Измерительные токовые клещи

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Измерительные токовые клещи, содержащие помещенный в диэлектрический корпус составной разъемный кольцевой магнитопровод с размыкающим механизмом и два датчика Холла с одинаково ориентированными одноименными плоскостями, размещенные 15446 1 2012.02.28 в двух зазорах между двумя секторами магнитопровода и соединенные токовыми и холловскими выводами со стабилизированным источником питания и сумматором соответственно, а также прибор индикации и передачи сигнала с сумматора для дальнейшей обработки, отличающиеся тем, что обращенные друг к другу боковые стороны указанных секторов выполнены в форме трапеций с большим основанием, равным толщине кольца магнитопровода, и углом при большем основании от 45 до 60, меньшие основания которых, представляющие собой границы указанных зазоров, равны длине соответствующего датчика Холла или превышают ее, а на внешней стороне магнитопровода выполнен разъемный экран, содержащий последовательно расположенные внутренний диэлектрический слой, ферромагнитный каркас из материала с высокой магнитной проницаемостью,например пермаллоя, и внешнее покрытие из множества чередующихся тонкопленочных слоев, в том числе нанослоев, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. 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 измерительными токовыми 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. 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, введении внутрь него проводника с током и замыкании 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. С одной стороны, это является достоинством устройства, поскольку существенно упрощает процесс измерения, а с другой стороны, 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. Известно устройство 3, наиболее близкое к предлагаемому (прототип). В одном из вариантов устройство содержит составной магнитопровод, выполненный в виде кольца, в зазорах которого расположены два датчика 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. Сектор этого магнитопровода является подвижным. При измерении силы тока в проводнике подвижный сектор с помощью специального размыкающего механизма отводится в сторону, проводник вводится внутрь магнитопровода, после чего сектор возвращается в исходное положение. Протекающий по проводнику ток вызовет в магнитопроводе магнитный поток, который фиксируется обоими датчиками и суммируется. Напряжения Холла, вызванные измеряемым током в обоих датчиках Холла,2 15446 1 2012.02.28 также суммируются, что приводит к значительному уменьшению влияния относительного расположения проводника с измеряемым током в магнитопроводе, а напряжения, происходящие от паразитных внешних полей (помех), при определенных ориентациях последних могут частично компенсироваться. Недостатком этого устройства является низкая точность измерений тока из-за влияния внешних магнитных полей, возникающих от обратного провода, ферромагнитных масс и особенно от низкочастотных электромагнитных помех. Задачей настоящего изобретения является увеличение точности измерений тока в сложных условиях присутствия больших ферромагнитных масс, близкорасположенных проводов с током и низкочастотных электромагнитных помех. Решение поставленной задачи достигается тем, что измерительные токовые клещи содержат помещенный в диэлектрический корпус составной разъемный кольцевой магнитопровод с размыкающим механизмом и два датчика Холла с одинаково ориентированными одноименными плоскостями, размещенные в двух зазорах между двумя секторами магнитопровода и соединенные токовыми и холловскими выводами со стабилизированным источником питания и сумматором соответственно, а также прибор индикации и передачи сигнала с сумматора для дальнейшей обработки. Новым, по мнению автора, является то, что обращенные друг к другу боковые стороны указанных секторов выполнены в форме трапеций с большим основанием, равным ширине кольца магнитопровода, и углом при большем основании от 45 до 60, меньшие основания которых, представляющие собой границы указанных зазоров, равны длине соответствующего датчика Холла или превышают ее, а на внешней стороне магнитопровода выполнен разъемный экран, содержащий последовательно расположенные внутренний диэлектрический слой, ферромагнитный каркас из материала с высокой магнитной проницаемостью, например пермаллоя, и внешнее покрытие из множества чередующихся тонкопленочных слоев, в том числе нанослоев, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. Новизна технического решения заключается в том, что применен экран в измерительных токовых клещах, состоящий из ферромагнитного каркаса с высокой магнитной проницаемостью, например пермаллоя, и многослойных чередующихся тонкопленочных слоев, в том числе нанослоев, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. Известно 4, что при экранировании магнитной напряженности низкочастотных электромагнитных полей большой интенсивности применяются многослойные экраны как с целью повышения эффективности экранирования, так и с целью более рационального их конструирования (уменьшения массы и габаритов экрана). Слои из ферромагнитного и немагнитного материалов выполнены чередующимися, поскольку чередование слоев с разными волновыми сопротивлениями приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в поперечном их сечении. В экране датчика используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты, когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный. Следует отметить, что форма экрана сравнительно слабо влияет на его экранирующие функции. Таким образом, применение в устройстве многослойного экрана, содержащего чередующиеся ферромагнитный