ДАТЧИК ТОКА Российский патент 1997 года по МПК G01R19/15 G01R1/04 

Изобретение относится к технической физике, в частности к электроизмерительной технике, предназначено для бесконтактного измерения тока в токонесущем проводнике и может быть использовано для измерения тока в электротехнических сетях, в промышленных установках, в оборудовании, установленном на транспортных средствах, в различных технологических процессах, а также в лабораторных исследованиях.

Широко известно измерение тока, текущего по проводнику с помощью трансформатора тока, образованного исследуемым проводником и измерительной катушкой, намотанной на замкнутый сердечник, выполненный из магнитожесткого или магнитомягкого материала, через который пропущен исследуемый проводник (пат. США N 4274052, кл. G 01 R 33/00, опубл. 1981, пат. США N Re.31613, кл. G 01 R 1/20, опубл. 1984, пат. США N 4529931, кл. G 01 R 19/00, опубл. 1985, з. ЕРВ N 0262293, кл. G 01 R 15/02, опубл. 1988, з.ЕРВ N 0320341 кл. G 01 R 15/02, опубл. 1989, Дорофеева Е.А. и др. Датчик тока с линейной характеристикой в большом динамическом диапазоне. Приборы и техника эксперимента, 1993, N 1, с. 231 233). Устройства, реализующие этот способ измерения, отличаются, в основном, материалом и конфигурацией замкнутого сердечника и используемой измерительной схемой.

Недостатком устройств такого типа является их громоздкость, необходимость принятия специальных мер для того, чтобы исследуемый проводник мог быть пропущен через замкнутый сердечник, а при использовании сердечников из магнитожесткого материала ограниченность динамического диапазона. Для того чтобы пропустить исследуемый проводник с током через сердечник, в последнем выполняют прорезь с возможностью ее закрывания. Однако такие прорези должны иметь прецизионную конструкцию и, кроме того, требуется калибровка измерительного трансформатора при каждом открывании и закрывании прорези. Другим недостатком этих устройств является то, что они, как правило, пригодны для измерения тока в проводнике только определенной конфигурации, поскольку конфигурация прорези должна соответствовать конфигурации исследуемого проводника. Все это ограничивает применение устройств такого типа в транспортных средствах и во всех случаях, когда требуется измерение тока в проводниках различной конфигурации и когда нежелательно их перемещение.

Ближайшим аналогом разработанного универсального датчика тока является датчик тока (пат. США N 4791361, кл. G 01 R 1/04, опубл. 1988), который содержит корпус из изоляционного материала, включающий основание и две противолежащие стенки, концентратор магнитного потока, размещенный внутри корпуса, полость для размещения исследуемого проводника, а также чувствительный элемент. Концентратор магнитного потока образован парой постоянных магнитов, имеющих в сечении L-образную форму, и магнитным шунтиком, размещенным в магниточувствительной области между полюсами постоянных магнитов и соединенным с этим полюсами. Постоянные магниты снабжены терминалами, к которым имеется доступ с внешней стороны корпуса. Полость для размещения исследуемого проводника образована намагничиваемым элементом, выполненным в виде ленты из железа и установленной с возможностью прикрепления и открепления к магнитным терминалам для образования намагничиваемой петли, в которую входит также конденсатор магнитного потока. Чувствительный элемент выполнен в виде магниторезистивного преобразователя, расположенного между плоскими поверхностями полюсов постоянного магнита.

Недостатком этого датчика тока является сложность конструкции, ограниченный динамический диапазон вследствие насыщения магнитов при больших токах, а также ограниченный диапазон рабочих температур, обусловленный изменением геометрических размеров магнитов при высоких температурах. Кроме того, использование магниторезистивного преобразователя в качестве магниточувствительного элемента обуславливает использование достаточно сложной схемы обработки, поскольку измерения, реализуемые этим датчиком, являются косвенными.

Задачей изобретения является разработка датчика с улучшенными эксплуатационными характеристиками, отличающегося простотой конструкции и технологичностью изготовления.

Сущность разработанного датчика тока заключается в том, что от так же, как и датчик тока, который является ближайшим аналогом, содержит корпус из немагнитного материала, включающий основание и две противолежащие стенки, конденсатор магнитного потока, размещенный по меньшей мере частично внутри корпуса, полость для размещения исследуемого проводника, а также чувствительный элемент.

Новым в разработанном датчике является то, что он снабжен автономной капсулой из немагнитного материала, а чувствительный элемент внутри капсулы, которая снабжена терминалами, соединенными с чувствительным элементом. Полость для размещения исследуемого проводника образована концентратором магнитного потока, выполненного из магнитомягкого материала и имеющего в сечении U-образную форму, а основание концентратора магнитного потока над основанием корпуса. Наружные поверхности стенок концентратора магнитного потока жестко соединены с внутренними поверхностями стенок корпуса. Капсула в рабочем состоянии установлена внутри упомянутой полости над исследуемым проводником и жестко соединена со стенками концентратора магнитного потока, а чувствительный элемент выполнен в виде катушки индуктивности с сердечником, ориентированном в рабочем состоянии так, что проекция вектора магнитного потока, сформированного протекания тока через исследуемый проводник, на ось сердечника отлична от нуля.

