ПОЯС РОГОВСКОГО

Полезная модель относится к электроизмерительной технике, в частности к измерениям переменных токов.
Известен выбранный в качестве ближайшего аналога пояс Роговского [1], согласно патенту РФ №2223508, который включает обмотку, расположенную на общем разъемном неферромагнитном каркасе, содержащую n витковых секций, расположенных равномерно по всей длине пояса Роговского и соединенных последовательно, при этом витковые секции выполнены в виде плоских спиральных катушек, намотанных на собственных неферромагнитных каркасах, толщина прорези которых равна диаметру намоточного провода обмотки. Витковые секции располагаются на общем разъемном неферромагнитном каркасе перпендикулярно оси пояса Роговского, при этом они располагаются как на внешней, так и на внутренней сторонах неферромагнитного каркаса. Витки спиральной катушки каждой витковой секции занимают площадь в форме кольца, диаметр внутренней части которого равен диаметру неферромагнитного каркаса.
К недостаткам известного пояса Роговского относятся следующие.
Во-первых, вышеописанный пояс Роговского обладает низкой точностью измерения, что обусловлено наличием погрешности измерения, связанной с не идентичностью плоских спиральных катушек, возникающей при их намотке на собственные неферромагнитные каркасы. При этом необходимость намоточных работ также приводит к снижению технологичности изготовления пояса Роговского.
Во-вторых, вышеописанный пояс Роговского обладает ограниченным динамическим диапазоном измеряемых сигналов из-за низкого уровня выходного сигнала, вызванного малым коэффициентом заполнения обмотки. Малый коэффициент заполнения обмотки, с одной стороны, обусловлен конечной толщиной обмоточного провода, минимально допустимый диаметр которого составляет 0,02 мм, а, с другой стороны, обусловлен малой полезной площадью витковой секции, так как внутренняя область витковой секции, диаметр которой равен диаметру неферромагнитного каркаса, свободна от витков и, следовательно, не участвует в формировании выходного сигнала.
Кроме того, наличие узких (ширина равна диаметру обмоточного провода) прорезей на собственных неферромагнитных каркасах, усложняет конструкцию и приводит к низкой технологичности изготовления пояса Роговского. К тому же
наличие необходимости согласования диаметра провода и толщины прорези снижает универсальность использования секций (они подходят только для одного диаметра провода) и приводит к усложнению изготовления спиральных катушек.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения точности и расширения диапазона измерения токов с помощью пояса Роговского при одновременном повышении технологичности его изготовления.
Сущность полезной модели заключается в том, что в поясе Роговского, включающем неферромагнитный каркас с обмоткой, содержащей n витковых секций с плоскими спиральными катушками, расположенных равномерно по всей длине пояса Роговского и соединенных последовательно, предлагается витковые секции с плоскими спиральными катушками выполнить в виде многослойных печатных плат и расположить их 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 расположить проводники для последовательного соединения между собой спиральных катушек витковых секций.
Витковые секции с плоскими спиральными катушками могут быть соединены последовательно через проводники, расположенные на одной из кросс-плат, путем пайки.
Расположенные на одной из кросс-плат проводники, предназначенные для последовательного соединения между собой выводов спиральных катушек витковых секций, могут быть выполнены в виде печатных проводников.
В предлагаемой полезной модели за счет выполнения витковых секций с плоскими спиральными катушками в виде печатных плат повышается точность измерения с помощью пояса Роговского, что обусловлено устранением погрешности измерения, связанной с не идентичностью плоских спиральных катушек, возникающей при их намотке. Выполнение витковых секций с плоскими спиральными катушками в виде многослойных печатных плат также позволяет расширить динамический диапазон измеряемых сигналов за счет повышения уровня выходного сигнала, вызванного увеличением коэффициента заполнения обмотки, по меньшей мере, в два раза за счет использования многослойного монтажа. При этом выполнение витковых секций в виде печатных плат способствует повышению технологичности изготовления пояса Роговского и упрощает процесс его изготовления за счет исключения намоточных работ.
