ДАТЧИК ТОКА

Полезная модель относится к области электрических измерений, а именно к датчикам тока высокой точности, в которых в качестве первичного измерительного преобразователя используется магнитопровод из магнитомягкого материала.
Первичный измерительный преобразователь датчика тока представляет один или несколько магнитопроводов из магнитомягкого материала с обмотками. Принцип работы преобразователя может быть основан на трансформаторе тока, магнитном усилителе или магнитомодуляционном преобразователе [Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники // М: Наука, 1966. 720 с; Isolated current and voltage transducers // LEM Components, 2004. 48 p.]. В этом случае существенно, что магнитопровод датчика тока изготавливается из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью. В качестве такого материала можно использовать пермаллой, аморфные сплавы на основе кобальта или нанокристаллические сплавы на основе железа [Стародубцев Ю.Н. Магнитомягкие "материалы. Энциклопедический словарь-справочник // М.: Техносфера, 2011. 664 с]. При этом высокое значение может относиться как к области слабых магнитных полей (начальная магнитная проницаемость), так и к области коэрцитивной силы материала (максимальная магнитная проницаемость). Последний случай реализуется, если петля магнитного гистерезиса имеет прямоугольную форму. Все указанные магнитомягкие материалы имеют близкие к нулю значения констант магнитной анизотропии и магнитострикции, и способны в результате термической обработки в магнитном поле сформировать прямоугольную петлю магнитного гистерезиса.
Во всех случаях для получения высокой магнитной проницаемости необходимо, чтобы магнитопровод имел замкнутую форму. Если в магнитопроводе имеются поперечные воздушные зазоры, полученные, например, резкой, то они значительно снижают эффективную магнитную проницаемость магнитопровода. Поэтому датчики тока, использующие магнитопроводы с поперечным разрезом для размещения элементов Холла, не относятся к объектам данной полезной модели.
Известен датчик тока [European Patent 0651258 A2. DC current sensor. Int. C1. G01R 15/18. Date of publication 03.05.1995.], который в качестве первичного измерительного преобразователя использует замкнутый магнитопровод с высокой магнитной проницаемостью из пермаллоя (Ni - 78%, Mo - 5%, Cu - 4%, Fe - остальное), на который нанесены обмотки возбуждения и измерения. Известно, что магнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью очень чувствительны к механическим воздействиям. В указанном датчике тока отсутствует защита первичного измерительного преобразователя от внешних воздействующих факторов, к которым кроме механических воздействий, можно отнести также повышенную влажность или агрессивную среду.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является датчик тока [United States Patent Application US 2013/0154629 A1. Toroidal fluxgate current transducer. Int. C1. G01R 33/00. Date of publication 20.06.2013.], в котором магнитопровод, изготовленный из аморфного сплава на основе кобальта с высокой магнитной проницаемостью, размешен в защитном контейнере. Этот контейнер защищает магнитопровод от прямого механического давления, однако может оказаться недостаточным для защиты от одиночных ударов, вибрационного воздействия или действия влажной и агрессивной среды.
Целью предлагаемого технического решения является создание такой конструкции датчика тока, использующего в качестве первичного измерительного преобразователя магнитопроводы с высокой магнитной проницаемостью и обмотки, нанесенные поверх магнитопроводов, которая обеспечит повышенный уровень защиты первичного измерительного преобразователя от внешних воздействий и позволит стабильно работать датчику тока в сложных климатических (влажная и агрессивная среды) и механических (одиночные удары, вибрационное воздействие) условиях.
Поставленная цель достигается за счет размещения магнитопровода в защитном контейнере с высоким уровнем магнитной проницаемости заполненном компаундом для предотвращения смещения магнитопровода (первичного измерительного преобразователя) и его изолирования от окружающей среды.
72,5
1
2
1,5
14
9
Результаты измерений начальной магнитной проницаемости магнитопроводов, изготовленных из нанокристаллического магнитомягкого сплава ГМ 414 (FeCuNbMoSiB) после заливки компаундами, имеющими различный модуль упругости, приведены в таблице ниже.
