УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТОКА Российский патент 2002 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для измерения силы тока в проводнике без разрыва этого проводника.

Известно устройство для измерения силы тока в проводнике без разрыва проводника [1] , называемое токоизмерительными клещами. Оно включает в себя составной магнитопровод, на одном из секторов которого намотана измерительная катушка. Недостатком этого устройства является возможность измерения только переменного тока.

От этого недостатка свободно устройство [2], которое является наиболее близким к предлагаемому устройству. Основой данного измерительного устройства также является составной магнитопровод, в одном из зазоров которого установлен датчик Холла. Процесс измерения с помощью этого устройства состоит в размыкании магнитопровода с помощью специального механизма, введения внутрь него проводника с током и замыкания магнитопровода. При протекании тока в магнитопроводе возникает магнитный поток, который пронизывает плоскость датчика Холла, вследствие чего на его выводах появляется эдс, пропорциональная магнитному потоку и, следовательно, измеряемому току. Измеренное значение в дальнейшем может индицироваться, запоминаться и передаваться для дальнейшей обработки в компьютер.

Отличительной особенностью этого устройства является отсутствие фиксации проводника внутри составного магнитопровода. Необходимо отметить, что это является достоинством устройства, поскольку существенно упрощает процесс измерения. Однако одновременно отсутствие фиксации является и недостатком, поскольку величина эдс зависит от места расположения проводника внутри магнитопровода, которое каждый раз оказывается случайным из-за того, что в подавляющем большинстве случаев наружные размеры проводника оказываются значительно меньше размеров внутреннего отверстия магнитопровода. Кроме того, дополнительная погрешность появляется в связи с тем, что датчик подвержен влиянию магнитных полей от расположенных рядом проводников с током или других источников.

Зависимость выходной эдс от места расположения проводника внутри магнитопровода и от посторонних магнитных полей может быть пояснена с помощью фиг.1.

Здесь: 1 - составной магнитопровод;
2 - датчик Холла;
3 - проводник с измеряемым током;
4 - помехообразующий проводник.

На фиг.1,а показано, что проводник 3 расположен на максимальном удалении от датчика Холла 2. Вокруг этого проводника возникает магнитный поток Ф_Σ, часть которого проходит по магнитопроводу Фm, а часть - по воздуху Ф_s. Датчик фиксирует только поток Фm, поскольку только он пронизывает его плоскость.

На фиг.1,б представлен случай, когда проводник 3 расположен около датчика 2. В этом случае датчик пронизывается всем потоком Ф_Σ.
В результате расчетов и экспериментов, проведенных заявителями, было установлено, что при наиболее применимых на практике соотношений размеров и токов различие в величинах выходной эдс датчика в этих двух крайних случаях доходит до 10%. Кроме того, видно, что датчик оказывается в зоне действия постороннего проводника с током 4. В зависимости от направления тока, протекающего по проводнику 4, его поток Ф_i может как увеличить показания датчика, так и уменьшить их, что одинаково нежелательно. В результате анализа устройства [2] отметим, что зависимость показаний датчика от положения проводника с измеряемым током и от посторонних магнитных полей существенно ограничивает точность измерений.

Предлагаемое изобретение позволяет существенно снизить погрешность измерений, не усложняя весь процесс измерений, т.е. сохраняя произвольный характер расположения проводника с током внутри магнитопровода. Это достигается тем, что в зазорах составного магнитопровода устанавливаются два или более датчиков Холла.

Фиг. 2 поясняет предложение. Здесь показан вариант предлагаемого устройства с двумя датчиками Холла 2' и 2'', установленными в зазорах составного магнитопровода 1. Сектор 5 этого магнитопровода является подвижным. Штриховкой отмечены одноименные плоскости датчиков Холла. Входные (токовые) выводы датчиков подключены к стабилизированному источнику питания, а выходные (холловские) выводы подключены к сумматору.