Использование кросс-плат, установленных на неферромагнитном каркасе с его внешней стороны, позволяет расположить витковые секции на внешней стороне
неферромагнитного каркаса в пазах кросс-плат, а также расположить - на одной из кросс-плат проводники для последовательного соединения между собой спиральных катушек витковых секций. При этом кросс-платы выполняют несущую функцию, так как обеспечивают за счет наличия пазов жесткую фиксацию положения витковых секций вокруг неферромагнитного каркаса, а также функцию электрического соединения спиральных катушек витковых секций, образующих обмотку, что повышает технологичность изготовления пояса Роговского, так как упрощает монтаж витковых секций вокруг неферромагнитного каркаса.
Расположение витковых секций с внешней стороны неферромагнитного каркаса в пазах кросс-плат, установленных на неферромагнитном каркасе, способствует расширению динамического диапазона измеряемых сигналов, так как обеспечивает возможность повышения уровня выходного сигнала за счет увеличения полезной площади витковой секции, поскольку внутренняя область витковой секции не занята каркасом, как в ближайшем аналоге, и может участвовать в формировании выходного сигнала.
Последовательное соединение плоских спиральных катушек через печатные проводники, расположенные на одной из кросс-плат, путем пайки, способствует повышению технологичности изготовления пояса Роговского.
Выполнение расположенных на одной из кросс-плат проводников для последовательного соединения между собой выводов спиральных катушек в виде печатных проводников также способствует повышению технологичности изготовления пояса Роговского.
Расположение спиральной катушки витковой секции практически на всей площади витковой секции способствует расширению динамического диапазона измеряемых сигналов за счет повышения уровня выходного сигнала, так как позволяет реализовать возможность повышения уровня выходного сигнала за счет увеличения полезной площади витковой секции практически до ее габаритных размеров.
На фиг.1 изображен общий вид пояса Роговского без экрана и без корпуса. На фигуре 2 приведено изображение витковой секции, вид сверху. На фигуре 3 приведено изображение кросс-платы, вид сверху. На фиг.4 приведено изображение кросс-платы, вид снизу. На фигуре 5 приведено изображение пояса Роговского с экраном и в корпусе, вид спереди с разрезом по А-А и В-В.
Вариант выполнения предлагаемого пояса Роговского, приведен на фиг.1. Пояс Роговского включает неферромагнитный каркас 1 с обмоткой, содержащей n витковых секций 2, расположенных равномерно по всей длине пояса Роговского с внешней
стороны неферромагнитного каркаса 1 в пазах кросс-плат 3, которые установлены на неферромагнитном каркасе 1 с его внешней стороны.
Неферромагнитный каркас 1 может быть выполнен, например, в виде полого цилиндра из отрезка пластиковой трубы.
Каждая витковая секция 2 с плоской спиральной катушкой 4 выполнена в виде многослойной печатной платы с выступами, на которых расположены контактные площадки 5, с помощью которых витковая секция 2 фиксируется в пазах кросс-плат 3 с помощью пайки, обеспечивая расположение витковых секций 2 вокруг общего каркаса 1 перпендикулярно оси пояса Роговского. На одной из контактных площадок 5, например, на верхней расположены выводы 6 спиральной катушки 4. Витковые секции 2, выполненные в виде многослойных печатных платах (фиг.1), полностью идентичны друг другу. Витковые секции 2 равномерно располагаются вдоль пояса Роговского и фиксируются с помощью кросс-плат 3 (фиг.2) так, что предотвращается возможность смещения витковых секций 2.
