FI117075B - Virtamuunnin vaihtovirran mittaamiseksi - Google Patents

Description

11 f

Virtamuimnin vaihtovirran mittaamiseksi Strömomvandlare för mätning av växelström 5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaii muunnin vaihtovirran mittaamiseksi.

Keksinnön mukainen virtamuunnin soveltuu erityisen hyvin KWh-mittar tapahtuvaan virran mittaukseen.

10 KWh-mittarissa vaaditaan virranmittaukselta suurta dynamiikkaa, hyvä sietokestävyyttä ja hyvää lineaarisuutta. Virtamuuntimen tulee lisäksi o ton ensiöjohtimessa mahdollisesti olevalle tasavirralle. Virran mittaus yleisemmin resistanssiin, joka muuttaa virran jännitteeksi, rauta- tai fei 15 miseen virtamuuntajaan, induktioilmiöön, missä ensiövirta indusoi tois jännitteen, magneettisiin antureihin (esim. Hall-anturi tai magnetorej anturi) tai eräissä tapauksissa magneettikenttää aistivaan valokuituun, paitsi vastukseen perustuvassa muuntimissa mittaus perustuu tavalla t :V: virran aiheuttaman magneettikentän hyödyntämiseen. Eri menetelm ""i 20 hyviä ja huonoja piirteitä. Perinteinen virtamuuntaja on kookas ja si ·...· tasavirtaa, joten nykyaikaisissa kWh-mittareissa sen käytöstä ollaan luop • * • * • « « *

Keksinnön mukainen virtamuunnin perustuu induktiiviseen virranmi * * * ·...* Induktiivisessa virranmittauksessa mitattava vaihtovirta kytketään l 25 tarkoituksenmukaisen ensiöjohtimen tai ensiöjohdinjäijestelmän kaut m • · * ***** ensiöjohtimessa kulkeva virta synnyttää ajan ja paikan funktiona i 2 11

Toisiokääminä voidaan tällaisissa virtamuuntimissa käyttää gradiome dioraetri on magneettikenttää tunnistava elementti, jonka ulostulosti magneettikentän gradienttiin verrannollinen toisiosignaali. Gradiometri 5 tään mitattaessa heikkoja magneettikenttiä häiriöitä sisältävässä ympärist gradiometri vaimentaa ulkoisten häiriömagneettikenttien vaikutusta.

Gradiometrin kertaluvulla tarkoitetaan asteeltaan pienintä derivaattaa, daan kyseisellä gradiometrilla mitata. Nollannen kertaluvun gradio 10 magnetometri mittaa ainoastaan paikan suhteen vakiokenttää. Ens kertaluvun gradiometri antaa puolestaan kahdessa pisteessä mitattujen r vuon tiheyksien erotuksen. Samalla rakenne myös kumoaa ulkoisen häir on paikan suhteen vakio, eli häiriö on kaikkien magneettikenttätui kohdalla saman suuruinen. Ensimmäisen kertaluvun gradiometri siii 15 ulkoisen häiriön nollannen derivaatan eli homogeenisen ulkoisen häiric kertaluvun gradiometrilla voidaan mitata magneettikentän 2. derivaat voidaan kumota häiriökenttä, joka on paikan suhteen vakio tai lineaaris tuva (0. ja 1. derivaatta) jne. Kertaluvun N gradiometrissa on oltava : V: N+1 magneettikenttätunnistinta.

·:·: 20 • ·· FI patentissa 98865 on esitetty eräs gradiometriin perustuva meneteln virran mittaamiseksi. Menetelmässä sovitetaan ensiövirtavirtajohdinjäi .·!:* sisälle tai välittömään läheisyyteen ainakin ensimmäisen kertaluvun gr • · · jolloin ensiövirtajäijestelmässä kulkeva virta indusoi gradiometriin j 25 Virtajohdinjäijestelmän muoto ja gradiometrin käämirakenteen muoto •**| yhteen siten, että ulostulosignaali on olennaisesti riippumaton virtajol 11 3 ainakin yhden olennaisesti tasomaisen ympyrän muotoisen gradiometrin. tajohtimen virtasilmukat sijaitsevat samankeskisesti päällekkäin v päässä toisistaan olevissa yhdensuuntaisissa tasoissa. Mainittu ainakin diometri sijaitsee virtasilmukoiden välissä virtasilmukoiden tasoihi] 5 yhdensuuntaisessa tasossa. Ensiövirtajohtimen virtasilmukoissa kulkeva kytkeytyy magneettikentän välityksellä mainittuun ainakin yhteen gradio synnyttää siinä ensiövirtaan verrannollisen jännitteen. Mainittu ain gradiometri on muodostettu piirilevyn johtavaan kerrokseen, mutta ensi din muodostuu erillisestä osasta. Piirilevy on sijoitettu ensiövirtajoht 10 tasilmukoiden väliin siten, että gradiometrin keskipiste tai gradiometrier teet sijaitsevat ensiövirtajohtimen virtasilmukoiden keskipisteet yt janalla.

WO patenttijulkaisussa 97/13156 (US patentti 5,736,846) on esitetty 15 rakennuksessa olevan hälytysjärjestelmän valvontaan tarkoitettu ind virtamuunnin. Virtamuunnin on kytketty hälytysjäijestelmän kuhunki meen kulkevaan virtapiiriin, jolloin sillä valvotaan kuhunkin hälytysjäi kaiuttimeen kulkevaa, vaihtovirran muodossa olevaa äänisignaalia. Jos 1 : V: jestelmän johonkin osaan tulee häiriö esim. tulopalon sattuessa jossakin 20 sen osassa, on tärkeätä tietää toimivatko kyseisen rakennuksen osan häl telmän kaiuttimet vai eivät. Kunkin kaiuttimen virtapiiriin kytketyllä v « « m ·...· timella saadaan aina tieto kunkin kaiuttimen toiminnasta. Virtamuunt: .·!: ensiöpiiri ja toisiopiiri. Ensiöpiirissä on ainakin yksi lyhyt pitkänomai * * ♦ • · '···* johdinelementti, jonka läpi mitattava virta johdetaan. Toisiopiiri käsitti 25 ensimmäisen käämin, joka on kytketty induktiivisesti ainakin virtajohdin ·;;; osaan ja edullisesti toisen käämin, joka on induktiivisesti kytketty virta Λ m 4 suuntaista pitkää sivua ja niitä molemmista päistä yhdistävät puoliympy johdinelementti on toisiokäämin pitkän sivun suuntainen ja virtajohdir sijaitsee toisiokäämin toisen pitkän sivun välittömässä läheisyydessä jok sen yläpuolella tai suoraan sen alapuolella.

