КОМБИНИРОВАННОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRIC MULTIMETER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к комбинированному измерительному устройству для измерения тока и/или напряжения электрического проводника.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области электрических применений хорошо известно использование измерительных устройств для измерения тока и/или напряжения электрического проводника. Обычными примерами таких устройств являются так называемые измерительные преобразователи, например, преобразователи тока или напряжения.
Кроме того, как принято для многих применений в отдельных областях техники, данные измерительные устройства должны выполнять свои основные функции очень эффективно и в соответствии с конструктивными решениями, которые являются по возможности экономически выгодными, надежными и упрощенными. Некоторыми важными требованиями, которым должны отвечать в практических применениях данные устройства, являются, например, обеспечение надлежащего распределения электрического поля, необходимой безопасности, выходных сигналов с соответствующими уровнями точности, в частности, в тех случаях, когда выходные сигналы, выходящие из измерительного устройства, имеют низкий уровень мощности и, следовательно, являются более чувствительными к любым помехам.
Для этой цели в настоящее время на рынке имеется множество решений, предлагающих измерительные устройства с разными характеристиками и конструкциями. Примерами устройств для измерения напряжения являются емкостные или резистивные делители напряжения. Примером устройства для измерения тока является так называемая катушка Роговского, которую можно изготавливать в соответствии с разными компоновками. Одним широко используемым типом катушки Роговского является катушка Роговского, содержащая один слой провода, намотанного вокруг жесткого тороидального сердечника, выполненного из немагнитного материала. Другие решения катушек Роговского используют гибкие сердечники, например, когда обмотка намотана на коаксиальный кабель. Другие решения предусматривают использование цепочки линейных катушек, образующих замкнутую или разомкнутую окружность. В этом случае необходимо иметь опорный элемент, выполненный из твердого материала, который способен поддерживать катушки и удерживать их в их точном положении.
В настоящее время имеются также комбинированные электронные измерительные преобразователи, которые обычно содержат такую катушку Роговского и резистивный или емкостной делитель напряжения для измерения напряжения.
Несмотря на то что уже известные решения обеспечивают удовлетворительные результаты, тем не менее, существует необходимость и возможность для дополнительных усовершенствований.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание измерительного устройства и, в частности, комбинированного измерительного устройства для измерения тока и/или напряжения электрического проводника, которое обеспечивает ряд усовершенствований по сравнению с устройствами известного уровня техники.
Данная задача решается посредством создания комбинированного измерительного устройства для измерения тока и/или напряжения электрического проводника, характеризующегося тем, что оно содержит:
опорное тело;
датчик тока, размещенный внутри тела;
датчик напряжения, расположенный, по меньшей мере, частично внутри тела;
защитный экран, расположенный вокруг датчика тока, причем датчик тока и датчик напряжения взаимно расположены так, что защитный экран экранирует, по меньшей мере, частично как датчик тока, так и, по меньшей мере, часть датчика напряжения от внешних электрических помех.
Данная задача также решается посредством электрического коммутационного устройства и электрической схемы, содержащих комбинированное измерительное устройство, описанное в прилагаемой формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает общий вид комбинированного измерительного устройства в соответствии с изобретением;
Фиг.2 изображает возможный предполагаемый вариант осуществления катушки Роговского;
Фиг.3 изображает общий вид возможной конструкции экранированной катушки Роговского, объединенной с емкостным делителем напряжения, используемой в устройстве, показанном на фиг.1;
Фиг.4 изображает вид с пространственным разделением элементов в соответствии с фиг.3;
Фиг.5 изображает схематичный вид, иллюстрирующий местный разрез экранированной катушки Роговского, используемой в измерительном устройстве в соответствии с изобретением;
Фиг.6 изображает местный разрез, схематично изображающий устройство экранированной катушки Роговского, объединенной с емкостным делителем напряжения в соответствии с фиг.3;
Фиг.7 схематично изображает экранированную катушку Роговского, показанную на фиг.5, с дополнительным магнитным экранированием;
Фиг.8 изображает в целом принципиальную схему устройства импедансного делителя напряжения, выполненную с возможностью использования в устройстве для измерения напряжения в соответствии с изобретением;
Фиг.9 схематично изображает альтернативный вариант осуществления возможного устройства резистивного делителя напряжения, экранированного защитным экраном датчика тока;
Фиг.10 изображает общий вид альтернативного варианта осуществления комбинированного измерительного устройства в соответствии с изобретением;
Фиг.11 изображает комбинированное измерительное устройство, показанное на фиг.1, рассматриваемое под другим углом.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 изображен возможный вариант осуществления комбинированного измерительного устройства 100 в соответствии с настоящим изобретением. В показанном варианте осуществления устройство 100 содержит опорное тело 101 со сквозным отверстием 102 для обеспечения прохождения через него проводника (не показан), ток и напряжение которого нужно измерить. Например, опорное тело 101 может быть целиком выполнено из одного изолирующего материала или содержать кожух или оболочку, выполненную из нескольких изолирующих материалов, причем корпус предпочтительно заполнен другим изолирующим материалом. Например, могут быть использованы общедоступные термореактивные или термопластичные материалы.
