УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕДАЮЩЕЙ ЛИНИИ Российский патент 2023 года по МПК G01R19/00 

Настоящее изобретение относится к электротехнике, ускорительной технике, электронике, физике плазмы, радиотехнике и предназначено для измерения импульсных токов, напряжений в формирующих и передающих линиях, может быть преимущественно использовано для измерения их амплитуд. Кроме этого, изобретение может найти применение для измерения частоты, определения наличия электромагнитной энергии в передающих линиях и для создания датчиков токов, напряжений гармонических сигналов или последовательности импульсов без разрыва линии или где распространяется пучок заряженных частиц, или находится столб плазмы. Заявляемое устройство позволяет проводить измерения токов снаружи корпусов передающих линий.

Известно устройство - пояс Роговского, предназначенное для измерения импульсных токов, напряжений в формирующих и передающих линиях. Главная особенность пояса Роговского его охват провода основного контура, где необходимо измерять протекающий ток. Данный провод (шина, проводник) может называться различно: сигнальный, потенциальный, токоведущий, токопроводящий, проводящий, фазный, просто токопровод и т.д. Кроме этого, он может быть как одножильным, так и многожильным.

Известно устройство измерения тока, протекающего по линии, названное поясом Роговекого [Rogowski W., Steinhaus W. Die messung dor magnetisehen spannung // Archiv fur Elektrotechnik, 1912, 1, p.141-150]. Устройство представляет собой катушку измерения, намотанную проводом на какой-либо сердечник и замкнутую в тороидальную форму. К концам провода подключается нагрузка, с которой снимается полезная информация. Внутри катушки проходит один токоведущий провод. Способ измерения состоит в следующем: протекающий по одному токоведущему проводу ток при своем изменении создает своим магнитным полем в катушке, надетой на этот токоведущий провод, электродвигающую силу (ЭДС) самоиндукции, которая в дальнейшем регистрируется и несет информацию о токе, протекающему по токоведущему проводу.

Недостатком данного устройства является необходимость разрывать кабель, линию чтобы использовать только токоведущий провод. Если сквозь катушку будет одновременно проходить обратный токопровод и токоведущий провод, где необходимо измерить ток, то на выходе катушки будет регистрироваться шум, обусловленный тем, что оба тока, текущих в разных направлениях по токоведущему проводу и обратному токопроводу, будут наводить в катушке ЭДС противоположных полярностей, уничтожающих друг друга.

Известно также устройство для измерения тока, протекающего по линии, называемое поясом Роговского [Казаков М.К. Использование воздушного трансформатора в составе измерительных преобразователей тока в электроэнергетике // Информатика, вычислительная техника и управление, 2019, №6-2, с. 74-80]. Пояс Роговского представляет собой типичную обмотку, намотанную на неферромагнитный каркас (возможен гибкий каркас). Обмотка охватывает токопровод с измеряемым переменным током, на выходе обмотки появляется напряжение, связанное с измеряемым током постоянным коэффициентом пропорциональности.

Недостатком известного устройства является то, что необходимо разрывать кабель, линию, чтобы использовать только токопровод, проходящий через пояс. Известное устройство не позволяет производить измерение тока, если пропустить целый кабель или линию с прямым (токоведущим) и обратным токопроводом через пояс, не разрывая их. Указанный недостаток обусловлен тем, что оба тока, текущих в разных направлениях по токопроводу и обратному токопроводу, будут наводить в поясе ЭДС противоположных полярностей, уничтожающих друг друга.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному устройству измерения тока, напряжения в передающей линии [Техника высоких напряжений: учебник для вузов / И.М. Богатенков. Ю.Н. Бочаров. Н.И. Гумерова. Г.М. Иманов и др. Под редакцией Г.С. Кучинского. - Санкт-Петербург: Энергоатомиздат. 2003. - 608 с. (С. 560-563)]. Пояс Роговского представляет собой тороидальную катушку, которая охватывает провод основного контура. Для измерения тока его выводы замыкают на резистор с малым сопротивлением, затем подсоединяют к осциллографу.

