므로 완전한 자화 상태에서 직류 성분을 정밀하게 검출하여 계측성능을 높인다.

또한, 본 발명은 반대극성으로 자화시키는 두개의 코어 중에 어느 한쪽에 발진한 신호를 이용하여 다른 쪽 코어를 발진하므로, 일 실시예에서 보여준 연산증폭기와 같은 회로구성요소를 이용하여 양측 코어 간의 영향을 최소화할 수 있으며, 이에 따라, 직류 성분을 정밀하게 검출하여 도선의 전류를 정확하게 계측할 수 있다.

또한, 본 발명은 역자화를 위한 보상전류를 흘려주기 전의 계측 초기에 도선의 전류로 인해 코어가 포화되더라도 코어의 포화에 따른 고주파 발진신호를 감지하여 탈자를 위한 보상전류를 흐르게 하므로, 포화를 자동적으로 해소하여 정상적으로 계측 동작하고, 이에 따라, 상용 제품으로 사용할 시에 포화에 의한 오작동도 없고, 포화를 해소하기 위한 별도의 조작도 필요 없어 사용하기에 매우 편리하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기에서, 코일을 권선한 코어들의 개략 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기의 전기 회로도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기에서, 코어를 여자시키기 위해 인가한 전류의 전압 파형 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성 또는 작용에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성 또는 작용을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기를 설명하기 위한 도면들로서, 도 1은 개략 구성도이고, 도 2는 코일을 권선한 코어들의 개략 사시도이고, 도 3은 전기 회로도이고, 도 4는 제1,2 코어(M1, M2)를 여자시키기 위해 인가한 전류의 전압 파형 그래프이다.

본 발명의 실시예에 따른 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기는, 피측정 전류가 흐르는 도선(W0)을 각각 주회하게(내부 중공을 관통하게 하여 도선의 둘레를 에워싸게) 한 3개의 코어(M1, M2, M3), 각각의 코어에 권선한 코일(W1, W2, W3), 3개의 코어(M1, M2, M3)에 동시에 권선한 코일(W4), 3개의 코일 중에 2개의 코일(W1, W2)에 서로 반대되는 극성을 갖는 발진 전류를 인가하여 그 코일을 권선한 코어(M1, M2)을 서로 반대되는 방향의 자속으로 여자(勵磁)하는 발진부(10), 인가한 발진 전류와 3개의 코일 중에 나머지 한 개의 코일(W3)에 유도되는 전류에 대응되는 보상전류를 생성하는 보상전류생성부(20), 코어가 자기포화할 시에 이를 감지하여 탈자(脫磁)시키는 포화복귀부(30), 및 상기 보상전류를 3개의 코어에 동시에 권선한 코일(W4)에 인가하여 그 보상전류에 의한 전압을 측정함으로써 피측정 전류를 획득하는 검출부(40)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기한 서로 반대되는 극성이란 의미는 180°위상차를 갖는다는 것이다.

상기한 3개의 코어(M1, M2, M3)에 권선한 코일(W1, W2, W3)은, 상기 발진부(10)에 의해 발진한 교류 전류가 인가되는 제1 코일(W1), 상기 제1 코일(W1)에 인가되는 전류와 반대 극성을 갖는 전류가 상기 발진부(10)에 의해 인가되는 제2 코일(W2), 후술하는 바와 같이 피측정 전류의 교류 성분에 의한 자속에 의해 유도되는 교류 전류를 검출하기 위한 제3 코일(W3)로 이루어진다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1,2,3 코어(M1, M2, M3)는 각각 컷코어(cut core)로 구성되어서, 각각 분리 및 결합이 가능하여 분리한 상태에서 상기 도선(W0)을 넣은 후에 결합하여서 상기 도선(W0)이 내부를 관통하게 할 수 있으며, 이러한 구조는 클램프 타입의 전류 계측기에 사용된다.