Измерительное устройство 100 дополнительно содержит датчик 5 тока, размещенный внутри опорного тела 101, датчик напряжения, расположенный, по меньшей мере, частично внутри самого тела 101, и защитный экран 11, который расположен вокруг датчика 5 тока и соединен с потенциалом земли.
Предпочтительно датчик 5 тока и датчик напряжения взаимно расположены так, что защитный экран 11 экранирует, по меньшей мере, частично как датчик 5 тока, так и, по меньшей мере, часть датчика напряжения от возмущающих воздействий внешних электрических полей.
Предпочтительно защитный экран 11 содержит, по меньшей мере, один слой проводящей или полупроводящей ленты, например, NTS117, 04ESR22AA или SEM131800, которая намотана вокруг датчика 5 тока.
Предпочтительно в измерительном устройстве в соответствии с изобретением датчик напряжения расположен, по меньшей мере, частично внутри датчика 5 тока.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления датчик 5 тока, используемый в устройстве 100, содержит катушку 5 Роговского, по меньшей мере, с одним слоем полупроводящей ленты 11, намотанным вокруг нее, а датчик напряжения содержит емкостной делитель напряжения.
Как вариант, датчик 5 тока может содержать маломощный трансформатор тока или индуктивный трансформатор тока, а датчик напряжения может быть реализован посредством резистивного делителя или комбинации резистивного и емкостного делителя.
Обычная возможная конструкция катушки Роговского показана на фиг.1 и 5, в которой обмотка 10 соединена с обратным проводом 2, который расположен на месте среднего радиуса катушки.
Можно также использовать больше слоев обмотки датчика 5 тока. При использовании нечетного числа слоев обмотки требуется соединение с обратным проводом 2. В случае использования четного числа слоев обмотки (каждый второй слой намотан в противоположном направлении) использовать обратный провод 2 не нужно.
Обмотка 10 намотана на жесткий сердечник 3, выполненный из немагнитного материала, который представляет собой опору для такой обмотки 10. Очевидно, можно также применять другие альтернативные варианты осуществления катушки 5 Роговского; например, можно использовать кусочно-линейную конструкцию, состоящую из нескольких линейных катушек, соединенных последовательно, гибкого сердечника, воздушного сердечника и др.
Поверх обмотки 10 может быть предусмотрен изолирующий слой, отделяющий обмотку 10 от защитного экрана 11, однако этого можно избежать посредством использования изолированных проводов или использования экранирующего слоя, изолированного с одной стороны.
1
2
с
1
Емкостной делитель напряжения может быть реализован несколькими разными способами. На фиг.8 показана принципиальная схема такого делителя, содержащая первичный импеданс Z, вторичный импеданс Z, вторичные емкости и/или кабель, изображенный емкостью С. Первичное напряжение (Up) подключено к первичному импедансу Z, а вторичное напряжение (Us) измеряется на выходе такого датчика.
1
2
1
2
1
2
Если в качестве датчика напряжения используется резистивный делитель напряжения, то резистивные части первичного (R) и вторичного (R) импедансов играют важную роль, однако всегда имеются паразитные емкости (С, С), которые оказывают влияние на рабочие характеристики такого делителя. Возможная комбинация из резистивного и емкостного делителей образует делитель, использующий преимущества их обоих, чтобы обеспечить лучшие рабочие характеристики. В данном случае первичный импеданс может быть образован емкостью (С), а вторичный импеданс может быть образован сопротивлением (R).
На фиг.3 и 4 показано возможное предпочтительное устройство емкостного делителя напряжения, используемого в устройстве 100 в соответствии с изобретением. В показанном варианте осуществления емкостной делитель напряжения содержит первичный электрод 6, образованный электропроводящим кольцом, которое расположено внутри катушки 5 Роговского, а именно внутри сердечника 3, и емкостной электрод 7, который также образован, например, электропроводящим кольцом, которое расположено внутри сердечника 3 катушки 5 Роговского и вокруг первичного электрода 6.
Предпочтительно емкостной электрод 7 имеет ширину Y, которая меньше, чем ширина Х экранированной катушки Роговского, т.е. ширины Х защитного экрана 11, расположенного вокруг катушки Роговского. Как показано на фиг.4 и 6, такие ширины Х и Y представляют собой боковые удлинения сборки, включающей в себя катушку Роговского и расположенный вокруг нее защитный экран 11, и емкостного электрода 7, соответственно измеренные вдоль опорной оси 20, по существу, перпендикулярной передней/задней поверхности экранированного датчика тока.
Таким образом, защитный экран 11 очень эффективно экранирует от возмущающих воздействий электрических полей не только датчик тока, но и датчик напряжения, и, в частности, по меньшей мере, емкостной электрод 7.
Первичный электрод 6 выполнен с возможностью электрического соединения прямо или косвенно, через соответствующие средства, с проводником, ток и напряжение которого нужно измерить. В показанном варианте осуществления, соединительные средства выполнены в виде контактных пружин 8, прикрепленных к первичному электроду 6 винтами 9. Таким образом, первичный электрод 6 может быть соединен посредством резьбовых вставок, с которыми соединены контактные пружины 8, чтобы надежно передавать сигнал напряжения из первичного проводника в сам первичный электрод 6.
