Датчик тока

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в цепях измерения переменного тока приборов учета и регистрации электроэнергии. Техническим результатом является повышение точности измерения тока. Данный результат достигается за счет изменения конфигурации токовой шины, что позволяет более равномерно распределить силовые линии магнитного поля. Предлагаемый датчик тока содержит токовую шину и две катушки индуктивности, установленные на печатной плате и состоящие из двух обмоток, первая из которых является измерительной, а вторая обмотка, намотанная поверх первой, служит электростатическим экраном. При этом токовая шина выполнена в виде петли, состоящей из замкнутого и незамкнутого витков, охватывающих соответственно первую и вторую катушки индуктивности. 2 ил.

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в цепях измерения переменного тока приборов учета и регистрации электроэнергии.

Известен датчик тока, содержащий катушку Роговского (журнал "Электронные компоненты" 2005 г., №5, статья "Использование катушки Роговского для токовых измерений", авторы М.Ковнерев, Ю.Троицкий), намотанную на стержне из очень гибкого материала, замкнутом вокруг токоведущего проводника. Магнитное поле токоведущего проводника наводит в катушке электродвижущую силу, пропорциональную производной тока di/dt, которая при помощи интегратора, собранного на операционном усилителе, преобразуется в напряжение, пропорциональное i(t), для дальнейшей обработки.

Недостатком катушки Роговского является чувствительность к влиянию внешних магнитных полей. Для устранения емкостной связи с внешними цепями и воздействия переменных магнитных полей катушку Роговского помещают в электростатический экран и используют обратный виток. Напряжение, наводимое на обратном витке, равно по величине и противоположно по направлению напряжению на основной обмотке. Все это делает ее довольно трудоемкой в изготовлении, а значит и дорогой.

Известен датчик тока (Свидетельство на полезную модель №7207, опубликовано 16.07.1998 г., Н 01 F 27/00), используемый в электросчетчиках. Он содержит токовую шину в виде петли, охватывающей катушку индуктивности, установленную на панели, которые для защиты от воздействия внешних переменных магнитных полей помещены при помощи изоляционной обоймы в замкнутый прямоугольный экран. Катушка индуктивности состоит из двух обмоток, первая обмотка является измерительной, а вторая обмотка, намотанная поверх первой, служит электростатическим экраном.

Принцип работы датчика тока основан на эффекте Роговского. При протекании электрического тока через токовую шину вокруг нее создается магнитное поле, пронизывающее катушку индуктивности силовыми линиями вдоль оси. Электродвижущая сила, наводимая на катушке индуктивности, при подключении измерительной обмотки к входу операционного усилителя преобразуется на его выходе в напряжение, пропорциональное производной тока.

К недостаткам датчика тока следует отнести высокие трудоемкость изготовления и себестоимость, так как он содержит большое количество деталей, а для изготовления замкнутого прямоугольного экрана используется дорогостоящий материал с высокой магнитной проницаемостью.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является датчик тока (Патент ЕР 1515146, опубликован 16.03.2005, G 01 R 15/18), содержащий токовую шину в виде петли, охватывающей первую катушку индуктивности. С внешней стороны петли на минимальном расстоянии от первой катушки индуктивности расположена вторая катушка индуктивности. Обе катушки индуктивности установлены на печатной плате и состоят из двух обмоток. Первые обмотки являются измерительными, а вторые обмотки, намотанные поверх первых, служат электростатическим экраном. При протекании электрического тока через токовую шину силовые линии магнитного поля пронизывают катушки индуктивности в противоположных направлениях. Такое построение датчика тока позволяет компенсировать влияние внешнего переменного магнитного поля, так как его силовые линии пронизывают катушки индуктивности в одном направлении. При подключении измерительных обмоток к входам операционного усилителя напряжения на его входах равны по величине, совпадают по направлению и компенсируются на выходе.

Недостатком этого датчика тока является неравномерность распределения силовых линий магнитного поля внутри токовой шины и с внешней стороны, что приводит к разности напряжения на катушках индуктивности и увеличению погрешности измерения тока.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении точности измерения тока.

Технический результат достигается за счет изменения конфигурации токовой шины, что позволяет более равномерно распределить силовые линии магнитного поля. При использовании одних и тех же катушек индуктивности в предлагаемом датчике тока требуется меньшее усиление программируемого по усилению операционного усилителя, реализованного на микросхеме, и повышается стабильность показаний основной погрешности.

Предлагаемый датчик тока содержит токовую шину, две катушки индуктивности, установленные на печатной плате и состоящие из двух обмоток, первая из которых является измерительной, а вторая обмотка, намотанная поверх первой, служит электростатическим экраном. Причем токовая шина выполнена в виде петли, состоящей из замкнутого и незамкнутого витков, охватывающих соответственно первую и вторую катушки индуктивности.

