Разъемный датчик тока
Полезная модель относится к датчикам для бесконтактного измерения параметров тока в исследуемом проводнике и может быть использована для измерений среди широкого класса электротехнических устройств и сетей распределения электроэнергии. Разъемный датчик тока содержит корпус из немагнитного материала, который состоит из двух частей: основания и кожуха. В нижней части кожуха выполнен сквозной паз, который при сборке корпуса, при соединении нижней и верхней частей, превращается в сквозное отверстие для размещения в нем исследуемого проводника. Внутри корпуса расположен замкнутый магнитопровод (концентратор магнитного потока) в виде рамки, выполненный из двух П-образных элементов. Один П-образный элемент расположен в основании, другой - в кожухе. В кожухе также располагается чувствительный элемент, регистрирующий магнитное поле, создаваемое исследуемым проводником, помещенным в сквозное отверстие. В кожухе также размещена печатная плата, на которой реализовано электронное устройство, предназначенное для преобразования питающего напряжения и выделения измерительного сигнала. Через разъем, закрепленный на той же печатной плате, извне осуществляется подача электропитания на упомянутое электронное устройство, для чего в стенке кожуха выполнено окно, расположенное напротив розеточной части разъема платы, для подключения ответной вилочной части разъема, соединенной с внешним кабелем. В основании и кожухе имеются соответствующие отверстия для стягивания болтами частей корпуса друг с другом. В основании имеются пазы для крепления датчика к элементам конструкции объекта измерения. В качестве чувствительных элементов могут использоваться непосредственно катушки индуктивности, размещенные на противоположных плечах П-образного элемента магнитопровода, или датчики Холла, расположенные в зазорах между двумя П-образными частями магнитопровода, совместно с компенсационными катушками индуктивности, размещенными на противоположных плечах П-образного элемента магнитопровода.
Назначение
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к датчикам для бесконтактного измерения параметров тока в токонесущем проводнике и может быть использована для измерений среди широкого класса электротехнических устройств и сетей распределения электроэнергии.
Уровень техники
Известны датчики тока и напряжения фирмы ABB («Силовая электроника», 
9, 2006 г., стр.124-125), предназначенные для бесконтактного измерения постоянного, переменного и импульсных токов, протекающих в проводнике. Датчики имеют широкую номенклатуру параметров, обладают высокой чувствительностью и точностью. Однако при монтаже или демонтаже датчика проводник либо необходимо разрывать, либо протаскивать его через отверстие в датчике.
Известны датчики с измерительной катушкой и замкнутым сердечником (патент США 4529931 от 7.04.1983). Недостаток датчика связан с тем, что для пропускания проводника через сердечник, в последнем делают прорезь с возможностью ее закрытия после монтажа, при этом поверхности контактирующих деталей должны иметь прецизионную подгонку.
Датчик тока по патенту РФ 2100811 от 18.06.96 содержит корпус из немагнитного материала с основанием и двумя противолежащими стенками, в котором частично размещен U-образный концентратор магнитного потока. В состав датчика входит капсула, содержащая чувствительный элемент в виде катушки индуктивности с сердечником. Капсула устанавливается на исследуемый проводник и жестко соединяется со стенками концентратора магнитного потока. Таким образом, для измерения тока в исследуемом проводнике, последний не нужно разрезать, а необходимо уложить в корпус датчика и накрыть капсулой. У датчика есть существенные недостатки. Открытые и выступающие концы концентратора подвержены попаданию на них мелких металлических предметов или стружки, а также воздействию на них внешних электромагнитных полей, снижающих чувствительность датчика. Концентратор разрезан в своем основании и не представляет замкнутый контур, что так же способствует воздействию на него внешних полей. Все это снижает эксплуатационные возможности применения датчика, его чувствительность и точность измерений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является датчик тока (полезная модель РФ 21457 от 20.09.2001), который содержит корпус из немагнитного материала с полостью для размещения исследуемого проводника, концентратор магнитного потока, расположенный в корпусе датчика, а также чувствительный элемент, причем датчик выполнен разъемным и состоит из двух частей. По меньшей мере, одна из частей снабжена чувствительным элементом. В собранном виде концентратор магнитного потока образует замкнутый контур.
Каждая составная часть датчика снабжена концентратором магнитного потока, который выполнен из магнитомягкого материала и состоит из трех составных частей, при этом две составные части концентратора своими торцами выполнены заподлицо с плоскостью разъема составных частей датчика. Чувствительный элемент каждой составной части датчика выполнен в виде катушки индуктивности с сердечником и размещен внутри корпуса составной части. В качестве сердечника катушки индуктивности, использована третья составная часть концентратора магнитного потока. Сердечник катушки индуктивности ориентирован таким образом, что в рабочем положении проекция магнитного потока, сформированного протеканием переменного (импульсного) тока через исследуемый проводник на ось сердечника, отлична от нуля.
Недостатком датчика является выполнение концентратора магнитного потока из трех составных частей, что приводит к существенному влиянию внешних магнитных полей. Электронные схемы электропитания и предварительной обработки сигнала, выдаваемого датчиком, не входят конструктивно в состав датчика тока и могут располагаться лишь на некотором удалении от датчика тока, что приводит к увеличению помех и потерь амплитуды полезного сигнала.