하지만, 분리 및 결합되는 접촉면에서 자속 저항이 커질 수 있다. 이에 본 발명의 실시예에서는, 각각의 코어를 분리 및 결합 가능하게 형성하되 서로 맞물려 끼워지는 요철(Mc)을 결합면에 형성하여서, 결합시에 요철(Mc)의 끼움결합으로 자속 저항을 크게 낮춘다. 여기서, 요철(Mc)은, 서로 접촉되는 양측 결합면에서 일측 결합면에 요홈을 형성하고 타측 결합면에 돌기를 형성하는 방식으로 형성될 수 있으며, 상기 도 2에 도시된 바와 같이 다수의 요철로 형성하여 접촉면적을 넓게 하는 것이 바람직하다. 물론, 상기 요철(Mc)은 서로 끼움결합할 때에 접촉면이 밀착되도록 꼭 맞게 형성되는 것이 좋다.

본 발명의 구체적인 실시예에서 상기 요철(Mc)은 외측면에서 시작하여 내측면까지 절개하는 형태로 이루어지고, 외측에서 내측을 향해 바라본 형상은 구형파(矩形波)처럼 보이지만, 이러한 형상에 한정할 필요는 없으며, 예를 들면 톱니형태로도 가능하다. 물론, 컷코어 형태의 제1,2,3 코어(M1, M2, M3)는 각각 요철(Mc)을 끼움결합한 상태에서 폐곡을 이루어서 상기 도선(W0)을 주회하는 형태로 된다.

상기 제1,2,3 코어(M1, M2, M3)는 투자율이 매우 높고 주파수 응답특성 및 온도특성이 매우 우수한 나노크리스탈 자성체로 구성하여서, 고정밀도 및 고선형성의 우수한 성능으로 전류를 계측하게 함이 바람직하다. 나노크리스탈은, 고주파 특성이 우수하여서 후술하는 바와 같이 일정한 주파수로 발진한 전류를 인가할 때에 발진 주파수를 안정적으로 유지할 수 있으며, 투자율도 매우 높아서 정밀한 계측이 가능한 장점을 갖는다.

상기한 3개의 코어(M1, M2, M3)에 동시에 권선한 코일(W4)은, 상기 제1,2,3 코일(W1, W2, W3)과 구분하기 위해서 제4 코일(W4)로 명명하여 설명한다.

그리고, 상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1,2,3,4 코일(W1, W2, W3, W4)의 권선 방향은 동일하게 하였고, 이러한 권선 방향은 상기 도 3의 전기 회로도에도 코일을 도시할 때에 '●'으로 표시하였다.

상기한 3개의 코어(M1, M2, M3)는, 상기 제1 코일(W1)을 권선한 제1 코어(M1), 상기 제2 코일(W2)을 권선한 제2 코어(M2), 상기 제3 코일(W3)을 권선한 제3 코어(M3)로 이루어지고, 서로 나란하게 배열되어 적층되는 형태로 구성되며, 피측정 전류가 흐르는 상기 도선(W0)이 순차적으로 관통하게 한다.

이에 따라, 상기 제1 코일(W1)에 인가되는 전류에 의한 자속에 의해 상기 제1 코어(M1)가 여자되고, 상기 제2 코일(W2)에 인가되는 전류에 의한 자속에 의해 상기 제2 코어(M2)가 여자되는 데, 이때, 양측 전류가 상호 반대 극성을 가지므로 여자에 의한 자력선의 방향이 서로 반대가 된다. 이러한 상기 제1 코어(M1) 및 제2 코어(M1)는 보상전류 생성부(20)에 대해 후술하는 바와 같이 상기 도선(W0)에 흐르는 전류의 직류 성분에 의한 DC 자속 성분을 검출할 수 있게 하는 코어이다.

상기 제3 코어(M3)는 상기 도선(W0)에 흐르는 전류의 교류 성분에 의한 AC 자속 성분을 검출하기 위한 코어로서, AC 자속 성분에 대응되는 전류가 상기 제3 코일(W3)에 유도된다.

이와 같이 상기 도선(W0)에 흐르는 피측정 전류에 의한 AC 자속 성분 및 DC 자속 성분에 대응되는 보상전류는 후술하는 보상전류 생성부(20)에 의해 제4 코일(W4)에 인가된다.

상기 제4 코일(W4)은 상기 제1,2,3 코어(M1, M2, M3)를 한 묶음으로 하여 권선되며, 상기한 보상전류가 흐름에 따라 보상전류에 의한 자속이 상기 도선(W0)에 흐르는 피측정 전류에 의한 자속을 상쇄하여서, 총자속이 '0'이 되게 한다. 본 발명에 따르면, 상기한 보상전류는 피측정 전류를 계측하기 시작하는 시점에서 총자속이 '0'이 되게 하는 전류로 수렴하도록 회로구성된다.

