БЕЗИНДУКТИВНЫЙ ШУНТ
NONINDUCTIVE SHUNT

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а более конкретно к безиндуктивным шунтам, предназначенных для измерения импульсных токов.
Известны устройства - безиндуктивные шунты [Patent US 5420504, Noninductive shunt current sensor based on concentric-pipe geometry. May 30, 1995], которые для уменьшения собственной индуктивности выполнены по коаксиальному типу. Данные шунты содержат первый токовый вывод, закрепленный на первом торце внешнего токопроводящего цилиндра, внутри которого концентрично расположен внутренний токопроводящий цилиндр, на торце которого, выступающего за границы первого торца внешнего токопроводящего цилиндра, жестко закреплен второй токовый вывод, противоположные торцы внешнего и внутреннего токопроводящих цилиндров расположены компланарно и электрически соединены с помощью токопроводящей шайбы, один из измерительных проводов одним своим концом жестко присоединен к внешней поверхности внешнего токопроводящего цилиндра, а другим - с входом измерительного блока, другой измерительный провод жестко присоединен к внутренней поверхности внутреннего токопроводящего цилиндра и через внутреннюю полость, и торец внутреннего токопроводящего цилиндра соединен с измерительным блоком.
При прохождении измеряемого тока по контуру, состоящему из внешнего токопроводящего цилиндра, токопроводящей шайбы и внутреннего токопроводящего цилиндра между точками присоединения измерительных проводов возникает напряжение, пропорциональное значению измеряемого тока, которое поступает на измерительный блок. Из-за коаксиальной конструкции шунтов и расположения измерительного провода во внутренней полости внутреннего токопроводящего цилиндра аналог характеризуется малым значением собственной индуктивности.
Так как внешний токопроводящий цилиндр, токопроводящая шайба и внутренней токопроводящий цилиндр, выполнены из материала с высокой удельной электропроводностью, например из меди, золота или серебра, напряжение между точками присоединения измерительных проводов по значению сопоставимо с напряжениями, индуцированными внешними магнитными полями, что приводит к снижению точности измерения безиндуктивными шунтами. Для повышения указанного напряжения требуется увеличить продольный габарит безиндуктивных шунтов, который по условиям их расположения в измерительной установке может быть ограничен. Сказанное приводит к сужению диапазона измерений данными шунтами.
Известно устройство - безиндуктивный шунт, выбранный в качестве прототипа [Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Л.: Энергоиздат, 1987. С.47-48], который для уменьшения собственной индуктивности выполнен по коаксиальному типу. Данный шунт содержит первый токовый вывод, закрепленный на верхнем торце медного цилиндра, внутри которого расположен дном вверх цилиндрический резистивный стакан, по боковой поверхности электрически изолированный от боковой поверхности медного цилиндра, нижние торцы медного цилиндра и резистивного элемента жестко закреплены на шайбе из электропроводящего материала с отверстием по ее центру, через которое проходят два потенциальных провода, один из которых одним своим концом соединен с дном резистивного элемента, а другой провод своим концом соединен с внутренней поверхностью боковой стенки резистивного элемента, снаружи дно резистивного элемента с помощью гибкого токопровода электрически соединено с вторым токовым выводом, причем первый и второй токовые выводы разделены диэлектрической шайбой. Для уменьшения нагрева шунта наружный медный цилиндр снабжен штуцерами для подвода и вывода воды, которая циркулирует во внутренней полости резистивного элемента и между резистивным элементом и наружным медным цилиндром.
Недостатком прототипа является то, что резистивный элемент расположен внутри медного цилиндра, поэтому тепло, выделяющееся на резистивном элементе, при нагреве отдается не в окружающую среду, а в замкнутое пространство токопроводящего медного цилиндра, что значительно повышает температуру безиндуктивного шунта. Сказанное сужает диапазон измеряемых токов.
Перед авторами стояла задача расширения диапазона измерений безиндуктивного шунта за счет уменьшения нагрева элементов шунта путем использования перехода вещества, окружающего резистивный элемент, из одного агрегатного состояния в другое.