Раскрытие полезной модели
Разъемный датчик тока содержит корпус из немагнитного материала. Корпус - разъемный, состоящий из двух частей: основания и кожуха. В нижней части кожуха выполнен сквозной паз, который при сборке корпуса, при соединении нижней и верхней частей, превращается в сквозное отверстие для размещения в нем исследуемого проводника. Внутри корпуса размещается замкнутый магнитопровод (концентратор магнитного потока), выполненный из двух П-образных элементов, полученных, например, из единого прямоугольного магнитопровода путем разрезания. Один П-образный элемент расположен в основании, другой - в кожухе. В кожухе располагается чувствительный элемент, регистрирующий магнитное поле, создаваемое исследуемым проводником, помещенным в отверстие, а также - электронное устройство, реализованное на печатной плате с радиоэлементами и розеточной частью разъема. Плата закреплена в пазах кожуха вертикально и параллельно плоскости рамки магнитопровода. Через разъем осуществляется подача электропитания на электронное устройство, которое преобразует напряжение, подаваемое к чувствительному элементу, для чего в стенке кожуха выполнено окно, расположенное напротив розеточной части разъема платы, через которое подключается вилка внешнего кабеля. В основании и кожухе имеются соответствующие отверстия для стягивания болтами частей корпуса друг с другом. В основании имеются пазы для крепления датчика к элементам конструкции объекта измерения.
Введение существенных признаков:
- выполнение замкнутого магнитопровода в виде двух П-образных элементов, обеспечивающих наличие всего двух зазоров (в отличие от шести зазоров прототипа), в которых происходит рассеивание магнитного потока, а также
- размещение внутри кожуха электронного устройства (предназначенного для подачи электропитания к чувствительному элементу и обработки измерительного сигнала) в непосредственной близости к чувствительному элементу,
обеспечивает высокую чувствительность и помехозащищенность измерительного сигнала
Предлагается два варианта выполнения чувствительного элемента.
Согласно первому варианту чувствительный элемент выполнен в виде двух катушек индуктивности, расположенных на противоположных плечах П-образного элемента магнитопровода, расположенного в кожухе. Такой чувствительный элемент может применяться для регистрации переменного тока.
По второму варианту в качестве чувствительного элемента используются два датчика Холла, расположенные в зазорах между двумя частями магнитопровода. Датчик Холла измеряет и переменный, и постоянный ток. Катушки индуктивности здесь располагаются также, как и в первом варианте, на противоположных сторонах П-образной части магнитопровода кожуха. Однако в данном случае они выполняют компенсационные функции. Причем, осуществляемая с их помощью постоянная компенсация первичного магнитного потока, создаваемого проводником с током, позволяет датчику работать даже при перегрузочных значениях первичного тока, измеряя его мгновенные изменения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
Фиг.1. Общий вид датчика тока в разрезе (вариант 1).
Фиг.2. Общий вид датчика тока в разрезе (вариант 2).
Фиг.3. Принципиальная электрическая схема датчика тока (два варианта)
Рассмотрим конкретное исполнение датчика тока.
Корпус датчика тока состоит из двух частей: основания 1 и кожуха 2, выполненных из немагнитного диэлектрического материала. В нижней части кожуха выполнен сквозной паз 3, который при сборке корпуса превращается в сквозное отверстие в корпусе для размещения в нем исследуемого проводника. Внутри корпуса размещается замкнутый магнитопровод 4 (концентратор магнитного потока), выполненный из двух П-образных элементов, полученных из единого прямоугольного магнитопровода методом разрезания. Один элемент магнитопровода закреплен в основании 1, другой расположен внутри кожуха 2. Магнитопровод выполнен из сплава аморфного железа. В кожухе располагается чувствительный элемент, регистрирующий магнитное поле, создаваемое исследуемым проводником. В первом варианте чувствительный элемент выполнен в виде двух катушек индуктивности 5, расположенных на противоположных плечах П-образного элемента магнитопровода, расположенного в кожухе 2. В кожухе размещена печатная плата 6 с электронной схемой преобразователя и розеткой 7 двухштырькового разъема, через которую осуществляется подача электропитания к электрической схеме и съем полезного сигнала. В качестве преобразователя может быть использована микросхема BURRBRAUN XTR114. Катушки индуктивности 5 плотно посажены на стержни магнитопровода, печатная плата 6 с помощью пластиковых втулок закреплена на каркасе катушек индуктивности 5. Розетка 7 разъема жестко закреплена на печатной плате 6. В кожухе имеется окно 8, расположенное напротив розетки 7 разъема, через которое к этой розетке подключается внешний кабель. В основании 1 и кожухе 2 имеются отверстия 9 для стягивания болтами 10 этих частей корпуса друг с другом, а в основании имеются пазы 11 для крепления датчика к элементам конструкции устройства, на котором проводятся измерения. Для удобства сборки верхняя часть кожуха выполнена в виде съемной прижимной крышки 12, фиксирующей магнитопровод в корпусе датчика через уплотнитель 13 с помощью шурупов 14, ввертываемых в приливы 15 в стенке кожуха 2. Для удобства сборки и дополнительной фиксации внутри кожуха имеются пазы (не показаны) для закрепления печатной платы 6. Согласно электрической схеме контакты «а» (плюс) и «б» (минус) двухштырьковой розетки 7, соединены с преобразователем 16, который соединен с последовательно включенными катушками индуктивности 5.
