Датчик постоянного тока

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Датчик постоянного тока, содержащий магнитопровод, охватывающий по контуру шину с током, выполненный из материала с высоким значением индукции технического насыщения и с воздушным зазором, в котором размещен магниточувствительный преобразователь, подключенный к генератору питания магниточувствительного преобразователя, и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что магниточувствительный преобразователь выполнен из двух постоянных симметричных магнитов, намагниченных аксиально и однонаправленно, обладающих высокой удельной магнитной энергией, например, изили , изготовленных в виде цилиндров, установленных соосно напротив друг друга с зазором, в котором размещен аксиально поляризованный дисковый пьезоэлемент с возможностью деформирования в упругой области за счет изменения силы притяжения магнитов, причем на противоположных сторонах пьезоэлемента нанесены пленочные проводящие контакты, выполненные в виде круга на одной стороне и двух полукругов, разделенных узким промежутком, на другой стороне. 84632012.08.30 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что геометрические размеры магнита и пьезоэлемента выбираются из соотношенийи 0,53, гдеи- радиус и высота цилиндрического магнита соответственно, а- толщина пьезоэлемента вдоль оси поляризации, причем его радиус незначительно превышает радиус магнита, а ширина зазора магнитопровода 2.(56) 1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. Принципы функционирования основных изделий микромагнитоэлектроники / Под общей редакцией доктора физикоматематических наук, профессора В.Н. Мордковича. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. ил.(Серия Учебник 5-94074-078-2) Электронная версия - С. 223-224. 2. Патент 1746426.. МПК 01 15/20,01 15/14.2007-01-24. 3. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измеренийУчеб. пособие для вузов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - С. 55-56. 4.6019377 4, МПК 01 15/02, 1994-03-16..,(прототип). 5. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. - Москва Техносфера, 2006. - С. 108. 6. 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. Заявляемая полезная модель относится к области приборостроения, а именно к технике бесконтактных измерений протекающего по шине постоянного тока. Из уровня техники известно простое техническое решение 1, осуществляющее бесконтактное измерение токоввеличиной более 100 с помощью магниточувствительного преобразователя, например преобразователя 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 0/(2 Б), где 0 - магнитная постоянная, равная 1,25710-6 /(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 расчитывается исходя из верхнего диапазона измеряемого токапо формуле ш(/пр)1/2 1, где пр - предельная плотность тока, равная 5 А/мм 2. Основными недостатками этого устройства являются низкая точность измерения тока вследствие сильной зависимости сигнала от расстояния до проводника с током, которое практически не поддается контролю, а также невозможность проведения измерений при малых величинах токов из-за низкого уровня выходного сигнала с магниточувствительного элемента. С целью увеличения уровня сигнала магниточувствительного преобразователя в устройстве 2 использован концентратор магнитного потока, который состоит из двух ферромагнитных стержней, вытянутых в линию. В узком зазоре между стержнями располагается хотя бы один преобразователь Холла. При такой конструкции датчик 2 имеет низкую точность измерений, потому что обладает низкой помехозащищенностью от внешних магнитных полей, т.е. реагирует на магнитные поля, создаваемые не только измеряемым током, но и близко расположенными проводниками с током. Задача повышения помехозащищенности датчиков силового тока особенно актуальна для электроизмерительного оборудования электрического транспорта, поскольку для электротранспорта характерна высокая плотность расположения жгутов, содержащих провода с током. 2 84632012.08.30 Также известны бесконтактные датчики тока, выполненные с магнитным интегрирующим контуром 3. В таких датчиках один или несколько магниточувствительных преобразователей (обычно преобразователей Холла) размещаются в зазоре или зазорах магнитопровода, охватывающего шину с протекающим по ней током. Магнитопровод обычно изготавливается из магнитомягкого феррита или электротехнической стали. Датчики такого исполнения, рассчитанные на малые токи (десятки ампер), обладают хорошей помехозащищенностью от внешних магнитных полей, которые создаются другими близко расположенными шинами с током, потому что имеют малые зазоры, а магнитопровод выполняет роль ферромагнитного интегрирующего контура. Для расширения области измерений в сторону больших токов, чтобы избежать насыщения магнитопровода, при котором датчик практически неработоспособен, приходится значительно увеличивать зазоры, но при этом значительно уменьшается магнитная чувствительность преобразователей Холла, что ухудшает точность измерений. Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому решению является датчик (сигнализатор) тока, приведенный в 4 (прототип). Датчик тока 4 относится к бесконтактным датчикам тока, выполненным с магнитным интегрирующим контуром, и содержит магнитопровод с воздушным зазором. В зазоре размещен магниточувствительный преобразователь, вырабатывающий напряжение (ЭДС), пропорциональное величине тока, проходящего по проводу сквозь магнитопровод. Причем магнитопровод выполнен из аморфного сплава с 70 атомарным содержанием железа. Этот датчик характеризуется невысокой точностью определения величины тока, аналогично как и датчики 3, а именно для расширения области измерений в сторону больших токов, чтобы избежать насыщения магнитопровода, при котором датчик практически неработоспособен, приходится значительно увеличивать зазоры, но при этом значительно уменьшается магнитная чувствительность, что ухудшает точность измерений. Применение в магнитопроводе аморфного сплава на основе железа не изменяет чувствительности датчика к току по сравнению с традиционными материалами, например с ферритом. Это обусловлено тем,что индукция магнитного поля в зазоре магнитопровода, выполненного из любого современного материала с высокой магнитной проницаемостью, определяется в основном только проницаемостью формы магнитопровода 1, т.е. по формуле(1)0/,где- магнитная индукция в зазоре магнитопровода- ширина немагнитного (воздушного) зазора- ток, охватываемый магнитопроводом. Выбором материала магнитопровода и его размеров можно в некоторой степени влиять только на нелинейность выходной ЭДС, проявляемую при больших токах, а также на температурные характеристики, чем и обусловлен выбор в 4 аморфного магнитного материала. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение точности бесконтактного измерения постоянных токов в широком диапазоне их значений. Датчик постоянного тока содержит магнитопровод, охватывающий по контуру шину с током, выполненный из материала с высоким значением индукции технического насыщения и с воздушным зазором, в котором размещен магниточувствительный преобразователь, подключенный к генератору питания магниточувствительного преобразователя, и регистрирующий прибор. Датчик отличается тем, что магниточувствительный преобразователь выполнен из двух постоянных симметричных магнитов, намагниченных аксиально и однонаправленно,обладающих высокой удельной магнитной энергией, например, изили , изготовленных в виде цилиндров, установленных соосно напротив друг друга с зазором, в котором размещен аксиально поляризованный дисковый пьезоэлемент с возможностью деформирования в упругой области за счет изменения силы притяжения магнитов, причем 3 84632012.08.30 на противоположных сторонах пьезоэлемента нанесены пленочные проводящие контакты,выполненные в виде круга на одной стороне и двух полукругов, разделенных узким промежутком, на другой стороне. Устройство отличается также тем, что геометрические размеры магнита и пьезоэлемента выбираются из соотношенийи 0,53, гдеи- радиус и высота цилиндрического магнита соответственно, а- толщина пьезоэлемента вдоль оси поляризации, причем его радиус незначительно превышает радиус магнита, а ширина зазора магнитопровода 2. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению точности бесконтактного измерения постоянных токов в широком диапазоне их значений. Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном датчике магниточувствительный преобразователь имеет магнитную чувствительность, например значительно превосходящую среднестатистическую магнитную чувствительность преобразователя Холла, а ширина воздушного зазора является достаточной большой, что позволяет значительно расширить в сторону больших значений диапазон измеряемых токов, поскольку магнитное насыщение магнитопровода при фиксированном материале его изготовления обратно пропорционально зависит от ширины воздушного зазора в соответствии с формулой (1). Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном датчике, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует условию новизна. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции датчика 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 заявляемой полезной модели задачи. Заявляемый датчик поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 изображен предложенный датчик (общий вид) с электрической схемой подключения. На фиг. 2 приведена конструкция магниточувствительного преобразователя ( - вектор поляризации пьезоэлемента). На фиг. 3 приведен общий вид пьезоэлемента. На фиг. 4 приведены зависимости амплитуды выходного сигнала с магниточувствительного преобразователя , находящегося в зазоре шириной 22 мм, и дополнительной силы(амплитуда), действующей на пьезоэлемент, как функции величин измеряемого токапри толщине пьезоэлектрика 2 мм с чувствительностью к механическому усилию 6/ (Пьезоэлемент из пьезокерамического материала ЦТБС-3 М. ТУ РБ 07615377.026-94). Магниты изс удельной магнитной энергией 52 ,5 мм. Датчик содержит магнитопровод 1, выполняющий роль интегрирующего магнитного контура, с размещенным в его зазоре шириноймагниточувствительным преобразователем. Магнитопровод 1 выполнен из материала с высоким значением индукции технического насыщения, например пермендюра или супермендюра (индукция технического насыщения 2,8 Тл), и охватывает шину 2 с измеряемым током. Входы магниточувствительного преобразователя 3 подключены к генератору переменного напряжения 4 (синусоидальных колебаний), а его выход - к регистрирующему прибору 5, в качестве 84632012.08.30 которого может быть использован цифровой вольтметр переменного напряжения или запоминающий осциллограф. Магниточувствительный преобразователь 3 выполнен из двух постоянных симметричных магнитов 6, намагниченных аксиально и однонаправленно, обладающих высокой удельной магнитной энергией, например, изили , изготовленных в виде цилиндров, установленных соосно напротив друг друга с зазором, в котором размещен аксиально поляризованный дисковый пьезоэлемент, состоящий из мономорфного пьезоэлектрика 7 толщиной 5 и посеребренных металлических пленочных контактных площадок 8, нанесенных на торцы пьезоэлектрика 7. Вид металлических пленочных контактных площадок 8 представлен на фиг. 3. Одна из площадок 8 имеет форму круга, а контактные площадки на другом торце пьезоэлемента 7 выполнены в виде двух полукругов, разделенных тонкой полоской отсутствующего металла. 