БЛОК ПОЯСА РОГОВСКОГО
ROGOWSKI(S COIL UNIT

Настоящее изобретение относится к блоку пояса Роговского, предназначенному, в частности, для использования в устройстве для измерения тока, таком как датчик Роговского, который предназначен, в частности, для измерения высокочастотных электрических токов.
Уровень техники
Пояса Роговского хорошо известны в данной области техники и предназначены для обеспечения надежного средства измерения и обнаружения электрического тока, протекающего в данной точке в электрической системе.
Его работа основана на том факте, что ток, протекающий через электрический проводник, создает магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует электрическое напряжение в катушке. Это явление основано на законе Фарадея, который гласит, что «электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения суммарного магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром».
Пояс Роговского обычно изготавливается из электрического проводника, намотанного на немагнитный сердечник, который может представлять собой, например, воздух или немагнитный материал.
Катушка может быть помещена или изогнута вокруг электрического проводника, протекающие в котором токи должны измеряться с помощью катушки.
Однако при этом возникает физическая проблема, когда пытаются использовать удлиненный пояс Роговского для измерения и определения электрических токов в мегагерцевом диапазоне частот, где требуется измерение в широком диапазоне частот.
И действительно, диапазон частот измерений пояса Роговского зависит от числа витков, длины и площади поперечного сечения, тогда как чувствительность зависит от числа витков в расчете на единицу длины и площади поперечного сечения.
Таким образом, в некоторых применениях, в которых необходим длинный пояс Роговского с измерением в широким диапазоне частот, число витков на единицу длины или площади поперечного сечения уменьшают и это приводит в результате к более низкой чувствительности, что неприемлемо для некоторых применений.
Были сделаны некоторые конкретные попытки для решения этой проблемы.
В патентном документе WO 0070267 описан датчик электрического тока, имеющий достаточно сложную схему намотки проводника, чтобы уменьшить величину потоков электромагнитных помех и тем самым обеспечить хорошую чувствительность измерений при высокой частоте.
В патентном документе WO 9848287 предложено устройство с широким частотным диапазоном, предназначенное для измерения силы электрического тока в проводнике с помощью комбинации пояса Роговского и нескольких датчиков магнитного потока, например датчиков Холла, в котором процессор объединяет всю информацию о результате измерений, чтобы обеспечить соответствующую чувствительность измерений в высокочастотном диапазоне.
Однако, ввиду их сложности и конструктивным особенностям, эти технические решения не являются удовлетворительными.
Кроме того, они, по-видимому, не могут быть приспособлены для измерения, например, паразитных токов по валу электрических машин для обнаружения неисправности, как описано в патентном документе США №7102379, когда на валу происходит электроискровая эрозия; острые кратковременные броски тока могут наблюдаться в кривой сигнала паразитного тока по валу в диапазоне частот от 1,5 до 40 МГц, причем вал, как правило, имеет диаметр в диапазоне от 0,6 до 1,5 м.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предложено более простое и менее дорогостоящее техническое решение, которое позволяет сконструировать пояс Роговского желаемой длины, имеющий в то же время высокую чувствительность даже в мегагерцевом диапазоне частот.
Это достигается с помощью блока пояса Роговского, предназначенного для измерения высокочастотных электрических токов, содержащего витковые секции, соединенные последовательно, с образованием связи с уменьшенным влиянием обратного импеданса.
Таким образом, блок пояса Роговского сформирован по меньшей мере двумя витковыми секциями, причем сумма длин обеих секций приблизительно равна полной длине блока пояса Роговского, способного охватывать электрический проводник, ток в котором необходимо измерять.
Эффект такого расположения заключается в том, что вклад каждой витковой секции может быть оценен независимо, и каждая из секций имеет малое влияние на предыдущую или последующую витковую секцию, причем последовательно соединенные витковые секции действуют совместно как один пояс Роговского.
Связь с уменьшенным влиянием обратного импеданса, известную в Германии под названием «impedanzruckwirkungsmindemde Koppelung», можно определить таким образом, что протекание сигнала в основном обеспечивается между входом и выходом секции.
Это позволяет выбрать витковые секции с высокой чувствительностью и широким частотным диапазоном, причем весь блок Роговского имеет чувствительность и частотный диапазон, сравнимые с чувствительностью и частотным диапазоном витковых секций.
Согласно одному варианту осуществления изобретения по меньшей мере две витковые секции соединены друг с другом последовательно с помощью цепи развязки сигналов, в которой выход одной витковой секции соединен с входом цепи развязки сигналов, а вход последующей витковой секции соединен с выходом цепи развязки сигналов.
