УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТОКА ОДНОГО ОТДЕЛЬНОГО ПРОВОДА МНОГОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ
DEVICE AND METHOD FOR MEASURING CURRENT STRENGTH OF ONE SEPARATE WIRE OF MULTI-WIRE SYSTEM

Изобретение касается устройства и способа для измерения силы тока одного отдельного провода многопроводной системы.
Для передачи переменного тока, реже также постоянного тока, применяются многопроводные кабели, включающие в себя по меньшей мере два провода. У многопроводных кабелей каждый провод изолируется отдельно, соответственно напряжению. Затем все провода обычно скручиваются друг с другом и еще раз облицовываются одним общим изоляционным материалом.
Измерение протекающего тока в одном отдельном проводе такой многопроводной системы может осуществляться посредством шунтирующих сопротивлений, трансформаторов с кольцевым сердечником, катушек Роговского или с помощью сенсорной системы, основывающейся на зонде поля. Однако, негативным образом, измеряемый провод должен быть доступен для измерения отдельно, что часто означает необходимость разделения многопроводного кабеля.
В немецкой заявке на патент DE 102016210970.7 предлагается измерительная система, с помощью которой протекающий ток в одном отдельном, не доступном непосредственно проводе многопроводной системы может измеряться без повреждения многопроводной системы. Измерительная система содержит по меньшей мере два датчика поля, которые расположены на печатной плате вокруг многопроводной системы. Датчики поля выполнены для измерения и преобразования в электрический сигнал магнитного поля, результирующего из линейной комбинации магнитных полей отдельных токопроводов. Измерительная система содержит также устройство для аналитической обработки сигналов, посредством которого по сигналам указанных по меньшей мере двух датчиков поля и по меньшей мере по одному расстоянию от токопровода до одного из датчиков поля находится сила тока в токопроводе. Негативным образом эта измерительная система является чувствительной к посторонним полям, из-за чего измерение протекающего тока в проводе может искажаться.
Задачей настоящего изобретения, таким образом, является предложить устройство и способ, с помощью которого может измеряться протекающий ток в недоступной непосредственно многопроводной системе, и которое при этом нечувствительно к посторонним полям.
Задача решается с помощью устройства по одному из пп.1-13 формулы изобретения и способа по п.14 формулы изобретения.
Предлагаемое изобретением устройство для измерения силы тока в токопроводе многопроводной системы, имеющей по меньшей мере два токопровода, содержит по меньшей мере два датчика поля. Каждый датчик поля выполнен для измерения и преобразования в электрический сигнал магнитного поля, результирующего из линейной комбинации магнитных полей отдельных токопроводов.
Первый датчик поля расположен в виде сегмента круга вокруг токопровода на первом радиусе, а второй датчик поля расположен в виде сегмента круга вокруг токопровода на втором радиусе, при этом первый радиус больше, чем второй радиус. Устройство содержит также устройство для аналитической обработки сигналов, которое выполнено для нахождения силы тока в токопроводе по разности сигналов указанных по меньшей мере двух датчиков поля и по меньшей мере по одному первому расстоянию от токопровода до первого из датчиков поля или по одному второму расстоянию от токопровода до второго датчика поля.
Вследствие распределения сенсорных сигналов двух датчиков поля на различном расстоянии от токопровода и вследствие получения разности сигналов заметно уменьшается мешающее влияния посторонних полей, в частности гомогенных посторонних магнитных полей, на результат нахождения силы тока в токопроводе. Предпочтительно удается избежать разделения многопроводных систем таким образом, чтобы были непосредственно доступны отдельные токопровода. Также предпочтительно может достигаться расширение области измерения.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления и усовершенствовании изобретения первый и второй датчик поля расположены на одной общей печатной плате. Все датчики поля, то есть как датчики поля на первом радиусе, так и датчики поля на втором радиусе, расположены на общей печатной плате и могут укладываться и фиксироваться вокруг многопроводной системы. Таким образом, относительное положение и расстояние между датчиками поля и от датчиков поля до измеряемого токопровода во время измерения постоянно. Это делает возможными предпочтительно постоянные измерения.