На фиг.1 показана конструкция токовой шины, выполненной способом штамповки, где

1 - токовая шина;

2 - замкнутый виток токовой шины;

3 - незамкнутый виток токовой шины.

На фиг.2 приведена конструкция датчика тока, где

4 - первая катушка индуктивности;

5 - вторая катушка индуктивности;

6 - печатная плата.

Датчик тока включает в себя токовую шину 1, выполненную в виде петли, состоящей из замкнутого витка 2 и незамкнутого витка 3. Внутри замкнутого витка 2 токовой шины 1 размещена первая катушка индуктивности 4, а внутри незамкнутого витка 3 токовой шины 1 размещена вторая катушка индуктивности 5.

Катушки индуктивности 4, 5 установлены на печатную плату 6. При этом каждая катушка индуктивности содержит две обмотки. Первая обмотка является измерительной, а вторая обмотка, намотанная поверх первой, служит электростатическим экраном. Начала первых обмоток первой катушки индуктивности 4 и второй катушки индуктивности 5 подключаются к входам операционного усилителя, реализованного на микросхеме, обеспечивающей обработку входного сигнала, пропорционального производной тока. Концы первых и вторых обмоток первой катушки индуктивности 4 и второй катушки индуктивности 5 подключены к общей шине прибора.

Концы незамкнутого витка 3 токовой шины 1 могут подключаться к клеммной колодке прибора или использоваться как детали зажима клеммной колодки. Печатная плата 6 может быть как отдельной печатной платой для размещения датчика тока, так и частью общей печатной платы прибора.

Датчик тока работает следующим образом. При протекании электрического тока через токовую шину 1 вокруг нее создается магнитное поле, пронизывающее силовыми линиями вдоль оси первую катушку индуктивности 4 и вторую катушку индуктивности 5. При этом направление силовых линий внутри замкнутого витка 2 токовой шины 1 противоположно направлению силовых линий внутри незамкнутого витка 3 токовой шины 1. Следовательно, если силовые линии втекают в катушку индуктивности 5, то из катушки индуктивности 4 они будут вытекать, и, наоборот, при изменении направления электрического тока. Электродвижущая сила, наводимая в первой катушке индуктивности 4 и второй катушке индуктивности 5, преобразуется на входах операционного усилителя, реализованного на микросхеме, в напряжения, пропорциональные производной тока di/dt, равные по величине и противоположные по направлению, которые далее преобразуются в цифровой сигнал, пропорциональный i(t), пригодный для дальнейшей обработки.

Датчик тока благодаря высокой линейности в широком диапазоне измеряемых токов, малой потребляемой мощности, отсутствию магнитного сердечника, низкой температурной зависимости и себестоимости способен заменить широко используемые для этих целей в настоящее время традиционные измерительные трансформаторы тока и резистивные шунты.

Одним из важных показателей, характеризующих приборы учета и регистрации электроэнергии, является влияние постоянной составляющей в цепи переменного тока. На этом основан один из способов хищения электроэнергии.

В соответствии с требованиями ГОСТ РМЭК 62053-21 "Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования", п.8.2 "Пределы погрешности, вызываемой другими влияющими величинами" проводят тестирование приборов учета и регистрации электроэнергии.

В качестве одного из тестируемых приборов учета и регистрации электроэнергии был выбран счетчик электрической энергии типа СЭТ1-1-1, в состав которого входит датчик тока. В качестве одного из тестируемых датчиков тока был выбран измерительный трансформатор тока. Он наиболее близок к заявляемому техническому решению. Результаты испытаний показали зависимость датчика тока от величины измеряемого тока. Значение погрешности измерения тока, равного отношению максимального тока к квадратному корню из двух составило минус 22%, что значительно превышает требования ГОСТ. Согласно требованиям ГОСТ РМЭК 62053-21 значение погрешности измерения тока должно составлять ±3%.

При использовании в составе счетчика электрической энергии заявляемого датчика тока величина погрешности измерения тока составляет минус 0,15%, (что соответствует требованиям ГОСТ) и остается практически неизменной во всем диапазоне измеряемых токов.

Предлагаемый датчик тока позволяет обеспечить гальваническую развязку внутренних цепей прибора и токоведущего проводника и повысить стабильность показаний основной погрешности измерения тока.

Датчик тока, содержащий токовую шину, две катушки индуктивности, установленные на печатной плате и состоящие из двух обмоток, первая из которых является измерительной, а вторая обмотка, намотанная поверх первой, служит электростатическим экраном, отличающийся тем, что токовая шина выполнена в виде петли, состоящей из замкнутого и незамкнутого витков, охватывающих соответственно первую и вторую катушки индуктивности.