5 WO patenttijulkaisussa 97/13156 esitetty virtamuunnin voidaan n nelikerroksiseen piirilevyyn siten, että ensiövirtajohdin muodostetaan ensimmäiseen johtavaan kerrokseen ja piirilevyn neljänteen johtavaan k< Toisiopiirin ensimmäinen käämi on muodostettu piirilevyn toiseen ken 10 toisiopiirin toinen käämi on muodostettu piirilevyn kolmanteen k< Piirilevyn ensimmäisen ja toisen, toisen ja kolmannen sekä kolmannen nen johtavan kerroksen välissä on eristekerros. Ensiövirtajohtimien ja mien välillä ei siten ole staattista suojaa, joka estäisi ensiövirtajohtimien visen kytkeytymisen toisiokäämeihin. Yksi ensiövirtajohdin muodostuu 15 ensimmäiseen johtavaan kerrokseen muodostetusta ensimmäisestä dinelementistä ja piirilevyn neljänteen kerrokseen muodostetusta toisest; dinelementistä. Ensimmäinen ja toinen virtajohdinelementti on kytke siten, että mitattava virta jakaantuu niiden kesken, jolloin ensimmäisessi : V: dinelementissä kulkeva ensimmäinen osavirta ja toisessa virtajohdine] *:·*: 20 kulkeva toinen osavirta kulkevat samaan suuntaan.

* • 9 999 • 99

Keksinnön päämääränä on aikaansaada yksinkertainen ja luotettava indii virranmittaukseen perustuva virtamuunnin vaihtovirran mittaamiseksi. I

9 99 \.·* mukaisen virtarnuuntimen tulee lisäksi soveltua massatuotantoon ja sen 25 tauksen dynamiikan tulee olla riittävä.

• 999 9 9999 999 5 piirilevylle (Printed Circuit Board, PCB). Tämä voidaan tehdä esim. ne seen piirilevyyn eli piirilevyyn, jossa on neljä johtavaa kerrosta ja kunki kerroksen välissä eristävä kerros. Ensiövirtajohdin muodostetaan ensimmäiseen johtavaan kerrokseen, toisiopiirin ensimmäinen gradion 5 dostetaan piirilevyn kolmanteen johtavaan kerrokseen ja toisiopiirin t diometri muodostetaan piirilevyn neljänteen johtavaan kerrokseen, toinen johtava kerros muodostaa ensiövirtajohtimen ja toisiopiirin välii sen suojan, jolla estettään ensiövirtajohtimen kapasitiivinen kytkeytyr diometreihin.

10

Piirilevylle muodostetun gradiometrin vaimennus homogeeniselle ma£ tälle saadaan erittäin suureksi (yli 1000). Homogeeninen magneettiken aiheuta virhettä virtamuuntimen ulostulosignaalissa. Kun käytetään tois< vun gradiometriä, virtamuunnin on tunteeton myös lineaarisesti paikan 15 muuttuvalle kentälle. Toisen kertaluvun gradiometriin perustuva virtan siten häiriinny voimakkaastakaan häiriökentästä. Koska virtamuuntime perustuu induktioilmiöön, virtajohtimen tasavirran synnyttämä tasamag tä tai ulkopuolinen tasamagneettikenttä ei vaikuta virtamuuntimen t :V: Virtamuuntimen häiriövaimennusta voidaan vielä parantaa asentam ♦ 20 muuntimen ympärille magneettinen suoja.

**· • · * · :...r Jos mitattavat virta ja jännite on suuri, voidaan käyttää toisen kerta diometnä. Jos mitattava virta ja jännite on pieni, voidaan mahdollise • · * • i *·*·* kolmannen, neljännen, viidennen tai jopa kuudennen kertaluvun grc 25 Luonnollisesti kertaluvun kasvaessa systeemi tulee monimutkaisemmak; • « · Λ Λ.

6

Kun ensiövirtajohdin muodostetaan piirilevylle sen muoto voidaan t£ tehdä hyvinkin monimutkaiseksi. Piirilevyn valmistustekniikka ma monimutkaisen muodon valmistuksen siten, että hyvä toistettavuus säily 5 ensiövirtajohtimen muoto voidaan muodostaa sellaiseksi, että sen synn magneettikentässä on mahdollisimman voimakkaita gradientteja. Gradi toisiokäämin muoto ja dimensio voidaan puolestaan sovittaa yhteen ensi timen tuottaman magneettikentän kanssa siten, että magneettikentän synnyttävät toisiopiiriin suuren jännitteen. Myös monimutkainen gi 10 voidaan helposti ja hyvällä toistettavuudella muodostaa piirilevylle.