и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает решение поставленной задачи по значительному повышению точности измерений за счет пассивного подавления внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля. Из литературных источников известно, что многослойный пленочный экран, состоящий всего лишь из 10-20 тонкопленочных слоев по 0,1 мкм, обеспечивает 3 15446 1 2012.02.28 коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 /м не менее 8-10 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-1000 000 Гц не менее 30-40. Кроме этого, составной магнитопровод выполнен так, что обращенные друг к другу боковые стороны секторов магнитопровода выполнены в форме трапеций с большим основанием, равным ширине кольца магнитопровода, и углом при большем основании от 45 до 60, причем меньшие основания которых, представляющие собой границы указанных зазоров, равным длине соответствующего датчика Холла или превышают ее,. Такая геометрия магнитопровода является также новой и позволяет обеспечить практически постоянство величины индукции магнитного поля в месте расположения элемента Холла, т.е. все части элемента Холла находятся в квазиоднородном магнитном поле, что повышает точность и однозначность преобразования величины тока в выходной сигнал датчика Холла. Анализ элементов предлагаемого устройства, приведенных в отличительной части,показывает, что некоторые из них могут встречаться по отдельности в различных технических решениях, не относящихся к измерительным токовым клещам. Однако в совокупности набор этих элементов неизвестен, поэтому является новым. Поэтому заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Кроме того, совокупность этих элементов придает измерительным токовым клещам новое качество функционирования и обеспечивает полное решение поставленной задачи. Новые технологии получения нанослоев многослойных покрытий обеспечивают возможность многократного увеличения экранирования электромагнитных полей практически без наращивания массы экрана, что является кардинальным решением поставленной задачи или сверхэффектом. Поэтому указанные отличительные признаки являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в комплексе обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно,можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 изображены измерительные токовые клещи в разрезе вдоль магнитопровода,охватывающие проводник с измеряемым током. На фиг. 2 представлена зависимость нормальной составляющей индукции магнитного поляот длины перемещенияпо радиусу в одном из зазоров кольцеобразного магнитопровода с трапецеидальными заострениями по его центру при величине тока в проводнике 12,56 . Проводник (медь) имеет круглое сечение радиусом 2 мм и расположен в центре магнитопровода. Расчет выполнен с использованием программы 5(, версия 4.2) для магнитопровода из армко-железа с трапециодальными заострениями 45 при большем основании и меньшем основании,равном 0,6 мм. Внешний диаметр магнитопровода 54 мм и внутренний 50 мм, ширина зазора 0,4 мм. Для сравнения на фиг. 3 представлена зависимость, аналогичная как на фиг. 2, только для магнитопровода без трапецеидальных заострений. Измерительные токовые клещи содержат диэлектрический корпус 1 для электрической изоляции при измерениях, составной магнитопровод с малой коэрцитивной силой и высокой индукцией насыщения (холоднокатаная тонколистовая сталь, армко-железо или некоторые марки ферритов), выполненный в виде секторов кольца 2, в зазорах которого расположены первый датчик Холла 3 и второй датчик Холла 4, одноименные плоскости которых одинаково ориентированы относительно измеряемого потока, их входные (токо 4 15446 1 2012.02.28 вые) выводы подключены к стабилизированному источнику питания (на фигурах не показан), а выходные (холловские) выводы подключены к сумматору (как в прототипе), размыкающий механизм магнитопровода, содержащий основные элементы две ручки с диэлектрическим покрытием 5, присоединенные к разъемным частям магнитопровода, ось вращения 6, пружину 7, а также прибор индикации измерений и передачи сигнала для дальнейшей обработки (не показан). Конструкция размыкающего механизма может быть иной, что не является принципиальным. Он предназначен для размыкания клещей, пропускания внутрь проводника с током 8 и, посредством пружины 7, автоматического возвращения в исходное состояние. Дополнительно измерительные токовые клещи содержат разъемный (по линии а-б-с-д) кольцеобразный каркас 9 с внутренним диэлектрическим слоем 10, охватывающий половинки магнитопровода, выполненные с возможностью раздвигания с помощью элементов 5, 6, 7 для пропускания внутрь проводника с током 8. Каркас 9 может быть выполнен, например,из пермаллоя состава 79-21 , обладающего малыми значениями коэффициента магнитострикции и стабильными по температуре и времени магнитными характеристиками. На внешнюю сторону каркаса 9 нанесено многослойное покрытие, состоящее из тонкопленочных немагнитных и магнитных чередующихся слоев 11, 12 и т.