Датчик тока
Полезная модель относится к области электрических измерений, а именно к датчикам тока высокой точности, в которых в качестве первичного измерительного преобразователя используется магнитопровод из магнитомягкого материала. Для защиты первичного измерительного преобразователя от внешних воздействий предлагается поместить его в контейнер, заполненный гелеобразным компаундом, модуль упругости которого не превышает 0,5 МПа. Защитный контейнер может одновременного выполнять роль магнитного экрана, если он изготовлен из магнитомягкого материала.
Полезная модель относится к области электрических измерений, а именно к датчикам тока высокой точности, в которых в качестве первичного измерительного преобразователя используется магнитопровод из магнитомягкого материала.
Первичный измерительный преобразователь датчика тока представляет один или несколько магнитопроводов из магнитомягкого материала с обмотками. Принцип работы преобразователя может быть основан на трансформаторе тока, магнитном усилителе или магнитомодуляционном преобразователе [Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники // М: Наука, 1966. 720 с; Isolated current and voltage transducers // LEM Components, 2004. 48 p.]. В этом случае существенно, что магнитопровод датчика тока изготавливается из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью. В качестве такого материала можно использовать пермаллой, аморфные сплавы на основе кобальта или нанокристаллические сплавы на основе железа [Стародубцев Ю.Н. Магнитомягкие "материалы. Энциклопедический словарь-справочник // М.: Техносфера, 2011. 664 с]. При этом высокое значение может относиться как к области слабых магнитных полей (начальная магнитная проницаемость), так и к области коэрцитивной силы материала (максимальная магнитная проницаемость). Последний случай реализуется, если петля магнитного гистерезиса имеет прямоугольную форму. Все указанные магнитомягкие материалы имеют близкие к нулю значения констант магнитной анизотропии и магнитострикции, и способны в результате термической обработки в магнитном поле сформировать прямоугольную петлю магнитного гистерезиса.
Во всех случаях для получения высокой магнитной проницаемости необходимо, чтобы магнитопровод имел замкнутую форму. Если в магнитопроводе имеются поперечные воздушные зазоры, полученные, например, резкой, то они значительно снижают эффективную магнитную проницаемость магнитопровода. Поэтому датчики тока, использующие магнитопроводы с поперечным разрезом для размещения элементов Холла, не относятся к объектам данной полезной модели.
Известен датчик тока [European Patent 0651258 A2. DC current sensor. Int. C1. G01R 15/18. Date of publication 03.05.1995.], который в качестве первичного измерительного преобразователя использует замкнутый магнитопровод с высокой магнитной проницаемостью из пермаллоя (Ni - 78%, Mo - 5%, Cu - 4%, Fe - остальное), на который нанесены обмотки возбуждения и измерения. Известно, что магнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью очень чувствительны к механическим воздействиям. В указанном датчике тока отсутствует защита первичного измерительного преобразователя от внешних воздействующих факторов, к которым кроме механических воздействий, можно отнести также повышенную влажность или агрессивную среду.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является датчик тока [United States Patent Application US 2013/0154629 A1. Toroidal fluxgate current transducer. Int. C1. G01R 33/00. Date of publication 20.06.2013.], в котором магнитопровод, изготовленный из аморфного сплава на основе кобальта с высокой магнитной проницаемостью, размешен в защитном контейнере. Этот контейнер защищает магнитопровод от прямого механического давления, однако может оказаться недостаточным для защиты от одиночных ударов, вибрационного воздействия или действия влажной и агрессивной среды.
Целью предлагаемого технического решения является создание такой конструкции датчика тока, использующего в качестве первичного измерительного преобразователя магнитопроводы с высокой магнитной проницаемостью и обмотки, нанесенные поверх магнитопроводов, которая обеспечит повышенный уровень защиты первичного измерительного преобразователя от внешних воздействий и позволит стабильно работать датчику тока в сложных климатических (влажная и агрессивная среды) и механических (одиночные удары, вибрационное воздействие) условиях.
Поставленная цель достигается за счет размещения магнитопровода в защитном контейнере с высоким уровнем магнитной проницаемости заполненном компаундом для предотвращения смещения магнитопровода (первичного измерительного преобразователя) и его изолирования от окружающей среды.
Результаты измерений начальной магнитной проницаемости магнитопроводов, изготовленных из нанокристаллического магнитомягкого сплава ГМ 414 (Fe72,5Cu1 Nb2Mo1,5Si14B9) после заливки компаундами, имеющими различный модуль упругости, приведены в таблице ниже.