В другом предпочтительном варианте осуществления и усовершенствовании изобретения первый датчик поля расположен на первой печатной плате, а второй датчик поля на второй печатной плате. Предпочтительно так первый и второй радиус могут выбираться независимо друг от друга.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления и усовершенствовании изобретения печатная плата выполнена в виде гибкой печатной платы. Предпочтительно при этом печатная плата вместе с датчиками поля может укладываться вокруг многопроводной системы варьируемым образом. При этом многопроводная система может иметь различные формы, в частности круглую или овальную. Также периметр многопроводной системы и длина первой и/или второй печатной платы не обязательно должны быть точно согласованы друг с другом. Предпочтительно достаточно, если печатные платы могут частично укладываться каждая вокруг многопроводной системы. Фиксацией гибкой печатной платы вокруг многопроводной системы обеспечено поддержание постоянного расстояния от датчиков поля до каждого отдельного токопровода, который должен измеряться. Предпочтительно гибкая печатная плата может встраиваться как в новые многопроводные системы, так и в уже смонтированные старые системы. Фиксация может осуществляться, например, с помощью гибких клемм, винтового соединения или с помощью изготовленного с посадкой адаптера.
В другом предпочтительном варианте осуществления и усовершенствовании изобретения количество датчиков поля на одной печатной плате равно или больше количества токопроводов. Тогда предпочтительно можно определять силу тока для каждого отдельного токопровода многопроводной системы. Датчики поля находятся на различных расстояниях от измеряемого токопровода. Так как магнитное поле прямого токопровода, по которому протекает ток, уменьшается обратно расстоянию, то с помощью линейных комбинаций магнитных полей отдельных токопроводов можно оказывать обратное влияние на силу тока в одном определенном отдельном токопроводе.
В другом предпочтительном варианте осуществления и усовершенствовании изобретения количество датчиков поля на первой и второй печатной плате одинаково. Предпочтительно тогда по одному первому и одному второму датчику поля распределены друг с другом попарно. Тогда эти два датчика могут предпочтительно создавать сигналы, которые используются для нахождения протекающего тока в измеряемом токопроводе. Разность этих двух сигналов предпочтительно позволяет минимизировать влияние посторонних полей, в частности гомогенных посторонних магнитных полей.
В другом предпочтительном варианте осуществления и усовершенствовании изобретения отношение первого радиуса ко второму радиусу лежит в пределах от 1,1 до 3. В этих пределах измерительные сигналы первого и второго датчика поля, с одной стороны, достаточно различны, чтобы можно было исключить из измерения посторонние поля, а с другой стороны, еще имеют один и тот же порядок величины, чтобы можно было рассчитывать силу тока.
В другом предпочтительном варианте осуществления и усовершенствовании изобретения первый датчик поля и второй датчик поля расположены радиально соосно, то есть, от средней точки многопроводной системы, на одной линии. При этом чувствительное направление датчиков поля ориентировано по существу взаимно параллельно. Предпочтительно благодаря этому расположению датчиков поля может дополнительно минимизироваться влияние гомогенных посторонних полей на нахождение протекающего тока в токопроводе.
В другом предпочтительном варианте осуществления и усовершенствовании изобретения по меньшей мере один из датчиков поля представляет собой магнитный датчик или датчик Холла. Под магнитным датчиком понимается датчик, который представляет собой магнетометр для векторного определения магнитного поля. Магнитный датчик называется также зондом Ферстера. С помощью магнитных датчиков можно измерять магнитные поля от 0,1 нТ до 5 мТ. Датчик Холла предпочтительно использует для измерения магнитных полей эффект Холла. Предпочтительно датчик Холла не изменяет измеряемое магнитное поле, так как в датчиках Холла не должны монтироваться никакие магнитно-активные материалы.
В другом предпочтительном варианте осуществления и усовершенствовании изобретения первый и второй датчик поля расположены по существу планарно друг с другом. Тогда обе печатные платы также расположены по существу планарно друг с другом. При этом чувствительное направление данных датчиков поля ориентировано взаимно параллельно.
В другом предпочтительном варианте осуществления и усовершенствовании изобретения печатные платы расположены вокруг многопроводной системы таким образом, что печатные платы своими нормалями к поверхности расположены параллельно осевому направлению многопроводного кабеля. При этом расположении расстояние между первым и вторым датчиком поля и от датчиков поля до средней точки многопроводной системы в радиальном направлении постоянно. Также может легко находиться расстояние от датчиков поля до средней точки системы по периметру, так что это расстояние известно. Поэтому это расположение может предпочтительно обеспечивать необходимую гибкость во время фазы монтажа печатной платы и также предпочтительно обеспечивать пространственно фиксированное радиальное расположение датчиков поля друг относительно друга и относительно измеряемых токопроводов во время фазы измерения.
В другом предпочтительном варианте осуществления и усовершенствовании изобретения длина печатной платы может выбираться таким образом, чтобы многопроводная система была расположена вокруг многопроводной системы в виде сегмента круга по меньшей мере 180°. Предпочтительно печатная плата может располагаться вокруг различных многопроводных систем, имеющих различные длины периметра и формы периметра.