д., обладающих соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. На фиг. 1 изображено только два слоя 11 и 12 (для наглядности), хотя их число должно быть значительно больше (не менее 20) и, ограничиваться только технологией нанесения. Чередующиеся слои легко изготавливаются известной технологией электролитического осаждения, например,и пермаллоя соответственно. Выбор материалов чередующихся слоев немагнитный - магнитный может быть и другим, но он ограничивается только требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью (сцеплением). Особенно перспективно осаждение большого числа нанотолщинных слоев (нанослоев), обеспечивающих значительно большие коэффициенты экранирования электромагнитного поля и практически не влияющих на массу экрана в целом. Диэлектрические прокладки 13, установленные в зазорах магнитопровода, обеспечивают точную установку величины зазора и крепление датчиков Холла к соответствующим секторам магнитопровода, например, с помощью эпоксидной смолы. Уголсоответствует углу трапецеидального заострения при большем основании секторов магнитопровода,и, как показали проведенные расчеты, оптимальным является диапазон углов от 45 до 60,при котором обеспечивается практически постоянство величины индукции магнитного поля в месте расположения элемента Холла. Измерительные токовые клещи функционируют следующим образом. При измерении силы тока в проводнике 8 оператор сжимает две ручки 5 размыкающего механизма, и разъемные части составного магнитопровода 2 раздвигаются. Проводник с током вводится внутрь магнитопровода, после этого пружина 7 возвращает клещи в исходное положение. Протекающий по проводнику ток вызовет в магнитопроводе 2 магнитный поток, который будет фиксироваться датчиками Холла 3 и 4 соответственно. Одноименные плоскости датчиков Холла одинаково ориентированы относительно измеряемого потока, их входные (токовые) выводы подключены к стабилизированному источнику питания, а выходные (холловские) выводы подключены к сумматору (т.е. ЭДС суммируются). ЭДС датчиков Холла 3 и 4 будут пропорциональны пронизывающим их потокам. Использование суммарного значения ЭДС приводит к двум положительным эффектам, а именно увеличивается выходной сигнал, что очевидно, и, как показали расчеты,этот сигнал в значительной степени оказывается независимым от изменения положения проводника внутри составного магнитопровода, аналогично, как в прототипе. Из проведенных экспериментов, расчетов и анализа зависимостей, представленных на фиг. 2 и 3,следует, что выполнение магнитопровода из двух симметричных половинок кольцеобразной формы с направленными друг к другу трапецеидальными заострениями в диапазоне 5 15446 1 2012.02.28 углов от 45 до 60 при большем основании, равном ширине кольца, является предпочтительным. Такая геометрия магнитопровода позволяет обеспечить практически постоянство величины индукции магнитного поля в месте расположения элемента Холла, т.е. все части элемента Холла находятся в квазиоднородном магнитном поле, что повышает точность и однозначность преобразования величины тока в выходной сигнал датчика Холла. Очевидно, что меньшее основание трапеции должно быть равным или несколько превышающим длину соответствующего датчика Холла, чтобы технологически датчик Холла разместить в зазоре магнитопровода и обеспечить постоянство величины индукции магнитного поля в месте расположения элемента Холла. Поскольку потоки внешних помех, вызванные токами близко расположенных проводов, в том числе обратного провода, намагниченных ферромагнитных масс и потоки низкочастотных электромагнитных помех в значительной мере различно ориентированы относительно плоскостей обоих датчиков, порожденные в них паразитные ЭДС будут частично вычитаться. В результате влияние внешних помех значительно снижается. Для дальнейшего их снижения практически до нуля, а следовательно, для повышения точности измерений тока, протекающего по проводнику 8 тока, в конструкции измерительных токовых клещей предусмотрен электромагнитный экран, состоящий из магнитомягкого ферромагнитного каркаса 9, обладающего высокой магнитной проницаемостью, с нанесенным на каркас многослойным покрытием, состоящим из многослойных чередующихся тонкопленочных слоев, в том числе нанослоев, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. Чередующиеся слои обладают разными волновыми сопротивлениями, что приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в их поперечном сечении. В экране датчика используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты, когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный. Использование нанослоев многослойных покрытий обеспечивает возможность многократного увеличения экранирования электромагнитных полей практически без наращивания массы экрана, что является кардинальным решением по обеспечению электромагнитного экранирования или сверхэффектом. Таким образом, применение в конструкции измерительных токовых клещей многослойного экрана, содержащего чередующиеся ферромагнитный и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает решение поставленной задачи по значительному повышению точности измерений за счет пассивного подавления внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля. Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства измерительных токовых клещей следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области электротехники и может использоваться для измерения силы тока в проводнике без разрыва этого проводника для заявляемой конструкции измерительных токовых клещей в том виде, как она охарактеризована в нижеизложенной формуле, подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемые измерительные токовые клещи соответствуют требованию промышленная применимость по действующему законодательству средство, воплощающее заявленное, в совокупности своих признаков обладает новизной, и при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, и соответствует критерию изобретательский уровень. 6 15446 1 2012.02.28 Источники информации 1. Справочник по электроизмерительным приборам / Под ред. К.К.Илюнина. - Ленинград Энергия, 1973. - . 456-457. 2. Патент РФ 2157033, МПК 01 39/58,01 31/34, 2000. 3. Патент 2195677, МПК 01 19/00, 2002 (прототип). 4. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. 5. Сайт в интернете //.-, программа, версия 4.2. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7