Катушка роговского

Полезная модель относится к области электрических измерений, в частности, для измерения переменных токов, и может быть использована в электроэнергетике, в области учета электрической энергии, релейной защиты и автоматики. Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в повышении точности измерения катушкой Роговского переменных токов и повышении технологичности ее изготовления. Поставленная задача решается за счет того, что в катушке Роговского, выполненной в виде двух обмоток, первая обмотка намотана в одном направлении на первом неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, а вторая обмотка намотана в противоположном направлении на втором неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, причем напряжение, наведенное в катушке, измеряется на концах, соединенных последовательно обмоток. Предлагается первую и вторую обмотки выполнить в виде металлизированных проводников, сформированных на одной или нескольких многослойных печатных платах, являющихся неферромагнитными каркасами и имеющими окна для пропускания токонесущего проводника. В результате применения такой конструкции, снижаются погрешности измерения тока, вызванные влиянием внешних магнитных полей и относительным положением токонесущего проводника в окне катушки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Полезная модель относится к области электрических измерений, в частности, для измерения переменных токов, и может быть использована в электроэнергетике, в области учета электрической энергии, релейной защиты и автоматики.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Катушки Роговского широко известны из-за их широкого динамического диапазона и высокой линейности. Поэтому, производители пытаются добиться высоких эксплуатационных характеристик катушки, чтобы она являлась одновременно простой и технологичной в производстве и в то же время, способной обеспечить высокоточное измерение тока. Данные устройства (катушки) должны быть нечувствительны к внешним воздействиям, невосприимчивы к изменению положения токонесущего проводника и должны сохранять высокую точность (порядка 0,2% или лучше) в широком диапазоне температур на протяжении всего срока службы.

Известен пояс Роговского (патент на полезную модель 72767, МПК G01R 19/00, приоритет от 12.11.2007), включающий неферромагнитный каркас и обмотку, содержащую витковые секции с плоскими спиральными катушками, расположенными равномерно по всей длине пояса Роговского и соединенными последовательно, причем витковые секции с плоскими спиральными катушками выполнены в виде печатных плат и расположены с внешней стороны неферромагнитного каркаса в пазах кросс-плат, установленных на неферромагнитном каркасе с его внешней стороны, при этом, по меньшей мере, на одной из кросс-плат, расположены проводники для последовательного соединения между собой спиральных катушек витковых секций.

Недостатком такого устройства является значительное количество элементов, необходимых для сборки устройства и высокая сложность изготовления, обусловленная необходимостью электрического соединения большого числа плоских спиральных катушек методом пайки.

Наиболее близким по технической сущности является бесконтактный измерительный преобразователь тока, (патент на изобретение 2168182, МПК G01R 19/00, G01R 19/04 приоритет от 16.05.2000), содержащий пояс Роговского с первой обмоткой и интегрирующий операционный усилитель, выход которого является выходом устройства, в котором первая обмотка пояса Роговского подсоединена между земляной шиной и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с его же выходом, вторая обмотка пояса Роговского подключена к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого через второй резистор соединен с его же выходом, между инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включен третий резистор, выход первого операционного усилителя через четвертый резистор подсоединен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, между инвертирующим входом и выходом которого включен пятый резистор, выход второго операционного усилителя через шестой и седьмой резисторы соединен с земляной шиной, причем общая точка шестого и седьмого резисторов подключена к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, выход которого соединен с входом интегрирующего операционного усилителя.

Недостатком такого устройства является высокая трудоемкость изготовления и большие погрешности при измерении тока, обусловленные нарушением симметрирования входной цепи из-за неидентичности намотки обмоток на каркасе пояса Роговского.

Задача, на решение которой направлено заявленная полезная модель заключается в повышении точности измерения катушкой Роговского переменных токов и повышении технологичности ее изготовления.

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Поставленная задача решается благодаря тому, что в катушке Роговского, выполненной в виде двух обмоток, первая обмотка намотана в одном направлении на первом неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, а вторая обмотка намотана в противоположном направлении на втором неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, причем напряжение, наведенное в катушке, измеряется на концах, соединенных последовательно обмоток.

