Бесконтактный преобразователь тока Советский патент 1991 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к измерению электрических величин, в частности к технике измерения силы тока, и может быть использовано в измерителях постоянных, переменных и импульсных токов без разрыва цепи их протекания.

Цель изобретения - повышение точности и упрощение конструкции преобразователя.

На фиг 1 представлено устройство бесконтактного преобразователя тока; на фиг.2 - взаимное расположение токопровода и частей магнитопровода и используемые контуры обхода.

Бесконтактный преобразователь тока содержит магнитопровод, состоящий из двух частей, лежащих в одной плоскости,

одна из которых состоит из двух стержней разной длины 1 и 2, расположенных соосно, и датчика ХоллаВ, помещенного в узкий воздушный зазор между ними, другая также состоит из двух стержней разной длины 3 и 4, расположенных соосно, и датчика Холла 6, помещенного в узкий воздушный зазор между ними. Выходным сигналом преобразователя является сумма напряжений Холла, снимаемых с датчиков Холла.

При анализе работы преобразователя используются упрощающие допущения. При размещении токопровода 7 в точке В (фиг.2) в силу симметрии взаимного расположения токопровода и частей магнитопровода индукция в зазорах, где расположены датчики Холла, будет одинаковой. При этом

О

со

Ј ел о

на основании закона полного тока, с учетом малой протяженности воздушного зазора, в котором расположен датчик Холла 5, для контура 1 (CiAiEfl2C2BCi) можно записать: 2Нм1 + ягсрНе 1/2,(1)

где L - полудлина части магнитопровода;

Нм - усредненная напряженность магнитного поля в магнитопроводе;

Не - усредненная напряженность магнитного поля на дуге Д1ЕДа;

Г- величина тока в токопроводе; гСр - величина расстояния от частей магнитопровода до оси симметрии.

В (1) учтено, что на отрезке контура C2Ci вектор напряженности магнитного поля перпендикулярен этому отрезку, т.е. составляющая вектора вдоль CaCi равна нулю. Максимальную напряженность поля (Нд) на дуге ДчЕДг в точках Дч и Да можно связать с усредненной напряженностью следующим соотношением:

Но - kyHe,(2)

где ky- коэффициент усреднения.

Кроме того, исходя из граничных условий в точке Д1, можем записать

.(3)

где ц- магнитная проницаемость материала магнитопровода.

С учетом (2) и (3) выражение (1) принимает вид

2HML + 7rrcp/iHM/ky r/2.(4)

Индукция в зазоре при его малой протяженности равна индукции в магнитопроводе, т.е. выходные сигналы датчиков Холла пропорциональны Нм.

При смещении токопровода в точку В , выполнив обход по контуру 2 (Ст ДтЕДаСа всД получим

2 Нм (L-1) +я Гер Не1-1/2. (5) где Нм и Не1 - усредненные напряженности, аналогичные использованным в выражении (1), но яри токопроводе в точке В1;

J - смещение токопровода. В (5) учтено, что составляющая вектора напряженности магнитного поля, параллельная отрезку Са сЛ пренебрежимо мала в каждой точке этого отрезка. Дальнейшие преобразования выражения (5) выполним при допущении, что смещение токопровода практически не изменяет функции распределения Не и по дуге ДтЕДа, поскольку она в основном определяется конструкцией магнитопровода, а не влиянием относительно удаленного токопровода. Иначе говоря, Не и Не не отличаются, но значение коэффициента усреднения не зависит от смещения токопровода, тогда выражение (5) . примет вид

2HMl(L-0 + rrcp/MHM7ky I/2. (6)

Таким образом для контура 3 (CilFiNF2C2lBilCil) при условии неизменности коэффициента усреднения по дуге FiNF2 получим

2Нм(Ь+1) + л:гср/аНм Ду 1/2. (7)

Относительно изменения напряженно- стей магнитного поля в магнитопроводе (5i и (52), обусловленные смещением токопровода в контурах 2 и 3, определяются