В другом предпочтительном варианте осуществления и усовершенствовании изобретения на печатной плате расположено устройство для аналитической обработки сигналов. Тогда предпочтительно для измерения силы тока в токопроводе нужно только установить общее устройство, а дополнительной установки устройств для аналитической обработки сигналов можно предпочтительно избежать.
В предлагаемом изобретением способе сила тока токопровода в многопроводной системе определяется в устройстве для аналитической обработки сигналов посредством аналитической обработки по меньшей мере двух электрических сигналов по меньшей мере двух датчиков поля. Способ использует предлагаемое изобретением устройство. Из первого сигнала находится первая сила магнитного поля, а из второго сигнала находится вторая сила магнитного поля. Также известно первое расстояние между первым датчиком поля и токопроводом, или второе расстояние между вторым датчиком поля и токопроводом. Затем с использованием закона Био-Савара из разности первой и второй силы магнитного поля и из первого и второго расстояния находится сила тока токопровода.
Другие варианты осуществления и другие признаки изобретения поясняются подробнее с помощью следующих фигур. При этом показано:
фиг.1: поперечное сечение измерительного устройства с многопроводной системой;
фиг.2: вид в плане измерительного устройства с многопроводной системой;
фиг.3: многопроводная система с лентой датчика поля, проходящей нормалью к ее поверхности параллельно оси многопроводной системы.
На фиг.1 показано измерительное устройство 1 и многопроводной кабель 14 в поперечном сечении. Многопроводной кабель 14 содержит три токопровода 7. Эти токопровода 7 в этом примере осуществления расположены симметрично вокруг воображаемой середины многопроводного кабеля 14. Но возможно также, чтобы токопровода были расположены в многопроводном кабеле 14 несимметрично.
Вокруг многопроводного кабеля 14 расположено измерительное устройство 1 для измерения силы тока в по меньшей мере одном токопроводе 7. Измерительное устройство 1 содержит гибкую печатную плату 2. Возможно также (на фиг. 1 не показано), чтобы на гибкой печатной плате 2 соответственно на первом и втором радиусе R1, R2 были расположены две ленты, которые включают в себя датчики 3, 4 поля. На гибкой печатной плате 2 в этом примере вокруг середины многопроводной системы 14 расположены первый датчик 3 поля на первом радиусе R1, а второй датчик 4 поля на втором радиусе R2 вокруг середины многопроводной системы 14. При этом первый радиус больше, чем второй радиус R2.
S
На каждом из этих двух радиусов R1, R2 вокруг середины многопроводного кабеля 14 находятся по меньшей мере столько датчиков 3, 4 поля, сколько имеется токопроводов 7 в многопроводной системе 14. Если смотреть от середины многопроводного кабеля 14, первый и второй датчик 3, 4 поля расположены соосно на одной линии 10. Это означает также, что чувствительное направление 11 двух датчиков 3, 4 поля расположено взаимно параллельно. Пара 15 датчиков показана на фиг.1. Чувствительное направление 11 первых датчиков 3 поля и вторых датчиков 4 поля расположено параллельно периметру гибкой печатной платы 2. Гибкая печатная плата 2 расположена нормалью 17 к ее поверхности параллельно осевому направлению многопроводной системы 2. Первый радиус R1 и второй радиус R2 зависят от требований к изоляции, геометрии расположения проводов, силы тока и вида применяемых датчиков поля. Первый радиус R1 первых датчиков 3 поля составляет в этом примере R1=70 мм, а второй радиус R2=54 мм. Благодаря тому, что чувствительное направление 11 датчиков поля расположено параллельно, магниточувствительное направление датчиков 3, 4 поля расположено под одинаковым углом α к измеряемому токопроводу 7. При этом один из двух распределенных попарно друг с другом датчиков 3, 4 поля находится на внешнем радиусе R1, находящемся на первом расстоянии 5 от токопровода 7, а другой на внутреннем радиусе R2, находящемся на втором расстоянии от токопровода 7 многопроводной системы 14. Основываясь на разности полей между внутренним и внешним датчиком поля, то есть первым датчиком 3 поля и вторым датчиком 4 поля этой пары датчиков, и первым расстоянием 5 или вторым расстоянием 6, можно найти протекающий ток в токопроводе 7.
