第3部分电流感应线圈 送审稿.docx

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第3部分电流感应线圈送审稿

电阻焊焊接电流的测量第3部分：

电流感应线圈

（送审稿）

1范围

GBXXXX的本部分规定了用于焊接电流测量仪或焊接电流测量系统对电阻焊电流进行监测的环形感应线圈的电流传感器，适用于频率为50Hz或60Hz的交流和直流电流。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

ISO669阻焊电阻焊机机械和电气要求（GB/T8366-2004，ISO669：

2000，MOD）

ISO17657-4电阻焊焊接电流的测量第4部分：

校准系统

3术语和定义

ISO669界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

电流感应线圈（环形线圈）currentsensingcoil（toroidalcoil）

多卷线圈，其中线被缠绕在一个横截面恒定的无磁骨架上，用于检测电流所产生的磁通量。

注：

线圈围绕在一个骨架上，所测电流将穿过该骨架。

3.2

基准电流感应线圈referencecurrentsensingcoil

用于校准的、具有高于本部分所规定的高精度级别准确度的电流感应线圈。

3.3

转换系数conversioncoefficient

电流感应线圈的输出电压与焊接电流的比率，单位：

mV/kA。

注：

该值与所测电流的频率成比例，并采用50Hz全波电流作为测试电流。

3.4

频率响应frequencyresponse

表示试验电流的频率特性对转换系数的影响。

3.5

准确度accuracy

转换系数的分散性和偏差。

注：

电流感应线圈的输出负载对转换系数值有较大影响。

如果输出负载和/或积分器输入阻抗发生改变，转换系数仍可能会出现偏差，即使两台装置均已分别在高精度级别下进行校准。

4环境条件

除非另有规定，否则焊接电流测量仪应能在下列条件下工作：

——环境温度在+5ºC至+40ºC之间；

——相对湿度最高95%；

——海拔高度不超过1000m；

——空气中含有气体、细尘、油雾、飞溅等（例如由普通弧焊或点焊作业所引起）的环境。

如果环境条件与上述情况存在偏差，应由制造商和用户协商解决。

5电流感应线圈的分级及标识

5.1电流感应线圈的级别

电流感应线圈应根据结构、转换系数和测量准确度进行分级。

表1为根据准确度所作的分级。

表1电流感应线圈的分级

分级

测量准确度

应用

高精度级别

满刻度的±0.5%

实验室使用

精度级别

满刻度的±1.0%

高精度系统的常规使用

普通级别

满刻度的±3.0%

普通系统的常规使用

5.2转换系数的标准值

在50Hz全波交流电下，标准转换系数的额定值K应当为150mV/kA、220mV/kA和1.5V/kA。

注：

如果用不同的测试频率来确定转换系数，则可使用7.1所述公式

（1）来对转换系数值进行换算。

5.3标识

产品应标注以下内容：

——结构类型；

——转换系数；

——精确级别；

——线圈规格（柔性型的长度和刚性型的内径）。

如果不需要，则可忽略长度参数标识。

示例1柔性、长度800mm、50Hz下的转换系数150mV/kA、精度级。

柔性（800mm）150mV/kA，50Hz，1.0级

示例2刚性、内径200mm，60Hz下的转换系数180mV/kA、高精度级。

刚性（200mm）180mV/kA，60Hz，0.5级

6电流感应线圈的要求

6.1电流感应线圈及连接导线

电流感应线圈、连接器以及连接导线（从线圈到积分器/放大器）的设计应保证线圈仅对通过线圈内导体的电流所产生的磁通量敏感。

在整个线圈上，任何外部磁通量均不予测量。

线圈的输出与所测电流波形的微分值成比例。

如果采用一个柔性或刚性窗口型线圈，感应线圈的两端都应作好固定，端部之间不要留有空间或仅留少量空间。

为避免波形畸变，应对连接导线和连接器加以保护，避免受磁通影响，并具有较低的电感。

