DE69434496T2

DE69434496T2 - Gleichstromsensor

Info

Publication number: DE69434496T2
Application number: DE69434496T
Authority: DE
Inventors: Makoto Suita-shi Kawakami; Shigeru Mishima-gun Yamaguchi
Original assignee: Neomax Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1993-10-12
Filing date: 1994-10-11
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2014-10-12
Also published as: JP3286431B2; EP0647853A2; CA2133863A1; EP0647853B1; CA2133863C; CN1052303C; US5523677A; DE69434496D1; KR0135219B1; TW350916B; JPH07110343A; CN1109974A; KR950012078A; EP0647853A3

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichstromsensor, der in einem Gleichstrom-Leckschutzschalter und dergleichen verwendet wird, und sie betrifft insbesondere einen höchst vielseitigen Gleichstromsensor mit einem relativ einfachen Aufbau und einer guten Detektierfähigkeit gegenüber mikroskopischer Stromschwankung, der zum Realisieren einer stabilen Detektion sehr leicht an einem Leitungsdraht montiert werden kann.
Beschreibung des Stands der Technik
In den vergangenen Jahren sind viele Gerätearten entwickelt worden, die einen Gleichstromsensor verwenden, wie etwa elektrische Haushaltsgeräte mit einem Wechselrichter, Elektromobile und dergleichen. Solche Geräte erfordern zur Steuerung einen Sensor, der die Last von in die verschiedenen Geräte eingebauten Gleichstrommotoren detektiert.
In Wechselstrom-Leckschutzschaltern und dergleichen, die einen Stromtransformator enthalten, verwendete Stromsensoren sind weit bekannt.
Diese Konfiguration kann jedoch nicht für den Einsatz in einem Leckschutzschalter übernommen werden, der in dem oben erwähnten Gleichstromgerät verwendet wird, weshalb ein herkömmlich bekanntes Nebenschlußwiderstandsverfahren, Magnetverstärkerverfahren, Magnetische-Multivibrator-Verfahren (japanische offengelegte Patentveröffentlichungen Nr. Sho 47-1644, Sho 53-31176, Sho 59-46859), Hall-Einrichtung und dergleichen für diese Anwendungen untersucht worden sind.
Das Nebenschlußwiderstandsverfahren ist ein Verfahren zum Detektieren einer Potentialdifferenz, die an gegenüberliegenden Endabschnitten eines Nebenschlußwiderstands produziert wird, der in Reihe mit einem Leitungsdraht angeordnet ist.
Bei dem Magnetverstärkerverfahren und dem Magnetische-Multivibrator-Verfahren wird ein Kern aus einem weichmagnetischen Material, der gebildet wird durch Wickeln einer Detektierungsspule zu einer Ringform, verwendet, wobei der Leitungsdraht durch den Kern verläuft. Eine Gleichstrom-Magnetauslenkung des aus einem weichmagnetischen Material hergestellten Kerns innerhalb einer gesättigten Magnetflußdichte (Bs) wird dadurch hervorgerufen, daß der Gleichstrom durch den Leitungsdraht fließt. Bei dem Magnetverstärkerverfahren wird, damit man im voraus die Magnetflußänderung in dem Kern erhält, eine Erregungsspule auf den Kern gewickelt, um den Wechselstrom mit einem vorbestimmten Wert anzulegen. Bei dem Magnetische-Multivibrator-Verfahren findet die Eigenschwingung durch den Betrieb eines Halbleiters und dergleichen in einer an die Detektierungsspule angeschlossenen Schaltung statt, und ein Tastverhältnis der Schwingungswellenform wird als Reaktion auf den im Hinblick auf Schwingung detektierten elektrischen Strom geändert.
Zudem wird bei dem Verfahren mit einer Hall-Einrichtung der Leitungsdraht in einer Ringform direkt um den aus weichmagnetischem Material hergestellten Kern gewickelt, wodurch teilweise ein Spaltabschnitt zum Anordnen der Hall-Einrichtung ausgebildet wird. Die Magnetflußänderung in dem Kern als Reaktion auf die Änderung bei dem durch den Leitungsdraht fließenden Gleichstrom wird direkt durch die Hall-Einrichtung detektiert.
Gleichstromsensoren dieser Arten reagieren jedoch nicht gut auf mikroskopische Stromänderungen des Gleichstrom-Leckschutzschalters und dergleichen, und zwar aus den folgenden Gründen, und gegenwärtig eignen sie sich nicht für den Einsatz in der Praxis als ein empfindlicher Gleichstromsensor.
Das heißt bei dem Nebenschlußwiderstandsverfahren, daß, da der Nebenschlußwiderstand selbst als ein elektrischer Widerstand in einer den Leitungsdraht enthaltenden Schaltung angeordnet wird, ein elektrischer Verlust in der Schaltung zunimmt und die elektrische Effizienz sich verschlechtert.
Da eine Detektierungsschaltung zum Detektieren der an gegenüberliegenden Enden des elektrischen Widerstands erzeugten Potentialdifferenz direkt mit dem Leitungsdraht verbunden ist, ist es analog schwierig, die Detektierungsschaltung vom Leitungsdraht zu isolieren. Beispielsweise können die Detektierungsschaltung und eine angelegte Schaltung wie etwa eine Mikrocomputersteuerschaltung und dergleichen nicht direkt angeschlossen werden, was zu einer schlechten Vielseitigkeit führt.
Zusätzlich zu diesen Nachteilen ist es tatsächlich schwierig, die Charakteristiken der jeweiligen Nebenschlußwiderstände gleichförmig zu machen, da zwei Nebenschlußwiderstände in der Schaltung des Leitungsdrahts angeordnet sein müssen, um das Nebenschlußwiderstandsverfahren in dem Leckschutzschalter zu adoptieren. Somit kann keine präzise Messung der Potentialdifferenz realisiert werden.
Um durch Vergleichen der Potentialdifferenz, die von der an die jeweiligen Nebenschlußwiderstände angeschlossene Detektierungsschaltung gemessen wird, geringe leckage zu detektieren, müssen außerdem die jeweiligen Detektierungsschaltungen durch eine sehr komplizierte elektrische Schaltung verbunden werden. Somit ist es schwierig, einen höchst praktischen Gleichstromsensor dieser Art bereitzustellen.
Bei dem Magnetverstärkerverfahren und dem Magnetische-Multivibrator-Verfahren können die Detektierungsschaltung und der detektierte Leitungsdraht elektrisch isoliert werden. Wie oben beschrieben, muß der aus dem weichmagnetischen Material hergestellte Kern jedoch durch den durch den Leitungsdraht fließenden Gleichstrom magnetisch ausgelenkt werden, um in der Nähe der gesättigten Magnetflußdichte (Bs) substantiell gesättigt zu werden. Wenn ein bekanntes weichmagnetisches Material wie etwa ein Permalloy als der Kern verwendet wird und beispielsweise der durch den Führungsdraht fließende detektierte elektrische Strom etwa mehrere zig mA beträgt, muß der Leitungsdraht mit mehreren zig bis mehreren Hunderten von Windungen oder mehr um den Kern aus weichmagnetischem Material gewickelt sein. Somit ist es ursprünglich schwierig, ein derartiges Verfahren als den Gleichstromsensor für den Leckschutzschalter und dergleichen unter Maßgabe einer durchgehenden Windung des Leitungsdrahts zu verwenden.
Wir sind uns außerdem des Patents US 4,280,162 A bewußt, das die Basis des jeweiligen Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 6 ist.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines empfindlichen Gleichstromsensors, der die oben erwähnten Probleme löst, wobei er einen relativ einfachen Aufbau und eine gute Detektierfähigkeit für einen Gleichstrom-Leckschutzschalter und dergleichen, insbesondere gegenüber einer mikroskopischen Stromänderung, aufweist.
Es ist insbesondere eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vielseitigen Gleichstromsensor bereitzustellen, der sehr leicht an einem Leitungsdraht montiert werden kann.
Die Erfinder haben festgestellt, daß, wenn ein Leitungsdraht durch eine Detektierungskern gelegt wird, der aus einem ringförmigen weichmagnetischen Material besteht, um den ein Detektierungskern in einer Ringform gewickelt ist, und ein Gleichstrom dorthindurch angelegt wird, ein Magnetfeld im Uhrzeigersinn gegen die Richtung des Gleichstroms erzeugt und ein Magnetfluß Φ₀ in dem Detektierungskern produziert wird. Da der durch den Leitungsdraht fließende elektrische Strom ein Gleichstrom ist, ist der Magnetfluß Φ₀ konstant, und in der Detektierungsspule wird keine elektromotorische Kraft erzeugt. Die Erfinder haben außerdem herausgefunden, daß in der Detektierungsspule eine elektromotorische Kraft erzeugt werden kann, indem ein Magnetspalt teilweise im Detektierungskern ausgebildet wird, der von einem Magnetkörper geöffnet und geschlossen wird, um einen Magnetschalter zu bilden, und indem der Magnetfluß Φ₀ zeitlich durch den Magnetschalter geändert wird (EIN-AUS).
Als Ergebnis verschiedener Untersuchungen, um die oben erwähnte Konfiguration realistischer zu machen, haben die Erfinder außerdem bestätigt, daß diese Aufgabe erzielt werden kann, durch periodisches Anordnen von Mitteln zum teilweisen Ausbilden des Magnetspalts in dem Detektierungskern, was einen Magnetfluß liefert, der in einer im wesentlichen senkrechten Richtung erzeugt wird, gegen den in einer Umfangsrichtung in dem Detektierungskern durch den durch den Leitungsdraht fließenden Gleichstrom erzeugten Magnetfluß. Dies kann anstelle eines mechanischen Magnetschalters verwendet werden, wobei dennoch die Operation im wesentlichen ähnlich zu dem oben genannten Magnetschalter realisiert wird.
Insbesondere kann es gebildet werden durch Anordnen eines Erregungskerns, der aus einem weichmagnetischen Material besteht, angeschlossen senkrecht zur Umfangsrichtung eines Detektierungskerns, um eine Ringform auszubilden. Eine Erregungsspule ist auf einen Abschnitt des Erregungskerns in einer Ringform gewickelt. Zudem wird der Erregungskern in einer senkrechten Richtung gegen die Umfangsrichtung des Detektierungskerns erregt, indem ein Gleichstrom periodisch an die Erregungsspule angelegt wird, um die Kreuzung des Detektierungskerns und des Erregungskerns magnetisch zu sättigen, die magnetisch gesättigte Kreuzung wird im wesentlichen in dem Magnetspalt ausgebildet.