Mitä suuremman kertaluvun gradiometria käytetään toisiopiirinä sitä pai vaimentaa ulkoisia magneettikenttiä. Samalla se myös vaimentaa ensiö men synnyttämää magneettikenttää. Suuremman kertaluvun gradiom 15 siten monimutkaisemman ensiövirtajohtimen muodon, jotta ensiövirta saadaan tuotettua oikeaan kohtaan riittävän voimakkaita gradientteja, keytyvät gradiometriin. Ensiövirtajohtimen ja gradiometrin yhteenso> muodostuu tällöin hyvin tärkeäksi. Ensiövirtajohdin ja gradiometri p juuri oikeaan kohtaan toistensa suhteen ja niiden keskinäinen liike tulee « · •: · ·: 20 da. Piirilevylle muodostettu ensiövirtajohdin ja gradiometri mahdollistav » »* ♦ » • »

• M

Ensiövirtajohtimen ja toisiopiirin pienet fyysiset mitat myötävaikuta ..il’ siihen, että virtamuunnin vaimentaa hyvin ulkopuolista epähomogee: • ·« häiriökenttää. 1 ♦ 9*9 ···* Ensiövirtajohtimen virtasilmukka muodostaa edullisesti ympyräsyi « · 7 johdin joudutaan tekemään leveäksi, jotta se ei lämpenisi liikkaa suurill Noin 1 cm leveä ensiövirtajohdin kestää noin 10 A ensiöviiran läm liikaa. Ensiövirran kestoa voidaan parantaa muodostamalla ensiöi useampaan piirilevyn kerrokseen ja kytkemällä näin muodostuneet ens 5 timet rinnan. Tällöin ensiövirta jakaantuu usean ensiövirtajohtimen kesk

Keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisien piirustuk oissa esitettyihin keksinnön eräisiin edullisiin suoritusmuotoihin, joihin ei ole kuitenkaan tarkoitus yksinomaan rajoittaa.

10

Kuviossa 1 on esitetty kaaviomaisesti eräs keksinnön mukaiseen virtain soveltuva ensiövirtajohdin.

Kuviossa 2 on esitetty kaaviomaisesti eräs keksinnön mukaiseen virtam 15 soveltuva gradiometri.

Kuviossa 3 on esitetty kaaviomaisesti poikkileikkaus nelikerroksisesta tä, johon on muodostettu eräs keksinnön mukainen virtamuunnin.

• « • * » « * * • * *:**: 20 Kuviossa 4 on esitetty kaaviomaisesti sähköinen kytkentä tilanteessa, * *· •.,, * siopiiri muodostuu kahdesta kuvioin 2 mukaisesta gradiometrista.

• ·* • Il ..li* Kuviossa 5 on esitetty kaaviomaisesti eräs toinen keksinnön mukai: • · · *...* muuntimeen soveltuva ensiövirtajohdin. 1 ·;;· Kuviossa 6 on esitetty kaaviomaisesti kuviossa 5 esitetylle ensiövirti m • · · 11 8

Kuviossa 8 on esitetty kaaviomaisesti poikkileikkaus kahdeksankei piirilevystä, johon on muodostettu eräs toinen keksinnön mukainen virta

Kuviossa 9 on esitetty kaaviomaisesti sähköinen kytkentä tilanteessa, 5 siopiiri muodostuu neljästä kuvioin 7 mukaisesta gradiometrista.

Kuviossa 1 esitetty ensiövirtajohdin 10 käsittää menohaaran 11, paluuhi näitä yhdistävän virtasilmukan 13. Tulohaara 11 ja paluuhaara 12 mi olennaisesti suorakulmion muotoisista kappaleista. Menohaara 11 ja ] 10 12 ovat yhdensuuntaisia ja niiden välissä on kapea rako 14, joka eristää ran 11 paluuhaarasta 12. Menohaaran 11 paluuhaaraan 12 toiset päät virtasilmukka 13 on olennaisesti ympyrän muotoinen. Menohaaran 11, ran 12 ja virtasilmukan 13 paksuus määräytyy piirilevyn johtavan paksuudesta. Ensiövirtajohtimen 10 virtasilmukan 13 ulkohalkaisij; 15 alueella 5-20 mm, edullisesti 14 mm. Virtasilmukan leveys dl3, mene leveys dll ja paluuhaaran 12 leveys dl2 ovat yhtä suuret ja alueella edullisesti 4 mm. Menohaaralla Ilja paluuhaaralla 12 täytyy olla määri jotta saadaan riittävä ylijännitekestoisuus toisiopiirin ja ensiövirtajo . \ . haaroihin 11,12 kytkettävissä liityntäjohtimissa vaikuttavan j ännitteen λ

*· I

20 • » ·*· Mitattava vaihtovirta I johdetaan ensiövirtajohtimen 10 menohaaraan 1 ··* kiertää virtasilmukan 13 kautta paluuhaaraan 12 ja siitä edelleen kulli *;· seen. Ensiövirtajohdin 10 muodostaa siten silmukan, jossa mitattava v ···* Γ': kierroksen ja jatkaa sitten edelleen kulutuskohteeseen.

25 ,.i:‘ Kuviossa 2 esitetty gradiometri 20 käsittää spiraalimaisesti tasoon 11 9

Gradiometrin 20 ulkohalkaisija D20 on alueella 10-30 mm, edullisesti keskikäämin 22 ulkohalkaisija D22 on alueella 5-18 mm, edullisesl Gradiometrin virtajohtimen leveys on alueella 50-300 μιη, edullisesti Gradiometrin 20 keskikäämin 22 kierroslukumäärä on alueella 5-50, edi 5 ja kunkin sivukäamin 21, 23 kierroslukumäärä on alueella 1-20, edi Keskikäämin 22 efektiivinen pinta-ala on yhtä suuri kuin yhden sivukääi efektiivinen pinta-ala, jolloin gradiometrin ulostulo on nolla homogeeni magneettikentässä. Gradiometrin 20 kunkin käämin 21, 22, 23 efektiivi ala lasketaan summaamalla jokaisen erillisen käämikierroksen 10 Atol=Al .kierros"*"A2.kierros"*"A3 kierros-*"· ♦ ·^An.kienos.

Gradiometri 20 on mitoitettu siten, että keskikäämi 22 sijaitsee pääasia la, jossa ensiövirtajohtimen 10 tuottama magneettikenttä on positiivit Sivukäämit 21, 23 sijaitsevat puolestaan pääasiassa alueella, jossa magn 15 on negatiivinen B < 0.