В предлагаемой полезной модели использование двух обмоток с фиксированной плотностью намотки, электрически подключенных в противоположных направлениях, одна из которых является по существу «обратным проводником», позволяет удвоить величину выходного напряжения катушки и устранить воздействие внешних электрических полей и токов, протекающих в близлежащих проводниках.

Выполнение первой и второй обмотки в виде металлизированных проводников, сформированных на отдельных многослойных печатных платах, расположенных параллельно рядом друг с другом, позволяет добиться более высокой точности, технологичности и повторяемости характеристик при изготовлении катушки.

Выполнение катушки Роговского, в которой сечения первой и второй обмоток, сформированных радиальными металлизированными проводниками, имеют прямоугольную форму, а наружные концы проводников, связаны между собой короткими соединительными участками, обеспечивает более плоские участки боковой поверхности витков и уменьшает погрешности, вызванные воздействием токов, протекающих по вблизи расположенным с катушкой проводникам.

Выполнение катушки Роговского, в которой каждая из обмоток выполнена в виде нескольких концентрических последовательно соединенных секций, расположенных на различном радиальном расстоянии, повышает точность измерения переменного тока за счет уменьшения чувствительности катушки к внешним магнитным полям, обусловленной меньшим значением соотношения внешнего и внутреннего радиуса каждой из концентрических секций обмоток. Формирование концентрических секций позволяет увеличить плотность расположения витков на печатной плате и тем самым повысить чувствительность катушки.

Образование единого монолитного узла катушки Роговского путем жесткого соединения друг с другом первой и второй печатной платы обеспечивает стабильность характеристик на протяжении всего срока службы.

Выполнение первой и второй обмотки на четырехслойной печатной плате повышает технологичность изготовления катушки.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено конструктивное исполнение катушки Роговского с двумя отдельными обмотками.

На фиг.2 изображена конструкция катушки Роговского с двумя отдельными обмотками, сформированными на печатной плате.

На фиг.3 показан сегмент печатной платы с прямолинейной конфигурацией проводников, где боковая поверхность витков неперпендикулярна диаметральной линии.

На фиг.4 показан сегмент печатной платы с радиальной направленностью проводников и прямоугольным сечением обмоток.

На фиг.5 показан сегмент печатной платы с радиальной направленностью проводников обмотки, выполненной в виде нескольких концентрических секций.

На фиг.6 более детально показан участок соединения концентрических секций обмотки.

На фиг.7 изображен единый монолитный узел катушки Роговского, состоящий из жестко соединенных первой и второй печатных плат.

Конструктивное исполнение катушки Роговского, приведенное на фиг.1 включает соединенные последовательно обмотки 1 и 2, намотанные в противоположном направлении по отношению друг к другу. Через внутренне окно обмоток пропущен токонесущий проводник 3, по которому протекает переменный ток I(t), в результате чего вокруг проводника создается магнитное поле, наводящее на выводах катушки Роговского переменное напряжение U(t).

На фиг.2 изображена катушка Роговского с обмотками, выполненными в виде расположенных рядом двух печатных плат 4 и 5. Каждая печатная плата представляет собой обмотку, выполненную в виде объемных витков, состоящих из металлизированных проводников и переходных отверстий. Чтобы точностные характеристики катушки Роговского сохранялись в широком диапазоне рабочих температур, материал подложки печатных плат должен иметь низкий коэффициент теплового расширения.

Обмотки печатных плат 4 и 5 наматываются в противоположных направлениях (правосторонняя и левосторонняя). Верхние и нижние стороны печатной платы 4 сформированы таким образом, чтобы образовать обмотку с правосторонним направлением вращения в направлении по часовой стрелке вокруг центра платы. Левосторонняя обмотка формируется подобным образом, за исключением того, что обмотка 5 должна зеркально отражать конфигурацию витков обмотки 4, т.е. иметь противоположное направление вращения.