Das heißt, aufgrund der Tatsache, daß eine relative Permeabilität μ der magnetisch gesättigten Kreuzung des Detektierungskerns sich endlos aus 1 nähert, fungiert der magnetisch gesättigte Abschnitt auf die gleiche Weise wie der Magnetspalt. Der Magnetfluß Φ₀ in dem Detektierungskern reduziert sich mit einer konstanten Periode, und die elektromotorische Kraft kann in der Detektierungsspule bei Änderungen im Magnetfluß erzeugt werden.
Die Erfinder haben verschiedene Verbesserungen am Gleichstromsensor vorgenommen, der aus der oben erwähnten grundlegenden Konfiguration besteht, und um den Gleichstromsensor insbesondere einfach am Gleichstromsensor derart zu montieren, daß der Detektierungskern zumindest an einem Abschnitt in der Umfangsrichtung zum Zeitpunkt des Anordnens des Leitungsdrahts dorthindurch unterteilt werden kann, werden mehrere Detektierungskernglieder verwendet und der Erregungskern, die Erregungsspule und die Detektierungsspule sind effektiv an einem der Detektierungskernglieder angeordnet, um die Aufgabe zu lösen.
Das heißt, der Gleichstromsensor der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Gleichstromsensor wie in Anspruch 1 oder Anspruch 6 vorgetragen.
Durch Integrieren des Erregungskerns, der Erregungsspule und der Detektierungsspule effektiv mit einem der Detektierungskernglieder ist keine Zwischenverbindung zwischen den anderen Detektierungskerngliedern erforderlich, weshalb es leicht ist, an dem Leitungsdraht zu montieren. Die Möglichkeit, daß der Draht beim Montieren bricht, kann stark reduziert werden, wodurch ein zuverlässiges Montieren des Gleichstromsensors realisiert werden kann.
Da der Gleichstromsensor der vorliegenden Erfindung eine gute Detektierfähigkeit gegenüber einer mikroskopischen Stromänderung, wie in der Ausführungsform gezeigt, aufweist, wenn er im Gleichstrom-Leckschalter und dergleichen verwendet wird, kann eine erforderliche empfindliche Detektion dadurch erreicht werden, daß nur ein Leitungsdraht durch den Detektierungskern verlegt wird. Somit ist die Konstruktion relativ einfach und der Gleichstromsensor kann kleiner ausgeführt werden.
Außerdem kann nicht nur ein Absolutwert des durch den Leitungsdraht fließenden Gleichstroms gemessen werden, sondern auch seine Richtung, so daß er effektiver verwendet werden kann, beispielsweise bei der Steuerung eines Aktuators unter Verwendung eines Gleichstrommotors.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine erläuternde Perspektivansicht, die einen Umriß einer Ausführungsform eines Gleichstromsensors zeigt, der zu der vorliegenden Erfindung führt.
2 ist eine erläuternde Längsschnittansicht entlang einer Linie a-a des in 1 gezeigten Gleichstromsensors.
3 ist eine erläuternde Längsschnittansicht entlang einer Linie b-b des in 1 gezeigten Gleichstromsensors.
4 ist eine erläuternde Perspektivansicht, die einen Umriß einer weiteren Ausführungsform eines Gleichstromsensors zeigt, der zu der vorliegenden Erfindung führt.
5 ist eine erläuternde Längsschnittansicht entlang einer Linie a-a des in 4 gezeigten Gleichstromsensors.
6 ist eine erläuternde Längsschnittansicht entlang einer Linie b-b des in 4 gezeigten Gleichstromsensors.
7 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen einem Erregungsstrom, eines einen Detektierungskern passierenden Magnetflusses und einer elektromotorischen Kraft einer Detektierungsspule in einer in 4 gezeigten Gleichstromsensorkonfiguration zeigt.
8 ist eine erläuternde schematische Ansicht, die einen Modus zum Zeitpunkt des Verwendens der in 1 und 4 gezeigten Gleichstromsensoren zeigt.
9 ist eine lineare graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen einem durch einen Leitungsdraht fließenden Gleichstrom und einer Ausgabe des in 1 gezeigten Gleichstromsensors zeigt.
10 ist eine erläuternde Perspektivansicht unter Verwendung einer Modifikation des in 1 gezeigten Gleichstromsensors.
11 ist eine erläuternde Perspektivansicht, die die Grundlage des Gleichstromsensors der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen in einer in 10 gezeigten Gleichstromsensorkonfiguration angelegten Frequenzen zeigt, wobei 12(A) die Beziehung zwischen der Frequenz und einem Erregungsstrom zeigt; 12(B) die Beziehung zwischen der Frequenz und einem einen Detektierungskern passierenden Magnetfluß zeigt und 12(C) die Beziehung zwischen der Frequenz und einer elektromotorischen Kraft einer Detektierungsspule zeigt.
13 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen in einer in 10 gezeigten Gleichstromsensorkonfiguration angelegten Frequenzen zeigt, wobei 13(A) die Beziehung zwischen der Frequenz und einem Erregungsstrom zeigt; 13(B) die Beziehung zwischen der Frequenz und einem einen Detektierungskern passierenden Magnetfluß zeigt und 13(C) die Beziehung zwischen der Frequenz und einer elektromotorischen Kraft einer Detektierungsspule zeigt.
14 ist eine erläuternde Perspektivansicht einer Ausführungsform der Grundlage des Gleichstromsensors der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine erläuternde Perspektivansicht einer Ausführungsform der Grundlage des Gleichstromsensors der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird die Operation eines Gleichstromsensors der vorliegenden Erfindung auf der Basis der Zeichnungen näher beschrieben.
Wie zuvor beschrieben umfaßt der Gleichstromsensor der vorliegenden Erfindung einen Detektierungskern, der aus mehreren Detektierungskerngliedern besteht, die zumindest an einem Abschnitt in einer Umfangsrichtung des Detektierungskerns zum Zeitpunkt des Anordnens eines Leitungsdrahts dorthindurch unterteil werden sollen. Zum Zweck des klareren Beschreibens der Einzelheiten bei Fertigstellung der vorliegenden Erfindung wird in der folgenden Beschreibung das zugrundeliegende Arbeitsprinzip zuerst auf der Basis der Konfiguration beschrieben, bei dem der Detektierungskern nicht unterteilt ist.
11 ist eine erläuternde Perspektivansicht, zum Erläutern des grundlegenden Arbeitsprinzips eines Gleichstromsensors der vorliegenden Erfindung. 12 und 13 zeigen die Beziehung zwischen einem Erregungsstrom und einem einen Detektierungskern passierenden Magnetfluß und einer in einer Detektierungsspule in dieser Konfiguration erzeugten elektromotorischen Kraft.
In 11 bezeichnet Zahl 1 einen Leitungsdraht, der durch den Detektierungskern 2 angeordnet ist, der aus einem ringförmigen weichmagnetischen Material besteht. Die Zahl 3 bezeichnet eine Detektierungsspule, die in einer Ringform um einen vorbestimmten Abschnitt des Detektierungskerns 2 gewickelt ist und an eine nichtgezeigte vorbestimmte Detektierungsschaltung als eine elektrische Isolierung mit dem Leitungsdraht 1 sichernd angeschlossen ist.
Zahl 4 bezeichnet einen Erregungskern, der aus dem ringförmigen weichmagnetischen Material besteht, um den herum in einer Ringform eine Erregungsspule 5 in einer vorbestimmten Position gewickelt ist. Der Erregungskern 4 ist senkrecht mit dem Detektierungskern 2 an einem Abschnitt in einer Umfangsrichtung davon verbunden und bildet durch die später zu beschreibende Operation einen magnetisch gesättigten Abschnitt an einem schattierten Abschnitt in der Figur entsprechend einer Kernkreuzung 6 des Detektierungskerns 2 und des Erregungskerns 4.
In der Figur bezeichnet die Zahl 43 eine Modulationsspule, die in der gleichen Richtung wie der Leitungsdraht 1 angeordnet ist, und zwar zum Zweck des Reduzierens einer ausgegebenen charakteristischen Hysterese, von der angenommen wird, daß sie durch den Effekt der magnetischen Charakteristik (Koerzitivkraft) des den Detektierungskern 2 bildenden weichmagnetischen Materials hervorgerufen wird.
Wenn in der in 11 gezeigten Konfiguration ein Gleichstrom I durch den Leitungsdraht 1 fließt, wird im Detektierungskern 2 gegen die Richtung des Gleichstroms I ein Magnetfeld im Uhrzeigersinn erzeugt. Dadurch wird in dem Detektierungskern 2 ein Magnetfluß Φ₀ erzeugt.
Wenn zu diesem Zeitpunkt ein vorbestimmter Wechselstrom an die Erregungsspule 5 angelegt wird, erzeugt er einen Magnetfluß, der sich periodisch in einer Richtung α in dem Erregungskern 4 ändert. Dies sättigt periodisch und magnetisch den Erregungskern 4, eine relative Permeabilität μ fällt auf fast 1 ab, und die Kernkreuzung 6 (ein schattierter Abschnitt), der ein Umfangsabschnitt des Detektierungskerns 2 ist, bildet im wesentlichen einen sogenannten Magnetspalt, und der Magnetfluß Φ₀ in dem Detektierungskern 2 wird auf Φ₁ reduziert.
Wenn der Erregungskern 4 in der Nähe eines Spitzenwerts des Wechselstroms der Frequenz f₀, an die Erregungsspule 5 angelegt, gesättigt wird, sowohl im Fall eines Gleichstroms I, der in einer positiven Richtung (+) (in der Figur nach oben) durch den Leitungsdraht 1 fließt, wie in 12 gezeigt, und im Fall des Gleichstroms I, der in einer negativen Richtung (–) (in der Figur nach unten), wie in 13 gezeigt, durch den Leitungsdraht 1 fließt, wird der Erregungskern 4 in einer Erregungsstromperiode zweimal gesättigt.
Im Fall einer positiven Richtung (+) (in der Figur nach oben) des wie in 12 gezeigt durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstroms I wird durch diese Sättigung der durch den durch den Leitungsdraht fließenden Gleichstrom I in dem Detektierungskern 2 erzeugte Magnetfluß Φ₀ auf Φ₁ mit der Frequenz von 2f₀ wie in 12(B) gezeigt reduziert. Das heißt, Modulation findet bei 2f₀ statt. Somit wird eine Spannung V_DET mit einer Frequenz 2fo in der Detektierungsspule 3 erzeugt, wie in 12(C) gezeigt, wenn sich der Magnetfluß ändert.
