УСТРОЙСТВО И СБОРКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
DEVICE AND ASSEMBLY FOR MEASURING ELECTRIC CURRENT

Область техники
Изобретение относится к области измерения электрического тока, протекающего по кабелю.
Задача изобретения, более конкретно, состоит в том, чтобы обеспечить устройство для измерения электрического тока, протекающего по кабелю, содержащее средство для крепления гибкой катушки Роговского, которая может принимать разомкнутое положение, обеспечивающее возможность размещения вокруг кабеля, и замкнутое положение, предназначенное для охвата кабеля.
Оно также относится к сборке для измерения такого тока, содержащей, по меньшей мере, одно измерительное устройство, и к устройству для измерения мощности и энергии, содержащему, по меньшей мере, один такой измерительный датчик.
Предшествующий уровень техники
Существуют различные измерительные датчики для измерения электрического тока, протекающего по кабелю, которые могут быть установлены вокруг кабеля, без необходимости прерывания распределения электрической энергии, или выполнения какого-либо действия на электрической установке. Такие датчики действуют как трансформатор тока, использующий магнитное поле, генерируемое протеканием тока в кабеле. Более точно, кабель на практике составляет первичную катушку трансформатора, хотя он и не оборудован соответствующей первичной катушкой: спираль первичной катушки составлена путем прохождения кабеля, в котором требуется измерить ток, в токах вторичной катушки трансформатора.
Вторичная катушка трансформатора, в своей части, может быть сформирована различными способами. Первое решение состоит в размещении магнитной цепи, установленной поверх кабеля, и катушки из нескольких витков, намотанных вокруг магнитной цепи. Магнитная цепь может быть выполнена в виде единой детали, но тогда требуется отключать кабель для установки вторичной катушки трансформатора на кабель, который затем снова требуется соединить. Эти задачи являются достаточно изощренными и не очень безопасными.
Другая конструкция, как описано в документе US-А-4048605, состоит в обеспечении магнитной цепи в виде двух жестких частей, соединенных так, чтобы они могли расходиться друг от друга, когда кабель устанавливают внутри магнитной цепи, и затем повторно замыкаться друг на друга в рабочем положении, при этом магнитная цепь хорошо замыкается. Такая компоновка обычно используется в области амперметров, подвешиваемых на провод.
В компоновках такого типа, однако, проявляется основной недостаток, состоящий в том, что размыкание магнитной цепи из двух жестких частей требует механического средства, которое является сложным, и двух размыкающихся областей, которые более чувствительны к магнитному полю внешнего или внутреннего происхождения и, поэтому, делают измерение первичного тока неправильными. Кроме того, жесткость и размеры сборки не позволяют использовать определенные места доступа для измерений. Вес компоновки также представляет недостаток для магнитных цепей большого диаметра, в частности, соответствующих диаметру кабеля.
Второе решение для формирования вторичной катушки трансформатора тока, формируемого измерительным компонентом формирующим часть измерительного датчика, состоит в использовании катушки Роговского. Как известно, последний состоит из спиральной катушки провода, один конец которой возвращается через центр катушки к другому концу таким образом, что две клеммы располагаются на одном и том же конце катушки. Катушка, формируемая таким образом, располагается вокруг кабеля. Напряжение, индуцируемое в обмотке, например, пропорционально скорости изменения (производной) тока в кабеле. Катушка Роговского обычно соединена с электрической (или электронной) интегральной схемой с высоким входным импедансом для подачи выходного сигнала, который пропорционален току.
В документе US-B2-7253603 описано решение, реализующее катушку Роговского жесткого типа. Такая катушка постоянно принимает форму, которая не является плоской, но является спиральной в направлении кабеля, таким образом, что два конца катушки не совпадают друг с другом, а, наоборот, смещены друг от друга, для того, чтобы ограничить достаточное пространство, чтобы обеспечить размещение кабеля в такой спиральной катушке.