Недостатком известного устройства, принятою за прототип, является то, что необходимо разрывать кабель, линию, чтобы использовать только провод основного контура, проходящий через катушку. Через известное устройство нельзя пропустить целый кабель или линию с проводом основного контура и обратным токопроводом и проводить измерения. Указанный недостаток обусловлен тем, что оба тока, текущих в разных направлениях по проводу основного контура и обратному токопроводу будут наводить в катушке ЭДС противоположных полярностей, уничтожающих друг друга.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание нового устройства измерения тока, напряжения, определения наличия электромагнитной энергии в формирующих и передающих линиях без их разрыва.

Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность измерения амплитуды и частоты тока, напряжения гармонических сигналов или последовательности импульсов, определения наличия электромагнитной энергии в формирующих и передающих линиях без разрыва формирующей или передающей линии.

Дополнительным техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является определение наличия электромагнитной энергии в передающей линии без разрыва линии при однократном возбуждении передающей линии импульсом тока или напряжения.

Данный технический результат достигается тем, что в устройстве измерения тока, напряжения в передающей линии, представляющем собой замкнутую тороидальную катушку, выводы которой подключены к нагрузке, с которой снимается полезная информация, а сквозь тороидальную катушку проходит токоведущий провод передающей линии, где необходимо измерить ток, состоящей из, по крайней мере, одного токоведущего провода и одного обратного токопровода. Согласно изобретению тороидальная катушка охватывает всю передающую линию, включающую одновременно и токоведущий провод, и обратный токопровод, выводы тороидальной катушки и нагрузка подсоединены к резонансной системе, расположение и параметры резонансной системы обеспечивают равенство ее резонансной частоты частоте измеряемого тока или напряжения.

Выводы тороидальной катушки подсоединены к резонансной системе через устройство возбуждения, нагрузка подсоединена к резонансной системе через устройство съема.

Тороидальная катушка имеет незамкнутую форму, она и резонансная система состоят каждая, но крайней мере, из двух разъемных частей.

В тороидальную катушку, резонансную систему, а также между устройством возбуждения, устройством съема и резонансной системой установлен слой магнетика, либо слой диэлектрика, либо слой плазмы, либо метаматериалы, либо их сочетания.

Передающая линия заключена, по крайней мере, в один проводящий экран.

Охват тороидальной катушкой всей передающей линии (формирующей линии), включающей одновременно и токоведущий провод, и обратный токопровод позволяет не разрывать передающую линию, не выделять отдельно токоведущий провод и обратный токопровод, дополнительно не принимать мер по их отдельной изоляции. Тем самым отсутствуют затраты на подготовку передающей линии к измерениям.

Применение резонансной системы, резонансная частота которой близка к частоте измеряемого тока или напряжения, позволяет выделять из шумоподобного сигнала, получаемого тороидальной катушкой и передаваемого в резонансную систему, сигналы с частотой измеряемого тока или напряжения и усиливать их. Расположение резонансной системы относительно тороидальной катушки и передающей линии, а также параметры резонансной системы обеспечивают настройку резонансной частоты резонансной системы на частоту измеряемого тока или напряжения.

Известно, что немагнитные оболочки коаксиальных кабелей плохо экранируют переменные магнитные поля низкой частоты, так в петле, образованной жилами силового коаксиального кабеля и его свинцовыми ободочками определяется магнитное поле [Техника высоких напряжений: учебник для вузов / И.М. Богатенков, Ю.Н. Бочаров, Н.И. Гумерова, Г.М. Иманов и др. Под редакцией Г.С. Кубинского. - Санкт-Петербург: Энергоатомиздат. 2003. 608 с. (С. 556, с. 489-490)]. Таким образом, ненулевое значение магнитного потока рядом с коаксиальным кабелем, но которому идет какой-либо сигнал, перехватывается тороидальной катушкой и позволяет резонансной системе выделить частоту данного сигнала, возбудить в себе колебательный процесс на данной частоте и усилить его.