Каждая кросс-плата 3 выполнена, например, в виде плоского кольца, внутренний диаметр которого соответствует внешнему диаметру каркаса 1, а внешний определяется шириной витковой секции 2. Кросс-платы 3 установлены в верхней и нижней частях каркаса 1 и образуют жесткое соединение с последним. Кросс-платы 3 по внешнему краю снабжены пазами 7 и контактными площадками 8, что обеспечивает точное одинаковое позиционирование витковых секций 2, т.е. кросс-платы 3 выполняют несущую функцию. Кроме того, кросс-платы 3 выполняют функцию электрического соединения, для чего одна из кросс-плат 3, например, верхняя снабжена еще и печатными проводниками 9, которые соединяют последовательно между собой контактные площадки 8, к которым припаяны выводы 6 витковых секций 2 для образования обмотки, с выводов 10 которой снимается выходной сигнал. В пазы 7 кросс-плат 3 вставлены витковые секции 2, а их контактные площадки 5 соединены с контактными площадками 8 кросс-плат 3 пайкой. Фиксация витковых секций осуществляется с помощью пайки в местах контактных площадок, что обеспечивает упрощение технологии сборки пояса Роговского.
На внешней боковой поверхности пояса Роговского установлен экран 11 для снижения влияния внешних полей. Поверх экрана установлен изолирующий корпус 12 для защиты от внешних факторов и для обеспечения электробезопасности.
Высокая плотность расположения витковых секций 2 обеспечивает увеличение выходного сигнала и способствует уменьшению габаритных размеров пояса Роговского.
Работа пояса Роговского осуществляется следующим образом. При протекании тока по токопроводу (на фигурах не показан), проходящему вдоль оси пояса Роговского во внутренней части каркаса 1, вокруг токопровода создается магнитное поле, силовые линии которого проходят вдоль оси обмотки, образованной последовательно соединенными витковыми секциями 2. В результате чего наводится результирующая общая электродвижущаяся сила ЭДС, складывающаяся из ЭДС, наводимых на витковых секциях 2, которая прямо пропорциональна числу витков, площади витковой секции и обратно пропорциональна средней длине силовой линии магнитного поля. ЭДС, наводимая в обмотке, пропорциональна производной тока, протекающего по токопроводу, а при подключении выводов 10 обмотки к измерителю (на фигурах не показан) преобразуется на его выходе в электрический сигнал, пропорциональный величине тока в токопроводе. Известно [2], что минимально возможный диаметр провода (без изоляции), который можно использовать при намотке катушек, составляет 0,02 мм. В то же время существует [3] полуаддитивный метод с дифференциальным травлением, который позволяет получить ширину печатных проводников 0,02 мм и зазор между ними 0,02 мм. Следовательно, сопоставляя при равных условиях количество витков витковой секции в ближайшем аналоге, и количество витков витковой секции, равной ей по площади, но выполненной с использованием печатного монтажа, можно сделать вывод о том, что в последнем случае количество витков увеличивается, по меньшей мере, вдвое за счет использования двустороннего печатного монтажа. При этом использование n-слойных печатных плат позволяет увеличить количество витков в n раз. Таким образом, за счет использования печатного монтажа в n раз увеличивается выходной сигнал, тем самым расширяется динамический диапазон. Увеличение полезной площади витковой секции за счет использования ее внутренней области, которая в данном случае практически полностью заполнена витками, также способствует повышению выходного сигнала, а, следовательно, расширению динамического диапазона. Кроме того, повышается точность измерения, что обусловлено устранением погрешности измерения, связанной с не идентичностью плоских спиральных катушек витковых секций, так как последние выполнены в виде печатных плат, что позволяет добиться их полной идентичности. При этом отказ от намоточных работ также приводит к повышению технологичности изготовления пояса Роговского. Повышению технологичности также способствует существенное упрощение конструкции пояса Роговского за счет использования кросс-плат.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2223508
2. Справочная книга радиолюбителя-конструктора "Радио и связь" // Под ред. Н.И.Чистякова. - М., 1990. С.622.
3. Технологии в производстве электроники часть I "Производство печатных плат" // Сборник статей специалистов ЭСТ, опубликованных ими в официальных изданиях. - М., 2005. С 357.