이에 따라, 수렴한 상태에서 보상전류를 측정하여 피측정 전류를 검출할 수 있는 것이며, 이를 위한 상기 발진부(10), 보상전류생성부(20), 포화복귀부(30) 및 검출부(40)에 대해서 상세하게 설명한다.

상기 발진부(10)는, 상기 제1,2 코일(W1, W2)에 일정한 주파수의 전류를 인가하되 상기 제1 코일(W1)에 인가되는 전류와 제2 코일(W2)에 인가되는 전류가 서로 반대 극성(즉, 180° 위상차를 갖는 극성)을 갖게 하여 제1 코어(M1)와 제2 코어(M2)에 의한 자속이 서로 상쇄되게 하며, 이러한 일정한 주파수의 전류를 인가하기 위해 LC발진회로를 구성함에 있어서, 상기 제1 코일(W1)에 연결되는 커패시터(C1)를 구비하여 상기 제1 코일(W1)의 인덕턴스(inductance)와 상기 커패시터(C1)의 커패시턴스(capacitance)에 의해 LC발진하게 한다.

즉, 본 발명에 따르면, 종래기술에서 제시한 독립된 발진회로를 상기 발진부(10)에 회로구성하는 것이 아니라, 상기 제1 코어(M1)에 권선한 제1 코일(W1)을 인덕터(inductor)로 하고 그 인덕터와 연결할 커패시터(C1)를 구비하여서 상기 제1 코일(W1)의 인덕터(inductor)와 상기 커패시터(C1)에 의해 LC발진하게 한다.

이에 따라, 발진회로의 구성을 간소화할 뿐만 아니라, 제1 코어(M1)를 불완전하게 자화할 우려도 없어서 DC 자속 성분을 정확하게 검출할 수 있다. 부연 설명하면, 고정된 주파수의 전류를 인가하는 발진기를 독립적으로 구성하여 그 발진기에 의한 전류를 상기 제1 코일(W1)에 인가하면 상기 제1 코어(M1)의 자화특성(즉, 투자율 및 제1 코일의 영향에 의해 달라지는 시정수)을 반영하지 못하게 될 수 있으므로, 결국, DC 자속 성분을 정확하게 검출할 정도로 상기 제1 코어(M1)를 완전하게 자화시킬 수 없게 되는 것이다. 반면에, 본 발명에 따르면, 상기 제1 코어(M1)에 권선한 제1 코일(W1)에 나타나는 인덕턴스를 반영한 시정수(時定數, time constance)에 따라 발진하므로 상기 제1 코어(M1)를 완전히 자화시켜 DC 자속 성분을 정확하게 검출할 수 있다. 이는, 상기 발진부(10)를 구성함에 있어서 제1 코어(M1) 및 제1 코일(W1)의 특성에 맞게 회로소자의 규격을 일일이 맞추지 않아도 되므로 생산성도 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 커패시터(C1)에 연산증폭기(A1)를 추가 연결하여 발진회로를 구성하였다. 상기 도 3을 참조하여 설명하면, 제1 코일(W1)의 일단 및 커패시터(C1)의 일단을 연산증폭기(A1)의 출력단(C)에 연결하고, 제1 코일(W1)의 타단(A)을 연산증폭기(A1)의 반전(-) 입력단에 귀환시키고, 연산증폭기(A1)의 출력단을 저항(R2)을 매개로 하여 비반전(+) 입력단에 귀환시키며, 비반전(+) 입력단과 반전(-) 입력단을 각각 저항(R3, R1)을 매개로 접지시켰다. 상기 커패시터(C1)의 타단은 접지된다.