В частном случае концентратор магнитного потока выполнен в виде набора жестко скрепленных между собой листов.

В другом частном случае в основании концентратора магнитного потока выполнена сквозная прорезь, ориентированная параллельно ее вертикальным стенкам, при этом прорезь заполнена немагнитным материалом.

В конкретной реализации этого случая основание концентратора магнитного потока дополнительного покрыто немагнитным материалом.

В другой конкретной реализации этого частного случая основание концентратора магнитного потока дополнительно покрыто магнитомягким материалом.

В другом частном случае выступающие над капсулой части стенок концентратора магнитного потока снабжены крепежным отверстием и в рабочем состоянии соединены болтом.

В другом частном случае датчик тока дополнительно снабжен двумя подпружиненными скобами, выполненными из магнитомягкого материала, при этом каждая из скоб в рабочем состоянии установлена между капсулой и соответствующей стенкой концентратора магнитного потока.

В конкретной реализации основание корпуса снабжено установочными лапками.

Выполнение концентратора магнитного потока из магнитомягкого материала обеспечивает высокую намагниченность насыщения, что позволяет осуществлять измерение больших токов без нелинейных искажений, обеспечивая тем самым необходимый технический результата. Другой технический результат простота и технологичность конструкции обеспечивается размещением чувствительного элемента внутри автономной капсулы, а исследуемого проводника в полости, образованной концентратором магнитного потока. Выполнение чувствительного элемента в виде катушки индуктивности с сердечником, ориентированном в рабочем состоянии так, что проекция вектора магнитного потока, сформированного протеканием тока через исследуемый проводник, на ось сердечника отлична от нуля, позволяет исключить промежуточные преобразования и упростить, тем самым схему обработки, что также обеспечивает простоту конструкции разработанного датчика тока, облегчает работу с ним и повышает точность измерений. Выполнение концентратора магнитного потока в виде набора жестко скрепленных между собой листов уменьшает потери, а выполнение в нем сквозной прорези, заполненной негативным материалом и ориентированной параллельно его вертикальным стенкам, позволяет увеличить значения измеряемых токов до 2000 А. Все это позволяет выполнить задачу изобретения разработать датчик тока с улучшенными эксплуатационными характеристиками, отличающийся простотой конструкции и технологичностью изготовления.

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчик тока; на фиг. 2 и 3 - конкретное выполнение датчика.

Датчик тока содержит корпус 1, включающий основание 2 и две противолежащие стенки 3, концентратор 4 магнитного потока, размещенный частично внутри корпуса 1, полость 5 для размещения исследуемого проводника 6, а также чувствительный элемент 7. Полость 5 образована концентратором 4, имеющим в сечении U-образную форму. Основание 8 концентратора 4 размещено над основанием корпуса 1, а наружные поверхности стенок 9 концентратора 4 жестко соединены с внутренними поверхностями стенок 3 корпуса 1. Чувствительный элемент 7 размещен внутри автономной капсулы 10, которая снабжена терминалами 11, соединенными с чувствительным элементом 7. Капсула 10 в рабочем состоянии установлена внутри полости 5 над исследуемым проводником 6 и жестко соединена со стенками 9 концентратора 4. Чувствительный элемент 7 выполнен в виде катушки 12 индуктивности с сердечником 13, ориентированном в рабочем состоянии так, что проекция вектора магнитного потока, сформированного протеканием тока через исследуемый проводник, на ось сердечника 13 отлична от нуля. На фиг. 3 сердечник 13 ориентирован так, что проекция вектора магнитного потока на ось сердечника 13 имеет максимальную величину.

В конкретной реализации датчика тока, представленной на фиг. 1, концентратор 4 выполнен в виде набора жестко скрепленных между собой листов 14. В основании 8 концентратора 4 выполнена сквозная прорезь 15, ориентированная его вертикальным стенкам 9. Прорезь 15 заполнена немагнитным материалом 16. Основание 8 концентратора 4 дополнительно немагнитным материалом 16. Выступающие над капсулой 10 части стенок 9 концентратора 4 снабжены крепежным отверстием 17 и в рабочем состоянии соединены болтом для фиксации капсулы 10 (не показано).

В общем случае катушка 12 индуктивности выполнена многоотводной, при этом капсула 10 снабжена несколькими терминалами 11 для подключения к любым двум из них измерительного прибора. В реализации по фиг. 1 капсула 10 снабжена тремя терминалами 11, а катушка 12 имеет два концевых вывода и один отвод.

