ES2545227T3 - Sensores - Google Patents

Abstract

El sensor (10) de corriente que comprende un volumen de detección formado por: un primer componente (11) que comprende una pluralidad de bobinas (88), en donde: cada bobina comprende una o más vueltas (87) impresas sobre por lo menos una superficie plana de un sustrato respectivo, y los planos de las bobinas son paralelos entre sí y son perpendiculares a un eje longitudinal del primer componente; y un segundo componente (12, 13, 14; 201; 402) que comprende material magnético blando, por ejemplo una ferrita, y que tiene primeras y segundas caras planas que están en extremos opuestos del primer componente y se disponen perpendicularmente a y se intersecan por el eje longitudinal del primer componente.

Description

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DESCRIPCIÓN

Sensores

Esta invención se relaciona con sensores de corriente.

Se conocen bien los sensores de corriente. Se puede utilizar un sensor de corriente para medir la corriente en un conductor a través del cual el flujo de corriente es tan alto que la aplicación directa de instrumentos de medición es indeseable o imposible.

Una forma bien conocida de sensor de corriente es una bobina Rogowski. Esta comprende normalmente un toroide de alambre enrollado alrededor de un núcleo no magnético que encierra el conductor de interés. Una bobina Rogowski correctamente formada, con bobinados igualmente separados y una forma regular, es muy insensible a campos magnéticos externos mientras que es sensible a campos magnéticos generados por el conductor encerrado. Sin embargo, puede ser difícil lograr bobinas Rogowski correctamente formadas, especialmente si requieren estar configuradas de tal manera que se puedan retroadaptar alrededor de un conductor de interés.

Se ha propuesto una serie de sensores con base en el principio de Rogowski pero ausentes de bobinas toroidales. El documento US 5521572 describe un sensor que se incluye dentro de un medidor de electricidad e incluye material para definir dos espacios de aire en los que se ubican bobinas secundarias. El documento US 6313727 describe un sensor que es retroadaptable en un sistema de tres fases e incluye bobinas de detección helicoidales con barras de baja coercividad. El documento US 5617019 describe un sensor que se diseña para adaptar una barra de distribución y no es retroadaptable. La mayoría de las realizaciones incorporan protección, para mejorar el rechazo de campos externos. Todos los tres describen circuitos magnéticos con una bobina de detección en un espacio de aire entre dos componentes magnéticos blandos. El documento US2003/112000 describe un sensor con bobinas separadas alrededor de un círculo. El documento US2004183522 detecta corriente en una línea de potencia.

Sentec Limited ha producido una serie de diferentes sensores con base en el principio del sensor de Rogowski pero utilizando bobinas impresas en tarjetas de circuitos, que simplifican la fabricación y mejoran la exactitud del producto fabricado. Ejemplos incluyen los documentos US 6414475 y WO 2011/018530. Un ejemplo de un sensor fácilmente retroadaptable que incorpora bobinas impresas en tarjetas de circuitos es el documento WO 2011/018533.

El diseño del sensor incorpora muchas consideraciones, que incluyen facilidad y coste de fabricación, sensibilidad a los campos externos, uniformidad de sensibilidad dentro de una zona de detección y dimensiones físicas. Algunos de los sensores con el mejor desempeño son muy grandes para ser acomodados fácilmente en algunos ambientes, un ejemplo de los cuales es una subestación de electricidad en la que los conductores de interés se empacan muy de cerca entre sí dentro de un gabinete u otro contenedor.

La invención se hace en este contexto.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención se proporciona un sensor que comprende: un primer componente que comprende una pluralidad de bobinas, en donde: cada bobina comprende uno o más vueltas impresas en por lo menos una superficie plana de un sustrato respectivo, y los planos de las bobinas son paralelos entre sí y son perpendiculares a un eje longitudinal del primer componente; y un segundo componente que comprende material magnético blando y que tiene primeras y segundas caras planas que están en extremos opuestos del primer componente y se disponen perpendicularmente a y se intersecan por el eje longitudinal del primer componente.

El segundo componente puede comprender solo material magnético blando o puede incluir otros componentes. En algunas realizaciones, el segundo componente comprende uno o más de otros componentes que incluyen bobinas. En las realizaciones, los componentes que incluyen bobinas no tienen material magnético.

Una separación entre bobinas adyacentes puede ser aproximadamente igual para todas las bobinas del primer componente. La separación puede ser exactamente igual. Las separaciones en su lugar pueden variar, a un costo de desempeño reducido.

Las bobinas del primer componente cada una pueden incluir el mismo número de vueltas y tener la misma área sobre el sustrato. En su lugar pueden ser diferentes y de hecho esto se puede preferir si no se puede lograr la separación de bobina regular.

El segundo componente puede comprender un componente magnético blando con forma de U y la primera y segunda caras pueden ser caras paralelas dentro de la boca de la U. Aquí, el segundo componente se puede separar del primer

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componente con el propósito de permitir que un conductor se introduzca en la U antes que el segundo componente se ponga dentro de la boca de la U del segundo componente. Alternativamente o adicionalmente, una separación entre bobinas adyacentes puede ser aproximadamente igual para todas las bobinas del primer componente y una separación entre una bobina más cerca al primer extremo y la primera cara de contacto puede ser sustancialmente igual a una separación entre

5 una bobina más cerca al segundo extremo y la segunda cara de contacto y puede ser igual o aproximadamente igual a la mitad de la separación entre bobinas adyacentes.

Aunque se proporciona una disposición óptima, se puede proporcionar en su lugar separación irregular, en cuyo caso se pueden mitigar los efectos de la separación irregular al variar el producto de área de vuelta sobre los productos apropiados

10 de los sustratos.

El sensor puede comprender medios para provocar que el segundo componente se mantenga dentro de la boca de la U del segundo componente.

15 El segundo componente también puede incluir un tercer componente que comprende una pluralidad de bobinas, en donde: cada bobina del tercer componente comprende una o más vueltas impresas sobre por lo menos una superficie plana de un sustrato respectivo, y las bobinas del tercer componente son paralelas entre sí y se posicionan sobre un eje longitudinal del tercer componente; y en donde el segundo componente comprende terceras y cuartas caras planas que se disponen perpendicularmente a y se intersecan por el eje longitudinal del tercer componente.

20 Aquí, el segundo componente puede comprender primeros y segundos componentes con forma de I, el primer componente con forma de I incluye la primera y tercera caras y el segundo componente con forma de I incluye la segunda y cuarta caras.

Una separación entre las bobinas adyacentes puede ser aproximadamente igual para todas las bobinas del primero y tercer

25 componentes y en donde una separación entre una bobina más cerca al primer extremo del primer componente y la primera cara es igual que una separación entre una bobina más cerca al segundo extremo del primer componente y la segunda cara, que es igual que una separación entre una bobina más cerca al primer extremo del tercer componente y la tercera cara y es igual que una separación entre una bobina más cerca al segundo extremo del tercer componente y la cuarta cara, y es aproximadamente la mitad de la separación entre bobinas adyacentes.

30 Aunque se proporciona una disposición óptima, se puede proporcionar en su lugar separación irregular, en cuyo caso los efectos de separación irregular se pueden mitigar al variar el producto de área de vuelta sobre los productos apropiados de los sustratos.

35 El segundo componente puede comprender uno o más componentes adicionales cada uno incluye una pluralidad de bobinas, en donde: cada bobina de cada componente adicional comprende una o más vueltas impresas sobre por lo menos una superficie plana de un sustrato respectivo, y las bobinas de cada componente adicional son paralelas entre sí y se posicionan sobre un eje longitudinal del componente adicional.

40 Los sustratos adyacentes se pueden separar mecánicamente mediante separadores.

Un sustrato de extremo en el primer componente se puede separar del primer componente mediante un separador.

El sensor puede comprender una tarjeta de circuitos configurada para conectar las bobinas en un circuito.

45 El sensor puede comprender uno o más componentes de protección configurados para por lo menos rodear parcialmente el primer componente y, si está presente, el tercer componente.

El sensor puede comprender un conductor que lleva corriente que se extiende a través de una parte central del sensor.

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El material magnético blando puede ser una ferrita.

Cada bobina puede comprender una o más vueltas impresas sobre por lo menos dos superficies paralelas de un sustrato respectivo.