Ebenfalls in dem Fall, daß der Gleichstrom I in der negativen Richtung (–)(in der Figur nach unten) wie in 13 gezeigt durch den Leitungsdraht 1 fließt, obwohl die Operation im wesentlichen gleich dem Fall einer positiven Richtung (+) (in der Figur nach oben) des Gleichstroms I ist, ist aufgrund der Tatsache, daß die Richtung des Gleichstroms I umgekehrt ist, auch die Richtung des in dem Detektierungskern 2 erzeugten Magnetflusses umgekehrt und eine Phasendifferenz der in der Detektierungsspule 3 erzeugten Spannung V_DET mit Frequenz 2f₀ wird 180°.
Ungeachtet der Richtung des durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstroms I ist in jedem Fall die Spannung V_DET ∝ dem Gleichstrom I aus der Beziehung des Magnetiflusses Φ₀ ∝ den Gleichstrom I und der Spannung V_DET ∝ zum Magnetfluß Φ₀, weshalb die elektromotorische Kraft proportional zu dem durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstrom I von der Detektierungsspule 3 detektiert werden kann und ein Absolutwert des durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstroms I bestimmt werden kann.
Da der Detektierungskern 2 und der Erregungskern 4 senkrecht verbunden sind, leckt zudem der erregende Magnetfluß in dem Erregungskern 4 nicht zu dem Detektierungskern 2 und geht durch die Detektierungsspule 3. Die von dem an die Erregungsspule 5 angelegten Erregungsstrom erzeugte elektromotorische Kraft wird nicht in der Detektierungsspule 3 erzeugt, so daß, wenn der durch den Leitungsdraht 1 fließende Gleichstrom I 0 ist, V_DET = 0.
Da die Frequenz der in der Detektierungsspule 3 erzeugten elektromotorischen Kraft V_DET 2f₀ ist und von der Frequenz f₀ des an die Erregungsspule 5 angelegten Erregungsstroms verschieden ist, kann die Frequenz einer Leckkomponente leicht von einem Frequenzunterscheidungsfilter und dergleichen auch dann getrennt werden, wenn der erregende Magnetfluß im Erregungskern 4 aufgrund der Genauigkeit von Gestalten, Größen und so weiter der Detektierungsspule 2 und der Erregungsspule 4 leckt und von der Detektierungsspule 3 detektiert werden kann. Somit kann sie als ein empfindlicher Gleichstromsensor verwendet werden.
Als Ergebnis einer an einem Gleichstromsensor mit der oben erwähnten Konfiguration zum Ermöglichen einer Detektion der mikroskopischen Ströme vorgenommenen Studie wurde bestätigt, daß ein sogenanntes Hysteresephänomen, wenn eine Ausgangsspannung (elektromotorische Kraft) in der Detektierungsspule verschieden ist, selbst beim gleichen Stromwert erzeugt wird, wenn der Gleichstrom in einem mikroskopischen Stromgebiet erhöht oder reduziert wird, wenn der durch den Leitungsdraht 1 fließende Gleichstrom beispielsweise ± 50 mA oder weniger beträgt. Dies tritt sogar dann auf, wenn ein Permalloy C (78% Ni-5Mo-4Cu-balFe) verwendet wird, das als ein Material mit einer hohen relativen Permeabilität als der Detektierungskern 2 verwendet wird. Insbesondere wenn der Gleichstrom um Null (± 20 mA) herum liegt, wird ein „Inversionsgebiet" erzeugt, wo die Ausgangsspannung mit zunehmendem Gleichstrom reduziert wird.
Das heißt, wenn der durch den Leitungsdraht 1 fließende Gleichstrom (der detektierte Strom) bei Null liegt, selbst wenn das oben erwähnte Material als der Detektierungskern 2 verwendet wird, da die Koerzitivkraft des Materials endlich ist, bleibt der Magnetfluß im Kern, und bis der Restmagnetfluß durch den detektierten Strom eliminiert wird, wird das „inverse Gebiet" gemäß dem Hysteresephänomen der Ausgangsspannung in der Detektierungsspule in dem mikroskopischen Stromgebiet erzeugt und ein Referenzpegel zum Zeitpunkt der Messung fluktuiert. Somit differieren bei der Messung in dem mikroskopischen Stromgebiet Meßwerte zu jeder Zeit und es kann kein präziser Wert erhalten werden.
Zur Lösung solcher Probleme, wie in 11 gezeigt, wird die in der gleichen Richtung wie der Leitungsdraht 1 gewickelte Modulationsspule 43 auf dem Detektierungskern 2 angeordnet, und ein von der Modulationsspule 43 erzeugtes Wechselmagnetfeld wird dem Detektierungskern 2 überlagert, wodurch die Hysterese der Ausgabecharakteristiken durch Restmagnetfluß des Kerns reduziert werden kann.
Wenn ein zum Erzeugen des Magnetfelds über einer Koerzitivkraft des Detektierungskerns 2 notwendiger Wechselstrom an die Modulationsspule 43 angelegt wird, wird die Hysteresecharakteristik eliminiert, die von dem Restmagnetfluß erzeugt wird, der von der Koerzitivkraft des Kernmaterials verursacht wird, und eine Detektierempfindlichkeit bei einem mikroskopischen Strom kann verbessert werden, indem die überlagerte Wechselkomponente durch die Detektierschaltung entfernt wird.
Die Modulationsspule 43 ist in der gleichen Richtung wie der Leitungsdraht 1 um den Detektierungskern 2 gewickelt, und zwar derart, daß zusätzlich zu dem Wickeln um eine Windung um den Detektierungskern 2, um sich in der gleichen Richtung wie der Leitungsdraht 1 zu erstrecken, wie die in 11 gezeigte Ausführungsform, sie mit mehreren Windungen in der gleichen Richtung wie oben erwähnt als Reaktion auf eine erforderliche Intensität des Wechselmagnetfelds gewickelt ist. Insbesondere im Fall des Wickelns mit mehreren Windungen wird sie um den Detektierungskern 2 in einer Ringform gewickelt, und zwar im wesentlichen so wie die Detektierungsspule 3.
Aus 11 geht hervor, daß üblicherweise die Detekierungsspule 3 verwendet werden kann, da die Modulationsspule 43 im wesentlichen an der gleichen Stelle in der gleichen Richtung wie die Detektierungsspule 3 angeordnet ist, die in einer Ringform um die Detektierungsspule 2 gewickelt ist.
Das heißt, da die Frequenz des durch die Detektierungsspule 3 fließenden elektrischen Stroms und die des durch die Modulationsspule 43 fließenden elektrischen Stroms selbst dann ursprünglich größtenteils voneinander verschieden sind, auch wenn sie zusammen verwendet werden, ein elektrisches Signal leicht abgetrennt werden kann, indem ein Filter angeordnet wird, der den elektrischen Strom durchläßt, der aus der jeweilige Funktionen realisierenden Frequenz besteht. Selbst wenn die Modulationsspule 43 und die Detektierungsspule 3 integriert sind, kann somit die ausgegebene charakteristische Hysterese reduziert werden.
Angesichts der Tatsache, daß die Phasendifferenz der in der Detektierungsspule 3 erzeugten Spannung V_DET mit Frequenz 2f₀ je nach der Richtung des durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstroms I 180° beträgt, wie von 12 und 13 beschrieben, ist dabei bestätigt worden, daß ein Absolutwert sowie die Richtung des durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstroms leicht detektiert werden können, indem ein Erregungsstrom in einem Zustand angelegt wird, bei dem die Frequenz des von einem Oszillator mit der Frequenz des Doppelten des Erregungsstroms erzeugten Erregungsstroms in zwei unterteilt wird, und die Phasendifferenz am Oszillatorausgang und der Ausgang der Detektierungsspule 3 von einer Phasenvergleichsschaltung detektiert werden.
Das heißt, da sowohl die Frequenz des von dem mit der Erregungsspule 5 verbundenen Oszillator erzeugten Erregungsstroms und die der Ausgabe V_DET von der Detektierungsspule 3 eine Frequenz 2f₀ aufweisen, die das doppelte des an die Erregungsspule 5 angelegten Erregungsstroms ist, kann die Phasendifferenz leicht verglichen werden. Somit können der Absolutwert sowie die Richtung des durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstroms detektiert werden.
Durch Anlegen eines elektrischen Stroms, dessen Richtung und Intensität sich periodisch und linear gegenüber der Zeit ändern, beispielsweise ein elektrischer Strom, der sich mit einer Dreieckswellenform ändert, an die Detektierungsspule 3, um ein Ablenkmagnetfeld in dem Detektierungskern 2 zu ergeben, können somit gleichermaßen der Absolutwert sowie die Richtung des durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstroms leicht detektiert werden.
Das heißt, wenn der elektrische Strom, der sich beispielsweise mit einer Dreieckswellenform ändert, in dem Zustand an die Detektierungsspule 3 angelegt wird, in dem der Gleichstrom durch den Leitungsdraht 1 fließt, werden ein durch den elektrischen Dreieckswellenform-Strom und einen Magnetfluß, der durch den durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstrom erzeugt wird, in der Detektierungsspule 3 überlagert. Somit können der Absolutwert sowie die Richtung des durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstroms detektiert werden, indem nach dem Anwenden einer Scheiteleinschränkung auf die in der Detektierungsspule 3 erzeugte elektromotorische Kraft die Ausgangsphase ein Zeitverhältnis (Tastverhältnis) zwischen der Ausgabezeit der positiven Seite (+) und der Ausgabezeit der negativen Seite (–) detektiert wird.
Wenn insbesondere ein Maximalwert des an die Detektierungsspule 3 angelegten oben erwähnten elektrischen Stroms ausreichend eingestellt ist, um das Magnetfeld über einer Koerzitivkraft (∝ Hc) des Materials des Detektierungskerns 2 zu erzeugen, kann die durch eine Hysterese des Materials der Detektierungsspule 2 im wesentlichen verursachte ausgegebene charakteristische Hysterese reduziert werden.
Durch effektives Kombinieren verschiedener elektrischer Schaltungen können zudem wesentliche Vorteile des Gleichstromsensors, der wie in 11 aufgebaut ist, praktisch effektiver verwendet werden.
Auf der Basis der oben erwähnten Konfiguration ist dabei ein Paar Zylinder, die einen Erregungskern darstellen, parallel gegen die Achsenlinie angeordnet, und angrenzende Seiten von offenen Enden der Zylinder sind in einem Körper mit Verbindungsplatten verbunden, die aus einem weichmagnetischen Material bestehen, um den Detektierungskern durch die Verbindungsplatten und damit verbundenen Zylinderseitenflächen zu bilden, wodurch ein elektromagnetisches Ungleichgewicht des Gleichstromsensors und auch Rauschen reduziert werden. Dadurch kann das S-R-Verhältnis verbessert werden.