При измерении токов в проводниках малого диаметра разработанный универсальный датчик тока дополнительно снабжен двумя подпружиненными скобами, выполненными из магнитомягкого материала, при этом каждая из скоб в рабочем состоянии установлена между капсулой и соответствующей стенкой концентратора магнитного потока (не показано).

Корпус 1 и автономная капсула 10 выполнена из немагнитного материала, например из алюминия.

0концентратор 4 выполнен из магнитомягкого материала, например из электротехнической стали, ферромагнитного материала, а также из специальных сплавов.

Болт для фракции капсулы 10 выполнен из немагнитного материала, например из латуни.

Жестко соединение листов 14 может быть обеспечено, например, путем их склеивания.

В качестве немагнитного материала, заполняющего сквозную прорезь 15, а также материала, покрывающего основание 8, может быть использована эпоксидная смола. Геометрические размеры сквозной прорези 15 определяются границей насыщения магнитной системы и влиянием внешних магнитных полей, а также величиной измеряемого тока.

Разработанный датчик тока работает следующим образом.

Автономную капсулу 10 устанавливают внутри полости 5 над исследуемым проводником 6 так, что проекция вектора магнитного потока, сформированного протеканием тока через исследуемый проводник 6, на ось сердечника 13 катушки 12 отлична от нуля. Обеспечивают жесткое соединение капсулы 10 со стенками 9 концентратора 4, например, с помощью болта (не показано), используя крепежные отверстия 17. Подключают к терминалам 11 капсулы 10 измерительный прибор, например вольтметр (не показан). Ток, протекающий по проводнику 6, формирует магнитный поток, интенсивность которого пропорциональна значению этого тока. Концентратор 4 обеспечивает концентрацию магнитного потока внутри полости 5. Магнитный поток пронизывает чувствительный элемент 7, в результате чего в катушке 12 индуцируется ЭДС, значение которой пропорционально изменению магнитного потока, и определяется значением тока, протекающего через исследуемый проводник 6.

Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: разработан датчик тока, пригодный для измерения больших токов без нелинейных искажений в проводниках различной конфигурации. Датчик отличается простотой и технологичностью конструкции. Указанные эксплуатационные характеристики датчика обеспечиваются за счет того, что чувствительных элемент датчика размещен внутри автономной капсулы из немагнитного материала, которая в рабочем состоянии устанавливается внутри полости, образованной концентратом магнитного потока, выполненного из магнитомягкого материала и имеющего в сечении U-образную форму. При этом чувствительный элемент выполнен в виде катушки индуктивности с сердечником, ориентированном в рабочем состоянии так, что проекция вектора магнитного потока, сформированного протеканием тока через исследуемый проводник, на ось сердечника отлична от нуля. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик тока, содержащий корпус из немагнитного материала, включающий основание и две противолежащие стенки, концентратор магнитного потока, размещенный по меньшей мере частично внутри корпуса, полость для размещения исследуемого проводника, а также чувствительный элемент, отличающийся тем, что он снабжен автономной капсулой из немагнитного материала, а чувствительный элемент размещен внутри капсулы, которая снабжена терминалами, соединенными с чувствительным элементом, при этом полость для размещения исследуемого проводника образована концентратором магнитного потока, выполненного из магнитомягкого материала и имеющего в сечении U-образную форму, основание концентратора магнитного потока размещено над основанием корпуса, наружные поверхности стенок концентратора магнитного потока жестко соединены с внутренними поверхностями стенок корпуса, капсула в рабочем состоянии установлена внутри упомянутой полости над исследуемым проводником и жестко соединена со стенками концентратора магнитного потока, а чувствительный элемент выполнен в виде катушки индуктивности с сердечником, ориентированным в рабочем состоянии так, что проекция вектора магнитного потока, сформированного протеканием тока через исследуемый проводник, на ось сердечника отлична от нуля. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что концентратор магнитного потока выполнен в виде набора жестко скрепленных между собой листов. 3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что в основании концентратора магнитного потока выполнена сквозная прорезь, ориентированная параллельно его вертикальным стенкам, при этом прорезь заполнена немагнитным материалом. 4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что основание концентратора магнитного потока дополнительно покрыто немагнитным материалом. 5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что основание концентратора магнитного потока дополнительно покрыто магнитомягким материалом. 6. Датчик по одному из пп.1 5, отличающийся тем, что выступающие над капсулой части стенок концентратора магнитного потока снабжены крепежным отверстием и в рабочем состоянии соединены болтом. 7. Датчик по одному из пп.1 6, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен двумя подпружиненными скобами, выполненными из магнитомягкого материала, при этом каждая из скоб в рабочем состоянии установлена между капсулой и соответствующей стенкой концентратора магнитного потока. 8. Датчик по одному из пп.1 7, отличающийся тем, что основание корпуса снабжено установочными лапками.