На фиг.3 представлен сегмент печатной платы 4 с правосторонней обмоткой, где линия 6 показывает трассу проводника обмотки на верхней стороне печатной платы, а линия 7 показывает трассу проводника обмотки на нижней стороне печатной платы. Проводники на двух поверхностях печатной платы соединены металлизированными переходными отверстиями 8 и образуют боковую поверхность витков неперпендикулярную диаметральной линии 13. Наведенное в обмотке напряжение снимается через две металлизированные контактные площадки 9 и 10. Такая конфигурация витков наиболее проста и при высокой плотности расположения витков на печатной плате боковая поверхность практически, становиться перпендикулярной диаметральной линии 13.

На фиг.4 представлен сегмент печатной платы, на котором трассы проводников обмотки прокладываются в радиальном направлении, а наружные концы проводников на верхней и нижней стороне печатной платы, связаны между собой короткими соединительными участками 11 и 12 соответственно. Такая конфигурация проводников формирует практически плоскую боковую поверхность витков прямоугольного сечения, перпендикулярную диаметральной линии 13, что уменьшает влияние внешних магнитных полей на точностные характеристики катушки.

Пример сегмента печатной платы с радиальной направленностью проводников обмотки, выполненной в виде нескольких концентрических секций 14, 15, 16 представлен на фиг.5. Количество и ширина концентрических витковых секций может быть различной, и определяются исходя из соотношения сложности изготовления, связанной с количеством необходимых переходных отверстий и требований к точности и чувствительности катушки.

Выполнение катушки Роговского, в которой каждая из обмоток выполнена в виде нескольких концентрических последовательно соединенных секций, расположенных на различном радиальном расстоянии, повышает точность измерения переменного тока за счет уменьшения чувствительности катушки к внешним магнитным полям, обусловленной меньшим значением соотношения внешнего и внутреннего радиуса каждой из концентрических секций обмоток. Формирование концентрических секций позволяет увеличить плотность расположения витков на печатной плате и тем самым повысить чувствительность катушки. Сегмент 17 печатной платы, представленный на фиг.6 более детально показывает место соединения проводников концентрических секций с верхней и нижней стороны печатной платы.

Монолитный узел катушки Роговского, состоящий из жестко соединенных первой 1 и второй 2 печатных плат представлен на фиг.7. Печатные платы 1 и 2 могут быть соединены между собой механически или адгезивно, причем металлический стержень 17 должен обеспечить электрическое соединение обмоток катушки. Выходное напряжение катушки Роговского формируется на контактных площадках 18 и 19.

Для снижения влияния внешних электрических полей катушка Роговского может быть помещена в один или несколько электростатических экранов, обеспечивающих отсутствие замкнутого контура.

Следует отметить, что для повышения чувствительности катушки Роговского, количество последовательно соединенных правосторонних и левосторонних печатных плат может быть увеличено.

1. Катушка Роговского, выполненная в виде двух обмоток, отличающаяся тем, что первая обмотка намотана в одном направлении на первом неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, а вторая обмотка намотана в противоположном направлении на втором неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, причем напряжение, наведенное в катушке, измеряется на концах соединенных последовательно обмоток.

2. Катушка Роговского по п.1, отличающаяся тем, что первая и вторая обмотки выполнены в виде металлизированных проводников, сформированных на отдельных многослойных печатных платах, являющихся неферромагнитными каркасами и имеющими окна для пропускания токонесущего проводника.

3. Катушка Роговского по п.2, отличающаяся тем, что сечения первой и второй обмоток, сформированных радиальными металлизированными проводниками, имеют прямоугольную форму, причем наружные концы проводников, связаны между собой короткими соединительными участками.

4. Катушка Роговского по п.2, отличающаяся тем, что каждая из обмоток выполнена в виде нескольких концентрических последовательно соединенных секций, расположенных на различном радиальном расстоянии.

5. Катушка Роговского по п.2, отличающаяся тем, что первая и вторая печатные платы соединяются вместе, образуя единый неразборный узел.

6. Катушка Роговского по п.5, отличающаяся тем, что первая и вторая обмотки выполнены на четырехслойной печатной плате.