Из таблицы следует, что кремний органический компаунд СИЭЛ 59-356Б, который после вулканизации становится гелеобразным, практически не изменяет магнитные свойства магнитопровода. Магнитная проницаемость магнитопровода особенно значительно падает при использовании эпоксидного компаунда, который после полимеризации имеет наибольший модуль упругости.
Таблица.
Начальная магнитная проницаемость нанокристаллического магнитомягкого сплава ГМ 414 после заливки различными компаундами.
Заливочный компаунд
Модуль упругости компаунда, МПа
Начальная относительная магнитная проницаемость
В исходном состоянии
После заливки компаундом
Кремнийорганическим компаундом СИЭЛ 59-356Б
0,1
80000
77000
Низкомолекулярный каучук СКТН-А
1
85000
45000
Эпоксидный компаунд на основе ЭД-20
4
87000
35000
Предлагаемое техническое решение представляет датчик тока, содержащий первичный измерительный преобразователь в виде одного или нескольких замкнутых магнитопроводов с высокой магнитной проницаемостью и обмотки, нанесенные поверх магнитопроводов, отличающийся тем, что первичный измерительный преобразователь находится в защитном контейнере, заполненном гелеобразным компаундом, модуль упругости которого не превышает 0,5 МПа.
В качестве материала магнитопроводов может быть использован пермаллой или аморфные и нанокристаллические сплавы с высокой магнитной проницаемостью после термической обработки в продольном магнитном поле или без магнитного поля.
Защитный контейнер может быть изготовлен из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, который одновременно выполняет функцию корпуса и магнитного экрана.
Сущность полезной модели поясняется рисунком с изображением примера ее реализации. На Фиг. 1 схематически изображено поперечное сечение датчика тока тороидальной формы с одним магнитопроводом 1 в защитном контейнере 2, заполненном гелеобразным компаундом 3 с низким модулем упругости (не превышает 0,5 Мпа). Обмотки, нанесенные поверх магнитопровода, не показаны.
68
4
4
13
11
72,5
1
2
1,5
14
9
В качества примера реализации был изготовлен датчик тока, состоящий из магнитномодуляционного преобразователя и электронного блока с аналоговым выходом. Магнитомодуляционный преобразователь является первичным измерительным преобразователем и имеет форму неразъемного тороида с обмотками, через который проходит проводник с током, подлежащим измерению. Магнитопровод первичного измерительного преобразователя диаметром 685 мм, высотой 10 мм и толщиной стенки 1,5 мм изготовлен из аморфного сплава на основе кобальта CoFeCrSiB. После термической обработки в продольном поле магнитопровод приобретает прямоугольную петлю магнитного гистерезиса. Защитный контейнер изготовлен из магнитомягкого нанокристаллического сплава ГМ 414 FeCuNbMoSiB с высокой магнитной проницаемостью. Для придания контейнеру прочности его пропитали кремнийорганическим компаундом КО-976. Магнитомодуляционный преобразователь размещается в защитном контейнере, который заполнен гелеобразным кремнийорганическим компаундом СИЭЛ 59-356Б. Погрешность измерения тока до и после заполнения компаундом защитного контейнера не изменилась и составила не более 0,5% в пределах измеряемого тока до 20 А.
2
Датчик тока выдержал испытания к синусоидальной вибрации со следующими предельными параметрами: амплитуда виброперемещений 1,3 мм на частотах 10-20 Гц, амплитуда виброперемещений 0,8 мм на частотах 20-25 Гц, амплитуда виброперемещений 0,6 мм на частотах 25-30 Гц, амплитуда виброускорения 35 м/с (3,5 g) на частоте 30-80 Гц. Он также показал стойкость к ударам одиночного действия с ускорением 200 g в трех взаимно-перпендикулярных направлениях и прочность к повышенной влажности 98% при температуре 25°C.