55 El primer componente puede comprender primeras y segundas bobinas impresas respectivamente sobre la primera y segunda superficies paralelas de un primer sustrato. Aquí, el segundo componente también pueden incluir un tercer componente que comprende terceras y cuartas bobinas impresas sobre la primera y segunda superficies paralelas de un segundo sustrato respectivamente, en donde las bobinas del tercer componente son paralelas entre sí y se posicionan sobre

60 un eje longitudinal del tercer componente; y en donde el segundo componente comprende terceras y cuartas caras planas que se disponen perpendicularmente y se intersecan por el eje longitudinal del tercer componente. El primer y segundo

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sustratos pueden tener el mismo espesor y una separación de la tercera bobina y el cuarto componente puede ser igual que una separación entre la primera bobina y el segundo componente.

El primero y tercer componentes se pueden formar de una única tarjeta de circuitos impresa de múltiples capas que han 5 formado allí una ranura o corte configurado para recibir un conductor.

El sensor puede contener una carcasa de aislamiento y/o resistente a la intemperie.

Las realizaciones de la invención ahora se describirán, por vía de ejemplo, con referencia a los dibujos que acompañan en 10 los que:

La Figura 1 es una vista en perspectiva de una primera realización de un sensor de acuerdo con la invención;

La Figura 2 es una vista de extremo y lateral del primer sensor incorporado;

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La Figura 3 es una vista en perspectiva de una parte formadora de una pila de bobinas del primer sensor incorporado;

Las Figuras 4a y 4b son vistas de diferentes lados de una tarjeta de circuitos impresa que hace parte del primer sensor incorporado;

20 La Figura 5 es una vista en perspectiva del primer sensor incorporado con una tarjeta de circuitos impresa de conexión y latas de protección en el lugar;

La Figura 6 es una vista en perspectiva de una segunda realización de un sensor de acuerdo con la presente invención en 25 una posición cerrada;

Las Figuras 7a y 7b son vistas de extremo y laterales del segundo sensor incorporado;

La Figura 8 es una vista en perspectiva del segundo sensor incorporado en una posición abierta;

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La Figura 9 es una vista lateral de un sensor de acuerdo con una tercera realización de la invención;

La Figura 10 es una vista lateral de un sensor de acuerdo con una cuarta realización de la invención;

35 La Figura 11 es una vista lateral de un sensor de acuerdo con una quinta realización de la invención;

Las Figuras 12a, 12b y 12c muestran una tarjeta de circuitos impresa por los dos lados que proporciona una pila de bobinas que se utiliza en algunas realizaciones de la invención;

40 La Figura 13 es una vista en perspectiva de un sensor de acuerdo con una sexta realización; y

Las Figuras 14a a 14d representan diferentes aspectos de un sensor de acuerdo con una séptima realización de la invención.

45 Un sensor 10 de acuerdo con una primera realización de la invención ahora se describirá con referencia a las Figuras 1 a 5.

Como se puede ver en la Figura 1, un sensor 10 incluye primer y segundo componentes 11, 12, cada uno incluye una pluralidad de bobinas, y el tercer y cuarto componentes 13, 14, cada uno comprende material magnético blando. El primer y segundo componentes 11, 12 se denominará en lo sucesivo como pilas de bobinas. El tercer y cuarto componentes 13, 14,

50 se denominarán en lo sucesivo como barras magnéticas blandas o solo barras magnéticas. Las barras magnéticas se forman de un material con baja coercividad. El hierro es un material adecuado, aunque también son adecuados otros materiales. El material puede ser una ferrita. El material puede ser por ejemplo una aleación de Níquel. El material por ejemplo puede ser acero eléctrico laminado. Aquí, los laminados se encuentran preferiblemente en el plano perpendicular al eje del conductor que es el objeto de medición, por ejemplo el plano de la Figura 2b.

55 Cada una de las pilas 11, 12 de bobinas incluye una serie de tarjetas 15 de circuitos, cada una de las cuales tiene impreso sobre ellas una serie de bobinas, y una serie de separadores 16 entre las tarjetas de circuitos.

Como se puede observar mejor de las Figuras 2a y 2b, la primera pila 11 de bobinas incluye primera a sexta tarjetas 27 a 32

60 de circuitos y primero a séptimo separadores 20 a 26. El segundo separador 21 se ubica entre la primera y segunda tarjetas 27, 28 de circuitos, y así sucesivamente. El primer separador 20 se ubica en el extremo más superior de la primera pila 11

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de bobinas y su cara más inferior limita con la superficie más superior de la primera tarjeta 27 de circuitos. El sexto separador 26 se ubica en el extremo más inferior de la pila 11 de bobinas y su cara más superior limita con la cara más inferior de la tarjeta 32 de circuitos. Una cara 31 de extremo o más superior del sexto separador 26 es paralela a una cara 43 de extremo o más superior del primer separador 20 y es perpendicular a un eje longitudinal de la primera pila 11 de bobinas.

En esta realización, las tarjetas 27 a 32 de circuitos son relativamente delgadas y los separadores 20 a 26 son relativamente gruesos comparados con las tarjetas de circuitos. Cada una de las tarjetas 27 a 32 de circuitos tiene forma sustancialmente rectangular. Cada una tiene el mismo tamaño como todas las otras tarjetas de circuitos de la primera pila 11 de bobinas. Cada uno de los separadores 20 a 26 también es rectangular. Los separadores 20 a 26 son iguales entre sí excepto que el primer y sexto separadores 20, 26 son más delgados que el segundo a quinto separadores 21 a 25, como se describe en más detalle adelante. Las dimensiones de los separadores 20 a 26 aparte del espesor de los separadores son aproximadamente iguales que las dimensiones de las tarjetas 27 a 32 de circuitos. Más aún, los separadores 20 a 26 y las tarjetas 27 a 32 de circuitos se acoplan entre sí, por ejemplo mediante pegado. Se proporciona acoplamiento mientras que los separadores 20 a 26 y las tarjetas 27 a 32 de circuitos están en alineación, ya que la forma general de la primera pila 11 de bobinas es un cubo rectangular. En razón a que el segundo a quinto separadores 21 a 25 cada uno tiene el mismo espesor, la separación entre los separadores adyacentes de la primera a quinta tarjetas 27 a 32 de circuitos es igual.

La función principal de los separadores 20 a 26 es mantener las tarjetas 27 a 32 de circuitos impresas en la separación deseada y como tal los separadores en su lugar pueden tomar alguna otra forma sin comprometer el sensor 10.

La Figura 3 es una vista alternativa de la primera pila 11 de bobinas. Aquí, el primer separador 20 se omite de la Figura, permitiendo que la superficie más superior de la primera tarjeta 27 de circuitos sea visible.

Como se puede observar más claramente en la Figura 3, cada una de las tarjetas 27 a 32 de circuitos se proporciona con una serie de lengüetas en tres de sus bordes. En particular, sobre el borde que se orienta externamente (hacia la izquierda en la Figura 2b), las primeras y segundas lengüetas 80 y 81 se proporcionan aproximadamente un cuarto y tres cuartos de la distancia a lo largo del borde de la tarjeta de circuitos. Las lengüetas 85, 86 se proporcionan en ubicaciones correspondientes en el lado opuesto de cada tarjeta 27 a 32 de circuitos. Sobre el borde de las tarjetas 27 a 32 de circuitos que se observan se orientan en la Figura 2b, tres son lengüetas, referenciadas como 82, 83 y 84. La lengüeta 83 se forma aproximadamente centralmente a lo largo del borde de la tarjeta de circuitos y las lengüetas 82 y 84 se ubican en cualquier lado. Entre la lengüeta 83 central y cada una de las lengüetas 82 y 84 se forman espacios.

El propósito de las lengüetas 82 a 86 se describe en más detalle adelante.

Con referencia de nuevo a las Figuras 1 y 2, se observará que la segunda pila 12 de bobinas tiene forma idéntica a la primera pila 11 de bobinas. La segunda pila 12 de bobinas incluye primera a sexta tarjetas 57 a 62 de circuitos y primero a séptimo separadores 50 a 56, que corresponde a las tarjetas 27 a 32 de circuitos en los separadores 20 a 26 de la primera pila 11 respectivamente.