Indem die Konfiguration des Erregungskerns angenommen wird, der gebildet wird durch ein Paar Zylinder, die parallel an der Achsenlinie angeordnet sind, im Vergleich zu der in 11 gezeigten Konfiguration, kann eine Breite d (siehe 11) einer Verbindung des mit dem Detektierungskern verbundenen Erregungskerns wesentlich verlängert werden. Infolgedessen wird ein Verhältnis der Breite d der Verbindung des Erregungskerns gegenüber einer Magnetweglänge des Detektierungskerns (ein Magnetspaltverhältnis) erhöht, eine Restmagnetflußdichte in dem Detektierungskern wird durch den Effekt eines Entmagnetisierungsfelds reduziert und der Effekt einer Koerzitivkraft des Kernmaterials wird durch geometrische Effekte mit dem Anordnungseffekt der Modulationsspule weiter reduziert.
Beispielsweise enthält ein Gleichstromsensor, der wie in 14 gezeigt aufgebaut ist, die oben genannten Effekte, wodurch eine stabile Messung realisiert werden kann.
Das heißt, bei der in 11 gezeigten Konfiguration ist zwar das elektromagnetische Gleichgewicht des Gleichstromsensors schwierig zu bewerkstelligen, weil der Erregungskern 4 mit dem Detektierungskern 2 verbunden ist und auch die Detektierungsspule 3, die Erregungsspule 5 und die Modulationsspule 43 jeweils an der gleichen Stelle angeordnet sind, berücksichtigt der in 14 gezeigte Gleichstromsensor das elektromagnetische Gleichgewicht des Erregungskerns 4, der Detektierungsspule 3, der Erregungsspule 5 und der Modulationsspule 43.
In 14 bezeichnet die Zahl 1 einen Leitungsdraht, der durch den inneren Mittelabschnitt eines Detektierungskerns 2 mit einer rechteckigen Rahmengestalt verläuft. An Längsseitenabschnitten an gegenüberliegenden Positionen des eine rechteckige Rahmengestalt aufweisenden Detektierungskerns 2 ist ein Paar Erregungskerne 4a, 4b so in einem Körper angeordnet, daß sie einen vierseitigen Zylinder bilden. Dabei sind auf Seitenflächen der äußersten Umfänge des Paars von Erregungskernen 4a, 4b Erregungsspulen 5a, 5b in einer Ringform gewickelt. Ein Paar Detektierungsspulen 3a, 3b ist in einer Ringform zur elektrischen Verbindung um das Paar Erregungskerne 4a, 4b gewickelt.
Zudem ist auf Kurzseitenabschnitten an gegenüberliegenden Positionen des eine rechteckige Rahmengestalt aufweisenden Detektierungskerns 2 ein Paar Modulationsspulen 43a, 43b so angeordnet, daß es sich in der gleichen Richtung wie der detektierte Leitungsdraht 1 hindurcherstreckt, und ist elektrisch in Reihe durch vorbestimmte Mittel verbunden.
Wenn ein Gleichstrom I durch den Leitungsdraht 1 in einer derartigen Konfiguration fließt, wird ein Magnetfeld, das im Uhrzeigersinn zur Richtung des Gleichstroms I verläuft, in dem Detektierungskern 2 erzeugt, und ein Magnetfluß Φ₀ wird in dem Detektierungskern 2 erzeugt.
Wenn zu diesem Zeitpunkt ein vorbestimmter Wechselstrom an die Erregungsspulen 5a, 5b angelegt wird, um einen Magnetfluß zu erzeugen, der sich periodisch in einer Richtung α in dem Paar Erregungskerne 4a, 4b ändert, die magnetisch und periodisch gesättigt werden, bildet die Kernkreuzung 6 am Längsseitenabschnitt, der ein Teil der Umfangsrichtung des eine rechteckige Rahmengestalt aufweisenden Detektierungskerns 2 ist, im wesentlichen einen sogenannten Magnetspalt, wo eine relative Permeabilität μ extrem nahe bei 1 liegt, wodurch der Magnetfluß Φ in dem Detektierungskern auf Φ₁ reduziert wird.
Somit weist der oben erwähnte Gleichstromsensor auch einen gleichen Mechanismus zum Erzeugen der elektromotorischen Kraft für das Paar Detektierungspulen 3a, 3b auf, wie die in 11 gezeigte Kombination, und der Effekt des Mechanismus ist ähnlich. Erhalten werden außerdem in dieser Konfiguration: der Effekt des Anordnens des Paars Modulationsspulen 43a, 43b, der Effekt des Reduzierens der Restmagnetflußdichte in dem Detektierungskern 2, herrührend aus dem Entmagnetisierungseffekt durch Erhöhen des Verhältnisses der Breite d der Verbindung des Erregungskerns 4 gegenüber der Magnetweglänge des Detektierungskerns 2 und der Effekt des elektromagnetischen Gleichgewichts, der herrührt aus der symmetrischen Gesamtkonfiguration gegenüber dem Leitungsdraht 1.
Dabei haben die Erfinder einen Gleichstromsensor untersucht, bei dem die oben erwähnte Konfiguration weiter verbessert wurde. Obwohl eine präzise Detektierung in jeder der Konfigurationen des oben beschriebenen Gleichstromsensors möglich ist, ist es, da der Detektierungskern 2, durch den hindurch der Leitungsdraht 1 angeordnet ist, zu einem Körper ausgebildet ist, sehr kompliziert, am Leitungsdraht zu montieren.
Das heißt, im Fall des Montierens an dem Leitungsdraht ist es notwendig, eine Stromquelle abzuschalten und die Verdrahtung zu trennen, um den Leitungsdraht 1 durch ein Durchgangsloch des Detektierungskerns 2 anzuordnen.
Ein in 15 gezeigter Gleichstromsensor ist so aufgebaut, daß er solche Probleme löst, wodurch er an dem spannungsführenden Leitungsdraht und an der Verdrahtung montiert werden kann, wo es schwierig ist, die Leitungsdrähte zu schneiden und zu verbinden.
Eine in einer erläuternden Perspektivansicht von 15 gezeigte Grundkonfiguration des Gleichstromsensors ist ähnlich dem Gleichstromsensor mit der in der oben beschriebenen 14 gezeigten Konfiguration.
Das heißt, die Zahl 1 bezeichnet einen Leitungsdraht, der durch einen inneren Mittelabschnitt eines Detektierungskerns 2 hindurch angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform jedoch ist der Detektierungskern 2 in ein Paar unterteilt, und an Endabschnitten von Detektierungskerngliedern 2a, 2b sind L-förmige Montageglieder 60a, 60b, die aus dem gleichen Material wie die Detektierungskernglieder 2a, 2b bestehen, befestigt und mit Hilfe einer Schraube 61 nach dem Anordnen des Leitungsdrahts 1 in einer vorbestimmten Position integriert.
Ein Paar Erregungskerne 4a, 4b ist in einem Körper an jeweiligen gegenüberliegenden Längsseitenabschnitten der Detektierungskernglieder 2a, 2b angeordnet, um einen vierseitigen Zylinder zu bilden. Dabei sind um Seitenflächen des äußersten Umfangs des Paars Erregungskerne 4a, 4b Erregungsspulen 5a, 5b in einer Ringform gewickelt.
Zudem sind Detektierungsspulen 3a, 3b in einer Ringform auch um die Erregungskerne 4a, 4b gewickelt. Modulationsspulen 43a, 43b sind an den gleichen Stellen wie die Detektierungsspulen 3a, 3b gewickelt.
Wenn ein Gleichstrom I an den Leitungsdraht 1 in einer derartigen Konfiguration angelegt wird, durch den gleichen Mechanismus wie die in 14 gezeigte Konfiguration, kann der durch den Leitungsdraht 1 fließende Gleichstrom von den Detektierungsspulen 3a, 3b detektiert werden. Außerdem kann im wesentlichen der gleiche Effekt wie bei dem in 14 gezeigt aufgebauten Gleichstromsensor realisiert werden.
Bei der in 15 gezeigten Konfiguration, im Grunde unter Berücksichtigung des elektromagnetischen Gleichgewichts, anhand der Tatsache, daß die Detektierungsspulen 3a, 3b, die Erregungsspulen 5a, 5b und die Modulationsspulen 43a, 43b um die geteilten Detektierungskernglieder 2a, 2b unabhängig gewickelt sind, wenn der Gleichstromsensor am Leitungsdraht 1 in den erregenden Ausstattungen montiert ist, wird der Leitungsdraht 1 von den Detektierungskerngliedern 2a, 2b so umgeben, daß erstere im wesentlichen durch den letzteren hindurch angeordnet wird, ohne geschnitten zu werden. Danach werden die Detektierungskernglieder 2a, 2b integriert und die Detektierungsspulen 3a, 3b, die Erregungsspulen 5a, 5b und die Modulationsspulen 43a, 43b verbunden.
Solche Verbindungen sind tatsächlich sehr kompliziert, und in der Konfiguration, wo die Verbindungen beendet sind, gibt es die Möglichkeit des Schneidens der Drähte, wenn der Leitungsdraht 1 angeordnet ist, was ein Handhaben erfordert, das mehr als notwendig sorgfältig ist.
Um solche Probleme beispielsweise in dem wie in 15 gezeigt aufgebauten Gleichstromsensor zu lösen, können nur eine Detektierungsspule 3a, 3b, Erregungsspulen 5a, 5b und Modulationsspulen 43a, 43b, um die geteilten Detektierungskernglieder 2a, 2b und Erregungskerne 4a, 4b gewickelt, verwendet werden.
Das heißt, er kann so aufgebaut sein, daß der Erregungskern 4b, Detektierungsspule 3b, Erregungsspule 5b und Modulationsspule 43b nicht auf dem Detektierungskernglied 2b angeordnet sind, sondern der Erregungskern 4a, die Detektierungsspule 3b, die Erregungsspule 5a und die Modulationsspule 43 sind nur auf einem anderen Detektierungskernglied 2a angeordnet, wobei eine vorbestimmte elektromotorische Kraft durch den gleichen Mechanismus wie oben beschrieben durch Erregen der Erregungsspule 5a an die Detektierungsspule 3a ausgegeben werden kann.