В документах EP-A1-0999565 и US-A1-3343052, в свою очередь, описаны решения, позволяющие использовать гибкую и разомкнутую катушку Роговского, которая выполнена с возможностью изменения, путем деформации катушки, между замкнутым положением, охватывающим кабель, в котором протекает ток, предназначенный для измерения, и разомкнутыми положением, обеспечивающим возможность установки кабеля внутри катушки. Закрепление катушки в замкнутом положении выполняется с помощью замыкающего механизма, например, высокоскоростного защелкиваемого крепления, такого как соединение штекерно-гнездового типа. Однако присутствие такого замыкающего механизма требует выполнения действий вручную непосредственно в отношении катушки на уровне ее свободных концов для закрепления или высвобождения замыкающего механизма, с тем, чтобы обеспечить возможность вручную деформировать катушку, путем выполнения манипуляций вручную, по меньшей мере, на одном из ее свободных концов, между ее замкнутым и разомкнутым положениями. Такие выполняемые вручную действия в отношении закрывающего механизма и выполняемые вручную манипуляции с упомянутым, по меньшей мере одним свободным концом катушки, являются тонкими, изощренными и не практичными для их конкретного выполнения, в частности, в случае ограниченной доступности к местам измерения.
Краткое изложение существа изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в устранении этих недостатков с помощью предложенного устройства для измерения электрического тока, протекающего по кабелю, которое позволяет более просто выполнять измерение.
В соответствии с изобретением в устройстве для измерения электрического тока, протекающего по кабелю, содержащем средство для закрепления гибкой катушки Роговского, которая может принимать разомкнутое положение, обеспечивающее возможность установки вокруг кабеля, и замкнутое положение, и выполнена с возможностью охвата кабеля, устройство, содержит средство активации, выполненное с возможностью обеспечения перемещения упомянутой катушки из одного положения в другое.
Предпочтительно, средство активации содержит две соединенные губки, к которым прикреплена катушка, и которые выполнены с возможностью принимать разделенное положение и положение соприкосновения, посредством установки катушки, соответственно, в ее замкнутое и разомкнутое положения.
Катушка, предпочтительно, установлена на опоре, которая надежно прикреплена к губкам. Опора, предпочтительно, сформирована гибким каналом, прикрепленным к губкам.
Возвратная пружина, предпочтительно, смещает губки в их положение соприкосновения, для обеспечения, по меньшей мере, частично, автоматического замыкания катушки.
Губки, предпочтительно, оборудованы элементами распорки, сконфигурированными таким образом, что они преобразуют силу, прикладываемую кабелем к упомянутым элементам распорки в направлении внутрь катушки в разделяющее движение губок, когда происходит размещение кабеля. Элементы распорки, предпочтительно, содержат наклонную плоскость, которая наклонена относительно ожидаемого направления движения при размещении кабеля в направлении внутрь катушки.
В конкретном варианте осуществления устройство содержит магнитную цепь, замыкающуюся вокруг кабеля, когда средство активации формирует команду на переход в замкнутое положение катушки, и катушку вокруг магнитной цепи для подачи результатов измерений в измерительные и/или передающие электронные схемы.
По меньшей мере, одна из губок, предпочтительно, удерживает, по меньшей мере, часть магнитной цепи и катушки, причем упомянутая магнитная цепь замыкается, когда средство крепления находится в замкнутом положении.
В предпочтительном варианте осуществления устройство содержит центрующее средство для центровки средства крепления и упомянутой катушки вокруг электрического кабеля, причем упомянутое центрующее средство выполнено в виде гибких стержней.
Катушка, предпочтительно, сформирована на структуре, обеспечивающей линейную намотку.
Каждая из губок, предпочтительно, установлена с возможностью шарнирного поворота на якоре, который выполнен с возможностью соединения с исполнительным стержнем, причем движение этого стержня со смещением относительно якоря формирует команду на выполнение поворотного движения каждой из губок относительно якоря.
Предпочтительно, когда катушка находится в замкнутом положении, существуют область, не содержащая обмотку на предварительно определенном расстоянии, и перекрытие обмотки на каждом разомкнутом конце упомянутой катушки.
