Устройство для измерения больших токов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ ТОКОВ(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(56) СПЕКТОР С. А. Электрические измерения физических величин. - Ленинград Энергоатомиздат, 1987. - С. 52-55.5116 1, 2003.2120128 1, 1998.32883 1, 2003.2009002736 , 2009.2713476 , 2005.(57) 1. Устройство для измерения больших токов, содержащее немагнитный диэлектрический корпус с магниточувствительными преобразователями, симметрично размещенными в нем с возможностью охвата по контуру цилиндрической шины с измеряемым током 17810 1 2013.12.30 и соединенными со входом сумматора, выход которого подключен к регистрирующему прибору, отличающееся тем, что содержит четыре указанных магниточувствительных преобразователя, каждый из которых соединен со входом сумматора через соответствующий регулируемый усилитель и содержит два постоянных симметричных магнита из материала с высокой удельной магнитной энергией, например изили ,выполненных в виде соосных, однонаправленно намагниченных цилиндров, разделенных поляризованным вдоль их общей оси дисковым пьезоэлементом, упруго деформируемым при работе устройства за счет изменения силы взаимного притяжения указанных магнитов под действием магнитного поля указанной шины, а корпус содержит дугообразные элементы его крепления к шине, выполненные с возможностью симметричного расположения относительно шины по меньшей мере одной пары магниточувствительных преобразователей. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что радиус пьезоэлемента в каждом магниточувствительном преобразователе незначительно превышает радиусмагнитов в нем,связанный с высотоймагнитов и толщинойпьезоэлементов вдоль оси их поляризации соотношениямии 0,53. Заявляемое изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к измерению больших токов с верхним диапазоном 100 кА, и может использоваться для бесконтактного измерения переменных, импульсных и квазистатических токов. Из уровня техники известно простейшее техническое решение, осуществляющее бесконтактное измерение больших токов 1 1 (более 100 А) с помощью магниточувствительного преобразователя, например датчика Холла, расположенного в непосредственной близости от проводника с током (шины) на безопасном расстоянии Б от его центра. Магниточувствительный преобразователь измеряет тангенциальную составляющую магнитного поляшины с током, которая в случае круглого сечения вычисляется по формуле 10/(2 Б), где 0 - магнитная постоянная, равная 1,25710-6 Вс/(Ам). Сигнал с магниточувствительного преобразователя подается на схему усиления сигнала и далее на регистрирующий прибор. Величина Б определяется с учетом радиуса шины ш, который, в свою очередь, рассчитывается исходя из верхнего диапазона измеряемого токапо формуле ш(/пр)1/2 1, где пр - предельная плотность тока, равная 5 А/мм 2. Основным недостатком этого устройства является низкая точность измерения тока вследствие сильной зависимости сигнала от расстояния до проводника с током, которое практически не поддается контролю. Также известно устройство бесконтактного измерения больших токов 2, которое является наиболее близким к предлагаемому (прототипом). Это устройство относится к устройствам с немагнитным интегрирующим контуром, состоящим из ряда датчиков Холла,сигналы которых суммируются (или суммируются после усиления). Этим самым уменьшается погрешность от несимметричной установки датчиков Холла относительно проводника с током (цилиндрической шины). Прототип содержит , где 10 магниточувствительных преобразователей, образующих немагнитный интегрирующий контур и равномерно размещенных вокруг цилиндрической шины с током. Магниточувствительные преобразователи выполнены в виде датчиков Холла, наклеенных на пластинки из магнитомягкого феррита, что способствует повышению магнитной чувствительности в 2-3 раза. Дополнительно устройство содержит установленную в корпусе корректирующую катушку. Устройство суммирует тангенциальные составляющие магнитного поля проводника с током в месте расположения магниточувствительных преобразователей, т.е. обеспечивает интегрирование по немагнитному контуру. Недостатками устройства 2 являются низкая точность измерения тока из-за магнитного гистерезиса ферромагнитных пластин и сложность установки, юстировки и крепления большого числа магниточувствительных элементов. 