Согласно одному аспекту изобретения цепь развязки сигналов содержит электрический компонент преобразования импеданса с высоким входным импедансом и низким выходным импедансом, причем выход одной витковой секции соединен с входом электрического компонента преобразования импеданса, а вход последующей витковой секции соединен с выходом электрического компонента преобразования импеданса.
Благодаря наличию электрической цепи преобразования импеданса, влияние входного импеданса последующей витковой секции на выходной сигнал предыдущей секции минимизируется и тем самым позволяет обеспечить важную суммарную длину блока пояса Роговского, в то же время обеспечивая высокую чувствительность и широкий частотный диапазон.
Согласно еще одному аспекту изобретения электрический компонент преобразования импеданса представляет собой операционный усилитель, выполненный как повторитель напряжения.
Согласно еще одному аспекту изобретения входной импеданс электрического компонента преобразования импеданса превышает или равен 1 МОм, а выходной импеданс электрического компонента преобразования импеданса составляет менее или равен 1 Ом.
Согласно еще одному аспекту изобретения компонент преобразования импеданса может содержать электрические дифференциальные усилители, имеющие входы с высоким импедансом и выходы с низким импедансом.
В одном варианте осуществления изобретения электрический компонент преобразования импеданса содержит операционный усилитель и два сопротивления, соединенные последовательно в качестве делителя напряжения, причем операционный усилитель и делитель напряжения выполнены в виде неинвертирующего усилителя, и выход витковой секции соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, а вход витковой секции соединен с входом делителя напряжения.
Таким образом, можно обеспечить преимущество, заключающееся в том, что отдельные витковые секции содержат электрические усилители, которые усиливают сигналы, генерируемые обмоткой (обмотками) витковой секции.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения цепь развязки сигналов содержит преобразователь сигналов, имеющий электрический канал входного сигнала и электрический канал выходного сигнала.
Согласно одному аспекту изобретения преобразователь сигналов содержит по меньшей мере один оптоэлектрический преобразователь, имеющий электрический канал входного сигнала и электрический канал выходного сигнала.
Согласно еще одному аспекту изобретения преобразователь сигналов содержит высокочастотный преобразователь, имеющий электрический канал входного сигнала и электрический канал выходного сигнала.
Согласно еще одной возможности преобразователь сигналов содержит аналого-цифровой - цифроаналоговый преобразователь.
Специалист в данной области техники поймет, что во всех этих случаях почти вся электрическая развязка происходит между выходом одной витковой секции и входом последующей витковой секции.
Согласно еще одному аспекту данного изобретения по меньшей мере один витковый сегмент содержит первую и вторую обмотки, соединенные последовательно и намотанные таким образом, что индуцированные напряжения каждой обмотки складываются, цепь 5 развязки сигналов содержит первый операционный усилитель 70, второй операционный усилитель 74 и полностью дифференциальный усилитель 72, причем один конец первой обмотки соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, имеющего коэффициент усиления А, а другой конец второй обмотки соединен с входом инвертирующего входа первого операционного усилителя, выход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом полностью дифференциального усилителя, имеющего единичный коэффициент усиления, выходы вышеупомянутого полностью дифференциального усилителя представляют собой выходы витковой секции, инвертирующий вход полностью дифференциального усилителя соединен с выходом второго операционного усилителя, имеющего единичный коэффициент усиления, неинвертирующий и инвертирующий входы вышеупомянутого второго операционного усилителя соединены с выходами предыдущей витковой секции.
Согласно еще одному аспекту данного изобретения витковые секции намотаны вокруг немагнитного сердечника и обратный проводник проходит сквозь сердечник.
Кроме того, фильтр нижних частот, в частности демпфирующее сопротивление, может быть соединено между выходом одной витковой секции и входом электрического компонента преобразования импеданса, с одной стороны, и обратным проводником, с другой стороны.
Согласно еще одному аспекту данного изобретения сердечник изготавливается из эластичного синтетического непроводящего материала, в частности из полиуретана.
Согласно еще одному аспекту данного изобретения сердечник имеет полую центральную часть и радиально ориентированную продольную прорезь между полой центральной частью и внешней поверхностью сердечника.
Кроме того, сердечник может быть составлен из секций сердечника, имеющих такую же длину, что и длина витковых секций.
В дальнейшей разработке секции сердечника могут быть соединены друг с другом с помощью дополняющих по форме защелкивающихся крепежных элементов, прикрепленных соответственно к одной секции сердечника и последующей секции сердечника.
Эти защелкивающиеся крепежные элементы изготавливаются, например, из твердого пластика.