Bei dem in 15 gezeigten Gleichstromsensor jedoch werden die jeweiligen Kerne und Spulen unter Berücksichtigung des elektromagnetischen Gleichgewichts angeordnet. Somit kann die oben erwähnte Spulenanordnung das elektromagnetische Gleichgewicht unterbrechen, zudem wird ein Erregungssignal durch die Erregungsspule 5a größtenteils in die Detektierungsspule 3a gemischt, wodurch die präzise Detektion unmöglich wird.
Insbesondere eine zweite Hochfrequenz des Erregungssignals, verursacht durch Nichtlinearität der magnetischen Charakteristik, ursprünglich in dem weichmagnetischen Material enthalten, das den Detektierungskern 2a und den Erregungskern 4a darstellt, wird in die Detektierungsspule 3a gemischt, da außerdem die zweite Hochfrequenz und ein Detektierungssignal (eine elektromotorische Kraft der Detektierungsspule 3a) die gleiche Frequenz aufweisen, ist es unmöglich, sie elektrisch zu trennen.
In der oben erwähnten Konfiguration war es somit schwierig, den Gleichstromsensor mit einem hohen SR-Verhältnis bereitzustellen, der leicht das Vielfältige handhaben kann.
Der Gleichstromsensor der vorliegenden Erfindung wurde entwickelt, indem, wie aus den Einzelheiten verschiedener oben beschriebener Verbesserungen hervorgeht, die in 11 gezeigte Konfiguration als die Grundkonfiguration angenommen und die Konfiguration unter Berücksichtigung des elektromagnetischen Gleichgewichts wie in 14 gezeigt entwickelt und die Konfiguration, die an dem existierenden Leitungsdraht montiert werden kann, ohne selbigen wie in 15 gezeigt zu schneiden entwickelt wurde, um die Vielseitigkeit des Gleichstromsensors zu verbreitern, wie in 14 gezeigt, und in dem weiterhin Nachteile der in 15 gezeigten Konfiguration zum Lösen der oben erwähnten Probleme verbessert wurden, wodurch der Detektierungskern durch mehrere Detektierungskernglieder ausgebildet wird, um zumindest an einem Abschnitt unterteilt zu werden, wenn der Leitungsdraht 1 dorthindurch angeordnet wird, und der Erregungskern, die Erregungsspule und die Detektierungsspule sind effektiv an einen der Detektierungskernglieder angeordnet. Die spezifische Konfiguration wird insbesondere durch die hier nachfolgend gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
1 ist eine erläuternde Perspektivansicht, die eine Ausführungsform eines Gleichstromsensors zeigt, die zu dem Sensor der vorliegenden Erfindung führt. 2 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Linie a-a von 1, und 3 ist eine Längssschnittansicht entlang einer Linie b-b von 1.
In der Figur bezeichnet die Zahl 1 einen zu detektierenden Strom führenden Leitungsdraht, der in einem Detektierungskern 2 angeordnet ist, der einen rechteckigen Rahmen bildet. Der Detektierungskern 2 besteht aus einem Detektierungskernglied 2a, das ausgebildet wird durch Verbinden I-förmiger Detektierungskernglieder 21a, 21b durch einen Abschnitt eines Erregungskerns 4 zum Definieren eines Körpers und eines U-förmigen Detektierungskernglieds 2b, das zuvor zu einem Körper ausgebildet worden ist.
Der Erregungskern 4 besteht aus 4 im wesentlichen rechteckigen zylindrischen Erregungskerngliedern 4a, 4b, 4c, 4d, die über die I-förmigen Detektierungskernglieder 21a, 21b gegenüber angeordnet sind. Gegenüberliegende Abschnitte 52a, 52b, 52c, 52d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d, die den Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt sind, werden in einem Körper ausgebildet durch Verbinden der Detektierungskernglieder 21a, 21b und stellen einen Abschnitt des Detektierungskernglieds 2a dar.
Das heißt, die gegenüberliegenden Abschnitte 52a, 52b, 52c, 52d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d, den Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt, bilden eine Kernkreuzung des Erregungskerns, die im wesentlichen orthogonal zu der Umfangsrichtung des Detektierungskernglieds verbunden ist.
In der Figur bezeichnen die Zahlen 5a, 5b ein Paar Erregungsspulen, die um angrenzende Abschnitte 51a, 51b und 51c, 51d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d gewickelt sind. Dabei ist das Paar Erregungsspulen 5a, 5b für eine Negativphasenerregung der jeweiligen Erregungsspulen 5a, 5b geschaltet. Die Zahl 3 bezeichnet eine Detektierungsspule, die in einer Ringform in einem Körper um die Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d herum gewickelt ist.
Wenn das Paar Erregungsspulen 5a, 5b in einer derartigen Konfiguration einer Negativphasenerregung ausgesetzt wird, treten in den Erregungskerngliedern 4a, 4b, 4c, 4d durch die Erregungsspulen 5a, 5b erzeugte Magnetflüsse Φ₁₁, Φ₁₂, Φ₁₃, Φ₁₄ auf, wie in 2 gezeigt. Wenn daraufhin ein Gleichstrom I an den Leitungsdraht 1 angelegt wird, wird ein Magnetfluß Φ₀ in einer Umfangsrichtung des Detektierungskerns 2, der durch das Paar Detektierungskernglieder 2a, 2b gebildet wird, und auch in den gegenüberliegenden Abschnitten (Kernkreuzungen der Erregungskerne) 52a, 52b, 52c, 52d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d, den zuvor beschriebenen Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt, erzeugt, wird der Magnetfluß Φ in der gleichen Richtung (Umfangsrichtung) erzeugt.
Die durch die Negativphasenerregung des Paars Erregungsspulen 5a, 5b erzeugten Magnetflüsse Φ₁₁, Φ₁₂, Φ₁₃, Φ₁₄ verlaufen im wesentlichen in der senkrechten Richtung gegen den Magnetfluß Φ₀ in der Umfangsrichtung, der durch den durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstrom erzeugt wird, an den gegenüberliegenden Abschnitten 52a, 52b, 52c, 52d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d, den Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt, wodurch ein Magnetweg durch den Magnetfluß in der Umfangsrichtung periodisch durch die Abschnitte unterbrochen wird, und eine erforderliche Ausgabe kann in der Detektierungsspule 3 durch den gleichen elektromagnetische-Kraft-erzeugenden Mechanismus wie der Gleichstromsensor erhalten werden, der aufgebaut ist wie in den oben beschriebenen 11, 14 und 15 gezeigt.
Da das Paar Erregungsspulen 5a, 5b jedoch in dieser Konfiguration einer Negativphasenerregung ausgesetzt ist, sind die Magnetflüsse Φ₁₁ und Φ₁₃ und Φ₁₂, Φ₁₄, die in den Erregungskerngliedern 4a und 4c, 4b und 4d erzeugt werden, die über die Detektierungskernglieder 21a, 21b gegenüber angeordnet sind, in der entgegengesetzten Richtung zueinander gegen die Wicklungsrichtung der Detekierungsspule und sind gleich einem Leckmagnetfluß, erzeugt durch Erregung der Erregungsspulen 51, 5b, die zweite Hochfrequenz eines Erregungssignals wird ebenfalls im wesentlichen zurückgewiesen. Infolgedessen kann verhindert werden, daß ein Erregungssignal in die Detektierungsspule 3 gemischt wird.
Insbesondere kann das S-R-Verhältnis weiter verbessert werden, indem die Konfiguration angenommen wird, bei der ein Gleichgewichtsvolumen 70 (siehe 1) zwischen dem Paar Erregungsspulen 5a, 5b angeordnet ist, um den an die Erregungsspulen 5a, 5b angelegten Erregungsstrom auszugleichen, und zwar derart, daß der maximale Effekt der Magnetflüsse Φ₁₁ und Φ₁₃, Φ₁₂ und Φ₁₄ (siehe 2) erhalten werden kann oder eine Restausgabe der Detektierungsspule 3 ein Minimum wird.
4 ist eine erläuternde Perspektivansicht, die eine weitere Ausführungsform eines Gleichstromsensors zeigt, der zu einem Stromsensor der vorliegenden Erfindung führt. 5 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Linie a-a von 4, und 6 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Linie b-b von 4.
Ebenfalls bei diesem Gleichstromsensor ist die Konfiguration des Detektierungskerns 2 und des Erregungskerns 4 der des in 1 gezeigten Gleichstromsensors im wesentlichen ähnlich.
Das heißt, in der Figur bezeichnet die Zahl 1 einen Leitungsdraht, der innerhalb des Detektierungskerns 2 angeordnet ist, der im wesentlichen in einem rechteckigen Rahmen besteht. Der Detektierungskern 2 wird durch ein Detekierungskernglied 2a gebildet, das ausgebildet wird durch Verbinden I-förmiger Detektierungskernglieder 21a, 21b durch einen Abschnitt des später zu beschreibenden Detektierungskerns 4 in einem Körper und eines U-förmigen Detektierungskernglieds 2b, das ein vorgeformter Körper ist.
Der Erregungskern 4 wird durch 4 im wesentlichen rechteckige zylindrische Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d gebildet, die gegenüber angeordnet sind über die I-förmigen Detektierungskernglieder 21a, 21b und gegenüberliegende Abschnitte 52a, 52b, 52c, 52d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d, den Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt, sind in einem Körper ausgebildet durch Verbinden der Detektierungskernglieder 21a, 21b, um einen Abschnitt des Detektierungskernglieds 2a auszubilden.
Das heißt, die gegenüberliegenden Abschnitte 52a, 52b, 52c, 52d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d, den Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt, bilden eine Kernkreuzung des Erregungskerns, die im wesent lichen orthogonal zu der Umfangsrichtung des Detektierungskernglieds verbunden ist.
In den 4 und 5 bezeichnen die Zahlen 5a, 5b ein Paar Erregungsspulen, die um angrenzende Abschnitte 51a, 51b und 51c, 51d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d gewickelt sind. Das Paar Erregungsspulen 5a, 5b ist so geschaltet, daß Erregungsströme, deren relative Phasendifferenz 90° beträgt (Phasendifferenz von 90° oder 270°) angelegt werden können. Beispielsweise sind sie an eine Stromquelle über eine 90°-Phase-Schaltung angeschlossen, wie bei Zahl 71 gezeigt (siehe 4).
In den 4 und 5 bezeichnen die Zahlen 3a, 3b Detektierungsspulen, die in einer Ringform um die Erregungskernglieder 4a, 4b gewickelt sind, um die die Erregungsspule 5a gewickelt ist, und die Erregungskernglieder 4c, 4d, um die die Erregungsspule 5b gewickelt ist. Das Paar Erregungsspulen 3a, 3b ist in Reihe in einer negativen Phase geschaltet.
