МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в различных областях науки и промышленности при создании бесконтактных датчиков 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. Не, J. Zhang, С. 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 железоникелевого 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. Недостатком устройства является невозможность измерения постоянных токов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является бесконтактный датчик тока, описанный в (U.S. Patent No 5583429, Dec. 10, 1996), содержащий магнитопровод, в зазор которого помещен магниточувствительный элемент в виде датчика Холла, усилитель, компенсационную обмотку, намотанную на магнитопровод, и измерительное сопротивление. Устройство относится к датчикам компенсационного типа и работает следующим образом. Измеряемый электрический ток, проходящий по токовой шине, помещенной внутрь магнитопровода, создает вокруг себя магнитное поле. Магнитопровод концентрирует это поле в зазоре, где расположен датчик Холла. Напряжение с датчика Холла, величина которого пропорциональна измеряемому току, подается на вход усилителя, напряжение с выхода усилителя поступает на компенсационную обмотку. Обмотка подключена таким образом, что создает в магнитопроводе магнитное поле, противоположное по знаку полю, созданному измеряемым током. В результате отрицательной обратной связи поле обмотки компенсирует измеряемое поле, и суммарное магнитное поле в зазоре магнитопровода обращается в нуль. В этот момент величина поля, созданного измеряемым током, пропорциональна току через компенсационную обмотку. Последовательно с компенсационной обмоткой включено измерительное сопротивление, падение напряжение на котором пропорционально измеряемому току. Компенсационный метод измерения обеспечивает линейную зависимость выходного сигнала датчика от величины измеряемого тока. Недостатком описанного устройства является низкая чувствительность, которая, при прочих равных, ограничивается чувствительностью используемого датчика Холла.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи по устранению указанного недостатка.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении чувствительности бесконтактного датчика тока.
Технический результат достигается тем, что в бесконтактном датчике тока, содержащем магнитопровод, магниточувствительный элемент, усилитель, компенсационную обмотку и измерительное сопротивление, магниточувствительный 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.
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 магнитопровод 1, магниточувствительный элемент 2, усилитель 3, компенсационную обмотку 4, измерительное сопротивление 5, возбуждающую обмотку 6, генератор 7, синхронный детектор 8 и усилитель мощности 9.
3
Работает устройство следующим образом. Проходящий по токовой шине 10 постоянный ток I ток создает вокруг себя постоянное магнитное поле. Это поле концентрируется магнитопроводом 1 в магнитоэлектрическом элементе 2. Поступающее от генератора 7 на возбуждающую обмотку 6 переменное напряжение создает переменное магнитное поле накачки. Частота f переменного напряжения выбрана таким образом, что она совпадает с частотой собственных механических колебаний магнитоэлектрического элемента 2. Это приводит к увеличению генерируемого элементом 2 переменного напряжения в добротность Q ~ 10 раз. Напряжение с магнитоэлектрического элемента 2 подается на вход усилителя 3. Синхронный детектор 8, на который поступают сигналы с усилителя 3 и генератора 8, выдает на выходе постоянное напряжение, которое поступает на вход усилителя мощности 9, а с выхода этого усилителя - на компенсационную обмотку 4 и последовательно включенное с ней измерительное сопротивление 5. Наличие синхронного детектора существенно, поскольку он обеспечивает изменение полярности напряжения, подаваемого на компенсационную обмотку, при изменении направления измеряемого тока. Полярность напряжения, подаваемого на компенсационную обмотку такова, что обмотка создает магнитное поле, компенсирующее поле, создаваемое измеряемым током. В результате суммарное поле, действующее на магнитоэлектрический элемент, обращается в нуль и генерируемое им переменное напряжение также обращается в нуль. В этот момент величина напряжения u на измерительном сопротивлении 5 пропорциональна величине измеряемого тока I.
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства был изготовлен макет, который не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует получение требуемого технического результата.
Магнитопровод устройства П-образной формы был изготовлен из магнитомягкого феррита и мел размеры: 10 мм ×10 мм ×4 мм. Магнитоэлектрический элемент содержал пластину из пьезокерамики цирконата-титаната свинца (ЦТС-19) размерами 10 мм ×3 мм ×0.5 мм с Ag электродами толщиной по 2 мкм на поверхностях и пластину их аморфного ферромагнетика Metglas размерами 10 мм ×3 мм ×20 мкм. пластина ЦТС была электрически поляризована перпендикулярно к плоскости. После этого пластина ЦТС и пластина Metglas были механически соединены с помощью эпоксидного клея. На магнитопроводе была изготовлена компенсационная обмотка, содержащая 100 витков медного провода диаметром 0.05 мм, и возбуждающая обмотка, содержащая 100 витков провода диаметром 0.05 мм. Магнитоэлектрический элемент располагали вблизи свободных концов П-образного магнитопровода, так, что магнитные поля были направлены вдоль длинной оси магнитоэлектрического элемента. Измеряемый ток пропускали по проводу, проходящему внутри магнитопровода. Измерительное сопротивление величиной 1 кОм было подключено последовательно с компенсационной обмоткой. В измерительной цепи использовали стандартный синхронный детектор, стандартный низкочастотный генератор, стандартные усилители и измерители напряжения.
3
Измерения показали, что частота планарных механических колебаний магнитоэлектрического элемента выбранных размеров составляла ƒ=93.5 кГц, добротность акустического резонанса равнялась Q ≈ 10. Поэтому на обмотку накачки подавали напряжение с частотой 93.5 кГц и амплитудой до 2 В.
-5
На фиг. 2 показана измеренная зависимость напряжения u с выхода макета датчика постоянного тока от величины измеряемого тока I. Видно, что зависимость напряжения от изменяемого тока практически линейна и чувствительность макета датчика тока составляет K=u/I ≈ 0.88 В/А. Описанный макет позволял измерять токи в диапазоне от ~ 10 А до ~1 А.
Увеличение чувствительности предлагаемого бесконтактного датчика тока по сравнению с бесконтактным датчиком тока, описанным в U.S. Patent No 5583429, Dec. 10, 1996, определяется тем, что магнитоэлектрический элемент имеет на несколько порядков более высокую чувствительность к магнитному полю, чем используемые в настоящее время датчики магнитных полей на основе эффекта Холла. Так, чувствительность полупроводниковых датчиков Холла, изготовленных из различных материалов (Ge. Si, InS, InSb, GaAs и др) составляет (Бараночников М.Л. Микро-магнитоэлектроника. ДМК. Москва, 2016, стр. 47, Таблица 2.4) u/H ~ (1....100) мкВ/Э. Максимальная чувствительность достигнута для датчика Холла, выполненного на гетероэпитаксиальной GaAs структуре, и составляет ~ 0.3 мВ/Э. В тоже время, магнитоэлектрические датчики магнитных полей, работающие в резонансном режиме, имеют чувствительность u/Н ~ (1…10) В/Э (см. например, Burdin D., Chashin D., Ekonomov N., Fetisov L., FetisovY., l Shamonin M. D.C. magnetic field sensing based on the nonlinear magnetoelectric effect in magnetic heterostructures, J. Phys. D. Appl. Phys., 2016, 2016, v. 49, p. 375002 и литературу в статье). Чувствительность магнитоэлектрического элемента, использованного в макете, составляла ~ 1 В/Э.
Таким образом, изготовленный макет экспериментально продемонстрировал достижение заявленного технического результата полезной модели - увеличение чувствительности бесконтактного датчика постоянного тока.