ДАТЧИК ТОКА Российский патент 2007 года по МПК G01R15/18 G01R19/15 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в цепях измерения переменного тока приборов учета и регистрации электроэнергии.

Известен датчик тока (Свидетельство на полезную модель №7207, опубл. 16.07.1998 г., H 01 F 27/00), используемый в электросчетчиках. Он содержит токовую шину в виде петли, охватывающей катушку индуктивности установленную на панели. Для защиты от воздействия внешних магнитных полей они помещены при помощи изоляционной обоймы в замкнутый прямоугольный экран. Катушка индуктивности состоит из двух обмоток, первая обмотка является измерительной, а вторая обмотка, намотанная поверх первой, служит электростатическим экраном.

Принцип работы датчика тока основан на эффекте Роговского. При протекании электрического тока через токовую шину вокруг нее создается магнитное поле, пронизывающее силовыми линиями вдоль оси катушку индуктивности. Электродвижущая сила, наводимая в катушке индуктивности, пропорциональная производной тока di/dt, а при подключении измерительной обмотки к интегратору, собранном на операционном усилителе, преобразуется на его выходе в напряжение, пропорциональное i(t), пригодное для дальнейшей обработки.

К недостаткам датчика тока следует отнести высокие трудоемкость изготовления и себестоимость, так как он содержит большое количество деталей, а для изготовления замкнутого прямоугольного экрана используется дорогостоящий материал с высокой магнитной проницаемостью.

Известен датчик тока (Патент ЕР 1515146, опубл. 16.03.2005 г., G 01 R 15/18, Fig.1), содержащий токовую шину в виде петли охватывающей первую катушку индуктивности. С внешней стороны петли на минимальном расстоянии от первой катушки индуктивности расположена вторая катушка индуктивности. Обе катушки индуктивности установлены на печатной плате и состоят из двух обмоток. Первые обмотки являются измерительными, а вторые обмотки, намотанные поверх первых, служат электростатическим экраном.

Принцип работы этого датчика тока также основан на эффекте Роговского. При протекании электрического тока через токовую шину вокруг нее создается магнитное поле, пронизывающее силовыми линиями вдоль оси катушки индуктивности в противоположном направлении. Электродвижущая сила, наводимая в катушках индуктивности, при подключении измерительных обмоток к входам операционного усилителя, преобразуется на выходе в напряжение, пропорциональное производной тока di/dt.

Использование второй катушки индуктивности позволяет компенсировать влияние внешнего переменного магнитного поля. Силовые линии внешнего магнитного поля пронизывают обе катушки индуктивности в одном направлении. Напряжения, наводимые на катушках индуктивности, на входах операционного усилителя будут равны по величине и совпадать по направлению компенсироваться на его выходе. Однако разнесенные относительно друг друга катушки индуктивности не позволяют полностью исключить влияние внешнего магнитного поля, так как силовые линии не одинаково на них воздействуют в зависимости от направления магнитного поля.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является датчик тока (Патент ЕР 1515146, опубл. 16.03.2005 г., G 01 R 15/18, Fig.5), содержащий токовую шину в виде U-образной пластины, изогнутой в верхней части под прямым углом последовательно два раза. Внутри токовой шины вдоль горизонтальной оси расположены две катушки индуктивности. Обе катушки индуктивности намотаны на одном каркасе и установленны на печатной плате. Такое построение датчика тока позволяет полностью компенсировать влияние внешнего переменного магнитного поля, так как его силовые линии одновременно пронизывают обе катушки индуктивности в одном направлении.

Недостатком этого датчика тока является низкая напряженность магнитного поля, воздействующего на катушки индуктивности, из-за неоптимальной конструкции токовой шины, что приводит к увеличению погрешности измерения тока.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении точности измерения тока.

Технический результат достигается за счет изменения конфигурации токовой шины и ориентации относительно нее катушек индуктивности, что позволяет увеличить напряженность магнитного поля. При использовании одних и тех же катушек индуктивности в предлагаемом датчике тока требуется меньшее усиление операционного усилителя, реализованного на микросхеме, и повышается стабильность показаний основной погрешности.

Предлагаемый датчик тока содержит две катушки индуктивности, намотанные на одном каркасе, установленном на печатной плате, и токовую шину, выполненную в виде изогнутой U-образной пластины. При этом внутренняя часть токовой шины содержит первое и второе отверстия, а шина изогнута таким образом, что первое и второе отверстия имеют общую геометрическую ось и охватывают соответственно первую и вторую катушки индуктивности, установленные вертикально.

На Фиг.1 показана конструкция токовой шины в развернутом виде, выполненной способом штамповки, где

1 - токовая шина;

2 - первое отверстие;

3 - второе отверстие.

На Фиг.2 приведена конструкция датчика тока, где

4 - первая катушка индуктивности;

5 - вторая катушка индуктивности;

6 - печатная плата.