Как вариант, в зависимости от применений, соединительные средства могут быть выполнены по-разному. Например, если первичный электрод 6 может быть непосредственно соединен с измеряемым проводником, то можно использовать простые электрические провода.
Предпочтительно первичный электрод 6 обычно изготовлен с закруглением на его сторонах (см. фиг.6), чтобы обеспечить надлежащее распределение электрических полей внутри или снаружи тела 101. В частности, закругление сторон первичного электрода 6 предпочтительно имеет радиус R больше чем 1 мм с возможностью уменьшения интенсивностей электрических полей.
1
2
Таким образом, первичная емкость С емкостного делителя напряжения образуется между первичным электродом 6 и емкостным электродом 7. Вторичная емкость С образуется между емкостным электродом 7 и защитным экраном 11 датчика 5 тока, который имеет потенциал земли.
2
2
с
Если величина емкости С недостаточна для того, чтобы получить требуемое отношение делителя напряжения, то параллельно вторичной емкости С можно добавить одну или более постоянных емкостей С. Дополнительные постоянные емкости могут быть установлены в полости 103 (см. фиг.11) в теле 101 после отливки, или их можно залить прямо в само тело 101. Как вариант, они могут быть расположены также за пределами тела 101.
с
Дополнительная емкость С может быть также образована другими средствами.
2
Для надлежащей работы емкостного делителя напряжения емкостной электрод 7 должен быть отделен или изолирован от защитного экрана 11, чтобы образовать емкость С.
Как упомянуто выше, в альтернативном варианте осуществления датчик напряжения может содержать резистивный делитель напряжения. В данном случае резистивный делитель напряжения содержит множество резисторов 13, по меньшей мере, часть из которых расположена внутри катушки 5 Роговского. В частности, резисторы 13 предпочтительно расположены под защитным экраном 11, по мере возможности скрытые под самим защитным экраном 11, т.е. их боковое удлинение находится в пределах бокового удлинения (ширины Х) экранированной катушки 5 Роговского.
И, наконец, по желанию, измерительное устройство 100 содержит также дополнительный защитный экран 12, выполненный из магнитного материала, для экранирования магнитных помех. Как показано на фиг.7, дополнительный защитный экран 12 предпочтительно расположен вокруг защитного экрана 11 только по наружному периметру катушки 5 Роговского, чтобы выдерживать требуемое магнитное поле, создаваемое измеряемым токопроводящим проводником. Защитный экран 12 может быть расположен также на сторонах катушки Роговского, а не по всему внутреннему периметру катушки.
1
В альтернативном варианте осуществления, схематично показанном на фиг.10, первичный проводник 60 является непосредственно отлитым, т.е. он является частью тела 101, и отверстие 102 отсутствует. В данном случае первичный проводник 60 функционально замещает первичный электрод 6, при этом остальная часть устройства такая же, как описана выше. Таким образом, первичная емкость С образована между первичным проводником 60 и емкостным электродом 7, и первичный проводник 60 также образует электрический проводник, ток и/или напряжение которого нужно измерить.
Могут быть предусмотрены отверстия 61 для электрического соединения с внешними проводниками через соответствующие средства, такие как соединительные пружины и др.
Комбинированное измерительное устройство 100 в соответствии с изобретением особенно пригодно для использования в коммутационном устройстве, таком как распределительные щиты среднего напряжения, размыкатели цепи и др., а также в электрических схемах, содержащих проводник, ток и/или напряжение которого нужно измерить. Таким образом, другие задачи настоящего изобретения относятся к электрическому коммутационному устройству и электрической схеме, содержащим комбинированное измерительное устройство 100, описанное выше и заявленное для патентования.
Обнаружено, что комбинированное измерительное устройство 100 в соответствии с изобретением полностью решает поставленную задачу, обеспечивая некоторые преимущества и усовершенствования по сравнению с известными решениями. Действительно, как описано выше, устройство 100 благодаря описанной компоновке и взаимному размещению различных элементов, в частности датчика напряжения, расположенного внутри экранированного датчика тока, позволяет иметь уникальный защитный экран 11, который одновременно экранирует не только датчик 5 тока, но и, по меньшей мере, часть датчика напряжения от помех электрического поля, без необходимости дополнительных защитных экранов. Кроме того, устройство 100 представляет собой цельное устройство, которое имеет упрощенную конструкцию и обеспечивает дешевое и удобное изготовление и сборку.
Данное измерительное устройство 100, выполненное таким образом, допускает модификации и измерения, которые все находятся в пределах объема идеи настоящего изобретения, изложенной в формуле изобретения и приведенном выше описании; например, первичный электрод 6 и емкостной электрод 7 могут иметь другую форму в соответствии с применениями. Все детали можно также заменять технически эквивалентными элементами. На практике используемые материалы, а также размеры могут быть любыми соответствующими требованиям и современному уровню техники, при условии, что они совместимы с конкретным использованием и обеспечивают достижение предполагаемых результатов.