En el extremo más inferior de la segunda pila 12 de bobinas hay una cara 71 que es paralela a una cara 73 en el extremo más superior de la segunda pila 12 de bobinas. Ambas caras son perpendiculares a un eje longitudinal de la segunda pila 12 de bobinas.

La primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas se alinean de tal manera que las caras 43, 73 más superiores de la primera y segunda pila de bobinas respectivamente se forman en un plano común. De forma similar, las caras 41, 71 más inferiores, de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas respectivamente están también en un plano común.

La primera y segunda barras 13, 14 magnéticas cada una tienen de manera general la forma de un cubo rectangular. Sin embargo, cada una de las barras 13,14 magnéticas blandas se bisela a lo largo de los dos bordes de la misma.

En una cara de la primera barra 13 magnética blanda, que se orienta hacia abajo en la Figura 2, hay una cara 42 que limita con la cara de extremo más superior de 43 de la primera pila 11 de bobinas. También incluye una cara 72 que limita con la cara 73 de extremo más superior de la segunda pila 12 de bobinas.

De forma similar, la segunda barra 14 magnética blanda tiene sobre la cara que se orienta más superior en la Figura 2 una cara 40 que limita con la cara 41 de extremo más inferior de la primera pila de bobinas y una cara 70 que limita con la cara 71 más inferior de la segunda pila 12 de bobinas.

La forma de cubo de cada barra 13, 14 tiene tres dimensiones. Una dimensión de altura se extiende en la misma dirección que los ejes longitudinales de las pilas 11, 12 de bobinas. Los extremos de la dimensión de longitud de las barras 13, 14

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magnéticas se alinean sustancialmente con la sección cruzada de las pilas 11, 12 de bobinas. La dimensión de ancho de las barras 13, 14 magnéticas es generalmente igual que la dimensión correspondiente de las pilas 11, 12 de bobinas. Como tal, las barras 13, 14 magnéticas blandas y las pilas 11, 12 de bobinas juntas proporcionan un anillo generalmente rectangular.

El biselado de la primera y segunda barras 13, 14 magnéticas blandas se proporciona en los extremos de las barras pero sobre el lado opuesto a la cara de la barra que contacta la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas. Esto proporciona algún redondeado de la forma de anillo rectangular sin reducir la corriente máxima antes de saturación de las barras 13, 14 magnéticas.

En razón a que los separadores 20 a 26 de la primera pila 11 de bobinas son de espesor uniforme, las tarjetas 27 a 32 de circuitos se posicionan sobre un eje recto común. Más aún, en razón a que el primer y segundo separadores 20 a 26 son de espesor uniforme, los ejes longitudinales y las caras 42, 72 de las barras 13, 14 magnéticas se forman en ángulos rectos al eje longitudinal de la primera pila 11 de bobinas y paralelo a los planos de las tarjetas 27 a 32 de circuitos.

Lo mismo aplica a la segunda pila 12 de bobinas y la segunda barra 14 magnética, por virtud de las disposiciones de los separadores 50 a 56 y la disposición resultante de las tarjetas 57 a 62 de circuitos.

La primera barra 13 magnética es operable para concentrar el campo magnético presente en el extremo más superior de la primera pila 11 de bobinas y para enlazarlo directamente a la cara 73 más superior de la segunda pila 12 de bobinas. De forma similar, la segunda barra 14 magnética blanda se concentra en campos magnéticos entre el extremo 41 más inferior de la primera pila 11 de bobinas y el extremo 71 más inferior de la segunda pila 12 de bobinas.

En razón a que la caras 40, 42, 70, 72 de la primera y segunda barras 13, 14 magnéticas blandas son perpendiculares a los ejes longitudinales de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas, y los espacios de extremo son la mitad de los espacios intermedios, (o igual en el caso de una única tarjeta de doble lado) el sensor 10 se puede considerar que es equivalente a un solenoide infinito. Esto se discute en más detalle adelante.

Cada tarjeta 27 a 32 de circuitos impresa ha formado en esta una bobina que tiene una pluralidad de vueltas.

La Figura 4 ilustra la formación de patrones de superficie sobre las tarjetas 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresas. Sobre una superficie de la misma, se proporciona el patrón mostrado en la Figura 4a. Se observará que esto comprende una pluralidad de vueltas 87 de una bobina 88 entre los extremos más internos y más externos. En el otro lado de la tarjeta 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresa, mostrada en la Figura 4b, una pluralidad de vueltas 87 de la bobina 88 se extienden entre los extremos más internos y más externos. Aunque la dirección de la bobina 88 parece estar en diferentes lados a la tarjeta de circuitos impresa, en razón a las Figuras 4a y 4b en diferentes vistas, las vueltas están realmente en la misma dirección. Sin embargo, las vueltas en cada lado de la tarjeta de circuitos impresa son constructivas entre sí.

Una vía a través de la tarjeta 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresa conecta el extremo más interno de la formación de patrones en cada lado. Como tal, se forma una única bobina 88 entre el extremo más externo sobre un lado de la tarjeta 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresa y el extremo más superior del otro lado de la tarjeta de circuitos impresa. El número de vueltas de la bobina 88 es igual a la suma del número de vueltas en cada lado de la tarjeta 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresa.

En este ejemplo, las vueltas 87 tienen forma de manera general rectangular. Esto permite que las vueltas 87 tengan un gran diámetro con respecto al tamaño de la tarjeta 27 a 32 de circuitos impresa.

Las tarjetas de circuitos impresas 27 a 32 y 57 a 62 se pueden hacer de FR4, por ejemplo.

Las bobinas de las dos pilas 11, 12 de bobinas se conectan en direcciones opuestas, es decir en dirección horaria y antihoraria en la otra dirección cuando se ve desde arriba. Como tal, se conectan en la misma dirección en el sentido de un circuito que comprende las bobinas y las barras 1, 14 magnéticas.

Las bobinas de la tarjeta 27 a 32 a 57 a 62 de circuitos impresa se conectan juntas en serie por un circuito proporcionado en una tarjeta de circuitos 90 adicional, que se observa mejor en la Figura 5. La tarjeta 90 de circuitos es una tarjeta delgada, flexible.

También se muestran en la Figura 5 primeras a cuatro latas 91 a 94 de protección. Estas comprenden placas metálicas perforadas. Cada lata 91 a 94 de protección incluye ranuras que se configuran para recibir las lengüetas 80, 81, 85 y 86 proporcionadas sobre las tarjetas 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresas. Las ranuras en las latas 91 a 94 de protección enganchan con las lengüetas 80, 81, 85 y 86 y resultan en las latas 91 a 94 de protección que se aseguran a las pilas 11,12 de bobinas.

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Las latas 91 a 94 de protección cada una protegen toda la cara principal de una de las pilas 11, 12 de bobinas. Las caras frontal y de respaldo de las pilas 11, 12 de bobinas no se protegen en esta realización.

Un efecto de la lata 91 a 94 de protección es retirar el acoplamiento electrostático desde dentro de y sin el volumen de detección. Si el material conductor relativamente grueso, por ejemplo 0.3 mm de berilio, cobre o latón, se utiliza para el estuche 91 a 94 de protección, no es útil para completar una vuelta acortada alrededor de las pilas 11, 12 de bobinas si se desea respuesta harmónica exacta (por ejemplo a 5 kHz y más allá).

Parte de la razón para que el sensor 10 sea equivalente a un solenoide infinito es la elección del espesor de separador. En particular, el espesor del primer separador 20 de la primera pila 11 de bobinas y el espesor del primer separador 50 de la segunda pila 12 de bobinas se seleccionan de tal manera que la suma de los espesores es igual al espesor del segundo a quinto separadores 21 a 25 y 51 a 55 de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas. La presencia de la primera barra 13 magnética que conecta la cara 43 de extremo del primer separador 20 de la primera pila 11 de bobinas a la cara 73 del primer separador 50 de la segunda pila 12 de bobinas tiene el efecto que, magnéticamente, la distancia entre la primera tarjeta 27 de circuitos impresa de la primera pila 11 de bobinas y la primera tarjeta 57 de circuitos impresa de la segunda pila 12 de bobinas es igual a la separación entre las tarjetas de circuitos impresas adyacentes en la primera y segunda pilas de bobinas. Como tal, la segunda pila 12 de bobinas parece, magnéticamente, como una extensión de la primera pila 11 de bobinas.