Технический результат достигается за счет того, что в безиндуктивном шунте, содержащем коаксиально расположенные и по боковым поверхностям электрически изолированные друг от друга цилиндрический резистивный элемент и медный полый цилиндр, к верхнему концу последнего прикреплены два токовых вывода, изолированные друг от друга диэлектрической шайбой, нижние торцы медного полого цилиндра и резистивного элемента упираются в шайбу из электропроводящего материала, и два потенциальных провода, которые жестко прикреплены к торцам внутренней боковой поверхности цилиндрического резистивного элемента, медный полый цилиндр выполнен в виде шпильки с гайками на ее концах и установлен внутри цилиндрического резистивного элемента, который жестко установлен внутри цилиндрического стакана, заполненного смесью твердых насыщенных углеводородов, а два потенциальных провода через отверстия в боковой стенке медного полого цилиндра проходят во внутреннюю полость последнего и по продольной оси медного полого цилиндра через его верхний торец выходят наружу.
Изобретение поясняется чертежом. Безиндуктивный шунт содержит медный полый цилиндр 1, изготовленный в виде шпильки с резьбой на концах, расположенный внутри цилиндрического резистивного элемента 2, выполненного из манганина. Причем медный полый цилиндр 1 электрически изолирован от внутренней боковой поверхности цилиндрического резистивного элемента 2, например, с помощью фторопластового цилиндра 3, надетого на медный полый цилиндр 1. Сверху нижней гайки 4, навинченной на медный полый цилиндр 1, расположена шайба 5 из электропроводящего материала, например из меди. На шайбе 5 расположен нижний торец цилиндрического резистивного элемента 2. Между шайбой 5 и торцом цилиндрического резистивного элемента 2 осуществлен электрический контакт, например, с помощью пайки. На верхнем торце цилиндрического резистивного элемента 2 расположен второй токовый вывод 6, надетый на медный полый цилиндр 1. Сверху цилиндрического резистивного элемента 2 установлена диэлектрическая шайба 7, например из фторопласта. Далее на медный полый цилиндр 1 расположен первый токовый вывод 8. Стягивается вся конструкция токового шунта с помощью верхней гайки 9. К торцам цилиндрического резистивного элемента 2 жестко прикреплены два потенциальных провода 10. Потенциальные провода 10 через отверстия в боковой стенке медного полого цилиндра 1 проходят во внутреннюю полость и через верхний торец медного полого цилиндра выходят наружу, где к ним присоединяется кабель измерительного прибора (не показан).
18
35
Описанная конструкция жестко установлена в цилиндрическом стакане 11, который заполнен смесью твердых насыщенных углеводородов 12, например состава С-С с температурой плавления 40-65°С, а конкретно парафином.
На чертеже стрелками показано направление тока.
Работа шунта осуществляется следующим образом. Электрический ток (направление показано стрелками), проходя через первый токовый вывод 8, медный полый цилиндр 1, шайбу 5, цилиндрический резистивный элемент 2 и второй токовый вывод 6, вызывает падение напряжения на цилиндрическом резистивном элементе 2 - между местами присоединения потенциальных проводов 10, пропорциональное измеряемому току. Это напряжение подается по измерительному кабелю на измерительный прибор. Кроме того, вследствие достаточно большого сопротивления цилиндрического резистивного элемента 2, последний нагревается, причем большая часть тепла рассеивается его наружной поверхностью, т.е. передается смеси твердых насыщенных углеводородов 12, находящейся в цилиндрическом стакане 11. При достижении температуры смеси твердых насыщенных углеводородов 12~40-65°С, данная смесь 12 из твердого состояния переходит в жидкое. Переход из одного агрегатного состояния в другое осуществляется с поглощением тепла, в результате температура смеси твердых насыщенных углеводородов 12 и всего токового шунта далее не увеличивается. Когда температура смеси 12 твердых насыщенных углеводородов станет ниже ~40-65°С, например, из-за прекращения импульса измеряемого тока, смесь твердых насыщенных углеводородов 12 перейдет в твердое состояние. При очередном нагреве шунта, обусловленном прохождением очередного импульса измеряемого тока большой амплитуды, переход смеси твердых насыщенных углеводородов 12 из одного агрегатного состояния в другое с поглощением тепла повторится.
Как можно заметить, по сравнению с прототипом заявляемый безиндуктивный шунт из-за использования эффекта сохранения постоянной температуры вещества при его переходе из одного агрегатного состояния в другое, позволяет при фиксированных конструктивных размерах, измерять импульсы тока большей амплитуды, что обуславливает расширение диапазона измерений.