Wenn Erregungsströme mit einer relativen Phasendifferenz von 90° in einer derartigen Konfiguration wie in 5 gezeigt an das Paar Erregungsspulen 5a, 5b angelegt werden, werden in den Erregungskerngliedern 4a, 4b und 4c, 4d auf der Basis der Phasendifferenz der Erregungsströme Magnetflüsse Φ₂₁, Φ₂₂ und Φ₂₃, Φ₂₄ erzeugt. Obwohl der Magnetfluß in der gleichen Richtung in den Erregungskerngliedern 4a und 4c, 4b und 4d erzeugt wird, werden jedoch aufgrund der Phasendifferenz des Erregungsstroms in den Spulen, wenn die Erregungskernglieder 4a, 4b erregt werden, die Erregungskernglieder 4c, 4d nicht erregt.
Wenn danach der Gleichstrom I an den Leitungsdraht 1 angelegt wird, wird ein Magnetfluß Φ₀ in einer Umfangsrichtung des Detektierungskerns 2 erzeugt, der durch das Paar Detektierungskernglieder 2a, 2b gebildet wird, und auch an gegenüberliegenden Abschnitten (Kernkreuzung des Erregungskerns) 52a, 52b, 52c, 52d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d, den oben beschriebenen Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt, wird der Magnetfluß Φ in der gleichen Richtung (Umfangsrichtung) erzeugt.
Außerdem sind die Magnetflüsse Φ₂₁, Φ₂₂, Φ₂₃, Φ₂₄, die erzeugt werden durch Anlegen des Erregungsstroms, dessen relative Phasendifferenz 90° beträgt, an das Paar Erregungsspulen 5a, 5b im wesentlichen in der senkrechten Richtung gegen den Magnetfluß Φ₀, der in der Umfangsrichtung erzeugt wird durch den durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstrom, in den gegenüberliegenden Abschnitten 52a, 52b, 52c, 52d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d, den Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt. So wird ein Magnetweg durch den Magnetfluß in der Umfangsrichtung durch die Abschnitte periodisch unterbrochen.
Aufgrund der Phasendifferenz der Erregungsströme jedoch wie oben beschrieben an den gegenüberliegenden Abschnitten 52a, 52b, 52c, 52d der Erregungskernglieder 4a, 4b, 4c, 4d den Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt, während der Magnetweg durch den Magnetfluß in der Umfangsrichtung durch die gegenüberliegenden Abschnitte 52a, 52b unterbrochen wird, sind die gegenüberliegenden Abschnitte 52c, 52d verbunden, ohne den Magnetweg zu unterbrechen.
Wenn beispielsweise bei näherer Beschreibung der in 7(A) durch eine durchgezogene Linie gezeigte Erregungsstrom an die Erregungsspule 5a in einem Zustand angelegt wird, wenn der Magnetfluß Φ₀ in der Umfangsrichtung in dem Detektierungskern 2 erzeugt wird, reduziert sich der Magnetfluß Φ₀ periodisch auf Φ₁, wie durch eine durchgezogene Linie in 7(B) gezeigt, und zwar durch die an gegenüberliegenden Abschnitten 52a, 52b der Erregungskernglieder 4a, 4b, den Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt, erzeugten Magnetflüsse Φ₂₁, Φ₂₂.
Wie in 7(A) durch gestrichelte Linien gezeigt, wird gleichermaßen, wenn der Erregungsstrom, dessen Phasendifferenz 90° relativ zu dem an die Erregungsspule 5a angelegten Erregungsstrom beträgt, an die Erregungsspule 5b angelegt wird, der Magnetfluß Φ₀ periodisch auf Φ₁ reduziert, wie durch gestrichelte Linien in 7(B) gezeigt, und zwar durch die Magnetflüsse Φ₂₃, Φ₂₄, die an den gegenüberliegenden Abschnitten 52c, 52d der Erregungskernglieder 4c, 4d, den Detektierungskerngliedern 21a, 21b zugewandt, erzeugt werden.
Das heißt, erhalten werden in den Detektierungsspulen 3a und 3b als Reaktion auf die durch die durchgezogenen und gestrichelten Linien in 7(B) gezeigten Magnetflußänderungen durch den gleichen elektromotorische-Kraft-erzeugenden Mechanismus wie der Gleichstromsensor, gebildet wie in 11, 14 und 15 (oben beschrieben) gezeigt, vorbestimmte Ausgaben, wie durch die durchgezogenen und gestrichelten Linien in 7(C) gezeigt. Wenn jedoch das Paar Erregungsspulen 3a, 3b in einer positiven Phase verbunden ist, wie aus 7(C) ersichtlich ist, heben die elektromotorischen Kräfte der Erregungsspulen 3a, 3b einander auf und die erforderliche Ausgabecharakteristik kann im wesentlichen nicht erhalten werden.
Wenn jedoch die Detektierungsspulen 3a und 3b in Reihe in einer negativen Phase verbunden sind, wird eine elektromotorische Kraft wie durch eine Zwei-Punkte-Kettenlinie in 7(C) gezeigt als Reaktion auf die Magnetflußänderung wie durch eine Zwei-Punkt-Kettenlinie in 7(B) gezeigt im wesentlichen in der Detektierungsspule 3b erzeugt, wodurch infolgedessen eine Summe der elektromotorischen Kräfte der Detektierungsspulen 3a, 3b ausgegeben wird.
Da die Detektierungsspulen 3a, 3b in einer negativen Phase verbunden sind, selbst wenn Fremdrauschen da reingemischt ist, hebt sich das Rauschen außerdem gegenseitig auf und nur die von dem durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstrom erzeugte elektromotorische Kraft wird präzise ausgegeben.
Da außerdem in dem so aufgebauten Gleichstromsensor die relative Phasendifferenz des an die Erregungsspulen 5a, 5b angelegten Erregungsstroms 90° beträgt und der Magnetfluß Φ₀ in der Umfangsrichtung, in dem Detektierungskern 2 durch den durch den Leitungsdraht 1 fließenden Gleichstrom erzeugt, wie oben beschrieben im wesentlichen einen konstanten Wert beibehält, ohne unterbrochen zu werden, bei Betrachtung von dem Detektierungskern 2 insgesamt (selbst wenn teilweise unterbrochen, ist er durch den anderen Abschnitt verbunden), kann ein Abfall der Ausgabe aufgrund einer Verschlechterung der wechselnden Magnetcharakteristik des Materials des Detektierungskerns 2 verhindert werden.
Das heißt, wenn ein in einer Längsrichtung der gegenüberliegenden Abschnitte 52a, 52b erzeugter Magnetfluß Φ_ab und ein in der Längsrichtung der gegenüberliegenden Abschnitte 52c, 52d erzeugter Magnetfluß Φ_cd ist, dann ist Φ₀ = Φ_ab + Φ_cd und Φ_ab + Φ_cd = Φ₀ aus 7(B), was konstant ist, somit ändert sich der vom Paar Detektierungskernmaterialien 2a, 2b erzeugte Magnetfluß nicht und behält einen konstanten Wert proportional zu I im wesentlichen bei. Somit ist es lediglich erforderlich, daß die Detektierungskernglieder 2a, 2b aus einem Material mit einer guten Gleichmagnetcharakteristik bestehen, und die Wechselemagnetcharakteristik kann vernachlässigt werden. Somit kann beispielsweise ein Permalloy blockmaterial, das hinsichtlich der Festigkeit vorteilhaft ist, verwendet werden.
Der Gleichstromsensor, der wie in 1 und in 14 gezeigt aufgebaut ist, ist so ausgelegt, daß die Detektierungsspule 3, der Erregungskern 4 und die Erregungsspule 5 in einem Körper nur an einem des Paars von Detektierungskerngliedern 2a, 2b angeordnet sind, der unterteilt werden kann. Somit ist es nicht erforderlich, mit den anderen Detektierungskerngliedern zu verbinden. Somit ist es leicht, an dem existierenden Leitungsdraht zu montieren, wodurch die Möglichkeit, daß bei Installation Drähte brechen, erheblich reduziert ist und der Gleichstromsensor zuverlässig montiert werden kann.
8 ist eine erläuternde schematische Ansicht, die eine Konfiguration von Detektierungskerngliedern 2a, 2b zeigt, die so verwendet werden, daß der Gleichstromsensor, der wie in 1 und 4 aufgebaut ist, leichter gehandhabt werden kann.
In der Figur bezeichnet die Zahl 81a ein Trägerglied zum Tragen und Sichern des Detektierungskernglieds 2a, und 81b bezeichnet ein Trägerglied zum Tragen und Sichern des Detektierungskernglieds 2b, die beide durch eine Bakelitplatte oder eine Kunstharzplatte mit einer elektrischen Isolierung gebildet werden und aus einem unmagnetischen Material bestehen. Dabei werden Glas-Epoxid-Platten 82a, 82b an die Außenflächen der Trägerglieder 81a, 81b gebondet, um die mechanische Festigkeit davon zu verbessern und die elektrische Isolierung zwischen dem Detektierungskern 2, der Detektierungsspule 3, dem Erregungskern 4, der Erregungsspule 5 und der Außenseite sicherzustellen. Zudem sind diese Komponenten von einem Abschirmungsgehäuse 83 bedeckt, das aus einer Platte aus anisotropem Siliziumstahl oder dergleichen besteht, um das Einmischen von induziertem Rauschen zu verhindern. Um beim praktischen Einsatz eine nicht ordnungsgemäße elektrische Verbindung an den stumpfen Flächen der Detektierungskernglieder 2a, 2b zu verhindern, werden beispielsweise die stumpfen Flächen poliert, um eine hohe Flachheit sicherzustellen und um eine gute Verbindung aufrechtzuerhalten, es ist wünschenswert, verschiedene bekannte Fixiermittel an den Trägergliedern 81a, 81b anzuordnen.
Der Gleichstromsensor der vorliegenden Erfindung ist derart, daß verschiedene Konfigurationen angenommen werden können.
Beispielsweise ist die Modulationsspule 43, die in den Konfigurationen in 11, 14 und 15 angeordnet ist, in den in 1 und 4 gezeigten Konfigurationen nicht gezeigt, ist aber tatsächlich ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung. Durch Annehmen der Konfiguration, bei der die Modulationsspule 43 und die Detektierungsspule 3 üblicherweise in einem Körper verwendet werden, kann auch die ausgegebene charakteristische Hysterese reduziert werden.