En razón a que el sexto separador 26 de la primera pila 11 de bobinas y el sexto separador 56 de la segunda pila 12 de bobinas tienen espesor igual y el espesor de cada uno es igual a la mitad del espesor del segundo a quinto separadores 21 a 25 y 51 a 55 de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas y en razón a que la segunda barra 14 magnética conecta directamente la cara 41 de extremo del sexto separador 26 de la primera pila de bobinas a la cara 71 de extremo del sexto separador 56 de la segunda pila 12 de bobinas, el mismo efecto se experimenta en el extremo más inferior de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas. Como tal, la primera pila 11 de bobinas se puede considerar que es una continuación de la segunda pila 12 de bobinas también en el otro extremo. Esto contribuye al efecto de solenoide infinito.

En las realizaciones descritas anteriormente, cada una de las tarjetas 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresas es sustancialmente idéntica. Como tal, cada una de las tarjetas de circuitos impresas tiene el mismo número de vueltas de bobina y el mismo radio de vuelta promedio. También, la separación entre tarjetas de circuitos impresas adyacentes es igual para todas las tarjetas de circuitos, que es igual que la separación efectiva entre tarjetas de circuitos impresas que una separada por una de la primera y segunda barras 13, 14 magnéticas, Esta disposición altamente simétrica tiene una serie de ventajas. Una ventaja es facilidad de fabricación. En particular, solo se requiere un diseño de tarjeta de circuitos y solo se requieren dos diseños de separadores. Otra ventaja es la sensibilidad, que esta disposición altamente regular tiene una sensibilidad uniforme en campos magnéticos que se originan dentro del volumen definido por el sensor 10 mientras se proporciona buen rechazo de campos magnéticos externamente aplicados. Sin embargo, se preverán disposiciones alternativas por el experto. Muchas alternativas tienen casi tan buen rendimiento, aunque pueden ser de mayor complejidad y de esta forma son más costosos de fabricar.

Los separadores 20 a 26 y 50 a 56 se hacen de un material no magnético. Por ejemplo, los separadores 20 a 26 y 50 a 56 se hacen de un policarbonato. Las tarjetas 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresas también se hacen de materiales no magnéticos. Las latas 91 a 96 de protección también se hacen de materiales no magnéticos. Como tal, las pilas 11, 12 de bobinas no tienen material magnético. Las pilas 11, 12 de bobinas constituyen espacios de aire entre las barras magnéticas blandas.

Las dimensiones de componentes de un prototipo del sensor 10 construido por los inventores se proporcionarán ahora con propósitos de ilustración. En el prototipo, las tarjetas de circuitos impresas tienen 0.4 mm de grueso, 10 mm de ancho y 25 mm de largo. El espesor del segundo al quinto separadores es 3.95 mm, dando una separación entre los centros de tarjetas de circuitos impresas adyacentes (teniendo en cuenta espesor de tarjeta) de 4.35 mm. La longitud general de cada pila 11, 12 de bobinas, que define la separación entre las superficies más internas de las barras magnéticas blandas, es 26 mm. Las barras 13, 14 magnéticas blandas tienen dimensiones de 27 mm de profundidad por 60 mm de largo y 9 mm de alto. Cuando las pilas 11, 12 de bobinas tienen en su lugar, la separación entre sus ejes longitudinales es 48 mm. Cada tarjeta de circuitos impresa se proporciona con 13 vueltas de bobina en cada lado. Considerando que existen seis tarjetas de circuitos impresas por los dos lados en cada pila 11, 12 de bobinas, cada pila de bobinas tiene 156 vueltas, aquí hay 312 vueltas en total. El área promedio de cada vuelta es 1.2 centímetros cuadrados (claramente diferentes vueltas sobre un lado dado de una tarjeta de circuitos impresa tiene áreas diferentes). La permeabilidad relativa inicial de las barras magnéticas blandas es aproximadamente 2000. La ferrita de potencia media con saturación a ~0.4 Tesla da una capacidad de manipulación de corriente que se acerca a 1000 Arms para el sensor 10.

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El sensor 10 es operable como un sensor tipo Rogowski. El sensor 10 es capaz de ser utilizado para medir corrientes que fluyen a través de un conductor que pasa en el volumen entre la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas y la primera y segunda barras 13, 14 magnéticas, que se denomina aquí como el volumen de detección.

La sensibilidad del sensor dentro del volumen de detección se determina por el producto de vueltas de área por metro de largo de las pilas 11, 12 de bobinas. Esto es una indicación generalmente aplicable y no solo aplica al sensor 10.

En el sensor 10 de prototipo denominado anteriormente, la sensibilidad teórica se calcula como sigue. La inductancia mutua entre la corriente medida y la bobina de detección se calcula como 6 (tarjetas de circuitos impresas en la pila de bobinas) * 26 (vueltas por tarjeta de circuitos impresa) * (0.00012 (área promedio de las vueltas)/0.026 (longitud de pila de bobinas)) * Uo (permeabilidad de vacío, 4pi10^-7, o ~1.25e-6) es 0.9 µH. Esto representa 0.9 micro voltios segundos por amperio. Multiplicar esto por la frecuencia angular proporciona sensibilidad en Voltios/amperios. Para 50 Hz (frecuencia principal en muchos países), la sensibilidad es 0.28m V/A.

Sin embargo, la sensibilidad real se reduce en dos factores pequeños, a saber la permeabilidad finita de las barras magnéticas blandas y debido a la superposición finita de las barras magnéticas blandas más allá de las pilas de bobinas. Se prevé por los inventores que la sensibilidad debido a la permeabilidad finita de las barras magnéticas se reduce entre 0.1 % y 1% y la reducción en la sensibilidad debido a la superposición finita de las barras magnéticas más allá de las pilas de bobinas (asumiendo espacios formados por separadores en el extremo de las pilas) está entre 0.05% y 0.5%. Por ejemplo, en el sensor 10 como se describe, la permeabilidad finita de las barras reduce la sensibilidad en ~0-4%. Como tal, si la permeabilidad se dobla (por ejemplo debido al aumento de la corriente y/o aumento de la temperatura), la ganancia del sensor aumentará en 0.2%.

La proyección limitada de la superficie plana de las barras 13, 14 magnéticas blandas más allá del contorno de las bobinas da una reducción de ganancia ~0.1%.

La reducción de ganancia debido a la permeabilidad se puede alterar al utilizar un material de permeabilidad diferente para las barras 13, 14 magnéticas blandas y/o seleccionar un espesor diferente para las barras magnéticas blandas. Por ejemplo, la reducción de ganancia debido a permeabilidad (0.4%) se puede reducir mediante un factor de 5 a ~0.08% al aumentar la permeabilidad de ferrita hasta 10,000 (por ejemplo al utilizar material Ferroxcube 3E6). La reducción en ganancia se puede reducir a la mitad de nuevo a 0.04% al doblar el espesor de las barras 13, 14 magnéticas blandas a ~16 mm.

La reducción en ganancia debido a la proyección limitada de las barras 13, 14 magnéticas blandas se puede reducir si se desea al aumentar la longitud y/o el ancho de las barras magnéticas. La reducción en la ganancia se puede reducir en una cantidad significativa al aumentar la longitud y ancho de las barras 13, 14 magnéticas como se describió anteriormente en unos pocos milímetros, aunque esto es a costa del aumento del tamaño general.

De manera general, el sensor es insensible al campo uniforme (los campos generados distantes del volumen de detección son uniformes en el sensor) dado que el sensor 10 se construye simétricamente. La sensibilidad del campo de gradiente se limita mediante la permeabilidad limitada de las barras magnéticas blandas. Para una permeabilidad dada, la más corta y la más gruesa son mejor. La sensibilidad normal del sensor 10 a una corriente externa que lleva el conductor inmediatamente adyacente al exterior del sensor es aproximadamente ~1/500 comparado con el conductor en el volumen de detección. La sensibilidad a dichos campos externamente generados se puede mejorar mediante aproximadamente diez veces al proporcionar las barras magnéticas con una permeabilidad de 10000 y aumenta el espesor de las barras magnéticas a aproximadamente 16mm de alto. Si se utiliza ferrita como el material blando, el aumento de la permeabilidad tiende a estar balanceada con menores valores máximos de inducción magnética antes de saturación; el espesor extra de las barras 13, 14 magnéticas proporciona capacidad extra mientras se mantiene buena capacidad de manipulación de corriente.