Подсоединение выводов тороидальной катушки к резонансной системе через устройство возбуждения, а нагрузки к ней через устройство съема обеспечивает удобство применения резонансной системы в виде резонаторов. При настройке резонансной частоты резонатора на частоту измеряемого тока или напряжения следует учитывать влияние на резонансную частоту резонатора устройств возбуждения и съема.

Выполнение тороидальной катушки незамкнутой формы, и резонансной системы, по крайней мере, из двух разъемных частей увеличивает удобство в подготовке к измерениям на передающей линии.

Внесение в тороидальную катушку, резонансную систему, а также между устройством возбуждения и резонансной системой и между устройством съема и резонансной системой слой магнетика, либо слой диэлектрика, либо слой плазмы, либо метаматериалы, либо их сочетания обеспечивает дополнительное управление резонансной частотой резонансной системы, а также усиление или ослабление выходного сигнала из резонансной системы.

Применение резонансной системы для измерения амплитуды и частоты тока или напряжения возможно, когда передающая линия заключена, по крайней мере, в один проводящий экран. Проводящий экран еще больше ослабляет сигнал снаружи передающей линии, который перехватывается тороидальной катушкой и увеличивает требования к параметрам резонансной системы, например, к ее добротности.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1 схематично изображено устройство измерения тока, напряжения в передающей линии, где:

1 - передающая линия с измеряемым током или напряжением, состоящая из токоведущего провода и обратного токопровода;

2 - тороидальная катушка (катушка измерения);

3 - устройство возбуждения (катушка возбуждения);

4 - резонансная система (однослойная катушка - сакральный резонатор);

5 - устройство съема (катушка съема);

6 - генератор;

7 - осциллограф (нагрузка для резонансной системы);

8 - сопротивление нагрузки для передающей линии.

На Фиг. 2 изображены осциллограммы, характеризующие работу устройства измерения тока, напряжения в передающей линии при подаче периодического сигнала, где:

9 - сигнал с генератора (6), поступающий в передающую линию (1);

10 - сигнал с устройства съема (5);

11 - сигнал запускающий осциллограф (7).

На Фиг. 3 изображена осциллограмма, характеризующая работу устройства измерения тока, напряжения в передающей линии при подаче единичного импульса, где:

12 - сигнал с устройства съема (5);

13 - импульсный сигнал с генератора (6), поступающий в передающую линию (1).

Осуществление изобретения

Заявляемое устройство включает в себя тороидальную катушку (2), устройство возбуждения (3), резонансную систему (4), устройство съема (5). Тороидальная катушка (2) охватывает передающую линию (1) целиком. Генератор (6) периодического сигнала подключен к передающей линии (1), которая подключена другим концом к сопротивлению нагрузки (8), которое может быть заземлено. Передающая линия (1) проходит через тороидальную катушку (2). Выводы тороидальной катушки (2) подсоединены к выводам устройства возбуждения (3), которое надето на резонансную систему (4). Устройство съема (5) также надето на резонансную систему (4). Вывод устройства съема (5) подключен к нагрузке в виде осциллографа (7).

В качестве резонансной системы (4) используется спиральный резонатор на основе однослойной многовитковой катушки. Спиральная катушка - линия с распределенными параметрами [Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. В трех частях. - Москва: Высшая школа. 1961. - 792 с. (С. 465)]. Как и многие резонаторы, спиральный резонатор работает на волновых эффектах пространственной локализации электромагнитной волны в нем [Ханзел Г. Справочник по расчету фильтров // Hansell G.Е. Filter design and evaluation, 1969. Перевод с английского Старостина В.А. Под редакцией Знаменского A.Е. Москва: Советское радио, 1974. 287 с. (С. 257)].

Полезная информация может сниматься осциллографом (7) между выводом устройства съема (5) и заземлением.

