КАТУШКА РОГОВСКОГО

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.