Kuviossa 3 esitetty piirilevy 100 muodostuu vuoronperään johtavasta 1 101, 102, 103, 104 ja eristekerroksesta 110, 111,112 ja puhuttaessa piii • · kerroksesta tarkoitetaan aina piirilevyn 100 johtavaa kerrosta. Piiri "'*: 20 ensimmäiseen kerrokseen 301, joka on piirilevyn uloin johtava kerros o ·...* tettu kuviossa 1 esitetty ensiövirtajohdin 10, josta näkyy virtasilmukka M· t * ···’ vyn 100 toinen kerros 102 muodostaa staattisen suojan, jolla estetään

•••| 10 kapasitiivinen kytkeytyminen toisiopiiriin 20. Piirilevyn 100 V

9 9 kerrokseen 103 on muodostettu kuviossa 2 esitetty gradiometri 20, jok . 25 taa virtamuuntimen ensimmäisen gradiometrin 20i. Piirilevyn neljänte « « « 'III sen 104 muodostetaan niin ikään kuviossa 2 esitetty gradiometri 20, jok 11 ίο sessa 104 oleva toinen gradiometri 202 sijaitsevat siten yhdensuuntaisis: päällekkäin. Ensiövirtajohtimen 10 virtasilmukka 13, ensimmäinen g 20i ja toinen gradiometri 2Ο2 sijaitsevat lisäksi samankeskisesti pi jolloin ensiövirtajohtimen 10 virtasilmukan 13 keskipisteen ja gradiom 5 2Ο2 keskikäämien 221, 222 keskipisteiden kautta kulkeva jana muodosta

Iin piirilevylle 100.

Mitattava vaihtovirta I synnyttää ensiövirtajohtimen 10 virtasilmukassa räsymmetrisen magneettikentän, joka indusoi gradiometreihin 20ι, 2Ο2 10 taan I verrannollisen j ännitteen.

Kuviossa 4 esitetyssä kytkennässä keskikäämien 22i, 222, painoarvo kytkennästä johtuen 1 ja sivukäämien 211, 231, 212, 232 painoarvo on kennästä johtuen 0,5.

15

Kuviossa 4 on esitetty eräs mahdollisuus kuviossa 3 esitetyn piirilevy manteen 103 ja neljänteen 104 kerrokseen muodostettujen, virtamuu siopiirin muodostavien, ensimmäisen 20i ja toisen 2Ο2 gradiometrin kyt ’·*·* Virtamuuntajan toisiopiiri kytketään vahvistinelektroniikkaan (ei esiteti

20 sa) toisiopiirin liityntäpisteiden A ja B välityksellä. Liityntäpisteestä A

• * *·”* kolmannessa kerroksessa olevan ensimmäisen gradiometrin 201 sivukäi • * *·"* 231 ulkokehille, jotka sivukäämit 211, 231 on kytketty rinnakkain. En gradiometrin 201 sivukäämeissä 211,231 kuljetaan myötäpäivään sivukä • · 231 sisäkehille. Tämän jälkeen siirrytään neljännessä kerroksessa ole 25 gradiometrin 2Ο2 sivukäämien 212, 232 sisäkehille, jotka sivukäämit 2 [···. myös kytketty rinnakkain. Toisen gradiometrin 2Ο2 sivukäämeissä 2h, • * * m * 11 11 gradiometrin 201 keskikäämin 221 sisäkehälle, josta kuljetaan vastap simmäisen gradiometrin 20i keskikäämin 221 ulkokehälle. Tämän jälk taan toiseen liityntäpisteeseen B.

5 Kolmannessa kerroksessa olevan ensimmäisen gradiometrin 201 kukin 22i, 23i muodostaa peilikuvan neljännessä kerroksessa olevan toisen gr 202 vastaavan käämin 2h, 222,232 kanssa.

Kuviossa 5 esitetty vaihtoehtoinen ensiövirtajohdin 30 käsittää meno 10 paluuhaaran 32 ja näitä yhdistävän virtasilmukan 33. Tulohaara 31 ja 32 eivät muodostu aivan suorakulmion muotoisista kappaleista kutei suoritusmuodossa. Tulohaaran 31 ja menohaaran 32 muoto eivät tassi niinkään sähköteknisistä perusteista, vaan kyse on lähinnä piirilevyi tulevien muiden komponenttien sovituksesta. Menohaaran 31 ja palui 15 välissä on kapea rako 34, joka eristää menohaaran 31 paluuhaarasta 32. ran 31 paluuhaaraan 32 toiset päät yhdistävä virtasilmukka 33 on c pyöristetyn neliön muotoinen. Menohaaran 31, paluuhaaran 32 ja virtasi paksuus määräytyy piirilevyn johtavan kerroksen paksuudesta. Ensiövii • 1 V 30 virtasilmukan 33 ulkohalkaisija D30 on alueella 10-30 mm, edullis< *·’2 20 ja sen leveys d33 on alueella 4-10 mm, edullisesti 6 mm. Menohaarar d31 on alueella 5-15 mm, edullisesti 9 mm ja paluuhaaran 32 leve » »« • » alueella 5-15 mm, edullisesti 7 mm.

4 44« 4 4 ·«· 444 4 · ***** Kuviossa 6 esitetty vaihtoehtoinen ensiövirtajohdin 40 on tarkoitus käy # 25 sä kuviossa 5 esitetyn ensiövirtajohtimen 30 kanssa. Ensiövirtajohdin • 14 111 menohaaran 41, paluuhaaran 42 ja näitä yhdistävän virtasilmukan 43.