Устройство возбуждения (3), резонансная система (4) и устройство съема (5) могут быть заключены в проводящий экран, который не должен быть заземлен. При настройке резонансной системы (4) на частоту измеряемого тока или напряжения следует учитывать влияние на резонансную частоту проводящего экрана.

Резонансная система (4), выполненная на основе резонатора, может быть открытой, закрытой, заземленной, открытой только с одной стороны. На Фиг. 1 резонансная система (4) показана в виде спирального резонатора, открытого с одной стороны и заземленного с другой стороны. Размеры, параметры резонансной системы (4) и расположение устройства возбуждения (3), и устройства съема (5) на резонансной системе (4) обеспечивают равенство собственной частоте резонансной системы (4) частоте измеряемого тока или напряжения.

Устройство работает следующим образом. С генератора (6) подается последовательность прямоугольных импульсов (9) в передающую линию (1), которая нагружена на сопротивление нагрузки (8). Передающая линия (1) проходит сквозь тороидальную катушку (2). Или другими словами, тороидальная катушка (2) охватывает вею передающую линию (1) целиком. К выводам тороидальной катушки (2) подсоединены выводы устройство возбуждения (3), которое надето на резонансную систему (4), в виде спирального резонатора, на которую также надето устройство съема (5), вывод устройство съема (5) подсоединен к осциллографу (7). Токи I(t), протекающие по передающей линии (1) в разных направлениях, возбуждают своими магнитными полями ЭДС в тороидальной катушке (2), с которой шумоподобный сигнал подается на выводы устройства возбуждения (3), которое индукционно возбуждает ЭДС и электрические синусоидальные колебания в спиральном резонаторе, который в свою очередь индукционно возбуждает ЭДС в устройстве съема (5), полезный сигнал с которого в виде гармонического синусоидального колебания (10) попадает на осциллограф (7). При совпадении собственной частоты резонансной системы (4) с частотой измеряемого тока, напряжения в передающей линии (1) проявляется резонанс колебаний в резонансной системе (4) и, соответственно, в устройстве съема (5), который выделяет и усиливает частотную составляющую измеряемого сигнала в ЭДС тороидальной катушки (2). Выделенные и усиленные гармонические синусоидальные колебания (10) регистрируются осциллографом (7). Амплитуда гармонического синусоидального сигнала, регистрируемого осциллографом (7). пропорциональна силе тока или напряжения в передающей линии (1). Выбор измеряемого тока или напряжения определяется предварительной калибровкой устройства на известном токе или напряжении заранее.

При подаче с генератора (6) сигнала в виде одного импульса (13) в передающую линию (1) устройство работает таким же обратом. В тороидальной катушке (2) наводится ЭДС и шумоподобный сигнал подается на выводы устройства возбуждения (3), которое индукционно возбуждает ЭДС и ударно возбуждает электрические синусоидальные колебания в спиральном резонаторе, которые в свою очередь индукционно возбуждают ЭДС в устройстве съема (5), полезный сигнал с которого в виде затухающего синусоидального колебания (12) попадает на осциллограф (7). Таким образом, устройство определяет наличие электромагнитной энергии в передающей линии (1).

Заявляемое устройство измерения тока, напряжения в передающей линии реализовано следующим образом. Тороидальная катушка (2) состоит из 64 витков, выполненных намоткой медным проводом диаметром 1 мм на диэлектрической трубке диаметром 25 мм, и образует тор со средним диаметром 60 мм. Устройство возбуждения (3) является плоской катушкой из 2 витков, навитых медным проводом диаметром 2 мм. Резонансная система (4) является однослойной катушкой, которая состоит из 600 витков, выполненных намоткой друг к другу медным проводом диаметром 0,32 мм на диэлектрической трубке диаметром 60 мм. Устройство съема (5) является плоской катушкой из 2 витков, навитых медным проводом диаметром 2 мм. Передающая линия (1) является коаксиальным кабелем РК 50-4-11 и нагружена на согласованное сопротивление нагрузки (8) равное 50 Ом, генератор (6) - тип TOP110 10 MHz Pulse Generator, осциллограф (7) - тип TDS 3054 С.