그리고, 상기 발진부(10)는 상기 제1 코일(W1)에 인가되는 전류의 전압 극성을 반전시킨 전류를 상기 제2 코일(W2)에 인가한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 연산증폭기(A2)를 반전 증폭기로 회로구성하여 상기 제2 코일(W2)에 전류를 인가한다. 상기 도 3을 참조하여 연산증폭기(A2)의 연결에 대해 구체적으로 설명하면, 출력단을 저항(R5)을 매개로 반전(-) 입력단에 귀환시키고 반전(-) 입력단과 상기 제1 코일(W1)의 발진을 위한 연산증폭기(A1)의 출력단(C) 사이를 저항(R4)을 개재하여 연결하며 비반전(+) 입력단을 접지하여서 반전 증폭기로 회로구성한 후에, 출력단을 제2 코일(W2)에 일단에 연결하고, 제2 코일(W2)의 타단(B)을 저항(R6)을 매개로 접지시켰다.

상기와 같이 연산증폭기(A2)를 반전 증폭기로 회로 구성하여 제1 코일(W1)에 인가되는 전류의 전압 극성을 반전 증폭시켜 얻는 전류를 제2 코일(W2)에 인가하므로, 일반적으로 무한대(∞)로 가정할 정도로 매우 큰 입력저압을 갖는 연산증폭기의 특성을 활용할 수 있다. 즉, 제1 코일(W1)에 인가되는 전류의 전압 신호를 반전시켜 얻는 전류로 제2 코일(W2)에 인가할 시에, 매우 큰 입력저항에 의해서 양 코일(W1, W2) 간의 영향을 최소화할 수 있다. 결국, 제1 코일(W1)을 제2 코일(W2)에 연결하더라도 반전 증폭기로 회로 구성한 연산증폭기(A2)를 중도에 연결함으로써, 제2 코일(W2)에 인가되는 전류의 영향이 제1 코일(W1)에 미치지 아니하여서, 제1 코일(W1)에 인가되는 전류를 왜곡시키지 아니하게 된다.

상기한 바와 같이 구성되는 상기 발진부(10)는 제1 코일(W1)의 타단(A) 및 제2 코일(W2)의 타단(B)을 통해서 제1,2 코일(W1, W2)에 각각 인가한 전류의 전압 신호를 얻을 수 있다.

상기 보상전류생성부(20)는, 상기 제1 코일(W1)에 인가한 전류의 전압 신호와 상기 제2 코일(W2)에 인가한 전류의 전압 신호를 합산하는 가산기(21)와, 가산기(21)에 의해 합산한 전압 신호와 상기 제3 코일(W3)에 유도되는 전류의 전압 신호를 증폭하는 증폭기(22)와, 증폭기(22)의 출력 신호에 대응되는 보상전류를 생성하는 전류드라이브(23),를 포함하여 구성되어서, 전류드라이브(23)에 의한 보상전류를 상기 제4 코일(W4)에 인가한다.

즉, 상기 제1 코일(W1)에 인가된 전류의 전압 신호와 상기 제2 코일(W2)에 인가된 전류의 전압 신호를 합산하여 획득하는 전압 신호는 피측정 전류의 직류 성분에 해당되고, 상기 제3 코일(W3)에 유도되는 전류는 피측정 전류의 교류 성분에 해당된다. 따라서, 상기 증폭기(22)에서 출력되는 전압신호는 직류 성분 및 교류 성분 모두를 포함하는 피측정 전류에 대한 전압신호가 된다. 이 전압신호를 전류드라이브(23)로 변환하여 얻는 보상전류를 상기 제4 코일(W3)에 인가하도록 회로구성함으로써, 보상전류는 피측정 전류에 의한 자속의 직류 성분 및 교류 성분을 줄이는 방향, 즉, 피측정 전류에 근접하게 되는 방향으로 수렴하여서, 피측정 전류와 동일하게 되면 제4 코일(W4)에 의한 자속과 피측정 전류에 의한 자속이 상쇄되어 총자속이 '0'이 된다. 이때의 제4 코일(W4)에 흐르는 보상전류를 후술하는 검출부(40)로 측정함으로써 피측정 전류를 검출할 수 있다.

상기 보상전류생성부(20)를 구성하는 상기 가산기(21), 증폭기(22) 및 전류드라이브(23)의 구체적인 실시예에 대해서 상기 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.

상기 가산기(21)는, 연산증폭기(A3)의 출력단을 커패시터(C2)와 저항(R9)을 순차적으로 경유하여 반전(-) 입력단에 귀환시킨 반전 증폭기로 회로구성되며, 비반전(+) 입력단을 접지한 상태에서, 상기 제1 코일(W1)의 타단(A)과 상기 제2 코일(W2)의 타단(B)을 각각 저항(R7, R8)을 경유하여 반전(-) 입력단에 병렬 연결되게 하였다. 이에 따라, 상기 제1 코일(W1)의 타단(A) 및 상기 제2 코일(W2)의 타단(B)에 각각 발생하는 전압 신호는 합산되어 반전 증폭된다.