应将低感应电阻连接到连接导线的两端作为输出负载RL。

该值应处于200Ω与1Ω之间并保持恒定。

6.2转换系数

电流感应线圈的额定转换系数应符合5.2要求，并按7.1所述方法采用全波电流对其进行检查和校正。

转换系数的分散性应采用基准电流测量仪与数据采集系统，或基准电流感应线圈与数据采集系统进行检查。

应通过在线圈端部或连接导线端部插入一个小电阻ra来予以校正，见图A.1。

不可通过调控输出负载值RL来对系数值进行校正。

如果用60Hz交流电来检查线圈，则应当用1.2（=60/50）来除该值，从而获得50Hz频率下的转换系数。

与电流感应线圈相连接的积分器的输入阻抗会影响到转换系数值。

如果线圈不包括6.1中指定的输出负载电阻，则应用一台高于500kΩ的高输入阻抗的数据采集系统来测量输出电压。

50Hz下显示的转换系数值可用于对60Hz交流电的转换系数值进行检查和校正。

对于60Hz交流电来说，线圈上所标记的转换系数根据7.1所述公式

（1）来计算。

6.3测量准确度

电流感应线圈的测量准确度应为表1中的一种，并应根据7.2所述方法采用50Hz或60Hz全波交流电进行检查。

注：

如果导电体位于位置B、F或H上，或靠近图1中所示位置，则可制造出具偏差小于1%、能达到重复弯曲要求（1000次重新安接）的电流感应线圈。

6.4机械强度

机械试验仅适用于柔性线圈。

在50Hz或60Hz全波交流电下，根据7.3.2至7.3.6所述方法进行机械试验后，所测试线圈的测量准确度应符合表1要求。

6.5安放位置误差

应在50Hz或60Hz全波交流电下，按7.4所述方法检查试验线圈的转换系数的分散性。

分散性和/或偏差应在表1所规定的测量准确度范围内。

6.6环境温度的影响

环境温度对电流感应线圈的影响应按7.5所述方法进行评估。

转换系数的分散性和/或偏差应按7.2所述方法测量，测量值应在表1所述的测量准确度范围内。

6.7覆盖材料的热特性

电流感应线圈的覆盖物不应与被加热至60ºC的导线相接触而受到损坏。

如果电流感应线圈被安装在变压器内，则线圈应能承受变压器的相应绝缘等级的温度。

6.8试验

6.8.1型式试验

某些型式试验项目应按第5章要求在同一产品上进行：

a）结构组成；

b）转换系数；

c）测量准确度；

d）机械性能；

e）定位的偏差；

f）热性能；

g）接触耐热性。

6.8.2验收测试

a）结构组成；

b）转换系数。

7试验程序

7.1转换系数

转换系数应采用基准焊接电流测量系统或采用符合ISO17657-4要求的基准电流感应线圈与数据采集组合的系统进行测量。

通过一个适当的操作程序对该值进行校正。

说明：

1——试验用线圈；4——导体；

2——引出线；5——基准线圈；

3——柔性线圈的固定件–刚性线圈的输出连接器；6——试验用线圈；

A-H——导体位置；

a至电源；

b至基准焊接电流测量仪。

图1电流感应线圈的布置示例及位置号

试验应在50Hz或60Hz下采用全波交流电并在5kA—10kA范围内，在图1所示的位置B、D、F和H上进行。

所测得的结果用50Hz所对应的转换系数值表示。

应按ISO17657-4要求，至少每年对基准焊接电流测量仪、基准电流感应线圈以及数据采集系统进行一次校准。

如果试验所用电流频率不是50Hz，则应用公式

（1）对转换系数值进行换算；例如在60Hz电流下设定系数时，应通过公式

（1）将标准值换算成60Hz条件下的数值，然后再作调整。

有关换算的详细说明见附录B。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…………………………………

（1）

式中：

Kt——频率ft下的转换系数值；

Km——频率50Hz或60Hz交流电所测得的转换系数；

ft——转换系数Kt的估算频率；

fm——设定转换系数时的频率（50Hz或60Hz）。

7.2测量准确度

转换系数的分散性应采用基准焊接电流测量系统或采用符合ISO17657-4要求的基准电流感应线圈与数据采集组合的系统，在50Hz或60Hz全波交流电下进行测量。