Измерительная сборка в соответствии с изобретением содержит, по меньшей мере, одно измерительное устройство, как определено выше. Предпочтительно, сборка содержит электронную схему для измерения и/или передачи результата измерений, которая принимает данные из катушки измерительного устройства.
Изобретение также относится к измерительному датчику, содержащему, по меньшей мере, одно измерительное устройство такого типа, и устройству изменения мощности и энергии, содержащему, по меньшей мере, один датчик, как описано выше.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает общий вид спереди измерительного устройства в соответствии с первым вариантом осуществления измерительного датчика в соответствии с изобретением,
Фиг. 2 изображает общий вид спереди измерительного устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления измерительного датчика в соответствии с изобретением, причем катушка Роговского отсоединена,
Фиг. 3 изображает общий вид сзади устройства по фиг. 1,
Фиг. 4 изображает устройство по фиг. 2, по меньшей мере, в частично разомкнутой конфигурации катушки Роговского после выполнения операции с исполнительным стержнем,
Фиг. 5 изображает пример исполнительного стержня,
Фиг. 6 изображает вид спереди устройства по фиг. 2 в конфигурации, определяющей перевод катушки в разомкнутое положение,
Фиг. 7 изображает общий вид альтернативного варианта осуществления устройства по фиг. 1 в замкнутом положении катушки, до размещения кабеля внутри катушки,
Фиг. 8 изображает общий вид структуры для катушки, используемой во втором варианте осуществления,
Фиг. 9 изображает возможную полную компоновку датчика в соответствии с первым и вторым вариантами осуществления,
Фиг. 10 изображает возможную сборку компоновки по фиг. 9 на электрической установке, имеющей несколько кабелей, по которым протекает электрический ток,
Фиг. 11 изображает замкнутое положение губок,
Фиг. 12 изображает подробный вид размыкающейся области датчика в его замкнутом положении.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Со ссылкой на фиг. 9, возможная полная компоновка измерительного датчика 10, в соответствии с изобретением, содержит корпус 11, в котором размещена электронная схема для измерений и/или передачи результата измерений. Электронная схема принимает данные, по меньшей мере, из одного соответствующего измерительного устройства 12 (трех в случае примера, показанного на фиг. 9), по меньшей мере, через одно соединение 13, эти данные соответствуют значению электрического тока, которое требуется измерить.
На фиг. 1 и 2 изображено такое измерительное устройство 12, используемое в компоновке измерительного датчика 10, соответственно, в соответствии с первым и вторым вариантами осуществления. Во втором варианте осуществления, представленном на фиг. 2, измерительное устройство 12 выполняет подачу электрической энергии для электронной схемы измерения и/или передачи результата измерений, что не выполняет измерительное устройство 12 в соответствии с первым вариантом осуществления, показанным на фиг. 1. Измерительное устройство 12, показанное на фиг. 1, фактически имеет единственную функцию, состоящую в передаче в эту электронную схему только данных, относящихся к значению электрического тока, который должен измеряться соответствующим устройством 12.
Как показано на фиг. 10, компоновка по фиг. 9 разработана так, чтобы можно было использовать в электрических установках, имеющих несколько кабелей 14, по которым протекает ток, предназначенный для измерения. На фиг. 10 три измерительных датчика 10, в соответствии с первым вариантом осуществления, установлены в установке таким образом, что каждое из этих трех измерительных устройств 12, состоящих из трех датчиков 10, связано с одним из кабелей 14 установки, для того, чтобы индивидуально измерять значение электрического тока, протекающего по кабелю 14, связанному с соответствующим измерительным устройством 12. На фиг. 10 электронные схемы измерений и/или передачи результата измерений каждого из датчиков 10 принимают питание от внешнего источника электрической энергии через основную шину 15 связи, подключенную к оболочке 16 концентрации данных, каждая из которых содержит электронную схему датчика 10, и в которой предусмотрен, по меньшей мере, один разъем 17 для подключения основной шины 15, или шины 18 между датчиками, выполняющей передачу данных и подачу энергии между датчиками 10. В случае, когда измерительные датчики 10, используемые на фиг. 10, соответствуют второму варианту осуществления, элементы 15-18, предпочтительно, могут быть исключены.