상기 가산기(21)에 의해 피측정 전류의 직류 성분을 검출하는 원리는 상기 도 4의 전압 파형을 예로 들어 설명한다.

상기 도 4의 a 및 b는, 상기 도선(W0)에 피측정 전류가 흐르지 않을 때에, 상기한 바와 같이 발진한 전기를 각각 제1 코어(M1)에 권선한 제1 코일(W1)과 제2 코어(M2)에 권선한 제2 코일(W1)에 인가함에 따라 나타나는 전압 파형의 그래프로서, 제1 코일(W1)의 전압 신호와 제2 코일(W2)의 전압신호가 서로 180° 위상차를 갖게 된다. 이러한 전압신호를 상기 가산기(21)로 합산하면 합산한 전압 신호는 '0'이 된다.

그리고, 상기 도선(W0)에 양극의 직류 성분을 갖는 피측정 전류를 흐르게 하면, 상기 도 4의 c 및 d에 각각 도시한 제1 코일(W1)의 전압 신호와 제2 코일(W2)의 전압신호와 같이 양극에서 왜곡이 발생한다. 이와 같이 왜곡된 전압 신호를 상기 가산기(21)로 합산하면 왜곡된 부분에서 '0'이 아닌 값이 발생하여, 양극의 직류 성분을 검출할 수 있다.

상기 도선(W0)에 음극의 직류 성분을 갖는 피측정 전류를 흐르게 하면, 상기 도 4의 e 및 f에 각각 도시한 제1 코일(W1)의 전압 신호와 제2 코일(W2)의 전압신호와 같이 음극에서 왜곡이 발생한다. 이와 같이 왜곡된 전압 신호를 상기 가산기(21)로 합산하면 왜곡된 부분에서 '0'이 아닌 값이 발생하여, 음극의 직류 성분을 검출할 수 있다.

이와 같이 상기 도선(W0)에 흐르는 피측정 전류에 직류 성분이 포함되면, 그 직류 성분을 극성에 맞게 검출할 수 있다.

상기 증폭기(22)는, 연산증폭기(A4)를 이용한 차동 증폭기로 구성되며, 상기 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면, 출력단(D)을 커패시터(C3)와 저항(12)을 순차적으로 경유하여 반전(-) 입력단(C)에 귀환시키고, 상기 가산기(21)의 연산증폭기(A3)의 출력단을 저항(R10)을 매개로 반전(-) 입력단(C)에 연결하고, 타단을 접지한 상기 제3 코일(W3)의 일단을 저항(R11)을 매개로 비반전(+) 입력단에 연결하였다.

이에 따라, 상기 증폭기(22)는, 반전(-) 입력단을 통해 입력되는 피측정 전류의 직류 성분에 대응되는 직류 전압 신호와 비반전(+) 입력단을 통해 입력되는 피측정 전류의 교류 성분에 대응되는 교류 전압 신호를 차동증폭하게 되는 데, 이때, 상기 증폭기(22)의 연산증폭기(A4)의 출력단(D)을 통해 출력되는 전압신호는 피측정 전류의 교류 및 직류 성분 모두를 반영하여야 한다. 이를 위해서, 제1,2,3 코일(W1, W2, W3)의 권취 방향, 제1,2,3 코일(W1, W2, W3)의 각 양단에서 전압 신호를 인출하는 단의 위치 및 상기한 가산기(21)의 반전 여부를 고려하여 회로설계할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에 종사하는 자라면 자명한 것이므로, 이에 대한 상세 설명은 생략한다. 결국, 상기 증폭기(22)는, 실질적으로 피측정 전류의 직류 성분에 대응되는 직류 전압 신호와 피측정 전류의 교류 성분에 대응되는 교류 전압 신호를 합산하여 증폭하는 역할을 담당한다.

