Широкополосный датчик переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке
BROADBAND AC CURRENT SENSOR ON A THIN FERROMAGNETIC FILM

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.
-2
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 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.