Измерительное устройство 12, в соответствии с одной особенностью изобретения, выполненное с возможностью измерения электрического тока, протекающего, по меньшей мере, по одному кабелю 14, содержит катушку 19 Роговского на уровне каждого из его измерительных устройств 12, как показано, в частности, на фиг. 1 и 2. Устройство 12, таким образом, содержит, по меньшей мере, одну гибкую катушку 19 Роговского, выполненную с возможностью занимать разомкнутое положение, обеспечивающее возможность установки вокруг кабеля 14, и замкнутое положение, выполненное с возможностью охвата кабеля 14. Размещение катушки 19 вокруг кабеля 14 соответствует установке измерительного устройства 12 измерительного датчика 10 и приводит к размещению кабеля 14 внутри катушки 19. Последняя состоит из обмотки, например, спиральной катушки, из одного или более проводов, намотанных в один или более слоев на гибкой трубке, изогнутой по общей форме катушки. Обмотку провода (проводов) выполняют таким образом, что две клеммы катушки располагаются на одном из двух свободных концов катушки 19, которая может размыкаться на уровне разрыва трубки, формируя два конца. Конкретно, свободные концы катушки 19 находятся, например, в контакте в замкнутом положении катушки 19 и отсоединены друг от друга в разомкнутом положении катушки 19 и разведены на достаточное расстояние, для того, чтобы кабель 14 можно было поместить внутри катушки 19. В замкнутом положении катушка, таким образом сформированная путем намотки провода (проводов), располагается вокруг кабеля 14. Перекрытие витков обмотки может быть предусмотрено на каждом свободном конце катушки 19 для компенсации воздушного зазора, присутствующего в замкнутом положении. Такой воздушный зазор предпочтительно поддерживают постоянным в замкнутом положении с помощью средства активации, описанного выше.
Действительно, в соответствии с существенным признаком, измерительное устройство 12 (либо в соответствии с первым вариантом осуществления по фиг. 1, или в соответствии со вторым вариантом осуществления по фиг. 2) содержит средство активации, например механического типа, выполненное с возможностью перемещать катушку 19 из одного положения в другое положение, не заставляя пользователя датчика 10 захватывать катушку 19 руками и проводить манипуляции с ней. И, наоборот, средство активации, предпочтительно, может быть дистанционно управляемым посредством, например, исполнительного стержня 20, который можно видеть на фиг. 5.
Средство активации может содержать две соединенные губки 21 изогнутой формы, к которым прикреплена катушка 19, и которые могут занимать либо разделенное положение или положение соприкосновения, посредством установки катушки 19, соответственно, в ее разомкнутое и замкнутое положение. Губки 21 расположены в плоскости, параллельной плоскости катушки 19. Плоскость движения губок 21, когда их положение изменяется между разделенным положением и положением соприкосновения, смещена относительно плоскости деформации катушки 19 между ее разомкнутым и замкнутым положениями, в направлении, перпендикулярном этим плоскостям. Кривизна губок 21 включена в плоскость движения губок и сконфигурирована таким образом, что вогнутые поверхности губок 21 обращены друг к другу в этой плоскости. На фиг. 6 изображено измерительное устройство 12 по фиг. 2, в случае, когда губки 21 занимают свое разделенное положение. Конкретная форма губок 21, например овальная, может быть оптимизирована так, чтобы максимизировать расстояние разделения между свободными концами губок 21 в разделенном положении, одновременно с этим уменьшая общее пространство, занимаемое губками 21. В положении соприкосновения губок 21, свободные концы последних, например, входят в контакт друг с другом.