Como se mencionó anteriormente, la sensibilidad se da por producto de área de vuelta por unidad de longitud. Como tal, se puede aumentar la sensibilidad al proporcionar bobinas con mayores áreas, al proporcionar más vueltas en las bobinas, al proporcionar más capas de bobinas en cada tarjeta, y/o al reducir la separación entre tarjetas de circuitos impresas adyacentes. Reducir la separación entre las tarjetas adyacentes requiere primeros separadores 20, 50 más pequeños, que pueden proporcionar limitaciones cuando el sensor se proporciona en una carcasa que se puede abrir, como se discute adelante con referencia a la Figura 2.

En la descripción anterior, se describe cada tarjeta 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresa que comprende una bobina que gira en ambos lados de la tarjeta. Alternativamente, se puede considerar que las tarjetas 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresas comprenden dos bobinas, una en cada lado de la tarjeta. Aquí, cada bobina tiene 13 vueltas, aunque por supuesto el número total vueltas en la pila 11, 12 de bobinas no se cambia.

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En este caso, la distancia entre las dos bobinas en la tarjeta es igual al espesor de la tarjeta 27 a 32 y 57 a 62 de circuitos impresa. También, la distancia de una bobina a la siguiente bobina en la pila es igual al espesor del separador que separa la tarjeta de circuitos impresa adyacente. En este caso, las bobinas en cada pila 11, 12 de bobinas no se separan igualmente. En su lugar, la separación entre bobinas alternas entre el espesor del separador y el espesor de la tarjeta de circuitos impresa a lo largo de la longitud de la tarjeta de circuitos impresa.

Para permitir que el sensor 10 se utilice para medir el flujo de corriente en un conductor, el conductor se pasa en una dirección a través del plano de la página en la Figura 2b, o de izquierda a derecha, o vice versa, en la Figura 2a. Se apreciará que la corriente fluye a través de dicho conductor que resulta en líneas de campo magnético que forman círculos concéntricos alrededor del conductor, cuyas líneas de campo magnético por lo tanto se extienden a lo largo del eje de cada una de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas. Las barras 13, 14 magnéticas sirven para concentrar el campo magnético tal como para enfocar el campo a través de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas. Se entenderá que los sensores del tipo Rogowski no incluyen convencionalmente material magnético.

Existe una serie de diferentes opciones para proporcionar el sensor 10 alrededor de un conductor. En una primera opción, el sensor 10 permanece completo y el conductor se inserta en el agujero formado por la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas y primeras y segundas barras 13, 14 magnéticas. Con este método, sin embargo, el sensor 10 no es capaz de retroajustar un conductor que está in situ.

En una segunda opción, una vez las barras 13, 14 magnéticas, por ejemplo la primera barra 13 magnética, se separa de los extremos 43, 73 de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas. Una vez la primera barra 13 magnética se ha retirado, el conductor se puede insertar en el centro de la forma de U formado por la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas y la segunda barra 14 magnética. La primera barra 13 magnética luego se puede reconectar a las caras 43, 73 de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas, y se asegura en su lugar. El resultado de esto es que el conductor está contenido por la forma de los componentes 11 a 14 principales del sensor 10, es decir se extiende a través del volumen de detección.

Alternativamente, el sensor 10 se puede proporcionar en una carcasa que se construye con el propósito de permitir que el sensor 10 se retro ajuste en un conductor que se ubica in situ. Una segunda realización de un sensor 10, que se puede retro ajustar particularmente fácilmente, se muestra en las Figuras 6, 7 y 8, que ahora se describirán. El sensor 10 incluye todos los componentes del primer sensor 10 incorporado excepto los primeros separadores 20, 50. Se debe considerar que la descripción anterior del primer sensor incorporado se presenta en esta descripción a partir del segundo sensor incorporado pero se omite aquí por concisión y claridad.

El sensor 10 en esta segunda realización comprende dos partes principales. Se proporciona una parte 100 con forma de U con una compuerta 101. En la parte 100 con forma de U, como se muestra en las Figuras 1 a 5, también se puede presentar la tarjeta 90 de circuitos mostrada en la Figura 5. Alternativamente, se pueden proporcionar algunos otros medios para conectar las vueltas de las bobinas en las tarjetas de circuitos. La parte 100 con forma de U también puede incluir los componentes 91 a 94 de protección que se muestran en la Figura 5.

La compuerta 101 está articulada en un extremo hasta un extremo de la parte 100 con forma de U. El otro extremo de la compuerta 101 limita con el otro extremo de la parte 100 con forma de U pero no se asegura permanentemente a este. La conexión de bisagra entre la parte 100 con forma de U y la compuerta 101 permite que la compuerta se abra tal como para permitir que se inserte un conductor en el volumen de detección, que se define por la parte 100 con forma de U. Una vez el conductor está en su lugar, la compuerta 101 de nuevo se puede cerrar de tal manera que limita con cada uno de los dos extremos de la parte 100 con forma de U. La compuerta 101 incluye la primera barra 13 magnética, que actúa como un concentrador de campo magnético entre el extremo más superior de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas.

La compuerta 101 y la parte 100 con forma de U se configuran con el fin de permitir que el sensor 10 se fije semipermanentemente en la posición cerrada. Esto se puede lograr utilizando un clip elástico, por ejemplo. Esto permite que la compuerta pueda ser abierta por un usuario cuando lo necesite pero provoca que la compuerta permanezca cerrada de otra forma, incluso si se golpea o se somete a vibración.

Se muestra en la Figura 8 que la bisagra es tal que la compuerta 101 gira en el plano de la primera barra 13 magnética. Sin embargo, la compuerta 101 puede en cambio girar en alguna otra forma, por ejemplo alrededor de un eje que se extiende perpendicular, a diferencia de paralelo a, un eje de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas.

En la realización mostrada en las Figuras 6 a 8, un espacio entre las primeras 27, 57 tarjetas de circuitos impresas de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas y la barra 13 magnética se proporciona mediante el espesor del material de la parte 100 con forma de U en el extremo más superior de la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas y el espesor del material de la compuerta 101, que aloja la primera barra 13 magnética. La compuerta 101 y la parte 100 con forma de U se configuran de tal manera que la separación entre la primera tarjeta 27 de circuitos impresa de la primera pila 11 de bobinas

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y la barra 17 magnética y la separación entre la primera tarjeta 57 de circuitos impresa de la segunda pila de bobinas y barra 13 es igual, o aproximadamente igual, a la mitad de la separación entre tarjetas de circuitos impresas adyacentes en la primera pila 11 de bobinas. Esto se puede lograr, por ejemplo, al seleccionar el espesor del material que forma las partes de la parte con forma de U y la compuerta 101 que se posiciona entre la barra magnética y los extremos de las pilas 11, 12 de bobinas que corresponden a los espesores de los separadores 20, 50 de las Figuras 1 a 5 y que configuran la parte 100 con forma de U y la compuerta 101 de tal manera que los dos componentes están a tope cuando el sensor 10 está en la posición cerrada mostrada en la Figura 6.

Como se mencionó anteriormente, el sensor 10 proporciona el equivalente de un solenoide infinito. Las disposiciones alternas también pueden proporcionar el mismo efecto, y algunas dichas alternativas ahora se describirán con referencia a las Figuras 9, 10 y 11.

Con referencia primero a la Figura 9, se muestra una tercera realización de un sensor 200. Aquí el sensor 200 comprende un componente 201 magnético blando con forma de U y una única pila 202 de bobinas. La pila 202 de bobinas es muy similar a la primera y segunda pilas 11, 12 de bobinas de las realizaciones de las Figuras 1 a 5, y la descripción anterior de aquellas pilas de bobinas se debe considerar que hace parte de esta descripción de la tercera realización, aunque se omite aquí por claridad y concisión. Muy brevemente, la pila 202 de bobinas tiene una serie de tarjetas 209 de circuitos impresas que se separan mediante separadores 205 a 208. La pila 202 de bobinas se proporciona en su extremo con separadores 203 y 204 que son aproximadamente la mitad del espesor de los separadores 205 a 208 que se ubican entre las tarjetas 209 de circuitos impresas. Los separadores 203 a 208 y las tarjetas 209 de circuitos impresas se alinean de tal manera que la primera pila 202 de bobinas tiene una forma de cubo generalmente rectangular. Una cara 213 de extremo más superior del primer separador 203 es paralela a una cara 212 de extremo del separador 204 más inferior.