2 17810 1 2013.12.30 Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерения больших токов. Устройство измерения больших токов содержит немагнитный диэлектрический корпус с магниточувствительными преобразователями, симметрично размещенными в нем с возможностью охвата по контуру цилиндрической шины с измеряемым током и соединенными со входом сумматора, выход которого подключен к регистрирующему прибору. Устройство отличается тем, что содержит четыре указанных магниточувствительных преобразователя, каждый из которых соединен со входом сумматора через соответствующий регулируемый усилитель и содержит два постоянных симметричных магнита из материала с высокой удельной магнитной энергией, например изили , выполненных в виде соосных однонаправленно намагниченных цилиндров, разделенных поляризованным вдоль их общей оси дисковым пьезоэлементом, упруго деформируемым при работе устройства за счет изменения силы взаимного притяжения указанных магнитов под действием магнитного поля указанной шины, а корпус содержит дугообразные элементы его крепления к шине, выполненные с возможностью симметричного расположения относительно шины по меньшей мере одной пары магниточувствительных преобразователей. Устройство отличается также тем, что радиус пьезоэлемента в каждом магниточувствительном преобразователе незначительно превышает радиусмагнитов в нем, связанный с высотоймагнитов и толщинойпьезоэлементов вдоль оси их поляризации соотношениямии 0,53. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению точности измерения больших токов. Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве магниточувствительные преобразователи имеют магнитную чувствительность, значительно превосходящую магнитную чувствительность датчиков Холла. Кроме того, предложенная конструкция крепления магниточувствительных преобразователей и их размещения в немагнитном интегрирующем контуре обеспечивает независимость выходного сигнала устройства от смещения шины с током или перераспределения тока в проводящей шине из-за возможных структурных нарушений (дефектов) в проводящей шине. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию новизна. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно,можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 изображено предложенное устройство. На фиг. 2 приведена конструкция магниточувствительного преобразователя ( - вектор поляризации пьезоэлемента). На фиг. 3 приведены зависимости выходного сигнала с магниточувствительного преобразователя , находящегося на безопасном расстоянии Б 125 мм от центра цилиндрической шины с током (ш 80 мм) и дополнительной силы , действующей на пьезоэлемент, как функции величин измеряемого тока 1 и тангенциальной составляющей 3 17810 1 2013.12.30 индукциимагнитного поля при толщине пьезоэлектрика 2 мм (линия ) и 15 мм(линия ) для пьезоэлемента с чувствительностью к механическому усилию 6 В/Н (Пьезоэлемент из пьезокерамического материала ЦТБС-3 М. ТУ РБ 07615377.026-94). Магниты изс удельной магнитной энергией 52 ,5 мм. Устройство содержит немагнитный диэлектрический корпус 1 с размещенными в нем четырьмя симметрично расположенными магниточувствительными преобразователями,охватывающими по контуру цилиндрическую шину 2 с током, подключенные ко входам соответствующих усилителей сигналов 3 (на фиг. 1 изображен один из четырех усилителей, подключение остальных трех - аналогичное), выходы которых подключены ко входу сумматора 4, выход которого подключен к регистрирующему прибору 5, в качестве которого может быть цифровой вольтметр или запоминающий осциллограф в зависимости от измеряемого тока 1. Каждый магниточувствительный преобразователь выполнен из двух постоянных симметричных магнитов 6, намагниченных аксиально и однонаправленно, обладающих высокой удельной магнитной энергией, например из материаловили , изготовленных в виде цилиндров, установленных соосно друг напротив друга с зазором, в котором размещен аксиально поляризованный дисковый пьезоэлемент, состоящий из мономорфного пьезоэлектрика 7 толщиной 3, и посеребренных металлических пленочных контактов 8, нанесенных на торцы 7. Вектор поляризациипьезоэлектрика 7 совпадает с аксиальной осью. Пьезоэлемент размещен в корпусе 9 магниточувствительного преобразователя с возможностью деформирования в упругой области за счет изменения силы притяжения магнитов 6. Для этого один из магнитов 6 жестко связан с корпусом 9 (посредствам эпоксидной смолы), а второй магнит находится в резиновой обойме 10 с тонким дном толщиной около 20-30 мкм. К металлическим контактам 8 припаяны проволочные проводники 11, т.