В качестве примера, как можно видеть подробно на фиг. 4, каждая из губок 21 установлена с возможностью шарнирного поворота на якоре 22, который может быть соединен с исполнительным стержнем 20, поступательное движение которого относительно якоря 22 приводит к поворотному движению каждой из губок 21 относительно якоря 22. Шарнирная ось 23 губок 21 на якоре 22 является общей для обеих губок 21. Для точного управления угловым движением губок 21, головка 24 исполнительного стержня 20, например, закреплена на якоре 22 с помощью винтового соединения, которое преобразует вращательное движение завинчивания, прикладываемого пользователем к исполнительному стержню 20 на его конце, противоположном головке 24, в поступательное движение головки 24. Завинчивание и отвинчивание исполнительного стержня 20, например, передает движение на губки 21, соответственно, устанавливая их в разделенное положение и в положение соприкосновения. Во время поступательного движения головка 24 перемещает вместе с ними в идентичном движении оси 23 шарнирного поворота. Для преобразования прямого поступательного движения оси 23 шарнирного поворота в шарнирное движение губок 21, каждая из последних оборудована шпилькой 25, которая установлена с возможностью скольжения в соответствующем отверстии 26, сформированном на якоре 22. Два отверстия 26 проходят, по существу, перпендикулярно относительно направления поступательного движения оси 23 шарнирного поворота. Шпильки 25 соединены друг с другом с помощью пружины 27, которая стремится сместить их в направлении друг к другу.
Возможная сборка катушки 19 на губках 21 состоит в том, что катушку 19 устанавливают на опоре 28, которая может быть прикреплена к губкам 21. Опора 28, например, сформирована из гибкого канала, прикрепленного к губкам 21 с помощью средства фиксации, которое позволяет принимать форму, соответствующую ожидаемой форме катушки 19, для которой формируют корпус. Такое средство фиксации может состоять из высокоскоростного защелкиваемого крепления 35 (например, соединения штекерно-гнездового типа), предусмотренного на каждом из свободных концов канала, для прикрепления к соответствующей губке 21. В качестве дополнения, можно закреплять канал, по существу, в середине его длины на якоре, на уровне ползунка 29.
Как показано на фиг. 3, возвратная пружина 27 смещает губки 21 в их положение соприкосновения, для обеспечения, по меньшей мере, частичного автоматического замыкания катушки 19 в ее замкнутое положение, в дополнение к любому действию, выполняемому пользователем на исполнительном стержне 20. На фиг. 3 также показана центрующая пружина 30, содержащая гибкие стержни. Пружина 30 выполнена в виде захвата или в лирообразной форме, которая обеспечивает удержание датчика в положении на кабеле так, что он устанавливается по центру катушки и/или магнитной цепи. Форма такой пружины 30 обеспечивает возможность ее автоматической адаптации к разным диаметрам кабеля, например, от 15 до 29 мм.
В неограничительном альтернативном варианте осуществления, представленном на фиг. 7, каждая из губок 21 оборудована разделительным элементом 31, например, в виде кулачков, расположенных на продолжении тела губки 21. Разделительные элементы 31 расположены так, что они преобразуют силу, прикладываемую кабелем 14 к упомянутым разделительным элементам 31, в направлении внутрь катушки 19 в разделяющее движение губок 21, при установке на кабель 14. Например, каждый из разделительных элементов 31 содержит наклонную поверхность, наклоненную относительно ожидаемого направления движения при размещении кабеля 14 в направлении внутрь катушки 19.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, в отличие от фиг. 1, измерительное устройство 12 датчика содержит магнитную цепь, замыкающуюся вокруг кабеля 14, когда средство активации переводит катушку 19 в замкнутое положение, и также катушку вокруг магнитной цепи для подачи результатов измерений, поступающих от датчика, в электронные схемы измерений и/или передачи. С этой целью, как показано на фиг. 2, по меньшей мере, на одной из губок 21 может удерживаться, по меньшей мере, часть магнитной цепи и катушки 32. Магнитная цепь может быть получена в результате формирования сборки, путем пакетирования пластин 33 из листового металла. Например, пакет металлических пластин 33 может составлять тело каждой из губок 21, в то время, как две обмотки 32 могут быть расположены так, что каждая охватывает один из пакетов металлических пластин 33, по меньшей мере, поверх части их длины. В положении соприкосновения губок 21, свободные концы последних входят в контакт друг с другом, гарантируя замыкание магнитной цепи и, как упомянуто выше, гарантируя постоянный воздушный зазор. Тот же результат получают на уровне их концов, соединенных на уровне оси 23 шарнирного поворота, благодаря предпочтительному присутствию пружины 27. Кроме того, возможно обеспечить увеличение поперечного сечения металлических пластин, путем перемещения их концов в направлении друг к другу, для уменьшения воздушного зазора.