Таким образом, благодаря заявляемому изобретению возможно измерение амплитуды и частоты тока, напряжения, определение наличия электромагнитной энергии гармонического сигнала или последовательности импульсов в формирующей и передающей линиях без их разрыва или снаружи линии, а не внутри. Кроме этого, обеспечивается определение наличия электромагнитной энергии в передающей линии без разрыва линии при однократном возбуждении передающей линии импульсом тока или напряжения.

Устройство имеет дальнейшее развитие в области электротехники и электроэнергетики, ускорительной техники, электроники, физики плазмы, радиотехники и радиосвязи, промышленности как измеритель или обнаружитель сигнала, определитель пробоя или несанкционированного подключения в кабеле, корпусе линии или канала.

Настоящее изобретение относится к электротехнике, ускорительной технике, электронике, физике плазмы, радиотехнике и предназначено для измерения импульсных токов, напряжений в формирующих и передающих линиях, может быть преимущественно использовано для измерения их амплитуд. Кроме этого изобретение может найти применение для измерения частоты, определения наличия электромагнитной энергии в передающих линиях и для создания датчиков токов, напряжений гармонических сигналов или последовательности импульсов без разрыва линии или где распространяется пучок заряженных частиц, или находится столб плазмы. Данный технический результат достигается тем, что в устройстве измерения тока, напряжения в передающей линии, представляющем собой замкнутую тороидальную катушку, выводы которой подключены к нагрузке, с которой снимается полезная информация, а сквозь тороидальную катушку проходит токоведущий провод передающей линии, где необходимо измерить ток, состоящей из, по крайней мере, одного токоведущего провода и одного обратного токопровода. Согласно изобретению, тороидальная катушка охватывает всю передающую линию, включающую одновременно и токоведущий провод, и обратный токопровод, выводы тороидальной катушки и нагрузка подсоединены к резонансной системе, расположение и параметры резонансной системы обеспечивают равенство ее резонансной частоты частоте измеряемого тока или напряжения. Техническим результатом при реализации заявленного изобретения является возможность измерения амплитуды и частоты тока, напряжения гармонических сигналов или последовательности импульсов, определения наличия электромагнитной энергии в формирующих и передающих линиях без разрыва формирующей или передающей линии. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство измерения тока, напряжения в передающей линии, представляющее собой замкнутую тороидальную катушку, выводы которой подключены к нагрузке, с которой снимается полезная информация, а сквозь тороидальную катушку проходит токоведущий провод передающей линии, где необходимо измерить ток, состоящей из, по крайней мере, одного токоведущего провода и одного обратного токопровода, отличающееся тем, что тороидальная катушка охватывает всю передающую линию, включающую одновременно и токоведущий провод, и обратный токопровод, выводы тороидальной катушки и нагрузка подсоединены к резонансной системе, расположение и параметры резонансной системы обеспечивают равенство ее резонансной частоты частоте измеряемого тока или напряжения.

2. Устройство измерения тока, напряжения в передающей линии по п. 1, отличающееся тем, что выводы тороидальной катушки подсоединены к резонансной системе через устройство возбуждения, нагрузка подсоединена к резонансной системе через устройство съема.

3. Устройство измерения тока, напряжения в передающей линии по п. 1, отличающееся тем, что тороидальная катушка имеет незамкнутую форму, она и резонансная система состоят каждая, по крайней мере, из двух разъемных частей.

4. Устройство измерения тока, напряжения в передающей линии по п. 1, отличающееся тем, что передающая линия заключена, по крайней мере, в один проводящий экран.

5. Устройство измерения тока, напряжения в передающей линии по п. 2, отличающееся тем, что в тороидальную катушку, резонансную систему, а также между устройством возбуждения, устройством съема и резонансной системой установлен слой магнетика, либо слой диэлектрика, либо слой плазмы, либо метаматериалы, либо их сочетания.