к. радиус пьезоэлемента незначительно превышает радиус магнитов (для технологического удобства). Элементы крепления 12 диэлектрического корпуса 1 к с током выполнены дугообразными с обеспечением симметричного крепления относительно шины хотя бы одной пары магниточувствительных преобразователей. На фиг. 1 представлен вариант, при котором цилиндрическая шина 2 симметрична вдоль оси , т.е. расстояние от центра шины 2 по осидо магниточувствительных преобразователей одинаково и равно Б. Вдоль осицентр шины может быть смещен на небольшое расстояниеш. Геометрические размеры магнитов 6 и пьезоэлектрика 7 выбираются из соотношенийи 0,53, гдеи- радиус и высота цилиндрического магнита соответственно,а- толщина пьезолектрика вдоль оси поляризации. Условиесоответствует тому,что цилиндрические магниты, выполненные из закритических материалов, т.е. , и др. с высокой удельной магнитной энергией, обычно выпускаются заводомизготовителем с соотношением размеров /, и, согласно 4, цилиндрический магнит заданного объема обладает наибольшей энергией внешнего магнитного поля, когда его высота составляет половину его диаметра. При 0,5 статическая сила притяжения между магнитами 6 достаточно велика и значительно превышает дополнительную силу , вызванную силовым взаимодействием пары магнитов 6 с магнитным полем, наводимым шиной 2 с током, что затрудняет коррекцию сигнала в усилителе. Условие 3 связано с уменьшением дополнительной силыпри росте толщины пьезоэлектрика 7, что приведено на фиг. 3. Необходимым условием устойчивой работы магниточувствительных преобразователей, а следовательно, всего устройства в целом является недопущение размагничивания магнитов большим проходящим током 1. Поэтому его предельное верхнее значение В должно быть ограничено, если полярность проходящего тока такова, что напряженность магнитного поля 0 направлена противоположно намагниченности магнитов, т.е. должно выполняться условие 0 с, где с - коэрцитивная сила магнита, или в/(2 Б)с, что 4 17810 1 2013.12.30 соответствует предельной величине тока В 2 сБ. Для магнитов изс удельной магнитной энергией 52 величина с 891 000 А/м. Условие В 2 сБ можно всегда реализовать, увеличивая безопасное расстояние Б размещения магниточувствительного преобразователя от центра шины с током. Устройство работает следующим образом. Вначале рассмотрим функционирование одного из магниточувствительных преобразователей. При отсутствии тока в шине 2, т.е при 10, на торцах пьезоэлектрика 7 возникает статический заряд 0, обусловленный воздействием на пьезоэлектрик статической силы притяжения 0 магнитов 6, находящихся на расстояниидруг от друга, что эквивалентно появлению статического остаточного напряжения на пьезоэлементе (0). При измерении импульсных и переменных токов оно отсекается фильтрами, а в случае квазистатических токов может быть скомпенсировано схемой усилителя сигнала (заряда),т.е установкой нуля операционного усилителя. При прохождении тока 1 по цилиндрической шине 2 (случай высоких частот, когда проявляется скин-эффект, мы не рассматриваем, поскольку токи большие) вокруг шины возникает круговое магнитное поле с индукцией , которое воздействует на магниточувствительный преобразователь, находящийся на среднем расстоянии Б от центра шины (для определенности будем считать, что это один из преобразователей, расположенных на оси ). Величиназависит от тока 1 в соответствии с ранее приведенной формулой 10/(2 Б). Магнитное поле с индукциейвзаимодействует с магнитными полями магнитов 6, что вызывает приложение дополнительной силык пьезоэлектрику 7 в соответствие с законом изменения тока 1. В первом приближении можно считать магниты короткими магнитными диполями, взаимодействующими со сторонним магнитным полем, которое является слабым возмущением. Линейная