В этом примере для трех измеряемых токопроводов 7 расположены по шесть датчиков поля на первом радиусе R1 и шесть датчиков поля на втором радиусе R2. Оба датчика 3, 4 поля в этом примере представляют собой магнитные датчики. Альтернативно можно применять датчики Холла.
Для аналитической обработки сигналов датчиков 3, 4 поля с гибкой печатной платой 2 электрически соединено устройство 8 для аналитической обработки сигналов. Устройство 8 для аналитической обработки сигналов выполнено, чтобы по меньшей мере из двух сигналов по меньшей мере двух датчиков 3, 4 поля, имеющих два различных радиуса R1, R2, в частности пары 16 датчиков, находить силу тока в одном отдельном проводе 7 многопроводной системы 14. Благодаря применению двух датчиков 3, 4 поля, расположенных концентрически кольцеобразно вокруг токопровода 7, и параллельной ориентации чувствительного направления 11, при использовании разности магнитных полей может заметно сокращаться мешающее влияние посторонних полей на результат.
Гибкая печатная плата 2 короче, чем периметр многопроводного кабеля 14, так что в направлении многопроводного кабеля 14 остается свободным первое отверстие 15.
Для нахождения силы тока в токопроводе 7 должно быть известно по меньшей мере первое 5 или второе расстояние 6. В этом примере геометрия многопроводного кабеля 14 известна, так что расстояния от токопровода 7 до двух датчиков 3, 4 поля известны. В случае, когда геометрия многопроводного кабеля 14 неизвестна, можно находить коэффициенты пропорциональности. Для нахождения коэффициентов пропорциональности по токопроводу 7 пропускается ток заданной силы, и после этого посредством первого и второго датчика 3, 4 поля измеряется магнитное поле. Отсюда могут рассчитываться коэффициенты пропорциональности, которые, в свою очередь, могут использоваться при протекании по токопроводу 7 тока неизвестной силы.
На фиг.2 показан вид в плане многопроводного кабеля 14 и измерительного устройства 1. На этом виде хорошо видно, что гибкая печатная плата 2 расположена в многопроводном кабеле 14 нормалью 17 к ее поверхности параллельно токоведущим токопроводам 7. Кроме того, видно отверстие 15, так как гибкая печатная плата 2 короче, чем периметр многопроводного кабеля 14. На гибкой печатной плате 2 расположено также устройство 8 для аналитической обработки сигналов.
Нахождение силы тока осуществляется на основе закона Био-Савара:
Уравнение 1
Закон Био-Савара утверждает, что токопровод бесконечно малой длины dl в месте r', через которое протекает ток I, имеет в месте r силу dH магнитного поля.
Тогда по уравнению 2-7 методом наименьших квадратов из количества N сенсорных сигналов может находиться количество M токов. При этом  представляет собой силу магнитного поля, которая измеряется первым датчиком 3 поля, в формулах μ1, в месте .  представляет собой силу магнитного поля, которая измеряется вторым датчиком 4 поля, обозначенного в формулах μ2, в месте .  представляет собой ток в месте , то есть в токопроводе 7.
Уравнение 2
Уравнение 3-1
Уравнение 3-2
Уравнение 4-1
Уравнение 4-2
Уравнение 5-1
Уравнение 5-2
Уравнение 6-1
Уравнение 6-2
Уравнение 7
Sμ1
Sμ2
Угол α представляет собой угол между чувствительным к магнитному полю направлением датчика μ1 и осью x системы 9 координат на фиг.1. Угол α представляет собой угол между чувствительным к магнитному полю направлением датчика μ2 и осью X. Система 9 координат относится к уравнениям 2-7.
На фиг.3 показана многопроводная система 14 с измерительным устройством 1, при этом первые датчики 2 поля расположены на первой ленте 12, а вторые датчики 4 поля на второй ленте 13 нормалями 17 к своим поверхностям параллельно осевому направлению многопроводной системы 14. Первая лента 12 и вторая лента 13 фиксированным образом соединены друг с другом, так что может обеспечиваться пространственно фиксированное радиальное расположение датчиков 3, 4 поля вокруг токопровода 7 на фазе эксплуатации или, соответственно, измерения. Гибкая ленточная система, включающая в себя первую и вторую ленту 12, 13 имеет предпочтительно по меньшей мере указанное одно отверстие 15, чтобы могла обеспечиваться механическая гибкость во время монтажа измерительного устройства 1.
Как монтирование первой и второй ленты 12, 13, так и монтирование гибкой печатной платы 2 делает возможным простое дооснащение существующих систем измерительным устройством 1 без больших модификаций, или оно делает возможным эпизодические измерения, в частности при пусконаладке системы.