Широкополосный датчик переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке
Владельцы патента RU 2762518:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике. Широкополосный датчик переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке содержит датчик магнитного поля, помещенный в воздушный зазор кольцевого сердечника, через который проходит как минимум один проводник с током, величину которого необходимо измерить и компенсационную катушку, намотанную на кольцевой сердечник. Новым является то, что в качестве датчика магнитного поля используется высокочувствительный широкополосный датчик слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками, причем режим компенсационных измерений этого датчика реализуется за счет обратной связи, осуществляемой с помощью компенсационный катушки, намотанной на кольцевой сердечник, а его ось чувствительности направлена тангенциально окружности кольцевого сердечника. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности устройства и расширение полосы частот. 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно – предназначено для бесконтактного измерения величины переменного тока в широкой полосе частот и может использоваться в различной измерительной и радиоэлектронной аппаратуре.
Известно устройство измерения магнитного поля и датчик тока [Патент EP №2520945A1, МПК G01R 33/09, G01R 15/20, опубл. 07.11.2012, Бюл. 2012/45], содержащее проводник с током, формирующим магнитное поле; сердечник произвольной формы с зазором, расположенный вокруг проводника с током; датчик магнитного поля (датчик Холла, датчик на основе гигантского магнетосопротивления), размещенный не в зазоре сердечника, а рядом с ним, таким образом, чтобы он находился под воздействием магнитного поля, формируемого проводником с током. За счет подбора формы сердечника достигается возможность размещения датчика таким образом, чтобы одновременно обеспечить высокую чувствительность устройства и оставить зазор в сердечнике свободным для перемещения через него проводника с током.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является устройство для измерения величины электрического тока, включающее датчик магнитного потока и предназначенное в частности для электротранспорта [Патент US №5734264, G01R 1/20, G01R 33/07, опубл. 31.03.1998 (прототип)], содержащее как минимум один датчик магнитного поля, помещенный в воздушный зазор кольцевого сердечника, через который проходит как минимум один проводник тока, величину которого необходимо измерить. Компенсационная катушка намотана на сердечник и соединена последовательно с измерительным резистором. Электрическая схема с обратной связью, управляемая выходным сигналом датчика магнитного потока, обеспечивает формирование тока в компенсационной катушке независимо от направления протекания измеряемого тока. Напряжение, снимаемое с измерительного резистора, подается на выход устройства.
Общим недостатком известной конструкции и конструкции-прототипа является низкая чувствительность и узкая полоса частот, что обусловлено типами применяемых датчиков магнитного поля – это различные типы гальваномагнитных преобразователей (датчики Холла, магниторезистивные преобразователи и др.).
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности устройства и расширение полосы рабочих частот.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в широкополосном датчике переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке, содержащем датчик магнитного поля, помещенный в воздушный зазор кольцевого сердечника, через который проходит как минимум один проводник с током, величину которого необходимо измерить, компенсационную катушку, намотанную на кольцевой сердечник, новым является то, что в качестве датчика магнитного поля используется высокочувствительный широкополосный датчик слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками, причем режим компенсационных измерений датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками реализуется за счет обратной связи, осуществляемой с помощью компенсационный катушки, намотанной на кольцевой сердечник, а ось чувствительности датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками направлена тангенциально окружности кольцевого сердечника.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается использованием в качестве датчика магнитного поля высокочувствительного широкополосного датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками. Такие датчики обладают высокой чувствительностью, на порядки превышающей чувствительность, например, датчиков Холла. Одновременно с этим датчики обеспечивают равномерный коэффициент преобразования в широкой полосе частот.
Существенным отличием является то, что режим компенсационных измерений датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками реализуется с помощью компенсационной катушки, которая намотана на кольцевом сердечнике.
Другим существенным отличием является то, что ось чувствительности датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками направлена тангенциально окружности кольцевого сердечника, что позволяет получить максимальную чувствительность устройства.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана конструкция широкополосного датчика переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке без верхней крышки, а на фиг. 2 показана его конструкция с разнесенными составными частями.
Широкополосный датчик переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке содержит (фиг. 1) корпус (1), в котором размещается печатная плата (2) широкополосного датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками (3). Чувствительный элемент этого датчика, включающий микрополосковые резонаторы и тонкие магнитные пленки (3), расположен в воздушном зазоре сердечника (4), на котором намотана компенсационная катушка (5). Через сердечник (4) с компенсационной катушкой (5) проходит один или более проводов (6), общий ток в которых необходимо измерить. Под чувствительным элементом (фиг. 2) размещена магнитная система (7), формирующая подмагничивающее поле. В целях снижения помех сердечник (4) с компенсационной катушкой (5) могут быть экранированы.
Широкополосный датчик переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке работает следующим образом. Принцип работы датчиков слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками хорошо известен и описан, например, в [Патент РФ №2536083, МПК G01R33/05, G01R33/24, опубл. 20.12.2014]. Протекающий (фиг. 1) по проводнику (6) электрический ток создает в сердечнике (4) магнитный поток. В воздушном зазоре сердечника (4) формируется однородное магнитное поле, величина которого измеряется с помощью датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками (3). За счет обратной связи в этом датчике, с помощью компенсационной катушки (5) реализуется компенсационный режим измерений, который позволяет повысить стабильность параметров заявляемого устройства, улучшить его линейность и расширить его динамический диапазон.
Для практической проверки работоспособности широкополосного датчика переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке был изготовлен экспериментальный макет (фиг. 1). Экспериментальные исследования показали, что устройство обеспечивает измерение переменных токов с высокой чувствительностью в широкой полосе частот – от 10-2 Гц до 1 МГц. Устройство может быть использовано для мониторинга шин питания ответственных устройств (линии питания космических аппаратов, различных роботизированных платформ и др.). Спектральный анализ в широкой полосе частот с высокой чувствительностью позволяет отслеживать различные переходные процессы в работе систем автоматики, исполнительных устройств и т.п. Например, оценка краткосрочных изменений спектрального состава сигналов бортового питания космического аппарата дает возможность получить информацию о корректном выполнении команд управляющего устройства исполнительными механизмами и о различных отказах, тогда как долгосрочные изменения спектрального состава могут дать информацию о процессах деградации как электронных, так и электромеханических устройств. Анализ спектральных составляющих сигналов питающих цепей позволяет косвенно оценить параметры работы, например, группы импульсных преобразователей вторичного электропитания. Выходной сигнал устройства может быть оцифрован с использованием высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей с высокой разрядностью и обработан, например, при помощи корреляционно-экстремальных алгоритмов или нейронных сетей по заранее подготовленной базе данных.
Широкополосный датчик переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке, содержащий датчик магнитного поля, помещенный в воздушный зазор кольцевого сердечника, через который проходит как минимум один проводник с током, величину которого необходимо измерить, компенсационную катушку, намотанную на кольцевой сердечник, отличающийся тем, что в качестве датчика магнитного поля используется высокочувствительный широкополосный датчик слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками, причем режим компенсационных измерений датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками реализуется за счет обратной связи, осуществляемой с помощью компенсационный катушки, намотанной на кольцевой сердечник, а ось чувствительности датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками направлена тангенциально окружности кольцевого сердечника.