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 (например, посредствам эпоксидной смолы), а второй магнит находится в резиновой обойме 10 с тонким дном, толщиной около 20-30 мкм. К металлическим контактам 8 припаяны или приварены путем микросварки проволочные проводники 11, т.к. радиус пьезоэлемента 7 незначительно превышает радиус магнитов 6 (для технологического удобства). Геометрические размеры магнитов 6 и пьезоэлектрика 7 выбираются из соотношенийи 0,53, гдеи- радиус и высота цилиндрического магнита соответственно,а- толщина пьезоэлектрика 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 6, 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. Условие 3 связано с уменьшением дополнительной силыпри росте толщины пьезоэлектрика 7. Необходимое условие устойчивой работы магниточувствительных преобразователей, а следовательно, всего устройства в целом - недопущение размагничивания магнитов большим проходящим током . Поэтому его предельное верхнее значение В должно быть ограничено, если полярность проходящего тока такова, что напряженность магнитного поля 0, создаваемая проходящим по шине током, направлена противоположно намагниченности магнитов, т.е. должно выполняться условие 0, где- коэрцитивная сила магнита, или/, что соответствует предельной величине тока. Для магнитов изс удельной магнитной энергией 52 величина 891000 А/м. Условиеможно всегда реализовать увеличивая . Для 22 мм 19,6 кА. Одновременно, чтобы не выйти на насыщение магнитопровода,должно выполняться условие, при котором индукция в зазоре магнитопровода не должна превышать хотя бы 0,9, или 0/0,9 , или 15,75 кА для магнитопровода, изготовленного из супермендюра, при 22 мм. Поскольку эти два условия должны выполняться одновременно, то верхняя граница измерения тока для выбранных размеров конструкции датчика не должна превышать 15,7 кА. Устройство работает следующим образом. При отсутствии тока в шине 2, т.е при 0, 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), которое отсе 5 84632012.08.30 кается фильтрами. При прохождении токапо шине 2 вокруг шины возникает круговое магнитное поле с индукцией , которое воздействует на магниточувствительный преобразователь 3, находящийся в магнитопроводе 1. Величиназависит от токав соответствии с ранее приведенной формулой (1) В 0/. Магнитное поле с индукциейвзаимодействует с магнитными полями магнитов 6, что вызывает приложение дополнительной силык пьезоэлектрику 7 в соответствии с величиной тока . В первом приближении можно считать магниты короткими магнитными диполями, взаимодействующими со сторонним магнитным полем, которое является слабым возмущением. Линейная зависимость ,а следовательно, иявляется экспериментальным фактом, что представлено на фиг. 4. 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 . При больших токахв зависимостиможет появляться нелинейность, обусловленная тем, что внешнее возмущение магнитным полем тока уже нельзя считать слабым. В области линейностизависимость между ЭДС пьезоэлементаи силойтоже является линейной и практически безгистерезисной, в соответствии с 5 описывается следующей формулой (вариант, когда мономорфный пьезоэлектрик имеет вектор поляризации , параллельный или антипараллельный вектору силы )/31/, где- ЭДС выходного сигнала пьезоэлемента- заряд, генерируемый пьезоэлементом на металлизированных торцах 31 - соответствующий пьезомодуль, зависящий от материала пьезоэлектрика- электрическая емкость. При измерениях пьезоэлектрик 7 возбуждают синусоидальными электрическими колебаниями с частотой, равной резонансной частоте, с помощью генератора синусоидальных колебаний 4, подключенного к входу пьезоэлемента, а о силе , и следовательно по проходящему токупо шине 2, судят по амплитуде выходного напряжения, регистрируемого прибором 5. Возможен второй вариант измерений, при котором пьезоэлектрик 7 возбуждают частотно-модулированным колебаниями, несущую частоту которых выбирают примерно равной резонансной частоте пьезоэлемента, а о силе , и следовательно по проходящему токупо шине 2, судят по амплитуде огибающей выходного напряжения. Учитывая то обстоятельство, что магнитная чувствительность у преобразователей в предложенном датчике в 40 раз выше, чем магнитная чувствительность стандартных датчиков Холла, а, как следует из 5, при использовании пьезоэлектриков с большими значениями пьезомодулей можно получить чувствительность, на два порядка превосходящую аналогичную величину в датчиках Холла. Таким образом, решение поставленной задачи по увеличению точности измерений постоянных токов в широком диапазоне их значений достигается тем, что в предложенном датчике магниточувствительный преобразователь имеет магнитную чувствительность, например значительно превосходящую среднестатистическую магнитную чувствительность преобразователя Холла, а ширина воздушного зазора является достаточной большой, что позволяет значительно расширить в сторону больших значений диапазон измеряемых токов, поскольку магнитное насыщение магнитопровода при фиксированном материале его изготовления обратно пропорционально зависит от ширины воздушного зазора в соответствии с формулой (1). Кроме того,использование переменного выходного сигнала магниточувствительного преобразователя позволяет повысить помехоустойчивость датчика, что также увеличивает его точность измерений. Исходя из вышеизложенного, для заявленного датчика в том виде, как он охарактеризован в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7