상기 전류 드라이브(23)는, 상기 증폭기(22)에서 출력하는 전압 신호를 전류신호, 즉, 피측정 전류에 의한 자속을 상쇄하기 위한 보상전류로 변환하여 상기 제4 코일(W4)에 인가한다. 이러한 전류 드라이브(23)는 본 발명의 실시예에서 두개의 트랜지스터(T2, T3)를 이용하였으나 전압 신호에 대응되는 전류를 발생시켜 공급하는 공지된 다양한 전력 증폭회로 중에 적절한 증폭회로를 선택하여 사용하여도 된다.

상기와 같이 발진부(10) 및 보상전류 생성부(20)에 의한 보상전류는 상기 제4 코일(W1)에 인가된다.

상기 검출부(40)는, 상기 제4 코일(W1)에 흐르는 전류를 측정하기 위한 구성요소로서, 본 발명의 실시예에서는, 버든 저항(BR, burden resistor)을 상기 제4 코일(W1)에 직렬 연결하고 버든 저항(BR)의 양단 전압을 측정하여서, 전류를 계측한다.

상기와 같이 보상전류를 상기 제4 코일(W4)에 인가함으로써 보상전류에 의한 자속으로 피측정 전류에 의한 자속을 상쇄시킬 수 있으며, 피측정 전류에 의한 자속이 상쇄되지 못하고 잔존하게 되면 피측정 전류의 잔존 직류 성분은 상기 발진부(10) 및 상기 가산기(21)에 의해 검출되고 피측정 전류의 잔존 교류 성분은 상기 제3 코일(W3)에 의해 검출되어 상기 증폭기(22)에 의해 증폭되므로, 피측정 전류에 의한 자속을 '0'으로 상쇄하는 전류가 될 때까지 상기 보상전류는 증가하며 수렴하게 된다. 이런 의미에서, 상기한 보상전류는 피측정 전류에 대한 '역전류'로 해석할 수 있다.

따라서, 피측정 전류에 의한 자속을 '0'으로 상쇄하는 보상전류가 상기 제4 코일(W1)에 흐를 때에, 그 보상전류를 상기 검출부(40)로 측정하면 피측정 전류를 획득할 수 있다. 물론, 상기 제4 코일(W4)의 권취 회수를 반영하여 피측정 전류를 획득할 수 있음은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명하다.

한편, 본 발명에 따른 전류 계측기로 도선(W0)의 피측정 전류를 측정하는 초기에 피측정 전류에 의한 자속에 의해서 상기 제1 코어(W1)가 포화되어 원하지 않는 고주파로 발진할 수 있으며, 특히 피측정 전류의 직류 성분이 매우 클 경우에 발생한다. 이러한 고주파 발진상태에서는 본 발명에 따른 전류 계측기가 정상적으로 동작하지 못하여 피측정 전류를 계측하기 어려우므로, 계측 동작 초기에 포화되면 탈자(脫磁)시켜서 정상 동작하게 하는 것이 바람직하다. 이에, 본 발명에 따른 전류 계측기는 후술하는 포화복귀부(30)를 추가 구성하여서, 동작 초기에 상기 제1 코어(W1)가 포화되더라도 탈자시켜서 상술한 발진부(10)에 의한 정상적인 LC발진이 이루어지게 한다.

상기 포화복귀부(30)는, 상기 제1 코어(M1)가 포화됨에 따라 발생하는 고주파 발진에 의한 전압을 감지하여서 턴온(TURN-ON) 동작하고, 턴온 동작 상태에서 상기한 보상전류를 더욱 증폭시켜 상기 제1 코어(M1)의 탈자(脫磁)를 유도한다.

상기 포화복귀부(30)는 보상전류의 증폭을 위해서 상기 보상전류생성부(20)의 증폭기(22)의 출력단(D) 및 반전(-) 입력단(E), 즉, 증폭기(22)를 구성하는 연산증폭기(A4)의 귀환회로 양단에 연결되어 출력단(D)의 전압 신호를 반전 증폭하여 반전 입력단(E)에 인가함으로써, 상기 포화복귀부(30)를 설치하기 전에 비해 상기 증폭기(22)에서 보상전류를 더욱 큰 값으로 증폭하여 상기 제4 코일(W4)에 흐르게 한다.