На фиг. 11 изображено замкнутое положение губок, сформированных пакетами металлических пластин 33, образующих магнитную цепь. Концы 40 каждой из губок или часть магнитной цепи удерживается сомкнутыми друг с другом с помощью пружины 27.
Как показано на фиг. 8, каждая из обмоток 32 может быть сформирована на структуре 34, например, в форме изогнутой муфты, на которой предусмотрены пазы 36, для закрепления провода 32 обмотки и обеспечения возможности намотки на линейной машине, в данном случае устраняя, но без ограничений, необходимость катушечной намотки.
На фиг. 12 изображен подробный вид размыкающейся области датчика в его замкнутом положении. Когда катушка находится в замкнутом положении, присутствует область 41 отсутствия катушки на предварительно определенном расстоянии (D) и перекрытие 42 обмотки на каждом размыкающемся конце упомянутой катушки (19).
Исполнительный стержень 20 можно рассматривать как принадлежащий к упомянутому выше средству активации, в котором оборудован датчик 10 на уровне каждого из его измерительных устройств 12, в случае, когда исполнительный стержень 20 постоянно закреплен на якоре. Однако исполнительный стержень 20 может не принадлежать непосредственно датчику 10, как таковому, когда съемная сборка предусмотрена между якорем 22 датчика 10 и исполнительным стержнем 20. В последнем случае, используя удаленные, выполняемые вручную действия относительно датчика 10, исполнительный стержень 20 обеспечивает для пользователя датчика 10 возможность дистанционного управления средством активации, которое устанавливает датчик на уровне каждого из его измерительных устройств 12.
Изобретение не ограничено кинематической схемой средства активации, которая была подробно описана выше, только и исключительно с целью иллюстрации, и специалист в данной области техники может предусмотреть любое соответствующее эквивалентное решение для достижения требуемого результата, например выполнения передачи, с использованием соединительных стержней.
В конечном итоге, система освещения может быть установлена на оси исполнительного стержня 20, обеспечивая установку кабеля 14 при сборке и разборке измерительного устройства 12 датчика 10 на кабелях 14. Толщина сборки, формируемой катушкой 19 и губками 21, предпочтительно, может быть меньше чем 30 мм, что облегчает обращение с измерительным устройством 12 между кабелями 14. Эта особенность фактически позволяет легко вставлять измерительное устройство 12 между кабелями 14, поворачивая их на 90 градусов (помещая их параллельно кабелям) относительно измерительной конфигурации.
В первом варианте осуществления, отсутствие магнитной цепи и обмоток 32 питания электронных схем датчика, пакеты металлических листов 33 и обмотки 32 могут быть заменены двумя моноблочными частями, например, сформированными из пластического материала.
Из представленного выше описания можно понять, что измерительные устройства и в общем случае измерительный датчик, который был описан выше, можно применять в установке, в которой не требуется какое-либо прерывание распределения электрической энергии, и без возникновения ситуации, когда пользователь подвержен риску. Они представляют дополнительное преимущество, состоящее в простоте установки на кабелях, установки, в частности, когда множество жестких кабелей расположены рядом друг с другом. В конечном итоге, они обеспечивают точное измерение электрического тока, протекающего, по меньшей мере, в одном кабеле при одновременном обеспечении возможности, во втором варианте осуществления, подачи электрической энергии в электронную схему датчика.
В конечном итоге, в случае, когда дополнительные данные, такие как, например, фазовое напряжение, могут быть переданы снаружи в электронные схемы датчика 10, возможно выполнять вычисление мощности и энергии, протекающей по кабелю 14. Устройство измерения мощности и энергии может быть, таким образом, получено в результате использования, по меньшей мере, одного измерительного датчика, как описано выше.