Согласно еще одному аспекту данного изобретения электрический компонент преобразования импеданса расположен в сердечнике.
В альтернативном варианте электрический компонент преобразования импеданса расположен в защелкивающихся крепежных элементах.
Суммарная длина блока пояса Роговского может составлять от 1,75 до 5 м.
Согласно одному примеру одна секция сердечника имеет диаметр сердечника приблизительно 16 мм, длину около 50 см и приблизительно 50 витков обмотки.
Данное изобретение также относится к устройству для измерения тока, содержащему блок пояса Роговского, как описано выше.
Кроме того, данное изобретение относится к устройству для контроля эрозии вала, предназначенному для контроля и/или анализа электрических машин в процессе эксплуатации, содержащему устройство для измерения тока, как описано выше.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена общая блок-схема блока пояса Роговского, выполненного согласно первому варианту осуществления изобретения.
На фиг.2 приведен пример принципиальной электрической схемы блока пояса Роговского, изображенного на фиг.1.
На фиг.3 приведена принципиальная схема витковой секции пояса Роговского, изображенного на фиг.2.
На фиг.4 показано последовательное соединение нескольких витковых секций пояса Роговского, образующих блок пояса Роговского.
На фиг.5 приведена принципиальная электрическая схема блока пояса Роговского согласно другому примеру осуществления изобретения.
На фиг.6 приведена принципиальная электрическая схема витковой секции пояса Роговского, изображенного на фиг.2, согласно еще одному примеру осуществления изобретения.
На фиг.7 показан пример принципиальной электрической схемы блока пояса Роговского с витковыми секциями, выполненными согласно фиг.6.
На фиг.8 показан пример поперечного сечения витковой секции пояса Роговского.
На фиг.9 приведена общая блок-схема витковой секции пояса Роговского, выполненной согласно второму варианту осуществления изобретения.
На фиг.10 дан пример принципиальной электрической схемы витковой секции пояса Роговского, изображенной на фиг.9.
На фиг.11 приведена упрощенная схема генератора электростанции с блоком измерения тока, в котором используется блок пояса Роговского.
На фиг.12 приведен вид в поперечном сечении блока пояса Роговского, расположенного вокруг вала электрической машины.
Осуществление изобретения
На фиг.1 приведена общая блок-схема блока пояса Роговского, предназначенного в частности для измерения высокочастотных электрических токов, выполненного согласно первому варианту осуществления изобретения.
Как можно видеть на фиг.1, блок 1 пояса Роговского содержит по меньшей мере две витковые секции 3, соединенные, по меньшей мере механически, последовательно друг с другом. Следует понимать, что может быть собрано более чем два, например три или четыре секции, соединенные, по меньшей мере механически, друг с другом, в зависимости от необходимой длины периметра проводника, вокруг которого должен быть изогнут блок пояса Роговского.
Витковую секцию можно представить как отдельную обмотку, имеющую ее вход и выход. Витковые секции соединяются друг с другом, как описано ниже, чтобы образовать полный блок пояса Роговского.
Эти витковые секции 3 соединены не непосредственно друг с другом, а с помощью схемы уменьшения влияния обратного импеданса. Таким образом, выходной сигнал будет содержать по меньшей мере частичный вклад от витковой секции 3 для измерения тока.
Если к входу витковой секции 3 подключен выход предыдущей секции, то результирующий сигнал будет соответствовать сумме входного сигнала и частичного вклада витковой секции 3.
Говоря более подробно, по меньшей мере две витковые секции 3 соединены друг с другом последовательно с помощью цепи 5 развязки сигналов, причем выход одной витковой секции 3 соединен с входом цепи 5 развязки сигналов, а вход последующей витковой секции соединен с выходом цепи 5 развязки сигналов.
На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема блока 1 пояса Роговского, выполненного согласно первому примеру осуществления данного изобретения.
Как можно видеть на фиг.2, блок 1 пояса Роговского содержит по меньшей мере две витковые секции 3.
Витковые секции 3 пояса Роговского соединены друг с другом через цепь 5 развязки сигналов.
В этом примере цепь 5 развязки сигналов содержит электрический компонент 5 преобразования импеданса с высоким входным импедансом на входе 7 и низким выходным импедансом на выходе 9, причем выход 11 одной витковой секции 3 соединен с входом 7 электрического компонента преобразования импеданса, а вход 13 последующей витковой секции 3 соединен с выходом 9 электрического компонента 5 преобразования импеданса.
К примеру, входной импеданс электрического компонента 5 преобразования импеданса превышает или равен 1 МОм, а выходной импеданс электрического компонента 5 преобразования импеданса меньше или равен 1 Ом.