Во втором варианте в качестве чувствительного элемента используются два датчика Холла 17, расположенные в зазорах между двумя частями магнитопровода. Катушки индуктивности 5 также располагаются на противоположных сторонах П-образной части магнитопровода кожуха, однако по функции они являются компенсационными. Согласно электрической схеме контакты «а» (плюс) и «г» (земля) 4-штырьковой розетки разъема 7 соединены с генератором постоянного тока 18, контакт «в» (минус) и «г» (земля) с усилителем мощности 19, последний соединен с двумя датчиками Холла, включенными по питанию последовательно. Генератор постоянного тока может быть выполнен по стандартной схеме зеркала на двух транзисторах DC847 и двух транзисторах ВС857. Усилитель мощности может быть выполнен на микросхеме BURRBRAUN XTR114 на двух транзисторах DC847 и двух DC857 по схеме приведенной в формуляре на эту микросхему. Усилитель мощности подключен по входу к датчикам Холла, а по выходу - к цепи из последовательно соединенных двух компенсационных индукционных катушек 5 и сопротивления нагрузки 20. Сигнал, снимаемый с сопротивления нагрузки 20, подается на контакт «б» (выход) розетки разъема 7.
Датчик работает следующим образом. Основание 1 датчика тока устанавливают на участке, где будет проходить изучаемый проводник, с использованием пазов 11, имеющихся на основании, и крепежа. Исследуемый проводник прокладывают поперек основания так, чтобы проводник оказался в проекции паза 3 кожуха, сверху закрывают кожухом (без крышки), скрепляют кожух с основанием с помощью болтов 10. Затем с помощью шурупов 14 кожух закрывают прижимной крышкой 13. К розеточной части разъема 7 датчика подключают кабель измерительного прибора (отсутствует на рисунке) и снимают его показания при пропускании тока через исследуемый проводник.
По первому варианту протекающий по проводнику ток формирует магнитный поток, который посредством магнитопровода 4 наводит в катушках индуктивности 5 ЭДС, пропорциональную значениям тока, протекающего через исследуемый проводник. Напряжение питания поступает через розетку разъема 7 на преобразователь 16, а затем поступает к катушкам индуктивности 5, соединенным последовательно.
Следует обратить внимание, что подача электропитания и съем сигнала осуществляется через одни и те же контакты разъема на печатной плате. Это объясняется тем, что для питания датчика на контакты разъема подается постоянное напряжение, которое поступает на преобразователь 16, формирующий постоянный ток в проводах, соединенных с контактами разъема. Этот постоянный ток изменяется при помещении в полость датчика исследуемого проводника с измеряемым током. По этому изменению судят о величине измеряемого тока.
По второму варианту напряжение питания поступает с разъема 7 к генератору постоянного тока 18 и усилителю мощности 19. Генератор постоянного тока 18 подает питание на датчики Холла 17. Сигнал с них поступает на усилитель мощности 19, а с усилителя - на компенсационные индуктивные катушки 5 и сопротивление нагрузки 20. Магнитный поток, создаваемый компенсационными катушками, компенсирует магнитный поток от тока, протекающего в изучаемом проводнике. Полезный сигнал с сопротивления нагрузки 20 поступает на выходные контакты разъема 7.
Датчик успешно прошел испытания на стадии лабораторного макета и опытного образца.
1. Разъемный датчик тока, содержащий корпус, магнитопровод и чувствительный элемент, при этом корпус выполнен из немагнитного материала, состоит из двух частей - основания и кожуха - и имеет в месте стыка сквозное отверстие для размещения исследуемого проводника, а замкнутый магнитопровод, расположенный в корпусе датчика, выполнен из магнитомягкого материала, отличающийся тем, что содержит внутри корпуса электронное устройство, реализованное на печатной плате, которая закреплена вертикально в пазах кожуха, в плоскости, параллельной рамке магнитопровода, и разъем, закрепленный на той же печатной плате в проеме окна, выполненного в стенке кожуха, при этом замкнутый магнитопровод выполнен из двух П-образных частей, причем в основании располагается одна его часть, а в кожухе - другая.
2. Разъемный датчик тока по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде двух последовательно соединенных катушек индуктивности, размещенных на противоположных плечах П-образного элемента магнитопровода, а электронное устройство представляет собой преобразователь напряжения.
3. Разъемный датчик тока по п.1, отличающийся тем, что содержит компенсационные катушки индуктивности, а чувствительный элемент выполнен в виде датчиков Холла, расположенных в зазорах между двумя П-образными частями магнитопровода, при этом электронное устройство включает в себя генератор постоянного тока, усилитель мощности и сопротивление нагрузки.
