Датчик квазистатического 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 квазистатического тока, содержащий два идентичных магниточувствительных элемента, размещенных диаметрально противоположно в соответствующих зазорах магнитопровода, выполненного в виде кольца, и ориентированных относительно внешних помехообразующих полей таким образом, чтобы в магниточувствительную плоскость одного магниточувствительного элемента измеряемый магнитный поток входил и складывался с магнитным потоком от внешних помехообразующих полей, а из одноименной плоскости другого выходил и вычитался из магнитного потока, образованного указанными внешними помехообразующиим полями, отличающийся тем, что каждый магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами, причем на указанный магнитопровод намотана подмагничивающая катушка, источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС и подключен через соответствующие переменные резисторы к указанным магниточувствительным элементам и катушке, а на внешней стороне магнитопровода выполнен 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. 91282013.04.30 2. Датчик квазистатического тока по п. 1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен из материала с высокой индукцией технического насыщения, превышающей 1 Тл,например из супермендюра. 3. Датчик квазистатического тока по п. 1, отличающийся тем, что величина зазора магнитопроводавыбирается из условия 0,5(0//), где 0 - магнитная постоянная, равная 1,25710-6 Вс/(Ам)- максимальный измеряемый ток- длина средней линии магнитопровода-относительная магнитная проницаемость магнитопровода 1 Тл.(56) 1. Патент 1746426, МПК 01 15/20,01 15/14, 2007. 2. Патент 2195677, МПК 01 19/00, 2002. 3. Патент 2453853, МПК 01 19/00, 2012 (прототип). 4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - С. 87. 5. А.с.1739402, МПК 01 29/06, 1992. 6. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196. Заявляемая полезная модель относится к приборостроению, а именно к бесконтактному измерению преимущественно квазистатического тока в условиях сильных низкочастотных электромагнитных помех и присутствия ферромагнитных масс, может быть использована в системах дистанционного контроля и диагностики технических объектов,в измерительных комплексах при контроле параметров технологического оборудования и процессов, например при сварке. Известен датчик тока 1, в котором использован концентратор магнитного потока, состоящий из двух ферромагнитных стержней, вытянутых в линию 2. В узком зазоре между стержнями располагается хотя бы один преобразователь Холла. При таких изменениях конструкции датчики обладают низкой помехозащищенностью от внешних магнитных полей, т.е. реагируют на магнитные поля, создаваемые не только измеряемым током, но и близко расположенными проводниками с током, что в итоге ухудшает точность измерений. 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. Известно устройство для измерения силы тока 2, в одном из вариантов которого оно содержит составной магнитопровод, выполненный в виде кольца, в зазорах которого расположены два магниточувствительных элемента, выполненных в виде датчиков 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. Протекающий по проводнику ток вызовет в магнитопроводе магнитный поток, который фиксируется обоими датчиками и суммируется. Напряжения Холла, вызванные измеряемым током в обоих датчиках Холла 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. Следует также отметить, что суммирование выходных напряжений датчиков Холла приводит также к суммированию вы 2 91282013.04.30 ходных напряжений их за счет температурного дрейфа или за счет токов смещения, проявляющихся особенно сильно после перегрузки датчиков. Кроме того, в реальных условиях датчики Холла подключают к устройству последующей обработки или преобразования сигналов (в рассматриваемом случае - к сумматору) с помощью соединительных проводов или линии связи. Суммирование выходных напряжений датчиков в таких случаях приводит к суммированию синфазных напряжений, возникающих в соединительных проводах или в линии связи при воздействии на них магнитных или электрических полей, что обусловливает появление дополнительной погрешности измерений. Это особенно сильно проявляется при дистанционных измерениях токов, когда длина соединительных проводов или линии связи достигает значительной величины. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик 3 (прототип), который содержит два магниточувствительных элемента, в качестве которых используются идентичные датчики Холла, которые помещены в зазоры одного магнитопровода (диаметрально противоположно в первом варианте исполнения). Одноименные плоскости датчиков Холла одинаково ориентированы относительно внешних помехообразующих полей, а по отношению к измеряемому магнитному полю датчики Холла установлены таким образом, чтобы в плоскость одного датчика измеряемый магнитный поток входил, а из одноименной плоскости другого выходил. Выходные напряжения датчиков Холла подаются на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя. При этом к выводу земля усилителя подключены одноименные выходные выводы датчиков Холла. Результат измерения определяют как разность выходных напряжений, при этом напряжения, наведенные внешними помехообразующими магнитными и электрическими полями, компенсируются в большей мере, чем в устройстве 2. Недостатком датчика является низкая точность измерений тока из-за влияния внешних, особенно квазистатических, магнитных полей, возникающих, например, от обратного провода, ферромагнитных масс и от неэкранированных низкочастотных электромагнитных помех. Кроме того, в реальных условиях сигнал от магниточувствительных элементов является аналоговым, следовательно, подвержен электромагнитным наводкам и требует использования усилительной аппаратуры или преобразования сигналов с помощью соединительных проводов или линии связи. Выходом из этой ситуации является формирование помехозащищенного частотно-импульсного выходного сигнала высокой амплитуды без применения электронных схем преобразования. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является увеличение точности бесконтактного измерения силы тока в сложных условиях присутствия больших ферромагнитных масс, близкорасположенных проводов с током и низкочастотных электромагнитных помех. Датчик квазистатического тока содержит два идентичных магниточувствительных элемента, размещенных диаметрально противоположно в соответствующих зазорах магнитопровода, выполненного в виде кольца, и ориентированных относительно внешних помехообразующих полей таким образом, чтобы в магниточувствительную плоскость одного магниточувствительного элемента измеряемый магнитный поток входил и складывался с магнитным потоком от внешних помехообразующих полей, а из одноименной плоскости другого выходил и вычитался от магнитного потока, образованного указанными внешними помехообразующиим полями. Он отличается тем, что каждый магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом 4, 5 с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами, причем на указанный магнитопровод намотана подмагничивающая катушка, источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС и подключен через соответствующие переменные резисторы к указанным магниточувствительным элементам и катушке, а на внешней стороне магнитопровода выполнен экран, содержащий последовательно располо 3 91282013.04.30 женные 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. Датчик квазистатического тока отличается тем, что магнитопровод выполнен из материала с высокой индукцией технического насыщения, превышающей 1 Тл, например из супермендюра. Датчик квазистатического тока отличается тем, что величина зазора магнитопроводавыбирается из условия 0,5(0//), где 0 - магнитная постоянная, равная 1,25710-6 /(м),- максимальный измеряемый ток-длина средней линии магнитопровода-относительная магнитная проницаемость магнитопровода 1 Тл( - максимальная величина магнитной индукции в зазоре, при которой наблюдается линейная зависимость частоты выходного сигнала магниточувствительного элемента от индукции магнитного поля в зазоре магнитопровода). Известно 6, 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 коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м не менее 8-10 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-1000000 Гц не менее 30-40. 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 устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции датчика показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. По мнению авторов, датчик квазистатического тока содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи, следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. 4 91282013.04.30 Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 схематично изображен датчик квазистатического тока. На фиг. 2 приведена электрическая схема подключения магниточувствительного элемента, выполненного в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом, и катушки намагничивания. На фиг. 3 приведена зависимость частоты выходного сигналаот величины токав проводнике. Датчик квазистатического тока содержит два идентичных магниточувствительных элемента 1 и 2, размещенных диаметрально противоположно в соответствующих зазорах магнитопровода 3, выполненного в виде кольца, и ориентированных относительно внешних помехообразующих полей п таким образом, чтобы в магниточувствительную плоскость 4 одного магниточувствительного элемента измеряемый магнитный поток (вектор индукции магнитного поля ) входил (параллельно) и складывался с магнитным потоком от внешних помехообразующих полей, а из одноименной плоскости другого выходил(также параллельно этой плоскости) и вычитался от магнитного потока, образованного указанными внешними помехообразующиим полями. Каждый магниточувствительный элемент 1, 2 выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом 4, 5 с -образной вольт-амперной характеристикой,аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами. На магнитопровод 3 намотана подмагничивающая катушка 5. Источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС и подключен