Магнитоэлектрический датчик тока

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в различных областях науки и промышленности при создании датчика тока.
Известен датчик тока (И.Н. Соловьев, М.И. Бичурин). Низкочастотный магнитоэлектрический датчик тока. Вестник Новгородского государственного университета, 2013, № 75, Т.1, с 35-36), содержащий магнитоэлектрический элемент, катушки индуктивности, предназначенные для создания переменного возбуждающего магнитного поля и постоянного магнитного поля смещения, генератор высокочастотных сигналов и регистрирующую электронную схему.
Устройство работает следующим образом: проходящий по токовой шине электрический ток создает магнитное поле, которое воздействует на расположенный рядом магнитоэлектрический элемент, и он генерирует переменное электрическое напряжение, амплитуда которого пропорциональна величине измеряемого тока.
Недостатком данного устройства является совпадение частоты измеряемого сигнала с частотой переменного магнитного поля, что ограничивает чувствительность датчика. Отстройка от частоты возбуждения является сложной технической задачей. Вторым недостатком устройства является нелинейная зависимость выходного сигнала от измеряемого тока, обусловленная нелинейностью зависимости напряжения, генерируемого магнитоэлектрическим элементом от постоянного магнитного поля.
Известен также датчик тока (W. He, J. Zhang, C. Qu, J. Wu, J. Peng. A Passive Electric Current Sensor Based on Ferromagnetic Invariant Elastic Alloy, Piezoelectric Ceramic, and Permalloy Yoke, IEEE Transactions on Magnetics 52(7):1-1 · July 2016), содержащий  зафиксированную  на одном конце балку из железо-никелевого сплава, обладающего магнитострикцией, с закрепленной на ней пластиной пьезоэлектрика, магнитопровод, постоянные магниты и электронную схему. Устройство позволяет регистрировать переменный ток с частотой 50-60 Гц, совпадающей с резонансной частотой изгибных колебаний балки. Устройство работает следующим образом: проходящий по токовой шине переменный электрический ток создает переменное магнитное поле, которое возбуждает изгибные колебания магнитострикционной балки, закрепленный на балке пьезоэлемент генерирует переменное электрическое напряжение, амплитуда которого пропорциональна величине измеряемого тока. Недостаткомустройства является невозможность измерения постоянных токов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является бесконтактный датчик тока, описанный в (RU 171066 U1 от 04.10.2016.), содержащий магнитопровод, магниточувствительный элемент, усилитель, компенсационную обмотку и измерительное сопротивление, магниточувствительнй элемент выполнен из магнитоэлектрика, на магнитопровод помещена дополнительная возбуждающая обмотка, питаемая от генератора переменного тока, сигнал с которого поступает также на синхронный детектор, а после него подается на усилитель мощности, нагруженный на компенсационную обмотку и измерительное сопротивление.
Недостатком описанного устройства является наличие двойного зазора между магнитоэлектриком и магнитопроводом, величина которого сильно влияет на чувствительность датчика и отражается в достоверности информации.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи по устранению указанного недостатка.
Технический результат достигается тем, что в датчике тока, содержащем магнитоэлектрический элемент, усилитель, обмотку возбуждения, питаемую от генератора переменного тока, сигнал с которого поступает также на синхронный детектор, отличающийся тем, что магнитоэлектрический элемент выполнен в виде кольца,  центральное отверстии которого служит для размещения в нем  провода с измеряемым током.
Указанные признаки полезной модели являются существенными и совокупность этих признаков достаточна для получения требуемого технического результата.
На фиг. 1 показана блок-схема заявляемой полезной модели. Она содержит магнитоэлектрик 1, обмотка возбуждения 2, провод с измеряемым током 3, генератор 4, усилитель 5, синхронный детектор 6.
На фиг. 2 показано устройство магнитоэлектрического элемента. Он состоит из магнитострикционного ферромагнетика 7, пьезоэлектрика 8, содержащего электроды 9.
Работает устройство следующим образом. Проходящий по проводу 3 постоянный ток I создает вокруг себя постоянное магнитное поле. Это поле концентрируется ферромагнетиком 7 (фиг. 2), поступающее от генератора 4 на возбуждающую обмотку 2 переменное напряжение создает переменное магнитное поле накачки. Поступающее от генератора 4 на обмотку возбуждения 2 переменное напряжение с частотой F создает переменное магнитное поле накачки. Частота F переменного напряжения соответствует частоте собственных радиальных механических колебаний магнитоэлектрика 1. Это приводит к увеличению генерируемого пьезоэлектриком 8 (фиг. 2) переменного напряжения на его электродах 9 на величину его механической добротности. Напряжение, снимаемое с электродов 9 (фиг.2) поступает на усилитель 5, а далее на синхронный детектор 6, где происходит его выпрямление. Выходное напряжение в данном устройстве пропорционально измеряемому току.
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства был изготовлен макет, который не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует получение требуемого технического результата.
Кольцевой магнитопровод устройства был изготовлен из Metglas размерами 25 мм х 10 мм х 0,02 мм. Пьезоэлектрический элемент кольцевой формы размерами 25 мм х 10 мм х 0,5мм выполнен из материала ЦТС-19.
Ферромагнетик и пьезоэлектрик были между собой склеены с помощью эпоксидного клея. На полученную структуру была намотана тороидальная обмотка возбуждения, содержащая 50 витков провода диаметром 0,2 мм. К электродам пьезоэлемента были припаяны выводы. Полученная структура помещалась в пластмассовый каркас. В измерительной цепи использовались стандартный синхронный детектор, стандартный низкочастотный генератор, стандартные усилители и измерители напряжения. Измерения показали, что частота радиальных механических колебаний магнитоэлектрического элемента составила 60 кГц. Добротность акустического резонанса равнялась  90. На фиг. 3 и 4 показаны измеренные зависимости выходного напряжения от величины измеряемого тока I при отсутствии механического резонанса и при наличии соответственно. Видно, что эта зависимость практически линейная.