зависимость , а следовательно, и (1) является экспериментальным фактом, что представлено на фиг. 3. Нелинейность или зона нечувствительности при 0 объясняется способом передачи силового воздействия на пьезоэлектрик 7 с помощью тонкой резины 10, выполняющей роль упругого элемента (пружины), необходимой для равномерной передачи силы (1). При больших токах 1 в зависимости (1) появляется нелинейность, обусловленная тем, что внешнее возмущение магнитным полем тока уже нельзя считать слабым. В области линейности (1) зависимость между ЭДС пьезоэлементаи силойтоже является линейной и практически безгистерезисной, в соответствии с 3 описывается следующей формулой (вариант, когда мономорфный пьезоэлектрик имеет вектор поляризации , параллелен или антипарраллелен вектору силы ,имеем/31/ где- ЭДС выходного сигнала пьезоэлемента- заряд, генерируемый пьезоэлементом на металлизированных торцах 31 - соответствующий пьезомодуль, зависящий от материала пьезоэлектрика- электрическая емкость. Рассмотрим работу всего устройства в целом. Поскольку выходные сигналы от каждого магниточувствительного преобразователя(где 1, 2, 3, 4 - номер преобразователя) поступают на отдельные усилители, коэффициент усиления которых можно регулировать,то без ограничения общности можно считать, что все преобразователи после усиления имеют одинаковую чувствительность к магнитному полю, равнуюс размерностью В/Тл. Следовательно, выходной сигнал вых с сумматора 4 на регистрирующий прибор 5 будет определятся суммированием сигналов по , т.е.вых, где 1, 2, 3, 4 аиндукция магнитного поля в месте нахождения -го преобразователя. Учитывая, что два преобразователя по осинаходятся на среднем расстоянии Б от центра шины, а два других - по осив среднем на расстояниях (Б - ) и (Б) соответственно, то вых будет определяться по следующей формуле вых 10/2 Б 10/ 2 Б 10/2(Б-)10/2(Б). (1) Учтем, что выражение 1/(Б - )1/(Б)2 Б/(Б 2 - 2) приБ, можно пренебречь 2, и сумма этих слагаемых равна 2/Б. Таким образом, получаем, что вы 5 17810 1 2013.12.30 ходной сигнал не зависит от небольшого смещения шины от центра симметрии немагнитного интегрирующего контура и определяется формулой(2) вых 210/(Б). Дополнительно предложенная конструкция крепления магниточувствительных преобразователей и их размещения в немагнитном интегрирующем контуре обеспечивает независимость выходного сигнала устройства не только от смещения шины с током, но и от перераспределения тока в проводящей шине из-за возможных структурных нарушений(дефектов) в проводящей шине, что следует из того, что дефектную шину с током можно рассматривать как сумму элементарных токов с различной плотностью, вызывающих общее незначительное смещение тока от центра шины. Учитывая то обстоятельство, что магнитная чувствительностьпреобразователей в предложенном устройстве в 40 раз выше, чем магнитная чувствительность стандартных датчиков Холла, а как следует из 3, при использовании пьезоэлектриков с большими значениями пьезомодулей можно получить чувствительность, на два порядка превосходящую аналогичную величину в датчиках Холла, следовательно, отпадает необходимость использования большого числа магниточувствительных преобразователей, как в прототипе, и использовать ферритовые пластины для повышения магнитной чувствительности последних. Поскольку в предложенной конструкции выходной сигнал не зависит от небольших смещений цилиндрической шины с током от центра, что возможно при креплении устройства, то это также увеличивает точность измерений. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. Принципы функционирования основных изделий микромагнитоэлектроники / Под общей ред. доктора физико-математических наук, профессора В.Н.Мордковича. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. 2. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений Учеб. пособие для вузов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - С. 53-55 (прототип). 3. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М.Шарапова. - М. Техносфера, 2006. - С. 108. 4. Альтман А.Б., Герберг А.Н., Гладышев П.А. и др. Постоянные магниты Справочник / Под ред. Ю.М.Пятина. - 2-изд., перераб. и доп.М. Энергия, 1980. - С. 204. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7