구체적으로 설명하면, 매우 큰 값의 피측정 전류에 의해 제1 코어(W1)가 포화되어 고주파 발진하게 되면, 그 고주파 발진에 의한 전압신호가 상기 발진부(10)의 LC발진을 위해 구비한 커패시터(C1)에서 나타나므로, 상기 포화복귀부(30)를 상기 커패시터(C1)에 나타나는 전압신호를 인가받아 턴온하게 구성된다. 상기 도 3을 참조하면, 베이스 전압에 따라 턴온 동작하는 트랜지스터(T1), 보상전류에 대응되는 전압신호를 반전 증폭하는 연산증폭기(A5), 및 포화상태를 감지하기 위한 평활회로와 다이오드(D1)를 포함하여 구성되며, 회로 구성은 다음과 같이 이루어진다.

상기 발진부(10)의 커패시터(C1)의 일단(C)은, 본 발명에 따르면 제1 코일의 일단이면서 연산증폭기 A1의 출력단에 해당되며, 여기서 발생하는 전압 신호를 상기 평활회로 및 다이오드(D1)에 순차적으로 통과시켜 상기 트랜지스터(T1)의 베이스에 인가되게 하여서, 커패시터(C1)의 양극(+) 전압신호에 의해 상기 트랜지스터(T1)가 턴온되게 한다. 여기서, 상기 평활회로는 상기 다이오드(D1)의 일단과 상기 발진부(10)의 커패시터(C1)의 일단(C) 사이를 연결하는 도선의 중도에 설치되되, 그 도선에 직렬연결되는 저항(R15), 그 도선과 접지 사이에 각각 병렬로 연결되는 커패시터(C4) 및 저항(R16)의 순서로 설치된다. 그리고, 상기 트랜지스터(T1)의 턴온 조건은 상기 평활회로를 구성하는 소자의 규격을 맞추어 설정할 수 있으며, 이러한 평활회로는 저역통과 필터로도 볼 수 있다.

상기 연산증폭기(A5)는 상기 보상전류 생성부(20)의 증폭기(22)를 구성하는 연산증폭기(A4)의 출력단(D)의 보상전류에 대응되는 전압신호를 반전 증폭하여서, 상기 트랜지스터(T1)의 콜렉터에 인가한다. 상기 연산증폭기(A5)에 의한 반전 증폭 회로는, 비반전(+) 입력단을 접지하고 출력단을 저항(R14)을 매개로 반전(-) 입력단에 귀환시킨 상태에서, 반전(-) 입력단을 저항(R13)을 매개로 상기 증폭기(22)의 출력단(D)에 연결하고, 출력단을 상기 트랜지스터(T1)의 콜렉터에 연결하는 방식으로 이루어진다.

그리고, 상기 트랜지스터(T1)의 에미터는 상기 보상전류 생성부(20)의 증폭기(22)를 구성하는 연산증폭기(A4)의 반전(-) 입력단(E)에 연결된다.

상기와 같이 구성되는 포화복귀부(30)는 상기 제1 코어(M1)의 자기 포화에 의한 고주파 발진으로 나타나는 커패시터(C1)의 양극 전압 신호의 크기에 따라 상기 트랜지스터(T1)를 스위칭시키고, 커패시터(C1)의 양극 전압 신호에 의해 상기 트랜지스터(T1)를 턴온할 시에 보상전류를 더욱 크게 함으로써 더욱 큰 상쇄 자속으로 역자화하므로, 포화되었던 상기 제1 코어(M1)는 권선한 제1 코일(W1)에 양극 전류가 인가되었다가 음극 전류가 인가되었다가 하면서 점차 탈자되어 포화상태에서 벗어나게 된다.

이와 같이, 상기 포화복귀부(30)의 스위칭 동작으로 상기 제1 코어(M1)를 탈자할 수 있으며, 탈자된 상태에서 상기 포화복귀부(30)의 동작은 멈추고 상기 발진부(10) 및 보상전류생성부(20)를 이용한 정상적인 전류 계측이 이루어지게 된다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

W0 : 도선 W1,W2,W3,W4 : 코일 M1,M2,M3 : 코어
10 : 발진부
20 : 보상전류생성부
21 : 가산기 22 : 증폭기 23 : 전류드라이브
30 : 포화복귀부
40 : 검출부