如果最大分散性不符合指定的精确度要求，则应调整转换系数并重复试验。

试验应在图1所示的位置B、D、F和H上进行，电流在5kA—10kA之间和/或0.5kA—1.0kA之间。

上述的高段电流试验的对象是用于测量次级回路电流的电流感应线圈，而低段电流试验则用于测量初级回路电流的电流感应线圈。

注：

可根据合同双方的商定减少试验位置的数量。

7.3机械试验

7.3.1概述

下列试验用于评估柔性电流感应线圈的机械性能。

完成每种机械试验之后，应采用7.2所述方法对电流感应线圈的测量准确度进行检查。

7.3.2拉伸试验

将电流感应线圈拉直后，一端固定，在另一端施加100N的负载，持续1h，如图2所示。

说明：

1——电流感应线圈

图2拉伸试验

7.3.3压力试验

将电流感应线圈拉直后平放在一个水平表面上，施加一个均匀分布的5N/cm2的压力（连接器除外），持续1h，如图3所示。

说明：

1——电流感应线圈

图3压力试验

7.3.4弯曲试验

将开放的电流感应线圈的中间部分弯曲成180º，并具有一定的弯曲半径，持续1h，如图4所示。

弯曲半径应当为线圈封闭时的内半径的50%，但不小于25mm。

尺寸单位：

mm

说明：

1——电流感应线圈

图4弯曲试验和重复弯曲试验

7.3.5重复弯曲试验

将开放的电流感应线圈的中间部分弯曲成180º，并具有一定的弯曲半径，重复1000次，如图4所示。

弯曲半径应当为线圈封闭时的内半径的50%，但不小于25mm。

7.3.6挤压试验

将封闭的电流感应线圈平放于水平表面上，成环形，并在整个线圈表面施加一个均匀分布的2N/cm2的压力（连接器除外），持续1h，如图5所示。

说明：

1——电流感应线圈

图5挤压试验

7.4定位的偏差试验

定位的偏差应在图1所示的A至H中所有位置进行检查，以便确定线圈标称的转换系数值的偏差。

7.2所规定的三项测量应在图1中所示的八个位置进行。

注：

如果线圈的安放位置仅在图1的位置H上被予以固定，则本试验不适用于刚性线圈。

7.5热性能试验

将电流感应线圈放置在温控箱中1h，直至线圈温度达到试验温度，然后进行7.2所述三项试验。

热性能试验应在+5ºC和+40ºC温度下进行，并在电流感应线圈从温控箱中取出后的3min内完成。

注：

如果电流感应线圈安装在变压器内，则可在制造商与用户之间达成一致的前提下对最高试验温度进行修改。

7.6接触耐热性试验

将试验用线圈与一块被加热的铜板（60ºC）相接触，并施加10N的载荷，持续时间1h。

试验结束时，覆盖层不应损坏。

8标记

电流感应线圈应标出以下内容：

a）电流感应线圈的名称；

b）电流感应线圈的转换系数，单位：

mV/kA；

c）线圈的测量准确度，单位：

%；

d）电流感应线圈的输出负载RL，单位：

Ω。

电流感应线圈的表面上应标注“+”，这样在安装到焊接设备次级回路后该面朝上的时候（直流焊机中朝向正极），测量仪器会给出一个正确的显示值。

附录A

（资料性附录）

电流感应线圈的设计

A.1电流感应线圈的结构

罗氏电流感应线圈（属于一种环形线圈），是通过将导线均匀密缠在一个长度如图A.1所示的无感骨架上实现的。

线圈端部应相互接触。

线圈应采用一个绝缘金属膜覆盖，以防受任何外部电场的影响。

线圈的自感L和内电阻ri应尽可能低。

连接导线应适当绞合和屏蔽。

输出连接器中的连接导线应连接一个低电感电阻RL，以保证线圈的兼容性。

为了使输出电压e’（t）不受线圈位置和外磁场的影响，应满足以下条件：

——图A.1a）中小环的横截面A和卷绕密度N，在线圈整个长度上都是恒定的；

——每圈的面积与线圈轴线垂直；

——足够大的绕组密度N和较小的绕组线直径；

——在耦合区和导线连接区域，线的缠绕应尽可能保持均匀。

注：

线圈两端的连接部分应当尽可能远离带电导体，以防出现任何测量误差。

a）电流感应线圈的设计b）等效电路

说明：

1——大环；

2——小环。

图A.1罗氏电流感应线圈及其等效电路

上述罗氏线圈设计带有返回绕组，以便消除由大环线圈所引起的电压。

罗氏线圈的一个优点是，在整个大环线圈上的任何外磁通量都不会影响到输出电压，而仅仅与小环线圈上的磁通量相关联。