Один из возможных вариантов принципиальной электрической схемы соединений, соответствующей фиг.2, в упрощенном виде представлен на фиг.3, где
где 6 - стабилизированный источник питания;
7 - сумматор, в качестве которого может служить операционный усилитель;
C1, C2 - входные (токовые) выводы датчиков;
E1, E2 - выходные (холловские) выводы датчиков.

На фиг.3 точками отмечены одноименные плоскости датчиков (если на одноименные входные выводы датчиков Холла подано питание одинаковой полярности, а поток одинаково ориентирован относительно одноименных плоскостей датчиков, то на одноименных выходных выводах появляется эдс одинаковой полярности).

При измерении силы тока в проводнике 3 сектор 5 с помощью специального механизма отводится в сторону (его положение при этом показано пунктиром), проводник вводится внутрь магнитопровода, после чего сектор 5 возвращается в исходное положение. Протекающий по проводнику ток вызовет в магнитопроводе магнитный поток, который будет фиксироваться обоими датчиками. Датчики установлены в зазорах магнитопровода таким образом, что их одноименные плоскости одинаково ориентированы относительно измеряемого потока. При положении проводника, указанном на фиг.2, эдс датчиков будут пропорциональны пронизывающим их потокам, т.е.

E′ = kФ_Σ; E''=kФ_m; E_Σ = k(Ф_Σ+Ф_m);
где Е', Е'' - эдс соответственно датчиков 2' и 2'';
E_Σ - суммарная эдс;
k - коэффициент пропорциональности.

Очевидно, что перемещение проводника в позицию, указанную на фиг.1,б, не вызовет изменений в показаниях прибора. Таким образом, введение двух датчиков и использование для измерения тока их суммарной эдс не только увеличило выходной сигнал, что очевидно, но и сделало этот сигнал в значительной степени независимым от изменения положения проводника внутри составного магнитопровода, т.е. повысило точность измерения. Кроме того, существенно повысилась помехозащищенность измерительного устройства.

На фиг. 2 видно, что поток помехи Фi различно ориентирован относительно плоскостей обоих датчиков, вследствие чего порожденные в них паразитные эдс будут не складываться, а вычитаться. В результате влияние помехи значительно снижается.

Необходимо отметить, что применение двух датчиков не полностью исключает погрешность от изменения расположение проводника, хотя и существенно снижает ее (по результатам экспериментальных исследований - до 2%). Для большей точности предлагается увеличить число датчиков.

На фиг.4 представлена схема расположения четырех датчиков Холла. Однако следует отметить, что переход от двух датчиков к четырем снижает погрешность только на 1%, значительно усложняя при этом конструкцию размыкающего механизма и систему обработки сигналов. Дальнейшее увеличение числа датчиков целесообразно только в исключительных случаях, когда вопрос повышения точности становится особенно острым.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Справочник по электроизмерительным приборам. Под ред. К.К. Илюнина. Ленинград: Энергия, 1973, с.с. 456-457.

2. Патент РФ 2157033, кл. 7 Н 01 R 39/58, G 01 R 31/34, 1999 г. (прототип).

Использование: для измерения силы тока в проводнике без его разрыва. Технический результат заключается в снижении погрешности измерений, вызванной изменением положения проводника с измеряемым током внутри составного магнитопровода, и повышении помехозащищенности. Устройство содержит составной магнитопровод, в зазорах которого расположены два или более датчиков Холла, одноименные плоскости которых одинаково ориентированы относительно измеряемого потока, их входные (токовые) выводы подключены к стабилизированному источнику питания, а выходные (холловские) выводы подключены к сумматору. 4 ил.

Устройство для измерения силы тока в проводнике без разрыва этого проводника, состоящее из составного магнитопровода, в зазоре которого помещен датчик Холла, отличающееся тем, что в зазорах составного магнитопровода установлены два или более датчиков Холла, одноименные плоскости которых одинаково ориентированы относительно измеряемого потока, а их выходы подключены к сумматору.