2 4 1 12 ran 41, paluuhaaran 42 ja virtasilmukan 43 paksuus määräytyy piirilevyt kerroksen paksuudesta. Ensiövirtajohtimen 40 virtasilmukan 43 ulkc D40 on alueella 10-30 mm, edullisesti 18 mm ja sen leveys d43 on alu mm, edullisesti 6 mm. Menohaaran 41 leveys d41 on alueella 5-15 mm, 5 7 mm ja paluuhaaran 42 leveys d42 on alueella 5-15 mm, edullisesti 9 m

Kuviossa 5 ja kuviossa 6 esitetyt ensiövirtajohtimien menohaarat 31, 41 haarat 32, 42 on muotoiltu siten, että ensiövirtajohtimet voidaan sijoitta käin piirilevyn ulompiin kerroksiin ja kytkeä Saijaan. Mitattava virta 10 ensimmäisen ensiövirtajohtimen 30 menohaaraan 31, josta se kiertää em ensiövirtajohtimen 30 virtasilmukan 33 ja palaa ensimmäisen ensiövirt 30 paluuhaarasta 32. Ensimmäisen ensiövirtajohtimen 30 paluuhaarasta johdetaan toisen ensiövirtajohtimen 40 menohaaraan 41, josta se kiei ensiövirtajohtimen 40 virtasilmukan 43 ja palaa toisen ensiövirtajol 15 paluuhaarasta 42.

Kuviossa 7 esitetty vaihtoehtoinen toisiopiiri 50 on myös toisen kerta! diometri. Tämä gradiometri 50 on muodostettu spiraalimaisesti taso :.V ympärille käämitystä keskikäämistä 52 sekä kahdesta keskikäämin 52 u " " 20 ympärille makaavan U-kiijaimen ulkorajoja myötäillen tasoon käämii * * * käämistä 51, 53. Gradiometrin 50 kaikki kolme käämiä 51, 52, 53 • · · • * .·.* samassa tasossa.

• · * o·· « « * • · **·*' Gradiometrin 50 ulkohalkaisija D50 on alueella 10-30 mm, edullisesti . 25 keskikäämin 52 ulkohalkaisija D52 on alueella 5-20 mm, edullisest « · * "" Gradiometrin 50 virtajohtimen leveys on alueella 50-300 pm, edullisesl Λ Λ 13

Gradiometri 50 on mitoitettu siten, että keskikäämi 52 sijaitsee pääasiai la, jossa ensiövirtajohtimen 30,40 tuottama magneettikenttä on positiivi] Sivukäämit 51, 53 sijaitsevat puolestaan pääasiassa alueella, jossa magrn 5 on negatiivinen B < 0.

Kuviossa 8 esitetty kahdeksankerroksinen piirilevy 200 muodostuu vuo johtavasta kerroksesta 201, 202, 203, 204, 205, 206,207, 208 ja eristek 210, 211, 212, 213, 214, 215, 216. Piirilevyn 200 ensimmäiseen kerro! 10 joka on piirilevyn ensimmäisen pinnan uloin johtava kerros on m kuviossa 5 esitetty ensiövirtajohdin 30. Piirilevyn 200 kahdeksanteen 1 208, joka on piirilevyn toisen pinnan uloin johtava kerros on muodostet sa 6 esitetty virtajohdin 40. Piirilevyn 200 toinen kerros 202 ja seitser 207 muodostavat staattisen suojan, jolla estetään ensiöpiirin kapasitiivin 15 tyminen toisiopiiriin. Piirilevyn kolmanteen 203, neljänteen 204, viident kuudenteen 206 kerrokseen on muodostettu kuviossa 7 esitetty gradi< Kolmannessa kerroksessa 203 oleva gradiometri muodostaa virtan ensimmäisen gradiometrin 501, neljännessä kerroksessa 204 oleva g γ,ί muodostaa virtamuuntimen toisen gradiometrin 502, viidennessä kerrol 20 oleva gradioimetri muodostaa virtamuuntimen kolmannen gradiom *...· kuudennessa kerroksessa 206 oleva gradiometri muodostaa virtan *99 neljännen gradiometrin 504.

♦ ··«· • 9 *··*' Piirilevyn 200 ensimmäisessä kerroksessa 201 oleva ensimmäinen ens 25 din 30 , kahdeksannessa kerroksessa 208 oleva toinen ensiövirtajohdi • · · *·;; mannessa kerroksessa 203 oleva ensimmäinen gradiometri 50i, n • · * a 4 14 ti päällekkäin, jolloin ensiövirtajohtimien 30,40 virtasilmukoiden 33,4. teiden ja gradiometrien 50i, 502,503, 504 keskikäämien 52;, 522, 523, 52 teiden kautta kulkeva jana muodostaa normaalin piirilevylle 200.

5 Mitattava vaihtovirta I synnyttää ensiövirtajohtimien 30, 40 virtasilmu 43 lähes ympyräsymmetrisen magneettikentän, joka indusoi gradiomet 502, 503,5Ο4 ensiövirtaan I verrannollisen jännitteen.

Kuviossa 9 on esitetty eräs mahdollisuus kuviossa 8 esitetyn kolma 10 neljänteen 502, viidenteen 5Ο3 ja kuudenteen 504 kerrokseen muodosti muuntimen toisiopiirin muodostavan, gradiometrin kytkemiseksi. Virta toisiopiiri kytketään vahvistinelektroniikkaan (ei esitetty kuvioissa) 1 liityntäpisteiden A ja B välityksellä. Liityntäpisteestä A siirrytään ke kerroksessa 203 olevan ensimmäisen gradiometrin 5Oi ensimmäisen s 15 511 ulkokehälle, josta kuljetaan vastapäivään ensimmäisen gradioi ensimmäisen sivukäämin 511 sisäkehälle. Seuraavaksi siirrytään r kerroksessa 204 olevan toisen gradiometrin 502 ensimmäisen sivuk sisäkehälle, josta kuljetaan vastapäivään toisen gradiometrin 502 en :V: sivukäämin 5h ulkokehälle. Seuraavaksi siirrytään neljännessä kerro] 20 olevan toisen gradiometrin 502 keskikäämin 522 ulkokehälle, josta