Датчик тока включает в себя токовую шину 1, выполненную в виде изогнутой U-образной пластины. Внутренняя часть токовой шины содержит первое отверстие 2 и второе отверстие 3. Внутри отверстия 2 токовой шины 1 размещена первая катушка индуктивности 4, а внутри отврстия 3 токовой шины 1 размещена вторая катушка индуктивности 5.

Первая катушка индуктивности 4 и вторая катушка индуктивности 5 намотаны на одном каркасе, установленном на печатную плату 6 вертикально. Первая катушка индуктивности 4 и вторая катушка индуктивности 5 содержат измерительные обмотки, поверх которых намотана общая третья обмотка, служащая электростатическим экраном. Начала измерительных обмоток первой катушки индуктивности 4 и второй катушки индуктивности 5 подключаются к входам операционного усилителя, реализованного на микросхеме, обеспечивающего обработку входного сигнала, пропорционального производной тока. Концы измерительных обмоток первой катушки индуктивности 4 и второй катушки индуктивности 5 и конец третьей обмотки подключены к общей шине прибора.

Концы токовой шины 1 могут подключаться к клеммной колодке прибора или использоваться как детали зажима клеммной колодки. Печатная плата 6 может быть как отдельной печатной платой, так и частью общей печатной платы прибора.

Датчик тока работает следующим образом. При протекании электрического тока через токовую шину 1 вокруг нее создается магнитное поле, пронизывающее силовыми линиями вдоль оси первую катушку индуктивности 4 и вторую катушку индуктивности 5. При этом направление силовых линий внутри первого отверстия 2 токовой шины 1 противоположно по направлению силовым линиям внутри второго отверстия 3 токовой шины 1. Следовательно, если силовые линии втекают в первую катушку индуктивности 4, то из второй катушки индуктивности 5 они будут вытекать и наоборот, при изменении направления электрического тока. Электродвижущая сила, наводимая в первой катушке индуктивности 4 и второй катушке индуктивности 5, преобразуется на входах операционного усилителя, реализованного на микросхеме, в напряжения, пропорциональные производной тока di/dt, равные по величине и противоположные по направлению, которые далее преобразуются в цифровой сигнал, пропорциональный i(t), пригодный для дальнейшей обработки.

Датчик тока, благодаря высокой линейности в широком диапазоне измеряемых токов, малой потребляемой мощности, отсутствию магнитного сердечника, низкой температурной зависимости и себестоимости, способен заменить широко используемые для этих целей в настоящее время традиционные измерительные трансформаторы тока и резистивные шунты.

Одним из важных показателей, характеризующих приборы учета и регистрации электроэнергии в процессе эксплуатации, является влияние самонагрева. В качестве одного из тестируемых датчиков тока был выбран резистивный шунт. Он наиболее близок к заявляемому изобретению по способности учета постоянной составляющей в цепи переменного тока. На недоучете постоянной составляющей основан один из способов хищения электроэнергии.

Испытания проводились согласно ГОСТ РМЭК 62053-21 «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования», п.7.3 «Влияние самонагрева». Измеритель мощности реализован на микросхеме класса точности 1.0, позволяющей обрабатывать входные сигналы с обоих датчиков тока. Измерения проводят в течение одного часа с интервалом в 10 минут. Результаты тестов приведены в таблице.

Сравнительный анализ показывает, что оба датчика тока соответствуют требованиям ГОСТ, в соответствии с которыми погрешность измерения тока при проведении испытаний не должна превышать ±1,7%. Однако датчик тока на резистивном шунте обеспечивает значительно больший недоучет электроэнергии. Одновременно проводился контроль температуры внутри корпуса прибора, для датчика тока на резистивном шунте температура повысилась на 12°С относительно нормальной. Следовательно, увеличение погрешности - измерения тока вызвано самонагревом электрического шунта.

Предложенное изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в цепях измерения переменного тока приборов учета и регистрации электроэнергии. Технический результат от реализации данного изобретения заключается в повышении точности измерения тока за счет исключения дополнительной температурной погрешности. Предложенный датчик тока содержит две катушки индуктивности, намотанные на одном каркасе, установленном на печатной плате, и токовую шину, выполненную в виде изогнутой U-образной пластины, при этом внутренняя часть токовой шины содержит первое и второе отверстия, а шина изогнута таким образом, что первое и второе отверстия имеют общую геометрическую ось и охватывают соответственно первую и вторую катушки индуктивности, установленные вертикально. 1 табл., 2 ил.

Датчик тока, содержащий две катушки индуктивности, намотанные на одном каркасе, установленном на печатной плате, и токовую шину, выполненную в виде изогнутой U-образной пластины, отличающийся тем, что внутренняя часть токовой шины содержит первое и второе отверстия, а шина изогнута таким образом, что первое и второе отверстия имеют общую геометрическую ось и охватывают соответственно первую и вторую катушки индуктивности, установленные вертикально.