Claims

제1 코일(W1)을 권선한 제1 코어(M1), 제2 코일(W2)를 권선한 제2 코어(M2), 및 제3 코일(W3)를 권선한 제3 코어(M3)을 피측정 전류가 흐르는 도선(W0)에 관통되게 하고, 제4 코일(W4)를 제1,2,3 코어(M1, M2, M3)에 동시에 권선되게 하며, 반대 극성으로 발진시키는 제1,2 코일(W1, W2)의 전류와 제3 코일(W3)에 유도되는 전류에 근거하여 제4 코일(W4)에 보상전류를 인가하게 구성되어서, 보상전류의 측정으로 피측정 전류를 측정하는 비접촉 전류 계측기에 있어서,
상기 제1 코일(W1)에 커패시터(C1)를 연결하여 상기 제1 코일(W1)의 인덕턴스와 상기 커패시터(C1)의 커패시턴스에 의해 LC발진하게 하여 전류를 상기 제1 코일(W1)에 인가하고, 상기 제1 코일(W1)에 인가되는 전류의 전압 극성을 반전시킨 전류를 상기 제2 코일(W2)에 인가하여서, 전류 인가에 의한 제1 코어(M1)와 제2 코어(M2)의 자화가 서로 반대 극성으로 되게 하는 발진부(10);
상기 제1 코일(W1) 및 제2 코일(W2)의 합산 전압신호와, 상기 제3 코일(W3)에 유도되는 전압신호에 대응되는 보상전류를 상기 제4 코일(W4)에 인가하는 보상전류생성부(20);
상기 제4 코일(W4)에 흐르는 보상전류를 측정하여 피측정 전류를 획득하는 검출부(40);
를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기.
제 1항에 있어서,
상기 발진부(10)는, 상기 제1 코일(W1)에 인가되는 전류의 전압신호를 높은 입력 저항 특성을 갖는 연산증폭기(A2)로 반전 증폭하여 얻는 전류로 상기 제2 코일(W2)에 인가하여, 상기 제2 코일(W2)에 인가되는 전류에 의해 제1 코일(W1)에 인가되는 전류가 왜곡되지 아니하게 함을 특징으로 하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제1 코어(M1)의 포화에 따른 고주파 발진으로 인해 발생하는 상기 커패시터(C1)의 전압으로 턴온(TURN-ON)하고, 턴온 상태에서 보상전류를 증폭시켜 상기 제1 코어(M1)를 탈자(脫磁)시키는 포화복귀부(30);
를 더욱 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기.
제 3항에 있어서,
상기 포화복귀부(30)는, 상기 커패시터(C1)의 전압 신호를 평활회로 및 다이오드(D1)에 순차적으로 통과시켜 양극(+) 신호에 의해 턴온되게 함을 특징으로 하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기.
제 4항에 있어서,
상기 보상전류생성부(20)의 증폭은, 반전(-) 입력단에 상기 제1 코일(W1) 및 제2 코일(W2)의 합산 전압을 인가하고, 비반전(+) 입력단에 상기 제3 코일(W3)에 유도되는 전압을 인가하며, 출력단을 반전(-) 입력단에 귀환시킨 연산증폭기(A4)로 이루어지는 한편,
상기 포화복귀부(30)는, 상기 연산증폭기(A4)의 귀환회로 양단에 연결되어 상기 연산증폭기(A4)의 출력단 전압을 반전 증폭하여 상기 연산증폭기(A4)의 반전(-) 입력단에 인가함을 특징으로 하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기.
제 5항에 있어서,
상기 포화복귀부(30)는,
상기 커패시터(C1)의 양극(+)신호에 의해 턴온되게 하는 상기 평활회로 및 다이오드(D1);
보상전류에 대응되는 전압신호를 반전 증폭하는 연산증폭기(A5); 및
상기 다이오드(D1)를 통과하는 양극(+) 신호에 의해 턴온되어 상기 연산증폭기(A5)의 증폭 신호를 더욱 증폭시키는 트랜지스터(T1);
를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기.
제 1항에 있어서,
상기 제1,2,3 코어(M1, M2, M3)는, 각각 분리 및 결합이 가능한 컷코어(cut core)로 구성되되, 결합면을 서로 맞물려 끼워지는 요철로 형성함을 특징으로 하는 플럭스 게이트 방식의 비접촉 전류 계측기.