不过，不含任何返回绕组的电流感应线圈（如图A.2所示）也属于环形线圈。

整个环形线圈上的外磁通量会影响到线圈的输出。

这种线圈只能在满足下列限制条件时作为电流传感器使用：

a）线圈被用在一个与导电体成直角（90º）的固定位置上；

b）由环形线圈大环上的外磁通量所引起的电压在与所测得输出值相比较时可忽略不计，且大环的面积被尽可能缩减。

说明：

1——大环；

2——小环；

a至积分器。

图A.2不带返回绕组的环形线圈

A.2转换系数的校正

测试电流感应线圈的转换系数应采用校正系数△ra（通过下面公式计算得出）进行校正：

…………………………（A.1）

式中：

Km——测得转换系数；

Ks——所需值；

RL——安装在连接导线端部的输出负载；

r——内电阻，是电流感应线圈的内阻ri与用以调节输出值ra的附加电阻的总和。

每个参数的设定见图A.1。

试验用线圈的测量准确度应在已实施此调节并重新测试以确定转换系数（分别采用7.4与7.5所述定位的偏差试验和热性能试验）之后再予以确定。

附录B

（资料性附录）

转换系数的控制参数

在ωL<

…………………………（B.1）

如果电流波形是正弦波，I=Imsinωt，则全波交流电时的转换系数K可通过公式（B.2）得到：

…………………………（B.2）

式中：

μ0——电流感应线圈所用骨架材料的磁导率，（=4πx10-7H/m）；

N——每单位长度（1/m）线圈绕组数量；

A——电流感应线圈的横截面（不是电流感应线圈的环长度），单位：

m2；

L——电流感应线圈的自感，单位：

H；

r——电流感应线圈的总电阻，即电阻ri与微调电阻ra之和，单位：

Ω；

RL——作为输出负载（以下称为电流感应线圈的“输出负载”）的感应线圈端部所连接的电阻，单位：

Ω；

ω=2πf——角频率；

f——所测电流的频率，单位：

Hz；

Rf——积分器的输入电阻，单位：

Ω。

如果RL<

…………………………（B.3）

注：

转换系数仅为额定值，因为焊接电流并非真正正弦波，该值会随着电流的频谱而有所变化。

附录C

（资料性附录）

电流感应线圈的类型及建议的规格范围

图C.1给出了电流感应线圈的典型设计示例。

说明：

1——连接电缆；

2——固定件。

a）柔性线圈（带有固定件）

说明：

1——连接电缆

b）柔性线圈（不带固定件）

说明：

1——连接电缆

c）柔性线圈

图C.1–电流感应线圈示例

说明：

1——连接电缆

d）刚性线圈（封闭式）

说明：

1——铰链

e）刚性线圈（铰链式）

说明：

1——连接电缆

f）刚性开式框架叉（无桥接）

图C.1（续）

说明：

1——连接电缆

2——桥接件

g）刚性闭式框架（含桥接）

图C.1（续）

电流感应线圈的设计尺寸范围和推荐的规格如下：

L≈200μH—2000μH；

ri≈10Ω—300Ω；

M≈0.3μH—7μH（M=NAμ0）；

K≈100mV/kA—2500mV/kA（针对50Hz全波交流电）；

RL≈200Ω—1000Ω；

di≈20mm—300mm（电流感应线圈，框架叉，见图C.1）；

l≈最高800mm[柔性线圈的拉直长度，见图C.1c）]。

式中：

L——电流感应线圈的自感；

ri——线圈电阻；

M——线圈互感系数；

K——线圈的额定转换系数；

RL——预装在线圈中的输出负载；

di——通过内径来定义的线圈直径，如图C.1a）、C.1d）和C.1e）所示；

l——柔性线圈的拉直长度，如图C.1c）所示。

附录D

（资料性附录）

电流感应线圈的频率响应

如果内阻ri可忽略不计，则可通过公式（D.1）来确定电流感应线圈的频率响应F：

…………………………（D.1）

式中：

然后，可使用公式（D.2）来指明电流感应线圈输出电压e’（t）的相移角α（相对于由波动的磁通量所产生的电压e（t）（∞di/dt；i:

电流））：

…………………………（D.2）

电流感应线圈输出电压的大小可通过下列公式表达：

…………………………（D.3）