следующими выражениями, соответственно:

15

51 7Г--1 Ю

ПмПм

fc-iSr-1(9)

Поскольку выходной сигнал преобразователя определяется суммой выходных сигналов датчиков Холла, то погрешность преобразователя от смещения токопровода определяется суммой указанных относи- тельных изменений

(52(Ю)

Приравнивая левые части (1) и (5), а также (1) и (7), после несложных преобразований получим

Нм 1

Нм .1/г,

1 ср

(11)

а л-+я/г/2ку

Н

Н

1 +

l/r,

ср

(12)

а я -f

где а

L

л г.

ср

Оценим величину дробного слагаемого в знаменателе выражений (11) и (12). Величина коэффициента а отражает взаимосвязь длины частей магнитопровода прототипа и заявляемого преобразователя (так, если эти длины одинаковы, то а 1), целесообразно выбирать а 2 - 3.

Очевидно, что смещение токопровода I не должно превышать L, т.е. соблюдается условие

1/гСр яа .(13)

Порядок величины ky оценим, записав закон полного тока для контура ДчЕД2Д

2 Нд гср Ндл; rcp/ky. Полагая, в первом приближении, Нд Нд, получим

.

Таким образом, при /г 1 справедливо неравенство

l/r,

ЈЕ.

azr+TT/i/ ky

« 1 ,

На основании (14) воспользуемся разложением выражений (11), (12) и в ряд и, ограничиваясь тремя членами ряда, получим

+ ( l/rcp N 2 Нм ajr+jr,M/2ky a7r+7r/ /2ky

.(15)

Нм

и

Н

l/r,

ср

+

l/r,

СЕ

J2

IMajr + ал + л/л/2Ьу),

(16)

Подставив (15) и (16) соответственно в (8)и(9),согласно(10) получим

(17)

2( /rcpJL (a + /2ky)2 Учитывая (13) и принимая во внимание 25 справедливость неравенства а /г/2ку, имеющего место при ц 1, получим следующее выражение для оценки максимальной погрешности преобразователя от смещения токопровода:.-,«

10

5

20

25 -,«

-Ч1макс

8

a ky Г

(18). : 500 получим

Так, при а 2,5; ky 2; // 5пмакс 8 .

Формула изобретения Бесконтактный преобразователь тока, содержащий расположенный по обе стороны от проводника с измеряемым током маг- нитопровод, состоящий из двух частей, лежащих в одной плоскости, и два датчика Холла, расположенных в узких воздушных зазорах магнитопровода, отличающий- с я тем, что, с целью повышенияя точности и упрощения конструкции, каждая из частей магнитопровода состоит из двух соосно расположенных стержней разной длины, между которыми расположен датчик Холла, оси обеих частей параллельны одна другой, а их концы лежат на двух прямых, перпендикулярных осям, центрально-симметрично оси симметрии, параллельной плоскостям датчиков Холла, ограничивающим область положений проводника с измеряемым током, а расстояние между частями магнитопровода равно (0,6-1) - , где L - полудлина одной из частей магнитопровода.

Изобретение относится к технике измерения электрических величин, в частности силы тока. Целью изобретения является повышение точности и упрощение конструкции преобразователя. Цель изобретения достигается тем, что в бесконтактном преобразователе тока магнитопровод состоит из двух частей, лежащих в одной плоскости и расположенных по обе стороны от проводника с измеряемым током Каждая из частей магнитопровода состоит из двух соосно расположенных стержней разной длины, между которыми в узком воздушном зазоре расположен датчик Холла. Оси обеих частей параллельны друг другу, а их концы лежат на двух прямых, перпендикулярных осям, центрально симметрично относительно оси симметрии, параллельной плоскостям датчиков Холла, ограничивающим область положений проводника с измеряемым током. Расстояние между частями магнитопровода равно (0,6-1) - , где L JL магнитопровода.2 ил полудлина части Ј

г 5 l

-j