Una cara 210 interna de un extremo del componente 201 magnético blando con forma de U limita con la cara 213 de extremo más superior de la pila 202 de bobinas. La cara 211 interna del otro extremo del componente 201 con forma de U limita con la cara 212 de extremo en el extremo inferior de la pila 202 de bobinas. Como tal, las caras 210 y 211 del componente 201 magnético blando son paralelas entre sí y son perpendiculares al eje longitudinal de la pila 202 de bobinas. Aunque no se muestra, el sensor 200 es tridimensional porque se extiende en la dirección de la página de la Figura.

Con la primera realización, el componente 201 magnético blando sirve para concentrar los campos magnéticos tal como provocar que un extremo de la pila 202 de bobinas se enlace directamente, magnéticamente, al otro extremo de la pila de bobinas. Sin embargo, de nuevo se proporciona el efecto solenoide infinito.

Un conductor (no mostrado) que se extiende en el volumen de detección definido por el componente 201 magnético blando con forma de U y la pila 202 de bobinas es el objeto del sensor 200. Una corriente que fluye a través del conductor genera un campo magnético alrededor del conductor, cuyo campo magnético se extiende generalmente longitudinalmente a lo largo de la pila 202 de bobinas y se concentra a través del componente 201 magnético blando con forma de U. Una corriente de cambio que fluye en el conductor así genera un emf correspondiente en las bobinas de la pila 202 de bobinas, que se puede utilizar para medir la corriente que fluye a través del conductor.

Para ajustar el sensor 200 a un conductor, el conductor necesita ser insertado en el volumen entre el componente 201 magnético blando con forma de U y la pila 202 de bobinas o la pila 202 de bobinas necesita ser retirada antes que el componente 201 con forma de U se ponga sobre el conductor y la pila 202 de bobinas luego se reintroduce en el volumen entre los extremos del componente 201 magnético blando con forma de U. Estos dos métodos asumen que el componente 201 con forma de U es una pieza unitaria que es relativamente rígida. Alternativamente, el componente 201 magnético blando con forma de U no puede ser rígido y puede en alguna forma permitir la introducción de un conductor en el volumen de detección. Una carcasa (no mostrada) se puede proporcionar para facilitar esto.

Una cuarta realización ahora se describirá con referencia a la Figura 10. Aquí, se disponen primeras a cuartas pilas 301 a 304 de bobinas en un rectángulo, en particular un cuadrado. Cada una de las pilas de bobinas es como se describió anteriormente en relación con la primera o tercera realizaciones. Como tal, cada una de las pilas de bobinas 301 a 304 tiene extremos que son generalmente paralelos entre sí. Se proporcionan la primera a cuartas partes 305 a 308 magnéticas blandas. Las partes 305 a 308 magnéticas blandas cada una se conecta a los dos extremos adyacentes de las pilas de bobinas. Las caras de las partes 305 a 308 magnéticas blandas que contactan un extremo de una pila 301 a 304 de bobinas son planas y se disponen generalmente perpendiculares al eje longitudinal de las pilas de bobina respectivas. Como tal, cada componente 305 a 308 magnético blando incluye dos caras que son generalmente perpendiculares entre sí con el propósito de resultar en las pilas 301 a 304 de bobinas adyacentes que se posicionan en un ángulo de 90° entre sí.

En la Figura 10, se muestran componentes 305 a 308 magnéticos blandos que tienen secciones transversales generalmente triangulares. Sin embargo, se conciben formas alternativas. Por ejemplo, las partes 305 a 308 magnéticas blandas pueden tener una sección transversal cuadrada o pueden tener una sección transversal de un cuarto de círculo. Un requerimiento

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principal es que las caras de los componentes 305 a 308 magnéticos blandos sean planas y se extiendan perpendiculares al eje correspondiente de las pilas 301 a 304 de bobinas. Aunque no se muestra, el sensor 300 es tridimensional porque se extiende en la dirección de la página de la Figura.

El cuarto sensor 300 incorporado también proporciona el efecto de un solenoide infinito. El sensor es capaz de permitir medición de una corriente que fluye a través de un conductor que proporciona el volumen de detección que se define entre las pilas 301 a 304 de bobinas.

Los sensores 10, 200, 300 descritos anteriormente proporcionan volúmenes de detección que son generalmente rectangulares en sección transversal. Los sensores 10, 200, 300 se pueden utilizar para medir corrientes que fluyen en cualquier conductor que se puede acomodar en los volúmenes de detección.

En algunas realizaciones, los sensores 10, 200, 300 se instalan alrededor de conductores de subestaciones de electricidad, particularmente subestaciones de distribución o bajo voltaje. Aquí, los conductores en las entradas de la subestación tienden a ser circulares o un segmento circular en sección transversal y tienen un diámetro, que incluye la lámina de aislamiento, de diez milímetros. La utilización de un sensor 10, 200, 300 tiene una dimensión interna mínima solo ligeramente mayor que el diámetro externo del conductor, el tamaño general del sensor instalado en el conductor puede ser relativamente pequeño. Los sensores 10, 200, 300 de esta forma se pueden instalar incluso cuando la pluralidad de conductores se empaca relativamente herméticamente, cuando se aumenta comúnmente en subestaciones modernas. Más aún, esto se logra aunque los sensores proporcionan desempeño relativamente bueno en términos de exactitud y sensibilidad. Un factor que contribuye en la compactación de los sensores es la provisión del lado más largo de las tarjetas de circuitos impresas en la dirección a lo largo del eje del volumen de detección. Esto permite que el lado más corto sea radial al eje del volumen de detección, minimizando por lo tanto el diámetro adicional agregado del conductor cuando el sensor se instala sobre este.

Cuando el sensor se proporciona dentro de una carcasa que se puede abrir, tal como se muestra en las Figuras 6, 7 y 8, una separación entre una tarjeta de circuitos impresa en el extremo de la pila de bobinas que se incluye en el cuerpo 100 principal y la barra 13, 14 magnética que se incluye en la compuerta 101 de la carcasa es dependiente de las características mecánicas que proporcionan aislamiento y/o resistencia a la intemperie para la carcasa. En general, se proporciona mayor sensibilidad mediante un gran número de vueltas por longitud unitaria de la pila de bobinas. La separación mínima que se puede lograr entre la tarjeta de circuitos impresa de extremo y la barra 13, 14 magnética también define la separación entre tarjetas adyacentes en la pila de bobinas. Para una pila de bobinas de longitud dada, esto define el número de tarjetas que están presentes en la pila.

Un sensor 400 construido de acuerdo con una quinta realización se muestra en la Figura 11.

El sensor es similar al tercer sensor 200 incorporado porque incluye un componente 402 magnético blando con forma de U y una pila de bobinas. La pila de bobinas incluye tres tarjetas 403 a 405 de circuitos impresa. Las tarjetas 403 a 405 de circuitos impresas se separan regularmente.

Otras características de la primera y segunda realizaciones se incluyen en el sensor 400 pero se omiten de la Figura y esta descripción para claridad y concisión.

También se muestra en la Figura 11 un conductor 401, en la forma de una barra de distribución. La barra 401 de distribución se extiende a través del volumen de detección que se define entre los tres lados del componente 402 magnético blando con forma de U y la pila de bobinas. También se observará una separación relativamente pequeña entre la barra 401 de distribución y las superficies más cercanas del sensor 400. Esto permite que el volumen general del sensor sea relativamente pequeño, y de hecho más pequeño que muchos sensores de la técnica anterior utilizados para propósitos similares. El sensor 400 ciertamente es más pequeño que los sensores de la técnica anterior que pueden tener facilidad similar de fabricación y/o desempeño similar.