«M

myötäpäivään toisen gradiometrin 502 keskikäämin 522 sisäkehälle. S

• « · siirrytään kolmannessa kerroksessa 203 olevan ensimmäisen gradioi 4 keskikäämin 52i sisäkehälle, josta kuljetaan myötäpäivään ensimrr *···* diometrin 50i keskikäämin 52i ulkokehälle. Seuraavaksi siirrytään ke 25 kerroksessa 203 olevan ensimmäisen gradiometrin 50i toisen sivuk * ** "•j ulkokehälle, josta kuljetaan vastapäivään ensimmäisen gradiometrin * ,5 11 Välipisteestä B1 siirrytään viidennessä kerroksessa 205 olevan kolmi diometrin 503 ensimmäisen sivukäämin 5h ulkokehälle, josta kuljetaai vään kolmannen gradiometrin 503 ensimmäisen sivukäämin 5 b s Seuraavaksi siirrytään kuudennessa kerroksessa 206 olevan neljännen ; 5 rin 504 ensimmäisen sivukäämin 5U sisäkehälle, josta kuljetaan va neljännen gradiometrin 504 ensimmäisen sivukäämin 5U ulkokehälle. S siirrytään kuudennessa kerroksessa 206 olevan neljännen gradiometrin käämin 524 ulkokehälle, josta kuljetaan myötäpäivään neljännen gradio keskikäämin 524 sisakehälle. Seuraavaksi siirrytään viidennessä kerro! 10 olevan kolmannen gradiometrin 503 keskikäämin 523 sisäkehälle, josti myötäpäivään kolmannen gradiometrin 5Ο3 keskikäämin 523 ulkokehäl vaksi siirrytään viidennessä kerroksesa 205 olevan kolmannen gradio toisen sivukäämin 533 ulkokehälle, josta kuljetaan vastapäivään 1 gradiometrin 503 toisen sivukäämin 533 sisäkehälle. Seuraavaksi siirr 15 dennessa kerroksessa 206 olevan neljännen gradiometrin 504 ensimmi käämin 5U sisäkehälle, josta kuljetaan vastapäivään neljännen gradio ensimmäisen sivukäämin 5U ulkokehälle. Tämän jälkeen saavuta liityntäpisteeseen B.

• · · · • « « • · 20 Kuviossa 9 esitetyssä kytkennässä kaikkien käämien 5li, 52i, 531, 51; ***** 513, 523, 533, 5U, 524, 534 painoarvo on 1, koska kaikki käämit c ··♦ ***** sarjaan.

* • *« * • ♦· • · ***** Kolmannessa kerroksessa olevan ensimmäisen gradiometrin 5Oi kukin . 25 52i, 531 muodostaa peilikuvan neljännessä kerroksessa olevan toisen gr • ·· *::: 502 vastaavan käämin 5h, 522, 532 kanssa. Viidennessä kerroksei • 9 16

Kolmannessa kerroksessa olevan ensimmäisen gradiometrin 50i kukin l 52i, 53i on vastaavasti samanlainen kuin viidennessä kerroksessa oleva] nen gradiometrin 503 vastaava käämi 5 b, 523, 533. Toisessa kerroksen toisen gradiometrin 502 kukin käämi 5h, 522, 532 on myös samanla 5 kuudennessa kerroksessa olevan neljännen gradiometrin 504 vastaava Is 524, 534.

Kuviossa 8 on ensimmäinen 30 ja toinen 40 ensiövirtajohdin kytket! jolloin ensiövirran I synnyttämä magneettikenttä saadaan vahvistettua 10 sinkertaiseksi verrattuna yhden ensiövirtajohtimen käyttöön. Ensimmäi toinen 40 ensiövirtajohdin voidaan kuitenkin kytkeä myös rinnan, jolloii ta I jakaantuu näiden kahden ensiövirtajohtimen 30,40 kesken. Tämä en jakaminen useampaan osavirtaan on tarpeen suurilla virroilla, jotta < siövirtajohtimen liiallinen kuumeneminen voidaan estää.

15

Kuviossa 3 esitetyssä suoritusmuodossa käytetään kahta toisen kerta! diometria 201, 2Ο2 ja kuviossa 8 esitetyssä suoritusmuodossa käyteti toisen kertaluvun gradiometria 50i, 502, 503, 504. Mitä useampaa grj : V: käytetään sen voimakkaampi signaali eli jännite saadaan toisiopiiristä. 1 20 kannalta voidaan käyttää vain yhtä toisen kertaluvun gradiometria, * m * :: yhdestä gradiometrista saatava signaali on riittävän suuri.

• *· • · • « • · ♦ ..li Kuvioissa esitetyissä suoritusmuodoissa toisen kertaluvun gradiomet *··.* kolme käämiä on muodostettu piirilevyn yhteen johtavaan kerrokseen. 1 25 kannalta voidaan myös ajatella, että toisen kertaluvun gradiometrin * * · muodostettu piirilevyn eri kerroksiin, esim. siten, että keskikäämi o * · 17 1 1

Piirilevylle 100, 200 voidaan luonnollisesti muodostaa myös muita kom virtamuuntimen tai virtamuuntimien lisäksi. Esim. KWh-mittarin kok elektroniikka voidaan tarvittaessa sijoittaa yhdelle ja samalle piirilevylle 5 Edellä on esitetty ainoastaan eräitä keksinnön edullisia suoritusmuot< ammattimiehelle on selvää, että niihin voidaan tehdä lukuisia mod oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteii • · « ft i I · « ft · * • * « ftft • ft • I ft ft ft ft ft ft ft ft ft ft*· ft ft 4 ft 4 «•ftft ft· ft • ft • ft • ft ft ft ft ft* ft • ft·* ft·· ft ft

Claims (15)