Это может быть обеспечено, как показано на фиг.2, путем использования операционного усилителя, выполненного в виде повторителя напряжения, в качестве электрического компонента преобразования импеданса.
Такой блок позволяет выполнить блок пояса Роговского регулируемой длины, причем частотный диапазон и чувствительность и точность измерения остаются постоянными.
В таком блоке 1 влияние входного импеданса последующей витковой секции на выходные сигналы предыдущей витковой секции сведено к минимуму.
Такая витковая секция пояса Роговского показана на фиг.3.
Как правило, для одной секции диаметр d сердечника витковой секции 3 пояса Роговского составляет приблизительно 16 мм, длина 1 составляет приблизительно 50 см и одна секция имеет приблизительно 50 витков (для простоты на фиг.3 показаны только несколько витков).
Кроме того, чтобы уменьшить возмущение внешнего магнитного поля, обратный проводник 19 пропускают сквозь сердечник.
Возвращаясь теперь к фиг.2, на ней также показано, что первая и последняя секции пояса Роговского присоединены к измерительным клеммам 21 и 23 через операционные усилители, выполненные в виде повторителя напряжения и выполняющие роль электрического компонента 5 преобразования импеданса.
На фиг.4 показано последовательное соединение нескольких витковых секций пояса Роговского, образующих блок пояса Роговского.
Общая длина такого блока пояса Роговского может составлять от 1,75 м (четыре витковые секции пояса Роговского, соединенные друг с другом) до 5 м (10 витковых секций пояса Роговского, соединенных друг с другом), позволяя тем самым охватывать электрические проводники (валы электрической машины), имеющие диаметр от 0,6 до 1,5 м.
В следующем примере, показанном на фиг.5, который отличается от примеров, изображенных на фиг.2-4, тем, что имеется фильтр 25 нижних частот, в частности демпфирующее сопротивление Rd, которое соединено между выходом 11 одной витковой секции 3 и входом 7 электрического компонента 5 преобразования импеданса, с одной стороны, и обратным проводником 19, с другой стороны.
Такое демпфирующее сопротивление может использоваться для уменьшения явления резонанса, который может возникать. В действительности, может случиться, что чувствительность цепи измерения возрастает непропорционально из-за эффектов резонанса, чем больше диапазон частот, в котором находится измеряемый сигнал.
Что касается предыдущих примеров, выходной сигнал одной витковой секции 3 не был подвергнут усилению.
На фиг.6 показан пример витковой секции с усилением сигнала.
Согласно этому примеру электрический компонент 5 преобразования импеданса содержит операционный усилитель и два сопротивления R1, R2, соединенные последовательно в качестве делителя напряжения, причем операционный усилитель и делитель напряжения выполнены в качестве неинвертирующего усилителя, и выход витковой секции соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, а вход витковой секции соединен с входом делителя напряжения R1/R2.
in
out
В этом случае U представляет собой входное напряжение витковой секции 3 пояса Роговского, в частности выходное напряжение предыдущей витковой секции 3, a U - это выходное напряжение витковой секции 3 пояса Роговского.
В этом случае величина усиления на выходе операционного усилителя выражается следующей формулой:
А=(R1+R2)/R2/
На фиг.7 показан пример принципиальной электрической схемы блока пояса Роговского с тремя витковыми секциями, выполненными согласно фиг.6.
out
U - это выходное напряжение блока 1 пояса Роговского.
Возвращаясь теперь к фиг.1, цепь 5 развязки сигналов может содержать согласно еще одному примеру преобразователь сигналов, имеющий электрический канал входного сигнала и электрический канал выходного сигнала.
Согласно одному примеру преобразователь сигналов содержит аналого-цифровой -цифроаналоговый преобразователь.
Согласно другому примеру преобразователь сигналов содержит только аналого-цифровой преобразователь и цифровые результаты всех витковых секций 3 суммируются на расстоянии в блоке цифровой обработки, таком как микропроцессор.
Что касается еще одного аспекта изобретения, преобразователь сигналов содержит по меньшей мере один оптоэлектрический преобразователь, имеющий электрический канал входного сигнала и электрический канал выходного сигнала. В этом случае электрический сигнал преобразуется в оптический сигнал и затем обратно в электрический сигнал.
Преобразование из электрического сигнала в оптический сигнал может осуществляться непосредственно или с помощью аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей.
В этом случае может быть обеспечена почти полная электрическая развязка.
Согласно еще одному примеру преобразователь сигналов содержит высокочастотный преобразователь, имеющий электрический канал входного сигнала и электрический канал выходного сигнала.