Da der Absolutwert sowie eine Richtung des durch den Leitungsdraht fließenden Gleichstroms leicht detektiert werden können, kann folgendes angenommen werden: Mittel zum Anlegen des Erregungsstroms in einem Zustand, bei dem die Frequenz des zuvor von einem Oszillator mit der Frequenz des Zweifachen des Erregungsstroms in zwei geteilt, an die Erregungsspule 5 angelegt wird, um die Phasendifferenz des Oszillatorausgangs und des Detektierungsspulenausgangs durch eine Phasenvergleichsschaltung zu detektieren, oder Mittel zum Anlegen des elektrischen Stroms, dessen Richtung und Intensität sich linear und periodisch gegenüber der Zeit ändern, beispielsweise in einer Dreieckswellenform ändern, an die Detektierungsspule 3, um ein Modulationsmagnetfeld in dem Detektierungskern herzustellen. Durch effektives Kombinieren verschiedener bekannter elektrischer Schal tungen können zudem wesentliche Vorteile des Gleichstromsensors der vorliegenden Erfindung effektiver verwendet werden.
Bei dem Gleichstromsensor der vorliegenden Erfindung wird das weichmagnetische Material, das den Detektierungskern und den Erregungskern bildet, erwünschterweise als Reaktion auf die Intensität des durch den Leitungsdraht fließenden elektrischen Stroms oder die Detektierungsempfindlichkeit, die für den Sensor gefordert wird, gewählt. Weichmagnetische Materialien wie etwa eine Siliziumstahlplatte, amorphes elektromagnetisches Weicheisen und weicher Ferrit können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Das magnetische Material kann gerade so konstituiert sein, daß es einen elektromagnetisch geschlossenen Kreis bildet, und zusätzlich zu dem rechteckigen rahmenförmigen Detektierungskern und dem rechteckigen zylindrischen Erregungskern wie in der Figur gezeigt, können auch verschiedene Konfigurationen wie etwa ein kreisförmiger oder oval-ringförmiger Detektierungskern angenommen werden.
Insbesondere hinsichtlich des Detektierungskerns, da er durch mehrere Detektierungskernglieder gebildet wird, um mindestens an einem Abschnitt in der Umfangsrichtung unterteilt zu werden, wenn der Leitungsdraht dorthindurch angeordnet wird, ist es wünschenswert, die Konfiguration des Detektierungskernglieds auszudenken, die schließlich leicht zusammengebaut werden kann. Wie bei der obigen Ausführungsform ist es auch möglich, einen Abschnitt des Erregungskerns als ein das Detektierungskernglied darstellendes Glied zu verwenden. Bei Betrachtung des Endzusammenbaus zur Integrierung ist es wünschenswert, daß der Detektierungskern so wenig wie möglich unterteilt ist und die Detektierungskernglieder so weit wie möglich reduziert sind.
Es ist auch möglich, die Erfindung als Klemmeßgerät zu verwenden, indem die Konfiguration wie in 10 gezeigt angenommen wird. 10 zeigt die Konfiguration, bei der die Detektierungskernmaterialien 2a, 2b von 1 verbessert sind. Das heißt, Vertiefungen und Vorsprünge sind jeweils an einem gegenüberliegenden Abschnitt von Endabschnitten der I-förmigen Detektierungskernglieder 21a, 21b ausgebildet, die das Detektierungskernglied 2a darstellen, das mit dem Erregungskern 4 verbunden ist, und Endabschnitten des U-förmigen Detektierungskernglieds 2b, das zur Ineingriffnahme vorgeformt ist. Weiterhin wird einer der in Eingriff genommenen Abschnitte (die Seite des Detektierungskernglieds 21b) von einer Schraube 90 so gehalten, daß der andere in Eingriff genommene Abschnitt (die Seite des Detektierungskernglieds 21a) um die Schraube 90 geöffnet und geschlossen wird.
Wenngleich die oben erwähnten Vertiefungen und Vorsprünge durch maschinelle Bearbeitung der gegenüberliegenden Abschnitte der aus einer dicken Platte hergestellten Detektierungskernglieder 21a, 21b und 2b ausgebildet werden können, können sie leichter ausgebildet werden, indem die Detektierungskernglieder 21a, 21b und 2b ordnungsgemäß durch Laminieren dünner Platten mit unterschiedlichen Längen ausgebildet werden. Die gegenüberliegenden Abschnitte der Detektierungskernglieder 21a, 21b, 2b sind nicht notwendigerweise auf die Konfiguration aus Vertiefungen und Vorsprüngen beschränkt, die Konfiguration, in der die jeweiligen Flächen präzise oberflächenbehandelt sind, damit die flachen Flächen aneinanderstoßen, können als Reaktion auf die geforderte Meßgenauigkeit gewählt werden.
Die oben beschriebene Konfiguration kann analog in dem Gleichstromsensor angenommen werden, der wie in 4 gezeigt aufgebaut ist.
Bei dem Gleichstromsensor der vorliegenden Erfindung kann bezüglich der magnetischen Sättigung an Kernkreuzungen zwischen dem Detektierungskern und dem Erregungskern (als Beispiel) die erforderliche Detektion selbst dann erreicht werden, wenn die Kernkreuzungen nicht vollständig gesättigt sind, sofern der gesättigte Zustand im wesentlichen erhalten werden kann. Durch Auswahl optimaler Bedingungen einschließlich dem obigen weichmagnetischen Material, seiner Gestalt und Größe und Windungen der Detektierungsspule und Erregungsspule kann ein Sensor bereitgestellt werden, der praktischer verwendet werden kann.
Dabei ist in jeder der oben erwähnten Konfigurationen ein einzelner Leitungsdraht durch den Detektierungskern angeordnet. Als Reaktion auf die Größe des erforderlichen Sensors können auch mehrere Leitungsdrähte angeordnet sein. Wenn beispielsweise zwei Leitungsdrähte angeordnet sind und die Richtung des durch die beiden Leitungsdrähte fließenden elektrischen Stroms unterschiedlich ist, ist es möglich, nur eine Differenz des durch die beiden Leiter fließenden elektrischen Stromwerts auszugeben. Somit kann der Effekt des Gleichstromsensors der vorliegenden Erfindung bei Einsatz bei der Leckdetektion von Gleichstromgeräten effektiver realisiert werden.
Beispiele
Beispiel 1
Vier Stücke von rechteckigen zylindrischen Erregungskerngliedern 4a, 4b, 4c, 4d wurden hergestellt, indem eine 0,35 mm dünne Platte aus Permalloy C (78% Ni – 5% Mo – 4% Cu – balFe) zu vorbestimmten Formen gestanzt wurden, die an vorbestimmten Stellen gebogen und zum Punktschweißen zusammengesetzt wurden. Auch ein Paar I-förmiger Detektierungskernglieder 21a und ein U- förmiges Detektierungskernglied 2b wurden aus der 1,5 mm dünnen Platte mit der gleichen Zusammensetzung wie das Erregungskernglied gestanzt. Dann wurden die vier Erregungskernglieder zusammen mit dem Paar I-förmiger Detektierungskernglieder in einem Körper punktgeschweißt, und weiterhin wurden diese Komponentenglieder und das U-förmige Detektierungskernglied 2b in einer Wasserstoffgasatmosphäre 3 Stunden lang bei 1.100°C erhitzt, danach wurde die Wärmebehandlung durch eine mehrstufige Kältebehandlung zwischen 400°C und 600°C bei 100°C/Stunde ausgeführt.
Eine in 1 gezeigte Kernbaugruppe wurde auf die oben erwähnte Weise erhalten, wobei eine angemessene Länge L = 26 mm, Höhe H = 7,5 mm und Breite W = 27 mm.
Nach dem Wickeln eines Vinyl-Isolationsschutzbands um benachbarte Abschnitte der rechteckigen zylindrischen Erregungskernglieder wurde ein Draht mit einem Außendurchmesser von 0,3 mm mit einer Windung gewickelt, um Erregungsspulen 5a, 5b zu erhalten, die zur Negativphasenerregung geschaltet wurden.
Außerdem wurde nach dem Wickeln des Vinyl-Isolationsschutzbands um die Erregungskernglieder herum der Draht mit einem Außendurchmesser von 0,1 mm mit 300 Windungen gewickelt, um eine Detektierungsspule 3 zu erhalten. Die Detektierungsspule 3 wurde mit einer vorbestimmten Filterschaltung kombiniert, um eine Modulationsspule auf übliche Weise zu verwenden.
Auf diese Weise wurde der in 1 gezeigte Gleichstromsensor fertiggestellt.
Dabei waren die Detektierungskernglieder 2a, 2b des Gleichstromsensors in einem Körper um einen Leitungsdraht 1 mit einem Außendurchmesser von 8mm, die aus einer Vinylbeschichtung bestehen, angeordnet und verbunden, und schließlich wurde der Leitungsdraht 1 durch den Detektierungskern 2 angeordnet.
9 zeigt die Ausgabeänderungen nach dem Entfernen einer Wechselstromkomponente von 11 Hz durch ein Tiefpaßfilter in einer elektromotorischen Kraft (Ausgabe) V aus der Detektierungsspule 3 heraus, ausgegeben über eine Phasenvergleichsschaltung, wenn Wechselstrom-Anlegemittel angeordnet sind, worin ein Oszillator angeordnet ist, der einen Erregungsstrom mit einer Frequenz mit dem Doppelten des schließlich an eine Erregungsspule 5 angelegten Erregungsstroms erzeugt, die Phasenvergleichsschaltung und dergleichen an den Erregungsspulen 5a, 5b und Detektierungsspule 3 des vorliegenden Gleichstromsensors, Anlegen des Wechselstroms mit f = 3,5 kHz und 0,1 A als dem Anregungsstrom an die Erregungsspulen 5a, 5b zur Negativphasenerregung, Anlegen eines sinusförmigen Wechselstroms von 11 Hz und 1 mA (bei Spitze), damit die Detektierungsspule als die Modulationsspule des Oszillators fungieren kann, und weiter Anlegen eines Gleichstroms I an den Leitungsdraht 1 in einem Bereich von ± 100 mA. Die Ausgangsspannung Vout hat einen Wert, der über eine Verstärkungsschaltung mit einem verstärkenden Effekt ausgegeben wird, und zum klaren Verständnis des Effekts der vorliegenden Erfindung ist die Ausgabe in der Nähe vengrößert, wo der Gleichstrom I des Leitungsdrahts 1 ± 10 mA beträgt.
Wie sich aus dem obigen Meßergebnis ergibt, ist gemäß dem vorliegenden Gleichstromsensor, selbst wenn der Detektierungskern unterteilt werden kann, eine auf einen entgegengesetzten Strom zurückzuführende Fehlerausgabe sehr klein und selbst um einen mikroskopischen Strom von 10 mA kann die Messung bei einem S-R-Verhältnis von 10 oder mehr bewirkt werden und die empfindliche Messung ist möglich.