1. Virtamuunnin vaihtovirran (I) mittaamiseksi käsittää ensiöpiirin, jok tuu ainakin yhdestä ensiövirtajohtimesta (10, 30,40), jossa on menohaa 5 41), paluuhaara (12, 32, 42) ja näitä yhdistävä virtasilmukka (13, 33, siopiirin, joka muodostuu ainakin yhdestä, piirilevyn ainakin yhteen kerrokseen muodostetusta, ainakin toisen kertaluvun gradiometrista (20 virtamuuntimessa mitattava vaihtovirta (I) johdetaan ensiövirtajohtinu 40) menohaaraan (11, 31, 41), josta se kiertää virtasilmukan (13, 33, 4 10 paluuhaaraa (12, 32, 42) pitkin, jonka jälkeen vaihtovirta (I) johdetaa kohteeseen, jolloin virtasilmukassa (13, 33, 43) kulkeva vaihtovirta (Γ ympärilleen magneettikentän, joka kytkeytyy mainittuun ainakin yhte< toisen kertaluvun gradiometriin (20, 50) ja synnyttää siinä mitattavan naalin, tunnettu siitä, että mainitun ainakin yhden ensiövirtajohtimen ( 15 menohaara (11, 31, 41), paluuhaara (12, 32, 42) ja näitä yhdistävä vir (13, 33, 43) on muodostettu piirilevyn yhteen ja samaan johtavaan siten, että mainitun ainakin yhden ensiövirtajohtimen (10, 30, 40) j: ainakin yhden, ainakin toisen kertaluvun gradiometrin (20, 50) välissä yksi johtava kerros, joka muodostaa staattisen suojan ensiöpiirin ja ***** 20 välille. ··· • * • · M· * * **

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, ett; ·♦· ···* ainakin yhden gradiometrin (20, 50) keskipiste on samankeskiner • · ’*··* ainakin yhden ensiövirtajohtimen (10, 30, 40) virtasilmukan (13, 33, 43 1 teen kanssa. ·«· ·**· johtavaan kerrokseen (103) ja toinen gradiometri (2Ο2) on muodostettu (100) neljänteen johtavaan kerrokseen (104), jolloin piirilevyn (1C johtava kerros (102) muodostaa staattisen suojan ensiövirtajohtime gradiometrien (20ι, 2Ο2) välille. 5

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, < gradiometri (20ι, 2Ο2) on muodostettu spiraalimaisesti tasoon käämit) käämistä (221, 222) sekä kahdesta keskikäämin (221, 222) ulkokehän puoliympyrän segmentin ulkorajoja myötäillen tasoon käämitystä siv 10 (211, 231, 212, 232), jolloin kunkin gradiometrin (20ι, 2Ο2) kaikki köli (211,22i, 223,2h, 222,232) sijaitsevat samassa tasossa.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, ei gradiometrin (20ι, 2Ο2) kaksi sivukäämiä (211, 23i, 212, 232) on kytk( 15 nään rinnan, että sivukäämiparit (211, 231) ja (212, 232) on kytketty saij keskikäämit (22i, 222) on kytketty keskenään ja sivukäämiparien kanssa

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, t gradiometrin (20ι, 2Ο2) keskikäämin (221, 222) efektiivinen pinta-ala on *20 kuin yhden sivukäämin (211,231,212,232) efektiivinen pinta-ala. • Ψ9 • · • Ψ ·«« ***

7. Jonkin patenttivaatimuksen 4-6 mukainen virtamuunnin, tunnettu f·· •••i kunkin gradiometrin (201, 2Ο2) keskikäämien (22i, 222) kierrosluki • » ’···’ alueella 5-50, edullisesti 12. 25 * »« 1 Hl 8. Jonkin patenttivaatimuksen 4-7 mukainen virtamuunnin, tunnettu Λ 503, 504), jotka on muodostettu kahdeksankerroksiseen piirilevyyn (200] ensimmäinen ensiövirtajohdin (30) on muodostettu piirilevyn (200) ensi johtavaan kerrokseen (201), toinen ensiövirtajohdin (40) on muodoste vyn (200) kahdeksanteen johtavaan kerrokseen (208), ensimmäinen g 5 (50i) on muodostettu piirilevyn (200) kolmanteen johtavaan kerroks toinen gradiometri (502) on muodostettu piirilevyn (200) neljänteen kerrokseen (204), kolmas gradiometri (5Ο3) on muodostettu piirile viidenteen johtavaan kerrokseen (205) ja neljäs gradiometri (504) on m piirilevyn (200) kuudenteen johtavaan kerrokseen (206), jolloin piirih 10 toinen (202) ja seitsemäs (207) johtava kerros muodostavat staattii ensiövirtajohtimien (20, 30) ja gradiometrien (50i, 502, 503, 5Ο4) välille.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, gradiometri (501, 502, 503, 5Ο4) on muodostettu spiraalimaisesti tas< 15 ympärille käämitystä keskikäämistä (521, 522, 523, 524) sekä kahdesta min (52i, 522, 523, 524) ulkorajojen ympärille makaavan U-kiijaimen myötäillen tasoon käämitystä sivukäämistä (511, 531, 512, 532, 513, 533 jolloin kunkin gradiometrin (501, 502, 503, 5Ο4) kaikki kolme käämiä * V.· 531, 512, 522, 532, 513, 523,533, 514, 524, 534) sijaitsevat samassa tasoss; λ mm • · *·*·* 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, e ·· 77 • · gradiometrin (50i, 502, 503, 504) kaikki kolme käämiä (511, 52i, 531, 51 ··* 513,523, 533, 5 U, 524, 534) on kytketty keskenään sarjaan ja että gradioi • * 502,503, 5Ο4) on lisäksi kytketty keskenään sarjaan. 25 • * ·

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen virtamuunnin, tunnettu m m