через соответствующие переменные резисторы н и 0 к указанным магниточувствительным элементам и катушке 5. На внутренней стороне магнитопровода 3 находится защитный слой 6, предотвращающий касание магнитопровода 3 шины 7 с током . На внешней стороне магнитопровода 3 выполнен экран, содержащий последовательно расположенные внутренний диэлектрический слой 8, ферромагнитный каркас 9 из материала с высокой магнитной проницаемостью, например пермаллоя, и внешнее покрытие из множества чередующихся тонкопленочных слоев 10 и 11, в том числе нанослоев, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью 10 и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью 11 (на фиг. 1 для наглядности изображено только 3 тонкопленочных слоя, хотя число слоев каждого вида должно быть 20-30 штук). Число слоев может 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. Источники низкочастотных электромагнитных помех в виде обратного провода с током 12 и распределенных ферромагнитных масс 13 обозначены цифрами 12 и 13 соответственно. Следует отметить, что электрическая цепь (фиг. 3), состоящая из последовательного соединения магниточувствительного элемента 1 и резистора нагрузки н, подключена к источнику постоянного питающего напряжения п (источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС, обычно 5-25 ) с соблюдением полярности. Плюс источника питания подключен к -области. Магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом 4 с -образной вольтамперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами. Способ формирования - и -областей такой структуры подробно описан в 5. Вектор индукции магнитного поляприкладывается в плоскости, параллельной плоскости раздела- и -областей. Такие структуры поставляются фирмой, Россия, г. Москва 91282013.04.30 Магнитопровод должен быть выполнен из материала с высокой индукцией технического насыщения , превышающей 1 Тл, например из супермендюра (2,8 Тл), для того чтобы использовать всю возможную область измерения тока до. Величина каждого зазора магнитопроводавыбирается из условия 0,5(0//), где 0 магнитная постоянная, равная 1,25710-6 Вс/(Ам)- максимальный измеряемый ток- длина средней линии магнитопровода-относительная магнитная проницаемость магнитопровода 1 Тл (-максимальная величина магнитной индукции в зазоре,при которой наблюдается линейная зависимость частоты выходного сигнала магниточувствительного элемента от индукции магнитного поля в зазоре магнитопровода). Формула получена в соответствии с выражением, приведенным в 4 (страница 224), с учетом общей длины зазоров в магнитопроводе 2. Датчик квазистатического тока работает следующим образом. Сначала датчик настраивается при отсутствии проходящего тока через шину 7. Для этого переменным резистором 0 выставляется ток, проходящий через подмагничивающую катушку 5, который вызывает постоянный магнитный поток в магнитопроводе 3, величина индукции магнитного поля 0 в зазорах чуть превышает 50 мТл, т.е. такую величину, при которой магниточувствительные элементы 1 и 2 переходят в режим генерации частотно-импульсного сигнала. Это явление управляемой скачковой проводимости(-эффект) возникает в структурах с -образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том, что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и,соответственно, амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости, подобно структурам с -образной вольт-амперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магниточувствительного элемента является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. На фиг. 3 изображена типичная зависимость частотывыходного сигнала от индукции магнитного поля в магнитопроводе, вызываемой проходящим током(градуировочная зависимость). Поскольку магниточувствительные элементы 1 и 2 и ориентированы относительно внешних помехообразующих полей п таким образом, чтобы в магниточувствительную плоскость 4 одного магниточувствительного элемента измеряемый магнитный поток (вектор индукции магнитного поля ) входил (параллельно) и складывался с магнитным потоком от внешних помехообразующих полей, а из одноименной плоскости другого выходил (параллельно указанной плоскости) и вычитался из магнитного потока, образованного указанными внешними помехообразующими полями, то величинам (п) и(п) соответствовать будут соответственно частоты 1 и 2. Поскольку зависимость(12)/2- однозначно определяет величину протекающего тока при наличии помехонесущих полей п. Таким образом, решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве вследствие применения магниточувствительного элемента с-эффектом генерируется помехозащищенный частотно-импульсный выходной сигнал высокой амплитуды(до 50 от напряжения питания) без применения электронных схем преобразования, а применение в конструкции датчика 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 6 91282013.04.30 подавления внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля. 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 заявляемый датчик квазистатического тока соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7