El sensor 400 se puede proporcionar con una carcasa (no mostrada) con la cual se aísla el sensor 400 de la barra 401 de distribución. Sin embargo, si los materiales de las partes correspondientes del sensor 400 se seleccionan cuidadosamente, las partes del sensor 400 que pueden hacer contacto con la barra 401 de distribución puede ser aislamiento eléctrico suficiente que no requiere carcasa adicional u otro aislamiento. Adicionalmente, si las posiciones relativas del sensor 400 y la barra 401 de distribución se pueden mantener correctamente, como se puede proporcionar por ejemplo en las realizaciones en las que el sensor 400 se incorpora en una central, subestación de electricidad, tarjeta de distribución o medidor, no se necesita tomar precauciones para proporcionar aislamiento eléctrico entre el sensor y la barra 401 de distribución.

En otras realizaciones, las pilas 11, 12 de bobinas también se pueden hacer como una única parte utilizando tecnología de tarjetas de circuitos impresas de múltiples capas. La tarjeta de circuitos impresa de múltiples capas puede o no puede incluir

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separadores proporcionados por capas de la tarjeta en los extremos de las pilas 11,12 de bobinas. En una tarjeta de circuitos impresa de múltiples capas, cada capa comprende un sustrato.

Una dicha pila de bobina se ilustra en la Figura 12. La Figura 12a muestra la única parte de pila, la Figura 12b muestra la disposición de capas de tarjeta de circuitos impresa, y la Figura 12c muestra una vista en perspectiva que ilustra la colocación de las capas dentro de la altura de la tarjeta de circuitos impresa.

En este ejemplo, se proporcionan doce capas de tarjetas de circuitos impresas. Estas incluyen una capa de detección en la parte superior y otra capa de detección en la parte inferior. Una pista de detección se extiende alrededor del lado externo de cada una de las capas 2 a 11.

Cada par de capas de no detección 2,3; 4,5; 6,7; 8,9; 10,11 forman una bobina con conexiones en la superficie externa de la tarjeta de circuitos impresa, como se muestra a la derecha de la Figura 12a. En esta realización, estas se conectan en la mima forma que las tarjetas en la pila en el sensor 10 como se describió anteriormente, pero en otras realizaciones se interconectan en serie dentro de la tarjeta de circuitos impresa de múltiples capas.

Se pueden proporcionar alternativamente las pilas de bobinas de una única tarjeta de circuitos impresa, como ahora se describirá con referencia a la Figura 13. Aquí, un sensor 600 comprende primeras y segundas barras 601, 602 magnéticas que se separan mediante una tarjeta 603 de circuitos impresa de múltiples capas. La tarjeta 603 de circuitos impresa incluye una ranura o corte 604 en el que se ubica un conductor 605. La ranura 604 se extiende entre la parte frontal y de respaldo del sensor 600. Un doblez 605 en el conductor 605 permite que el conductor 605 se aparte del plano de la tarjeta 603 de circuitos impresa, aunque una parte 607 del conductor se extiende a lo largo del plano de la tarjeta 603 de circuitos impresa. Las pilas 608, 609 de bobinas se forman dentro de la tarjeta 603 de circuitos impresa en cualquier lado de la ranura 604 y entre las barras 601, 602 magnéticas. Las pilas de bobinas se conectan mediante la parte de la tarjeta de circuitos impresa que se extiende alrededor del extremo de la ranura 604.

Esto se puede extender para hacer un transductor de múltiples fases, como se describirá ahora con referencia a la Figura

14. En la Figura 14a, se proporcionan cuatro pilas de bobinas de una única tarjeta de circuitos impresa. Un sensor 700 comprende primeras y segundas barras 701, 702 magnéticas que se separan mediante una tarjeta 703 de circuitos impresa de múltiples capas. La tarjeta 703 de circuitos impresa incluye tres ranuras o partes de corte 704 a 706 en las que se ubica cada uno de un conductor 711 a 713 respectivo. Cada ranura 704 a 706 se extiende entre la parte frontal y posterior del sensor 700. Un doblez en cada conductor 704 a 706 permite apartarlo del plano de la tarjeta 703 de circuitos impresa, aunque una parte de cada conductor se extiende a lo largo del plano de la tarjeta 703 de circuitos impresa. Se forman cuatro pilas 707 a 710 de bobinas dentro de la tarjeta 703 de circuitos impresa. Cada par de las pilas 707 a 710 de bobinas se forma en cualquier lado de una ranura 704 a 706 y entre las barras 701, 702 magnéticas. Las pilas 707 a 710 de bobinas se conectan mediante la parte de la tarjeta de circuitos impresa que se extiende alrededor del extremo de las ranuras 704 a

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Las Figuras 14a y 14b muestran patrones en lados opuestos de una capa dentro de la tarjeta 703 de circuitos impresa. Aquí, se puede observar que las pilas 707 a 710 de bobinas incluyen vueltas en cada lado de la capa de tarjeta que se conectan mediante una capa respectiva a través de la vía de capa. Estas Figuras también muestran cómo se conectan los patrones a terminales T1 a T5. Por ejemplo estos se pueden conectar a las entradas de corriente diferenciales en un chip de medición de múltiples fase.

Un patrón de bobina alternativo incluye un par individual de bobinas en cualquier lado de cada conductor 711, 712, 713. Esto proporciona salidas aisladas independientes, aunque a costa de un sensor generalmente grande, un número mayor de capas en la tarjeta de circuitos impresa o menor sensibilidad.

La Figura 14d ilustra un circuito formado por la tarjeta 703 de circuitos impresa y muestra los terminales T1 a T5 que proporcionan señales de las pilas 707 a 710 de bobinas.

La Figura 14 muestra cómo se puede medir una corriente de tres fases utilizando un número pequeño de pilas de bobinas, en este caso igual al número de conductores más uno. Esto es posible en razón a que la pila de bobinas comparte los resultados de las ubicaciones correspondientes de los conductores y las pilas de bobinas.

En otras realizaciones, se logra el mismo efecto utilizando pilas de bobinas independientes, es decir las pilas de bobinas que no se forman dentro de una tarjeta de circuitos impresa común.

Todos los sensores 10, 200, 300, 400, 600, 700 descritos anteriormente tienen la ventaja de ser relativamente simples de fabricar confiablemente con las propiedades deseadas, y a costo relativamente bajo. En particular este es un efecto de la impresión de las vueltas de bobinas y la ubicación de los sustratos que soportan las bobinas en relación uno al otro y al

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material magnético blando. Más aún, los sensores también son susceptibles a retro ajuste sobre conductores existentes mientras se mantiene su forma o configuración original, y se mantienen de esta forma sus propiedades deseables, excepto donde se indique de otra forma.

Ahora se proporcionarán algunos comentarios generales a cerca de las diferentes configuraciones.

Entre mayor sea al número de pilas de bobinas en un sensor, mayor será la simetría del sensor, y menor será el efecto de la permeabilidad limitada de los componentes magnéticos blandos. Sin embargo, esto se logra a costa de mayor complejidad del ensamble del sensor.

Para un efecto negativo menor de permeabilidad limitada, se prefieren los sensores de la primera, segunda y cuarta realizaciones, es decir aquellas realizaciones que no utilizan componentes magnéticos blandos con forma de U. Sin embargo, un componente magnético blando con forma de U proporciona un momento dipolo, que es sensible a campos uniformes. Cuando se utilizan componentes blandos con forma de U en múltiples grupos de sensores que miden la corriente de múltiples fase o un par de fases + /-para supervisar la potencia o propósitos de medición fiscal (medida), se prefiere tener todas las formas de U que se orientan en la misma dirección, o menos preferiblemente de manera general la misma dirección, de tal manera que la sensibilidad común para el campo uniforme se anula cuando se multiplica por la salida de voltajes de fase en el cálculo de potencia. Un sensor de pilas de bobinas dual, tal como el sensor 10 de la primera y segunda realizaciones, proporciona un momento cuadrupolo, que tiene sensibilidad a campos de gradiente de primer orden. Un sensor de pilas de bobinas quad en un cuadrado, tal como el cuarto sensor 300 incorporado, es sensible solo a mayor orden de los gradientes de campo.

Se pueden prever disposiciones alternativas por el experto.