Из таблицы следует, что кремний органический компаунд СИЭЛ 59-356Б, который после вулканизации становится гелеобразным, практически не изменяет магнитные свойства магнитопровода. Магнитная проницаемость магнитопровода особенно значительно падает при использовании эпоксидного компаунда, который после полимеризации имеет наибольший модуль упругости.
Таблица. | |||
Начальная магнитная проницаемость нанокристаллического магнитомягкого сплава ГМ 414 после заливки различными компаундами. | |||
Заливочный компаунд | Модуль упругости компаунда, МПа | Начальная относительная магнитная проницаемость | |
В исходном состоянии | После заливки компаундом | ||
Кремнийорганическим компаундом СИЭЛ 59-356Б | 0,1 | 80000 | 77000 |
Низкомолекулярный каучук СКТН-А | 1 | 85000 | 45000 |
Эпоксидный компаунд на основе ЭД-20 | 4 | 87000 | 35000 |
Предлагаемое техническое решение представляет датчик тока, содержащий первичный измерительный преобразователь в виде одного или нескольких замкнутых магнитопроводов с высокой магнитной проницаемостью и обмотки, нанесенные поверх магнитопроводов, отличающийся тем, что первичный измерительный преобразователь находится в защитном контейнере, заполненном гелеобразным компаундом, модуль упругости которого не превышает 0,5 МПа.
В качестве материала магнитопроводов может быть использован пермаллой или аморфные и нанокристаллические сплавы с высокой магнитной проницаемостью после термической обработки в продольном магнитном поле или без магнитного поля.
Защитный контейнер может быть изготовлен из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, который одновременно выполняет функцию корпуса и магнитного экрана.
Сущность полезной модели поясняется рисунком с изображением примера ее реализации. На Фиг. 1 схематически изображено поперечное сечение датчика тока тороидальной формы с одним магнитопроводом 1 в защитном контейнере 2, заполненном гелеобразным компаундом 3 с низким модулем упругости (не превышает 0,5 Мпа). Обмотки, нанесенные поверх магнитопровода, не показаны.
В качества примера реализации был изготовлен датчик тока, состоящий из магнитномодуляционного преобразователя и электронного блока с аналоговым выходом. Магнитомодуляционный преобразователь является первичным измерительным преобразователем и имеет форму неразъемного тороида с обмотками, через который проходит проводник с током, подлежащим измерению. Магнитопровод первичного измерительного преобразователя диаметром 685 мм, высотой 10 мм и толщиной стенки 1,5 мм изготовлен из аморфного сплава на основе кобальта Co68Fe4Cr4 Si13B11. После термической обработки в продольном поле магнитопровод приобретает прямоугольную петлю магнитного гистерезиса. Защитный контейнер изготовлен из магнитомягкого нанокристаллического сплава ГМ 414 Fe72,5Cu1 Nb2Mo1,5Si14B9 с высокой магнитной проницаемостью. Для придания контейнеру прочности его пропитали кремнийорганическим компаундом КО-976. Магнитомодуляционный преобразователь размещается в защитном контейнере, который заполнен гелеобразным кремнийорганическим компаундом СИЭЛ 59-356Б. Погрешность измерения тока до и после заполнения компаундом защитного контейнера не изменилась и составила не более 0,5% в пределах измеряемого тока до 20 А.
Датчик тока выдержал испытания к синусоидальной вибрации со следующими предельными параметрами: амплитуда виброперемещений 1,3 мм на частотах 10-20 Гц, амплитуда виброперемещений 0,8 мм на частотах 20-25 Гц, амплитуда виброперемещений 0,6 мм на частотах 25-30 Гц, амплитуда виброускорения 35 м/с 2 (3,5 g) на частоте 30-80 Гц. Он также показал стойкость к ударам одиночного действия с ускорением 200 g в трех взаимно-перпендикулярных направлениях и прочность к повышенной влажности 98% при температуре 25°C.
1. Датчик тока, содержащий первичный измерительный преобразователь в виде одного или нескольких замкнутых магнитопроводов с высокой магнитной проницаемостью и обмоток, нанесенных поверх магнитопроводов, отличающийся тем, что первичный измерительный преобразователь находится в защитном контейнере, заполненном гелеобразным компаундом, модуль упругости которого не превышает 0,5 МПа.
2. Датчик тока по п. 1, отличающийся тем, что защитный контейнер изготовлен из магнитомягкого материала.
РИСУНКИ