Такой высокочастотный преобразователь может содержать развязывающий элемент с небольшим высокочастотным трансформатором, например с ферритовым сердечником, используемым в качестве соединителя, который передает непосредственно высокочастотный сигнал, полученный одной витковой секцией (и, например, усиленный по мощности усилителем), в следующую витковую секцию, или он может представлять собой радиопередающий канал, например, с несущей частотой 1,5 ГГц и частотной модуляцией.
В случае всех технических решений с преобразователями сигнала следует иметь в виду, что здесь речь идет о частотах сигналов, достигающих 5 МГц или выше, и следовательно потребовалась бы высокая скорость дискретизации (например, 50 мегадискретизаций в секунду) с разрешающей способностью, составляющей по меньшей мере 10 бит.
На фиг.8 показан пример поперечного сечения витковой секции пояса Роговского. Как можно видеть на этом чертеже, витковая секция намотана вокруг немагнитного сердечника 30 и обратный проводник пропущен сквозь сердечник.
Сердечник изготавливается из эластичного синтетического, электрически непроводящего материала, в частности из полиуретана, и имеет полую центральную часть 32 и радиально ориентированную продольную прорезь 34 между полой центральной частью 32 и внешней поверхностью сердечника 36.
Сердечник состоит из секций сердечника, имеющих такую же длину, что и длина витковых секций 3.
Для облегчения монтажа блока пояса Роговского секции сердечника механически соединены друг с другом с помощью дополняющих по форме защелкивающихся крепежных элементов (не показаны), прикрепленных соответственно к одной секции сердечника и последующей секции сердечника, которые могут быть изготовлены из твердого пластика.
Согласно одному аспекту данного изобретения цепь 5 развязки сигналов может располагаться в сердечнике, как показано на фиг.8.
В альтернативном варианте цепь 5 развязки сигналов может также располагаться в защелкивающихся крепежных элементах.
Защелкивающиеся крепежные элементы могут также включать в себя электрические соединители, чтобы обеспечить не только механическое, но и электрическое соединение.
Фиг.9 относится ко второму варианту осуществления изобретения и на ней показан общий вид витковой секции 3, за которой следует цепь 5 развязки сигналов в 4-полюсном исполнении, с одним входным портом и одним выходным портом.
На фиг.10 показан вариант реализации витковой секции согласно изобретению с усилением сигнала, осуществляемым с помощью симметричного дифференциального усилителя.
1
2
Как показано на фиг.10, витковая секция 3 содержит первую и вторую обмотки L1 и L2, соединенные последовательно и намотанные таким образом, что индуцируемые напряжения u и u каждой обмотки L1 и L2 складываются друг с другом.
Цепь 5 развязки сигналов содержит первый операционный усилитель 70, второй операционный усилитель 74 и полностью дифференциальный усилитель 72.
Один конец первой обмотки L1 соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя 70, имеющего коэффициент усиления А, а другой конец второй обмотки соединен с входом инвертирующего входа первого операционного усилителя 70.
Выход первого операционного усилителя 70 соединен с неинвертирующим входом полностью дифференциального усилителя 72, имеющего единичный коэффициент усиления.
Выходы вышеупомянутого полностью дифференциального усилителя представляют собой выходы витковой секции 3.
Инвертирующий вход полностью дифференциального усилителя 72 соединен с выходом второго операционного усилителя 74, имеющего единичный коэффициент усиления.
Неинвертирующий и инвертирующий входы вышеупомянутого второго операционного усилителя 74 соединены при помощи кабеля с витой парой проводов или коаксиального кабеля 76 с выходами предыдущей витковой секции 3.
В этом случае:
out
in
U=U+A·(u1+u2).
На фиг.11 и 12 показано возможное применение такого блока пояса Роговского.
На фиг.11 показана упрощенная схема турбины 50 и генератора 52, смонтированного на том же валу 54, который может вращаться в подшипниках 56.
Как уже было описано в патентном документе США №7102379, обнаружение острых кратковременных пиков паразитного тока по валу может указывать на наличие искровой эрозии на валу. На чертеже паразитный ток по валу показан стрелками 57.
Для контроля и/или анализа такой электрической машины используется устройство 58 измерения тока, содержащее описанный выше блок 1 пояса Роговского, изогнутый вокруг вала (см. фиг.12, на которой показаны схематически четыре витковые секции 3 пояса Роговского, которые собраны совместно вокруг вала 54).
Можно понять, что данное изобретение позволяет легко регулировать длину блока пояса Роговского и в то же время обеспечить широкий частотный диапазон и хорошую чувствительность и точность измерений.