Por ejemplo, las tarjetas de circuitos impresas se pueden hacer de FR4 o algún otro material adecuado, tal como alúmina o un material basado en papel. Cada uno de estos materiales permite la construcción de tarjetas de doble lado que incorporan cambios de cara. Otras realizaciones utilizan tarjetas de un solo lado. En razón a que las tarjetas de circuitos impresas son relativamente pequeñas y tienen una forma relativamente simple, puede ser ventajoso para las tarjetas que sean hechas de un material que se pueda estampar. Algunos tipos de FR4 son adecuados para estampado, como lo son las tarjetas basadas en papel. Las tarjetas de alúmina se pueden cortar por láser.

En algunas realizaciones los separadores se omiten de las pilas de bobinas. En las realizaciones anteriores los separadores tienen el propósito de mantener las tarjetas de circuitos impresas, y de esta forma las bobinas, en la posición deseada. Sin embargo, esto se puede lograr en su lugar en alguna otra forma, por ejemplo utilizando una estructura o carcasa que se acopla mecánicamente a las tarjetas de circuitos impresas con el propósito de fijarlas en posición.

Adicionalmente, en algunas realizaciones hay diferentes números de bobinas en diferentes tarjetas de circuitos impresas. Alternativamente o además puede haber separación irregular entre las tarjetas de circuitos impresas adyacentes. Dichas realizaciones pueden ser satisfactorias en muchas aplicaciones, aunque sensores regulares tienen mejor desempeño. Se puede utilizar la variación del producto de área de vuelta en las tarjetas para compensar en algún grado variaciones en la separación entre las tarjetas de circuitos impresas y barras 13, 14 magnéticas que pueden ser inevitables en el diseño del sensor, por ejemplo en razón a que un se puede lograr un mínimo entre los componentes cuando se utiliza un cuerpo y carcasa del tipo compuerta que se puede abrir.

En algunas realizaciones, cada pila de bobinas en un sensor que incluye solo una única capa, tarjetas de circuitos de doble lado, cada tarjeta de circuitos tiene una bobina impresa en cada lado de la misma. Como tal, la tarjeta de circuitos proporciona dos bobinas. El sensor puede incluir una o dos de dichas pilas de bobinas, o en otras realizaciones más pilas de bobinas. La colocación de la tarjeta de circuitos impresa en el sensor se selecciona con el propósito de lograr separación adecuada entre bobinas adyacentes. Por ejemplo, en un sensor de pilas de núcleo duales las tarjetas de circuitos impresas se pueden ubicar centralmente entre dos barras magnéticas tal como las barras 13, 14 de la Figura 1.

Se apreciará que las realizaciones descritas anteriormente son únicamente de ilustración y no limitan el alcance de la protección, que se define solo por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

1. Reivindicaciones

   1. El sensor (10) de corriente que comprende un volumen de detección formado por:

   5 un primer componente (11) que comprende una pluralidad de bobinas (88), en donde:

   cada bobina comprende una o más vueltas (87) impresas sobre por lo menos una superficie plana de un sustrato respectivo, y

   10 los planos de las bobinas son paralelos entre sí y son perpendiculares a un eje longitudinal del primer componente; y

   un segundo componente (12, 13, 14; 201; 402) que comprende material magnético blando, por ejemplo una ferrita, y que tiene primeras y segundas caras planas que están en extremos opuestos del primer componente y se disponen perpendicularmente a y se intersecan por el eje longitudinal del primer componente.

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2. 2. El sensor de corriente como se reivindica en la reivindicación 1, en donde una separación entre bobinas adyacentes es aproximadamente igual para todas las bobinas del primer componente.
3. 3. El sensor de corriente como se reivindica en la reivindicación 1 o reivindicación 2, en donde las bobinas del primer 20 componente (11) cada una incluye el mismo número de vueltas y tiene la misma área sobre el sustrato.
4. 4. El sensor de corriente como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el segundo componente comprende un componente magnético blando con forma de U (201; 402) y en donde la primera y segunda caras son caras paralelas dentro de la boca de la U, y opcionalmente en donde el segundo componente se puede separar del primer

   25 componente con el propósito de permitir que un conductor se introduzca en la U antes que el segundo componente se ponga dentro de la boca de la U del segundo componente.
5. 5. El sensor de corriente como se reivindica en la reivindicación 4, en donde una separación entre bobinas adyacentes es aproximadamente igual para todas las bobinas del primer componente y en donde una separación entre una bobina más

   30 cerca al primer extremo y la primera cara de contacto es sustancialmente igual a una separación entre una bobina más cerca al segundo extremo y la segunda cara de contacto y es igual o aproximadamente igual a la mitad de la separación entre bobinas adyacentes, y opcionalmente comprende medios para provocar que el segundo componente se mantenga dentro de la boca de la U del segundo componente.

   35 6. El sensor de corriente como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el segundo componente también incluye un tercer componente (12) que comprende una pluralidad de bobinas, en donde: cada bobina del tercer componente comprende una o más vueltas impresas sobre por lo menos una superficie plana de un sustrato respectivo, y las bobinas del tercer componente son paralelas entre sí y se posicionan sobre un eje longitudinal del tercer componente; y en donde el segundo componente comprende terceras y cuartas caras planas que se disponen perpendicularmente a y se

   40 intersecan por el eje longitudinal del tercer componente.
6. 7. El sensor de corriente como se reivindica en la reivindicación 6, en donde el segundo componente comprende primeros, y segundos componentes (13, 14) con forma de I, el primer componente con forma de I incluye la primera y tercera caras y el segundo componente con forma de I incluye la segunda y cuarta caras, y opcionalmente en donde una separación entre 45 bobinas adyacentes es aproximadamente igual para todas las bobinas del primer y tercer componentes y en donde una separación entre una bobina más cerca al primer extremo del primer componente y la primera cara es igual que una separación entre una bobina más cerca al segundo extremo del primer componente y la segunda cara, que es igual a una separación entre una bobina más cerca al primer extremo del tercer componente y la tercera cara y es igual a una separación entre una bobina más cerca al segundo extremo del tercer componente y la cuarta cara, y es aproximadamente

   50 la mitad de la separación entre bobinas adyacentes.
7. 8. El sensor de corriente como se reivindica en la reivindicación 6, en donde el segundo componente comprende uno o más componentes adicionales cada uno incluye una pluralidad de bobinas, en donde: cada bobina de cada componente adicional comprende una o más vueltas impresas sobre por lo menos una superficie plana de un sustrato respectivo, y las bobinas de

   55 cada componente adicional son paralelas entre sí y se posicionan en un eje longitudinal del componente adicional.
8. 9. El sensor de corriente como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en donde el primero y tercer componentes se forman de una única tarjeta de circuitos impresa de múltiples capas que han formado allí una ranura o corte configurado para recibir un conductor.

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9. 10. El sensor de corriente como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde sustratos adyacentes se separan mecánicamente mediante separadores (21-25) y/o en donde un sustrato de extremo en el primer componente se separa del primer componente mediante un separador (20, 26).

   5 11. El sensor de corriente como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, que comprende una tarjeta de circuitos

   (90) configurada para conectar las bobinas en un circuito y/o que comprende uno o más componentes de protección (91-94) configurados para rodear por lo menos parcialmente el primer componente y, si están presentes, el tercer componente y/o que comprende un conductor que lleva corriente que se extiende a través de una parte central del sensor.

   10 12. El sensor de corriente como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, cada bobina comprende una o más vueltas impresas sobre por lo menos dos superficies paralelas de un sustrato respectivo.

10. 13.

    El sensor de corriente como se reivindica en la reivindicación 1, en donde el primer componente comprende primeras y segundas bobinas impresas respectivamente sobre la primera y segunda superficies paralelas de un primer sustrato.

11. 14.

    El sensor de corriente como se reivindica en la reivindicación 13, en donde el segundo componente también incluye un tercer componente que comprende tercera y cuarta bobinas impresas sobre la primera y segunda superficies paralelas de un segundo sustrato respectivamente, en donde las bobinas del tercer componente son paralelas entre sí y se posicionan sobre un eje longitudinal del tercer componente; y en donde el segundo componente comprende terceras y cuartas caras

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    20 planas que se disponen perpendicularmente a y se intersecan por el eje longitudinal del tercer componente, y opcionalmente en donde el primer y segundo sustratos tienen el mismo espesor y en donde una separación de la tercera bobina y el cuarto componente es igual que una separación entre la primera bobina y el segundo componente.
12. 15. El sensor de corriente como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, que contiene una carcasa de 25 aislamiento y/o resistente a la intemperie.

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