Beispiel 2
Die Kernbaugruppe der Ausführungsform von 4 wurde verwendet. Nach dem Wickeln eines Vinyl-Isolationsschutzbands um die benachbarten Abschnitte der rechteckigen zylindrischen Erregungskernglieder herum wurde ein Draht mit einem Außendurchmesser von 0,3 mm mit 15 Windungen gewickelt, um die Erregungskerne 5a, 5b zu erhalten, die über eine vorbestimmte Phasenschaltung an eine Stromquelle angeschlossen wurden, so daß ein Erregungsstrom mit der Phasendifferenz von 90° an die Erregungsspulen 5a, 5b angelegt wird.
Nach dem Wickeln des Vinyl-Isolationsschutzbands um die Erregungskernglieder, die über die Detektierungskernglieder 21a, 21b gegenüber angeordnet sind, wurde der Draht mit einem Außendurchmesser von 0,1 mm mit 150 Windungen gewickelt, um die Detektierungsspulen 3a, 3b zu erhalten, die in Reihe in einer negativen Phase geschaltet waren.
Die Detektierungsspulen 3a, 3b wurden mit einer vorbestimmten Filterschaltung kombiniert, um eine übliche Modulationsspule zu verwenden.
Auf diese Weise wurde der in 4 gezeigte Gleichstromsensor fertiggestellt.
Dabei waren die Detektierungskernglieder 2a, 2b, die den Gleichstromsensor darstellen, in einem Körper um den Leitungsdraht 1 mit einem Außendurchmesser von 8 mm, der aus einer Vinylbeschichtung bestand, angeordnet und angeschlossen und schließlich wurde der Leitungsdraht 1 durch den Detektierungskern 2 angeordnet.
Als Ergebnis der Messung von Ausgabeänderungen nach dem Entfernen einer Wechselstromkomponente von 11 Hz durch ein Tiefpaßfilter in einer elektromotorischen Kraft (Ausgabe) Vout aus der Detektierungsspule 3 heraus, ausgegeben über eine Phasenvergleichsschaltung, wenn Wechselstrom-Anlegemittel angeordnet sind, worin ein Oszillator angeordnet ist, der einen Erregungsstrom mit einer Frequenz mit dem Doppelten des schließlich an eine Erregungsspulen 5a, 5b angelegten Erregungsstroms die erzeugt, die Phasenvergleichsschaltung und dergleichen an den Erregungsspulen 5a, 5b und Detektierungsspulen 3a, 3b als den vorliegenden Gleichstromsensor, Anlegen des Anregungstroms (Wechselstroms) mit f = 3,5 kHz und 0,1 A an die Erregungsspulen 5a, 5b für die Phasendifferenz von 90°, Anlegen eines sinusförmigen Wechselstroms von 11 Hz und 1 mA (bei Spitze), damit die Detektierungsspulen 3a, 3b als die Modulationsspule des Oszillators fungieren können, und weiter Anlegen eines Gleichstroms I an den Leitungsdraht 1 in einem Bereich von 100 mA, wurde bestätigt, daß etwa das gleiche Meßergebnis wie das in 9 gezeigte erhalten werden kann.
Ähnlich dem in 1 gezeigten Gleichstromsensor ist auch bei dem Gleichstromsensor, der wie in 4 gezeigt aufgebaut ist, obwohl der Detektierungskern unterteilt werden kann, die auf den entgegengesetzten Strom zurückzuführende Fehlerausgabe sehr klein und die empfindliche Messung ist möglich.

Claims

Gleichstromsensor, der folgendes umfaßt: einen Detektierungskern (2), der mehrere Kernglieder aus weichmagnetischem Material umfaßt und so ausgebildet ist, daß er einen elektromagnetisch geschlossenen Kreis bereitstellt, der ausgelegt ist zum Umschließen eines Leitungsdrahts (1) zum Führen eines Gleichstromflusses, wobei der Sensor ausgelegt ist zum Detektieren des Flusses ohne Kontaktieren des Drahts (1); einen Erregungskern (4), der einen geschlossenen magnetischen Kreis definiert, der mit einem der Glieder des Detektierungskerns (2) verbunden ist, um eine Detektierungskernkreuzung senkrecht zur Umfangsrichtung der Detektierungskernglieder zu definieren; und eine Detektierungsspule (3); gekennzeichnet: dadurch, daß der Erregungskern zwei Paare von hohlen rechteckigen rohrförmigen Erregungskerngliedern (4a, 4b, 4c, 4d) aus weichmagnetischem Material umfaßt, wobei die Paare auf gegenüberliegenden Seiten des einen Detektierungskernglieds angeordnet sind; zwei Erregungsspulen (5a, 5b), die in entgegengesetzten Phasen angeschlossen sind und jeweils um benachbarte Abschnitte (51a, 51b, 51c, 51d) eines jeweiligen einen der Paare der Erregungskernglieder (4a, 4b, 4c, 4d) gewickelt sind, wobei die Spulen Erregungsströme entgegengesetzter Phase führen, um dadurch einen Abschnitt des einen der Detektierungskernglieder (2a, 2b) durch einen Magnetfluß senkrecht zum Magnetfluß (Φ₀) magnetisch zu sättigen, der in der Umfangsrichtung verläuft und von dem durch den Leitungsdraht (1) fließenden Strom erzeugt wird, und um den magnetischen Weg des Magnetflusses in der Umfangsrichtung periodisch zu unterbrechen, und dadurch, daß die Detektierungsspule (3) um das eine Glied des Detektierungskerns (2) und auch um die Erregungskernglieder (4a, 4b, 4c, 4d) senkrecht zu den Erregerspulen auf torusförmige Weise gewickelt sind; und eine Modulationsspule (43), die in der gleichen Richtung wie die Detektierungsspule um das eine Detektierungskernglied gewickelt ist; wobei der Detektierungskern (2): rechteckig rahmenförmig ist und durch mehrere Kernglieder (2a, 2b) dargestellt wird, die so miteinander verbunden sind, daß mindestens eine Stelle der Glieder (2a, 2b) in Umfangsrichtung gelöst werden kann, um das Einführen des Leitungsdrahts (1) zu gestatten, der danach von dem Kern (2) umschlossen wird.
Gleichstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektierungskern (2) ein Detektierungskernglied (2a) umfaßt, das ausgebildet wird durch Verbinden eines Paars von I-förmigen Detektierungskerngliedern (21a, 21b) durch einen Abschnitt (52a, 52b, 52c, 52d) des Erregungskerns (4), und der Kern (2) weiterhin ein in einer U-Form vorgeformtes Detektierungskernglied (2b) umfaßt.
Gleichstromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektierungskernglieder (2a, 2b) an einem Ende (90) angelenkt sind und die Glieder an dem anderen Ende einander lösbar in Eingriff nehmen.
Gleichstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abgleichsschaltung (70) vorgesehen ist zum Abgleichen des an die Erregungsspulen (5a, 5b) angelegten Erregungsstroms.
Gleichstromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektierungskern (2) und der Erregungskern (4) aus Permalloy ausgebildet sind.
Gleichstromsensor, der folgendes umfaßt: einen Detektierungskern (2), der mehrere Kernglieder aus weichmagnetischem Material umfaßt und so ausgebildet ist, daß er einen elektromagnetisch geschlossenen Kreis bereitstellt, der ausgelegt ist zum Umschließen eines Leitungsdrahts (1) zum Führen eines Gleichstromflusses, wobei der Sensor ausgelegt ist zum Detektieren des Flusses ohne Kontaktieren des Drahts (1); einen Erregungskern (4), der einen geschlossenen magnetischen Kreis definiert, der mit einem der Glieder des Detektierungskerns (2) verbunden ist, um eine Detektierungskernkreuzung senkrecht zur Umfangsrichtung der Detektierungskernglieder zu definieren; gekennzeichnet: dadurch, daß der Erregungskern zwei Paare von hohlen rechteckigen rohrförmigen Erregungskerngliedern (4a, 4b, 4c, 4d) aus weichmagnetischem Material umfaßt, wobei die Paare auf gegenüberliegenden Seiten des einen Detektierungskernglieds angeordnet sind; zwei Erregungsspulen (5a, 5b), die mit Erregungsströmen mit einer relativen Phasendifferenz von 90 Grad bestromt werden und jeweils um benachbarte Abschnitte (51a, 51b, 51c, 51d) von assoziierten Kerngliedern eines jeweiligen Paars der Erregungskernglieder (4a, 4b, 4c, 4d) gewickelt sind, um dadurch einen Abschnitt des einen der Detektierungskernglieder (2a, 2b) durch einen Magnetfluß senkrecht zum Magnetfluß (Φ₀) magnetisch zu sättigen, der in der Umfangsrichtung verläuft und von dem durch den Leitungsdraht (1) fließenden Strom erzeugt wird, und um den magnetischen Weg des Magnetflusses in der Umfangsrichtung periodisch zu unterbrechen, und zwei Detektierungsspulen (3a, 3b), die jeweils um ein jeweiliges der Paare der Erregungskernglieder (4a, 4b, 4c, 4d) senkrecht zu den Erregerspulen auf torusförmige Weise gewickelt sind; wobei der Detektierungskern rechteckig rahmenförmig ist und durch mehrere Kernglieder (2a, 2b) dargestellt wird, die so miteinander verbunden sind, daß die Glieder (2a, 2b) mindestens an einer Stelle in Umfangsrichtung gelöst werden können, um das Einführen des Leitungsdrahts (1) zu gestatten, der danach von dem Kern (2) umschlossen wird, und eine Modulationsspule (43), die in der gleichen Richtung wie die Detektierungsspulen um das eine Detektierungskernglied gewickelt ist.
Gleichstromsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektierungskern (2) ein Detektierungskernglied (2a) umfaßt, das ausgebildet wird durch Verbinden eines Paars von I-förmigen Detektierungskerngliedern (21a, 21b) durch einen Abschnitt (52a, 52b, 52c, 52d) des Erregungskerns (4), und der Kern (2) weiterhin ein in einer U-Form vorgeformtes Detektierungskernglied (2b) umfaßt.
Gleichstromsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektierungskernglieder (2a, 2b) an einem Ende (90) angelenkt sind und die Glieder an dem anderen Ende einander lösbar in Eingriff nehmen.
Gleichstromsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine 90°-Phase-Schaltung (71) zwischen den Erregungsspulen (5a, 5b) angeordnet ist.
Gleichstromsensor nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektierungskern (2) und der Erregungskern (4) aus Permalloy ausgebildet sind.