13. Jonkin patenttivaatimuksen 10-12 mukainen virtamuunnin, tunnettu kunkin gradiometrin (50i, 502, 503, 504) keskikäämien (52i, 522, 523, 52 lukumäärä on alueella 5-50, edullisesti 12.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 10-13 mukainen virtamuunnin, tunnettu kunkin gradiometrin (50i, 502, 503, 504) kunkin sivukäämin (5li, 53i, 513, 533, 514, 534) kierroslukumäärä on alueella 1-20, edullisesti 5. • ♦ • · · • · « • « * « * · # * · t1# • · » • · • · * # · «»·· • 1 B • · · ♦ • »I· · • « 22 1 1 ‘ L Strömomvandlare för mätning av växel Ström (I) omfattande en p som bildas av ätminstone en primärströmledare (10,30,40), som c 5 ingäende gren (11,31,41), en returgren (12,32,42) och en strömslinga som sammankopplar dessa, och en sekundärkrets, som bildas av ätm ätminstone andra ordningens gradiometer (20,50), som bildats i ätrr ledande skikt i ett kretskort, i vilken strömomvandlare växelströmm skall mätäs leds tili den ingäende grenen (11,31,41) av primärst 10 (10,30,40), varifrän den gar runt strömslingan (13,33,43) och ätervi returgrenen (12,32,42), varefter växelströmmen (I) leds tili förbruki varvid växelströmmen (I) som flyter i strömslingan (13,33,43) bildar fait omkring sig som kopplas tili nämnda ätminstone ena, ätmins ordningens gradiometer (20,50) och genererar i denna en mätbar späm 15 kännetecknad därav, att nämnda ätminstone ena primärströmledares ingäende gren (11,31,41), returgren (12,32,42) och strömslinga (13,; förenar dessa är bildade i kretskortets ett och samma ledande skikt pä att mellan nämnda ätminstone ena primärströmledare (10,30,40) o • * V.* ätminstone ena, ätminstone andra ordningens gradiometer (20,50) finr 20 ne ett ledande skikt, som bildar ett statiskt skydd mellan primärkretsen • » ***** darkretsen. • · ··· ··· ···· 2. Strömomvandlare enligt patentkravet 1, kännetecknad därav, att mi * * *···* av nämnda ätminstone ena gradiometer (20,50) är koncentrisk med m< . 25 av strömslingan (13,33,43) av nämnda ätminstone ena primär a a a *::: ao,3o,40). 11 första gradiometern (201) är bildad i ett tredje ledande skikt (103) av (100) och den andra gradiometern (2Ο2) är bildad i ett fjärde ledande av kretskortet (100), varvid ett andra ledande skikt (102) av kretsk bildar ett statiskt skydd mellan primärströmledaren (10) och grad 5 (201,202).

4. Strömomvandlare enligt patentkravet 3, kännetecknad därav, att gradiometer (201,202) är bildad av en spiralformigt i ett pian linda< (221,222) samt av tvä omkring den yttre periferin av mittspolen (22i,22; 10 yttre gränsema av ett halvcirkelsegment i ett pian lindade (211,231,212,232), varvid alla tre spolar (21 i,22if223,212,222,23a) i 1 gradiometer (20i,202) ligger i samma pian.

5. Strömomvandlare enligt patentkravet 4, kännetecknad därav, att c 15 spolama (211,231,212,232) i var och en gradiometer (20i,202) är parall med varandra, att sidospolparen (21i,23i) och (212,232) är seriekoppl mittspolama (22i,222) är kopplade i serie med varandra och med sidosp ;V: 6. Strömomvandlare enligt patentkravet 4 eller 5, kännetecknad däi ·:**: 20 effektiva arean av mittspolen (221,222) i var och en gradiometer (20i, stor som den effektiva arean av en sidospole (211,231,212,232). « « « • « f « • ψ · 1 Strömomvandlare enligt nägot av patentkraven 4-6, känneteckna * # * varvantalet i mittspolama (221,22¾) i var och en gradiometer (20i,202) 25 omradet 5-50, fördelaktigt 12. • •M • Q —r-, λ natantlrraiun Α-Ί ar>Lr na 11' omvandlaren omfattar tvä primärströmledare (30,40) och fyra gn (501.502.503.504) , som är bildade i ett kretskort (200) med ätta skikt pä s att den första primärströmledaren (30) är biidad i ett första ledande skik kretskortet (200), den andra primärströmledaren (40) är biidad i ett ättoi 5 de skikt (208) av kretskortet (200), den första gradiometem (50i) är b tredje ledande skikt (203) av kretskortet (200), den andra gradiometei biidad i ett fjärde ledande skikt (204) av kretskortet (200), den tredje gra (5Ο3) är biidad i ett femte ledande skikt (205) av kretskortet (200) och gradiometem (504) är biidad i ett sjätte ledande skikt (206) av kretsko 10 varvid ett andra (202) och ett sjunde (207) ledande skikt av kretskc bildar ett statiskt skydd mellan primärströmledama (20,30) och grad: (501.502.503.504) .

10. Strömomvandlare enligt patentkravet 9, kännetecknad darav, att1 15 gradiometer (50i,502,503,504) är biidad av en spiralformigt i ett pian o kvadrat lindad mittspole (52i,522,523,524) samt av tvä utmed de yttre gr en omkring de yttre gränsema av mittspolen (52i,522,523,524) liggande i ett plan lindade sidospolar (511,531,512,532, 513,533,514,534), varv « · spolar (5 li,52i,53it512,522,532, 513,523,533.514,524,534) i var och en g [ * 20 (50i,502,503,504) ligger i samma pian. • · • · ··* • ♦ *···* 11. Strömomvandlare enligt patentkravet 10, kännetecknad därav, i • ·« *lll spolar (5li,52i,531,512,522,532,513,523,533,514,524,534) i var och en g ·** (50i,502,503,504) är seriekopplade med varandra, och att grad . 25 (501,502,503,504) dessutom är seriekopplade med varandra. ···· • · * * 11

13. Strömomvandlare enligt nägot av patentkraven 10-12, känneteckr att varvantalet i mittspolama (521,522,523,524) i var och en gi (50i ,502,50^,504) ligger inom omrädet 5-50, fördelaktigt 12.

14. Strömomvandlare enligt nägot av patentkraven 10-13, känneteckr att varvantalet i var och en sidospole (51i,53i,5h,532,5b,533,514,534) i gradiometer (50ι,502,503,504) ligger inom omrädet 1-20, fördelaktigt 5. • ψ • * · m * · * · • · • ·· • « * · »M • •m 9 9 • 9 999 9 9· • • 999 9 99 • 9 9 · ··· m 99 • 999 9 9